Детектор для определения веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей
Изобретение относится к области определения физических и химических свойств веществ. Детектор содержит проточную ионно-дрейфовую камеру с расположенными в ней у противоположных торцевых стенок двумя основными электродами. Проточная ионно-дрейфовая камера совмещена с термодесорбером, корпусом которого является одна из торцевых стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, выполненная в виде металлического фланца, прикрепленного к полому цилиндрическому корпусу проточной ионно-дрейфовой камеры и имеющего сквозную цилиндрическую полость, в которой расположено изоляционное кольцо с установленным в нем металлическим каркасом термодесорбера, снабженным закрепленным на нем нагревателем. Металлический фланец имеет подпружиненную крышку и отверстие в виде щели для установки подложки с отобранной на нее пробой анализируемых токсичных веществ. Технический результат - уменьшение потерь определяемых веществ. 2 ил.
Изобретение относится к области определения физических и химических свойств веществ с использованием преобразования их в пары, транспортировки паров газом-носителем, ионизации газов с образованием ион-молекулярных комплексов, разделения их по подвижности и регистрации электрического сигнала. Изобретение может быть использовано для обнаружения и идентификации веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, таких как взрывчатые или наркотические вещества.
Известен детектор для определения токсичных веществ, содержащий проточную камеру с расположенными в ней у противоположных торцов двумя основными электродами, источник ионизации, расположенный вблизи одного из электродов, электрические затворы, охранные электроды, входные и выходные отверстия для прохода газов (см., например, патент США №3626180, кл. G 01 N 27/62 (250-41.9), 1971 г.). В известном детекторе из-за образования нестабильных ион-молекулярных комплексов наблюдается смещение пиков от анализируемых ионов в спектре в течение длительного времени и большое время последействия.
Известен также детектор для определения веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, содержащий проточную ионно-дрейфовую камеру с расположенными в ней у противоположных стенок двумя основными электродами, электрические затворы в виде сеток, расположенные между основными электродами, кольцевые охранные электроды, расположенные вдоль стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, источник ионизации, патрубок для подачи газа-носителя анализируемых веществ, патрубок для подачи дрейфового газа и патрубок для выхода газов (см. авторское свидетельство СССР №868536, кл. G 01 N 27/62, опубликованное 30.09.81 г. в бюллетене №26). В нем полость патрубка для подачи газа-носителя с анализируемыми веществами непосредственно соединена с проточной ионно-дрейфовой камерой, что не обеспечивает возможности обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, находящихся обычно в твердом или жидком состоянии.
Применение дополнительных преобразователей для превращения твердых и жидких анализируемых веществ в пары приводит к необходимости использования достаточно протяженных переходных коммуникаций для транспортировки паров анализируемых веществ в проточную ионно-дрейфовую камеру. При этом неизбежны потери обнаруживаемых веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, таких как взрывчатые и наркотические вещества, из-за их разложения или осаждения на стенках транспортных коммуникаций, а также увеличение габаритов детектора в целом.
При этом для снижения конденсации паров определяемых веществ необходим специальный нагреватель транспортных коммуникаций, что дополнительно увеличивает габариты детектора и усложняет его конструкцию.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, уменьшение потерь определяемых веществ при введении их в проточную ионно-дрейфовую камеру и уменьшение габаритов детектора.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в детекторе для определения веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, содержащем проточную ионно-дрейфовуто камеру с расположенными в ней у противоположных торцевых стенок двумя основными электродами, электрические затворы в виде сеток, расположенные между основными электродами, кольцевые охранные электроды, расположенные вдоль стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, источник ионизации, патрубок для подачи газа-носителя анализируемых веществ, патрубок для подачи дрейфового газа и патрубок для выхода газов, проточная ионно-дрейфовая камера совмещена с термодесорбером, корпусом которого является одна из торцевых стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, выполненная в виде металлического фланца, прикрепленного к полому цилиндрическому корпусу проточной ионно-дренфовой камеры и имеющего сквозную цилиндрическую полость, в которой расположено изоляционное кольцо с установленным в нем металлическим каркасом термодесорбера, снабженным закрепленным на нем нагревателем, при этом металлический фланец имеет подпружиненную крышку и отверстие в виде щели для установки подложки с отобранной на нее пробой анализируемых веществ, металлический каркас термодесорбера имеет сквозной осевой канал, а также кольцевые и радиальные пазы на торцевой поверхности каркаса термодесорбера, образующие при установке подложки с отобранной пробой и прижатии ее подпружиненной крышкой к металлическому каркасу термодесорбера кольцевые и радиальные каналы, соединяющиеся со сквозным осевым каналом металлического каркаса термодесорбера, при этом металлический каркас термодесорбера выполнен ступенчатой формы таким образом, что между ним и изоляционным кольцом образуется кольцевая полость, сообщающаяся с внутренней полостью патрубка для подачи газа-носителя, а через радиальные каналы и сквозной осевой канал каркаса термодесорбера - с внутренней полостью проточной ионно-дрейфовой камеры.
В предложенном детекторе за счет совмещения проточной ионно-дрейфовой камеры с термодесорбером, размещенным в одной из торцевых стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, обеспечивается возможность обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и уменьшение габаритов детектора, а конструкция термодесорбера и его каналов, связанных с полостью патрубка для подачи газа-носителя и с проточной ионно-дрейфовой камерой, сокращает транспортные коммуникации, а вследствие этого и потери определяемых веществ при введении их в проточную ионно-дрейфовую камеру.
Предлагаемый детектор поясняется с помощью чертежей, на которых изображено:
на фиг.1 - общий вид детектора;
на фиг.2 - вид на торцевую поверхность металлического каркаса термодесорбера в увеличенном масштабе.
Предлагаемый детектор для определения веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей (см. фиг.1), содержит проточную ионно-дренфовую камеру (1) с расположенными в ней у противоположных торцевых стенок (2), (3) двумя основными электродами (4), (5), электрические затворы в виде сеток (6), расположенные между основными электродами, кольцевые охранные электроды (7), расположенные вдоль стенок проточной ионно-дрейфовой камеры (1), источник ионизации (8), патрубок для подачи газа-носителя анализируемых веществ (9), патрубок для подачи дрейфового газа (10) и патрубок для выхода газов (11). Проточная ионно-дрейфовая камера имеет форму цилиндра с утолщенными торцевыми стенками.
В качестве источника ионизации используется радиоактивный источник бета-излучения (Никель-63).
Проточная ионно-дрейфовая камера (см. фиг.1) совмещена с термодесорбером, корпусом которого является одна из торцевых стенок (7) проточной ионно-дрейфовой камеры (1), выполненная в виде металлического фланца, прикрепленного к полому цилиндрическому корпусу (12) проточной ионно-дрейфовой камеры (1) и имеющего сквозную цилиндрическую полость, в которой расположено изоляционное кольцо (13) с установленным в нем металлическим каркасом (14) термодесорбера, снабженным закрепленным на нем нагревателем (15).
Металлический фланец имеет подпружиненную крышку (16) и отверстие в виде щели (17) для установки подложки (18) с отобранной на нее пробой анализируемых токсичных веществ. Металлический каркас (14) термодесорбера имеет сквозной осевой канал (19), а также кольцевые (20) и радиальные (21) пазы на торцевой поверхности каркаса термодесорбера (см. фиг.3), образующие при установке подложки (18) с отобранной пробой и прижатии ее подпружиненной крышкой (16) к металлическому каркасу (14) термодесорбера кольцевые и радиальные каналы, соединяющиеся со сквозным осевым каналом (19) металлического каркаса (14) термодесорбера.
Металлический каркас (14) термодесорбера выполнен ступенчатой формы таким образом, что между ним и изоляционным кольцом (13) образуется кольцевая полость (22), сообщающаяся с внутренней полостью патрубка для подачи газа-носителя (9), а через радиальные каналы и сквозной осевой канал (19) каркаса (14) термодесорбера - с внутренней полостью проточной ионно-дрейфовой камеры (1).
В качестве нагревателя (15) термодесорбера используется обмотка из нихромовой проволоки, изолированной слюдинитом. Нагреватель (15) закрыт теплоизолятором (23) из асбестового шнура.
Для предотвращения осаждения определяемых веществ при прохождении их через проточную ионно-дрейфовую камеру (1) ее наружная поверхность дополнительно нагревается специальным нагревателем.
Выводы основных электродов (4) и (5), кольцевых охранных электродов (7) и электрических затворов (6) соединены с выводами (24), расположенными на торцевой стенке (3) проточной ионно-дрейфовой камеры (1).
Детектор имеет блок управления (25) электрическими затворами (6) и охранными электродами (7), связанный с ними с помощью выводов (24) электрометрический усилитель (26), соединенный с одним из основных электродов (5) (коллектором ионов), и регистратор (27), подключенный к выходу электрометрического усилителя (26).
В качестве регистратора (27) может быть использован любой самопишущий прибор для записи электрических сигналов.
В качестве газа-носителя определяемых веществ и дрейфового газа могут быть использованы азот или очищенный и осушенный воздух.
При работе подают в патрубок (9) газ-носитель, в патрубок (10) - дрейфовый газ. Расход газа-носителя 100 мл/мин, расход дрейфового газа - 450-600 мл/мин. Для обнаружения и идентификации веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, в отверстие (17) вставляется подложка с отобранной пробой анализируемых веществ и поджимается к торцевой поверхности металлического каркаса (14) термодесорбера подпружиненной крышкой (16). Затем производится импульсный нагрев металлического каркаса (14) термодесорбера путем подачи электрического тока в нагреватель (15). При этом с поверхности подложки отобранные на нее определяемые вещества испаряются и уносятся потоком газа-носителя через кольцевые и радиальные каналы и сквозной осевой канал (19) термодесорбера в проточную ионно-дрейфовую камеру (1).
При прохождении газа-носителя с десорбируемыми веществами мимо радиоактивного источника ионизации (8) газы ионизируются, образуются положительные ионы азота, кислорода и электроны, т.е. образуется низкотемпературная плазма одинакового числа положительных и отрицательных частиц. Под действием электрического поля между электродами (4) и (5) отрицательные частицы будут двигаться к электроду (аноду) (4), а положительные - к электроду (коллектору ионов) (5).
Ввиду наличия в газе-носителе следов водяного пара первичные ионы, образованные в газе-носителе, претерпевают ряд реакций и образуют стабильные гидратированные ионы типа (Н2О)H+ , (Н2О)NO+, которые вступают в ион-молекулярные реакции с анализируемыми веществами и образуют ион-молекулярные комплексы анализируемых веществ, обнаруживаемых детектором.
Ион-молекулярные комплексы веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, например взрывчатых веществ (тротила, гексогена, тетранитратнейтаэритрита) или наркотических веществ (героина, кокаина, ЛСД и т.п.), имеют сравнительно большую массу и малую подвижность. Эти комплексы задерживаются первым электрическим затвором (6). При открытии первого электрического затвора (6) с помощью подачи блока управления (25) открывающего импульса под действием электрического поля между электродами (4) и (5) образовавшиеся ион-молекулярные комплексы определяемых взрывчатых или наркотических веществ будут дрейфовать в направлении к электроду (5) (коллектору ионов).
При этом второй электрический затвор (6) закрыт. Он открывается с помощью подачи открывающего импульса с блока управления (25) лишь на 250 мкс (время прохода группы ион-молекулярных комплексов определяемых веществ), предотвращая попадание на электрод (5) ион-молекулярных комплексов мешающих примесей. Электрический сигнал, снимаемый с электрода (5), усиливается электрометрическим усилителем (26) и фиксируется регистратором (27).
По наличию характерных пиков электрического сигнала судят о присутствии в газе-носителе веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, в частности взрывчатых или наркотических веществ, и производят их идентификацию.
В предложенном детекторе обеспечивается короткая и надежная транспортировка десорбируемых определяемых веществ в проточную ионно-дрейфовую камеру, что особенно важно для уменьшения потерь труднолетучих взрывчатых и наркотических веществ.
При этом совмещение проточной ионно-дрейфовой камеры с термодесорбером не только обеспечивает надежное обнаружение и идентификацию взрывчатых и наркотических веществ, но и значительно уменьшает габариты детектора.
В соответствии с предложенным решением разработан и изготовлен опытный образец детектора, в котором длительность открывающих импульсов на электрических затворах 250 мкс, период следования импульсов 25 мс, объем зоны дрейфа 20 см3 , температура внутри проточной ионно-дрейфовой камеры 
70°С, а температура импульсного нагрева поверхности металлического каркаса термодесорбера выбирается в зависимости от вида определяемых веществ для обеспечения их испарения без разложения.
Испытания опытного образца предложенного детектора подтвердили его преимущества по сравнению с известными детекторами при обнаружении и идентификации взрывчатых веществ типа тротил, гексоген, тетранитратнейтаэритрит и наркотических веществ типа героин, кокаин, морфин, диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД) и целесообразность его внедрения в производство.
Формула изобретения
Детектор для определения веществ, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, содержащий проточную ионно-дрейфовую камеру с расположенными в ней у противоположных торцевых стенок двумя основными электродами, электрические затворы в виде сеток, расположенные между основными электродами, кольцевые охранные электроды, расположенные вдоль стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, источник ионизации, патрубок для подачи газа-носителя анализируемых веществ, патрубок для подачи дрейфового газа и патрубок для выхода газов, отличающийся тем, что проточная ионно-дрейфовая камера совмещена с термодесорбером, корпусом которого является одна из торцевых стенок проточной ионно-дрейфовой камеры, выполненная в виде металлического фланца, прикрепленного к полому цилиндрическому корпусу проточной ионно-дрейфовой камеры и имеющего сквозную цилиндрическую полость, в которой расположено изоляционное кольцо с установленным в нем металлическим каркасом термодесорбера, снабженным закрепленным на нем нагревателем, при этом металлический фланец имеет подпружиненную крышку и отверстие в виде щели для установки подложки с отобранной на нее пробой анализируемых веществ, металлический каркас термодесорбера имеет сквозной осевой канал, а также кольцевые и радиальные пазы на торцевой поверхности каркаса термодесорбера, образующие при установке подложки с отобранной пробой и прижатии ее подпружиненной крышкой к металлическому каркасу термодесорбера кольцевые и радиальные каналы, соединяющиеся со сквозным осевым каналом металлического каркаса термодесорбера, при этом металлический каркас термодесорбера выполнен ступенчатой формы таким образом, что между ним и изоляционным кольцом образуется кольцевая полость, сообщающаяся с внутренней полостью патрубка для подачи газа-носителя, а через радиальные каналы и сквозной осевой канал каркаса термодесорбера - с внутренней полостью проточной ионно-дрейфовой камеры.
РИСУНКИ
