Электронно-захватный детектор для газовой хроматографии

 

<»i911301

ОП ИСАНИЕ

ИЗОВРЕТЕН ИЯ

К АВТОв СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетсимн

Социапистмчесиин

Реснубпии (Sl ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 25.06.80 (2I ) 2945401/23-25 (Sl)h4. Кл.

G 01 и 27/64 с присоединением заявки М—

1Ъаударственьй квинтвт

СССР ао двлаи нзвбрвтеннй н открытий (23 ) П риори тет

Опубликовано 07,03.82. Бюллетень,йв 9

Дата опубликования ояисаиия 07.03.82 (53) УДК 543.544 (088.8) (В. М. Пошеманский, В. И. Романов и А. Э. Венцель

1 :;":

1 > - . °,1

Специальное конструкторское бюро газовой хроматог йфни "

Ф (72) Авторы изобретения (7f) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОННΠ— ЗАХВАТНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ

ХРОМАТОГРАФИИ

Изобретение относится к газовой хроматографии и может найти применение при анализе газовых смесей, содержащих галогенированные углеводороды и, в.частности, пестициды, 5!

Известен электронно-захватный детектор для газовой хроматографии, содержащий кор- пус, цилиндрический электрод, установленный внутри корпуса и электрически изолирован10 ный от него, источник ионизации, например фольга Ni, размещенный на внутренних стенках цилиндрического электрода, коллекторный электрод, выполненный в виде стержня, и установленный внутри цилиндри1S ческого электрода коаксиально ему, канал для подачи анализируемого газа в зону ионизации и канал для вывода газа из корп(уса t1).

Недостатком данной конструкции электронно-захватного детектора является то, что он обладает низкой чувствительностью. Это обусловлено совмещением в детекторе.зоны захвата электронов, эоны рекомбинации отрицательных ионов и зоны сбора электронов.

В результате электроны, образованные в процессе ионизации газа-носителя, имеют значительное ускорение за счет поля и находятся в объеме детектора непродолжительное время, что снижает вероятность их захвата молекулами анализируемого вещества.

Кроме того, значительная часть отрицательных ионов, образованных за счет захвата электронов, рекомбинирует на поверхности коллекторного электрода.

Для повышения чувствительности детекторов данной конструкции используют.в качестве газа-носителя аргон с добавкой в объем детектора метана. Молекулы метана уменьшают энергию свободных электронов посредством неупругих соударений, эа счет чего повышается вероятность захвата электроков молекулами анализируемого вещества.

С той же целью применяют импульсное питание, В этом случае вероятность захвата электронов в рекомбинации ионов в. объеме резко повышается в интервалах между импульсами при отсутствии поляризующего напряжения.

911301

Однако использование этих методов повышения .чувствительности неудобно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому детектору является так называемый ассиметричный электронно-захватный детектор, содержащий корпус, цилиндрический потенциальный электрод, установленный внутри корпуса и электрически изолирован.ный от него, источник ионизации, размещенный на внутренних стенках цилиндрического электрода, коллекторный электрод, установленный вне зоны ионизации, канал для подачи анализируемого газа в зону ионизации, канал для вывода газа из корпуса. В этом детекторе свободные электроны, образующиеся в зоне ионизации,дрейфуют к коллекторном» электроду против потока газа-носите- ля, несущего анализируемые вещества. Это повышает вероятность захвата электронов молекулами анализируемого вещества и рекомбинации их с положительными ионами газа-носителя, снижает долю отрицательных ионов, рекомбннирующих на поверхности коллекторного электрода и, следовательно, повышает чувствительность детектирования (2) (Однако конструкция этого детектора такова, что коллекторный электрод соединен с корпусом и потенциальным электродом электрическими изоляторами, находящимися в наиболее горячей зоне детектора и непосредственно контактирующими с анализируемыми веществами. Зависимость электрического сопротивления изоляторов от температуры и загрязнения поверхностей постепенно приво. дит к значительным утечкам и, следовательно, к ухудшению стабильности фонового тока, повышению уровня шумов и снижению чувствительности, особенно, при анализе веществ с высокими температурами кипения., Кроме того, наличие между ионнзационной камерой и корпусом электроизолятора, обладающего значительными линейными размерами (с целью улучшения электроизоляции) и, как правило, высокими теплоизоляционнымн свойствами, приводит к тому, что ионизационная камера имеет температуру значительно ниже корпуса, что может вызвать конденсацию анализируемых веществ на поверхности источника ионизирующего излучения и, как следствие, дестабилизацию фонового тока и снижение чувствительности. Повышение температуры корпуса приводит к ухудшению характеристик за счет ухудшения электроизоляции, в связи с чем возникает необходимость в дополнительном нагревателе специальной конструкции, который устанавливают внутри корпуса детектора рядом с цилиндрическим электродом, чтобы исключить конденсацию паров в зоне ионизация, Это приводит к усложнению конструкции.

Цель изобретения — повышение чувствительности детектора, снижение уровня шума и упрощение конструкции детектора.

Укаэанная цель достигается тем, что в электронно-захватном, детекторе для газовой хроматографии, содержащем корпус, потенциальный цилиндрический электрод, установлен-.

lO ный внутри корпуса и электрически изолированный от него, источник ионизации, размещенный на внутренних стенках потенциального цилиндрического электрода, коллекторный электрод, установленный вне зоны иониtS зации, канал для подачи анализируемого газа в зону ионизации и канал для вывода газа из корпуса, коллекторный электрод выполнен в виде цилиндрического стакана, установленного коаксиально потенциальному цилиндрическому электроду так, что внутренние стенки стакана образуют кольцевой зазор с внешними стенками потенциального цилиндрического электрода, а канал для подачи анализируемого газа в зону ионизапии выполнен в виде сопла, электрически изолированного от корпуса.

Благодаря указанным особенностям конструкции детектора, анализируемый газ поступает в центральную часть зоны ионизации, где имеется максимальная концентрация свободных электронов. При этом свободные электроны дрейфуют в электрическом поле в направлении движения потока. газа-носителя к коллекторному электроду и при достаточ35 ной длине зоны нонизации обеспечивается высокая степень захвата свободных электронов молекулами веществ, имеющих сродство к электрону, и эффективная рекомбннация.

При этом коллекторный электрод установлен на. выходе зоны ионизации и изолирован от потенциального электрода воздушным зазором.

Изолятор, соединяющий коллекторный электрод с корпусом находится в холодной зоне и не имеет контакта с анализируемым веществом. Таким образом, в предлагаемом детекто4$ ре реализованы все -преимущества ассиметричной конструкции и устранены ее недостатки.

На чертеже изображен предлагаемый детектор, поперечный разрез.

Детектор содержит корпус 1, в котором установлен потенциальный цилиндрический электрод 2, на внутренних стенках которого размещен источник Зр-излучения Ni . Потенциальный цилиндрический электрод 2 закрепээ лен на канале 4 для подвода анализируемого газа из хроматографической колонки (не показана), который выполнен в виде сопла, отделенного от газоподводящего канала 5

911301 слоем электроизоляции (стеклоэмаль). Коллекторный электрод 6 выполнен в виде стакана, который установлен коаксиально потенциальному цилиндрическому электроду 2 снаружи его так, что внутренние стенки коллекторного электрода 6 образуют кольцевой зазор i внешними стенками цилиндрического электрода 2. Коллекторный электрод б с помощью токоподвода. 7 соединен с входом электрометрического усилителя (не показан), а потенциальный цилиндрический электрод 2 с помощью токоподвода 8 соединен с источником постоянного или импульсного напряжения. Корпус 1 снабжен штуцером 9 для вывода газа в атмосферу.

Детектор работает следующим образом, Газ-носитель, например азот, выходит иэ хроматографической. колонки конец которой герметично закреплен в канале 5, и через сопла.4, размещенное коаксиальио с цилиндрическим электродом 2, попадает в

его внутренний объем. Из внутреннего объема цилиндрического электрода 2 гаэноситель через кольцевой зазор между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью коллекторного электрода 6 вы- . ходит во внутренний объем корпуса 1 и за тем через штуцер 9 в атмосферу. В цилиндрическом электроде 2р-излучение источника

3 ионизирует газ-носитель, в результате чего появляются свободные электроны и положительные ионы. Под действием поля, создаваемого потенциалом коллекторного электрода 6, соединенного через токоподвод

7 и измерительную схему с "землей", и отрицательным потенциалом цилиндрического электрода 2, соединенного через токоподвод

8 с источником питания, положительные ионы дрейфуют в радиальном направлении к, стенкам электрода 2, а свободные электроны — к коллекторному электроду, причем, траектории движения электронов асимптотически приближаются к оси электрода 2, эа счет чего концентрация электронов воз.растает по мере приближения к оси элект-! рода, При неизменном составе газа-носителя в цени коллскторного электрода создается стабильный уровень фонового тока, значение которого уменьшается при появлении во внутреннем объеме электрода 2 вещества, молекулы которого полярны нли имеют средства к электрону. Уменьшение фонового тока происходит за счет захвата свободных электронов молекулами анализируемого вещества и последующей рекомбинации образовавшихся отрицательных ионов с положительными ионами газа-носителя, в результате чего поток свободных электронов, 10

4Î

55 дрейфующих к коллекторному электроду, уменьшается. Фоновый ток регистрируется измерительным устройством и его изменение, вызванное анализируемым веществом, служит мерой количества анализируемого вещества.

В данном детекторе за счет совмещения зоны повышенной концентрации электронов и эоны повышенной концентрации анализируемого вещества (в зоне центральной оси электрода 2 скорость движения газа-носителя значительно выше, чем на периферии) резко повышена вероятность захвата электронов. Кроме того, значительное отличие подвижностей электронов и ионов приводит к тому, что концентрация положительных ионов в зоне центральной оси близка к максимуму,что обеспечивает высокую степень рекомбинации положительных и отрицательных ионов.

Предлагаемый детектор, по сравнению с известным обеспечивает следующие преимущества.

Электрическая изоляция между коллекторным электродом и корпусом s любом режиме работы детектора сохраняет максимально высокое качество, поскольку изолятор расположен в холодной зоне, не имеет контакта с анализируемыми веществами и, следовательно, не загрязняется. Поэтому токи утечки имеют максимальное значение и не меняются в процессе работы, что обеспечивает возможность реализации предельного уровня чувствительности при высокой стабильности фонового тока.

Коллекторный электрод не имеет механического контакта с цилиндрическим (потенциальным) электродом, электрическая связь между ними осуществляется только через поле, в то время как в известном детекторе электроды связаны между собой не только полем, но и изолятором, расположенным в горячей зоне и контактирующим с анализируемым веществом. Таким образом в предлагаемом детекторе устранено дестабилизирующее влияние изоляции между электродами.

По этой же причине в предлагаемом детектаре ни чувствительность, нн фоновый ток практически не зависят от качества изолятора, соединяющего цилиндрический электрод и корпус, хотя он расположен в горячей .зоне и контактирует с анализируемым веществом. Этот изолятор выполнен в виде тонкой прослойки нз стеклоэмали и практически не оказывает влияния на анализируе- мое вещество,т.е. сорбция и деструкция ана лизируемого вещества исключены. Кроме того, этот изолятор практически не ухудшает тепловой контакт между цилиндрическим

911301 8 тщательной очистке детектора и газовых коммуникаций хроматографа пороговая чувствительность по Линдану достигает 3 10" r/с. электродом и корпусом и допускает повышение температуры детектора до значения, необходимого для устранения конденсации анализируемых веществ в цилиндрическом электроде. Таким образом, для обеспечения

Нормальной работы детектора при анализе высокакипящих веществ не требуется дополнительного нагревания в рабочем объеме детектора и сложных конструкций изоляторов. иэ высококачественных специальных изоля- 10 ционных материалов.

Еще одним преимуществом предлагаемого детектора является отсутствие необходимости в высококачественной герметизации корпуса детектора для предотвращения попадания кислорода и влаги из окружающего воздуха в цилиндрический электрод, так как кольцевой зазор между электродами, продуваемый газом-носителем, в достаточной степени защищает зону ионизация от диффуэи- щ онного натекания кислорода и влаги иэ объема, ограниченного корпусом детектора.

Предлагаемый детектор наряду с чисто конструктивными преимуществами, упрощающими его реализацию и эксштуатацию, обла- д дает высокой чувствительностью и низким уровнем шумов.

При выполнении обычных требований к эксплуатации хроматографа в использовании в качестве газа-носителя азота особой чистоты пороговая чувствительность по Линдану (при питании постоянным напряжением 1,0 В); составляет 1 — 2 10 г/с. При использовании, фильтров-поглотителей кислорода и более

Формула изобретения

Электронно-захватый детектор для газовой хроматографии, содержащий корпус, в котором расположен потенциальный цилиндрический электрод, электрически изолированный от корпуса, источник ионизации, размещенный на внутренних стенках потенциального цилиндрического электрода, и коллекторный электрод, установленный вблизи потенциального электрода, канал для ввода газа в зону ионизация корпуса и канал для вывода газа из корпуса, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конструкции детектора, коллекторный электрод выполнен в виде цилиндрического стакана, установленного коаксиально потенциальному цилиндрическому электроду так, что внутренние стенды .стакана образуют кольцевой зазор с внешними стенками цилиндрического электрода, а канал для подачи газа в зону ионизации выполнен в виде соила, электрически изолированного от корпуса.

Источники информации, принятые.во внимание при экспертизе

1. Патент США Я 3870888, кл. 250384, 1975.

2. Патент США М 4101278, кл. 23-232, 1978 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 1110/29

Тираж 883 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4