Пламенно-ионизационный детектор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсинк

Соцнапнстнчесинк

Респубпни

40048 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) За я влено 22.1 2.80 (21) 3 222630/2 3-2 5 с присоединением заявки Ж (23 ) П р нори тет

М. Кл.

Q 01 М 27/62

3ЬеуйарстеенныФ камнтет

СССР ав делам нзабрвтеннЯ н ютеритнЯ

УДК 543.

544 (088. 8) Опубликовано 30.06.82. Бюллетень № 24

Дата опубликования описания 30.06.,82 (72) Автор изобретения

А.А. Родионов

Г ! (7l ) Заявитель (54) ПЛАМЕННО-ИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к детектирующим устройствам для газов и может быть использовано в хроматографах и в других аналитических приборах при качественном и количественном анализе органических веществ.

Известен двухэлектродный пламенноионизационный детектор, в котором водородная горелка является одним электродом, в качестве второго элемектрода, расположенного нвд горелкой, применяются обычно металлические цилиндр, блок (сплошной и сетчатый) или кольцо. На электрод-горелку подается поляризующее напряжение, второй эпектрод (собирающий) подключается к измерительному усилителю (1)

Недостатком детектора является невозможность качественного анализа органических веществ. 20

Наиболее близким к предлагаемому является пламенно-ионизвционный детектор, содержащий корпус, водородную гооелку, установленную в корпусе, электри2 чески изолированную от него и подключенную к источнику поляризующего напряже. ння, сетчатый электрод, установленный напротив сопла горелки и соединенный с измерительным усилителем.

В процессе иониэации органических веществ в водородном пламени на первой стадии детектирования возникают различные ра диквлы, с одержашие углерод. Затем наиболее возбужденные из них, попадая в высокотемпературную зону пламени, вторично окисляются и превращаются в положительные ионы и электроны. При достаточно большом напряжении на электродах в измерительной цепи детектора возникает суммарный ток насыщения, образованный всеми заряженными частицами ионами и электронами, находящимися между электродами.

Ток насьпцения, как известно, не зависит от масоового состава ионов и пропорционален только количеству заряженных частиц (скорости их образования). Количество заряженных частиц, в свою очередь, 3 9400 и ропорционально потоку органического вещества, поступающего в водородное пламя в единицу времени L23

Таким образом, известный пламенноионизацнОнный детектор позволяет пОлу» чать только количественную характеристику анализируемого, вещества. Идентификацию вещества, т.е. его качественную

У характеристику при помощи известного пламенно-ионизацнонного детектора получить невозможно.

Цель изобретения — получение качественной характеристики органического вещества, детектируемого пламеннс ионизационным детектором. 15

Поставленная цель достигается тем, что в пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, водородную горелку, установленную в корпусе, электрически изолированную от него и подключению к источнику поляризующего напряжения, сетчатый электрод, установленный напротив сопла горелки и соединенный с измерительным усилителем, введены четыре дополнительных сетчатых электрода, установленных последовательно в IIpocTpaH стве над сетчатым электродом, два импульсных генератора и второй измерительный усилитель, причем первый из введенных сетчатых электродов соединен с одним из импульсных генераторов, второй сетчатый электрод подключен к источнику поляризующего напряжения, третий сетчатый электрод соединен с вторым ими птьсным генератором, а четвертый сетчатый электрод подключен через измери35 тельный резистор к источнику поляризующего напряжения и соединен с вторым измерительным усилителем.

В известном пламенно- ионизационном

40 детекторе при положительной полярности на электроде-горелке образующиеся в водородном пламени электроны и ионы разделяются электрическим полем, электроны, пройдя незначительное расстояние (зона ионизации — пламя находится на

45 конце горелки), попадают на электродгорелку, а все положительные ионы направляются к собирающему сетчатому электроду, расстояние до которого 810 мм, и рекомбинируют на нем. В цепи электродов возникает суммарный электрический ток, пропорциональный потоку органического вещества.

В предлагаемом пламенно-ионизационном детекторе в пространстве между горелкой и сетчатым электродом происходят те же процессы, что и в известном детекторе, »о ионы, которые попадают

48 4 в отверстия сетчатого электрода, при наличии электрического поля, создаваемого дополнительными электродами, продолжают дрейфовать в направлении следующих сетчатых электродов до последнего четвертого дополнительного электрода, разделяясь по массам в пространстве дрейфа под воздействием сил электрического поля.

На чертеже дана принципиальная схема пламенно-ионизационного детектора.

В корпусе детектора 1 размещена водородная горелка 2, соединенная через нагрузочный резистор 3 с плю=ом источника 4 поляризующего напряжения. Общий ионный ток. подается на измерительный усилитель 5 .и регистрируется самописцем 6. Воздух в детектор поступает через трубку 7. Измерительный электрод

8 соединен через делитель напряжения, состоящий из резисторов 9 — 13 с минусом источника 4. Выталкивающий электрод

l4 соединен с импульсным генератором

15. Поляризующий электрод 16 подключен к минусу источника 4 через делитель напряжения. Второй выталкивающий электрод 17 соединен с импульсным генератором 18. Второй измерительный электрод 19 подключен через резистор 20 непосредственно к минусу источника 4.

Раздельные составляющие лонного тока подаются на второй измерительный усилитель 21 и регистрируются вторым с амописцем 2 2.

Детектор работает следующим образом.

Бинарная смесь газа-носителя и органического анализируемого компонента подается на вход горелки 2. При этом в пламени водорода возникает обычный процесс ионизации. На первый измерительный электрод 8 относительно электродагорелки 2 приложено отрицательное напряжение от источника 4. Образующиеся в пламени водорода все положительные ионы дрейфуют под воздействием сил электрического поля к сетчатому электроду 8, создавая в цепи этих электродов в измерительном резисторе 3 общий ионный ток, который подается на усилитель 5 и регистрируется самописцем 6.

Этот ток пропорционален количественному содержанию компонента. Над электродом

8 на небольшм расстоянии от него расположен такой же сетчатый электрод 14, соединенный через импульсный генератор

15 с делителем напряжения на резисто-. рах 9 — 13 таким образом, что между

35 ео

5 9400 электродами 14 и 8 возникает электрическое поле (при отсутствии импульса от генератора 1 5), отталкивающее те положительные ионы, которые попали в отверстия электрода 8. При годаче на электрод 14 от генератора 15 отрицательного импульса самплитудой,,превосходящей отталкивакзций потенциал, положительные ионы через отверстия в сетчатом электроде 8 продолжают io дрейфовать к электроду 14 и при достаточной продолжительности импульса проходят и через отверстия в сетке этого электрода, поскольку между электродами 14 и 16 также существует электрическое поле, заставляющее дрейфовать ионы к поляризуюшему электроду

16. После прекращения подачи на элек-. трод 14 выталкивающего импульса ионы из зоны между электродами 2 и 8 уже не могут пройти за электрод 8, а ионы, которые во время действия выталкивающего импульса прошли к электроду 14, продолжают дрейфовать по полю в направлении электрода 16. Причем длительность 25 выталкивающего импульса такова, что ионы с различными массами, в том числе и самые тяжелые, успевают пройти промежуток между электродами 8 и 14.

Таким образом, после. окончания действия зо отрицательного импульса от генератора

15 над электродом 14 образовывается узкий пакет положительных ионов с различными массами. Как известно, скорость дрейфа иона в газе под воздействием сил электрического поля зависит от состава газа, температуры газовой среды, напряженности электрического поля и массы иона. Для всех ионов в пакете дрейфующих в пространстве между электродами 14 и 16 условия. одинаковы, но массы различны. Поэтому ионы с разными массами дрейфуют с различными скоростями, начинает происходить разделение ионов по массам. В конце пути

45 дрейфа (у электрода 16) общий пакет. ионов разделяется на составляющие пакета, состоящие из ионов с оаинаковыми массами. Разность хода между соседними пакетами пропорциональна

50 произведению относительной разницы в скоростях этих пакетов на длину пути.

Разделенные пакеты ионов у электрода 16, попадая в его отверстия, не проходя в межэлектродное пр:"транство

16 — 17, поскольку там воздействует электрическое поле, создаваемое падением напряжения на резисторе 12, отталкивающие ионы (при отсутствии им48 6 пульса от генератора 18). При подаче на электрод 17 от генератора 18 отрицательного короткого импульса с амплитудой, превосходящей отталкивакщий потенциал, ионный пакет через отверстия в сетчатом электроде 16 продолжает дрейфовать к электроду 17, проходя и через его отверстия. Наличие постоянного электрического поля, создаваемого между электродами 17 и 19, обуславливает дальнейший дрейф пакетов ионов к поляризуюшему электроду 19. Другие пакеты ионов, которые за время импульса от генератора 18 не успели подойти к электроду 16, не попадают в межэлектродное пространство 16 — 17 и рекомбинируют на электроде 16. В измерительной цепи электрода 19 возникает ток, образованный только одним ионным пакетом, т.е. только ионами с одинаковыми массами. Генераторы 15 и 18 импульсов работают синхронно (от общего задающего генератора) . Максимальная частота следования импульсов подбирается такой; чтобы период был равен времени прохождения расстояния от электрода

14 до электрола 16 ионами с наименьшими массами. Уменьшение частоты следования импульсов будет последовательно вводить другие пакеты ионов с большими массами, т.е. развертка ионов по массам осуществляется путем изменения частоты следования выталкиваклцих импульсов на электродах 14 и 17. Таким образом, в пламенно-ионизационном детекторе предлагаемой конструкции осуществляется раздельное измерение каждой составляющей ионного тока. Составляющие ионного тока, протекая по измерительному резистору 20, создают на нем падение напряжения, которое подается на второй измерительный усилитель

21 и регистрируется самописцем 22, воспроизводя на диаграммной ленте несколько пиков дпя каждого анализируемого компонента. Каждое органическое вещество характери ется определенным спектром (количество пиков и их относительное соотношение), соответствующим только этому веществу, что позволяет его .идентифицировать, т.е. осуществлять качественный анализ TIT)H помощи пламенно-ионизационного дег.етора,, Макет предлагаемого пламенно-ионизационного детектора изготовлен и испытан при анализе трех органических веществ — метана, этилена и бензопа. Полученцые спектры для этих веществ cvrличанл =я друг от друга, как числом пи7 9400 ков (спектральных линий), так и их соотнсапеФпцм. Детектор работает при нормальном давлении газа. Срадияя скорость дрейфа и ионов (со средними массами) при напряженности электрического поля 100 в/см равна 15 и/с.

Формула изобретения

Пламенно-иониэационный детектор, содержащий кортус, водородную горелку, установлениую в корпусе, электрически изолированную от него и подключенную к источнику поляриэующего напряжения, сетчатый электрод, установленный напротйв сопла горелки и соединенный с измерительным усилителем, о т л и ч а ю шийся темр чтор с целью получе. ния качественной характеристики детектируемьи веществ, в него введены четыре дополнительных сетчатых электрода, 48 8 установленных последовательно в прост ранстве над сетчатым электродом, два импульсных генератора и второй измерительный усилитель, причем первый из введенных сетчатых электродов соединен с одним из импульсных генераторов, второй сетчатый электрод подключен к источнику поляризу.ющего напряжения, третий сетчатый электрод соединен с вторым импульсным генератором, а четвертый сетчатый электрод подключен через измерительный резистор к источнику по- ляризующего напряжения и соединен с вторым измерительным усилитепем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бражников, В. B. Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии. М., "Наука", 1974, с. 85-89.

2. Патент США % 3585003, кл. 23-254 1970 (прототип) ВНИИПИ Заказ 4658/65 Тираж 887 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4