WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 1 12 Способ уменьшения диффузионных потерь в дрейф-спектрометре © Е.В. Крылов Конструкторско-технологический институт геофизического и экологического приборостроения СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия (Поступило в Редакцию 8 декабря 1997 г.) Рассматривается методика уменьшения диффузионных потерь при анализе ионов тяжелых молекул, пропускаемых вместе с несущим газом через систему разделения при атмосферном давлении. Разделение происходит под действием поперечного переменного электрического поля подобно тому, как это происходит в квадрупольных масс-спектрометрах. Предлагается вместо плоского конденсатора с однородным полем применить цилиндрический конденсатор с неоднородным полем. Экспериментально показано, что достигается увеличение выходного сигнала в несколько раз.

Работа посвящена развитию нового метода разделения медленно смещаться вдоль силовых линий поля с харакионов в плотной аэровоздушной среде по нелинейной терной для данного сорта ионов скоростью V. Различие зависимости подвижности ионов от напряженности элек- скоростей V для разных сортов ионов используется для трического поля. В работах [1–5] описаны новый метод разделения ионов.

разделения ионов в газе по зависимости коэффициента Разделение происходит в камере, образованной двумя подвижности от напряженности электрического поля электродами, между которыми прокачивается поток иои прибор (названный дрейф-спектрометром), реализую- низированного газа. К электродам приложено напряжещий его. Сущность этого метода заключается в следу- ние, такое что на ионы в камере действует электрическое ющем. При постоянной плотности N дрейфового газа поле зависимость коэффициента подвижности K от напряжен- E(t) =Es(t) +Ec = Es · f (t) +Ec, (4) ности электрического поля E может быть представлена где Es(t) удовлетворяет условию (3); Es = max |Es(t)|;

в виде Ec Es; f (t) — нормированная на единицу функция, K(E) =K0 1 + (E), (1) описывающая форму поля.

Под действием такого поля ион дрейфует поперек где K0 — значение коэффициента подвижности в слабом потока дрейфового газа со своей характерной скоростью поле; (E) — нормированная функция, описывающая V = K(E)E(t). Достигший электрода ион теряет заряд зависимость подвижности от поля.

Из требования изотропии пространства дрейфа ионов следует, что зависимость (E) может быть только четной функцией E. Запишем в явном виде разложение функции (E) в ряд по четным степеням E (E) = 2n · E2n. (2) n=Постоянные коэффициенты разложения 2n определяются только видом потенциала ион-молекулярного взаимодействия.

Работа дрейф-спектрометра (рис. 1) основана на использовании зависимости коэффициента подвижности K ионов от напряженности электрического поля E. Наличие ненулевой зависимости (E) приводит к тому, что под действием периодического несимметричного по полярности электрического поля высокой напряженности E(t), удовлетворяющего условиям T Рис. 1. Дрейф-спектрометр: 1 — анализируемый газ, 2 — E(t)dt = E(t) = 0, E2n+1(t) = 0, (3) камера разделения, 3 — поляризованный электрод, 4 — камера 0 ионизации, 5 — траектории движения ионов, 6 — камера регистрации, 7 — газовый насос, 8 — генератор разделяющего где T — период поля; n — целое число, большее 1, ионы напряжения, 9 — электрометр, 10 — система управления и будут совершать быстрые колебания с периодом T и обработки данных.

Способ уменьшения диффузионных потерь в дрейф-спектрометре и не регистрируется. Если Ec такое, что для некоторого тельно, воздействие полей на ион в точке r будет эквисорта ионов выполняется условие компенсации V = 0, то валентно действию постоянного поля напряженности эти ионы пролетают с потоком дрейфового газа камеру Eef = Ec Esp(r) - Ecp(r). (6) разделения и на выходе регистрируются электрометром.

Будем называть это значение Ec напряженностью выхода Решение уравнения диффузии ионов данного сорта ионов. В работе [1] выводится зависимость J = nKEef = Dn будет описывать движение облака Ec от значения Es и функции (E) ионов в пространственно неоднородном поле Ec +Es f (t).

В предположении малости смещения иона от точки · Es Ec =. (5) r0 уравнение диффузии поддается решению в явном 1 + + · Es E виде. Разложение функции Eef по малому параметру r/r0 =(r - r0)/r0 в точке r0 имеет вид Эта формула с учетом (2) приобретает вид Ec Eef = Ec - Es ·p(r0) · r r, (7) 2n+1 2n+2nEs f (t) Es n=Ec =. (5a) где p(r) — пространственный градиент поля, r — 2n 2n 1 + (2n + 1)2nEs f (t) скалярное значение функции Eef в выбранном направлеn=нии.

Если значение отрицательно и не равно нулю, то Результаты и обсуждение уравнение диффузии имеет стационарное решение. Установившееся распределение плотности ионов будет иметь Когда для какого-либо сорта ионов выполняется услогауссову форму с характерным размером 2D/K и вие компенсации, основной причиной, вызывающей поцентром в точке r0.

тери ионов в аналитическом тракте, является диффузия Проведем оценку для коаксиальной камеры раздеионов на стенки камеры разделения. В случае испольления, представляющей собой соосно расположенные зования экспериментальной установки, описанной в [1], цилиндр и стержень, между которыми создается раздиффузия ионов на стенки камеры разделения приводит к деляющее поле. В этом случае напряженность поля и уменьшению полезного сигнала в 3–5 раз. Предлагается функция p(r) в цилиндрических координатах будет метод борьбы с диффузионными потерями.

U rСущность этого метода заключается в том, что раздеE(r) = ; p(r) =, (8) rление ионов проводят в пространственно неоднородном r ln · r r(например, радиальном) электрическом поле. Градиент поля направлен в ту же сторону, что и вектор комгде U — напряжение, приложенное к пластинам; r1, r2 — пенсирующего поля Ec. Наличие градиента поля E соответственно внутренний и внешний радиусы камеры приводит к тому, что на ионы, диффундирующие от разделения.

положения равновесия, в котором выполняется условие Предположим, что условие компенсации выполняется компенсации, действует возвращающая сила. Возникает в точке r0 = (r1 + r2)/2, и оценим эффект для дифэффект сжатия облака ионов, приводящий к уменьшению фузионного смещения ионов в радиальном направлении, диффузионных потерь ионов.

т. е. к стенкам коаксиальной камеры. Целью оценки будет Прежде чем перейти к расчету процесса раздеявляться вычисление минимального зазора между элекления ионов в пространственно неоднородном поле тродами d = r1 - r2, при котором диффузионные потери Ec+Es f (t), введем следующие обозначения: r0 — коордиионов пренебрежимо малы. Для оценки зависимости ната точки, в которой выполняется условие компенсации Ec(Es) используем формулу (5a), учитывая только перV(r0) = 0; Ec(Es) — зависимость напряженности вый член разложения (2) зависимости (E). Подставляя компенсирующего поля от амплитуды разделяющего по(E) = 2E2 в (5) и ограничиваясь членами нулевого ля для данного типа ионов, эта зависимость считается порядка малости, получим известной из эксперимента или рассчитывается по фор3 муле (5); p(r) =E(r)/E(r0) — функция, описывающая Ec = 2 f · Es. (9) пространственную зависимость напряженности поля.

Элементарные вычисления дадут значение для радиЗафиксируем некоторое ненулевое значение Es и соотального смещения ионов ветствующую напряженность выхода Ec(Es) для какоголибо типа ионов и рассмотрим движение иона в окрест2Ec 2Uc =, (10) ности точки r0. На него будет действовать разделяющее r0 r0 · d поле Es p(r) и компенсирующее поле Ecp(r). Условие компенсации при r = r0, вообще говоря, не выполняется, где Uc — напряжение компенсации.

так как действие разделяющего поля Esp(r) компенсиру- Предположение малости r, сделанное выше, дает ется постоянным полем Ec Esp(r) = Ecp(r). Следова- нам право использовать вместо точного значения Ec (8) Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 126 Е.В. Крылов приближенное выражение Ec U0/d. Отрицательный знак обеспечивается условием сонаправленности Ec и p (для положительных ионов). В противном случае эффект сжатия облака ионов сменится эффектом расталкивания, что приведет к гибели ионов на стенках камеры.

Потребовав, чтобы d 2D/K, с учетом (10) и соотношения Эйнштейна [6] получим d/r0 UT /Uc, (11) где UT = kT /e — термический потенциал.

Аккуратный учет размера сжатого пучка, использование обобщенного уравнения Нернста–Эйнштейна [6], учет следующих порядков разложения (E) (2) и, следовательно, следующих членов ряда (5a) позволят уточнить неравенство (11). Однако мы оставим его в таком виде, учитывая простоту и наглядность соотношения.

Накопленные экспериментальные данные дают основание утверждать, что Uc UT в большинстве случаев.

Это оправдывает предположение о малости параметра r/r, сделанное при выводе уравнения (7).

Экспериментальная проверка Экспериментальная установка, блок-схема которой показана на рис. 2, была подробно описана в работе [1].

Анализируемая газовая смесь, полученная с помощью блока подготовки пробы, ионизируется в камере ионизации, где помещается -источник или поверхностно- Рис. 3. Дрейф-спектры, т. е. зависимости ионного тока I на выходе камеры разделения от напряженности компенсации Ec, ионизационный источник. Смесь ионов с потоком газаполученные с помощью плоской конструкции камеры разделеносителя подается в камеру разделения. В эксперименте ния (a) и коаксиальной конструкции (b).

использовались плоская и коаксиальная камеры разделения. Плоская камера разделения представляет собой две параллельные металлические пластины (электроды) размером 1.55 cm, разделенные зазором 1 mm. Коаксино расположенные цилиндрические электроды: внешний альная камера разделения представляет собой коаксиальдиаметром 0.5 cm, внутренний — 0.3 cm. В зазоре между плоскими или коаксиальными электродами ионная смесь подвергается воздействию электрического поля. Для создания поля требуемой конфигурации (4) к электродам прикладывается высокочастотное (T = 1 µs), высоковольтное (диапазон изменения амплитуды 1–3 kV) напряжение. Форма поля описывается выражением [7] f (t) =0.7cos(2t/T ) +0.3cos(4t/T ). (12) На рис. 3 приведены дрейф-спектры, снятые в одинаковых условиях в плоской (a) и коаксиальной (b) камерах разделения. В качестве тестовой смеси использовалась смесь трипропиламина и триэтиламина. Возросшая в несколько раз высота пиков для значений Ec > 100 V/cm свидетельствует об уменьшении потерь ионов в коаксиальной камере разделения.

Интересно также сравнить зависимость коэффициента Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки: 1 —блок потерь ионов в камере разделения KL = Iinp/Iout, равного подготовки пробы, 2 — дополнительная камера разделения, отношению входного и выходного ионных токов, от 3 — дрейф-спектрометр, 4 — интерфейс RS-232, 5 —IBM напряженности разделяющего поля Es для плоской и PC (программное обеспечение), 6 — блоки электронного коаксиальной камер разделения.

обеспечения.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Способ уменьшения диффузионных потерь в дрейф-спектрометре Список литературы [1] Buryakov I.A., Krylov E.V., Nazarov E.G., Rasulev U.Kh. // International J. Mass Speсtr. and Ion Proc. 1993. Vol. 128.

P. 143–148.

[2] Горшков М.П. А. С. № 966583. МКИ 01 № 27/62. БИ. 1982.

№ 38.

[3] Буряков И.А., Крылов Е.В., Макась А.Л. и др. // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. Вып. 12. С. 60–65.

[4] Буряков И.А., Крылов Е.В., Солдатов В.П. А.С.

№ 1485808. МКИ G01 № 27/62. БИ. 1989. № 16.

[5] Буряков И.А., Крылов Е.В., Макась А.Л. и др. // ЖАХ.

1993. Т. 48. № 1. С. 156–165.

[6] Mason E.A., McDaniel E.W. Transport Properties of Ions in Gases. New York: Wiley, 1988. 558 p.

Рис. 4. Зависимости логарифма коэффициента потерь ионов [7] Крылов Е.В. // ПТЭ. 1991. № 4. С. 114–115.

In(KL) от амплитуды разделяющего поля Es для плоской конструкции камеры разделения (a) и коаксиальной конструкции (b).

Для корректной постановки этого эксперимента была проведена модификация экспериментальной установки.

Между ионизатором и камерой разделения была помещена еще одна камера разделения с необходимым электронным оборудованием. Она настраивалась на отдельный явно выраженный пик дрейф-спектра, соответствующий веществу с высоким сродством к электрону или протону, и Ec фиксировалось. Ионный ток на выходе этой камеры служил входным током для исследуемой (плоской или коаксиальной) камеры разделения. Такое построение экспериментальной установки гарантирует стабильный ток ионов одного сорта на входе в камеру разделения и позволяет измерять коэффициент потерь в аналитическом тракте в зависимости от Es. Для получения количественного значения KL периодически контролировалось значение ионного тока на выходе дополнительной камеры разделения.

Зависимости ln KL(Es) для плоской (a) и коаксиальной (b) камер разделения приведены на рис. 4. Исследовались (M+H)+ ионы, полученные при -ионизации паров трипропиламина в атмосфере воздуха [5]. Расчетные кривые получены в результате решения уравнения диффузии ионов в камере разделения в -приближении с учетом эффекта сжатия.

Заключение Предложен и рассчитан новый метод уменьшения диффузионных потерь ионов в дрейф-спектрометре, основанный на использовании пространственно неоднородного электрического поля для разделения ионов. Получены экспериментальные подтверждения этого эффекта.

Автор приносит свою благодарность У.Х. Расулеву, Э.Г. Назарову и И.А. Бурякову за плодотворные обсуждения и помощь в экспериментальной проверке эффекта.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.