способ и устройство для распознавания органических соединений

Формула изобретения

1. Способ распознавания органических соединений с использованием поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединений, включающего входной штуцер с каналом для забора потока анализируемого воздуха, содержащего молекулы органических соединений, электрически изолированный поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем и датчиком температуры, и электрически изолированный электрод для контроля ионного тока, обращенный с зазором в сторону активной поверхности термоэмиттера ионов, причем зазор между термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока сообщается с каналом входного штуцера и с внешним насосом для прокачки анализируемого воздуха через источник ионов органических соединений, при этом термоэмиттер ионов и электрод для контроля ионного тока соединены соответственно с плюсом и минусом внешнего источника питания, а нагреватель и датчик температуры термоэмиттера соединены с внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера, при этом способ включает измерение вольт-амперной зависимости в цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» при изменении напряжения внешнего источника питания и использование вольт-амперной зависимости для определения по крайней мере одного физико-химического параметра органических соединений, отличающийся тем, что измерение вольт-амперной зависимости проводят в интервале напряжений «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» от U₁ до U ₄, на вольт-амперной зависимости выделяют участок от U ₂ до U₃>U₂ , на котором величина тока ионов органических соединений квадратично зависит от величины напряжения «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», причем U₁ и U₄ выбирают из условий U ₄>U₃, U₁ <U₂, при этом вольт-амперную зависимость используют для определения величины дрейфовой подвижности ионов органических соединений, образовавшихся на поверхности термоэмиттера ионов, и/или для определения величины энергии активации ионизации молекул органических соединений на поверхности термоэмиттера, причем для определения величины дрейфовой подвижности ионов органических соединений используют участок от U₂ до U₃ вольт-амперной характеристики, а для определения величины энергии активации ионизации молекул органических соединений используют участок от U₃ до U₄ вольт-амперной характеристики, причем при определении величины энергии активации ионизации молекул органических соединений на поверхности термоэмиттера по крайней мере участок вольт-амперной характеристики от U ₃ до U₄ измеряют при нескольких значениях температуры термоэмиттера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения U₁ и U ₄ выбирают из условий U₁=(0,3÷0,7)·U ₂ и U₄=(1,2÷2,0)·U ₃.

3. Устройство для распознавания органических соединений, содержащее поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, включающий входной штуцер с каналом для забора потока анализируемого воздуха, содержащего молекулы органических соединений, электрически изолированный поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем и датчиком температуры, и электрически изолированный электрод для контроля ионного тока, обращенный с зазором в сторону активной поверхности термоэмиттера ионов, причем зазор между термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока сообщается с каналом входного штуцера и с внешним насосом для прокачки анализируемого воздуха через источник ионов органических соединений, при этом термоэмиттер ионов и электрод для контроля ионного тока соединены соответственно с плюсом и минусом внешнего источника питания, а нагреватель и датчик температуры термоэмиттера соединены с внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит второй поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, конструктивно аналогичный первому поверхностно-ионизационному источнику ионов, причем входные отверстия каналов штуцеров для забора потоков анализируемого воздуха первого и второго источников ионов объединены в общий канал общего штуцера для забора потока анализируемого воздуха, при этом каждый поверхностно-ионизационный источник ионов соединен со своим внешним насосом для прокачки воздуха, своим внешним источником питания, соединенным с термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока, и своим внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для детектирования и распознавания паров органических соединений в воздухе, в частности паров наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, молекулы которых эффективно ионизируются на нагретой поверхности поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов.

Известен способ распознавания органических молекул, присутствующих в виде паров в воздухе, путем измерения параметра дрейфовой подвижности их ионов [1].

Способ реализован в устройстве - дрейф-спектрометре продольной дрейфовой подвижности, в котором органические молекулы, подаваемые в дрейф-спектрометр в составе потока воздуха через входной штуцер устройства, ионизируются с помощью радиоизотопного ионизатора, а затем определяется величина дрейфовой подвижности ионов при малом значении электрического поля, по величине которой и распознаются органические молекулы [1].

Известен также другой способ распознавания органических молекул [2], присутствующих в виде паров в воздухе, путем измерения нелинейной части дрейфовой подвижности ионов.

Данный способ реализован в устройстве - дрейф-спектрометре поперечной дрейфовой подвижности, в котором органические молекулы, подаваемые в дрейф-спектрометр в составе потока воздуха через входной штуцер устройства, ионизируются с помощью радиоизотопного ионизатора, а затем определяется величина нелинейной части дрейфовой подвижности ионов при большом значении электрического поля, по величине которой и распознаются органические молекулы [2].

В основе обоих способов лежит известное соотношение [2], определяющее величину скорости дрейфового движения ионов _д в электрическом поле напряженностью Е:

где ₀ - подвижность ионов при малом электрическом поле, величина которой определяется в первом способе, а - нелинейная часть дрейфовой подвижности ионов, величина которой определяется во втором способе.

Известные способы и устройства нашли достаточно широкое использование в технике газового анализа, например, при определении наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, однако они имеют и серьезные недостатки.

Как правило, для надежного распознавания типа органических молекул определение только одного физико-химического параметра органических молекул бывает недостаточно. Кроме того, температура воздуха в области ионизации органических молекул и определения их физико-химических параметров составляет не более 150÷200°С. Поэтому в зависимости от величины влажности воздуха образующиеся ионы могут захватывать различное число молекул воды, что приводит к неоднозначности определения параметров дрейфовой подвижности таких образовавшихся комплексных ионов, то есть к неоднозначности распознавания органических молекул.

Устройства, используемые для реализации указанных способов, содержат радиоизотопные ионизаторы, не селективные к важным классам веществ (наркотическим, взрывчатым, отравляющим), а сами приборы, в которых реализованы известные способы, имеют значительные габариты и сложны по конструкции. В частности, они содержат источник ионов органических соединений - узел радиоизотопной ионизации органических молекул, а также узел распознавания ионов органических соединений.

Наиболее близким к заявленному способу является способ распознавания органических соединений с использованием поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединений, включающего входной штуцер с каналом для забора потока анализируемого воздуха, содержащего молекулы органических соединений, электрически изолированный поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем и датчиком температуры, и электрически изолированный электрод для контроля ионного тока, обращенный с зазором в сторону активной поверхности термоэмиттера ионов, причем зазор между термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока сообщается с каналом входного штуцера и с внешним насосом для прокачки анализируемого воздуха через источник ионов органических соединений, при этом термоэмиттер ионов и электрод для контроля ионного тока соединены соответственно с плюсом и минусом внешнего источника питания, а нагреватель и датчик температуры термоэмиттера соединены с внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера, при этом способ включает измерение вольт-амперной зависимости в цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» при изменении напряжения внешнего источника питания и использование вольт-амперной зависимости для определения по крайней мере одного физико-химического параметра органических соединений [3].

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для распознавания органических соединений, содержащее поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, включающий входной штуцер с каналом для забора потока анализируемого воздуха, содержащего молекулы органических соединений, электрически изолированный поверхностно-ионизационный термоэмиттер ионов, снабженный нагревателем и датчиком температуры, и электрически изолированный электрод для контроля ионного тока, обращенный с зазором в сторону активной поверхности термоэмиттера ионов, причем зазор между термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока сообщается с каналом входного штуцера и с внешним насосом для прокачки анализируемого воздуха через источник ионов органических соединений, при этом термоэмиттер ионов и электрод для контроля ионного тока соединены соответственно с плюсом и минусом внешнего источника питания, а нагреватель и датчик температуры термоэмиттера соединены с внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера [3].

Сущность известного способа распознавания органических молекул состоит в следующем. Согласно [3] величина тока ионизации молекул органических соединений на поверхности селективного термоэмиттера в условиях атмосферы воздуха при полном отборе тока ионов электродом для контроля ионного тока, то есть в отсутствие действия объемного заряда ионов, составит:

где А - константа, Т - температура термоэмиттера, е - заряд электрона, Е - величина напряженности электрического поля у поверхности термоэмиттера, k - постоянная Больцмана, Е_акт. - величина энергии активации ионизации органической молекулы, Р - парциальное давление органических молекул у поверхности термоэмиттера, n - порядок реакции ионизации органической молекулы. Сущность известного способа заключается в измерении вольт-амперных зависимостей в цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» при нескольких значениях температуры термоэмиттера и определении энергии активации ионизации молекул органических соединений. При этом определение данного физико-химического параметра молекул органических соединений включает две стадии. На первой для каждого значения температуры термоэмиттера Т_i определяют истинную величину ионного тока без учета влияния величины напряженности электрического поля у поверхности термоэмиттера на величину ионного тока в соответствии с выражением (2). Для этого экспериментальные результаты обрабатывают в координатах lg{I(Т_i)}÷U ^1/2, где U - величина напряжения «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», и экстраполируют полученную линейную зависимость до значения U=0 В. На второй стадии полученные экстраполяцией значения I₀(T _i, U=0) для нескольких значений температур термоэмиттера Т_i обрабатывают в координатах lg{I ₀(Т_i, U=0)·T _i ^5/2}÷5040/Т _i, при этом тангенс угла наклона получающейся линейной зависимости численно равен величине энергии активации ионизации органической молекулы, выраженной в электрон-вольтах.

Достоинством данного способа и устройства для его реализации является простота аппаратурного исполнения, селективность метода ионизации при детектировании наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ и возможность дополнительного объединения устройства и реализованного на нем способа с одним из дрейф-спектроскопических способов и устройств, например с [1] или [2], что повышает достоверность распознавания органических молекул. Кроме того, температура поверхности термоэмиттера ионов составляет 300÷500°С, что исключает гидратацию образовавшихся ионов и повышает достоверность распознавания органических молекул.

Вместе с тем, у известных способа и устройства для распознавания органических соединений имеются несколько существенных недостатков. Во первых, при экспоненциальной зависимости величины тока ионов от величины напряжения в цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» в соответствии с выражением (2) затруднено точное определение нижнего значения напряжения, при котором наступает отклонение от выражения (2). Это приводит к значительным погрешностям в определении значений I₀(T_i, U=0), а значит к погрешности определения величины энергии активации ионизации молекул органических соединений. Во вторых, из-за большого разнообразия типов органических соединений, относящихся к классам наркотических, взрывчатых и отравляющих веществ, для их надежного распознавания может оказаться недостаточным определение только их энергии активации ионизации. В третьих, реализация известного способа в известном устройстве возможна лишь в случае, когда величина концентрации органических молекул в потоке анализируемого воздуха или заранее известна, или строго постоянна в цикле измерения энергии активации ионизации. Это существенно ограничивает возможные области применения известного способа и устройства для его реализации.

Целью предлагаемого способа является повышение достоверности распознавания органических соединений путем повышения точности определения энергии активации ионизации органических соединений, а также путем одновременного или альтернативного определения дополнительного физико-химического параметра органических соединений - величины дрейфовой подвижности их ионов - в едином цикле измерений и в едином достаточно простом устройстве.

Целью предлагаемого устройства является расширение возможности применения способа на случай неизвестной заранее или изменяющейся в течение цикла измерений концентрации молекул органических соединений в потоке анализируемого воздуха.

Поставленная цель в предлагаемом способе достигается тем, что измерение вольт-амперной зависимости проводят в интервале напряжений «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» от U₁ до U ₄, на вольт-амперной зависимости выделяют участок от U ₂ до U₃>U₂ , на котором величина тока ионов органических соединений квадратично зависит от величины напряжения «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», причем U₁ и U₄ выбирают из условий U ₄>U₃, U₁ <U₂, при этом вольт-амперную зависимость используют для определения величины дрейфовой подвижности ионов органических соединений, образовавшихся на поверхности термоэмиттера ионов, и/или для определения величины энергии активации ионизации молекул органических соединений на поверхности термоэмиттера, причем для определения величины дрейфовой подвижности ионов органических соединений используют участок от U₂ до U₃ вольт-амперной характеристики, а для определения величины энергии активации ионизации молекул органических соединений используют участок от U₃ до U₄ вольт-амперной характеристики, причем при определении величины энергии активации ионизации молекул органических соединений на поверхности термоэмиттера по крайней мере участок вольт-амперной характеристики от U ₃ до U₄ измеряют при нескольких значениях температуры термоэмиттера.

Значения U₁ и U₄ выбирают из условий U ₁=(0,3÷0,7)·U₂ и U ₄=(1,2÷2,0)·U₃.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве достигается тем, что устройство дополнительно содержит второй поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, конструктивно аналогичный первому поверхностно-ионизационному источнику ионов, причем входные отверстия каналов штуцеров для забора потоков анализируемого воздуха первого и второго источников ионов объединены в общий канал общего штуцера для забора потока анализируемого воздуха, при этом каждый поверхностно-ионизационный источник ионов соединен со своим внешним насосом для прокачки воздуха, своим внешним источником питания, соединенным с термоэмиттером ионов и электродом для контроля ионного тока, и своим внешним устройством регулирования температуры термоэмиттера.

Заявленный способ иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 приведена схема известного устройства на основе поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединений для измерения вольт-амперной зависимости в цепи «термоэмиттер ионов-электрод для контроля ионного тока» при подаче в устройство потока воздуха, содержащего молекулы органических соединений, и определения физико-химических параметров органических молекул.

На Фиг.2 приведена экспериментально измеренная вольт-амперная зависимость для устройства, в котором среднее расстояние «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» составляет 1,5 мм, диаметр канала в электроде для контроля ионного тока составляет 2 мм, величина потока воздуха, прокачиваемого через устройство, равна 3,5 литров/мин, температура термоэмиттера составляет 420°С, а сама зависимость измерена в интервале напряжений «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» U=20÷340 В. При этом в поток воздуха, прокачиваемого через устройство, на нихромовой спирали подавали пробы новокаина (100 нанограмм), которые испаряли быстрым нагревом спирали. При испарении пробы ток электрода для контроля ионного тока имел форму пика постоянной ширины. Для построения вольт-амперной зависимости брали величину максимального тока каждого пика, усредненного по 5-7 измерениям.

На Фиг.3 приведена та же вольт-амперная зависимость, но построенная в интервале U=40÷300 В в координатах I÷U², где I - величина тока электрода для контроля ионного тока.

На Фиг.4 приведен участок той же вольт-амперной зависимости в интервале U=200÷300 В в координатах lgI÷U^1/2.

На Фиг.5 приведена схема одного из вариантов заявленного устройства на основе двух поверхностно-ионизационных источников ионов органических соединений.

На Фиг.1 обозначены: 1 - корпус термоэмиттера ионов, 2 - активная часть термоэмиттера ионов, 3 - подогреватель термоэмиттера, 4 - датчик температуры термоэмиттера, 5 - корпус источника ионов, 6 - электрод для контроля ионного тока, 7 - внешний датчик величины потока воздуха через устройство, 8 - внешний насос для прокачки воздуха через устройство, 9 - электрические изоляторы, 10 - внешний источник питания, 11 - внешнее устройство для измерения величины ионного тока, 12 - внешнее устройство для измерения величины напряжения «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», 13 - входной штуцер, 14 - внешнее устройство для регулирования температуры термоэмиттера, Q ₁ - поток воздуха, прокачиваемый внешним насосом, Q ₂ - поток транспортирующего воздуха, Q₃ - поток пара анализируемого органического вещества.

На Фиг.2 обозначены: 1, 2 и 3 - участки вольт-амперной зависимости с различным характером зависимости ионного тока от напряжения «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока».

На Фиг.3 обозначены: U₁ и U ₄ - соответственно начало и конец участка вольт-амперной зависимости, представленной на Фиг.2, который достаточен для определения физико-химических параметров органических соединений и их распознавания, U₂ и U ₃ - соответственно начало и конец участка вольт-амперной зависимости, на котором величина ионного тока квадратично зависит от величины напряжения, 1 - линеаризация участка U ₂÷U₃, 2 - линейно экстраполирующие отрезки участка 1, 3 и 4 - участки вольт-амперной зависимости, отклоняющиеся от прямых 2, I₀ - величина виртуального ионного тока при экстраполяции прямой 2 к значению U=0 В, - угол наклона участка 1.

На Фиг.4 обозначены: U - участок вольт-амперной зависимости, который должен быть использован для определения энергии активации ионизации органических соединений в соответствии с заявленным способом, U^* - участок вольт-амперной зависимости, который мог бы быть использован для определения энергии активации ионизации органических соединений в соответствии с известным способом но формальным признакам (с учетом экспериментальной погрешности измерения ионного тока), 1 - линеаризация участка U в соответствии с заявленным способом, 2 - линеаризация участка U^* в соответствии с известным способом.

На Фиг.5 дополнительно к обозначениям Фиг.1 обозначены: 15 - первый поверхностно-ионизационный источник ионов, 16 - второй поверхностно-ионизационный источник ионов, 17 и 18 - входные штуцеры соответственно первого и второго источников ионов, 19 - общий входной штуцер. Обозначения второго источника ионов «со звездочкой» - те же, что и для первого источника ионов.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

В известном способе определения энергии активации ионизации органических молекул, который может быть реализован с использованием устройства, представленного на Фиг.1, регистрировали участки 2 и 3 вольт-амперной характеристики, пример которой приведен на Фиг.2, и анализировали участок 3, для чего при некотором фиксированном значении температуры термоэмиттера перестраивали этот участок в координатах lgI÷U ^1/2 и линеаризовали его прямой 2, показанной на Фиг.4. Область напряжений участка U^*, который использовали для линеаризации, определяли возможностью его линеаризации с учетом экспериментальной погрешности измерений. Далее экстраполировали полученную прямую 2 к значению U=0 В и находили значение ионного тока при нулевом электрическом поле у поверхности термоэмиттера. Полученное значение тока и использовали для определения энергии активации ионизации в соответствии с соотношением (2). При этом существовал определенный произвол в выборе низковольтной границы данного участка, что приводило к значительной погрешности определения энергии активации ионизации органических молекул.

В предлагаемом способе, по существу, сформулирован объективный критерий выбора низковольтной границы данного участка вольт-амперной зависимости и предложена методика определения дополнительного физико-химического параметра органических молекул на основе анализа характера вольт-амперной зависимости в расширенном диапазоне напряжений. Это позволяет использовать для распознавания органических молекул либо один из двух, либо оба физико-химических параметра органических молекул - в зависимости от области применения газоанализатора и требований к его быстродействию, массо-габаритным характеристикам и т.д. Если, например, лимитировано время проведения газового анализа, либо способ используется совместно с одним из дрейф-спектрометрических способов, то можно ограничиться только определением параметра дрейфовой подвижности ионов (по участку 1 Фиг.3). При этом термоэмиттер работает при постоянной температуре. Если же предложенный способ используется автономно, то могут определяться оба физико-химических параметра. При этом возрастает время измерений за счет «перестройки» температуры термоэмиттера, но возрастает и достоверность распознавания органических молекул.

В режиме ограничения ионного тока объемным зарядом ток в цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» в соответствии с [3] будет равен:

где U - напряжение «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», ₀ - диэлектрическая постоянная, d - среднее расстояние «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока». Поэтому при больших значениях U вольт-амперная характеристика цепи «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» будет описываться выражением (2), а при меньших значениях U - соотношением (3). Однако исследования, проведенные нами в широком интервале значений U, показали, что при еще меньших значениях U вольт-амперную характеристику можно представить в виде:

где d₀ и U ₀ - параметры, величины которых определяются соотношением величин среднего расстояния «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока» и диаметра канала в электроде для контроля ионного тока, величиной потока воздуха, прокачиваемого через измерительное устройство, а величина d₀ - еще и величиной напряжения U. То есть фактически вольт-амперная характеристика содержит не два, а три участка с различным характером зависимости тока от напряжения между электродами. Если эту экспериментальную вольт-амперную характеристику представить в координатах I÷U ², как показано на Фиг.4, то на ней легко можно выделить участок 1 с линейной зависимостью I от U² . Линейная экстраполяция этого участка прямыми 2 позволяет также надежно и однозначно выделить участки 3 и 4, на которых вольт-амперная характеристика описывается соответственно выражением (4) и (2). Соответственно легко и однозначно могут быть определены и значения U₂ и U₃ - границы указанных участков. При этом, как показали наши исследования, значения U₂ и U₃ в основном определяются геометрическими характеристиками измерительного устройства - средним расстоянием «термоэмиттер ионов - электрод для контроля ионного тока», диаметром канала в электроде для контроля ионного тока, величиной потока воздуха, прокачиваемого через измерительное устройство, и слабо зависят от величины концентрации органических молекул в потоке воздуха - при изменении концентрации на шесть - восемь порядков величины значения U ₂ и U₃ изменяются не более чем на 5÷7%. При этом, как видно из Фиг.4, значение U ₃, определенное экспериментально, показывает, что для анализа и определения энергии активации ионизации органических молекул в соответствии с заявленным способом должен быть использован участок вольт-амперной характеристики U, а не U^*, как в известном способе. Соответственно этот участок будет линеаризован прямой 1, как показано на Фиг.4, а не прямой 2. Тогда экстраполяция прямой 1 к значению U=0 В позволит определить истинное, а не ошибочное значение ионного тока при нулевом значении электрического поля у поверхности термоэмиттера, то есть в итоге более точно и надежно определить величину энергии активации ионизации органических молекул на поверхности термоэмиттера ионов.

Результаты, представленные на Фиг.3, показывают, что с учетом наличия третьего участка вольт-амперной зависимости, описываемого соотношением (4), на участке от U ₂ до U₃ вольт-амперную характеристику можно представить не в виде (3), как предложено в известном способе, а в виде:

где I₀ - величина виртуального тока при U=0 В. Физически это означает, что наличие начального участка вольт-амперной характеристики 1 (Фиг.2) приводит к тому, что участок 1 на графике Фиг.3 параллельно смещается вверх по оси тока в зависимости от геометрических характеристик измерительного устройства и от величины потока воздуха, прокачиваемого через устройство. Анализ этого участка (1 на Фиг.3) означает, что для определения величины ₀ не может быть использовано соотношение (3), приведенное в известном способе, а должно быть использовано соотношение (5) из заявленного способа. При этом величина ₀ может быть найдена, например, или из соотношения:

где К=8 d³/9 ₀, U₆>U ₅, причем U₆ и U₅ лежат в интервале от U₂ до U ₃, или с использованием известного калибровочного вещества 1 с известным значением ₀(1). Тогда величина ₀(2) для неизвестного вещества 2 будет равна:

где tg (2) и tg (1) - соответственно тангенсы углов наклона участков 1 (Фиг.3) для неизвестного и известного веществ. При этом следует подчеркнуть, что результат определения ₀ с использованием соотношений (6) или (7) практически не зависит от величины концентрации органических молекул в потоке анализируемого воздуха.

На практике для источника ионов, имеющего определенные геометрические размеры электродов и межэлектродных зазоров, а также при выбранном значении величины потока воздуха, прикачиваемого через устройство, с использованием некоторого тестового вещества предварительно определяют значения U₂ и U₃, которые, по существу, являются инвариантами данного устройства. При этом нами было установлено, что направление прокачки воздуха через устройство, схематично представленное на Фиг.1, не имеет принципиального значения, так же как и форма поверхности термоэмиттера и форма поверхности электрода для контроля ионного тока. Для каждого из исследованных вариантов конструкций источников ионов предварительно определенные значения U₂ и U ₃ оставались инвариантными при изменении концентрации подаваемой пробы органических молекул и при изменении температуры термоэмиттера. После определения значений U₂ и U ₃ для выбранной конструкции источника ионов выбирают оптимальный диапазон измерения вольт-амперных зависимостей. Например, измерения, представленные на Фиг.2, были проведены в интервале 20-340 В, однако для анализа данной зависимости и определения физико-химических параметров органических соединений достаточен интервал 40-300 В, как показано на Фиг.3.

В общем случае критериями выбора значений U₁ и U₄ могут быть U₁=(0,3÷0,7)·U ₂ и U₄=(1,2÷2,0)·U ₃. При U₁>0,7·U ₂ или U₄<1,2·U ₃ возрастает погрешность определения границ участка 1 на Фиг.3. При U₁<0,3·U ₂ или U₄>2,0·U ₃ возрастает время регистрации вольт-амперной зависимости, при этом регистрируется избыточный массив информации, не используемый в дальнейшем анализе.

Сущность заявленного устройства состоит в следующем.

При постоянной или известной концентрации органических веществ в потоке воздуха, прокачиваемого через устройство, реализация предложенного способа возможна и на известном устройстве, например, представленном на Фиг.1. Более того, и при изменяющейся концентрации органических веществ возможна реализация предложенного способа на известном устройстве в части определения только одного физико-химического параметра органических соединений - дрейфовой подвижности ионов по участку 1 Фиг.3, положение которого почти не зависит от концентрации. Однако при изменении концентрации органических соединений в потоке анализируемого воздуха прямая 1 на Фиг.4 будет сдвигаться параллельно вверх (при возрастании концентрации) или вниз (при уменьшении концентрации), что не позволит точно определить энергию активации ионизации органических молекул на поверхности термоэмиттера. Поэтому предлагается использовать второй источник ионов, идентичный первому, для непрерывного контроля за изменением концентрации органических молекул в потоке анализируемого воздуха. При этом поток анализируемого воздуха делится на два потока воздуха, причем величина каждого из которых измеряется внешними устройствами.

Устройство работает следующим образом.

Первый источник ионов 15 (Фиг.5) работает в режиме измерения вольт-амперных зависимостей в интервале напряжений от U ₁ до U₄ при одном или нескольких значениях температуры термоэмиттера - в зависимости от задачи газового анализа. При этом второй источник ионов 16 (Фиг.5) работает при фиксированной температуре термоэмиттера и при значении напряжения источника питания 10^*, лежащем в интервале от U₃ до U₄. При этом ток электрода для контроля ионного тока данного источника 11^* в соответствии с соотношением (2) будет пропорционален концентрации органических соединений в потоке анализируемого воздуха. Тогда для анализа и определения физико-химических параметров органических молекул должно быть использовано отношение тока измерительного прибора 11 к току прибора 11 ^*.

Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: «новизна» и «изобретательский уровень». Заявленная конструкция может быть реализована в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: «промышленная применимость».

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США №5200614 от 6 апреля 1993 г. (аналог).

2. Патент США №5420424 от 30 мая 1995 г. (аналог).

3. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И., ЖТФ, 2002, том 72, вып.12, с.88-93.