Устройство для введения газа в анализатор масс-спектрометра

Устройство для введения газа в анализатор масс-спектрометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

аФ я, « - 1ЛОЗ 4,Я

ОП ИСА Е

И"ЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Соцналнстнчесннх

Республик (11) 672557

Х АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 270576 (21) 2363154/18-25 (51)M. Кл.2

G 01 N 27/62

В 01 D 59/44 с присоединением заявки ЙоГосударственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) ПриоритетОпубликовано 05. 07. 79. Бюллетень N 25 (53) УДК 621. 384 (088. 8) Дата опубликования оп исаи и я 0 5 . 0 7 . 79 (72) Авторы

ИЗОбрЕтЕНИя В. Ф. Иванова, A.Н. Пудов и Ю.A. Сурков (71) Заявитель

Ордена Ленина институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского АН СССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ГАЗА В АНАЛИЗАТОР

МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Изобретение относится к напускньм системам для масс-спектрометров и может быть использовано в масс-спектрометрической аппаратуре для непрерывного анализа газовой смеси с изменяющимся в широком диапазоне давлением.

Известно устройство для непрерывного напуска газа в масс-спектрометр, позволяющее производить масс-спектрометрический анализ газовой смеси, находящейся под давлением до 01 торр(1).

Оно содержит натекатель и диафрагму, обеспечивающую молекулярный рЕжим натекания в ионный источник масс-спектрометра при увеличении давления в исследуемой газовой смеси до 0,1 торр.

Для поддержания необходимого вакуума в аналитической части прибора анализатор откачивают ионньм насосом. При использовании такой системы измене- @ ние давления в ионном источнике пропорционально изменению давления перед ьатекателем. Это ограничивает диапазон возможных давлений в аналнзируе- 2 мых смесях, при которых сохраняется рабочий режим в ионном источнике.

Известно также устройство для напуска газа в аналитическую часть масс-спектрометра для анализа газовой смеси с переменньи давлением, величина которого не превыщает

1 мм рт.ст. (2).

Устройство состоит из камеры захвата, соединенной посредством вакуумных клапанов с анализируемой средой и анализатором масс«сиектрометра. напуск газа осуществляется порциями последовательнык открыванием клапанов.

Цикл работы систем 1-2 с.

За время одного цикла 3-4 раза регистрируется масс-спектр забранной пробы. Напуск может быть повторен до тех пор, пока давление в аналитической части прибора не достигнет критического (макснмального давления, при котором сохраняется рабочий режим в ионном источнике). Следовательно, число анализируемых порций газа ограничено и определяется начальным давлением в анализаторе, давлением в анализируемой смеси, постоянной системы напусV ка (<=,где Ч1 — объем камеры .захвата, V>- объем анализатора) и динамическим диапазоном прибора. При таком напуске анализ каждой следу»щей порции газа производится на фоне суммы всех предыдущих, что снижает чувствительность и точность масс-спектрометрических измерений.

672557

Таким образом, оба описанных устройства напуска не позволяют проводить непрерывный анализ газовой смеси, находящейся при давлениях выше

1 мм рт .Ст .Кроме того,при использовании их снижается точность и чувствительность масс-спектрометрических измерений.

Известно также устройство, посредством которого напуск газа в анализатор масс-спектрометра можно производить непрерывно в течение небольшо- to го промежутка времени из области высокого переменного давления (от единиц торр до десятков атмосфер) (3).

Устройство для введения газа в анализатОр сОстОит иэ трубОпроводар соединенного через молекулярный натекатель с анализатором, и систему откачки, установленную перед молекулярным иатекателем.

Режим течения газа через первый

20 натекатель-вяэкостный или колекулярно+вяэкостный, через остальные натекатели-молекулярный. Расширение диапазона возможных давлений в анализиРУемом газе достигается увеличением 25 количества камер захвата, т.е. увеличением объема, в котором происходит расширение первоначальной пробы газа.

Это приводит к снижению чувствительности измерений, что особенно нежелатель-3П но при анализе компонентов, содержа- щихся в малых количествах. Однако давление s анализаторе возрастает не только при увеличении давления в анализируемой смеси газов, но и при rioc- 35 тоянном давлении, что как и в других известных устройствах, существенно сокращает время работы Масс-спектромютра.

Описываемое устройство напуска при 4< количественном определении компонентов газовой смеси вводит к тому же ошибку, обусловленную массовой дискриминацией на натекателях с молекулярныи4 и молекулярно-вязкостными потокаьи. Для устранения этой ошибки масс45 спектрсметр вместе с устройством

Йапусжа перед анализом .должен градуироваться по газовым смесям, близким по. составу к анализируемым, что ограничивает воэможность применения подоб О

A6rG устройства, т. е. требует знания

«kcx as a аи али эируемой смеси Ф

QeJIIr ю изобретения является созда ние устройства для яапуска газа в аналитическую часть масс-спек трометра, 55

ОбеспечивающегG setkpepMssk46f ана лайз га зовов : сред с и эмен яющимся в ширОком интервале давлением и иовьчбг ющего

N aJsIITs scR E4 s харак терис икр ма: с спэткрометpa - чувствительность и д

ТОЧИОСТЬ, Уст1 2ство дОЛжио ОбЗспечить сОх-: ранеиие pesJrI4a рабочего J1as Ies_#_s в иОИИОм истОчиике при изыенении давле нея в иссле емом газе На несколько порядков, Постоянная времени устройства должна быть не более Зс,его инерционность

3-5 с, Величина массовой дискриминации, вводимая устройством, должна быть

sa пределами допускаемой ошибки измерений, При использовании такого устройства B масс-спектрометрах для анализа плотных атмосфер планет появляются дополнительные требования; оно должно быть легким, малогабаритньм, простым по конструкции и в то же время надежным.

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит два вязкостных натекателя, один из которых соединяет систему откачки с трубопроводом, а другой установлен

Перед молекулярным натекателем. Отношение диаметра пор молекулярного натекателя к диаметру капилляра вязкостного натекателя составляет 3 ° 10

-3 ° 10 4 при диаметре пор О, 3-3 мк, а отношение диаметра капилляра вяэкостного натекателя к .его длине составляет 10-4 «10Ъ

С целью расширения диапазона измеряемых давлений устройство содержит несколько одинаковых систем, содержащих указанные натекатели. Натекатели и капилляры рассчитываются таким образом, чтобы при давлениях в анализируемом газе от нескольких миллиметров до десятков атмосфер обеспечивался молекулярный режим течения газа на всех иатекателях, за исключением первого, где при бяьших давлениях существует молекулярно-вязкостный режим, и вязкостный э капиллярах, сообщающих трубопровод с вакуумированиыми объемами.

Поскольку при молекулярном натекании количество проходящего газа

Q пропорционально давлению Р на входе в натекатзль, а при визкостном — . пропорционально Р, то основная масса газа будЕТ перетекать в вакуумнpGBaHHHe G5 eMBJ, причем J1GJ1H газа, направляемая таким устройством в масс-спектрометр для анализа, уменьшается с возрастанием внешнего давления, что существенно увеличивает возможный верхний предел и перепад давлений в анализируемой смеси.

В устройстве устранен эффект массовой дискриминации на молекулярных натекателях посредством установления перед каждьщ натекателем капилляра с вяэкостным режимом течения газа, обеспечивающего яовышенную скорость потока газа у натекателя, что препятствует JjBfÌ7B<>

-;.яжелых молекул в сторону, обратную потокур и ypaBT ssaeT скорости проходящих через нaTекатечи молекул с различными массами„

Яа чл теже показана пневмати .тес"ан схеMa « стройства для введения газ а в ан али 3 атор, устоойство с(держит метталлнче"" кий в@.кууми ров анный дили Ядр р разде.

672557

40

Формула изобретения лен ш.гй металлической перегородкой

1 на два объема 2 и 3 емкостью по

1 л каждый. Через цилиндр проходит металлический трубопровод 4 диаметром 2 мм, длиной 200 мм, по оси которого расположены капилляры 5-7 диаметром 0,2 мм, обеспечивающие вяэкостный режим течения газа перед натекателями 8-10. Яатекатели сделаны из спеченного пористого пироксевого стеклянного порошка с диаметром пор 0.3-.3 мкм с пропускной спо собностью /1-4/ 10" л/с. Отношение диаметра пор молекулярного,натекателя к диаметру капилляра вязкого натекателя 3 (10 †:10 ). Режим натекания газа через них, исключая первый, молекулярный (через катекатель 8 - молеклярно-вязкостный при давлениях несколько сотен торр и выше). Трубопровод 4 имеет выходные капилляры 11, 12 (с(= 0,2 мм), обеспечивающие вязкостный ток газа к откачивающим объемам. Пропускные способности откачных капилляров

4-10 л/торр.с.

Наличие редукции давления при прохождении газа через напускное устройство следует из уравнения баланса для стационарного процесса:

= i ã

Ц =9 +6

Ц4 4, где Ц®,, 9„, Q1 ()b,((4 — количества газа, проходящего через натекатели

8 - 10 и через капилляры 11, 12 соответственно.

Илиг грц (р Р )ц р ц т 2из= 93vн, где U U,U - проводимости натекателей 8-10 соответственног

14 — скорость откачки иэ

I It ионного источникаг

U U - проводимости капилляров 11 и 12 соответственно;

Рг — давление на входе в устройство напус- 80 ка;

Рг,Р 2, Р,Р - давления в устройстве напуска (указаны на чертеже).

Нри заданных значениях проводимос- 58 тей натекателей и капилляров

Ц= 10 л/с

Ц= 4 10 л/с

Ц= 4 10 л/с

1) 4 ° 10 л/торр.с.

1)"-",4 1(Г л/торр.с решение уравнений баланса дает следующие распределения давлений в

"устройстве нануска (при внешнем давлении Р, изменяющемся от 100 до 10000 торр)г

Pt (0,15-5)-:100 торр

Р (0,05-1,5)- .10 торр

Р = 5 ° 10 2 (1() —:10 ) торр, Для сочленения устройства напуска с масс-спектрометром выходной трубопровод вваривается в стенку ионного источника, на входной каппиляр напаивается защитный стеклянный колпачок, преграждающий доступ газа в устройство.

Вся аналитическая часть прибора (анализатор масс-спектрометра и устройство напуска) перед анализом тщательно обезгажнваются путем длительного прогрева.

Постоянная времени устройства.

2 с, его инерционность 3 с. Оьпгбка, вносимая массовой дискриминацией на натекателях, не превышает 0,01В.

Предлагаемое устройство напуска позволяет проводить непрерывный масс-спектральный анализ готовой смеси, находящейся под давлением от 1 торр до 10 атм. При давлении . анализируемой смеси 1 атм время работы прибора составляет 30 50 ч, при 10 ати « 1 ч.

По сравнению с прототипом устройство имеет следующие преимуществаг

1, Позволяет проводить длительный масс-спектральный анализ газовых смесей с изменяющимся в широком диапазоне давлением.

2. Производит реакцию давления в поступившем газе, вследствие чего сохраняется рабочий режим s ионном источнике масс-спектрометра при изменении давления в аналиэмруемом гаэе на 4 порядка, при этом обеспечивается чувствительность и точность массспектрального анализа.

3. Устраняет огггибку измерений, вносимую массовой дискриминацией на молекулярных натекателях, а следовательно, исключается градуировка прибора по смеси, сходным по составу с анализируеьйми.

Устройство для введения газа в анализатор масс-спектрометра, состоящее иэ трубопровода, соединенного через молекулярный натекатель с анализатором, и систему откачки, установленную перед молекулярным натекателем, о т л и ч а ю щ е е с я теи, что, с целью повышения чувствительности и обеспечения возможности иепрерывногО анализа газовых сред с изм няющимся давлением, устройство дополнительно содержит два вязкостных натекателя-капилляра, один из которых соединяет систему откачки с трубопроводом, а другой установлен перед молекулярным натекателем, причем отношение диаметра пор молекулярного натекателя к диаметру ка-672557

Я 1 Рг Л 7 !О

Составитель Н. Алимова

Редактор T. Орловская Техред О. Андрейко Корректор В. Синицкая

Заказ 3881/44 Тирах 1089 Подписное

ЦНИИПИ Государственного ксеяитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент™, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пилляра вязкостного натекателя составляет 3 ° 10", — 3 10 4 при диаметре пор 0,3-3 мкм, а отношение диаметра капилляра вязкостного натекателя к его длине составляет 10 ° 10 1

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно содержит несколько одинаковых систем, содермаших указанные натекатели.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Костко Q.Ê., Федынский A.B.

Система откачки для.масс-спектрометрического анаЛиэа атмосферы.-Труды ЦАО, вып 42, 1962.

2. Миртов В.Я. и др. Об исследовании составов атмосферы в области

5 высот 100-60 км. Космические исследования, т. у, вып.1, 1967.

3. Ширшов P.Ï. О масс-спектрометрическом исследовании газового состава плотных атмосфер.-„Космичеср кие исследования, т. VI 1968 вып 1