Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Устройства обнаружения сверхмалых количеств химических веществ 11
1.1. Задачи и способы детектирования сверхмалых количеств веществ 11
1.2. Метод спектрометрии ионной подвижности 14
1.3. Источники ионизации при атмосферном давлении 20
1.4. Конструкция областей ионизации и дрейфа 25
1.5. Методы расчета конструктивных и электрических параметров 28
1.6. Выводы 31
ГЛАВА 2. Управление источником ионизации на основе импульсного коронного разряда 33
2.1. Макет для исследования импульсного коронного разряда 33
2.2. Экспериментальные исследования источника ионизации на основе коронного разряда в составе спектрометра ионной подвижности 44
2.3. Система управления и конструкция источника ионизации на основе коронного разряда в составе спектрометра ионной подвижности 53
2.4. Выводы 56
ГЛАВА 3. Система управления спектрометром ионной подвижности 57
3.1. Общая архитектура системы управления 57
3.2. Система коммутации и передачи данных 59
3.3. Система управления электростатическим затвором 64
3.4. Система управления электростатическим затвором и выталкивающим электродом 72
3.5. Система формирования высокого напряжения в области дрейфа 79
3.6. Система датчиков 91
3.7. Выводы 98
ГЛАВА 4. Теоретические основы конструирования дрейфовой трубки 99
4.1. Расчет стационарных полей 99
4.2. Описание методики расчета и принципов работы программы 104
4.3. Численный расчет ионного затвора 111
4.4. Численный расчет дрейфовой области 117
4.5. Численный расчет источника ионизации 122
4.6. Заключение 124
ГЛАВА 5. Конструирование малогабаритного спектрометра ионной подвижности 125
5.1. Дрейфовая трубка на основе печатных плат 125
5.2. Ионный затвор 131
5.3. Коллектор ионов 134
5.4. Формирование внешней герметичной оболочки областей ионизации и дрейфа с интегрированной системой нагрева 137
5.5. Общая компоновка прибора 141
5.6. Выводы 149
ГЛАВА 6. Экспериментальная апробация спектрометра ионной подвижности 150
6.1. Апробация электроники управления прибором 150
6.2. Оценка влияния электростатического ионного затвора и источника ионизации на основе коронного разряда 156
6.3. Детектирование веществ 163
6.4. Заключение 171
Заключение 173
Список литературы: 175
- Источники ионизации при атмосферном давлении
- Экспериментальные исследования источника ионизации на основе коронного разряда в составе спектрометра ионной подвижности
- Система управления электростатическим затвором и выталкивающим электродом
- Формирование внешней герметичной оболочки областей ионизации и дрейфа с интегрированной системой нагрева
Введение к работе
Актуальность темы. Угроза терроризма, имеющая глобальный характер, требует от мирового сообщества, помимо принятия военных и политических мер противодействия, разработки соответствующих технических решений для предотвращения подготовки и проведения террористических актов. Особый интерес представляют задачи разработки ручных портативных переносных приборов для обследования служебных помещений и внутренних отсеков крупногабаритных передвижных объектов, а также для обнаружения следовых количеств веществ на деталях автотранспорта, личных вещах и одежде.
Устройства для обнаружения малых количеств веществ, построенные на принципе спектрометрии ионной подвижности, являются наиболее перспективными в силу наилучшего сочетания стоимости, компактности, параметров обнаружения и широкого диапазона обнаруживаемых веществ. Принцип спектрометрии ионной подвижности основан на измерении времени пролета ионом определенного расстояния в газовой среде в постоянном электрическом поле. Классическая конструкция спектрометра ионной подвижности представляет собой набор металлических электродов, формирующих область с однородным продольным электрическим полем, в сочетании с электрическим затвором и областью ионизации. Идентификация молекулы осуществляется с помощью измерения ее подвижности, прямо пропорциональной скорости дрейфа и обратно пропорциональной напряженности электрического поля.
В настоящее время принцип спектрометрии ионной подвижности применяется в ряде серийно изготавливаемых портативных приборов компаний Smiths Detection (Великобритания), GE Security (США), Implant Sciences Corp. (США) и Bruker (Германия). Однако, несмотря на очевидность физических принципов, параметры обнаружения и подходы к конструированию, выбору технических решений, технологий и схемотехнических вариантов исполнения являются коммерческой тайной, что делает актуальной задачу разработки отечественных приборов такого класса.
В большинстве портативных спектрометров ионной подвижности применяются источники ионизации на основе радиоактивных изотопов, что создает серьезные проблемы, связанные с сертификацией, эксплуатацией, транспортировкой и утилизацией. Поэтому важной задачей является разработка и внедрение нерадиоактивных источников ионизации. Применяемые в настоящее время дрейфовые трубки из массивных металлических электродов имеют значительную массу и габариты, что ограничивает возможности портативного исполнения и приводит к увеличению времени выхода на рабочий режим вследствие высокой теплоемкости. Указан-
ное ограничение обуславливает необходимость разработки нового варианта конструкции. Необходимость детектирования широкого перечня веществ, включая взрывчатые и наркотические компоненты, требует реализации системы быстрого переключения полярности детектируемых ионов. На параметры обнаружения спектрометров ионной подвижности большое влияние оказьшают влажность и температура, затрудняя идентификацию веществ в реальных условиях эксплуатации, поэтому для создания стабильных условий протекания ионно-обменных реакций в области ионизации и реализации непрерывной термической очистки необходим постоянный нагрев внутренних поверхностей до 100С - 150С.
Таким образом, решение указанных проблем позволит создать портативный спектрометр ионной подвижности с нерадиоактивным источником ионизации, возможностью обнаружения положительных и отрицательных ионов и постоянным мониторингом условий проведения измерений, способный работать в автоматическом режиме с минимизацией контроля со стороны оператора.
Целью диссертационной работы является создание макета портативного спектрометра ионной подвижности с нерадиоактивным источником ионизации на основе импульсного коронного разряда, переключаемой полярностью детектируемых ионов и дрейфовой трубкой с малыми мас-согабаритными параметрами и низкой теплоемкостью.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработать методику расчета геометрических и электрических параметров узлов формирования и транспорта ионов в дрейфовой трубке и создать программу для проведения таких вычислений.
Выбрать компоновку и разработать конструкцию портативного спектрометра ионной подвижности.
Разработать систему управления источником ионизации на основе коронного разряда, работающего в импульсном режиме, и провести эксперименты по изучению и оптимизации его работы.
Разработать систему формирования высокого напряжения в дрейфовой области спектрометра ионной подвижности с переключаемой полярностью для детектирования как положительных, так и отрицательных ионов. Разработать систему управления и конструкцию электростатического затвора.
Разработать конструкцию дрейфовой трубки спектрометра ионной подвижности, обеспечивающую малые массогабаритные параметры и низкую теплоемкость.
Провести экспериментальную апробацию портативного спектрометра ионной подвижности с нерадиоактивным источником ио-
низации на основе коронного разряда и показать возможность его практического применения.
Объектом реализации указанных исследований является портативный спектрометр ионной подвижности с нерадиоактивным источником ионизации на основе импульсного коронного разряда, оснащенный устройствами пробоотбора из воздушной фазы и с поверхности, системой автономного питания от аккумуляторной батареи, комплексной системой звуковой, световой и графической индикации. Управление прибором и обработка результатов осуществляется встроенным компьютером. Дрейфовая трубка спектрометра реализована с использованием современных технологий изготовления печатных плат и лазерной резки тонкого листового металла.
Достоверность результатов подтверждается воспроизводимой технологией изготовления, воспроизводимыми электрическими параметрами источника высокого напряжения, ионного источника и электростатических затворов, параметрами обнаружения и согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, а также практикой использования разработанных узлов спектрометра ионной подвижности в производимых мелкосерийно детекторах сверхмалых количеств веществ.
Научная новизна диссертации заключается в выборе способа реализации системы управления нерадиоактивным импульсным источником ионизации на основе коронного разряда, блока формирования высокого напряжения и электростатического затвора, а также в разработке конструкции дрейфовой трубки, состоящей из печатных плат. При этом получены следующие научные результаты:
Предложена методика расчета полей в источнике ионизации и методика расчета неоднородности электрического поля в регулярной дрейфовой структуре.
Сделан вывод о значительной роли ультрафиолетового излучения, сопровождающего разряд, на процесс образования ионов, позволяющий существенно упростить конструкцию области ионизации.
Предложен и реализован способ синхронизации нескольких источников ионизации на основе коронного разряда с использованием оптической связи.
Предложен и реализован способ управления напряжением, энергией, током коронного разряда на основе регулируемого импульсного источника высокого напряжения.
Предложен и обоснован результатами проведенных исследований способ управления электростатическими затворами, находящимися под высоким напряжением, с применением оптоэлектрон-ной гальванической развязки.
Предложен и реализован способ управления источником высокого напряжения с электронным переключением полярности.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
Проведен расчет транспорта ионов в областях ионного затвора, дрейфа и коллектирования, позволивший определить геометрические и электрические параметры данных областей. В источнике ионизации реализован отражатель ионов, обеспечивающий формирование траекторий ионов для соответствия апертуре канала транспортировки в области дрейфа.
Реализована система управления и конструкция нерадиоактивного источника ионизации на основе импульсного коронного разряда, отличающегося возможностью образования как положительных, так и отрицательных ионов, плавным регулированием мощности ионизации и пространственно-распределенной структурой с дублированием пар электродов и синхронизацией разрядов на основе оптической связи.
Реализовано электронное переключение полярности высокого напряжения за время, не превышающее 10 секунд, обеспечивающее одновременное детектирование положительных и отрицательных ионов.
Реализована дрейфовая трубка на основе печатных плат с глубокой интеграцией систем управления, нагревательных элементов, разъемов для подключения внешних устройств и газовых вводов, имеющая массу 105 г и время выхода на рабочую температуру 100С, не превышающее 5 минут.
На основе разработанных технологий и систем управления создан макет портативного спектрометра ионной подвижности с расширенной функциональностью и высокой степенью интеграции массой 2,5 кг. На прибор получен сертификат соответствия и патенты РФ на полезную модель и устройство дрейфовой трубки.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика расчета транспорта ионов в области ионизации, электростатическом затворе и дрейфовой области.
Способ конструктивной и функциональной интеграции узлов высоковольтного делителя напряжения, многозонной системы на-
грева, коллектора ионного тока и источника ионизации на основе коронного разряда.
Способ организации управления и конструкция импульсного источника ионизации на основе коронного разряда с пространственно-распределенной структурой и синхронизацией разрядов на основе оптической связи.
Способ управления электростатическими затворами с оптоэлек-тронной гальванической развязкой и источником высокого напряжения с переключаемой полярностью.
Экспериментальные результаты исследования источника ионизации на основе импульсного коронного разряда.
Личный вклад автора. Общая постановка и обоснование задач исследований, обсуждение полученных результатов были выполнены автором совместно с научным руководителем и членами научного коллектива. Личный вклад автора заключается в разработке и реализации дрейфовой трубки на основе печатных плат, электронных узлов ионного затвора, источника ионизации на основе коронного разряда, проведении моделирования распределения электрических полей в областях ионизации, ионного затвора и дрейфа. Автором проведены экспериментальные исследования ионизации молекул с помощью коронного разряда, работы по повышению чувствительности с помощью изменения временных характеристик работы электростатического затвора и оптимизации скорости и направления движения газовых потоков в ионном источнике. Автором также были проведены апробация разработанного спектрометра ионной подвижности и анализ результатов.
Представленные исследования выполнялись на базе кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ "МИФИ".
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись, на 8, 9, 10, 11, 12 и 13 научных сессиях МИФИ (г. Москва, 2005; 2006; 2007; 2008; 2009; 2010), на VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007г.), на форуме "Технологии безопасности 2010"(Москва, Крокус Экспо, 2010г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 11 статей (3 статьи в журнале из перечня ВАК), а также 3 патента РФ на полезную модель и 1 патент на изобретение. Список печатных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 196 страниц, включая 91 рисунок, 1 таблицу и 176 библиографических ссылок.
Источники ионизации при атмосферном давлении
Проблема оперативного обнаружения сверхмалых количеств веществ является на сегодняшний день очень актуальной задачей. Прежде всего, это определяется потребностью силовых структур общества. Распространение взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, представляющее собой глобальный характер, требует разработки соответствующих технических решений для их обнаружения. Для этих целей пункты контроля, установленные в аэропортах, железнодорожных вокзалах, портовых и таможенных терминалах, должны быть оснащены высокочувствительным оборудованием, реагирующим на сверхмалые концентрации веществ. Технические средства контроля дают объективную оценку при обследовании объекта и дополнительно с использованием специально обученных собак увеличивают вероятность обнаружения тщательно замаскированных веществ.
Кроме того, методики оперативного контроля сверхмалых концентраций веществ широко внедряются в социальную сферу жизни общества. Проводятся работы по диагностике заболеваний и обнаружению возбудителей инфекций человека по составу дыхания и выделений [4-11]. К наиболее изученным летучим веществам, выдыхаемым человеком, относятся ацетон и этанол. У больных сахарным диабетом, сердечнососудистой патологией, у детей с бронхиальной астмой, диатезом, у беременных женщин при токсикозах первой половины беременности содержание ацетона и этанола значительно отличается от здоровых лиц. Определение сверхмалых количеств веществ может сыграть важную роль в контроле состояния окружающей среды [12-15], выбросов вредных веществ промышленными предприятиями при экологическом мониторинге [16], а также для оценки уровня качества помещений для жизни человека [17]. Компактные сенсоры можно использовать для определения качества сырья и готовой продукции в пищевой [18-28], ликероводочной [29,30], табачной, парфюмерной [31,32], лакокрасочной промышленности и в сельском хозяйстве [33-36], разработки компактных анализаторов для робототехники [37,38], проведения исследований в области биохимии [39,40], в химической промышленности [41,42], для контроля качества медицинских препаратов [43], в области нанотехнологий [44], анализа паров нефти и газа для поиска и мониторинга месторождений в добывающей промышленности и оценки качества горюче-смазочных материалов [45,46].
Исчерпывающий обзор методов и технологий для обнаружения различных веществ, включая обнаружение скрытых взрывчатых и наркотических веществ, приведен в [47]. Методы, используемые в настоящее время для обнаружения скрытых взрывчатых веществ, приведены в таблице 1.
На основе метода хемилюминесценции люменола [48-50] компанией Scintrex Trace (США) разработан компактный портативный детектор EVD3500 [51], способный обнаруживать следы военных и коммерческих взрывчатых веществ, включая маркирующие вещества ICAO, пластиковую взрывчатку, нитрат аммония, черный порох и ТАТР. Прибор имеет вес 3 кг и не содержит радиоактивных элементов. Время реакции на присутствие веществ составляет от 5 до 30 секунд. Однако сменный картридж с веществом-детектором требует периодической замены, кроме того данный прибор обладает крайне малым перечнем обнаруживаемых компонентов, что делает невозможным его применение для поиска наркотических вещества, в медицинских целях и для оценки качества продукции. Хроматография [52, 53] и масс-спектрометрия [54] - одни из наиболее чувствительных и широко распространенных методов обнаружения - в приборном виде представлены только в стационарных лабораторных вариантах, поскольку технически сложны, требуют вакуума (масс-спектрометрия) или продолжительного времени анализа, а также чистых газов (хроматография). Поиск веществ с помощью обученных собак [55-60] является наиболее распространенным, однако продолжительность поиска не может быть больше 30 минут в силу биологических возможностей собаки. Кроме того, поиск ведется только по нескольким определенным веществам и отсутствует возможность точного определения типа и концентрации найденного вещества.
Метод спектрометрии ионной подвижности [61] основывается на том, что ионизованная молекула любого вещества обладает вполне определенной подвижностью в слабом электрическом поле (К), определяемой как отношение скорости дрейфа иона (Va) к напряженности электрического поля (Е). Для приведения результатов измерений подвижности (К) к стандартным значениям температуры и атмосферного давления вводится параметр приведенной подвижности (Ко), рассчитываемый по формуле: где значение температуры (Т) задается в градусах Кельвина, а значение давления дрейфового газа (Р) в миллиметрах ртутного столба. На сегодняшний день все промышленно выпускаемые переносные портативные приборы для обнаружения сверхмалых концентраций веществ основаны на использовании метода спектрометрии ионной подвижности. Большой интерес к методу спектрометрии ионной подвижности связан с рядом достоинств, которые свойственны детекторам, построенным на данном принципе: возможность регистрации детектируемых молекул в обычной воздушной среде при атмосферном давлении; высокая чувствительность; малые габариты и вес; низкое потребление электрической энергии, т.е. возможность работы в автономном режиме; простота комплектующих изделий и низкая стоимость; возможность регистрации веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии. Детекторы на принципе спектрометрии ионной подвижности используются для поиска взрывчатых веществ [62], биомолекулярного анализа [63], контроля процессов ферментации [64] и анализа качества продуктов питания [65] в пищевой промышленности. В области медицины спектрометрия ионной подвижности активно применяется для анализа состояния здоровья человека по составу выдыхаемого воздуха [66-69], в том числе для раннего обнаружения рака легких [70], сахарного диабета и инфекций, передающихся воздушно-капельным путем [71], а также для определения макромолекул, таких как протеин [72] и липопротеин [73]. С помощью данной технологии проводится мониторинг состояния помещений [74-76], окружающей среды [77,78], анализ в сельском хозяйстве [79] и химической промышленности [80-82].
Общепринятая схема прибора, состоящая из нескольких блоков, показана на рис. 1.1. Пары анализируемого вещества попадают в ионизационную камеру. После процесса ионизации ионный затвор, отделяющий камеру ионизации от камеры дрейфа, на короткое время открывается. Ионы анализируемых веществ попадают в дрейфовую камеру, в которой происходит разделение ионов по подвижностям во время движения в постоянном электрическом поле. Разделенные ионы попадают на коллектор ионного тока, сигнал с которого поступает на специальную систему обработки и усиления сигнала. Кроме того, прибор включает в себя систему подготовки пробы, систему очистки и систему концентрации анализируемых молекул.
Экспериментальные исследования источника ионизации на основе коронного разряда в составе спектрометра ионной подвижности
Одним из основных элементов конструкции спектрометра ионной подвижности является спектрометрическая ячейка, состоящая из двух смежных областей ионизации и дрейфа, разделенных электростатическим затвором. Классическая конструкция, применяемая во всех промышленно выпускаемых приборах, подробно описана в [147, 148]. Она представляет собой набор расположенных вдоль одной оси проводящих электродов, электрически изолированных друг от друга, с различной формой и линейными размерами. Проводящие электроды изготавливаются из различных металлов и сплавов, таких как нержавеющая сталь и дюралюминий. С двух торцевых краев этой конструкции располагаются ионный источник для ионизации поступающих в прибор молекул анализируемых веществ и коллекторный электрод для регистрации ионного тока. В совокупности с диэлектрическими прокладками между проводящими электродами данная конструкция образует герметичный замкнутый объем с расположенными в соответствующих местах отверстиями для продувки дрейфовым газом и забора паров исследуемых веществ. Таким образом, внутри прибора, и особенно в дрейфовой области, поддерживается постоянный состав газовой среды, обеспечивая стабильные условия детектирования веществ. Недостатками спектрометров ионной подвижности с подобными дрейфовыми трубками являются относительно большой вес и линейные размеры. Помимо этого увеличивается энергопотребление на нагрев дрейфовой области в силу высокой теплоемкости конструкции. Изготовление проводящих электродов на металлообрабатывающих станках увеличивает стоимость прибора. Также заметно усложняется сборка прибора, включающая в себя установку и точное позиционирование диэлектрических изолирующих и уплотняющих элементов между проводящими электродами.
За прошедшее время было разработано несколько конструкций спектрометрической ячейки с уменьшенными габаритами и сниженным весом [149, 150]. Один из вариантов такой спектрометрической ячейки установлен в малогабаритном детекторе размером с современный сотовый телефон [151]. Проводящие электроды, образующие дрейфовую область, закреплены на печатной плате совместно с некоторыми электронными компонентами управления прибором. Таким образом, структура спектрометрической ячейки аналогична обычно применяемой конструкции, однако отличается малыми размерами проводящих электродов в виде цилиндрических элементов диаметром 15 мм и длиной 50 мм [152]. Другой вариант конструкции из 25 цилиндрических проводящих электродов диаметром 1.7 мм с общей длиной 35 приведен в [153].
Один из альтернативных подходов к формированию дрейфовой трубки [154, 155] заключается в нанесении тонкого слоя проводящей краски на внутреннюю поверхность керамической трубки. Общее сопротивление полученного слоя сравнимо со стандартной дрейфовой трубкой с внешними резисторами номиналом от 10 до 20 МОм. В принципе такая конструкция позволяет создать простую, дешевую и компактную спектрометрическую ячейку, однако равномерное нанесение проводящего покрытия на всю длину керамической трубки является довольно сложной задачей. Кроме того, в данной технологии присутствует проблема выделения паров краски в дрейфовой области, требующая разработки технологий очистки внутренней поверхности.
Особый интерес представляет конструкция дрейфовой области, изготавливаемой по технологии производства печатных плат, что открывает большие перспективы по миниатюризации прибора и уменьшению его себестоимости [156]. Основой дрейфовой области является несущая печатная плата с двухсторонней металлизацией, с одной стороны которой в монтажные отверстия с помощью пайки припоем крепятся проводящие электроды. Проводящие электроды изготавливаются из тонкого листового металла методом прецизионного травления. Электронные схемы формирования высоковольтных потенциалов на проводящих электродах располагаются с другой стороны несущей печатной платы. Электрический контакт обеспечивается через монтажные отверстия, заполненные пайкой. Замкнутый объем вокруг набора проводящих электродов обеспечивается за счет установки ограждающей конструкции, также изготавливаемой из листового металла методом прецизионного травления.
Недостатками данной конструкции являются отсутствие нагрева внутреннего объема дрейфовой области и камеры ионизации и повышенная чувствительность к механическим вибрациям. Температура оказывает большое влияние на ионно-обменные реакции, протекающие в области ионизации [157, 158]. Кроме того, нагрев дрейфовой и ионизационной областей до температур выше 100 С обеспечивает постоянную термическую очистку для быстрого удаления молекул веществ, адсорбирующихся на внутренние поверхности прибора во время проведения измерений и влияющих на разрешающую способность и предел обнаружения. Чувствительность к механическим вибрациям вследствие отсутствия жесткости конструкции затрудняет детектирование веществ при работе прибора в полевых условиях, поскольку дополнительный шум в регистрируемом ионном токе приводит к появлению ложных срабатываний.
В целом конструкция с несущей печатной платой и расположенными на ней электродами из тонкого листового металла является очень перспективной. Поэтому одной из задач данной работы является разработка миниатюрной дрейфовой трубки, изготавливаемой по технологии печатных плат, с надежным креплением коллекторного электрода и интегрированной в её ограждающие стенки системой нагрева дрейфовой и ионизационных областей спектрометра ионной подвижности. Целью данной работы является также проектирование и изготовление системы формирования высоковольтных потенциалов, прикладываемых к проводящим электродам для обеспечения возможности детектирования как положительных, так и отрицательных ионов.
Система управления электростатическим затвором и выталкивающим электродом
Процессы ионизации, происходящие при коронном разряде, относятся к химической ионизации при атмосферном давлении. Образование ионов исследуемых веществ происходит в результате ионно-молекулярных реакций с первоначальным образованием положительно и отрицательно заряженных реактант-ионов и последующей передачей заряда молекулам исследуемых веществ. Реакции, имеющие отношение к химической ионизации при атмосферном давлении, описываются хорошо обоснованными принципами кинетики, термодинамики и молекулярного строения вещества. Параметры температуры, давления, влажности и концентрации отдельных веществ оказывают сильнейшее влияние на характер ионизации. Основной проблемой описания таких процессов является образование ионных кластеров, которые являются неотъемлемой частью процессов ионизации.
Исследование работы коронного разряда в импульсном режиме проводилось на специально разработанном стенде, состоящем из диэлектрической подложки с размещенными на ней двумя парами электродов, формирующих два разрядных промежутка, системы управления на основе микроконтролера, компьютера с управляющей программой и двухканального цифрового осциллографа Textronics TDS-1001B. Электрическая схема макета приведена на рис.2.1. Перед началом эксперимента в управляющей программе задаются параметры работы макета коронного разряда: длительность, частота и количество импульсов накачки. После запуска программы данные через порт RS232 записываются в определенные ячейки памяти микроконтроллера, который формирует логический сигнал с заданными временными характеристиками на буферный инвертирующий элемент U1. В качестве буферного элемента используется драйвер низковольтных, быстродействующих МОП-транзисторов и силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором типа IR4426. Основными особенностями данного драйвера являются совместимость логических входов со стандартными КМОП или ТТЛ выходами, высокий импульсный ток буферного каскада выходов для работы на емкостную нагрузку входа силового МОП транзистора. Резкий фронт выходного напряжения драйвера Ш обеспечивает быстрое переключение силового полевого транзистора Q1.
Возможность изменения полярности выходного высокого напряжения реализована с помощью подключения первичной обмотки трансформатора формирования высокого напряжения ТІ через набор джамперов (Х4-Х7) к источнику питания и стоку силового полевого транзистора Q1. Первичная обмотка трансформатора ТІ состояла из 15 витков, вторичная обмотка из 6 секций с суммарным количеством витков 1850, при этом коэффициент трансформации составлял 1:740. Уменьшение количества витков первичной обмотки сокращает время накачки энергии и длительность между импульсами разряда. Первичная и вторичная обмотки имеют значения индуктивности и емкости, при которых резонансные частоты контуров обмоток не совпадают. Для обеспечения баланса резонансных частот цепей первичной и вторичной обмоток установлен конденсатор СЗ.
Цепь делителя высоковольтного напряжения (R1-R7) обеспечивает измерение импульсов выходного напряжения с помощью цифрового осциллографа без влияния входной емкости щупа. С помощью данного подхода стало возможным наблюдать сигналы без изменений настройки осциллографа. Высоковольтный потенциал прикладывается к электродам источника ионизации на основе коронного разряда через ограничивающие резистивные цепочки суммарным сопротивлением 500 кОм, которые обеспечивают ограничение тока разряда и совместный одновременный электрический пробой во всех парах электродов источника ионизации. Низковольтные электроды источника ионизации подключены к земле через резисторы номиналом 1 кОм, обеспечивая преобразование тока в напряжение с коэффициентом 1 В/мА.
Применяемый в данной работе источник ионизации на основе коронного разряда имеет геометрию острие-острие, что позволяет создать строго контролируемые условия и место горения разряда. Поскольку в атмосферном воздухе всегда есть некоторое число "фоновых" ионов и электронов, возникающих от случайных причин, однако число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. Но вблизи электрода, имеющего малый радиус кривизны, может образоваться область пробивного поля даже тогда, когда на электроды подано напряжение значительно более низкое, чем напряжение, которое необходимо для пробоя всего разрядного промежутка. При достаточной напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между соударениями, может сделаться достаточной для ионизации нейтральной молекулы при соударении. Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, этот процесс приобретает лавинный характер, и ионизация в газе быстро достигает большой величины, при этом между электродами возникает искровой разряд.
Формирование внешней герметичной оболочки областей ионизации и дрейфа с интегрированной системой нагрева
Схема установки для проведения экспериментальных исследований по применению коронного разряда в качестве источника ионизации спектрометра ионной подвижности приведена на рис.2.7. Источник ионизации представляет собой печатную плату с размещенными на ней четырьмя заостренными электродами, перпендикулярными поверхности печатной платы. Ответные электроды располагаются параллельно поверхности печатной платы, таким образом создаются четыре разрядных промежутка. Электроды коронного разряда изготавливаются из тонкой проволоки из платинородиевого сплава или нержавеющей стали. Межэлектродное расстояние составляет около 1 мм. Дополнительные пары электродов позволяют обеспечить большое значение общего заряда и повышают надежность работы источника ионизации.
Дрейфовая трубка спектрометра ионной подвижности, использованного для проведения данного эксперимента, представляет собой набор из 12 алюминиевых цилиндрических колец. К первому кольцу с внешней стороны прикрепляется ионный источник. Первое и второе кольца оснащены сетками из нержавеющей стали толщиной 0.1 мм с оптической прозрачностью 80 %, образующие ионный затвор спектрометра ионной подвижности. Сторона печатной платы источника ионизации, обращенная к дрейфовой области, покрыта металлизацией и находится под переменным электрическим потенциалом, изменяемым по команде управляющей электроники, образуя выталкивающий электрод спектрометра ионной подвижности. В ходе эксперимента ионный источник отключался от цепи управления и подключался с помощью соответствующих ключей к 6 электродам дрейфовой области, находящимся под потенциалам от 2100 до 1000 В с шагом 200 В. При этом ионный источник перемещался на расстояние от 1 до 4 мм от первого кольца, к которому на освободившееся место крепилась защитная сетка из нержавеющей стали толщиной 0.1 мм. Защитная сетка находилась под потенциалом 2400 В, заведомо большим, чем потенциал выталкивающего электрода источника ионизации, таким образом создавалось электрическое поле, препятствующее попаданию ионов из лавины разряда в область дрейфа.
Существует несколько механизмов образования ионов с помощью коронного разряда в установке, представленной на рис.2.8: 1. Образование ионов в зазоре между электродами в области видимого коронного разряда. 2. Образование ионов в области между платой ионного источника на основе коронного разряда и экранирующей сеткой из-за действия ультрафиолетового излучения, генерируемого электрическим разрядом между электродами при горении короны. 3. Образование ионов в воздухе за защитной сеткой в области дрейфа из-за действия ультрафиолетового излучения. 4. Фотоэмиссия электронов с проводящих участков вокруг источника ионизации на основе коронного разряда, вызванная ультрафиолетовым излучением при горении короны. Сравнительная спектрограмма лабораторного воздуха для отрицательных ионов в обычной системе и с установленной защитной сеткой приведены на рис. 2.12. Можно отметить, что структура, количество и расположение пиков не изменилось при установке защитной сетки. Наблюдается лишь уменьшение полного заряда, образующегося при ионизации, связанное с увеличением на 3,8 мм расстояния от области горения разряда до области образования ионов, проходящих дрейфовую трубку и попадающих на коллектор ионного тока. В ходе экспериментов выяснилось, что значительная часть ионов связана с воздействием ультрафиолетового излучения на воздух около электродов на расстоянии нескольких миллиметров. Также представляется маловероятным то, что ионы, образованные непосредственно в лавине коронного разряда, могут покинуть эту область из-за длинных остаточных колебаний достаточно большого напряжения на электродах источника ионизации после его срабатывания. В ходе проведения экспериментов установлено, что амплитуда спектрометрического сигнала является линейной функцией от количества импульсов разряда коронного источника за один такт измерения, что показано на рис.2.9. Это подтверждает тот факт, что режим работы источника ионизации соответствует линейной области, а не области насыщения. Таким образом, становится возможным плавная регулировка уровня образования ионов и соответственно уровня общего заряда на коллекторе ионного тока, что является важной особенностью при детектировании некоторых классов веществ в реальных условиях естественных загрязнений атмосферы.
