Введение к работе
Актуальность темы. Задачи современного промышленного производства предполагают широкое использование аварийно химически опасных веществ (АХОВ). Актуальным является также противодействие угрозам осуществления террористических актов с применением отравляющих веществ (ОВ). Указанные проблемы ставят задачу создания методов и разработки устройств оперативного обнаружения аварийно химически опасных веществ и отравляющих веществ (АХОВ и ОВ) в воздушной среде.
В настоящее время существуют методы обнаружения токсичных веществ в воздухе, основанные на различных физических принципах. Это масс-спектрометрия, газовая хроматография, фотоионизационные и твердотельные газоанализаторы. Часть указанных методов не позволяет сделать на их основе портативный прибор, другие - не обеспечивают достаточной оперативности или не решают задачи идентификации широкого перечня веществ. В последние годы все более широкое развитие приобретает спектрометрия ионной подвижности, реализующая одновременно функции оперативного обнаружения и идентификации веществ. Приборы на ее основе считаются самым перспективным и универсальным классом портативных приборов.
Принцип действия приборов, обнаруживающих следы веществ методом спектрометрии ионной подвижности, заключается в отборе газовой пробы из воздушной среды или с поверхности с последующим испарением, ионизации содержащихся в пробе молекул, измерении подвижности образовавшихся ионов и распознавании критически важных веществ в составе анализируемой пробы.
Спектрометрия ионной подвижности и приборы на ее основе реализуют измерения в двух режимах: обнаружение отрицательно заряженных ионов (взрывчатые вещества) или положительно заряженных ионов (наркотические вещества). При обнаружении аварийно химически опасных и отравляющих веществ возникает необходимость одновременного детектирования соединений, часть из которых образует положительные ионы, другие - образуют отрицательные ионы.
Спектрометры ионной подвижности работают в условиях изменяющейся температуры, давления, влажности и состава окружающего воздуха. Часть из этих параметров стабилизируется внутри прибора, изменение других учитывается при обработке данных измерений. Повышение точности и достоверности результатов обнаружения достигается периодической калибровкой приборов. Быстрая
автоматизированная калибровка в приборах, ориентированных на оперативное обнаружение веществ, обеспечивает непрерывность анализа состава воздуха.
К настоящему времени отсутствует универсальная методика проведения испытаний спектрометров ионной подвижности по легколетучим веществам. Это связано с особенностями реализации приборов в зависимости от конкретной области применения и предпочтениями разработчиков. Базы данных подвижностей АХОВ и ОВ являются закрытой информацией и при этом содержат только ориентировочные значения, справедливые для конкретного прибора. Это определяет необходимость апробации каждого нового варианта реализации прибора и проведения испытаний по широкому классу веществ.
Проблемы спектрометрии ионной подвижности. Наилучшими параметрами среди выпускаемых в настоящее время портативных спектрометров для оперативного обнаружения обладает детектор MMTD, выпускаемый компанией Smiths Detection. Задача одновременного обнаружения положительных и отрицательных ионов в этом приборе решается с использованием двухканалыюй системы. Очевидным следствием данного подхода является существенное увеличение массы, габаритов и потребляемой мощности. Другим недостатком данного прибора (как и ряда приборов других производителей) является наличие в его составе радиоактивного источника ионизации, что критически ограничивает его использование. Возможным путем устранения указанных недостатков является реализация одноканальнои системы с быстрым переключением полярности детектируемых ионов и использование нерадиоактивного источника ионизации на основе импульсного коронного разряда.
Использование источника ионизации на основе импульсного коронного разряда задаёт конструктивные ограничения на размеры и форму электродов области ионизации. Необходимо определить распределение поля в камере ионизации для различных полярностей формируемых ионов и его влияние на величину заряда и трансформацию сгустка ионов при его движении. Также необходимо исследовать влияние неоднородностей электрического поля на транспорт ионов в дрейфовой области и конструктивные параметры области дрейфа.
Большинство портативных спектрометров используют способ калибровки, основанный на вводе в газовую пробу молекул вещества-калибранта из внутреннего или внешнего источника. Встроенные системы непрерывной калибровки требуют обслуживания и регулярного пополнения запаса вещества, добавляемого в пробу. Постоянное
присутствие ионов калибранта при детектировании ограничивает параметры прибора по чувствительности. Для портативного устройства, ориентированного на оперативное обнаружение веществ, очевидна необходимость в реализации способа и встроенного узла, обеспечивающих быструю автоматизированную импульсную калибровку спектрометра, минимизирующую расход калибрующего вещества.
Разработанные технические решения по ионному источнику и калибранту требуют апробации. Для широкого круга веществ необходимо провести исследование пределов обнаружения, чувствительности к веществам различного строения, возможности количественного определения, совместного обнаружения веществ.
Практическая реализация системы управления нерадиоактивным источником ионизации с переключаемой полярностью и узла автоматической калибровки спектрометра позволит существенно улучшить эксплуатационные характеристики прибора для оперативного обнаружения токсичных веществ в воздушной среде.
Целью диссертационной работы является проведение комплекса научных и практических работ, направленных на создание элементов системы управления портативного спектрометра ионной подвижности, ориентированного на оперативное обнаружение легколетучих АХОВ и ОВ в атмосфере окружающего воздуха.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка электрической модели областей ионизации и дрейфа ионов спектрометра ионной подвижности для минимизации влияния неоднородности электрического поля на дрейф ионов.
-
Проведение анализа процесса быстрого переключения между режимами работы спектрометра, разработка узла формирования импульсного коронного разряда для источника ионизации, моделирование его работы и усовершенствование схемотехнических решений.
-
Разработка оптимального способа калибровки спектрометра ионной подвижности. Разработка конструкции и системы управления встроенного в спектрометр узла калибровки. Проведение экспериментальной апробации узла калибровки.
-
Исследование методов экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности по легколетучим веществам для обоснования возможности оперативного обнаружения прибором АХОВ/ОВ. Создание базы данных подвижностей токсичных веществ.
Объектом реализации указанных исследований является портативный спектрометр ионной подвижности с источником ионизации на основе импульсного коронного разряда с быстрым электронным переключением между режимами работы, позволяющий анализировать состав окружающего воздуха в режиме реального времени, оснащенный интегрированной системой калибровки, со встроенной базой данных подвижностей аварийно химически опасных веществ.
Достоверность результатов подтверждается воспроизводимой технологией изготовления, воспроизводимыми электрическими параметрами ионного источника, параметрами обнаружения, применением общепринятых методик проведения экспериментов и согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, а также практикой использования разработанных узлов в производимых серийно спектрометрах ионной подвижности.
Научная новизна диссертации заключается в исследовании влияния неоднородностей поля в области дрейфа спектрометра ионной подвижности на транспорт ионов, способе реализации источника ионизации с электронным переключением между режимами работы, создании системы калибровки на основе коронного разряда, а также в предложенной методике апробации спектрометра ионной подвижности по аварийно химически опасным веществам. При этом получены следующие научные результаты:
-
Результаты анализа влияния неоднородностей электрического поля на транспорт ионов в дрейфовой области спектрометра ионной подвижности, что позволило обеспечить высокую однородность поля в области движения сгустка заряда и таким образом повысить разрешающую способность спектрометра ионной подвижности.
-
Новый способ управления источником ионизации на основе импульсного коронного разряда, отличающийся быстрым электронным переключением полярности напряжения на электродах разрядника. Это позволяет выбирать полярность детектируемых ионов при каждом измерении спектра и получить оперативное детектирование ионов обоих полярностей.
-
Способ оперативной калибровки спектрометра ионной подвижности, производящий калибровочное вещество при горении коронного разряда в воздушной среде. Данный способ калибровки имеет преимущества для применения в портативных спектрометрах.
-
Методика экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности по аварийно химически опасным веществам, позволяющая
организовать экспериментальную работу с легколетучими веществами и расширить аналитические возможности прибора.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
-
Реализована система управления и конструкция источника ионизации на основе импульсного коронного разряда, отличающегося возможностью быстрого электронного переключения между режимами работы с положительными и отрицательными ионами.
-
Реализована система калибровки спектрометра ионной подвижности, основанная на диффузии молекул вещества из твердой фазы, позволяющая создавать контролируемые концентрации паров широкого спектра целевых веществ.
-
Реализована система калибровки на основе коронного разряда, интегрированная в систему управления спектрометра ионной подвижности, обеспечивающая автоматическую калибровку за время менее 10 секунд.
-
Согласно предложенной методике, проведена экспериментальная апробация спектрометра по аварийно химически опасным и отравляющим веществам, установлена возможность их детектирования, особенности детектирования и определены пороги обнаружения веществ.
-
Существенно расширены эксплуатационные характеристики спектрометра ионной подвижности, способного достоверно определять присутствие в воздухе паров токсичных веществ на уровне, не превышающем 0.5 предельно допустимой концентрации воздуха рабочей зоны.
Проведен комплекс научных и практических работ, в результате которых был разработан и изготовлен спектрометр ионной подвижности с быстрой сменой режимов работы источника ионизации, улучшенным разрешением и встроенной системой автоматической калибровки, способный обнаруживать широкий круг АХОВ и ОВ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты исследований влияния неоднородностей поля в областях ионизации и дрейфа на транспорт ионов в дрейфовой трубке спектрометра ионной подвижности, позволившие спектрометру разделять ионы с подвижностями, отличающимися не более чем на 1% за счет повышения однородности электрического поля в области движения сгустка ионов.
-
Способ организации управления и конструкция источника ионизации на основе импульсного коронного разряда с быстрым электронным переключением между режимами работы, что дало оперативное обнаружение ионов обоих полярностей на одноканальном спектрометре.
-
Способ калибровки, конструкция и способ управления калибрантом на основе продуктов реакции, выделяющихся при работе коронного разряда в воздушной среде, обеспечивающие автоматизированную калибровку портативного спектрометра за время менее 10 секунд.
-
Методика экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности по легколетучим аварийно химически опасным веществам.
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 исследовании влияния неоднородностей поля на дрейф ионов в спектрометре, разработке и реализации системы калибровки на основе горения коронного разряда в воздушной среде, разработке схемы быстрого электронного переключения режимов работы источника ионизации. Автором проведены схемотехническое моделирование схемы формирования импульсного коронного разряда для источника ионизации молекул и схемы формирования импульсов высокого напряжения системы калибровки с целью оптимизации их работы. Автором также была проведена экспериментальная апробация разработанных узлов спектрометра.
Представленные исследования выполнялись на базе кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ 'МИФИ", ФГУП НЛП Дельта, ОАО НПО Химавтоматика (все - г.Москва) и ЗАО "Спецприбор" (г. Тула).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Научных сессиях МИФИ (2009-2012); на форуме "Технологии безопасности 2010"(Москва, Крокус Экспо, 2010г.); на международных конференциях International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering, Chisinau, Republic of Moldova, 2011; 21 International Conference on Ion Mobility Spectrometry, Orlando, Florida, USA 22-27 July 2012; 16th Annual Conference A1SEM, February 5-9 2013, Brescia, Italy.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, а также 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 121 страницу, включая 47 рисунков, 1 таблицу и 90 библиографических ссылок.
