Спосіб мас- спектрометричного визначення складу газової суміші

Номер патенту: 1197

Опубліковано: 30.12.1993

Автори: Качан Леонід Віталійович, Чеджемов Георг Хаджибатирович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Способ масс-спектрометрического определения состава газовой смеси, по которому осуществляют напуск исследуемой смеси в ионный источник в молекулярном режиме через диафрагму с отверстиями, разделение ионов по отношению массы к заряду и регистрацию масс-спектра, отличающийся тем, что интенсифицируют поток газа в ионный источник в начальный период напуска путем увеличения количества отверстий в диафрагме, многократно производят развертку масс-спектров, при регистрации масс-спектров дополнительно регистрируют время появления каждого пика, экстраполируют величины интенсивностей ионных токов каждого компонента к моменту напуска на основании зависимости величин потока каждого компонента при напуске от времени по закону:

где j - индекс компонента смеси, i - номер масс-спектра.

loj - величина ионного тока j-oгo компонента, соответствующего моменту пуска газа в ионный источник (А),

Ijti - величина ионного тока j-oгo компонента в момент времени tI (момент регистрации)(А),

е - основание натуральных логарифмов

Fj - проводимость отверстий диафрагмы для j-oгo компонента (м3/c),

при этом .

где Mj - массовое число атома (молекулы) соответствующего j-oгo компонента,

tI - время с момента пуска газа в ионный источник до момента регистрации ионного тока j-oro компонента 1-ого масс-спектра (с),

V - объем резервуара напуска (м3), и по величине средних ионных токов каждого компонента, соответствующих моменту напуска, судят о составе газовой смеси.

Текст

Изобретение относится к области аналитической химии и, в частности, к масс-спектрометрическому анализу состава газов. Изобретение может быть использовано там, где необходим чувствительный и точный контроль состава газа при его ограниченном количестве, идущем на анализ. Известна методика масс-спектрометрического анализа состава газовой смеси [1], согласно которой скорость газового потока должна оставаться постоянной на протяжении всего анализа, для чего используют достаточно большой объем резервуара напуска, например 10-литровый баллон, ограничивают время измерения, а количество газа, необходимое для анализа, порядка 2·10-1 м 3 Па. Известна также методика масс-спектрометрического анализа газов [2], по которой газ из резервуара напуска в виде молекулярного потока через диафрагму напуска поступает в источник ионов, где происходит ионизация атомов (молекул). Ионы, после ускорения в электрическом поле, направляются в виде тонкого пучка в поле анализатора и, после разделения по величине отношения их массы к заряду, раздельно регистрируются в виде спектра масс. По интенсивностям пиков, соответствующи х определенным компонентам вещества, используя коэффициенты чувствительности, определяют количественный состав вещества. По этой методике одним из требований, необходимым для осуществления удовлетворительного массспектрометрического анализа газов, является постоянство молекулярного потока газа в источник во время всего анализа. Так, для точности анализа до ±0,5% необходимо, чтобы изменение потока во время анализа не превышало 0,5%. Это без учета др уги х погрешностей, например погрешностей измерения ионных токов и т.п. Для обеспечения постоянства газового потока объем резервуара напуска делают большим, порядка 10 литров, а величину потока ограничивают небольшой величиной проводимости отверстия диафрагмы (одно отверстие диаметром 0,0025 см). Известный способ масс-спектрометрического анализа газовой смеси имеет следующие недостатки, предопределяемые необходимостью обеспечения постоянства потока газа из резервуара напуска в источник ионов: 1. Для анализа необходимо большое количество образца газа. 2. Для получения информации о составе газа используется только малая его часть, а большая выбрасывается. Так, например, для обеспечения точности анализа до 1 % только 1 % газа образца используется для получения информации. Так, действительно, повышение потока газа в источник ионов до величины ионного тока. необходимой для превышения шума (исходя из условий точности), требует увеличения проводимости отверстий диафрагмы (увеличения их числа), что, в свою очередь, требует, для соблюдения постоянства величины потока во время анализа (исходя из условий точности), увеличения объема резервуара напуска, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение необходимого количества образца газа для анализа. Таким образом, задачей изобретения является усовершенствование способа масс-спектрометрического определения состава газовой смеси посредством более полного ее использования, что приведет к уменьшению количества исследуемого газа, повышению чувствительности, точности и информативности. Решение поставленной задачи достигается тем, что интенсифицируют поток газа в ионный источник в начальный период напуска путем увеличения количества отверстий в диафрагме, многократно производят развертку масс-спектров, при регистрации масс-спектров дополнительно регистрируют время появления каждого пика, экстраполируют величины интенсивностей ионных токов каждого компонента к моменту напуска на основании зависимости величин потока каждого компонента при напуске во времени по закону: Fi tI loj = l j t i e v где j - индекс компонента смеси, i - номер масс-спектра. loj - величина ионного тока j-oгo компонента, соответствующего моменту пуска газа в ионный источник (А), Ijti - величина ионного тока j-oгo компонента в момент времени tI (момент регистрации)(А), е - основание натуральных логарифмов Fj - проводимость отверстий диафрагмы для j-oгo компонента (м 3/c), F M = F2 M2 = ... = Fj Mj = const при этом 1 1 . где Mj - массовое число атома (молекулы) соответствующего j-oгo компонента, tI - время с момента пуска газа в ионный источник до момента регистрации ионного тока j-oro компонента 1ого масс-спектра (с), V - объем резервуара напуска (м 3), и по величине средних ионных токов каждого компонента, соответствующи х моменту напуска, судят о составе газовой смеси. Изобретение будет понятно из следующего примера: анализируемый газ (смесь гелий-3 + неон-20) в количестве 3,95·10-2м 3 Па изрезервуара напуска объемом 1·10-3 м 3 молекулярным потоком через диафрагму напуска в виде золотой фольги толщиной 3·10-5 м с 48 отверстиями диаметром 6·10-6 м, подавался в ионный источник масс-спектрометра МХ1321. Многократно (6 раз) регистрировались масс-спектры с точной фиксацией времени появления каждого из пиков (каждой компоненты), прошедшего с момента пуска газа в ионный источник. Результаты приведены в таблице 1. Величины F/V, необходимые для экстраполяции, были найдены по спадам ионных токов компонент без F Mj применения развертки. Для гелия - 3 F/V = 3,8833·10-4 с-1 а для неона - 20 F/V·1,5640·10-4 с-1. Величина j и -4 -1 для гелия - 3 и для неона - 20 равна 6,7261·10 с . Результаты экстраполяции интенсивностей каждого из пиков (ионных токов, табл. 1) и результаты статистической обработки приведены в таблице 2. Таким образом было получено отношение ионного тока гелия - 3 к ионному току неона - 20, равное 7,2716. Для нахождения отношения парциальных давлений компонентов смеси необходимо это отношение умножить на коэффициент относительной чувстви тельности (КОЧ) масс-спектрометра для этих компонентов. Результаты этого анализа для наглядности представлены в виде графиков; для гелия - 3 на фиг. 1 и для неона - 20 на фиг. 2, где показано изменение интенсивности пиков (ионных токов) компонент в процессе напуска газа (при 6-ти развертках масс-спектра) и кривые экстраполяции интенсивности каждого из пиков к моменту пуска газа в ионный источник. Масштабы по оси времени для обоих графиков одни и те же. В реальном представлении графики должны быть совмещены, но из-за большого различия в интенсивностях пиков гелия - 3 и неона - 20 они приведены раздельно, при этом масштабы по оси интенсивности ионного тока взяты различными. Для контроля воспроизводимости и точности способа были проделаны в течение недели на массспектрометре МХ1321 анализы той же смеси гелий - 3 + неон - 20. В каждом эксперименте было использовано одно и то же количество смеси газа, равное 3,95·10-2 м 3 Па. Полученные отношения ионного тока гелия-3 к ионному току неона-20 и среднее значение приведены в таблице 3. Второй пример использования изобретения заключался в следующем: при том же объеме резервуара напуска, что и в первом примере, проводимость отверстий диафрагмы напуска (их число) была увеличена так, что для гелия - 3 F/V было равно 6,798·10-3 с-1 и для неона - 20 F/V 2,634·10-3 с-1. Газ (смесь гелий - 3 + неон 20) в количестве 6,59·10-3 м 3 Па (т.е. в 6 раз меньшем, чем в первом примере) подавался из резервуара напуска в ионный источник. Результаты анализа и экстраполяции интенсивностей каждого из пиков (ионных токов) компонентов и статистической обработки приведены в таблице 4. В результате получено отношение ионного тока гелия - 3 к ионному току неона - 20, равное 8,807. Газ был взят из другого баллона. Результаты этого анализа также представлены в виде графика на фиг. 3, где показано изменение интенсивности пиков (ионных токов) компонентов в процессе напуска газа (при 6-ти развертках масс-спектра) и кривые экстраполяции ионных токов гелия-3 и неона-20 к моменту пуска газа в ионный источник. Как видно из сравнения результатов первого и второго примеров анализа газов, при одном и том же объеме резервуара напуска увеличение проводимости отверстий диафрагмы в 17,51 раза позволило уменьшить количество газа для анализа в 6 раз при сохранении точности анализа. Преимущество предложенного способа может быть также понято из следующего сопоставления: в приведенных экспериментах при точности анализа примерно в 1% (включающей погрешности за счет самого масс-спектрометра, системы регистрации ионных токов и т.п.) для получения информации о составе газовой смеси полезно (информативно) использовано 42% и 87,4% гелия - 3 и 14,5% и 56% неона - 20, соответственно в первом и втором примере, от взятого для анализа количества газа, в то время как по прототипу при погрешности в 1% только за счет спада давления (без погрешности самих измерений) используется только 1% газа, а основная его часть (99%) выбрасывается. Использование изобретения позволяет проводить определения состава газовой смеси с высокой точностью при малых количествах газа, идущего на анализ.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Mass spectrum method for determination of gaseous mixture composition

Автори англійською

Chedzhemov Heorh Khadzhybatyrovych, Kachan Leonid Vitaliiovych

Назва патенту російською

Способ масс-спектрометрического определения состава газовой смеси

Автори російською

Чеджемов Георг Хаджибатирович, Качан Леонид Витальевич

МПК / Мітки

МПК: H01J 49/26

Мітки: спосіб, спектрометричного, мас, визначення, суміші, газової, складу

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/7-1197-sposib-mas-spektrometrichnogo-viznachennya-skladu-gazovo-sumishi.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб мас- спектрометричного визначення складу газової суміші</a>

Подібні патенти