автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Узлы и элементы управления спектрометра ионной подвижности для оперативного обнаружения аварийно химически опасных веществ

Зсг

щ

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ ВАЛЕРИИ КОНСТАНТИНОВИЧ

УЗЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор: сс-1

3 О МАЙ 2013

Москва - 2013 г.

005060254

НИЯУ МИФИ

Инв. № «06

ДСП| 20 (3> г.

005060254

Диссертация выполнена на кафедре микро- и наноэлектроники Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Беляков Владимир Васильевич, НИЯУ МИФИ, г. Москва

Официальные оппоненты:

Васильев Алексей Андреевич, доктор технических наук, начальник отдела НИЦ "Курчатовский институт"

Герасимчук Олег Анатольевич, кандидат технических наук, начальник отделения ФГУП "ВНИИА"

Ведущая организация:

ФГУП "ЦНИРТИ им. Академика А.И. Берга", г. Москва

Защита состоится // июня 2013 г. в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 НИЯУ МИФИ по адресу 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан « (£> » мая 2013 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета НИЯУ МИФИ, д.т.н., профессор

Скоробогатов П. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

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 одноканальной 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:

1. Разработка электрической модели областей ионизации и дрейфа ионов спектрометра ионной подвижности для минимизации влияния неоднородности электрического поля на дрейф ионов.

2. 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.

3. Разработка оптимального способа калибровки спектрометра ионной подвижности. Разработка конструкции и системы управления встроенного в спектрометр узла калибровки. Проведение экспериментальной апробации узла калибровки.

4. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

2. Реализована система калибровки спектрометра ионной подвижности, основанная на диффузии молекул вещества из твердой фазы, позволяющая создавать контролируемые концентрации паров широкого спектра целевых веществ.

3. Реализована система калибровки на основе коронного разряда, интегрированная в систему управления спектрометра ионной подвижности, обеспечивающая автоматическую калибровку за время менее 10 секунд.

4. 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.

5. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 1СМИФИ", ФГУП НПП 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, Chi$inäu, 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.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулирована актуальность данной работы, поставлены цели и задачи исследований, рассмотрена новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту. Представлен краткий обзор структуры диссертации.

Первая глава. В первой части рассмотрены задачи детектирования аварийно химически опасных веществ и отравляющих веществ (АХОВ и ОВ). Приведена классификация веществ по воздействию на организм человека. Рассмотрены основные чрезвычайные ситуации, связанные с выбросом АХОВ в атмосферу и связанные с ними особенности детектирования веществ.

Во второй части рассмотрены современные методы детектирования АХОВ, не относящиеся к методу спектрометрии ионной подвижности. Приведено краткое описание методов, проведен анализ целесообразности их применения в зависимости от типа чрезвычайной ситуации. В частности, рассмотрены тест-полоски из общевойскового комплекта химзащиты, фотоионизационные газоанализаторы, твердотельные датчики, электрохимические, термокаталитические, металлооксидные, полупроводниковые сенсоры и переносные газовые хроматографы.

В третьей части дана краткая характеристика современного состояния в области обнаружения следовых количеств веществ с помощью метода спектрометрии ионной подвижности. Показано, что спектрометры ионной подвижности могут получать достаточно полную информацию о составе примесей в газовой среде. Приведено описание конструкции спектрометра ионной подвижности (рис.1). Рассмотрены составные части спектрометра ионной подвижности и пояснен принцип детектирования.

Рис. 1. Структура спектрометра ионной подвижности.

9

В четвертой части проведен анализ параметров компактных спектрометров ионной подвижности зарубежного и отечественного производства, предназначенных для обнаружения АХОВ и ОВ. Отмечены их достоинства и недостатки. Приведено сравнение приборов по их возможностям обнаружения основных АХОВ и ОВ.

В заключении литературного обзора рассмотрены недостатки спектрометров ионной подвижности при обнаружении АХОВ и ОВ. Рассмотрены преимущества источника ионизации на основе коронного разряда, обусловлена необходимость его усовершенствования. Обоснована необходимость учета влияния неоднородностей электрического поля на движение сгустка ионов в спектрометре. Описаны используемые в серийных приборах системы калибровки, их достоинства и недостатки.

На основании проведенного анализа литературных данных сформулированы задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке элементов системы управления источником ионизации на основе импульсного коронного разряда, с быстрым электронным переключением полярности сигнала на электродах разрядника. Разряд формируется в четырех парах электродов с геометрией острие-острие, помещенных в камеру ионизации спектрометра, через которую проходит поток забираемой пробы.

В случае традиционно применяемого постоянно горящего коронного разряда возникает проблема, связанная со сроком службы разрядника. В результате постоянного горения образуются дефекты электродов, как следствие — изменяется их геометрия и параметры горения разряда. Ухудшается стабильность характеристик источника ионизации. С целью устранения указанных недостатков был предложен импульсный режим работы источника ионизации.

Источник ионизации на основе импульсного коронного разряда должен обладать определенным быстродействием, связанным с применением прибора для оперативного обнаружения веществ. Для обеспечения необходимого усреднения и получения надежных результатов обработки сигнала, спектрометр должен проводить не менее 10 измерений в секунду. Это означает, что накопление энергии и ее выделение на разрядном промежутке должны происходить за время, не превышающее ЮОмс. При этом переключение между режимами работы должно происходить при каждом цикле измерения спектрограммы.

Для переключения полярности сигнала на электродах источника ионизации была разработана схема формирования импульсного коронного разряда с управляемой полярностью (рис.2).

11 К2

+124 РОЛ ЕН

I->

лл

• -И-

Рис. 2. Структура формирователя коронного разряда с управляемой

полярностью.

Устройство включает емкостной накопитель энергии с индуктивной схемой накачки Ш, коммутаторы К1 и К2 входной и выходной цепей импульсного трансформатора Т1, обеспечивающие переключение полярности напряжения на разряднике Ш. При практической реализации устройства удалось исключить активный электронный коммутатор на высоковольтном выходе импульсного трансформатора и заменить его на диодно-конденсаторную структуру.

При этом произошло усложнение структуры управления источником коронного разряда, реализуемой сигналами микроконтроллера. Управляющие сигналы, в зависимости от полярности, позволяют осуществлять накопление энергии в конденсаторах и коммутировать один из них к первичной обмотке трансформатора. В разработашюй схеме реализован контроль напряжения на накопительном конденсаторе. Сигнал с делителя поступает на вход АЦП управляющего микроконтроллера.

Ют гая» ми>

Рис. 3. Напряжения на выходе трансформатора и на разрядном промежутке при формировании импульсного коронного разряда.

При электрическом моделировании работы схемы получены сигналы на выходе трансформатора и на разрядном промежутке, представленные на рис.3, из которых следует, что разработанная схема обеспечивает формирование условий пробоя разрядного промежутка. С учетом технологических ограничений используемых компонентов, моделирование показало значительный запас по напряжению пробоя в цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора.

В разработанной схеме осуществляется контроль напряжения на накопителе и тока, протекающего через электроды разрядника. Заряд, проходящий через разрядный промежуток, передается через оптопару и формирует эквивалентное изменение заряда на конденсаторе и соответствующего напряжения.

Таким образом, реализован выбор полярности при каждом срабатывании источника ионизации. Достигнуто снижение времени, затрачиваемого на переключение между режимами работы спектрометра, с нескольких минут, до одного цикла измерения спектрограммы, составляющего не более ЮОмс.

Третья глава посвящена моделированию электрических полей и траекторий движения заряженных частиц в областях ионизации и дрейфа спектрометра ионной подвижности. Моделирование осуществлялось с помощью программного обеспечения, основанного на решении системы уравнений Лапласа:

42<р = 0. (1)

Принцип расчета состоит в представлении участка дрейфовой области в виде резистивной структуры, образующей однородную область, и задании начальных значений потенциалов в соответствии с геометрическими размерами. Значения потенциалов для всех узлов вычисляются по закону Кирхгоффа, после чего происходит построение эквипотенциальных поверхностей.

Проведенное моделирование электрического поля вблизи разрядных электродов источника ионизации показывает, что полярпость напряжения между электродами разрядника существенно влияет на структуру электрического поля вблизи разрядного промежутка (рис.4) и потери заряда ионного сгустка. Левое изображение соответствует большему выходу заряда и предпочтительной полярности напряжения на разрядных электродах источника.

Рис. 4. Визуальная модель траекторий движения ионов вблизи разрядного промежутка источника ионизации для разных полярностей напряжения на электродах разрядника.

Источник ионов состоит из четырех пар платиновых электродов, расположенных на несущей диэлектрической подложке. Он генерирует сгусток заряженных частиц в форме диска, диаметром 5 мм и толщиной 1мм, регулируемой временем горения коронного разряда. Моделирование показывает, что при движении в поле электродной системы камеры ионизации происходит трансформация формы сгустка так, что на входе в электростатический затвор и дрейфовую область его диаметр составляет 10 мм. Визуальные модели траекторий движения ионов в камере ионизации и в дрейфовой области представлены на рисунке 5.

Рис.5. Визуальные модели траекторий движения ионов в разрезах камеры ионизации (слева) и дрейфовой области (справа).

Вдоль оси дрейфовой трубки продольно расположенными электродами с линейно изменяющимся потенциалом формируется однородное электрическое поле. Равномерность поля зависит от линейных размеров и взаимного расположения электродов. Неравномерность поля приводит к тому, что время пролета иона зависит от его расстояния до центральной оси трубки. Из-за неравномерности

поля ионы одного вещества прилетают на коллектор в разное время, то есть ухудшается разрешающая способность спектрометра ионной подвижности. Поэтому задача расчета стационарных полей и траекторий движения заряженных частиц в дрейфовой трубке является очень важной.

Электроды дрейфовой трубки выполняются из алюминия или нержавеющей стали в виде колец, формирующих цилиндрический канал транспортировки ионов диаметром от 10 до 30 мм. Определяющим в данной конструкции является ширина электродов и толщина диэлектрических прокладок между электродами, применяемых для формирования замкнутого герметичного объема. С целью минимизации возможности неконтролируемого накопления заряда на диэлектрических поверхностях и повышения однородности поля требуется минимизировать толщину прокладок, однако их уменьшение ограничено механической и электрической прочностью материала.

Для различных конфигураций ячейки определены времена пролета ионов при движении вдоль силовых линий электрического поля. Определены относительные превышения времени пролета для траекторий, не совпадающих с осью трубки. Полученные результаты позволили оценить влияние неоднородности поля в области дрейфа на разрешающую способность спектрометра ионной подвижности, а также внести изменения в параметры трубки с целью минимизации этого влияния.

Показано, что на расстоянии от стенки кольцевого электрода, большем, чем ширина электрода, неоднородность поля не превышает 1%. Определено соотношение геометрических параметров электродов для существующей трубки, позволившее добиться неоднородности поля, менее 1% в центральной области диаметром 10 мм. Это привело к улучшению разрешающей способности спектрометра по сравнению с применявшейся ранее конструкцией и позволило разделять ионы со значениями подвижности, отличающимися менее, чем на 1%. Экспериментальная апробация спектрометра с модифицированной дрейфовой областью приведена в главе 5.

В четвертой главе приведено описание разработанных систем калибровки спектрометра ионной подвижности.

В процессе калибровки осуществляется ввод в камеру ионизации газовой пробы, содержащей молекулы вещества-калибранта. Этому веществу на спектрограмме соответствует пик с заведомо известной подвижностью. При обработке спектра устанавливается соотношение между измеренным и эталонным значениями подвижности и определяется поправочный коэффициент.

Проведено исследование парогенератора, основанного на испарении вещества из твердой фазы и последующей диффузии молекул в газовом объеме. Производимый парогенератором поток вещества-калибранта выражается в массе вещества, транспортируемой за единицу времени. Этот параметр зависит от температуры нагрева источника, температуры и размеров области, в которой происходит процесс диффузии. Поток вещества М [г/с] на выходе источника описывается выражением:

М= Ы0-0-Н/Ь, (2)

где N0 — давление насыщенных паров вещества при заданной температуре нагрева, г/см3; Н сечение области диффузии, см2 и Ь - протяженность области в направлении диффузии, см; О - коэффициент диффузии, см2/с. Величины Н и Ь определяются геометрией экспериментального устройства.

При выходе из диффузионной области поток вещества-калибранта подвергается разбавлению газовым потоком, регулируемым в диапазоне от 50 до 500 см3/мин. Изменение степени разбавления позволяет создавать требуемую объемную концентрацию вещества (г/см3) в газовой пробе.

При работе парогенератора микроконтроллер формирует сигналы управления для трех нагревателей (образца, зопы диффузии и зоны разбавления) т газового насоса. Осуществляется контроль температуры указанных зон и параметров газа-разбавителя (потока, влажности). Блок-схема разработанного устройства представлена на рис. 6.

устройство

пробоотбора

Поток пробы

Калибровочное вещество

Зона разбавления

Зона диффузии

Диффузионный парогенератор

I

!

газовый насос

чистого

воздуха

камера ионизации спектрометра

ионной подвижности

ф

газовый насос

Рис.б. Блок-схема диффузионного парогенератора.

Гравиметрические исследования (анализ потери массы образца калибровочного вещества при длительной работе) показали, что поток

тринитротолуола на выходе источника при температуре 80°С соответствует величине 5-10"8 г/с. Это хорошо согласуется с расчетом по выражению (2) с использованием литературных данных для коэффициентов диффузии и давления насыщенных паров.

Разработанная система калибровки имеет время выхода на режим около 10 минут, что определяется необходимостью установления равновесного распределения температуры и концентрации в диффузионной области. Поэтому, несмотря на относительную простоту и возможность получения контролируемого сверхмалого количества вещества, данный способ калибровки имеет ограничения для применения в устройствах, предназначенных для оперативного обнаружения АХОВ.

Другим подходом к калибровке является получение вещества-калибранта в результате химических реакций. Например, в качестве калибровочных веществ можно использовать оксиды азота, образующиеся при горении коронного разряда в воздушной среде. При достаточной концентрации оксиды азота формируют основную часть ионного тока, так как имеют высокое сродство к электрону.

Возможным вариантом реализации схемы формирования разряда является использование импульсного источника коронного разряда, подобного описанному в главе 2. Однако, эксперименты показали, что за время короткого импульсного разряда такого источника не образуется достаточное для калибровки количество оксида азота, что потребовало разработки устройства, формирующего продолжительные импульсы коронного разряда со стабилизацией тока разряда.

Данное устройство (рис.7) можно разделить на следующие элементы: импульсный регулятор напряжения, резонансный автоколебательный генератор синусоидального сигнала, диодный умножитель, разрядник с механической системой позиционирования, датчик тока со схемой сравнения, обеспечивающий обратную связь и стабилизацию тока.

Управляющий широтноимпульсный сигнал формируется микроконтроллером. После фильтрации и преобразования он поступает в качестве аналогового управляющего сигнала на импульсный регулятор напряжения, выполненный па основе интегральной микросхемы. Напряжение с выхода импульсного регулятора подается в качестве питающего на резонансный автоколебательный генератор синусоидального сигнала. Рабочая частота колебаний составляет 40 кГц. Установившееся значение напряжения на первичной обмотке (112) прямо пропорционально напряжению питания генератора (Ш) и определяется соотношением:

и2=Ш-я/2. (3)

Синусоидальный сигнал с выхода повышающей обмотки трансформатора Т1 (амплитудой до 800 В) подается на двухкаскадный диодно-конденсаторный умножитель напряжения. На выходе генерируется высокое отрицательное напряжение, максимальное значение которого составляет 3200 В.

Через токоограничительные резисторы напряжение подается на разрядные электроды источника коронного разряда. Электродная система выполнена методом лазерной резки из тонкой листовой нержавеющей стали. Встроенные в канал пробоотбора электроды существенно упростили структуру и уменьшили размеры узла калибровки.

Ток коронного разряда после фильтрации поступает на элемент сравнения, формируя сигнал обратной связи. Разность сигналов с датчика тока и исходного управляющего сигнала используется для управления импульсным регулятором напряжения. Функционально данное устройство обеспечивает стабилизацию тока коронного разряда.

Особенностью разработанного устройства является возможность формирования как длинных, так и коротких импульсов корошюго разряда. Система была проверена при генерации импульсов с длительностями от десятков миллисекунд до непрерывного режима. Указанная характеристика, вместе с возможностью регулировки тока корошюго разряда, обеспечивает высокую гибкость управления калибратором.

В ходе экспериментальной апробации системы калибровки на макете спектрометра ионной подвижности получено сравнение спектрограмм веществ - диоксида азота и вещества-калибранта (рис.8).

Времяпролетные характеристики веществ совпадают. Из полученных результатов можно предположить, что образующееся в результате горения коронного разряда вещество является диоксидом азота. Подтверждение этого предположения может быть получено при использовании других методов газового анализа.

Пятая глава посвящена экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности с элементами, разработанными в рамках данной работы. В главе описывается методика экспериментальной апробации спектрометра по легколетучим веществам и представляются результаты детектирования наиболее распространенных веществ, появление которых возможно в результате аварий на производствах, выбросов, пожаров и других чрезвычайных ситуаций.

Схема испытаний на АХОВ и ОВ зависит от свойств исследуемого вещества. Для работы с особо опасными веществами (зарин, зоман, иприт, люизит, фосген, синильная кислота, Ух) требуются не только лицензии на их хранение и использование, но и специальные концентрационные камеры с вытяжкой, оснащенные сложной системой фильтров и т.п.

При проведении экспериментальной апробации данной работы для приготовления парогазовой смеси использовалась динамическая установка «Микрогаз-Ф». В качестве устройства пробоотбора использовалась система прямого непрерывного забора воздуха исследуемой атмосферы в камеру ионизации прибора, способная изменять

величину потока через источник ионизации в пределах от 50 до 450 см3/минуту. По причине того, что газовый насос спектрометра создает очень малое давление, прямой ввод пробы из динамической установки в спектрометр приводит к искажению результатов измерений. Поэтому при создании измерительного стенда потребовалось использование системы пневматического согласования потоков.

В ходе проведенных исследований была произведена оценка возможности обнаружения различных АХОВ и ОВ, в том числе совместного. По каждому веществу были определены его приведенная подвижность и возможный предел обнаружения, оценивался динамический диапазон обнаружения и возможность количественного определения вещества, а также влияние фона и мешающих соединений. Была исследована воспроизводимость результатов и инерционность отклика.

Одно из наиболее распространенных АХОВ — хлор, ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, с резким запахом. Па рис. 9 показана спектрограмма хлора.

У сг, к„ = 2,42 -----ф шс(СЬсЗшГДО/! ?Л2х1е-9</смЗ

С1(ОН) , К« = 2,19

I"*®5

л

1

5' -о-- 1

1 лм 1

- ....................1 3 .

» 25 ■50 3 5 £3

В}к-мил1>енфя, &к-

Рис.9. Спектрограмма С12, концентрация ЗД2-10"9 г/см3.

Пик хлора соответствует времени прилета 20,25 мс, при этом приведенная подвижность К0 = 2,41 см2В"1сЛ Имеется характерный второй пик с подвижностью К0 = 2.19 см2В"'с . Данное значение точно совпадает с литературными данными.

Анализ полученных результатов показал, что пик с подвижностью 2,19 не обеспечивает селективность обнаружения, так как пики с близкими значениями К0, отличающимися не более чем на 1.5%, присутствуют на спектрограммах 802 и НР. Пик с подвижностью 2,41 хорошо воспроизводим в интервале исследованных концентраций от

0,6-Ю"9 г/см3 до 2,8-10"8 г/см3. Минимальная из исследованных концентраций хлора в воздухе 0,6-10~9 г/см3 соответствует 0,6 ПДК воздуха рабочей зоны. При такой концентрации пик имеет достаточно большую амплитуду, что позволяет сделать вывод о возможности детектирования хлора при содержаниях на порядок ниже ПДК в воздухе рабочих помещений промышленного предприятия.

Важным является детектирование аварийно химически опасных веществ в присутствии мешающих факторов - ароматических добавок, естественных загрязнений, биологических выделений человека. Но особенно важным является совместное детектирование аварийно химически опасных веществ. Например, в ходе аварий на производстве может произойти выброс а нескольких АХОВ, соответственно прибор должен обеспечивать их одновременное обнаружение.

В ходе экспериментальной апробации было произведено смешивание двух веществ - диоксида серы и диоксида азота, в одном потоке. Полученная в этом случае спектрограмма для отрицательных ионов показана на оис. 10.

На приведенной спектрограмме одновременно присутствуют два явно выраженных пика веществ, один из которых соответствует сернистому ангидриду. Оксид азота также явно присутствует на спектрограмме, позволяя обеспечить уверенное обнаружение двух веществ одновременно. Подобная ситуация соответствует условиям реальной эксплуатации прибора.

Также в главе представлены результаты экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности по следующим АХОВ: N0,

■ ----------------.............-........................................

Е[кмн,1)ч1и|м.чс

Рис. 10. Спектрограмма 802 в присутствии Ы02.

N0* 802, ОТ, Н28, СН2С12, НС1, ЫН3.

Испытания по обнаружению имитаторов зарина, зомана, иприта проводились в химико-аналитической лаборатории ЗАО «СПЕЦПРИБОР» г.Тула.

В процессе испытаний трубка подачи анализируемого воздуха в камеру ионизации детектора подсоединялась к изолированному объёму, в котором создавались заранее известные концентрации имитаторов зарина, зомана и иприта. Измерения проводились в обоих режимах измерения (положительная и отрицательная полярность ионов).

В ходе испытаний были созданы концентрации имитатора зарина 3.8-10"6 мг/дм3 и 3.3-10"5 мг/дм3, имитатора зомана 1.2-10"6 мг/дм3, 1.1-10"5 мг/дм3, имитатора иприта 2.2Т0"3 мг/дм3. Спектрограмма имитатора иприта приведена на рис. 11:

Рис.11. Спектрограмма имитатора иприта в отрицательной полярности.

На спектре явно выделяются два пика с подвижностями К0 = 1.79 см^-'с', Ко = 1.33 см^-'с1.

Проведенные исследования по обнаружению аварийно химически опасных и отравляющих веществ, показали способность прибора обнаруживать широкий спектр легколетучих веществ. В ходе испытаний прибор продемонстрировал высокую точность обнаружения, чувствительность на уровне или превосходящую лучшие зарубежные аналоги, селективность, стабильность параметров обнаружения при загрязнении и мешающих факторах. Определены основные ионы контролируемых веществ, образующиеся в камере ионизации детектора и их подвижности. Выявлено, что спектрометр ионной подвиности может быть применен для экспресс-контроля в воздухе паров ОВ, в частности, зарина, зомана и иприта, при наличии в базе данных детектора необходимых характеристик ионов этих веществ.

Заключение Основной научный результат диссертации:

Существенное улучшение эксплуатационных характеристик спектрометра ионной подвижности за счет использования источника ионизации с быстрым переключением полярности электрода разрядника и встроенной системы быстрой импульсной калибровки. Основные теоретические результаты:

1. Определено влияние неоднородностей электрического поля на транспорт ионов в дрейфовой области спектрометра ионной подвижности, Минимизация влияния неоднородностей поля в области движения сгустка ионов позволила спектрометру разделять ионы с подвижностями, отличающимися не более чем на 1%.

2. Предложен способ управления источником ионизации с быстрым электронным переключением полярности, проведено моделирование конструкции, что дало возможность реализации одновременного оперативного обнаружения положительных и отрицательных ионов.

3. Создан оригинальный способ калибровки спектрометра ионной подвижности, генерирующий калибровочное вещество при горении коронного разряда в воздушной среде, позволивший существенно упростить конструкцию и повысить скорость работы калибратора.

4. Предложена методика экспериментальной апробации спектрометра ионной подвижности по легколетучим веществам.

Основной практический результат:

Разработан и изготовлен спектрометр ионной подвижности с быстрой сменой полярности обнаруживаемых ионов и встроенной системой автоматической калибровки, обеспечивающий оперативное обнаружение широкого круга АХОВ и ОВ. Частные практические результаты:

1. Реализована система управления и конструкция источника ионизации на основе импульсного коронного разряда, с возможностью быстрого электронного переключения между режимами работы.

2. Реализована система калибровки спектрометра ионной подвижности на диффузии молекул вещества из твердой фазы.

3. Реализована система калибровки на основе коронного разряда, интегрированная в систему управления спектрометра ионной подвижности, обеспечивающая автоматическую калибровку за время менее 10 секунд.

4. Проведена серия экспериментов с аварийно химически опасными и отравляющими веществами, позволившая установить возможность их детектирования, особенности детектирования и определить пороги обнаружения веществ.

5. 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.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Беляков В .В., Головин A.B., Васильев В.К. и др. Устройство для обнаружения следовых количеств взрывчатых веществ на пальцах человека и документах.//Датчики и системы 2009. № 7. С. 44-49.

2. Беляков В.В., Васильев В.К., Першенков B.C. Применение метода спектрометрии ионной подвижности в медицинской диагностике.//Датчики и системы 2010. №3. С. 57-61.

3. Васильев В. К., Беляков В. В., Першенков В. С. и др. Методы калибровки спектрометра ионной подвижности.//Датчики и системы 2011. №6. С. 12-17.

4. В. В. Беляков, Н. В. Варламов, В. К. Васильев и др. Использование источников рентгеновского, ультрафиолетового излучения и коронного разряда в спектрометрии ионной подвижности.//Ядерная физика и инжиниринг 2011. № 6. Том 2. С. 529-537.

5. A.B. Головин, В .В. Беляков, В.К. Васильев и др. Конструирование малогабаритного спектрометра ионной подвижности на основе технологии печатных плат.//Датчики и системы 2012. №11. С. 45-50.

Патенты РФ

1. Беляков В .В., Першенков B.C., Громов Е.А., Васильев В.К. Способ поджига коронного разряда в ионном источнике спектрометра ионной подвижности. Патент № 2439738.

Статьи и материалы конференций

1. Васильев В.К. Разработка устройств импульсного нагрева поверхности для анализа следовых количеств веществ спектрометром ионной подвижности.//Научная Сессия МИФИ-2009. Аннотации докладов. Т.2. С.77. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. Исследования материи в экстремальных состояниях. М.: МИФИ, 2009. - 280 с.

2. Васильев В.К. Исследование перераспределения заряда ионов в камерах ионизации и затвора спектрометра ионной подвижности .//Научная Сессия НИЯУ МИФИ-2010. Т.2. С.110. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. М.: НИЯУ МИФИ, 2010.

3. Васильев В.К. Способы калибровки спектрометров ионной подвижности в режиме обнаружения отрицательных ионов.//С.35, Программа - VIII Курчатовская молодежная научная школа 22-25 ноября 2010г.

4. В.К. Васильев, В.В. Беляков. Разработка источника ионизации на основе распыления жидкости в электрическом поле для спектрометра ионной подвижности.//Научная Сессия МИФИ-2011. Аннотации докладов. T.I. С.125. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.

5. Valery Vasiliev. Calibration Method for Ion Mobility Spectrometer // International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering , Chi§inau, Republic of Moldova, 2011.

6. Васильев В.К. Исследование чувствительности спектрометра ионной подвижности к АХОВ и ОВ.//Научная Сессия МИФИ-2012. Аннотации докладов. T.I. С.130. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2012.

7. A.V. Golovin, V.V. Belyakov, V.K. Vasilyev, Е.К. Malkin, E.A. Gromov, V.S. Pershenkov The sampling unit of ims device for detection of trace amount substances on human fingers and documents.//21 International Conference on Ion Mobility Spectrometry. July 22-27 2012. Orlando, Florida, USA.

8. V.K. Vasilyev, V.V. Belyakov, A.V. Golovin, E.A. Gromov, E.K.Malkin, V.S. Pershenkov The methods of air sample preparation during human breath detection by ion mobility spectrometry technique.//21 International Conference on Ion Mobility Spectrometry. July 22-27 2012. Orlando, Florida, USA.

9. N. Samotaev, A. Golovin, V. Vasilyev, E. Malkin, E. Gromov, U. Shaltaeva, A. Mironov, D. Lipatov IMS development at NRNU MEPHI.//16th Annual Conference AISEM. February 5-9 2013. Brescia, Italy.

Подписано в печать:

15.05.2013

Заказ № 8486 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru