СИП подборка из журнала Датчики и Системы 2009-2023

bration results // Thermosense XXVIII: Proc. of SPIE. —
Vol. 6205. — 2006. — 620503.
7. Вешкурцев Ю. М. Прикëаäной анаëиз характеристи÷еской
функöии сëу÷айных проöессов. — М.: Раäио и связü,
2003. — 204 с.
8. Вешкурцев Ю. М., Ионов А. Б. Характериоìетри÷еский ìетоä оöенивания спектраëüной пëотности // Оìский нау÷ный вестник. — 2005. — № 4. — С. 151—155.
9. Тимофеев Ю. М. Васильев А. В. Теорети÷еские основы атìосферной оптики. — СПб.: Наука, 2003. — 476 с.
Работа выполнена в Омском государственном техническом университете.
Борис Петрович Ионов — канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник;
(3812) 22-97-79
E-mail: rtusd@rol.ru
Антон Борисович Ионов — аспирант.
E-mail: antionov@mail.ru
УДК 681.785.235
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРОМЕТРА
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С ИСТОЧНИКОМ ИОНИЗАЦИИ
НА ОСНОВЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА
В. В. Беляков, А. В. Головин, В. С. Першенков
Провеäены иссëеäования спектроìетра ионной поäвижности с исто÷никоì ионизаöии на основе коронноãо разряäа. Разработана схеìа иìпуëüсноãо управëения исто÷никоì коронноãо разряäа. Рассìотрен ìеханизì ионизаöии, связанный с уëüтрафиоëетовыì изëу÷ениеì, испускаеìыì короной. Иссëеäовано вëияние вëажности на
работу спектроìетра.
Ключевые слова: спектрометр, ионная подвижность, коронный разряд, источник ионизации, ультрафиолетовое излучение.
ВВЕДЕНИЕ
Спектроìетрия ионной поäвижности преäставëяет собой ìетоä обнаружения и иäентификаöии сверхìаëых конöентраöий паров разëи÷ных
хиìи÷еских соеäинений, основанный на разäеëении ионов по критериþ поäвижности в сëабоì
эëектри÷ескоì поëе при атìосферноì äавëении
[1—3]. Метоä спектроìетрии ионной поäвижности øироко испоëüзуется äëя äетектирования
взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ. В настоящее вреìя провоäятся работы по приìенениþ ìетоäа спектроìетрии ионной поäвижности в ìеäиöине по обнаружениþ забоëеваний ÷еëовека, в
÷астности сахарноãо äиабета. Высокие характеристики по ÷увствитеëüности, äиапазону обнаруживаеìых веществ, а также простота испоëüзования открываþт переä äанной техноëоãией оãроìные перспективы по приìенениþ в таких
обëастях, как контроëü ка÷ества проäукöии, в
парфþìерной и ëакокрасо÷ной проìыøëенности, контроëü ка÷ества проäуктов питания, проìыøëенных ìатериаëов и т. п.
Приборы, основанные на ìетоäе спектроìетрии ионной поäвижности, серийно выпускаþтся
и в России, и за рубежоì. Оäниì из основных ÷астей базовой конструкöии приборов такоãо типа
явëяется исто÷ник ионизаöии. Он обеспе÷ивает
12
Sensors & Systems · ¹ 2.2009
образование ионов иссëеäуеìых веществ и опреäеëяет такие характеристики прибора, как режиì
работы (иìпуëüсный иëи непрерывный), тип образуеìых ионов, спектр обнаруживаеìых веществ. Дëя ионизаöии проб возäуха ìожет испоëüзоватüся раäиоактивное вещество, коронный
разряä, ëазер, уëüтрафиоëетовое иëи рентãеновское изëу÷ение. Но в äоступных на рынке приборах, таких как оте÷ественные äетекторы МО-2М,
Пиëот-М и зарубежные EVD-3500, Sabre 2000,
Vapor Tracer 2, Ion Scan испоëüзуется раäиоактивный исто÷ник ионизаöии Ni63. Несìотря на простоту изãотовëения, отсутствие потребëения ìощности и стабиëüностü характеристик у раäиоактивных исто÷ников ионизаöии, наибоëее ÷асто
испоëüзуеìых в настоящее вреìя, иìеþтся существенные неäостатки. Гëавные пробëеìы связаны с
необхоäиìостüþ аттестаöии преäприятия-изãотовитеëя на работу с раäиоактивныìи веществаìи,
пробëеìаìи транспортировки и утиëизаöии исто÷ников с раäиоактивныì ìатериаëоì. Да и саìо
сëово “раäиоактивностü” вызывает неãативнуþ
реакöиþ у потребитеëей, ÷то наëаãает опреäеëенные оãрани÷ения на ìассовое распространение
устройств такоãо типа.
Цеëü äанной работы состоит в иссëеäовании
спектроìетра ионный поäвижности с исто÷никоì
ионизаöии на основе коронноãо разряäа. Преиìущества такоãо ìетоäа ионизаöии закëþ÷аþтся в
низкой потребëяеìой ìощности в иìпуëüсноì
режиìе, возìожности поëу÷ения как поëожитеëüных, так и отриöатеëüных ионов иссëеäуеìых
веществ, простоте и низкой стоиìости изãотовëения, øирокоì спектре äетектируеìых веществ.
В то же вреìя пробëеìы стабиëüности коронноãо
разряäа и äоëãове÷ности эëектроäов, а также режиìы работы, необхоäиìые äëя обеспе÷ения оптиìаëüных характеристик по ÷увствитеëüности и
разреøаþщей способности, требуþт äопоëнитеëüных иссëеäований.
Провоäиìая в раìках этих иссëеäований äанная работа соäержит:
— рассìотрение принöипа работы и структуры
спектроìетра ионной поäвижности, на котороì
провоäиëисü экспериìентаëüные иссëеäования;
— описание схеìы управëения исто÷никоì
коронноãо разряäа;
— экспериìенты по изìенениþ вреìени протекания ионно-ìоëекуëярных реакöий с поìощüþ испоëüзования спеöиаëüных эëектростати÷еских затворов;
— рассìотрение ìеханизìа ионизаöии, связанноãо с вëияниеì уëüтрафиоëетовоãо изëу÷ения, испускаеìоãо короной;
— иссëеäование вëияния вëажности иссëеäуеìой пробы возäуха на ÷увствитеëüностü спектроìетра.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СПЕКТРОМЕТРА
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ С КОРОННЫМ
ИСТОЧНИКОМ ИОНИЗАЦИИ
Основныìи составëяþщиìи спектроìетра
ионной поäвижности явëяþтся спектроìетри÷еская я÷ейка, ãазовые систеìы забора пробы и форìирования потока äрейфовоãо ãаза и обрабатываþщий бëок со встроенной ЭВМ äëя обработки и
хранения äанных.
Исто÷ник ионизаöии на основе коронноãо
разряäа преäставëяет собой провоäящуþ поäëожку, называеìуþ вытаëкиваþщиì эëектроäоì, тоëщиной 1 ìì с распоëоженныìи на ней тонкиìи
острыìи эëектроäаìи, ìежäу которыìи при поäа÷е высокоãо напряжения образуется пëазìа коронноãо разряäа (рис. 1). Оãрани÷иваþщие сопротивëения Rоãр испоëüзуþтся äëя выравнивания тока ãорения короны.
Испоëüзуеìый в äанной работе исто÷ник ионизаöии функöионирует в иìпуëüсноì режиìе, в
резуëüтате ÷еãо образуþтся короткие сãустки ионов. Проöесс ионизаöии ìоëекуë äетектируеìоãо вещества иìеет äвухступен÷атый характер. На
первоì этапе происхоäит образование так называеìых “реактант-ионов”, возникаþщих в резуëüтате ионизаöии ìоëекуë возäуха пробы, и ÷асти÷ная ионизаöия äетектируеìых ìоëекуë. На второì
Рис. 1. Схематичное изображение источника ионизации на
основе коронного разряда
Рис. 2. Спектрометрическая ячейка спектрометра ионной подвижности с источником ионизации и электростатическими
затворами
этапе за с÷ет ион-ìоëекуëярноãо взаиìоäействия
реактант-ионы переäаþт свой заряä ìоëекуëаì
äетектируеìоãо вещества, т. е. иìеет ìесто хиìи÷еская ионизаöия при атìосферноì äавëении.
Конструктивно ионный исто÷ник установëен с
оäной стороны спектроìетри÷еской я÷ейки (рис. 2)
такиì образоì, ÷тобы пëоскостü провоäящей поäëожки быëа перпенäикуëярна оси äвижения ионов. На расстоянии 10 ìì от вытаëкиваþщеãо
эëектроäа ионноãо исто÷ника установëены äве затворные сетки из нержавеþщей стаëи с высокой
опти÷еской прозра÷ностüþ, отстоящие на 2 ìì
äруã от äруãа. Эти сетки выпоëняþт функöии управëяþщих эëектростати÷еских затворов.
Посëе прохожäения затворной обëасти ионный сãусток попаäает в äрейфовуþ обëастü с оäнороäныì эëектри÷ескиì поëеì и äвижется по
направëениþ к коëëектору, закрепëенноìу с äруãой стороны спектроìетри÷еской я÷ейки. Дëя
форìирования оäнороäноãо поëя в äрейфовой
обëасти приìеняþтся выравниваþщие провоäящие коëüöа с ëинейно изìеняþщиìися по äëине
трубки потенöиаëаìи. Испоëüзуется 12 аëþìиниевых охранных коëеö с внутренниì äиаìетроì
30 ìì, распоëоженных на расстоянии 1 ìì äруã от
äруãа и разäеëенных äиэëектри÷ескиìи упëотнитеëяìи. Разäеëение ионов по вреìени проëета ÷ерез äрейфовуþ обëастü возìожно потоìу, ÷то ион
кажäоãо вещества иìеет своþ характернуþ поäвижностü в сëабоì эëектри÷ескоì поëе. Проëетев
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2009
13
äрейфовуþ обëастü, ионы попаäаþт на коëëектор,
преäставëяþщий собой ìетаëëи÷еский äиск.
Прибëижаþщийся к коëëектору ионный сãусток
навоäит заряä на коëëекторе, ÷то привоäит к расøирениþ выхоäноãо иìпуëüса. Дëя устранения
äанноãо эффекта, оказываþщеãо неãативное вëияние на работу прибора, переä коëëектороì äетектора ионноãо тока установëена экранируþщая
(апертурная) сетка. Ионный ток с коëëектора усиëивается с поìощüþ спеöиаëüноãо усиëитеëя пикоаìперных иìпуëüсов и поступает на бëок обработки äанных. Спектр ионноãо тока характеризует
наëи÷ие в пробе возäуха ионов, а соответственно
и ìоëекуë, с äанныì вреìенеì проëета и поäвижностüþ.
УПРАВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКОМ
КОРОННОГО РАЗРЯДА
Исто÷ник ионизаöии на основе коронноãо
разряäа иìеет сëеäуþщие äостоинства:
— отсутствие раäиоактивных ìатериаëов;
— возìожностü ãенераöии как поëожитеëüных, так и отриöатеëüных ионов;
— простота и низкая стоиìостü в изãотовëении;
— низкая потребëяеìая ìощностü.
Корона (сëабото÷ный светящийся разряä) появëяется в окрестности острия, ãäе эëектри÷еское
поëе äостиãает веëи÷ины, äостато÷ной äëя зажиãания короны. Тоëüко в этой зоне происхоäит ионизаöия и ãаз светится. Дëя образования короны
спеöиаëüной систеìой управëения форìируется
высоковоëüтное напряжение, поступаþщее на острия эëектроäов коронноãо исто÷ника. Вторыì
эëектроäоì в äанной систеìе выступает провоäящая поäëожка — вытаëкиваþщий эëектроä. Вреìенная äиаãраììа работы коронноãо исто÷ника
Рис. 3. Временная диаграмма работы прибора (а); последовательность из k поджигающих импульсов за один цикл изменения (б)
14
Sensors & Systems · ¹ 2.2009
преäставëена на рис. 3. Систеìа управëения форìирует посëеäоватеëüностü из нескоëüких поäжиãаþщих иìпуëüсов äëя кажäоãо öикëа изìерения
(рис. 3, а). Возìожна реãуëировка äëитеëüности
поäа÷и высоковоëüтноãо сиãнаëа на острия исто÷ника ионизаöии Tã, вреìенноãо интерваëа ìежäу
такиìи иìпуëüсаìи Tп, а также изìенение ÷исëа
иìпуëüсов k за оäин öикë изìерения (рис. 3, б).
Изìеняя соответствуþщие вреìенные параìетры функöионирования исто÷ника ионизаöии,
ìожно äобитüся устой÷ивоãо ãорения коронноãо
разряäа, обеспе÷итü требуеìое вреìя еãо работы,
изìенитü коëи÷ество ãенерируеìых ионов, поëное иëи ÷асти÷ное запоëнение образовавøиìися
ионаìи каìеры ионизаöии за оäин öикë изìерения. Поäбороì äëитеëüностей Tã, Tп, а также ÷исëа иìпуëüсов в оäноì öикëе изìерения уäается
обеспе÷итü стабиëüностü поäжиãа и ãорения коронноãо разряäа. Кроìе тоãо, иìпуëüсный характер работы короны обеспе÷ивает äоëãове÷ностü
исто÷ника ионизаöии. Провеäенные экспериìенты показаëи, ÷то изнаøивание эëектроäов (изìенение форìы, появëение уãëубëений на поверхностях остриев) не набëþäаëосü при непрерывной
работе ионноãо исто÷ника в режиìе ìаксиìаëüной
ìощности в те÷ение 3 сут, ÷то эквиваëентно работе
прибора в иìпуëüсноì режиìе в те÷ение 2 ëет.
РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ
Обы÷но эëектростати÷ескиìи затвораìи оснащаþтся систеìы с исто÷никаìи ионизаöии, работаþщиìи в непрерывноì режиìе при испоëüзовании изотопа Ni63 иëи рентãеновскоãо изëу÷ения. Затворы позвоëяþт инжектироватü тонкие
сãустки ионов в обëастü äрейфа. Испоëüзование
иìпуëüсноãо исто÷ника ионизаöии, такоãо как
коронный разряä, в принöипе, позвоëяет искëþ÷итü эëектростати÷еские затворы из конструкöии
спектроìетра, так как ионы образуþтся тоëüко во
вреìя ãорения. Наëи÷ие äвух эëектростати÷еских
затворов и оäновреìенно исто÷ника ионизаöии,
работаþщеãо в иìпуëüсноì режиìе, явëяется
конструктивной особенностüþ äанноãо спектроìетра ионной поäвижности. Возìожно изìенение поëя E1 (сì. рис. 2) в обëасти ионизаöии
(ìежäу вытаëкиваþщиì эëектроäоì и затворной
сеткой 1) и поëя E2 в затворной обëасти (ìежäу
затворныìи сеткаìи 1 и 2), ÷то позвоëяет реãуëироватü вреìя протекания ионно-ìоëекуëярных
реакöий ìежäу реактант-ионаìи и ìоëекуëаìи
äетектируеìоãо вещества.
Ионы иссëеäуеìых веществ форìируþтся за
с÷ет ион-ìоëекуëярноãо хиìи÷ескоãо взаиìоäействия в обëасти ионизаöии ìежäу вытаëкиваþщиì эëектроäоì и первой затворной сеткой.
Посëе протекания ионно-ìоëекуëярных реакöий
ионы иссëеäуеìых веществ инжектируþтся в затворнуþ обëастü. Инжекöия происхоäит за с÷ет
тоãо, ÷то потенöиаë, приëоженный к вытаëкиваþщеìу эëектроäу, становится боëüøе, ÷еì потенöиаë, приëоженный к первой затворной сетке. Такиì образоì, в обëасти ионизаöии возникает
эëектри÷еское поëе, вытаëкиваþщее ионы в затворнуþ обëастü. Операöия реãуëирования эëектри÷еских поëей ìежäу вытаëкиваþщиì эëектроäоì и затворной сеткой 1 (E1) и ìежäу затворныìи
сеткаìи (E2) выпоëняет äве заäа÷и. Во-первых,
позвоëяет реãуëироватü вреìя протекания ионно-ìоëекуëярных реакöий в каìере ионизаöии,
äавая возìожностü ионаì попастü из обëасти ионизаöии в äрейфовуþ обëастü с опреäеëенной заäержкой. А во-вторых, обеспе÷ивает возìожностü
инжекöии в обëастü äрейфа тонкоãо ионноãо
сãустка, ÷то существенно увеëи÷ивает разреøаþщуþ способностü прибора.
Эффективностü работы эëектростати÷еских
затворов зависит от режиìа их работы, ÷то обеспе÷ивается соответствуþщей эëектронной систеìой управëения. Во вреìя вкëþ÷ения прибора
происхоäит установëение на÷аëüных потенöиаëов
на эëектростати÷еских затворах. Усëовно обозна÷иì потенöиаë первой затворной сетки как Uс1, а
потенöиаë вытаëкиваþщеãо эëектроäа — как Uв.
Работа затворов во вреìя оäноãо öикëа изìерения разäеëяется на 7 посëеäоватеëüных фаз
(рис. 4).
Фаза 1. Вкëþ÷ение поëя E1 в обëасти ионизаöии, ÷то соответствует поäãотовке к на÷аëу
öикëа изìерения. Конеö этой фазы соответствует ìоìенту поäжиãа коронноãо разряäа, т. е.
на÷аëу этапа ионизаöии пространства окоëо
вытаëкиваþщеãо эëектроäа и образованиþ
ионов.
Фаза 2. Во вреìя äействия этой фазы не происхоäит изìенения в направëении иëи веëи÷ине поëей в обëасти ионизаöии и затворной
обëасти. Поä äействиеì поëя E1 происхоäит
äвижение образовавøихся в проöессе ионизаöии ионов от вытаëкиваþщеãо эëектроäа в
сторону затворной обëасти.
Фаза 3. Потенöиаë первой затворной сетки
становится равныì потенöиаëу вытаëкиваþщеãо эëектроäа (Uс1 = Uв). Поëе в обëасти ионизаöии становится равныì нуëþ, ионы останавëиваþтся. В остановивøеìся сãустке происхоäят ионно-ìоëекуëярные реакöии ìежäу
ìоëекуëаìи иссëеäуеìоãо вещества и образовавøиìися в проöессе ионизаöии реактант-ионаìи. Чувствитеëüностü спектроìетра
ìожно повыситü с поìощüþ увеëи÷ения äëитеëüности этой фазы за с÷ет боëее поëной переäа÷и заряäа от реактант-ионов к ìоëекуëаì
иссëеäуеìоãо вещества.
Фаза 4. Проäвижение сãустка к затворной обëасти.
Рис. 4. Распределение полей в камере ионизации и затворной
области во время функционирования электростатических
затворов
Фаза 5. Этап инжекöии ионов в äрейфовуþ
обëастü, коãäа поä äействиеì поëя E1 в каìере
ионизаöии и поëя E2 в затворной обëасти ионы инжектируþтся в äрейфовуþ каìеру. При
этоì с поìощüþ второãо эëектростати÷ескоãо
затвора ìожно “отрезатü” тонкий сãусток ионов, ÷то существенно увеëи÷ивает разреøение спектроìетра.
Фаза 6. Направëение поëя E2 ìеняется на противопоëожное, такиì образоì эëектростати÷еский затвор закрывается. Оставøиеся в каìере ионизаöии ионы поä äействиеì поëя E1
äвиãаþтся к затворной сетке 1 и захватываþтся на ней.
Фаза 7. Состояние затворов восстанавëивается
в исхоäное состояние. Поëе в обëасти ионизаöии отсутствует, в затворной обëасти äействует запираþщее поëе E2. Систеìа поäãотовëена
к сëеäуþщеìу öикëу изìерения.
Привеäенная схеìа управëения эëектростати÷ескиìи затвораìи позвоëяет увеëи÷иватü иëи
уìенüøатü äëитеëüностü протекания ионно-ìоëекуëярных реакöий, варüироватü ÷исëо ионов,
попаäаþщих в äрейфовуþ каìеру и, в коне÷ноì
итоãе, на коëëектор. Все это открывает возìожностü уëу÷øения характеристик спектроìетра по
÷увствитеëüности и разреøаþщей способности.
При увеëи÷ении äëитеëüности фазы 3 из-за увеëи÷ения вреìени протекания ион-ìоëекуëярных
реакöий происхоäит боëее поëная перека÷ка заряäа от реактант-ионов на ìоëекуëы äетектируеìых веществ, иìеþщих боëüøее сроäство к протону (в сëу÷ае поëожитеëüной ìоäы) иëи к эëектрону (в сëу÷ае отриöатеëüной ìоäы).
На рис. 5 привеäены ионные спектры äëя сëу÷ая поëожитеëüной ìоäы при нуëевой äëитеëüности фазы 3 и при äëитеëüности фазы 3, равной
1 ìс. Остановка ионноãо сãустка на 1 ìс привоäиëа
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2009
15
Рис. 5. Влияние длительности фазы 3 на ионный спектр для
положительной моды
к возрастаниþ пика äетектируеìоãо вещества за
с÷ет увеëи÷ения вреìени хиìи÷еской ионизаöии.
Кроìе тоãо, происхоäиëо не впоëне объясниìое
увеëи÷ение поëноãо заряäа реактант-ионов. Все
это способствует увеëи÷ениþ ÷увствитеëüности
спектроìетра.
ИОНИЗАЦИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ, ИСПУСКАЕМЫМ КОРОНОЙ
При ãорении коронноãо разряäа вокруã эëектроäов набëþäается характерное сине-фиоëетовое све÷ение. Поэтоìу поìиìо образования ионов в пëазìе непосреäственно окоëо острия возìожна ионизаöия ìоëекуë в резуëüтате äействия
уëüтрафиоëетовоãо изëу÷ения. Эта ионизаöия
ìожет происхоäитü на относитеëüно боëüøоì
расстоянии от ìеста форìирования разряäа. Дëя
иссëеäования ионизаöии уëüтрафиоëетовыì изëу÷ениеì ìежäу вытаëкиваþщиì эëектроäоì и
затворной сеткой 1 быëа установëена защитная
сетка (рис. 6).
На защитнуþ сетку поäаваëся потенöиаë такоãо уровня и поëярности, при котороì ионы из
пëазìы коронноãо разряäа не ìоãëи попастü в обëастü ионизаöии. При работе в поëожитеëüной
ìоäе созäаваëся барüер äëя прохожäения поëожитеëüных ионов, а при работе в отриöатеëüной ìоäе — отриöатеëüных. Такиì образоì, образование
ионов в обëасти ионизаöии быëо возìожно тоëüко бëаãоäаря возäействиþ уëüтрафиоëетовоãо изëу÷ения короны.
Особенностüþ äанной конструкöии явëяется
увеëи÷ение расстояния от коронноãо исто÷ника
äо обëасти ионизаöии на 3,6 ìì. Это связано с необхоäиìостüþ установки защитной сетки ìежäу
обëастüþ ионизаöии и вытаëкиваþщиì эëектроäоì, изоëяöии äëя преäотвращения пробоев и
обеспе÷ения ãерìети÷ности систеìы. Ионные
спектры ëабораторноãо возäуха в обы÷ной систеìе и с установëенной защитной сеткой привеäены
на рис. 7.
16
Sensors & Systems · ¹ 2.2009
Из рис. 7 виäно, ÷то структура, ÷исëо и распоëожение пиков не изìениëосü с установкой защитной сетки. Набëþäается ëиøü уìенüøение
поëноãо заряäа, образуþщеãося при ионизаöии.
Экспериìенты с взрыв÷атыìи веществаìи äаëи
то÷но такой же резуëüтат — неизìенная форìа
спектров реактант-ионов и äетектируеìоãо вещества при уìенüøении поëноãо заряäа ионов.
Уìенüøение поëноãо заряäа ìожет бытü связано
с конструктивныìи особенностяìи испоëüзуеìой
спектроìетри÷еской я÷ейки. Увеëи÷ение расстояния от обëасти све÷ения (ãорения короны) äо
обëасти ионизаöии на 3,6 ìì (äаëüнейøее уìенüøение этоãо расстояния связано с ÷исто техни÷ескиìи пробëеìаìи) привоäит к боëüøеìу поãëощениþ уëüтрафиоëетовоãо изëу÷ения и ìенее
эффективной ионизаöии ìоëекуë пробы. Кроìе
тоãо, в экспериìентах поëностüþ искëþ÷аëосü
возäействие ионов саìоãо коронноãо разряäа. Дëя
тоãо ÷тобы коëи÷ественно оöенитü вкëаä обоих ìеханизìов ионизаöии, необхоäиìо провеäение äопоëнитеëüных экспериìентаëüных иссëеäований.
Теì не ìенее, поëу÷енные резуëüтаты позвоëяþт сäеëатü вывоä, ÷то вкëаä уëüтрафиоëетовоãо изëу÷ения, испускаеìоãо коронныì разряäоì,
ìожет бытü весüìа существенныì. Возìожно
Рис. 6. Спектрометрическая ячейка с защитной сеткой между
выталкивающим электродом и областью ионизации
Рис. 7. Ионные спектры лабораторного воздуха с установленной защитной сеткой (кривая 1) и без нее (кривая 2)
функöионирование прибора с испоëüзованиеì
тоëüко ионизаöии уëüтрафиоëетовыì изëу÷ениеì.
Уìенüøение поëноãо заряäа реактант-ионов ìожет бытü скоìпенсировано оптиìизаöией конструкöии обëасти ионизаöии и увеëи÷ениеì ìощности ãорения коронноãо разряäа.
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Вëажностü окружаþщеãо возäуха, откуäа происхоäит забор пробы, оказывает вëияние на ток
коронноãо разряäа и, соответственно, на созäаваеìуþ конöентраöиþ ионов. В саìоì разряäе
ìожно выäеëитü äве обëасти: обëастü ионизаöии
(собственно корону) и внеøнþþ обëастü. При
увеëи÷ении вëажности происхоäят äва проöесса,
противопоëожно вëияþщие на ток разряäа: в саìой короне увеëи÷ивается коëи÷ество ионов
(и ток äоëжен возрастатü), во внеøней обëасти
при увеëи÷ении вëажности на ионы наëипает
боëüøее коëи÷ество ìоëекуë воäы, уìенüøая теì
саìыì их поäвижностü (и ток äоëжен уìенüøатüся). Кроìе тоãо, ìоëекуëы воäы активно
поãëощаþт уëüтрафиоëетовое изëу÷ение от ëавины коронноãо разряäа, существенно уìенüøая
обëастü ионизаöии и, соответственно, коëи÷ество
образовавøихся реактант-ионов. Иссëеäования
вëияния вëажности возäуха в каìере ионизаöии с
коронныì разряäоì на степенü ионизаöии пробы
провоäиëисü на спектроìетре с присоеäиненной
к еãо вхоäной ÷асти систеìой контроëя и реãуëирования вëажности поступаþщеãо возäуха. Потенöиаëы на затворных сетках спектроìетра поääерживаëисü такиì образоì, ÷тобы они явëяëисü
прозра÷ныìи äëя ионов и не препятствоваëи их
проäвижениþ к коëëектору. Зависиìостü поëноãо
заряäа на коëëекторе от вëажности в каìере ионизаöии преäставëена на рис. 8.
Из поëу÷енной зависиìости виäно, ÷то вëажностü возäуха в каìере ионизаöии при испоëüзовании исто÷ника ионизаöии на основе коронноãо
разряäа не оказывает существенноãо вëияния на
проöесс образования ионов при вëажности возäуха
äо 85 %. При вëажности возäуха 85 % происхоäит
уìенüøение на 10 % поëноãо заряäа реактант-
ионов. Дëя поëноãо ис÷езновения заряäа ионов
во вхоäное отверстие прибора äоëжен поступатü
воäяной пар. В сиëу этоãо при работе приборов
äанноãо кëасса в реãионах с высокой относитеëüной вëажностüþ буäет набëþäатüся уìенüøение
веëи÷ины поëноãо заряäа и аìпëитуäы пиков.
При этоì возникнет незна÷итеëüное ухуäøение
÷увствитеëüности и разреøаþщей способности.
Уëу÷øение конструкöии вхоäной ÷асти прибора и
обëасти ионизаöии, в ÷астности, созäание потоков сухоãо возäуха в этих обëастях, ìожет есëи не
реøитü пробëеìу поëностüþ, то существенно ìиниìизироватü вëияние äанноãо фактора на характеристики спектроìетра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В резуëüтате иссëеäования спектроìетра ионной поäвижности с коронныì исто÷никоì ионизаöии поëу÷ены сëеäуþщие резуëüтаты.
Разработана систеìа управëения исто÷никоì
коронноãо разряäа, позвоëивøая обеспе÷итü
стабиëüностü поäжиãа и ãорения коронноãо
разряäа, а также äоëãове÷ностü исто÷ника ионизаöии.
Испоëüзование управëяеìых эëектростати÷еских затворов äаëо возìожностü реãуëироватü
вреìя ион-ìоëекуëярных реакöий и форìироватü тонкие ионные сãустки, т. е. увеëи÷итü
÷увствитеëüностü и разреøаþщуþ способностü спектроìетра.
Показано, ÷то уëüтрафиоëетовое изëу÷ение,
испускаеìое коронныì разряäоì, вносит существенный вкëаä в ионизаöиþ ìоëекуë пробы. Возìожно созäание спектроìетра, ãäе ионизаöия буäет осуществëятüся тоëüко уëüтрафиоëетовыì изëу÷ениеì короны.
Иссëеäовано вëияние вëажности на функöионирование спектроìетра. Показано, ÷то äо
85 % вëажности окружаþщеãо возäуха характеристики прибора изìеняþтся незна÷итеëüно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Carr T. W. Plasma Chromatography. — New York: Plenum
Press, 1984.
2. Eiceman G. A., Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry. — CRC
Press, Boca Raton, 1993.
3. Tabrizchi M., Abedi A. A novel electron source for negative ion
mobility spectrometry // International Journal of Mass Spectrometry. — 2002. — Vol. 218. — P. 75—85.
Работа выполнена на кафедре микро- и наноэлектроники Московского инженерно-физического института.
Владимир Васильевич Беляков — канд. техн. наук, доцент;
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Анатолий Владимирович Головин — аспирант;
E-mail: avgolovin@bk.ru
Вячеслав Сергеевич Першенков — д-р техн. наук, зав. кафедрой.
Рис. 8. Зависимость суммарного заряда на коллекторе от относительной влажности в камере ионизации
(495) 324-01-84
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2009
17
УДК 662.1/.4:623.459.5
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПАЛЬЦАХ ЧЕЛОВЕКА
И ДОКУМЕНТАХ
В. В. Беляков, А. В. Головин, В. К. Васильев, Д. В. Кушнерук,
В. С. Першенков, М. М. Тихонов
Описано устройство äëя обнаружения уëüтраìаëых (сëеäовых) коëи÷еств взрыв÷атых веществ на паëüöах ÷еëовека и äокуìентах с испоëüзованиеì ìетоäа спектроскопии ионной поäвижности. Проанаëизированы способы
наãрева иссëеäуеìой поверхности äëя увеëи÷ения ÷увствитеëüности устройства. Разработана конструкöия пробоотборноãо устройства с испоëüзованиеì äëя наãрева иìпуëüсной ãазоразряäной ëаìпы. Привеäены экспериìентаëüные резуëüтаты по обнаружениþ сëеäовых коëи÷еств трех виäов взрыв÷атых веществ.
Ключевые слова: спектрометрия ионной подвижности, обнаружение следовых количеств веществ, подогрев поверхности излучением импульсной газоразрядной лампы, взрывчатые вещества.
ВВЕДЕНИЕ
Уãроза терроризìа требует разработки соответствуþщих техни÷еских реøений äëя преäотвращения поäãотовки террористи÷еских актов и
при провеäении соответствуþщих контроëüнорозыскных ìероприятий. Дëя этих öеëей пункты
контроëя, установëенные в аэропортах, жеëезноäорожных вокзаëах, портовых и таìоженных
терìинаëах, äоëжны бытü оснащены высоко÷увствитеëüныì оборуäованиеì, реаãируþщеì на
сверхìаëые конöентраöии взрыв÷атых веществ.
Поìиìо стаöионарных пунктов контроëя, äетекторы ìоãут бытü испоëüзованы в оперативной работе äëя обнаружения сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых веществ на преäìетах (крыøка баãажника,
руëü управëения автоìобиëеì и т. п.) и äокуìентах, к которыì прикасаëся террорист. Техни÷еские среäства контроëя äаþт объективнуþ оöенку
при обсëеäовании объекта и äопоëнитеëüно с испоëüзованиеì спеöиаëüно обу÷енных собак увеëи÷иваþт вероятностü обнаружения тщатеëüно
заìаскированных взрыв÷атых веществ. Даже вакууìно-запе÷атанные пакеты с взрыв÷атыìи веществаìи буäут обнаружены прибороì, поскоëüку неизбежно соäержат на своей поверхности остато÷ное коëи÷ество вещества, созäаþщее окоëо
поверхности пакета конöентраöиþ ìоëекуë поряäка 1 ppt. То же ìожно сказатü и о паëüöах ÷еëовека, работавøеãо с взрыв÷атыì веществоì: äаже тщатеëüное ìытüе рук не устраняет еãо сëеäовые коëи÷ества.
В настоящее вреìя выпускаþтся портативные переносные приборы äëя обнаружения ìаëых
конöентраöий взрыв÷атых веществ. Это приборы
Поëет-М, М0-2М, Vapor Tracer, Ionscan-100,
Quantum Sniffer и äр. Боëüøинство известных
портативных приборов основаны на испоëüзовании ìетоäа спектроскопии ионной поäвижности
44
Sensors & Systems · ¹ 7.2009
(Ion Mobility Spectroscopy — IMS). В “Технопарке
Москворе÷üе” при Московскоì инженерно-физи÷ескоì институте (МИФИ) разработан спектроìетр “Эëнос”, основу котороãо составëяет IMS
спектроìетри÷еская я÷ейка [1-2]. Прибор по своиì техни÷ескиì характеристикаì, ÷увствитеëüности, избиратеëüности, ãабаритаì и энерãопотребëениþ нахоäится на уровне известных ìировых образöов. В то же вреìя разработка МИФИ
иìеет преиìущества переä известныìи анаëоãаìи, так как не испоëüзует исто÷ник раäиоактивноãо изëу÷ения [3]. Это позвоëяет существенно
расøиритü обëастü испоëüзования прибора.
Цеëü настоящей работы состоит в описании
пробоотборноãо устройства äëя обнаружения сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых веществ на паëüöах
÷еëовека и äокуìентах, преäставëяþщеãо собой
приставку к спектроìетру “Эëнос”.
НАГРЕВ ИССЛЕДУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Моëекуëы äетектируеìоãо вещества ìоãут
уäаëятüся как непосреäственно с паëüöев, так и с
проìежуто÷ноãо носитеëя, на котороì оставëяется отпе÷аток. В обоих сëу÷аях äëя повыøения эффективности обнаружения необхоäиì поäоãрев
иссëеäуеìой поверхности, так как äавëение насыщенных паров у ряäа взрыв÷атых веществ
о÷енü ìаëо.
Поäоãрев поверхности ìожет осуществëятüся
нескоëüкиìи способаìи:
— потокоì поäоãретоãо ãаза, направëенныì
на поверхностü;
— переäа÷ей тепëа от наãретоãо теëа к поверхности посреäствоì тепëопровоäности ÷ерез возäуøный зазор иëи путеì пряìоãо контакта;
— направëенныì потокоì инфракрасноãо иëи
äруãоãо виäа изëу÷ения, поãëощаеìоãо ìатериа-
ëоì анаëизируеìой поверхности (раäиаöионныì
способоì).
Рассìотриì приìер разоãрева поверхности
пëастика (типовой сëу÷ай — поëистироë) потокоì наãретоãо возäуха. Пустü за 5 с требуется разоãретü поверхностü пëощаäüþ 10 сì2 äо теìпературы 70 °C при коìнатной теìпературе 20 °C.
Гëубина проникновения тепëовоãо фронта в поëистироë за 5 с составит 0,8 ìì. Дëя разоãрева
этоãо сëоя на 50 °C (от коìнатной äо требуеìой
теìпературы) потребуется окоëо 60 Дж тепëовой
энерãии. Пустü поток возäуха, переносящеãо эту
энерãиþ, первона÷аëüно наãрет äо 200 °C и охëажäается äо 70 °C в резуëüтате взаиìоäействия с поверхностüþ. Дëя переноса 60 Дж на поверхностü
за 5 с требуется 300 сì3 наãретоãо возäуха (0,4 ã).
За это вреìя в анаëизатор попаäет тоëüко 25 сì3
(при типовоì потоке забора пробы 300 сì3/ìин).
При этоì боëее 90 % испаренных с поверхности
ìоëекуë буäут унесены наãреваþщиì возäухоì и
не попаäут в анаëизатор. Дëя ìетаëëи÷еских поверхностей оöенки еще боëее пессиìисти÷еские
из-за высокой тепëопровоäности ìатериаëа поверхности. Кроìе тоãо, при испоëüзовании сиëüно наãретоãо возäуха возникаþт пробëеìы переãрева и поврежäения анаëизируеìой поверхности.
Наãрев переäа÷ей тепëа от наãретоãо теëа к поверхности посреäствоì тепëопровоäности ÷ерез
возäуøный зазор иìеет ìаëуþ эффективностü
из-за низкой тепëопровоäности возäуха. Переäа÷а
60 Дж тепëовой энерãии за 5 с на поверхностü
10 сì2 ÷ерез возäуøный зазор 1 ìì реаëизуется
при теìпературе наãреватеëя, на 500 °C превыøаþщей теìпературу наãреваеìой поверхности.
Вìесте с конструктивныìи пробëеìаìи при реаëизаöии такоãо ìетоäа поäоãрева возникаþт оãрани÷ения безопасности персонаëа, возìожности
переãрева анаëизируеìой поверхности, сãорания
пыëи на поверхности наãреватеëя и äр.
Раäиаöионный разоãрев не вызывает зна÷итеëüноãо возìущения возäуøной среäы окоëо
анаëизируеìой поверхности. Кроìе этоãо, раäиаöионный разоãрев ìожет осуществëятüся äистанöионно. Испоëüзование ìеханизìа наãрева поверхности непрерывныì изëу÷ениеì äëя усëовий,
привеäенных в преäыäущеì приìере, потребует
разоãрева изëу÷аþщей поверхности äо 400 °C, ÷то,
о÷евиäно, иìеет существенные оãрани÷ения, схоäные со сëу÷аеì наãрева за с÷ет тепëопровоäности
возäуøноãо зазора.
Эффективностü поверхностноãо раäиаöионноãо разоãрева ìожет бытü существенно повыøена при испоëüзовании иìпуëüсноãо режиìа. Такой поäхоä, наприìер, испоëüзуется в ìикроэëектронноì произвоäстве äëя иìпуëüсноãо отжиãа
äефектов на поверхности поëупровоäниковых
пëастин. Исто÷никоì такоãо изëу÷ения ìоãут
сëужитü иìпуëüсные ãазоразряäные ëаìпы, траäиöионно испоëüзуеìые в фототехнике и ëазерной технике. При оäино÷ноì иìпуëüсе с высокой
ìãновенной ìощностüþ ìожно осуществитü разоãрев тонкоãо приповерхностноãо сëоя на äостато÷но боëüøой поверхности за äоëи иëи еäиниöы
ìиëëисекунä. Эффективностü такоãо разоãрева
наìноãо превыøает анаëоãи÷ные параìетры при
приìенении непрерывноãо раäиаöионноãо разоãрева, так как тепëовой фронт в поверхности объекта за вреìя возäействия прохоäит незна÷итеëüное расстояние, при этоì тонкий приповерхностный сëой ìожет бытü разоãрет äо äостато÷но
высокой теìпературы, обеспе÷иваþщей ускорение испарения сëеäовых веществ, нахоäящихся на
поверхности. Наприìер, при разоãреве поверхности поëистироëа иìпуëüсоì изëу÷ения äëитеëüностüþ 1 ìс тепëовой фронт за вреìя возäействия пройäет на ãëубину всеãо 11 ìкì, ÷то
при поãëощенной энерãии 1 Дж разоãреет поверхностü пëощаäüþ 10 сì2 боëее ÷еì на 60 °C.
Привеäенная оöенка быëа поëожена в основу
созäания устройства äëя обнаружения остато÷ных
коëи÷еств взрыв÷атых веществ на руках ÷еëовека
и äокуìентах. Анаëоãи÷ные разработки, основанные на тоì же физи÷ескоì принöипе, описаны в
работах [4—6].
Иìпуëüсные ãазоразряäные ëаìпы испускаþт
свет в øирокоì äиапазоне äëин воëн от уëüтрафиоëета (160...380 нì) äо бëизкой инфракрасной
обëасти (2,5 ìкì), оãрани÷иваясü пропусканиеì
ìатериаëа баëëона. Эффективностü преобразования эëектри÷еской ìощности в опти÷еское изëу÷ение (200...1100 нì) äëя ìощных иìпуëüсных ãазоразряäных ëаìп составëяет окоëо 50 %. В общеì сëу÷ае эффективностü растет с увеëи÷ениеì
пëотности тока и äавëения ãаза в ëаìпе. Ксеноновые ëаìпы конвертируþт вхоäнуþ эëектри÷ескуþ ìощностü прибëизитеëüно на 10 % боëее эффективно, ÷еì криптоновые.
Степенü наãрева существенно зависит от поãëощения изëу÷ения иссëеäуеìой поверхностüþ.
Опти÷еские свойства поãëощения в обëасти виäиìоãо света äëя ткани ÷еëовека опреäеëяþтся поãëощениеì света ãеìоãëобиноì (Hb и HbO2) и ìеëаниноì (рис. 1). В поверхностных сëоях кожи
преиìущественно поãëощение иäет в ìеëанине —
пиãìенте кори÷невоãо и ÷ерноãо öвета, опреäеëяþщеãо окраску кожных покровов, воëос, раäужной обоëо÷ки ãëаз.
Как правиëо, соäержание ìеëанина на коже
ëаäоней ÷еëовека невеëико (приìер — беëые ëаäони теìнокожих ëþäей), поэтоìу сëеäует ожиäатü, ÷то изëу÷ение иìпуëüсной ëаìпы буäет поãëощатüся в äостато÷но тоëстоì сëое (äоëи иëи
еäиниöы ìиëëиìетров), а не в поверхностноì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 7.2009
45
Коэффиöиент поãëощения µ, сì–1
106
105
4
10
Коëëаãен
Протеин
103
Меëанин
102
Hb
101
HbO2
ПРОБООТБОРНОЕ УСТРОЙСТВО
0
10
Воäа
0,1
0,3
Дëина воëны λ, ìкì
3
10
Рис. 1. Спектр оптического поглощения ткани человека [7]
сëое, ãäе сорбируþтся ìоëекуëы äетектируеìых
взрыв÷атых веществ. Поэтоìу разоãрев рук ÷еëовека непосреäственныì изëу÷ениеì ãазоразряäных ëаìп иìеет низкуþ эффективностü.
Боëее эффективен наãрев поверхности кожи
рук ÷еëовека терìи÷ескиì способоì при контакте
паëüöев ÷еëовека с наãреваеìой поверхностüþ.
Дëя этоãо созäается иìпуëüсный сет÷атый ìетаëëи÷еский наãреватеëü с ìаëыì øаãоì сетки, наприìер 0,5 ìì, и опти÷еской прозра÷ностüþ 50 %.
Иссëеäуеìая на сëеäовые коëи÷ества веществ
поверхностü паëüöа прижиìается к такой сетке.
В разрабатываеìоì приборе сетка наãревается
иìпуëüсоì изëу÷ения ãазоразряäной ëаìпы и
контактно переäает тепëо коже паëüöев ÷еëовека.
Опти÷еская прозра÷ностü сетки обеспе÷ивает эффективный отвоä проäуктов испарения с иссëеäуеìой поверхности. Естественно, наãрев ìетаëëи÷еской сетки ìожет осуществëятüся иìпуëüсоì
тока без испоëüзования ãазоразряäной ëаìпы.
По существу, в äанной работе äëя разоãрева паëüöев испоëüзуется коìбинированный поäхоä, коãäа сетка наãревается изëу÷ениеì ãазоразряäной
ëаìпы, а сетка наãревает поверхностü прижиìаеìоãо к ней паëüöа.
Проìежуто÷ные носитеëи отпе÷атков и äокуìенты иäентификаöии ëи÷ности, как правиëо,
выпоëняþтся из пëотной окраøенной буìаãи.
Дëя такоãо ìатериаëа отражение света не превыøает 50 %, а поãëощение при прохожäении оäноãо ëиста — äо 80 %. Это соответствует поëноìу
выäеëениþ в ëисте (обы÷но, тоëщиной 0,125 ìì)
äо 40 % энерãии паäаþщеãо света. При поãëощенной энерãии 10 Дж у÷асток ëиста буìаãи пëотностüþ 150 ã/ì2 и пëощаäüþ 10 сì2 разоãреется боëее ÷еì на 60 °C. Есëи эффективностü ãенераöии
света ëаìпой составëяет 25 %, то äëя привеäенноãо приìера потребуется эëектри÷еская энерãия
вспыøки 100 Дж. Данный параìетр нахоäится в
46
обëасти рабо÷их режиìов øирокой ноìенкëатуры ãазоразряäных ëаìп. Поãëощение света в пëастике обëожек, как показываþт оöенки, поäобно
поãëощениþ в буìаãе иëи боëее эффективно (за
искëþ÷ениеì прозра÷ных обëожек). Такиì образоì, испоëüзование изëу÷ения иìпуëüсной ãазоразряäной ëаìпы позвоëяет поëу÷итü высокуþ
эффективностü при наãреве поверхности äокуìентов.
Sensors & Systems · ¹ 7.2009
Структурная схеìа пробоотборноãо устройства äëя обнаружения сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых веществ на паëüöах ÷еëовека и äокуìентах
с отпе÷аткаìи паëüöев привеäена на рис. 2. Иссëеäуеìый объект поìещается на вхоäнуþ поверхностü, выпоëненнуþ в виäе сетки с высокой прозра÷ностüþ и ìаëой тепëоеìкостüþ. Посëе разìещения иссëеäуеìоãо объекта на вхоäной сетке
иниöиируется вспыøка иìпуëüсных ëаìп, привоäящая к быстроìу разоãреву поверхности иссëеäуеìоãо объекта и испарениþ ÷астиö вещества.
Проäукты испарения по ãазовоìу канаëу транспортируþтся потокоì возäуха в спектроìетр ионной поäвижности. Сиãнаë о разìещении объекта
на сетке ìожет бытü поëу÷ен с испоëüзованиеì
опти÷еских иëи еìкостных äат÷иков. Отражатеëü
испоëüзуется äëя увеëи÷ения ìощности потока
изëу÷ения, направëяеìоãо от ëаìп на иссëеäуеìый объект.
Дëя обеспе÷ения эффективной работы устройства необхоäиì поäоãрев всеãо тракта транспортировки ìоëекуë от ìеста испарения äо вхоäа
в спектроìетри÷ескуþ я÷ейку. Это связано с осажäениеì ìоëекуë на стенки тракта во вреìя их äвижения. В пробоотборноì устройстве реаëизована
разäеëüная систеìа стабиëизаöии теìпературы в
трех посëеäоватеëüных зонах транспортировки:
180 °C — в обëасти ввоäа пробы; 150 °C — в об-
Рис. 2. Структурная схема пробоотборного устройства с
импульсным радиационным разогревом исследуемой поверхности
ëасти ãазовоãо канаëа; 120 °C — в обëасти аäаптера,
преäназна÷енноãо äëя конструктивноãо сопряжения пробоотборноãо устройства с вхоäоì спектроìетра ионной поäвижности.
Проäукты испарения всëеäствие иìпуëüсноãо
характера возбужäения транспортируþтся с анаëизируеìой поверхности в виäе коìпактноãо
сãустка, поэтоìу в систеìе реаëизована проãраììная синхронизаöия работы иìпуëüсных ëаìп и
спектроìетри÷еских изìерений. Такиì образоì,
пробоотборное устройство конструктивно и проãраììно соãëасовано со спектроìетроì.
На рис. 3, а, показана конструкöия пробоотборноãо устройства, на котороì виäны три пëощаäки — окна äëя забора пробы. На эти пëощаäки ìоãут бытü поìещены три паëüöа, äокуìенты,
Рис. 4. Вид пробоотборного устройства, подсоединенного к
спектрометру ионной подвижности
перекрываþщие все три окна, иëи проìежуто÷ные носитеëи отпе÷атков в виäе саëфеток. Виä
сзаäи с ìехани÷ескиìи эëеìентаìи сопряжения
пробоотборноãо устройства со спектроìетроì
ионной поäвижности (канаë ввоäа пробы в спектроìетр, разъеìы управëения и питания) показан
на рис. 3, б.
На рис. 4 привеäена поëная сборка пробоотборноãо устройства и спектроìетра ионной поäвижности “Эëнос”. На этоì же рисунке показана
саëфетка, которая ìожет поìещатüся на вхоäные
пëощаäки забора пробы. Характеристики спектроìетра ионной поäвижности, испоëüзуеìоãо в
äанной работе, описаны в работе [1].
Технические характеристики
пробоотборного устройства
Периоä повторения изìерений, с . . . . . . . .
Стаöионарная потребëяеìая ìощностü, Вт .
Вреìя выхоäа на рабо÷ий режиì, ìин . . . .
Мощностü в проöессе выхоäа на режиì, Вт
Иìпуëüсная ìощностü, Дж . . . . . . . . . . . . .
Вреìя энерãовыäеëения, ìс . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.5
. 10
. 15
. 25
. 25
. 50
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Рис. 3. Пробоотборное устройство:
а — виä спереäи; б — виä сзаäи
Испытания устройства провоäиëисü на взрывобезопасных анаëоãах наибоëее распространенных взрыв÷атых веществ: TNT (тринитротоëуоë),
ãексоãен и ТЭН (тетранитропентаэритрит). Дëя
поëу÷ения сверхìаëых конöентраöий иссëеäуеìые вещества растворяëисü в жиäкой среäе (орãани÷ескоì растворитеëе). Исхоäя из веса иссëеäуеìоãо вещества, поäбираëосü опреäеëенное соотноøение раствориìоãо вещества и растворитеëя,
÷то позвоëяëо поëу÷итü сверхìаëые конöентраöии иссëеäуеìых веществ в растворе — поряäка
0,1 нã/ìкë. Даëее капëя раствора ìикроøприöоì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 7.2009
47
наносиëасü на ìетаëëи÷ескуþ фоëüãу, ãäе посëе
испарения растворитеëя оставаëосü иссëеäуеìое
вещество в сëеäовых коëи÷ествах. Данная проба
саëфеткой переносиëасü на вхоäные сетки устройства.
На рис. 5 показаны ионные спектры анаëоãов
взрыв÷атых веществ ТНТ, ãексоãена и ТЭН.
Спектроãраììа ТНТ (рис. 5, а) иìеет оäин явно выраженный пик. Особенностü реãистраöии
этоãо вещества состоит в тоì, ÷то поëожение пика
нахоäится в обëасти, ãäе ëокаëизован пик ìоëо÷ной кисëоты, выäеëяеìой рукаìи ÷еëовека. Этот
факт ìожет вызватü ëожное срабатывание прибора. Оäнако разреøаþщая способностü спектроìетра позвоëяет наäежно выäеëитü наëи÷ие
взрыв÷атоãо вещества типа ТНТ на фоне запаха
÷еëовека. Поëу÷ено, ÷то пороã устой÷ивоãо обнаружения, при котороì обеспе÷ивается отсутствие
ëожных срабатываний, составëяет 100 пã (пикоãраìì). Привеäенная веëи÷ины поäвижности äëя
ТНТ оказаëасü равной 1,5 сì2/В•с, ÷то совпаäает
с äанныìи работы [8].
Спектроãраììа ãексоãена (рис. 5, б) иìеет äва
характерных пика, распоëоженных правее пика
ТНТ. Поэтоìу ãексоãен ëеãко иäентифиöируется
систеìой обработки äанных спектроìетра. Давëение насыщенных паров ãексоãена на поряäок
ìенüøе äавëения паров ТНТ, оäнако разработанное устройство, всëеäствие наãрева пробы, позвоëяет обеспе÷итü отсутствие ëожных срабатываний
при реãистраöии ãексоãена впëотü äо 200 пã.
Спектроãраììа ТЭН (рис. 5, в) характеризуется треìя пикаìи, распоëоженныìи правее пиков ãексоãена. Иäентификаöия этоãо вещества не
преäставëяет особоãо труäа. Пороã ÷увствитеëüности ТЭН составëяет 80 пã.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В разработанноì устройстве äëя обнаружения
сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых веществ на паëüöах ÷еëовека и äокуìентах äëя наãрева иссëеäуеìых поверхностей испоëüзуется иìпуëüсная ãазоразряäная ëаìпа. Устройство конструктивно и
проãраììно соãëасовано с разработанныì в “Технопарке Москворе÷üе” МИФИ спектроìетроì
“Эëнос”. Провеäенные испытания показаëи возìожностü эффективноãо обнаружения сëеäовых
коëи÷еств взрыв÷атых веществ ТНТ, ãексоãена и
ТЭН на уровне 100; 200 и 80 пã соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
Рис. 5. Спектрограммы ТНТ (а), гексогена (б) и ТЭН (в)
48
Sensors & Systems · ¹ 7.2009
1. Pershenkov V. S., Tremasov A. D., Belyakov V. V., et al. X-ray
ion mobility spectrometer // Microelectronics Reliability. —
2006. — Vol. 46, N 2—4. — P. 641—644.
2. Беляков В., Головин А., Кушнерук Д. и äр. Портативный
прибор äëя обнаружения сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых
веществ // Chi p News. — 2007. — № 4. — С. 40—41.
3. Беляков В. В., Головин А. В., Першенков В. С. Экспериìентаëüные иссëеäования спектроìетра ионной поäвижности
с исто÷никоì ионизаöии на основе коронноãо разряäа //
Дат÷ики и систеìы. — 2009. — № 2. — С. 12—17.
4. Apparatus for the Detection of Airborne Low Volatility Vapors,
Patent No. US 4.772.794, Date of Patent: Sep.20, 1988.
5. Flash Vapor Sampling for a Trace Chemical Detector, Patent
No. US 7.098.672 B2, Date of Patent: Aug.29, 2006.
6. Pulsed Vapor Desorber, Patent No. US 7.244.288 B2, Date of
Patent: Jul.17, 2007.
7. Vogel and Venugopalan. Chem. Rev. 103(4):577-644, 2003.
8. Eiceman G. A., Kapras Z. Ion mobility spectrometry. — CRC
Press, 1993. — 228 p.
Работа выполнена на кафедре микро- и наноэлектроники Московского инженерно-физического института.
Владимир Васильевич Беляков — канд. техн. наук, доцент кафедры;
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Анатолий Владимирович Головин — аспирант;
E-mail: avgolovin@bk.ru
Валерий Константинович Васильев — студент;
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Денис Владимирович Кушнерук — инженер;
E-mail: dvk@mail.ru
Вячеслав Сергеевич Першенков — д-р техн. наук, зав. кафедрой;
(495) 324-01-84
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Вячеслав Сергеевич Тихонов — инженер.
E-mail: mixaluch@inbox.ru
ëинии-øтриха сетки на контур äетаëи и поãреøностü отс÷ета по ìикропаре при ëинейноì переìещении.
Дëя уäовëетворения потребности произвоäìестно. На сеãоäняøний äенü в произвоäстве ства в ìенее äороãоì и ãроìозäкоì автоìатизирозуванноì среäстве изìерения коëëективоì кафеäры
ется посреäствоì боëüøоãо инструìентаëüноãо, ìетроëоãии и станäартизаöии Московскоãо ãосууниверсаëüноãо изìеритеëüноãо и äвойноãо ìик- äарственноãо института эëектроники и ìатеìатироскопов. Все эти среäства изìерений выпоëнены ки быëа разработана изìеритеëüная систеìа, спопо оäной схеìе, в которуþ вхоäят осветитеëü, ос- собная с требуеìой то÷ностüþ заìенитü указаннование и преäìетный стоë с äвуìя кареткаìи на ные выøе ìикроскопы. Работа быëа наöеëена на
взаиìно-перпенäикуëярных направëяþщих. Каж- повыøение то÷ности и автоìатизаöии проöесса
äая каретка снабжена ëинейной øкаëой, отс÷ет- ëинейно-уãëовых изìерений путеì заìены ìикныì устройствоì иëи äат÷икоì переìещений. роскопов на устройства техни÷ескоãо зрения, по
Изìеряеìуþ äетаëü набëþäаþт в увеëи÷енноì уровнþ автоìатизаöии уäовëетворяþщих требовавиäе в ìикроскопе с окуëярной ãоëовкой. Пере- нияì совреìенных инфорìаöионных техноëоãий.
Резуëüтатоì преäпринятых äействий стаëа
ìещениеì кареток поäвоäят визирнуþ ëиниþ,
виäиìуþ в окуëяр, к поверхностяì, оãрани÷ива- разработанная изìеритеëüная систеìа äëя бесþщиì изìеряеìый разìер и фиксируþт показа- контактноãо контроëя ëинейно-уãëовых разìения по ìикроìетри÷ескиì винтаì (ìикропараì). ров, реаëизованная на базе сканера, äаëее — АРМ
Дëя изìерения уãëовых разìеров преäìетный (автоìатизированное рабо÷ее ìесто).
стоë снабжен äискоì со øкаëой, öена äеëения коУстройство АРМ, схеìати÷но привеäенное на
тороãо 1°. Основныìи поãреøностяìи, возника- третüей страниöе обëожки, явëяется эëектронныì
þщиìи при приìенении äанных среäств изìере- оптико-ìехани÷ескиì устройствоì, иìеþщиì
ний, явëяþтся поãреøностü навеäения визирной аппаратнуþ и проãраììнуþ ÷асти.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 7.2009
49
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
681.785.235.66.087
.
.
,
ä
ë
ë
ë
ì
.
.
ä
ë
ë
ì
ì ÷
ö
ì
.
ì
ì
ì
ä
ã
ë
÷
ã
ë
ë ÷-
.
:
,
,
,
-
.
ì
ì
ä
(
÷ ë ø
ö
ì
ì
ë ÷
ë ã ÷
ä ä
ä
.
÷
ö
ë
ë
ì
:
ã
ö
÷
÷
,
ì
.
ü
ä ë
ë
ä
:
÷
ì
ì
ë
ì
ö ëü þ ì ì
ë
ö
;
, ì þ
ä
ä
÷
ì
ì
ü
ì
ä
ö
ì
þ
ë - ë ìì
ë ÷ø
ì ë
ì
ë þ
þ
ö ,
ë ÷
÷
ëü
ã
, ÷
ëü
ö
,
ä
þ
ì
ì ã ã
ü ë
ö
ì
ä
.
ë
ä
÷
ì ë
ì
ì
ä
ì ë
ë ì ä
ä
ü .
ø
ö
ì
ä
ä
ì
ä
,
÷
ì
÷
ö
ë.
ä
ã
-
ë þ
ã
ì þ-
,
þ
ë ,
ëü ì äë
.
ì
ä
ì ä
ì
ã
ä ä
ë
ü
ì
ü
ä ì
÷
ì ì
.
ì
ü
ø ,
ä
ã
ì ã
ä
ã
ë
ä
ä
ì
ä
ë
ëüë
þ
ü
ì
ö
ì ì
,÷ ì
ã
ë ì ã
-
ìì
ì
ì ä ëü
ë
ä ëü
ä
ì
ø ã
÷
.
ã ì ä ë
ë
ü
ë ä
ì
ëü
ì
ä
ë
ëü
ì
ä
ì
ë
ì
ö
ë
,
-
ì
. 1.
äë
-
ë
-
ì
ã
ë
ã
.
ä ì -
÷
ë ÷
-
-
ì
÷
ã
-
ì
ë
ì
ä
ëü ì -
÷
ì
ì
ë
ëü
ë
ë
ã
ü ëü
ë
÷
, ì ä ë
ö .
ë
.
ë
ä ÷
ëü
ø
ëü
1
ä
ëü
ëü
ü
ì
.
ë
-
ä
ëü
ëü
ä ,
ä
ì
ì ä ëü.
ì ëü
ì
ì
÷ ÷ ã
ä
ä
ë ÷
ë
ã ë
ü
ö
ì
ã
ì
ì ì
ë ÷
ë
äë -
÷
ã
ë
ì
ë
ë
ë
ì
-ä
ë ì
ì
ä
ì
ë
ì ä ëü ÷
äë
ì
äë
ä ë
ö ëüþ
ë ä ì ë
.
ì
ì,
ä
ã
ë ÷
ä
,
ë
ö þ
ì
ä
äë
ë
ëü
ö
ä
ö
.
ö
-
ä
ì
ë
ëü
ã
ã
-
÷
ë ÷
ì
ëë
ã
ä ëü
ü
ë
ì
-
ì
ë
ä
ö ëü
ä
ì
ã ì ä ë .
ö
ã
ä
ë
ä
ä
ì
-
ì
ì
ì
ë äë ä
ë ÷
ä
ë ÷
þ
-
ì
)
ëü
ø
ëü
ø
ë
ä ÷
2
ì ä ëü
—
—
—
-
ä ø
. 1.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2010
53
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
ë
ëü
ë
þ
ä
ì
ü
ë
ö ä -
þ
ö þ, ä
äë
ë
ä
÷
äë
ãì
ö ,
ä
ì ë
ë,
ì
ä
ë .
ä
ì
÷
ì
ö ëü ã
ä
ì
ä.
ì
ì,
ã ë
ü ëü
ë
ö
ì
,
ã
÷
ã
ì
ì ã
ü ü
ëü
, ë
ì
ä , ä
ä ëü
ì ã
÷
ë
ì
ë ÷
ì.
ö
ì
ä
ì
ì
ã
ëþ÷
ä
ã ë
÷
ã
ë ,
ë ì
ì ëü
ã
ã
÷
.
ö
ë
ë ü äë
ëü
üþ
ë
ì ÷ ö
÷
,
ë
ì
ö
ì
ä
ë
ä
ì
ä.
ì ü äë
ö
ì
ã
÷
ã
ë
ì
ã
ä
ëü
. ë
ø
÷
ì ,
ì÷ ë
ä
ãë
ä ,
ëü
ëü
ì ë
ë
.
ì
÷
ä
ã
ë
ä
ä
ì
ì
ì
ë - ë
ë .
ì
ã
þ ì üì ã
üä
ë
ì
ö
ö
ë ä ì
.
ã
ë
ì ü ä ì
ë
þ
ö
þ
ì
ã
÷
.
ëü
ì
ì
ë
ä
ì ë
ä ÷
,
ë ä
ö
ì
ã
þì
, ë
.
ë ã ÷
ë
ä ÷
ë
ì
ã ë
ä
.
ë
ë ÷
ë
ë ã
ì ä
ë
ì ÷
ö
,
þ
ö ì
ì
ä
,
ì
ëü
ë
ì .
ä
÷ äë
ë
ä ë
ë ÷
.
ì
ì
ëü
ë øü
ä
ä
ëü
- ì ë
,
÷ ä
ì
ì
,
ä
ë
ë ä ì ì
. ë
ä
ì
ì üþ
ã
ì ì ä ë
ä
ø ë
ì ä
ä
ìø ã ì
ì
ì
.
ì
ì, ã
ì ë
ä
ã ë
ä
ä ëü
äë
ä
ì
ä
÷
ä
ì ø ã ì
,
ì
ì
ì
ä
ä ëü
ä
äë
ä ã
.
ö
ä
ä ëü
ä
ë
ä ,
ëþä þ
ä
ë
,
ë ü
ö ë ì
ì
ü
ä
ë
ì,
ì
ì
þ
ë
ã
.
ì
,
ä
ì
. 2,
ä ë ü
ì
ìø ã ì
0,5 ì
ì
ì
0,1 ì .
54
Sensors & Systems · ¹ 3.2010
18
16
14
NO•NO•O
N2
12
–
O•OH–
H2O•NO•NO–
ä
ì
10
ì ë
ä
þ
NO3–
8
H2O•NO•NO2–
NO•NO2•OH–
NO2–
–
O•O
2
2
6
4
H2O•N2O•OH–
N2•O2–
NO2•NO2–
2
0
25
26
27
28
29
30
ì ä
. 2.
40 °C
31 32
,ì
33
34
35
60 %,
30 %
ì
ä
ì
ëü
ã
ì
ä
ì ë
äë
ë
ä
ã
ì
,
ä ë
ä ì
ë
.
ì
ì
ë ü
ã
ìì ä ë
ä
ä
ì
ë ä ì ã
.
ä
ëü ì ì
ã
ä þì
,
ì üþ
ã
þ ã
ä
ë
ë
ë ä ÷
,
ë ÷
ëü
ä
ä
ë
ä
ì ë
ë ì
ã
ì
֓
.
ì
ä
÷
äë
ë
ä
ì ë
ì ÷
ö
ö
ì
ã
÷
ì .
ì
ì
ëü
ë øü ä
ä
ëü
- ì ë
,
ë þ
ì
ä ì ä
ì
ì
þ
ë ö
.
ìì ä ë
ì
ì
,
ë
ì
ä
ì ì
.
ì
ì
ã
ëþ÷
ä
ã
ë
÷
ã
ë
ì
÷
ì
ë ä
ëü
ë ÷ ì äë ëü
ì
ëþ÷
,
ü
ì
ì ì
ì
ö
ì
äë
ëü
ü
ë
ì ÷
ö
÷
ì.
ä ëü
ì ,
ë ÷
ë ÷äë
ëü
ëþ÷
ë ,
ä
þ
ë ä
ëü
,
ì
ã
ä ë
ä ì ä
ì
ì
ì
ì
ö .
ä ã ìì
þ ä
ì
ë
ì ÷
ö
ö
ì
ì
ì ö þ
ä
ö
.
.3
ä
ë
ö
60 °C,
ã
4
ä
-
ä
ë
ë
ë ÷
ì
ì
ì
<1 %
÷
ä 5
ä ì
ì
ì
30 %
ëü-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
.
ì ëü
ö
÷
ü
ì
ä
ä
ä ëþ
–
NO2
ä þ
ì ë ÷ ëüø
NO2•N O 2 (92 . . ì.).
ä
ì
ì
ì
ëü
ö
ö
:
0,01 ä 0,2 ÷ ö
ì ëë
ì
ö ë ã
ä
ã ä
.
ì
ì
,
ä
ë
2,3
ë
ì ë
ë
ì ü
ä
ä ã
ë
ä
ë
ä ,
ë ä þ ã
ä
ì
ë
ë øü 0,43
.
ö ä
ì ÷
ã
ì ä ì
ì ë
ë
ì
ì
ã ä ì
ì ë
ä
ì–12...+140 °C [1].
ëü ä
ì
ì
60 °C
ä
ë,
÷
ë ÷
.
ì
ì
ëü
ä
þ
,
÷ ä
ë
ëü
ì
ì
ö ì
ì
ü ì -
90
80
60
50
40
30
20
10
0
ä, %
80
70
60
6
11
ö
,ì
)
35
30
25
1ì
20
6ì
11 ì
15
10
5
H2O•NO•NO2– (94 . . ì.)
NO2•NO2– (92 . . ì.)
NO•NO2– (76 . . ì.)
NO•NO– (60 . . ì.)
H2O•O2– (50 . . ì.)
NO2– (46 . . ì.)
O2– (32 . . ì.)
90
1
ì
0
100
H2O•NO•NO2– (94 . . ì.)
NO2•NO2– (92 . . ì.)
NO•NO2– (76 . . ì.)
NO•NO– (60 . . ì.)
H2O•O2– (50 . . ì.)
NO2– (46 . . ì.)
O2– (32 . . ì.)
70
(46 . . ì.)
–
ã ä ì
100
ä, %
190 ì.
ãë ä
ä ì
ä ü, ÷
ëü
ë
ã
ã
÷
ä ëü
ä
ë
,
ä
äë
ì
ì ë
,
ì
0
10
20
ì ä
30
,ì
)
40
50
. 4.
<1%,
30 % ( )
( )
-
60 °C
ä ëü
50
40
ä ä
ë
30
20
6
ì
ä
ëü
ì ë ä ì
ö
ä
.
ë
ë ÷
ëüø þ ÷ ü
11
ö
,ì
)
35
1ì
30
6ì
11 ì
ì ë
ä
25
15
10
5
0
10
20
ì ä
30
,ì
40
50
)
. 3.
<1 %,
5 % ( )
( )
60 °C
ä ë
O3 + hV
ë.
ì
ì ë
ì
ä
-
,÷
ü
ö þ,
ë
÷ ëü
ë
ã
ü
ëü
-
ë
ã
ä
÷
ä
O2 + hV
O + O2 + M
ä ì
ì
ì ë
NO•NO– (60 . . ì.), ë ä þ
2,93
.
ì
ã
. 4.
ü
ë ä
ë
ë
ì þ
ëü
ì
[2—4]. ÷
,
ã
ë ÷
ì
ì
ì
ë
ä ì O(1D)
(I) ë ä
ì
ë
þä ì
ä
20
0
ä ë
ëü
ì, ÷
÷
þ
ã
ë
1
ö þ
ø
ä ëü ã
ì :
–
NO2
10
0
ë
ì
2O
ä
ä
ä
ë
ì
ä
ä
ä
ì ä
ö
(1)
ä
ö
(2)
NO:
(II)
-
ö
ì ë
ë ä
ì
ì
þ
ë ä þ -
hV < 240 ì;
O3 + M, ãä M = N2, O2
O(1D) + O2
ë
ë
hV < 240 ì;
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2010
.;
(1)
55
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
N2 + O(1D) + M
N2O + M,
ãä M = N2, O2
.;
N2O + O(1D)
NO2 + hV
ãä hV —
ã
hV < 193 ì;
2NO2,
ì
–
–
ä H2O• O 2 N O 2 . ã
. 2) ì
ä ì
ì
.
ì
ì
ëü
ì
ã
ä
ä
ã
ø
ã ä ì
ë ÷
ì ë
0,68
ã ä ì
ë
ì
ëü
–
N2• O 2 ,
,
(3)
60 . . ì. ë ä
üþ, ÷ ì
ë
ë ã
ä
ë
( ì.
ë
2
3
.
,÷
ëüø
ì
ë
÷
ì
ä
-
ë ì
ì ë
ë
ì
ä
ä, %
90
80
70
60
ä ëü
50
40
30
20
NO3 3,94
NO•O2–
ì
. 6.
ì
ü
–
ì
ä
,
-
ä
ä ì ã .
÷
ä ë
ëü
-
ì
-
–
O2
,÷
ë
ä ÷
ì
60 . . ì.
ø
ì ë
ì ì
ëüø þ ëü
÷
þ ã
ì ë
ë
ä
÷
ì
ä
ã ä
ä- ä
ë ,
÷ ì ä ëü
ä
ä
ã ä
ä- ä
ë ì
ëü
ë
ã
ë ÷
ö
ì
[6]:
ã
2OH.
1ì
6 ì 11 ì
10
5
10
ì
ä
ë
ì
ü
-
(4)
ë
ì ë
. 5.
–
ä ë
ä
–
ì
O 2 (32 . . ì.),
–
0
-
ì
ë þ
15
ì,
ë
ü H2O• O 2 (50 . . ì.),
–
NO•NO•OH (70 . . ì.), H2O•NO•NO2 (94 . . ì.),
ä
ì ë
ëþ
O2 .
N2• O 2
ì ä
ë
25
20
ì ä
30
,ì
40
50
)
5 %
( )
NO•NO– (60 . . ì.) NO•N O 2 (76 . . ì.)
.
ë
ä
ì
ä ë
ä
ë ÷
ë
ë
ä ë ü
ä ö
þ
ö
.6
ä
ì
ë
ä ë
ä ì ä
ë ÷ ì
ì
ä
ë
ä
ä ã
÷
ë ã
ì
–
. 5.
56
ì
–
ã
ì
30
20
94 . . ì.
H2O•NO•NO2–
ä
35
-
93 . . ì.
OH•NO•NO2–
,ì
)
92 . . ì.
NO2•NO2–
11
ö
78 . . ì.
H2O•N2O•OH–
H2O + O(1D)
6
77 . . ì.
79 . . ì.
0
0
62 . . ì.
76 . . ì.
2
10
1
61 . . ì.
N2O•OH– 2,12
1
–
H2O•NO•NO–
ì
ü , (II).
H2O•NO•NO2– (94 . . ì.)
NO2•NO2– (92 . . ì.)
NO•NO2– (76 . . ì.)
NO•NO– (60 . . ì.)
H2O•O2– (50 . . ì.)
NO2– (46 . . ì.)
O2– (32 . . ì.)
60 . . ì.
OH•NO•NO–
ä
100
N2•O2– 0,69
NO•NO– 2,93
NO•NO2–
ë ä þ
ä
ì
ë ì ã
ë
ã
÷
ä , ÷ ì
ë
ä, ,
ä
,ì
ì ü
[5]. ä
,
ì
,
ë
50 . . ì.
H2O•O2–
NO + O2;
2NO + O2
46 . . ì.
NO2– 2,3
2NO;
NO + O
NO2 + O
32 . . ì.
O2– 0,45
(2)
60 %,
( )
40 °C
Sensors & Systems · ¹ 3.2010
ì
–
-
.
.
-
–
O 2 (32 . . ì.), N O 2 (46 . . ì.)
N2• O 2 /NO•NO– (60 . . ì.), ì ä
ì
ì
ü. ÷
,
ë , ì ÷
2,
ì ö
þ
ö
(3).
ë ÷ ì ë
ä
ìä
ë þ
ä
ì ë
÷
ì
ä
ã ä
ä- ä
ë
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
–
H2O• O 2 (50 . . ì.) NO•NO•OH– (70 . . ì.),
÷ ìä ë
ä
NO OH
ì þ
ëü
ë
ã
ë ÷
.
, ë1
ö ì (1), (2) (4).
ë ÷
ì
ì
ö
ä ë
ä
ì
ëü
ë
ë
ë
ì ë
ì
ì
ä
ì
.
÷
ã
ã
ø ë
ä ë
ëü
ì ä
. ã
÷
þ ì
ì
ì ë
ìä
ö
ì
ä
ì
,
ëü
ì
ì
ë
ì ë
.
ëë ëü,
ë ÷
ä
÷
ö
ö
,ì ä ü ä ëü
ø
ë
ë 3,
þ ì
ö
NO2 + O3
NO3 + O2.
ã
ì
ä
ë ÷
ä
ë
ë
ã
÷
:
ì
,
ì
ì
ü
ì
ö
ë
ëü
ë
äë ä
ä
ã
ö
, ÷
ë
þ
÷
÷
ëü
ü
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ë ã ÷
ì
.
ä
. .
ã ä
ä
//
ì . — 2003. —
5.
Sun F., Glass G. P., Curl R. F. The photolysis of NO2 at
193 nm // Chemical Physics Letters. — 2001. — Vol. 337. —
Issues 1—3. — P. 72—78.
Estupinan E. G., Nicovich J. M., Li J., et al. Investigation of
N 2O production from 266 and 532 nm flash photolysis of
O3/N2/O2 mixtures // The Journal Of Physical Chemistry. —
2002. — Vol. 106 (24). — P. 5880—5890.
Atkinson R., Baulch D. L., Cox R. A., et al. Evaluated Kinetic
and photochemical data for atmospheric chemistry: Volume I —
gas phase reactions of Ox, HOx, NOx and SOx species // Atoms. Chem. Phys. — 2004. — N 4. — P. 1461—1738.
Aquilanti V., Bartolomei M., Cappelletti D., et al. Photodynamics of clusters of the major components of the atmosphere” //
International Journal Of Photoenergy. — 2004. — Vol. 6.
Heard D. E., Pilling M. J. Measurement of OH and HO2 in
troposphere // Chemical Reviews. — 2003. — N 103 (12). —
P. 5163—5198.
—
-
ã
“
-
-
”;
(495) 324-01-84
-
E-mail: artfill@inbox.ru,
ë
—
“
-
"
äü
ü
ë
ü
.
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
618.785.235:616.07
.
.
,
.
.
,
ë
ä ã
ö
÷ ë
ã
ö
ì
.
ì
ëü
ä
ä
ì
÷ ì
÷ ë
ì
ã ä
.
ì
ë
.
ì
ä
÷ ë
.
ëü
.
ä
þ
ì
ä
ä
ì
ä
ë þ
ã
ì
ì,
ã
ëü
ì
ë þ ì
÷
÷
üþ
.
ì
ëüø
ã
ëü ã
ö ëü ì
ëü ì
ì ë
ì
ì.
ì
ëþ
äë ì ä ö
ä ã
ö
ë
ë ÷
ëüä üä ã ì
ä
ë
,
ë
ü
ë
ã
ëüø
äë
ø
äë
ö
÷
ë ÷
ë
,
ö
-
ä
ë þ
-
,
,
ë
÷
ì ë
þ
,
ä ÷
ä
ö
ã
ì
ëü
,
ø
ã
ö
:
,
ë
ì
,
-
-
,
.
ë
ì
ì
ì
÷ ë
ì
.
ë
,
ì
üþ
ä
,ì
ä ì ã
ä ã
÷
ä
ã
ì .
ä ì
ì
ã
ë
.
ã
ì
ì ÷
ì
÷ ë
ä
-
ä
ö ä , ÷
ëüø
ì ä ö
ë þ
ã ì ä
ì
-
ä ë ä
ì
ë
ë ä
ë ì ì
ä
[1] ë ã ä
þ ë ã
,
÷
ë
÷
,÷
ã
ë ä ,
ä
ë
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2010
57
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
ì ã ì ì ä
ä
ì
üþ.
,÷
ä ÷ ë
ä
ë
ë ø þ ì üã
ä
[2].
ä ì
ì ä ë ü
ü
ë 120 ä
[3].
ì ë
ë
þ
ö
÷
ë
,
ì
ë ÷
ë
, ÷
,
÷
ä þ
ì
ì
ã
ì
ö
.
ë
ëü
ü
÷
ì
, ã ë
þ
ö
,
þ
ã
ì ,
ì
ü
ë
ü
÷ ë
ì
ì,
þ
ì
ä
ì ì
ä . ë ä
ì
ü, ÷
ä ë
ì
, þ
÷ ë
÷
ã
ã
ì ,
þ
ëü
ä
ì ì
ä ,
ä ã
ä ë
÷ ë
[4].
ë
ä
ì ã
ä
äë ö
ë ã ëü ã
ë
÷
ã
ü
[5].
ä
ë
ö
ë ä
ë
ë
ì ÷
÷
ëüì
ö
ö
ö
[6]
ä
ì ã ÷ ë
ì
ä
ä ë
ë ã
ë
ë
. ÷
, ä
ã
ì
ä
ì ì
ä
ø
ë
ä ÷
ä
÷
,
ë ã ã [7],
ìä
[8].
ö
ä
ì ì
ä
ä
ì
ì
ë
ä ëü
ì
ø
ãë
ä ã
ì
ë ä ì äë
ö ë
- ä
ë ã .
ë
ë
ì
ü ì ä
ä
ì ö
ä
ì ì
ä
ì
[9].
ë
ä ã
ë
ä ì
ì
ü ì
ä ,
ë þ
ü
ì ë
ë ÷
ì
þ ã
ä
. ä ì
ì
ä
ì
ü
ì
ä
,
ä ö
ì
þ
äë
ë ä
÷
÷
ã
ä
.
ì
ì
ä
ì ä ö
ä ã
ì
[10, 11].
ì
ä
ëü
ö ë
ã ìì “
÷÷ - ä ã ã ÷
ä
ö
”
2009—2013 ã ä
“
”
ì
ä
äë
ë
ì ë
ö
ö
.
ä
ã
ë
ì
÷ ÷
,
[12, 13].
ì
ì
ä
ë ã ì
ì,
Vapor Tracer, IonScan, Sabre 4000,
ëü
äë
ö
ì
ä
ã
ë ÷
ì
÷
ã
ä
[14, 15].
ë
ø
ü
ëü
ë ã ä
þ ä ã
÷
,
ì
ä
ì ÷
ì
ö ,
ì üø
ã
ì
.
ä
ì
ì
ä
äë
ã
ë
ä
ö
.
ö
ëü
ì
ä
ì ä
äë
ë
ö
ö
ì
ä
÷ ë
.
ë ä
ì ü
ä
ì
ì
÷
÷
.
58
Sensors & Systems · ¹ 3.2010
ì
,
ö
ä
ä
ä
ä
ö
ü
,
ì ÷
ã
ì
ë þ
ä
ì -
.
ì
ë
. 1.
ë ü
ö , ãä
ë ã
÷þ ã
ë ÷
,
÷
ã
ì
ì
ì ã
ì
ü
ä
÷
,
ö
ë
ö
ì
ä ì.
ø
ã
ä
ä
ì ë
÷
ã
ë
ë
ì
ö ,
ä ë
ä
ë
ì
.
ë ü
äë
,
þ
ì ëë ÷
ë ö,
ä þ
ë
÷
ë
üþ 200—300 / ì.
ë
ë
ö
ë
ëë
ä
.
ã ë
ëë
ë
ëü ä ë
ì ë
ì
ë
.
ã ë,
ä
ë
.2
ã ìì
þ ã
ä
ã
ö
ö ëü
.
ë ÷
ä ø
÷
ä
÷
ä
ä
ë ä ì ã
ä
ë
ì
ã
ë
ë
ü
ö
ëë
÷
ä
÷
ü
ì
ã
ì
ö
ë
ë
. 1.
ì ë
1400
ä ,
. ä.
1200
1000
1
800
2
600
400
200
0
100
ì
200
300
ë
ä
400
500
ë
600
÷
,
700
. ä.
. 2.
:
1 —
ì ë ÷
ã
ìì ë
ë
ã
ä
; 2 —
ã
ö
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
ã
ì ã
ë
ö
ä
ä
ì, ÷
ãë
ö
ä
.2
ëì ë ÷
ì
ä
ä
ìì
ã
ë
ëþ÷
þ ì
).
ì
ö
ö
ì
ì ì
ä
ä
ë ì,
ì
.
ä ì ÷
ü
ã
ì , ÷
:
ë
ì ë ã
,
ë ä ì ã ,ì
ë , ë ÷
÷
ë ä ã
ì
, ë þ
÷
ë ÷
ä
.
ì
ì
ì
ë
ì ,
÷
ì
äã
äë
ë
.
ë
ø
÷
ëü
ë
ë
ã
ëü þ ë ä þì
ä :
ì
ã
÷
ä ë
;
ëü
ö þ;
ä
ëü
ä
ì
ì;
ì
ä
,
ë ÷ ì
ì ä
.
ì
ã
—ø
ì
ä
ë
ì ë
ë ÷
.
ì
ã÷
ä ë
ì
äë
ä ë
ö
ö
,
ø þ
ö
ö þ
ì
ä
ì ì
ä
ëü
ä
[16]. ÷
,
ì
ë þ
ì ë
ë
N2, O2, CO2, H2O.
ä
ä
ã ì
ä
ëþ÷ þ
ä ì
ä
ëü ã
ö
ë ä ì
ì ë
ë, ÷
ë ÷ ì ,
÷
ì
äã
äë
ë
,ä ä
ì
.
ëü
ä
ä
ë
ã
ëü ì
ì
÷
ëü
ä.
ì
ã ,ã
ì
ã
ë ä
ë üþ,
ã
ì
ì
ì ã ä
. ë
ã ì ä
ä
ë
ã
ü
ã
ä
ì
ëü
ì
ã
ì
ü
äë
ä ,
ì ì
[17]
ë
ëü
ì
.
äã
ì-
ì ä ë
ä
ëü
ã ã .
ì
ì
ä
ø
ë
ì
þ
ö .
ö ë ì
ì
ä
äë
ä
÷
ë
,
ì ì
ì
÷
÷
ä
ì
, ë
,
ë
ë ÷ ì
ã ìì.
ä ã ì ì
ä
ì
ë
,÷
ì
ä
ë üä
÷
ë þ
ì ö þ
ì
ã
ä
ëü
ëüø
ì
,ì
ã
þ.
ì
ì
ä ,
÷
þ
ëüø þ
ë
ë
÷
ì ö
(
,
ì ì
)
ë ã ,
ë þ
ä
ü
ë
ì üø
ì
ì
( ì , ä
÷
ë
),
ì
ä
÷
þ
ë
ì
ëü ì ë
ì
.
ä
ì
ë
ä
ã
(
ì ë
ì
ë ä ì ã
ä
ä ë ã
ì
ë þ
ä ë ü ä
ä .
ì
ì ä
ëü ì ã
ì ì
ì
ì
ì
ãë
ì
÷
ëü
üì
ä .
ì ã
ä
ì
ì
ü
ì
ä
ì ã
ä
ä ü ä ã
ä ë
ü
ö
,ä
ë
ä ü
ë
ü
. ë
ö ë ì
ëü
ëü
ö ëü
ü ãë
ä
ì
ë ä ì ì
ë
ì, ÷
ä
ë
ä
ä
ë
ì, . .
,
ì
ëü
ä
ü
ö ëü
ë
Tedlar
Corporation. ä
ë ä þ
ë ÷
ã
ä ëü ì ãë
ë
. .
ä
ö
,
ä
,
,
-
.
ì
ü
ã
ä
Cole-Parmer Instrument
ë ä
ë ,÷
ì
ìã
ä ë
ì.
ì
ã
ä ã
ëþä ë
ã ë ,
äë
ø ,
,
ä ì — ä ä
,
ä
, ã
ü
ã ë
ä ë
ë
ì
ì, ã
ö
ä
. ä
ì
ü
ä ëü
ø
ìüþ
ë ÷
ã ìì.
ä ,
ë ÷ ì
ì ä
,
ä
ë þ
ëü
ä
ä
,
ã
ë ö ,
ä
ëü
ë
ë þ
. ä.
ëü
ä
ì
ä ì
ì ÷ü
ä
ü
ä ÷ ë
,
ë ã ÷
ì
ö
:
, ë ,
ì
ë ,
ì ë ã
. .
ø
ä
ì
þ
ë ä
ë ÷
ö
ëü
ë
÷
ä
÷ ë
ì üþ
ì
ä.
ä
þ
ëü
ë ,
ä ë ã þ
ä
ëüø ã
ì
ì
ëü
ä ë
þì
ä
ä
,
ë
ì ëü ã
ì
ä
ì ã
ä
.
÷
ä ,
ì
ë ì
ä
ëü
ì
,
ü ë
ü ÷
ëü
ü
ë
, ì
ì
ä
ì
ë
ì
ä
÷
ë ÷
ã
ì
ä
ì ã
ä ,
ø
.
ì
÷
÷
ë
ä
þ
ì ë
ë ÷
ä ø
ä .
ì
ì ä ö
ì
ø
ö
ì üþ
ë üä
ä
ë ü
ì
ë
ì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2010
ì
ë
ëüì ì 5 10 ì ë,
ä ã ö
.
ì
ä ,
ì
59
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБК ОМ » & ООО «Aген тство Kнига- Cервис»
ì
250
ã
200
2,5 ìë/ì3
1 ìë/ì3
ä
ä
÷ ë
150
ë
÷
ã
50
0
20000
ëü
ä
÷
ëü
ì ì
100
ö
ì ã
22000
24000
26000
28000
30000
32000
ü
ë ë
ì ë
ë
äüþ
ø þ
üþ.
ä
ì
ë
ä
ëü÷
ä
ì.
ì ë ö
ë ë
ì
ä
ë ã
ø
ä
.
ä
ö
ä
ã ÷ ë
ë
ã
÷
ì
þ
ø
3—4 ìë/ì3,
ì
ã ä
ì
ö
ö
ö
ä
ä
ë
8 ìë/ì3
ø [18].
ä
ä
ì
ëü
ì
ü
ëü
ä
ì
ä
ì
ä
ü ë ä
ë ÷
÷
ã
÷
ä
ì
ä
÷ ë
.
ã
ã
34000
. 3.
ä
ì
ë
ì
ö
ì
.
ã
ë
ë ÷
ö
ö
ö
ëü
ä
ö ìë/ì3.
ì ë
ä
,
þ ã ì ë
ë ì ö
,
ë
ë ÷
ì
ö
ö
ö
ì
ä
.
. 3
,
ë ÷
ä
ä
ì
.
ä ë
þ
ö
ö ì
ö
ä
2,5 ìë/ì3, 1 ìë/ì3
ä
ä
ã
÷ ë
. ä
ã
ö
ö
ä
÷ ë
ì
ì
ä
ä
ëüã
ë ü
ä ÷ ì .
÷
ì ì ãë
ë ü
ø
ë
ü
ä
ì ã
ä .
ë
ø
ø
ë ì
ë
ì
ì ë
ë
,
ø
ä
þ
ä .
ë
ã
ë
ë
ë
äë
25
ä ì
ì 9 ì,
ü
ë ë üì ë
ë
ì
ì . ä
ö
ä
ä
ë
ä
ì
,
ä ã
ä ë
ä .
ä
ä
÷
ä
ì ø
ä
,÷
ä
ì üø
þ
ã
ã ë
ã ìì .
ö
÷ ë
ã
ë , ì ë
ø
ø
ì ë
ä . ä
ø
ä
ì ã
ä
ì üþ ì ë
ë
ì
ä
,
ë
ì
ì
ä
ä
÷
.
ë
ä
ì
ì
ø
ä
ä
ë
ëü
ü
ë
ëü
ø
,
ë ä
ä
ì üþ ì ä ã
ä
ë ì
ëü ü .
ä
ì
äã
ë ä
ì üø
ì
ã
ì ,÷ ì
ì ,
ä
ä
÷
ì ë
ë
. ä
ì
ëü
ì ë ì
ëü ü
ë ä
ì üø
ëü
üþ ã
ì ã
ì
ì ì ë
ë
.
ì
ü
ø
ä
ë
ä
.
60
.
Sensors & Systems · ¹ 3.2010
ëü
ì
ä
ë
ì
ì
ä
ì
äë
ä
ã
ä ã
ä
ö ëü
ë
ã
ö
ø
ö
ì
ä
÷ ë
.
ëü
ë ä
ëü
ì
ì
÷
÷ ë
ä
ì ã
ä
ä ì
ì
ü
ã
ö
—
ã ä
ì üþ
3
ä
ö
ö
1 ìë/ì
ä ,
ä
ä
ã ÷ ë
.
ì
ëü
ë ÷
ì
ä
äã
ë
ì ëü ì
ë
ëü
ë
÷
ä
ì.
ø
ë ä
ä ë ã
ü
ì
ä
,
ë
ü ÷
ëü
ü
ë
.
ü
ä
÷ ì
ö
ì
ë
ì
ë
.
ëü
ü
1. Alquam Mashir, Raed A. Dweik. Exhaled breath analysis: The
new interface between medicine and engineering // Advanced
Powder Technology. — 2009. — Vol. 20, N 5. — . 420—425.
2. Philli ps M., Herrera J., Krishnan S., et al. Variations in volatile
organic compounds in the breath of normal humans // J.
Chromatograph. B. Biomed. Sci. Appl. — 1999. — Vol. 729
(1—2).
3. Merrick W. Characterisation of Human Expired Breath by Solid Phase Microextraction and Analysis Using Gas Chromatography-Mass Spectrometry and Differential Mobility Spectrometry. S. B. // Electrical Science and Engineering MIT. —
2005.
4. Imbriani M., Ghittori S. Gases and organic solvents in urine as
biomarkers of occupational explosure: a review. // Int Arch
Occup Environ Health. — 2005 78: . 1—19.
5. Hai-yan Han, Guo-dong Huan, Shun-ping Jin, et al. Determination of alcohol compounds using corona discharge ion mobility spectrometry // Journal of Environmental Sciences. —
2007. — Vol. 19, N 6. — . 751—755.
6. Khayamian T., Tabrizchi M., Taj N. Direct determination of ultra-trace amounts of acetone by corona-discharge ion mobility
spectrometry // Fresenius J Anal Chem. — 2001. — Vol. 370. —
. 1114—1116.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
,
������������
681.785.235
. .
,
. .
,
ä
.
ì,
ì ë
, ë
ö ,
:
ä
÷
.
,
ë ÷
ì
ëü
.
ö
,
ä
, .
ì
ì
ì ë
ì
.
ä
ì
,
äë
-
ë ÷
-
.
,
,
-
.
ã
ë
, .
ì
ä
ä
ë
ä
÷
, . .
ë ã
ì
,
ë ì
.
ë ã ää
-
ø
ä ü ÷
÷
ëü
ä ÷
[1].
ã ,
ä ë
üþ ë
,
÷
,
ë þ
,
÷
,
ø
ãë
ëü
,
þ
÷
ø
äë
. ë
ö ë
ë ,
ë
,
ë
ä
ë ,
ì
ì
ë , ä ë
ü
÷
ëüì
ä
ì,
ã
þì
ì ë
ö
ö
.
÷
äë ä þ
þ ö
ë ä
ä
ë
ëü
ëü
ì
ö ëü
÷
ë ÷
þ
ü
ëü
ì
.
ì
ã , ì
ä
ã
ë
ì ë
ö
ö
ø
þ
ö
ëü
þ
.
ä
-
ã
ì
ö
ëü
ëþä
ä ÷ -
ë
ë ÷
ä
.
ä ë
ë ÷
ü
þ
ä
ì
ë ã ÷
ã ,
äë
÷
ì
÷ ë
.
ì
ì
ëü
ä ë
÷
ä ö
ä ÷
,
þì
, ë
ì øë
ì øë
ì ë
ì
ëü
þ
ä
ìì
ö
ãë
ä ,
ì
-
äë
ü äë
ü
÷
÷
ëü
ì
ë
ë þ
ä ë
ö
÷ ë
ä
ä ë
[2].
ë
÷
ìë ÷ ì
ì,
ä
ì ì ÷ ë ì,
ö
ë.
ëü
ìä
ì,
ä ÷
ä
ë ã
, ä
ëü
ì ,ä
ì,
ì
ë
,
ä
ã
, ë ,
ì
-
,
ë
ë
ã
ì
ë ã
äë
äë
-
ä
ë ä
ì
ì øë
÷
,
,
ë
,
ì ÷ , äë
ì ä ö
ë
-
ì
ã
ä
ä
þ
ì øë
ö
÷
ã þ÷ - ì
÷
ì ë .
ä
ë ã ,
ëü ì
ì
äë
ë ÷
,
ëþ÷
÷
÷
ì
,
ä ë. 1 [3].
ì
ä
ì ëþì
ö ö
ëþì
ë [4] ìScintrex Trace (
)
ì
ä
EVD3500 [5],
ü ë ä
ìì ÷
÷
, ëþ÷ ì
þ
ICAO, ë þ
÷
,
ìì
, ÷
TATP.
3 ã
ä
ä
ë ì
.
ì
ö
-
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
3
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
1
ëüü, ã/ ì3
ä
ì ëþì
ö
ì
ëþì
ã
ë
ì
-
ö
ë (CL)
10–16
ëü
-
10–14
ä
(G -
ì
,
ë
ì ÷
ö
10–14
÷
10
ä
...10
10
ø
.
ì ã
ö
ö
,
ö
ì
(IMS)
ä
,
.
ë
5 ä 30 .
ì
ä
ì-ä
ì
ä ÷
ì
,
ì
ã ä
ë ä
ì ë ì
÷ ì
ì
ì
, ÷
ë
ì
ì ã
ì äë
÷ ,
ì ä ö
ë
äë
ö
÷
ä ö .
ì ã
ì ì
— ä
ë
ëü
ø
ì
ä
—
ì
ä
ä
ë
ëü
ö ë
,
ëü
÷
ë ,
þ
ì (ì ì
) ë
ä ë
ëüã
ì
ë
,
ã
(
ì
ã
).
ì üþ
ë
ë
ì, ä
ë
ëü
ü
ì ü
ëüø 30 ì
ë
ë ã ÷
ì
.
ì
ã ,
ëü
ëü ì
ä ë
ì
ì
ì
ü
÷ ã
ä ë
ö
ä
ã
.
ö
ö
ä
ö
÷
÷
÷
ä
ä
ö
ã ä
ì øë
äë
4
ø
ä
ü
ì
ì ë
ëü
ä
ì
ä
ì
.
ì
ì
ä
-
ä
ä
ä ì ä
ì,
ì
ä
ì
ö
.
ë
ì
ì ì
ä
ë ã
ë þ
ì
ü
ã
ö
ä
ì
ì ë
ë
÷
ä ø
ä
ì
ì ä ë
,
÷
ëü
ü,
ì ë
ã
ì
,
ë
ë
÷
ã ,
ì ë
þä ë
ì
ü,
ì
ü
ã
ö
ã
ì,
ä ì
ä ì
.
ö
ì
ä
ëü þ
äë
÷
,
ì ë ë
ã
ë
,
ë
ö
ì
ö
ë
÷
ä
ì øë
.
ë
ì ä ö
ì
ä
ì
äë
ë
ä
ü ÷ ë ä
ì ã
ä
,
ì ÷ ë äë
ã
ë ã
,
ã ä
ö ,
ä þ
ä ø ëüì
ì,
äë
ä ë
ì
ì ë
ë,
ë
.
ì üþ ä
ë ã
ä
ì
ã
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
,
ä
-
,
ä þ
.
ë
ì
ö
ä
–13
ì øë
-
ëü
ë
ø
–14
þ
ì
ì
,
ë
äë
–13
ëü
.
ä
D)
(MS)
ì
ü
ëü
ì
ä ,
ì
þ
þ
ä ë þì ì
ë
ä þ
ä
äì ä
÷
ì
ä þ
ã
, ã-
ì
,
ä ë
ì
ì ë
ë .
ä ë
ëë
ë
ã
ö ëü þ
ì
ë
ã ë .
ëþ÷
ì
äã
,
ì ÷
ì
ö
ö
ë ì
ì ë
ë.
ì
ã
ë
þ
ëü
ì
,
÷
,
ö
ì
ä
,
ë ÷ ì
÷
ì
ö
ä ë ã þ
ì
ë
ì
.
ë
ëü
ë
ë
ä ë ü
ä
ä
ã
.
÷
VaporTracer
[7]
ì
Morpho Detection
(
)—
,
ì
ä
ì
ä
ì ì
ä
ë
ì
äë
äã
.
ì
ëü
ë
üþ
ì
ä
ëë ÷
ä .
ä
ì
ë ä
ëü
ëüø þ ì
3,5 ã,
ëþ÷
ì
ä
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ì ä
÷
ëüö
ã
ë
Ni63
ëü
ëü
ëë
ö
ö
ë
÷
ì ö
ä
ë ä ì
ë
ì ö
÷
.
÷
ì
20 ì .
ì
ëü
÷
ì
ì
ë
ä
ã
-
ö
Ni63,
ë
ì
ëþë ä ì
üþ
ö ëü
ì
÷
ì ÷ .
÷
ä
MobileTrace
[8]
ì
Morpho Detection
(
)—
,
ãë
ì
ì
ì
ã
ë
ä
ì
ä
ä
, ÷
÷
ä ì ì
÷
÷
,
ä
ì
ø
ã ä
÷
,
ëþ÷
, ø
ä
ä
)
÷
ä
÷
ë ÷
ë
þ
(
ö
äë
ã
ä ã
÷
÷
ë
ä
ö
÷
ë
ì
ë
ä
ã ä
ì
ã
ëü ì
ì ä ëü
.
ä
ë
ë
ü
ö
ä
ä
÷
ö
ì üþ ì
ë
ë
äë
ë
ì
ì,
ä ü
ë
ã
ö .
ä
ì ä
ã ä
ë þ
ì
ä -
ö
,
ëü
ëü
ì
ã
ëüø
ì
ã
ö
ë ÷
÷
äë
4,3
ë ö
ã
ä
ã
ã,
ø , äë ÷
ì-
ä
30 ì ,
ëü
ì ë
ì
.
Sabre 4000 [9] ì Smiths Detection ( ë
) —
ä
ë ä
ë ÷
,
ä ì
ü
ë ÷
÷
,
÷
÷
,
ì ÷
ã
.
2,6 ã
ì ë
ì,
÷ ì
÷
4 ÷.
ì
ä
÷
ì
ë
10 ì .
Sabre 4000
ë ü
ä ,
÷
ö
, ÷
ë
ì
ü
ë ÷ø þ
ö .
, ÷
÷
ì þ
ä ë
ì
ì
,
ì äë
ë ÷ø ì ì
ä ì
ë
ì
÷
ö
ë ä ì ã
.
ä
ë
ä
ë
ì
ä
H150 [10]
ì
Science Corporation (
ì 4 ã
ì
ìì
÷
ì
ö ,
þ
ì ì ëü
þ ëü
ë
þ ë ì .
ä
÷
ö
ëüø ì
ì
ä
ã ä
, ä
ì
ä ë
ì ä
ëü
,
äë
÷
÷
.
.
QSImplant
)
ö
ä
ì
ëü ë ì
ã
ì ë
-
ì
ì
ã
÷ ã
ä ã
ä
,
ã
äë
ä
ëü
ë
ë ä ì ã
,
ë ä
,
ä ë
.
ë
ë ä
÷
ã
ä
ëü
ü
,
ì ë
äë
ì ÷ ä
ö
ì
ë ÷
ì
ø
200 ° , ÷
ä ë
ì
ì
ì
ä ë
ì
ì
ì
, ã
ã
÷
.
Raid-M-100 [11]
ì
Brueker Daltonics (
ì
) —
ä
ì
2,9 ã
ì
ì
ì ë
6 ÷.
ä
÷
äë ä
÷
ë þ
ëü
ì
ë ì
ì
.
ì
ì ë ü
ì
ì
ë
ì
ëü
ì
ì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
5
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ì
÷
ë
äë
ë
ä
.
ä
ë ä
ä
ö
÷
Ni63
þ
ä ü
ë ä ì ã
,
ëü
ì
ë .
÷
ä
ì ë
ö
ö
ä
ë
ì “ ë - ”,
-2
“
ëü - ”,
ì
ö
ë
ä
ëü ì
ë
÷
ì
ë [12].
ö
ä ë
ì
ä
ë ä þ
ì
ì:
ä , ä
ì
ë ä ì
,
ä
ì
ö .
ø
ä þ
ì
ä
,
ì
ëü ì ö ë ä ÷
ì
ë ä ì ä
ì
ë
ëüø
ì ë
ä
÷
ä ë þ
ì ë , ì äë
ì
þ
,
ì
þ
.
ö ëë
þ
ä ëü ì
ë
þ
ã
ìë ì
ëü ì
ë
,
ì
,
äë
ë
ë
,ä
ã þ
ä ä
ì
ä þ
ëë
.
“ ë - ” [13] ìä (
) —
ì
ëü
÷
,
ä
÷
äë
ë ä
ë ÷
÷
ä
ì
,
ë ,ã
ã
,
,
ì
÷ ë
ë
÷
.
ä ì
ë ä ì
ì üþ
ö ëü
ë
ë ä þ
ì
ã
ì
ã
,
ä ì
ä ë .
,
ä
ä ë
ë
ä ü
ëü
ëü
-
6
ä ìë
ë
ì
.
ë
1,8 ã,
ì
ì ë
5 ÷.
ë ì
ëü
ëüø
ã
ë
ä
ã
ä
ã
÷
ì
ää
ì
ä
ì ã
ë ,
þ
ã
ì
ì
, ÷
ä
ä
ö
ã
ëüø ì ÷ ë ë äë
ëüë
ö .
ëü
ä
ä
ì
÷
ì
ö
-2
ì
ë
(
)
ä
÷
äë
÷
ì
ë ä
ë ÷
. ã ì
ë
1,3 ã.
,
“ ë
”,
ì
ää ì
ë
, ÷
ë ì ä
ì
äë
ë
ë
.
ä
ì
ë -
ä
ä
ö
÷
ëü -
“
.
” (
)
—
ì
ã
2,5 ã,
,
ëü
,
ìì
ëü
ã
ã
ë ì
ã ã
ì ëü
,
ë
,ì
÷
ã ã
ö
ã
-
ë
.
ì
ëã
-
ö
ì
ë ë
ä
ì
ì
ã
÷
þ
ì
÷
÷
ë
ë
÷-
üä
ëü
ü
ü
ã
ì
ë
ã
ëü
÷
ëü
.
ä
ä
—
ä
ã
ë ÷
ö
-
ã
ã
ë þ
,
ö
÷
ë
ì
ë þ
ä
ëü
ã
þ
-
ä
ì ü
ã
ã
ëü ã
2
ä
ì
ã÷
ëü
ë
(
ã
ì
ã
÷
ì
÷
ë
« ë
»(
)
-2
(
)
Mobile Trace
(
)
10–13 ã/ ì3 (10 ppt)
10
TNT)
,
10
10
,
ë
ì
ë
ì
ø
ë -
ã
TNT
ì ë
ë
ì
ì
ü,
, ã
ë
, ìì
ì
ì
ä ã
,
ë
ä
ëü
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
12
8
ëü
ë
350 150 110
ì
,÷
ä 100 °
2
3
ä
(
ëüã
)
-
15
4,3
ë
ë
465 335 135 409 152 315
6
1
5
ì, ì
ë
12
15
2,5
ì
ë
ëü
ë
2
30
ö ëü
ë
ë
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ë
ë. 2
ä
ã
ä ø
.
ä
,
, ä
ã
ë
—
ã (
ã
-2
ä
)
(Mobile Trace).
ö
ë ä ì ã
ì
ì ä ë
ä
ëü
þ
ë
ö ëü
,
ö
÷
ë
.
÷ ë
ëü
ö
ø
ö
ö þ
ë ä ì
.
ì
ä þ
ä ì ë
ë ì
ë ä ì ã
ì ì
ì ÷
ö
ì
ìä ë
. ö
ë ÷
ì
ì
÷
ì
ö
ø
ì ä ë
[14]
÷
ì
ö
ã
ä
ì ìä ë
[15].
ì
ì
ì
ë ä
ë
ö
÷
ëü
ë
ö
[16].
ë
ì ä
ì
ì ë
ë ì
ë
ì
þ
ì
÷ ã
ä
[17].
ü
ë
ëü
ä ë
üþ ì ë
ë
.
ë
ä
ë
ì ì ë
ë
÷ ëü
, ÷ ì
+
ì
ì ë
H2O+),
( N2 ë
ä ì
ö ö
[18] ë
÷ ã
ä
ö
ä ÷
ä ü
ø ã
ì
-
[19].
ë
ëü
ëüø
÷
ã
ì ë
÷
-
,
ë
ë
ë
ä
ë
.
÷
÷
÷ -
ëüø ì äë
.
ä
ä
ë
ë
ì ã
ü
ë
ä ì, ì þ
ì
ä
ë
÷
ö
ã
ë
[20],
–
ö ëü
O2
ä
ë
.
ë ä
CO2
þ ä
ë
ëüë
[21].
ö
ì
֋
ã þ
þ
ëü
÷
.
ëüø
ì
ì
ä
ì
ä
ëü þ äë
ö
ì ë
ë
÷
ä ã
ë ÷
ä
ã
Ni63,
[22].
ì
ã
ë
,
ë
ì
ëü
ü
,
ä
÷
ö
ì þ
ä
. ë ë ì
ä ì
üþ
ö
ä- ã
ë
ä
ì
ì
ë
üþ
.
ö
ëü ì ì ì
ì ë
ë ì
ë
ö
ä
ì
÷
ì,
ø
ë
÷
ø äø
ã ä
ü.
ä ì
ë ,
ä
ä
, ì
ü
þ
ë ã ÷ þ
ë ì
ëüø ì
ì
.
ì
ì,
ä ÷
ë
ì
ã
ä
ã
÷
ö ,
ë þ ã ã
ü
ë
ëü
,
ö ëü
ë
ì þ ã
ã
ë
.
÷
ä
÷ ö
ì
ë
ì äë
ë
ë
ä
ì
ëü
ë
ë
ë ÷
, ì
ë ì ,
ö
ë
ì
ë ÷
ì
ë
ä.
ì
ëü
ë
ë ì
[23]
÷
÷
ö
ì
ëü
ä
ö ëü
, ÷
ã
÷
ë
ì
.
÷
ö
ë
[24]
ì
÷
ëü
ë ì
ëüø äë
ì
ã
ã ä
ë
ì
ì ,
ì
ã
ë ì
ã
÷
ë ì
ì
ö
.
ì
ü
ëü ì
ë ì [25] äë
ö
ì ë
ë
ë ÷
ë
ëü
ö ëü
ë
,
ë ÷
ë ÷ ì ã
ä
þ
ä
ä ëü
ø
ä ë
ëü
ë ä
.
ë
ë
ö
ë
ì
ë
÷
ì
ë (ESI)
ø
ì
ì
äë ã ÷
ë ë ä
ë ã ì
[26],
ëü ãë
ì
ì
ìä
ë ã
ë
ì
ü
ë ä ì
ä
. ä
ä
ë ã
ö
ä ä äë
ì
ì
ëü
ä
,
þ
þ
ã
.
ë
ì
÷
÷
ö
äë
ì
ää
ë
ëü
ã
ä
[27].
ì
ä÷
ì
ö
ã
ä
ëü
ë ü äë
ë ,
ë
ë , ì
ë
ë ,
ë
ë
ä
, äë ä
ö
ä ,
ë
þ
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
7
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ì
,
ë
ëü
ö
ë .
÷-
ã
ä
ã ì
— ë
ü
ë
ä
÷
ì üþ ì
ì
÷
ì
ö ,
þ ì
ì
ìä ë
[28].
ë
ä
ã
ëü
ä
ã
÷
ö
ã ë
ì ì
ì
ä
ì
ã
ë ÷
ö ë
ì ä
ë
ä ì .
,
þ
ì ä
ì ì ëë ÷
ë
ë äë
÷
ã
ä ,
÷
ä
ì äë
÷
ö
ä
ã
63
Ni .
ä ëü
ë
÷
÷ ö
äë ã
ö
ö ëü
ä ÷ ã
[29],
ì ä ë ü
ë ÷ ü
ëü
ü
äë
ö
ì ë
ë
÷ ëü
ë ÷
ë
.
ëü
ì ä
, ÷
ë
ëü
ö ëü
ãë
ì ë
,
ë
ëü
÷
ö
ã
ä
ä
ü
ø
ëü
ä ã
Ni63.
ë ÷
÷
ö
ã
ä
ë þ
ë
ì
ä
þ
[30, 31].
ë ÷
ã ì
÷
ì
ä ÷
ö
ä
ã ì
ä
— ë
ü.
ä ì
ö
ì
üã ì
—ö ë ä ,
ëü
ë
ã
ë
ä
ë
ü
-
8
ã
ëüö
ë
ä
[32].
ë ì
ì
ö
ü
ä ,
þ
ö
ë
ö
ë ü ä
,
ë
ë
ä ì
ëüø
÷
÷
üþ [33].
ä
ë
ì
ë
ì
ã ì
—
[34],
ì
ä þ
÷
ä ë
ë
ì
ã
ä ,
ë
ì
üì
ü
ä
ã
ì üþ
ì
ë
ì
ë
.
ì
ì
ë ä þ
ì
÷
ö :
ë
ä
ä
ü
ö ë ,
ä
÷
äë
ã
ä ,
ì
ö
ë
ä
ëü
ä
äü
ë
,
,
ë
äë
ë ã
ã
ä .
ä
ë
ë ì
ì
ì ä
ì
ö
äì ä ë
ä ì .
ë ì
÷
ã
ã
ä
ë
ëüø
ë ì
ì
ü
ø ë
ä .
ì ã
ëü
ü
÷ö
ìëü
ã
ã
ä .
ø
ì
ìëü
ì
ì
ä ì
ì
ø
ì
ì
ë
ã
ë ÷ .
ëü
ì ëü
ã
ã
ä
ëüø
ì
ä ëüø ì
þ
ö ä
ä
ã
. ä
ì ëü
÷
ö
ì
ì ÷
ö
ë
ö ,
÷
þ ëü
ì ì
ã
.
ä ë
ö
ä
ä
ì
-
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
[35]. ë ì ÷
ö
ì
ö ëü ì
ì ,
ëü
ä
,
þ
ã
, ë þ
- ì ö
äø þ ä
ä ëü
ì ÷ . ä ì
ø
ä
ë ì
ë
ë ÷
ì ä
ë
ä ì
ã
ä [36].
ëþ÷
ì ä ä ø ã
,
ä
ã ì ä
ì
÷
ö
[37].
÷
ä
,
ëü
ì ëü
ã
ã
ä
ã ì
—
÷
÷ö
ä
ë
ë
ì.
ì
ã ì
ä
ö
ëþ÷ þ
ë ì
ì
ìëü
ì
ì ,
ì
ë ÷
ë
ëü
,
ö ëü
ë ä ì
,
ì
ã
ë ,ø
ì
ä
ì
.
ì
ë ì
ëü
ã
ä
ä ëã
÷
ë
ä ,
ì
äë
÷
ì ëü
÷ ëü
ø þ
þ
ä ëü
÷
ë ä
.
ì
ã ,
ã
÷.
ì
ä
ä ÷
ä
ë
ì
þ
ã
÷
ö
ã
ä
ì
ë ì ëü
ì
ì .
üä
ä
ì
ö
ä
ì
÷
÷
ë ì
ì
ë
,
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ä
ö
ä ë
ì.
ö ,
ì øë
,
[38, 39].
ì
ë
ä
ë
ë
ì
,
÷
÷
ì
-
ì
ì
ä
ä
ë
ë
ä ëü äë
ä , ë
÷
ë
ä ã
ä ã ,
ë ÷
ì
ë
ì
ì
ì .
ä
ë
ä
ã
ë
þ
ë ÷
ì ëë
ë
,
þ
ëü äþ ëþì .
ä
ö
ö
ë ã þ ÷
äë
ö
þ
ì ë
ë
ë
ì
ëë
ë
ä äë
ã
ö
ã
.
ä ë
÷
ì
ë ä ì ì ä
ä
ì
ë
ä ì ä
ö
ã ì
÷
ì
ì
ë
ì
þ
ì
ì äë
ä
ä
ìã
ì
ë ä ì
.
ì
ì,
,
ä
ë
,
ää
ã
ä ,
÷
ëü
ë
ä
.
ä
ì
ì
ä
ä
ì ä
ì
ì
ë þ
ëüëüø
ì
ë
ì
.
ì ì
ã
ë ÷
ã
ë
ã
ä
ë
ë
ë ì
ö .
ã
ë
ä
ë
ä
ì ëë þ
ë ÷
ì
ü
.
ì
ë
, ëþ÷ þ
÷
ö
ä ë
÷
ë þ
ë
þ
ë ì ì ä
ä
ì
ë
ä ì .
ä
ø äø
ì
ë
ëü
ö
ì
÷
÷ ì üø
ì ã
ì
ì
[40]. ä
ì ÷
÷
ë
ì ë ã
ì ä
ì
ì
ì
ë
[41].
ä
ë ä ,
þ
ä
þ
ë ü,
ë
÷ ë
ì
ì ë
ì
ì
ì
ë
ì.
ì
ì,
ì
÷
÷
ë ã ÷
÷
ì
ì
ö , ä
ë ÷
ì ë ì
ì
ì
ä
ë
ä
ä ö ë ä ÷
ë ì
ä ì
ì 15 ìì
äë
50 ìì [42].
ã
ö
25 ö ë ä÷
ä
ë
ä
ä ì
ì 1,7 ìì
äë
35
ä
[43].
ä
ëü
ää
ì
þä
[44]
ëþ÷
ã ë
ä
þþ
ü
ì ÷
.
ë
ë ÷
ã ë
ì
ä
ä
ø ì
ì
ì ë ì
10 ä 20
ì.
ö
ö
ë
ä ü
þ, ä ø
þ
ì
þ
ì
÷
þ ÷
, ä
ì
ä
ã
þ äë
ì ÷
ë
ä ëü
ë
ä ÷ .
ì
ã , ä
ë ã
ë ì
ä ë
ä
ë
,
þ
ë ã
÷
.
ä
ë ö
ä
ë
,
ã
ë
ì
ë ã
ä
÷
ë , ÷
ëüø
ì
þ
-
ö
ì üø
þ ã
[45].
ä
ë
ë
÷
ë
ä
ì ëë
ö
,
ä
ì
ì üþ
ì
ä
ë
ä .
ä
ë
ä
ã
ë
þ
ã ë
ã ì ëë ì
ä ì
ö
ã
ë
. ë ì
ì
ëü
ö ë
ä
ë
ä
ë ã þ
ä ã
÷
ë
. ë
÷
÷
÷
ì
, ë
.
ì
ì
ã
ä ë
ä
÷
÷
ã
ä þ
ö ,
ã
ë ì
ë
ã ì ëë ì ä ì
ö
ã
ë
.
ä
ì ä
ö
ë þ
ã
ã
ì ä
ë
ì
ö
ø
÷
ëü
ü ì
÷
ì
ö ì.
ì
ëüø
ë
- ì
ö ,
þ
ë
ö
[46].
ì
ã , ã
ä
ö
ë
ä
ìø 100 °
÷ þ
ì ÷
þ
÷
äë
ã
ä ë
ì ë
ë
, ä
þì
ä
ì
ë þ
ø þ þ
ü
ä ë
.
ëü
ü ì
÷
ì
ö ì
ë ä
ö
ää
ë
ë ,
ëü
ä
ë
ëüø ì
ã
ì ì
ì
ä
ë
þ
ë
.
ö ë ì
ö
÷
ë
ì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
9
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ë
ì
ã
ë
ì
þ
ã
÷
ë
ë
ä
ã
ã
ë
ã
ë
÷
ä
ë
ì
ëü
ä ì
ëë
ü
.
ä ÷ä
ì ,
ë ã
ä
ì
ã ë -
ä
ì
ë ,
ì ëë
ã
ä þ
ä
ì
ö ë
ì
ä
.
ä
ëüþ
ë
ã
ì
ë
ì
ëü
ö
ä
ì
ä ì äë
ä
ë
ëü
,
ë
ä
÷
,
ë ì ë
ì ö ëü-
.
ö
ä
ö
ë
÷
:
ëü ã
ëþ÷
ë ì ã
÷
,
ë
, ä
ë ëë
ã
ë
ä .
ë
÷
ì üø
ã
,
÷
÷
ëü
,
÷
ëë
ã ì
÷
ë
÷ ì
ä ë
ë üþ
ü
÷
ì ä ë . ë
ë ã
ø
ì
÷
ë
ëü
ö ëü
÷
ü ë ü
ö
ä ü
÷
ã ì
÷
ë
÷
ì
,
ëü
ä ë
ë
ëë
ì ë
ä
ë
ë
ì
÷
.
ä ä
÷
ä
, ã
ì
ä ì,
ä
[47].
÷
ì
ë ì ë
÷
ã
-
10
ö
ì
ì
ã
÷
ì
ë þ
ü
ì
÷
÷
ë
.
ä
ë
-
ë ì
ã
ì
ì
ø
ä ë
ä
ì
ä
÷
.
÷
ë
.
-
ë ÷
ø
ì
ë
ã ìì
[48].
-
ì ëü
ì
ã
ä ë
ì
ì,
þ
ë
ö
ë üä
.
÷
ë ÷
÷
ë
ë
10 ä 100 ì .
ì
ã ,
ì
ã
þ ë ë
÷
ë
ä
ö
ë ë
ë ì
ã
. ë ë
÷
ë
ä
ë
ã
ä
ë ø ì ë
,
ì ã
ä ü÷
,ä
ë
[49].
ä ä
÷
ì
ë
÷
ã
ã
ä
[50, 51], ãä
þ
ì ä ë
ä
ì
ì
.
ë
÷
ë
ë
ä
ë
ä ä ì
ì
ü
200 ä 300 / ì. ä
ë ÷
ö
÷ ö ,
,
ëë
ë
ä
ì ã
ë ä
ü
ä ë ã
÷
ä
÷
ä ë
÷
ä
ë
.
÷
ä
ì üþ ì
ä
÷
ë ì
ë ,÷
ì ä ì
ü
ì
ëü
ëüø ã
þ ã ã ä
ë
÷
ã
ë [52].
ë
ã ì
ë ÷
ø
ä
ë
ë
÷ ë
ä
ë
ä
÷
ì
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
÷
,
-
ë ÷-
þ
ì
ã
ë
ì [53], ãä
ä ë
ë
ì
÷
þä
[54]
ä
ë
ë
ì
äë ì
ä ë
ä
-
ì ä ë
ä
äì
ì
ä
ë äë
÷
ë
ì ä
÷
ö ì ã
ë ÷÷
ä ë
[55].
ì
ã
ì
ë
äë
ë ã
ã
ë
þ
ö
ø
ä ëã ì
ì
þ
ã
,
üþ
ë
ì
ì ë
ö
ã
ì
ì
ì
ì ì
ã
ì
ì ,
ë ÷
ëü
ì ÷
ëü
üþ, ë
ä
.
ë ì
ä
ã
ë
÷
ö
ã
,
ö
ä
ëü
ë
÷
ëü
÷ëü-
ä
ä ,
ü
ö
ä
÷
ëü
,
-
ë
ä
ëü
ã ä
ëü
.
-
ä
ì
ã
ë þ
ë
ä -
ä
ëü ì
÷
ä
,
ì,
-
Ni63.
ä
ä
ì
÷
ì
ö
ã
ì
ì
ö
ëü
÷
ã
ö
ì ëüëë
ä ì ä ë
ìì
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ä
äë
ì
÷
ì
ì ä ë
ë ÷
ë
ëüø
ë ä
ì ëü
ä
ä
÷
ã
-
ä
,
ì øë
ì
äëü
ä
ë ü
ì ëë ÷
ä
ë
ä , ì þëüø þ ì
ë
ü.
ì
ä ë
ä
-
ì
ë
ä
ë
ä ì
ë
ë
ì
ä
,
÷
ä
18.
÷ þ
ì
ä
,
ì
ì
ì
16.
-
ã
,
15.
17.
ì
ë
ã
13.
14.
üþ,
ì
÷
12.
.
ì
ì
-
÷
ä
ì
ö
ä
ã
þ
ë ì
ì
ä
.
1. Borsdorf H., Eiceman G. A. Ion Mobility Spectrometry: Princi ples and Applications // Taylor & Francis. —
2006.
2.
. .
ä
÷
ëü ã ã
ã
ë
ì ë ëì
ë ä
ä
ì ã
ä
//
.
ì. . .
. — 2005. — . 61.
3. Yinon J., Zitrin S. Modern Methods
and Applications in Analysis of Explosives // John Wiley & Sons. — 1993. —
Chichester. — England.
4. Julian W. Gardner, Yinon J. Fast Detection of Explosives Vapours and Particles by Chemiluminescence Technique // Electronic Noses & Sensors
for the Detection of Explosives. —
2004. — Vol. 159. — Chapter 5. —
P. 71—80.
5. <www.scintrextrace.com>. EVD 3500.
6. Vautz W. Breath analysis—performance
and potential of ion mobility spectrometry // J. Breath Res. — 2009. —
Issue 3. — P. 25—33.
7. <http://www.gesecurity.com.>VaporTracer
8. <http://www.morphodetection.com.>
MobileTrace
9. <http://www.smithsDetection.com.>
Sabre4000
10. <http://www.implantsciences.com.>
QuantumSniffer
11. <http://www.bdal.de.>RaidM-100
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
.
27/62.
1485808,
G 01N
ë
ì
ì ã
/ . .
,
. .
ë , . .
ëä
//
þë. — 1989.
<http://www.lavanda-u.ru>.
ë Good A., Durden D. A., Kebarle P. Ionmolecule reactions in pure nitrogen and
nitrogen containing traces of water at total pressures 0,5—4 torr. Kinetics of clustering reactions forming H+(H2O)n //
J. Chem. Phys. — 1970. — Vol. 52. —
P. 212—221.
Shahin M. M. Mass-spectrometric studies of corona discharges in air at atmospheric pressures // J. Chem. Phys. —
1966. — Vol. 45. — P. 2600—2605.
Kim S. H., Betty K. R., Karaser F. W .
Mobility behavior and composition of
hydrated positive reactant ions in plasma chromatography with nitrogen carrier gas // Anal. Chem. — 1978. —
Vol. 50. — P. 2006—2016.
Harrison A. G. Chemical Ionization
Mass Spectrometry // CRC Press. —
Boca Raton. — 1986. — P. 87.
Bell S. E., Nazarov E. G., Wang Y. F .,
Eiceman G. A. Classification of ion
mobility spectra by chemical moiety
using neural networks with whole spectra at various concentrations // Anal.
Chim. Acta. — 1999. — Vol. 394. —
P. 121—133.
Karasek F. W., Denney D. W. Role
of nitric oxide in positive reactant
ions in plasma chromatography //
Anal. Chem. — 1974. — Vol. 46. —
P. 633—637.
Stockdale J. A., Christophorou L. G.,
Hurst G. S . Capture of thermal electrons by oxygen // J. Chem. Phys. —
1967. — Vol. 47. — P. 3267—3269.
Spangler G. E., Carrico J. P. Membrane inlet for ion mobility spectrometry (plasma chromatography) // Intl. J.
Mass Spectrom. Ion Phys. — 1983. —
Vol. 52. — P. 267—287.
Leonhardt J. W. New detectors in environmental monitoring using tritium
sources // Journal of Radioanalytical
and Nuclear Chemistry. — 1996. —
Vol. 206. — N 2. — P. 333—339.
Matsaev V., Gumerov M., Krasnobaev L., et al. IMS Spectrometers with
Radioactive, X-ray, UV and Laser Ionization // IJIMS. — 2002. — Vol. 5. —
P. 112—114.
Ren-dong Ji, Xiang-he Kong, Xian-yun
Liu, Shu-dong Zhang. Design and experiment of a laser ionization source for
mobility spectrometer // Optoelectronics letters. — 2006. — Vol. 2. —
5. —
P. 399—402.
Michels A., Tombrink S., Vautz W.,
et al. Spectroscopic characterization of
a microplasma used as ionization source
for ion mobility spectrometry // Spectrochimica Acta Part B. — 2007. —
Vol. 62. — P. 1208—1215.
Gidden J., Ferzoco A., Baker E. S.,
Bowers M. T. Duplex Formation and
the Onset of Helicity in Poly d(CG)n
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
Oligonucleotides in a Solvent-Free
Environment // J. Am. Chem. Soc. —
2004. — Vol. 126. — P. 15132—15140.
. .
ã
ã
ä . — .:
, 1992.
Eiceman G. A., Kremer J. H., Snyder A. P., Tofferi J. K . Quantitative
assessment of a corona discharge ion
source in atmospheric pressure ionization-mass spectrometry for ambient
air monitoring // Int. J. Environ.
Anal. Chem. — 1988. — Vol. 33. —
P. 161—183.
Tabrizchi M., Abedi A. A novel electron
source for negative-ion mobility spectrometry // Int. J. Mass Spectrom. —
2002. — Vol. 218. — P. 75—85.
Jun Xu, Whitten W. B., Lewis T. A.,
Ramsey J. M. A Miniature Ion Mobility Spectrometer with a Pulsed Corona-Discharge Ion Source // Oak Ridge
National Laboratory. — 2008. — Oak
Ridge. — TN 37831. — USA.
Stano M., Safonov E., Kucera M, Mastejcik S . Ion mobility spectro metry
study of negative corona discharge in
oxygen/nitrogen mixtures // Chem.
L i s t y . — 2 0 0 8 . — V o l . 1 02 . —
P. 1414—1417.
Taylor S. J., Turner R. B., Arnold P. D.
Corona discharge ionization source //
U. S. Patent
5684300. — 1997.
Spangler G. E., Roehl J. E. Tradeoff
Analysis of Nonradioactive Source Alternatives for the XM22 Automatic
Chemical Agent Alarm // USACRDEC
Scientific Conference on Chemical
Defense Research. — 1991. — Aberdeen Proving Ground.
Spangler G. E. Low energy glow/corona discharge ionization source for ion
mobility spectrometry // 7th international conference on ion mobility
spectrometry. — 1998. — Hilton Head.
Taylor S. J., Turner R. B., Arnold P. D.
Corona-discharge ionization source for
ion mobility spectrometer // PCT Int.
Appl. — 1993. — P. 32.
Tabrizchi M., Khayamian T., Taj N. Design and optimization of a corona discharge ionization source for ion mobility
spectrometry // Rev. Sci. Instrum. —
2000. — Vol. 7. — P. 2321—2328.
Bell A. J., Ross S. K. Reverse flow continuous corona discharge ionization //
Int. J. Ion Mobility Spectrom. —
2002. — Vol. 5. — P. 95—99.
Karpas Z., Eiceman G. A., Ewing R. G.,
et al. Ion distribution profiles in the drift
region of an ion mobility spectrometer //
Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. —
1993. — Vol. 127. — P. 95—104.
.
ë
þ ì ä ëü
035034.
ì
ä/ . .
// þë. —
2006.
Carrico J. P., Sickenberger D. W.,
Spangler G. E., Vora K. N . Simple
electrode design for ion mobility spectrometry // J. Phys. E: Sci. Instrum. —
1983. — Vol. 16. — P. 1058—1062.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
11
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
41. Snyder A. R., Harden C. S., Shoff D. B.,
et al. Miniature ion mobility spectrometer monitor // Proceedings of
the ERDEC Scientific Conference on
Chemical and Biological Defense Research. — 1994. — Aberdeen Proving
Ground. — Vol. 15—18. — P. 145—151.
42. Xu, J., Whitten W. B., Ramsey J. Space
charge effects on resolution in a miniature ion mobility spectrometer // Anal
Chem. — 2000. — Vol. 72. —
P. 5787—5791.
43. Wu C., Steiner W. E., Tornatore P. S.,
Matz L. M., et al. Construction and
cha r a c te r iz a tio n o f a h i g h - fl o w,
high-resolution ion mobility spectrometer for detection of explosives after personnel portal sampling // Talanta. —
2002. — Vol. 57. — P. 123—134.
44. Baumbach J. I., Berger D., Leonhardt J. W., Klockow D . Ion mobility
sensor in environmental analytical
chemistry — concept and first results //
Int. J. Environ. Anal Chem. — 1993. —
Vol. 52. — P. 189—193.
45. Fagan R., Bradshaw D. Drift chambers // US Patent
6051832. — 2000.
46. Kim S. H., Betty K. R., Karasek F. W.
Mobility behavior and composition of
hydrated positive reactant ions in plasma chromatography with nitrogen carrier gas // Anal. Chem. — 1978. —
Vol. 50. — P. 2006—2016.
47. Jewell-Larsen N. E., Karpov S. V.,
Krichtafovitch I. A., et al. Modeling of
corona-induced electrohydrodynamic
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
flow with COMSOL multi physics //
Proc. ESA Annual Meeting on Electrostatics. — 2008.
Spangler G. E., Collins C. I. Peak shape
analysis and plate theory for plasma
chromatography // Anal Chem. —
1975. — Vol. 47. — P. 403—407.
Young D., Douglas K. M., Eiceman G. A.,
et al. Laser desorption-ionization of
polycyc lic aromatic hydrocarbons
from glass surfaces with ion mobility
spectrometry analysis // Anal. Chim.
A ct a. — 200 2. — Vo l. 453. —
P. 231—243.
Salleras M., Kalms A., Krenkow A.,
et al. Electrostatic shutter design for a
miniaturized ion mobility spectrometer // Sensors and Actuators. — 2006. —
Vol. 118. — P. 338—342.
Puton J., Knap A., Siod owski B. Modelling of penetration of ions through a
shutter grid in ion mobility spectrometers // Sensors and Actuators B. —
2008. — Vol. 135. — P. 116—121.
Avida A., Friedman M. The Design of
an Ion Drift Tube with a Uniform
Electric Field // NRCN(TN)-099. —
1986. — P. 123.
Soppart O., Baumbach J. I. Comparison
of electric fields within drift tubes for
ion mobilityspectrometry // Meas. Sci.
Technol. — 2001. — P. 1473—1479.
Eiceman G. A., Nazarov E. G., Stone J. A.,
Rodriguez J. E. Analysis of a drift tube
at ambient pressure: models and precise measurements in ion mobility
spectrometry // Rev. Sci. Instrum. —
2001. — Vol. 72. — P. 3610—3621.
55. Jun Xu, Whitten W. B. Monte Carlo
simulation of ion transport in ion mobility spectrometry // Int. J. Ion Mobil.
Spec. — 2008. — Vol. 11. — P. 13—17.
“
.
.
, . .
, . .
ì
ä
ä
,
ã
,
ë
ä ë þ
þ
ì
.
.
,
ì
.
.
.
,
ã
ë
ì
ä .
-
”;
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
—
“
-
-
”;
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
—
“
-
-
”;
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
—
“
-
”;
— -
,
.
“
-
.
-
”.
(495) 324-01-84
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
ë
,
ä
ã
ë
)
ë ÷
ö
,
ëþä
ì
ì
(
-
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
,
-
ä
÷
ëü
þ
ë þ
÷
ö
ë ä
ä
.
ã
ë ä
þ
-
þ
ä
-
.
ì
ä
ì
÷
,
ë
ì.
ì
ä ì
ì ë
,
ä
ì
ì
,
ì
ä
ëü
ë
ä
ä
12
.
-
“
,
ä
ã
:
ì
ë ,
—
(495) 324-01-84
������������
ì
ä
[1].
ì
ì
-
”;
681.785.235
.
.
—
-
ä
÷
,
.
,
ì
,
ä ì
ëþ÷
ì
ã ,
,
þ-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ë
ö
ì ë
ø
ë
÷
ì
ë
÷
ä ø
ä ,
ë ä þ ì ä
ä
þ
ì
ë .
ì
-
.
ä ã
ä ë
þ
ä
ü,
ì
ë
ä ë ü
.
ëü
ä ë
ì
.
ëü
ì
, ë
ä
ì
.
ì
ä ÷
ë
ë
ø
ëü
ë
.
ë
ä
ì üþ
ä ÷
ä
ì
.
ìä
ã
ä
ì
ì
ì
ë
ä
ü
,ä
ä
ëü
ì
ã
÷
ë
ì
ì
ëü
ì
ä
ì
ì üþ
ä
ö
(
ä
).
ë
ä ä
ì äë
ä ì ë
ì
ã
ì
ë
.
ë
-
ì
ë
ì
ì
ë
ü
ä
ã
ìä
-
ü
þ
ë
ì
,
ä ì
ì, ÷
ë ü
þ
.
-
,
ö
ü
ì
ö
ë
.
ã ,
ì
ë
,
þ,
ä
÷
ã
ä
ì
ì
ë
-
ä
ì ë
ä
ì
ä
ì
ä
ë
-
ã
ì
ã
,
ö
÷
ä
ì ë
ë ÷
÷
ã
ä
ë ä þ
ì
÷
ì.
ë
ä
,
ë , ÷ ü
,÷ ä ë
ä ì
ä
ö
ö
ì ë
ë
ä .
ì ,
ë ë (TNT) ì
ä ë
ã
ì
ì,
þ
ö
ö
1 ppb,
ä ë
ã
ã
(RDX)
ëü
ä
[2]. ë
ë ÷
ë ÷
ì ë
ë ë
ì
ã
.
ì ë ä
÷
ü, ÷
÷
— ÷ ü
ä
,
,
ë ,
ë ã þ
ã
.
ì
ü, ÷
ä ì
ä
ä
ü
ì ã
ëüø ì ë
ë
ä
ë
,÷ ìì ë ë
÷
ã
.
ö,
ä
ã
ä ë
ä
ë ü
ä
ä
ì
ü, ÷
ë ä
ë
ëü
ë
ì
þ ã
ä
.
ì
-
ö
ë
ü
.
ä
ö ö ,
ã
÷ ì
ã ë
—
ë
ä
ã ã
(
) [4].
ë ä þ
üþ ä
ü
÷
ëü
ë ÷ (ä 20 ì
%) ö ë
ä ë ü
üþ
ä
ì
.
ä
ä
÷
ë ä þ
ä ì ä :ã ì ä
, ë
,
ö ,
þ
ë
ä ì
üþ
ö
ö .
ã
,
ä ì ë
ë
÷
ã
ä
,
ë
äë
1976 ã. [3] ø ì
äë
ë
ä
ã
ä
ã
ì
. ä
ä
ì
ö
ã
ë ü.
ä
ä
ë ä
ã
ëü
ì ì
ë ÷
ø
÷
ë ë
ë ã
ã
[4].
ì
ã
ä
. 1.
÷
ä
ë
þ ì ëë ÷
þ
,
ä
ö
ì
ëüø
ë ÷
(
ëü
ì ëë ã ìì )
ä ã
.
ì
ö ëü
ã
ëü, ìã ì
ì
ü
ä ë
ì
ä 120 °C
÷
üþ 0,5 °C.
ã
ä
ä
þ
ã
ö
.
ã
ì
ö
÷
ö
ì ø
ä
ì
ä
ä
ã
ëü
ä
ä
,
ëü
ì
äë
ë
. 1.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
13
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ë ì,
ì
÷
ä
ä
ä
ä-
ì
ä
ì
÷
ì
ì
ã
ä
.
ã
ä ì
ã
ì
ë
ä
ö
ì
ì
.
, ä
ã
ë
ì
ä
ö
—
ö
:
= N0D(H/L),
M
ãä M
ã
ä
ë ÷
ì
ì ì
,
(1)
ë ÷
÷
þ ã
; N0 — ä ë
ä
ì
ã
;H(
) L (äë
)—
ì
,
ä ä
;D—
ö ä
.
÷
ë ÷
H
L ì
ä ë ü
ã ì
,
÷
ë ÷
D N0
ë ÷
[5].
ëü
ì
÷
÷
ëü
ì
(1)
ä TNT
ì
ì
ë
ë
1,2•10–10 ã/ ì3.
ì
ã
÷
ä 80 °C ë ÷
ä
ã
–8
3
ë ÷
ä
ë ÷
5•10 ã/ ì ,
÷
ä
ì,
ä
ì
[6].
ë ÷
ä
þ ë ä
ì
ë ÷
ì
÷
,
þì
ë ÷
äì
.
ä
ë ÷
ä ë
÷
ü
ì
ä
.
ä
ã
ì
ì ë
ë
ä þ
ä ø
,
ü
ã
ã ë
ä ë
4 ä 30 ì3/ .
ë
ì
ü
ü
ë
ä
ü
ì þ
ìþ
ö
ö þ
.
ë ë
ä
ä
ë
. 2.
ä
ä
ì
ë
ä ë
,÷
ë
÷ ã ë
ã
-
ü
ëü
ö
ø
ì
.
ì
ëü þ
ì
ü
ë ÷
ë
ë ã
ë ÷
,ä
ì
ì ë øü äë ë
ë
ë
ã
ì
ëü
ä
ã , ÷
ä
.
÷
ì
ø
ì
ã
ì
ã
ë
,
ì
ä
5—7 ì ,
ëü
÷
ë
ì
ë
ä
ë
ä ÷
ì
ä
ì
ä
ö ëü
÷
),
ë
ë ë ä þ
ì
ì
,
ã
ë
ë
ì
10 ,
ëþ÷
ì
÷
,
ì
÷
ì
,
ì .
ì
ä
ëü
ì
ã
ä
ì
ü
ää
÷
ä
ä
2
ë. ä.
1000
500
0
15
20
25
30
ì ä
. 2.
1—
14
ã
35
40
45
50
,ì
TNT:
ë; 2 — TNT
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
ëü
÷
ä
ä
ü ä 10–11 ã/ ì3.
ëü
ã
ì ã
ë
ëü
,
ì
,
ä
ëü
ì
äë
ì
(
ì
ä ë
ì
ë ä þ
-
ì
ä
ì:
ö
,ì ë
ì
ëü
ë
üþ
ë
ã -
,
-
ë
.
-
ì ÷
÷
,
ö
-
ë
ã
ä
ä.
ö
ã
ã
þ
ì ë ë
.
ä ä
ëüä
.
ë
ã
ä
ì
ö
ì
ë
ë ä
ëü
ä
[8—10].
÷
ì
ö
ëüø
,
1
ë
ì ë
ë
ä
1500
ë
÷
ä [7]
ö
TNT
ë
ø
÷
ø
ã
2000
ä
ä
þ
ä ,
ë
ë
,
ì ì
.
ü ä
÷
,
ä
ëüö ÷
ü
ä
.
ëüø ì
ë ëü ì
ì
ä þ ä
÷
. ä
ä
ëüëü
ã
ã
ä
ä
ì
ëü
ü
÷
ë
÷
.
ë ä
ä
ö
ã
ä
ä ë ü
ö ëü
ì ì
.
ä
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
COR_ TL
T1
+12 V_POW
+
C1
C3
U1 3 4
7
Fb C 1
Vin
2
Out 8
on GND
+
5 6
C2
PGND
C4
PGND
Q2
COR_ON/OF
. 3.
ä
ë
ä ,
ë
ë
ë
0,5 ìì
ëü
ì
ë ã
ë
.
ë
ä
ë ã þ
2 ìì.
.3
ì
ì
ë
ã
ì
ã
ä .
ë þ
ã ë COR_CTL
ì
8ì ì
ëë
ì
ä
ì
þ
÷
ì
ì ö .
ä ë
ëü
ã ë
ä
ã ëü
ì ëü
ëü
U1
ã ë
ã
ä
ä
0 ä 12 .
ä U1
ä
ëüë ,
ì
ë
ø þ
ì
1,
ë þ
ë ÷ ü
ä
ì
ì ë
ä ä 800 .
ã ë
ä
ì
ä
ä
ëü
.
ë
ëü
ë
ë
ä 1 (4700
2
).
ë
ë
ä
2.
ë ,
ë
ã
ä
2
ä ë ,÷
ä
1
ë ä
ëü
ä
ì
ä
3.
ã ,
ä ì
ä
ë þ
ä
ì ë
ä
ä ëü ã
ã ë .
ì
ì
ä ã
ã ë,
ì
ì ëü
ì ë
ä
ã
ë
0,8•4 = 3,2
.
ã
÷
ëü
ä
ãë
÷
ã
ä .
ì
ì
ä
÷
ö
ã
ä
ì
ã ì
þ
— ë
ü, ÷
ë ë
ì
ä ì
÷ ã
ë
÷
ã
ä .
ä
ì ä
ë
÷
ì
ë
÷
.
-
ö
ë
þ
þ
ì
ì
ã
ä
ä
ä .
. 4.
ã ,
ì
ä
ë
÷
ã
ì -
ä
ë
÷
ëü
ë
ãë
[11],
ä
ö
ë
ë
ì
ë
.
ëüø ã
ì
ã
ì
.
ì,
ë, ÷
ä
ì
-
÷
ã
ì
ä , ì
ä
ä
ì
÷ ã
÷ ã
ëü ì ä
ã ìì
ë ÷
ã
ä
, ä
ü
ë ÷
,÷
ëëþ
þ
ë ÷
ì ã
-
.
ì
ë
ì
. 5.
ã
3000
2000
,
ë. ä.
2500
1500
1
2
1000
500
0
15
. 4.
1—
20
25
30
ì ä
35
,ì
40
45
:
ã
ë; 2 —
ë
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
15
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
÷
3000
ä
ì ë
,
,
1
1500
ë
ì
ì
ë þ
ì
ì
ë
ì
ì
ë
ì
4
ã
ì
5
500
ä
.
ä
3
1000
ä
ã
2
ë
ãë.
ëü
2000
ü
ë
äë
2500
ë. ä.
ä
ë ÷
ø
2,9
ì
ì
ë
þ
-
ë
ì
ã.
ë
ì.
6
0
15
20
25
30
ì ä
35
40
45
ä
50
. 5.
ë
ã
ë; 2 — 1
; 3 — 1,5
; 4 — 2,5
;5—
; 6 — 4,5
, ÷
ë ÷
ä
ã
ì
ö
ëü
þ ã
ä . ä
,
÷
ä ë
ã
,
ä
ë
ì
.
÷ ,
÷
ë
ì
ë ÷
ì
ä
.
ë ÷
ì
ë
ã
ë
ë ÷
,
ü ë
÷
ã
ë
þ ã
ë
ä
ì
,
ë
ë
.
ëüø
,
ä
ì
÷
ã
ä , ë
÷
ã
ä
ã
ãë .
ì, ÷
ë
÷
ë ä
ëü
ø ì
ë
ëü ì
ì ,÷
÷
ìä ì [12].
ëüø
ë ÷
ã
ä ë
ë
ä ë
ë
ëü ,
ä
ë ÷ NO2 ë ÷
ø
3
.
þ ÷
äü, äë ã
OH (
ì
÷
OH–
ä
,÷
ä
ì
ì
ë
ä
2
ö
ä
ì
ä ,
ì
ä
ä ,
.
ë ÷
ì ì
ä .
16
,
ã
ëü
)
ä
ö þ ãë
ü
÷
÷
ü
ã
ì
ì
ã , ì
ã ã
ì
ì
ä
, ä
ëü
ì ä
ë ÷
ëþä þ
ä .
ì
ë
ì ä
ì ã
ë
ã
ì ã
-
ì ,
ã
ì
ü
ë -
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
ì
÷
ä
ã
ä
÷
ü
,
ã
ü÷
ä
ã
ë þ
ë ä
ü
ë
ë
÷
ë
.
ì
ëë
ì
ã
üã
ö ëüþ
ì
(
÷
ë
ë
ä
ö
ì
ã
äë
-
ì
ü ì
ä (äë
ä ).
ì
ë
)
-
ëü
ì
ø
ì
ü
ì
,
ë
ä
ì
ã ã
ë ÷ ä ü
-
ì ã
ëü
.
ëü
ä ì ä
ë
ä
ì ë
ã
ì
ö
ë ÷
ì
ä
ä
ëü
ä
:
1—
3,5
ë
,ì
, äë
ä ì
ë
ëü
ü
ì ä
ü
ëü-
-
.
1. Eiceman G. A., Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry (Second
edition) // CRC Press. — 2005.
2. Rodacy P. The minimum detection limits of RDX and TNT //
Explosive Subsystems & Materials, Sandia National Laboratories, 1993.
3. Pella P. A. Generator for Producing Trace Vapor Concentrations of 2,4,6-Trinitrotoluene, 2,4-Dinitrotoluene, and Ethylene Glycol Dinitrate for Calibrating Explosives Vapor Detectors // Analytical Chemistry Division, National Bureau of
Standards, 1976.
4.
. .
ë ä
ë
ä
ã ã
ä ì
ì //
ö
. . .
ö ëü
02. 00. 01
, 1996.
5. Davies J. P., Blackwood L. G., Davies S. G., et al. Design and
Calibration of Pulsed Vapor Generators // Anal. Chem. —
1993. — N 65. — . 3004—3009.
6. Leggett D. C., Jenkins T. F., Murrmann R. P. Composition of
vapors evolved from military TNT as influenced by temperature, solid composition, age and source // Cold Regions Research and Engineering Laboratory. — Hanover, New Hampshire, 1977.
7.
.
ë
þ ì ä ëü
035034.
ì
ä
/ . .
ë
// þë. — 2006.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
8. Hickling A. Modern Aspects of Electrochemistry. L. // Butterworths. — 1971. — N 6. — P. 329.
9.
. .,
. .,
. .
÷
ì
. — .:
ä ëü
, 1998. — 480 .
10.
. .
ã
÷
ë
÷
ä /
ä ä. . .
. — . — .:
ä
ëü
, 1953.
11. Stano M., Sabo M., Kucera M., et al. IMS study of Negative
Corona Discharge in N2/O2 Mixtures in N2 Drift Gas // Asta
Physica Universitatis Comenianae Vol. L—LI, N 1, 2
(2009—2010) — . 77—83.
12.
. .
ëü
ã
÷
ì . — .:
, 1991. — 224 .
“
—
”;
-
.
.
— - .
.
“
“
-
—
“
-
.
—
.
-
.
.
,
÷
.
.
,
ì ëü
ì ä ë
ëü þ
ë
,
ëü
ì
ì
ã
.
ì
ëü
.
ì
ì
ã
ö
.
-
,
÷
ëü
ì
ä ÷
ã
ëü
ë
ì .
ë
ö ë
,
ë
ö
ë ã
þ
äë ä
÷
ë
ì
ä
ì
ö ,
ì
ü
.
-
-
ì
.
ä ì ëüì ë
-
ë ä
ø äø
ä
ì
ëü
ö
,ì
ì
ü,
ü
ë
ö
ä
ä
ä
ì
ë
÷
ã
÷
ä
,
ü
-
ì
þ
ä
ë ä
ì
ë ÷
ä
(ä
ì
, ä ä ,
ë
,
÷
÷ ì ä
. ä.).
ë
ì
ë
ë ä
ë ÷
÷
ö
äì
ì üþ
ì
÷ ã
ë
ë ä þ
ì ä ã
ì
ì
.
ä ì
ü ä ã
ì
֋
ë
ë ë
ì ë ì
ë ÷
ì
ìä ë
ì
ä
÷
.
þ
ì
ä
,
Vapor Tracer,
Ionscan, Sabre, Quantum Sniffer,
ì
,
ä “
ë
”
[1], ì þ
÷
ì
ü
ì,
ë
ë .
ì
ø
ëþä
ë ,
ì
ã
ì
.
÷
,
,
ë äë
ë .
ã
÷
.
,
,
ë ,
ã
ã
.
.
:
ë ÷
ëü ë
.
ä
ä ,
ì
ü
þ
ë
.
”.
-mail: NVVarlamov@mephi.ru
ä
ëü
ë
,
,
-mail: AMNikitin@mephi.ru
“
ö
ë ,ä ë
ì
ä
ë
ö
.
������������
.
ì
-
”;
—
,
þ
,
-mail: VVShurenkov@mephi.ru
. 9967
. .
. .
ì
.
”;
681.785.235
ì
.
-mail: vspershenkov@mephi.ru
-mail: vasilievvk@yandex.ru
ä
,
”;
”;
8 (495) 788-56-99,
-
-mail: vvbelyakov@yandex.ru
“
—
,
ö
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
17
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ã
ì
÷
ã
ë ,
ì
ä
ë
ü
ì
ë
÷
ëü þ
ä ì äë
ì ,
÷
ì.
÷
ä ì
ø
ì
ë ì
ã
ë
ë
ëü
ëü
ã
ä ã
ì
÷ ã
ì
ì
÷
ëü
ã
ì
ëþ÷
ö
ì
ü
ëü
ã
ë
ä
.
ä ä
ä
ä ì
ë
ë ì,
ì
ä
ì
ã
ë ä
ì
÷
.
ë ã ÷
ä ä
ëü
,
ëü þ
ì ëü
ã
ä
ë ì
[2, 3].
ëüþ
ë
ëü
äë
ì
ä
ì ã
ì
ì
÷ ã
ì
äë
ë
ä
ì
÷
ì
ì
,
÷
ã
ã
ë ì
üþ äë
ää
ìë .
ì
ëü
÷
ä
ä
, ÷
ö ë ä þä
ã ÷
. 2.
-
,
ë
ë
ã
ì
ì ëü
ã
ì ëü
ã
ëü
ëü,
ã
ì
ã
ì ë
ö
ë .
ë -
ã
ä
180 °
ëü
ëü
ö
÷
ëü
ë
. 1.
18
ä
þ
,
ä
ä
ë
ë
÷
.
ä
ã
ì
ë
ì ëü
ã
äë
ã
÷
200 °C
10 ,
÷ ëü
ì
ì
.
ì ëü
,
ã
ëü
ëü
ã
ã
ë
ëü,
ä
ëþ-
.
ë
ì
ì
-
ä
ä
ä ÷
ã
ì
ü
ë
ì
ì
÷
ë
ä
ë
ì 25
ã
ã ä
ä
25 ìì
ë
ì
ëþ÷ ë
ì ä ë
ö
,
.
. 2
ä
ë
ì ëü
ã
ã
ë .
ã
ëü
12 ä
ë ì
,
ë 1 ìì ä ã
ä ã . ë ì
ã
ë
ä
ë
ë
þ
ë
ë
0,125 ìì
ì
ì
25 1 ìì. ë
ää
,
ö
ä
ë
ä
ë ì
ì
ä
,
þ
÷
þ ë . ë
ã
ì
÷ ã
ë
ö ì
ëü
ä ÷
ë
ã
ë ,
þ ã
ì ëü
ì
ì , ÷
ä ø
.
1 ìì
ã
ë
ë ã
äë
ää
ì
÷ ã
ë .
ãì
ë
ã
ë
ì ì 2 1 ìì
ë ì
ë
ë
ì
ã ÷
,
ä
ë
. 3.
ë
÷
ä
ì
ã
ë ä
ë
ë
÷ ë
ì ä ë
ëü
ì
ì
÷
ã ì ä ë
SPICE. ì ä ë
ë ÷
ë
ë
ë ì
ì ã ÷
ì ëü
ã
ã
ë ,
ë
ì
ì
ëü
ë .
ë
ì
ì
ì
ã
äë
ë
ë .
ã
÷
ëü
ëü-
-
÷
ë ì
÷
ä
ë
ì
ã
ã
÷
ì ã
ì
. 1.
ä
.
ì þ
-
ë
ä
-
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ä ø
ã
ö ì
ã
,
ì ã
ää
ì
þ
ã
÷
÷
÷
ë
-
.
ë
ä
÷
ä
ë äë
ì
. ë
ä
÷
ä
þ ì
÷ ã
ëü
ë ÷
ì
ì ëü
ã
ã
ë ä þ
ì
ä ì
ö
ä ëü
ì
ì
ã
ì
ä
. 4.
ë ÷
ëü
ä , ÷
ä
ä
ë ì
ë
ü ä ÷
ã
ì . ë ë ÷ø
ä
ì
ä ì
ì üø ü
ä ø
ã
ë ì
ì
÷ ì
ë
ã
ë
ã
ë
,
÷ ü
ä
ä ë ì ã
ë
ã
ë
þ þ
ä .
ã
ã
ì
÷
÷
ì
ì
ë
ë
ã
ì
÷ ì ë
ü.
ã
ì ä
ì äë
-
1 ìì
2 ìì
. 5.
R
I
ë
R
ä
ì
ëü
C
ë
ã
ë
R
ë
ã
ì
ää
ã
ë
äë
÷
÷
-
.
C
R
ë
ë
ä
. 5
.
R
C
R
ã
ö
ë
ää
ë
÷ ã
ì
÷
ü
÷
. 3.
ëü ì
-
ë
÷
÷
ë
300
1
240
,°
2
ã
ä
180
÷
ì
120
ã
60
ö
ü
0
0
2
4
6
8
10
12
ì ,
. 4.
14
16
(
(
2)
18
20
1)
ä
ø
ì
÷
þ
ì
þ
ää
ì
ì
ö
ã
ëü
.
ì
÷
ì .
ì
ë ÷
ã-
ë
ì
ü
ì
÷
ë
ì
ä ë
ëþ÷ þ
ì ëü
ã
,
ä
ì
ã
ì
÷ ã
ë
þ ÷
ö
.
ä
ì
ë
þ
ì
ì
ä
.
ä
ì
ì ëü
ã
ë
ëþþ
,
ëþ÷
ë
ë ä
,
ë
÷
.
ø
ë ä
ì ã
ì ö ë .
ë
ë
ö
ì
ã
ë
ì
ë ì ëü
ì
ã
ë ì
ì
ëë
ì
ë
ì.
ëü ì
ã
ë
ë
ì
ã
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
19
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
2.350E+00
ì
26
220
2.3500
58
150
2.2000
÷
ë
ë ë
ì ä ë
ì
ã
ì ÷
ì ì
.
üä
ë
ä
ì
ã
ä
ë
ì
ì
ì
ã
ë
,
1
2.230E+00
ä
ë ,÷
,
ã
ë
ë
ä
ì ö
.
ì
ì
ë
ã
ä
ì
ë
2.111E+00
2
ä
-
-
ü
ã
÷
.
ã
ë
1.991E+00
1.871E+00
1.993E +03
1.
5.095E +00 1.019E+01 1.528E+01 2.037E+01
ì ,
. 6.
ì
ë ÷
ì
ã
ã
ã ë
.
ì
ë
ä ÷
.
ë
÷
ë
ë ÷
ä
ë ä
ì
,
ä
ì
ë
ë
.,
.,
.
ä .
äë
ë ä
ë ÷
÷
// Chi p News. — 2007. —
4. — . 40—41.
2.
. .,
. .,
. . ä .
äë
ë ä
ë ÷
÷
ø
ëüö
÷ ë
ä
ì
//
÷
ì . — 2009. —
7. — . 44—49.
3. Flash Vapor Sampling for a Trace Chemical Detector Patent
No. US 7.098.672 B2, Date of Patent: Aug. 29, 2006.
“
—
”;
-
.
.
,
-
(495) 324-01-84
. 6
ä
ë
ì
ì
ì
ë
ì ëü
ì ã
ä
÷
ã
ã
ì ëü
ã
ã
ã ä
ë
ëü
ã
ë .
ëü
ë
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
ëü
ã
ë
.
-
1
ë
ë ,
ã
ì
ä
ö
ì
“
-
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
2 —
ëü
ã
—
“
-
.
.
,
-
,
-
”;
-mail: VVShurenkov@mephi.ru
÷
ë ä þ
—
:
—ì
ü
—
ö
— ì ëü
—
ä
—
”;
ä
ë ì
ü 60
ì
ì 30
ü 20
ì
;
;
;
.
“
.
,
”;
-mail: AMNikitin@mephi.ru
—
“
20 .
.
.
”.
-mail: NVVarlamov@mephi.ru
—
ëü
ì
ã
ì
ì
÷
ìë .
ã
“
”;
E-mail: artfill@inbox.ru
Óâàæàåìûå ÷èòàòåëè!
“
”,
,
(
)
,
.
,
.
. (495) 330-42-66
(E-mail: datchik@ipu.rssi.ru) —
.
: 117997,
20
.
!
-342,
-7,
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
., . 65,
,
. 104.
-
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
������������
681.785.235
.
.
.
.
,
ü
.
ä
.
,
ë
ì
ì
ä
ü
.
ä
ä
ì
þ
ë
.
.
,
ë
ì
,
ëã
ëü
ë
ì
ã
ã þ
.
ä ì
ë
ä
ä
.
ã
ä ,
,
ä
.
ì ä ë ö
ëü
ü
ë
ö þ
ü
ë
,
.
,
ë
ì
÷
ø þ
ë ÷
ü
ì
ì
äë ã ì ã
-
þ
ã
÷
ë
-
.
:
,
,
,
-
.
ì
ì
ì
ä
ä ì
ì ÷
ë
÷
ì
ë
. 1)
ì ä
(
ì
ã þ
:
ä
ã
ä
ä
ä
ë ;ä
þ
;
ä
ö
,
ì
ä ë þ
ä
ë
ì
ë
ã
ä
ì [2, 3].
ì
ëþ÷
ë ä þ
ì
ö ,
þ
ä
,
ö ;
äë
ì
; ì
ä
,
ë
ä
ì
ì ë
÷
ì
ë, ãä
ä
ì
ì
,
ëü
,
,
ää
ø
ì
ã
ë
üþ ä
ì
ä
ì ,
ëë
ì ä
ì
ì
ì ÷
ë
.
ä ë
ë ü
, ä
ö
ë
.
ë
ä
ë
ë ÷
÷
ì ,
ø þ
ì
ì
ì
÷
.
ëë
ì
,
ë
ëë
ã þ
ì
ü
ë ÷ ì
ë ÷
ëü
.
ëü
ë
ë
ü
ü
ì .
ì ëü
ä, ì
ëü
ì
ã
ä
ì
ëü
ë ÷
ã
—
—
,
—
—
ä äë
ë ä þ
ì
ä
ì
ü ã
ö ëü
ë
ì
÷ ë
ì
ëü ë
ä
, ÷
.
ì
)
ä
ä
ì :
ì
ë
ö
ì
÷
;
ë
;
ü
ì
ì
ëü-
ã
ü.
ä
÷
,
ö ì ë
ã
ä
-
ö
-
ö
ö
ü
ëü
ë
üþ
,
ü
ü
ë
ö
ë
-
ì ü ä,
ë ã
÷
ëü
÷
ì
ì
ë
;
ì ã
.
ì
ë,
-
,
ä
ë
ü
,
ö
( ì
-
ä
÷ þ
þ
ã
ö
ã
ë
÷
ëü
ö
ì
ä
ì
ä
ì
-
ã
ä
ä
.
ë
÷
ö
.
ä
ä
÷
ë
ä
ä
ì
E1 E2
ë
ü
ü
÷
ë
ë Eä
ëü
ä
2
ë
ë
þ
ä
1
. 1.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
ëë
-
21
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ä
-ì ë
.
ë ,÷
ë
ö
ì
ì
ë ä
ä þ
,
ëü
ü
ì ÷ )
ë ì
ì
ì ä
÷
, ì ë
1
(
ìä ë
ä ì ë
ë ì ä
. 3.
2
1 — ä
.
ëü
ä ã þä ; 2 —
ä
ë
ä ; 3 — ìëü
ã
äë
ä ã
ã
ä ì ä
ì
ä ã þ
ì
ë
ä ì ; 4 — ì ëü
ã
äë
ä ã
ì ã ëü ã
ä ì ä ä
ë
ëü ì
ä ã þ
ì ë
ä ì
÷
ä
ëë
R
ã
R
ã
R
ã
R
ã
ë
ë
ëü
ã
ë
ã
ä
ë
þ
ä
ä
. 2.
22
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
3
4
ëü
ä
ä
ëü
ë
ë
ã þ
–
+
ö
ã
ä
ë
ä
þ
äë ,
ì þ
ë
þ ì ë
ä ì, ë1 ìì
ë
ì
ä
ì
ì
ë
ä ì , ì ä
ì
ä ÷
ã
ë ì
ã
ä (
. 2). ã
÷
þ
ë
R ã
ëü þ
äë
ã
.
ä ã
ã
ä
ä
ä ÷
ì ä
ì
ä
ë
ä
ì ë ì
ì
,
ãä
ë
÷
ë
ø
ü
ä ø ã
ì
[4, 5].
ì
ì
ä
ã
÷
ãä
ü
÷ ë “
”
ë
,
ä ö
,ä
ì
ì ÷
ã
ë ÷
ëþ
ö ö .
ë ÷
÷
“
”
ë
ä
ì
þ ë
ã
ö
÷
ö .
ëü ì
ä
÷
ö
ö
ì ëü
ì
ì ,
ëü
÷ ã
þ
ã
.
÷
ö
ì
ö
,÷
ä ã þ
ë
ä
ä
ë
ã
ë
÷
ã
ë ,
ì,
÷
þ
ë ü
ë
ö
.
ì
ã
ä
,
ö
þ
ä ,
ë
ì ä
ì
ã
÷
,
÷
ä
ä ã
.
ë ä
ëü
ä
ä ì ë ÷
äë
ëü
ì ë
ä
ì-
:
ëü
ü
-
ã
ë ÷ ë
ëü
ëü
äëüø ì
ì
ì
ë ì, ÷
ë ÷
ì
ã ë
ã
÷
ëü
. ë
ä
ä ì
ä ë
,
ö
ä
ë ë ü
ë
ì
ë
,
÷
þ
ë
ö þ
ö
ä ã
,
ë ä
,
ø
÷
ëü
÷ ë ë
.
ä
ø
ä
ë ì
äë
[6], ãä
äë ã
ëü
ü
÷
ö
ä
ë
ëü ì
ä ã þ
ì
ë
ä ì (
. 3).
ëëü
ä ã þ
ë
ä 1
ë þ ì ëü
ã ã
4,
äì ä
ì
ì
ä
ì
ì ëü ì
ä ã ,
ä
ä
ë
ëü
“
ö
þ
”,
þ
ëü ì
ä ã
ä ì ä
ì
ë
ä ì 2,
ë ì ì
ëü
ì
ì ëü
ì ã
ì 3.
ä
ì
,
÷
ëü
ä
ë
ëü
ë
ä
ë
ì ì
ëü ì
ä ã
ä ì ä
ì
ë
ä ì
ë ÷
ë
÷
ã
ë
ë
ö .
ä
ì
ä
ã
ä ã
÷
ë
ë
ì
ö , ÷
ä
ë ÷
þ
ã
,
ø
þ
ä ì
þ
ë ã ÷
ä
.
ø
ë ì
ëü ã
ä ì ä ä
ë
ëü ì
ä ã þ ì
ë
ä ì ,
ëü
ä
ì ë
÷
ì
ë
þ
ë ÷
ü
ã .
ä
,÷
ë
ä
.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ø
ë
ä
ä
÷
ë
ä
ì
ã
-
.
ì
ì
äã
ã
ä , ãä
ä ã
ä ë
ä
: äã
ëü þ
þ.
äã
ëü
ä ã
ë
ì
÷
ëü
ì
ëü ã
ë
ë
ì ëþ, ÷
÷
ö
þ
ö
ö þ
ë
ä
ë
ä ã
ì .
ì
äã
ëü
ä ã
ã
ä
ì
ä
÷
ìëü ë
ì ëü
ä ã þ
ë
ä , ÷
ä
þ ë
ã
ä ì ä
ì .
,
ø
ì,
þ
ë
ä ã þ
ë
ä
ë
ä ,
ëü
ü ë
÷
ã
ë
ì
÷
ì
ë
÷
.
÷ ë
ö
ë
ì
÷
ë
ä
ì
ëü ã
,
ì“
ö
þ
”
þ
ü ë ü
ä ã
ë ä
ì ë
ä
.
ä ã
ë
,
äã
ëü
, ä ÷ ì ì ëü ì ë
ì ëü
.
ì
÷
ëü
ü
ä ã
ã
ä
÷
ä ì
ì
,
ø
ì
äã
ëü
ä ã .
ì
ø
ëü
äë ã ì
ì
ö
÷
ë ã ÷
ü
ã
ëü ì ã
÷
ö ,
ã
ëü
þ ä
ë
ëü
ä ã þ
ë
ä .
ì
ì ëü
ä ã
ì ä ë ö
ë
÷
ã
ë
ä
ëëü
ì
ö þ
ì
ö
ë
ö
ì
ë
ì
ä
.
ä
E1
ëü
ö
ö
ì
ä ì
ä
ë ÷
ä
ë
÷
ë
ì
ü ë 1 ( ì.
. 1)
ë
ö
(ì ä
ë
þ
ì ë
ä ì
1)
ë 2
ë (ì ä
ì
ì 1 2).
ì
ë
1 ä
ì
ü
ã ë
ü
ì
-ì ë
ë
ö
ì ä
ì
ì ë
ë ì ä
ì ã
ë
ö . ë
ö
ë ä ì
ë
ö
-
t
E2
t
2
1
3
4
5
6
7
. 4.
ë,
ì
ë
þ
ë ä
ë
ë
ü
ö
ì,
ë
÷
ë ,
þ ë ü.
ì
ë
ë
÷
÷ ì
ö ë
ö ë
ë
þ
ë
ë
þ ì
ë
ëüø , ÷ ì
ä
ö .
-
ö
ë
þ
ü
.
ã ë
ä
ì ä ã ö
ì [1],
ä ë
(
. 4),
ì
÷
ì
ë
.
ì ì
ëþ÷
,
ë ä
ëü
ì
ë ü.
ë
ëã
ë ä þ
.
1.
ëþ÷
ë
1
÷
äã
ì
.
2.
ä
ä
ä
ì
ë
1.
ë
ö
ë
ë
ë ÷
ö
ë
ì
ëü
÷
.
ä ä
ö
ë
ë
3.
ö ë
ì
ö ë
ä (UC1 = UB).
ë
UC1,
UB.
ë
ì ìü
þ
ø -
ë
ö
÷ ë ö
÷
ëü
ì
ì
ë
-
ë
.
ë
ì
ö
,
-
ä ì,
ì
ë
ë
þ
ä
ä ä
ì
ë
1
ø
ö
þ ã ë
ä
.
ë
ë
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 6.2011
þ
ã
ö
ë
-
23
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ì
ø ì
ë
ä
ë
ì ã
ëþ,
ã
ö
ì
ö
-
4.
5.
ää
ë
ä
ë
ä
ë
ä
ì ë
ø ì
ì .
ö
ë
ä
þ
ö
ì
1
ë
2
þ
ì
÷
ì
ì
ì
ë
,
ë
ì
.
ö
ì
ää
1
ä
.
ë
2.
.
ì
ì ë
ø
ì
ë
þ
ë
ëü
ì ä ).
ì
ë ÷ø
þ ÷
ì
.
ø þ þ
ë
ö
ë
.
1.
-
÷
1 ä
ì
ã þ
.
ë
ö
ä
ë
ë ä þ
-
.
.,
ë ä
ì
ëü
2.
ë
ë
äã
ì
.
ì
.
ü.
-
ã
ü”
ë ÷ -
2
7.
,
ë
üþ
“
,÷
ø
6.
ë
ë
ë
ö
ä
ëü
ì
ü
ö
ë
ë ÷
÷
“
ü
”
þ
.
ã
ã
þ
ì ö
ë ì
ã
ì
þ
.
-ì ë ö
ä
3.
4.
5.
6.
.
.,
.
.
ì
ì
-
ä
÷
ö
ã
ä //
÷
ì . — 2009. —
2. — . 12—17.
Carr T. W. Plasma Chromatography. — New York: Plenum
Press, 1984.
Eiceman G. A., Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry (Second
edition) // CRC Press. — 2005.
. .
ã
ã
ä : ÷ .
ä
äë
— 2ä.,
. ä . — .:
, 1992. —
536 .
Tabrizchi M., Abedi A. A novel electron source for negative ion
mobility spectrometry // International Journal of Mass Spectrometry. — 2002. — Vol. 218. — . 75—85.
Pat. No. US 6407382. Discharge ionization source. Date of
Patent: 06/18/2002.
“
—
”;
-
.
.
,
-
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
ëã
ä ,
äã
ì
ì
ä ã
ì, ÷
ã
ëü þ
ä ã .
÷
ëþ,
÷
þ
ä
ì -
ëü
äã
ëü
ë
ë
ä ì
ì
þ
“
ö
þ
”
ëü
ü
ä ã
ã
ì
.
ä
ì
ë
ë
÷
ì
ì ,
ë þ
ì
ü äë ëü
ü
-ì ë
ë
ö ,
ü
ü ë ÷
,
ä þ
ä
þ ì
,
÷ ì
ã
ëë
.
ì
ëü
ë ÷
ì -ì ë
ë
ö
ä
ë
ë
÷
ä
ì ë
ë ä
ì
,
ì þ
ëüø
ä
( ë ÷
ë
ëü
ì ä ) ë
ë
( ë ÷
24
Sensors & Systems · ¹ 6.2011
—
“
-
-
”;
E-mail: gromov-ea@ya.ru
—
“
.
.
,
-
”;
324-04-00
—
.
“
.
,
”;
324-88-33
— -
“
-
.
,
.
”;
324-01-84
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
—
“
324-01-84
-
.
”.
.
,
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
К содержанию
681.785.235:621.3.049.75
.
.
.
.
,
.
.
,
ö
ì
ø þ
.
ì
ë
ì5ì
:
.
,
ì
ë ã
105 ã
ì
ì ë
ä
—
ä
ä
ä ë
ë
ã
äë
ë ì
ö
ä
ä
.
ü
ë
ã
ë ã
ã
ö
ö
÷
ë
ã
.
,
÷
÷ þ
ä
ë .
ì
ì
,
ë ÷
ì
-
[1],
ã ä
ë
ë ÷ø ã
÷
ì
, ì
ø
ã ä
ì
[2].
ì
ì
ä
ä ë þ
ö
ä
,
ì þ
ë ü
ä
ä ì
ä ëü ì ë
÷
ì ë ì.
ë
ä ì äë
÷
ö
ì
ä
,
ì
ì
ë
ì ä ë
ã
ä
ì
ì ë
÷
ì
ë . ä
ö
ì ë
ë
ë
ì üþ ì
ä,
ì
ö
ëü
ä
ö
ëü
ë
÷
ã
ë .
ì
ì
ì ä
ì
ì ëë ÷
ë
ä
ì þ
÷
ëü þ ì
ã
,÷
ã
÷
ì ã
ë
ì
ä
ë ÷
þ
ì
ä
÷
ì
ë ä
ë ì
.
ü
ö ä
ì
ì
ä
ë ã
÷
ë ,
ë
ä
ü÷
÷
ë ã
ä
ì
üþ.
þ
ì
,
ö
ë
ë
.
100 ° ,
ë ì
-
,
.
äë
ü
ë
,
.
,
ä ë
.
ä
ä
,
ë
.
ë ì
ëü
ë ü ä
ì. ë
ë
ì ì
ä ä
ì
ä
ë
ì
þ
ì ö ë ì ,
ì
ì ì
.
ö ä
ëë
ë
ä äë
.
ä ë
ì
,
ì
÷
ì
ì ä
ë ä
ì
ì
ìã
ä
ä
ì
ì ì
ö
ë
ä
ã
ì
ä
ì
ë
ì
ì
ä
,
ë
,
ää
ä ,÷ ì
ä
ì
ë
ëþì
þ
ä
ì
÷
þ
ì äë
ë ä ì
ì
ì,
ä
ì
÷
.
ë
ä
þ
ä
ëü
÷
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 11.2012
ì ü
ã
.
ã
ä -
ë ÷ þ
þ
ë
þ
ë
ì ëë
.
ä
ì
ì
,
ëü þ
ä
ä
, ë þ
ëü
ëüø ì
ë
ì
,
ì
ü ã
ë
ä ë .
ä
, ëþ÷ þ
÷
ö
ä ë
÷
ë
þ
ë
þ
ë ì
ì ä
ä
ì
ë
ä ì ,
ë
ö
ë
ë ÷
ì
ü
ã
ë
.
ëüø ì
ä
÷
ëü
ë ì
ö , ÷
äë
ëü ì
ä
÷
ì
ìëüø ì
ë
ã , ãä
äë
ì
ì
ä
÷
ì
äë
ëü
ì
ì
ì ë
.
ä
ü
ì
ä
ì ë ã
ã
ì
÷
ë .
, äë
ã
ë
ãë
ã
ë ì
ä
,
ë þ ã
ö
ì
ö
ä ë
ë
ëü
ã
,
ëü
÷
ë ,
ä
. 1.
ë
ä 2,
ë
ä ë
ì ø ã ì
ä
ë
÷
ë
1,
ì
þ
ì
ä
.
ä
ì
ä
ë ã
÷
ö , ä
þ
ã
ä 3,
÷
ë
ä 4
5,
þ
ë
÷
ì
ì ã
ë
ä -
ë
45
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
3 4 5
2
ä
6
D
11 10
8
9
7
1
13
12
10
10
. 1.
ì
ä
ë
ä
ö
ë
ì
ë
ö
ì
þ
ë
ë
ì
ä
ä
ì
ä
ë
÷
ëë
ö
.
ä ë
,
ä
,
þ
ë ì
ã
ü
ë
ä
ë ,
ëü
÷ ã
ì
ä ì .
ë ã þ
÷
÷
ä
÷
ö .
ä ã
ä
ì
÷
þ ë
ë ä
ëü
ë
þ
ëë
6,
ëë
7,
ö
ãë ø 8,
ä
ë
ö
ä
ë
ëë
ö
ãë ø 9
ë ã
÷
ö .
ë
ë
ä
÷
ë
ì
ø
ö
ë
ä .
þ
ì
÷
ë
1
ë
ì ëë
ö
.
ë ã
ë
ì, ÷ ø
10
ä
÷
ë
1
ë þ
ë ã
ë
÷
ä
÷
ì ä ë
ä ì
ì, ã ì
÷
ü ä
ã
ä
þ ÷
ü
ì ã
ö
ë ì
ö .
ë
ä
ö
ã
ë ì 11 12 äë
ää
ë
ö
ä
.
ë
ã
ã
ë 12
ë
1
ë
ì üþ
ë
ë 13.
÷
÷
ë
÷
ë
ä
ì ëë
ì
ë
,
ì
þ
ë ì
ä ë
ë
þ ã
þ
ëü
ë
ë
ä 2—6.
ä ÷ ë
÷
ë
ë ì
ä ë
ë
ä
÷
ë
1
þ
ä
ä ã
ä ÷
ì
ä
,
ëü ì
ë
ä .
46
÷
ä
þ
ã
.
þ
ì
ã
ë
1
10
ëþ÷
.
ä
ë
ì
ë
ä
ì-
ä ÷
÷
ä
ã
ëü
ö
ã
,
,
ã
ëþ,
ì ö ã -
ì ë
ëë
äë ì
Sensors & Systems · ¹ 11.2012
-
ä ë
ë
ã
ì
ë ì 2,7
ì
ä
ì
üþ 0,1 ì
,
ä ëþ÷
ã
ëë ëü
.
ã
ä
ë
ä ,
ì
þ
ë ü ä
ä ã
ë
÷
ã
ë ,
ë
2,5 ìì.
ü ë
÷ ã
ë
ì
ä
ë
ë 200 / ì,
ì
ä ì
ã ä ë
ë
ä
ä ë
ë ü
ë 50 .
ë ä
ì
ì ëü ã
ë ã ÷ä ì
ì
ë
÷
ì
ëü
ìì
ì.
ì ëü ì äë
ì ÷
ä
ìì
ì
÷ ì
ì
ø 50
ë
ì
1206.
ì ,
ä
GRM31CR72A104K
ì Murata Manufacturing äë 3,2 ìì, ø
1,6 ìì ì
÷
100 .
ì
1206 ì þ
÷
250 , ÷
÷
ëü
ø
ì
ã, ì ã
ü ì
ì
0805
÷ ì
ì 150 . ä
äë
ëþä
ã
ì
ë ì
,
ëü ì
ö
ä
ì
ë
,
ì
ë ü
ìì
ì
ì
1206.
÷
ë
ä
ã
ë
ë
ä ã ë ì
,
ë ÷
ã ì ä ìã
÷ ã
ë
,
ä
ë
ì ëüä ã ä
ì ë ì .
ë
ë
ä ã ë ì
,
ì FR-4, ë þ
ë
ì ì ë ì äë
ä
ä
ì ã ë
÷
ë ,÷
ë ë
þ
ì ü
ëüø þ
ë
ü
ì
,
ä
÷
ë
ä
ã ì
ë .
ì
ü
ë
ä ã ë ì
FR-4
ë
ëü
ü
÷
ë
ã
ì
ä 110 ° ,
ë
ä ü
ì ÷
þ ÷
ë
ì
.
ä ë
ëü
÷
ì
ø 200 °
ë
ä
ü
÷
ä
ã
,
÷ ì
ü
ë
ëü
÷ ë
ì ÷
äë
.
ë
ä ,
ì
þ
ë üä
,
÷
ë
ä
ã
ëë
ã
ã
ë
þ
ã ë
ã ì ë ì
ä ìë
.
ø
ä
ì
ë
ä
÷
ä
ë
. 2.
ë äë ä
ì
ì
10 × 10 ìì.
ë
ì
ë ,
ã
ã
ë þ
ë
ä ,
ë
0,3 ìì.
ì
ë
ä
ë þ
ãë
ì
ä
ì
1 ìì äë
ëþ÷
ë
÷
ã
ëü
ã
ä þ
ë ì
ö .
ä
÷
ë
ë
ã ì
÷
ë ÷
,
ì äë
ä ëþ÷
ã
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
10 ìì
ä ì äë
ì
ä
þ
ë
ö .
ö
ì ä
ëü
ë
÷ ,
ä ì ë
ì ,
ä
ë
ì ä
.
ä
ë
ü ë ì ëë ÷
ì
ì ì
ö ë ì
äë
ö
ë üä
.
ëë
ã ë
ä
ä
ä
ì
ö ë ì,
ö ë
ì üø
ë
ëüø
ö ë
äë
ä ë
÷
ã
ë
.
÷
÷
ë
ä
ëü þ
ë ä , ã
ë
ì
ä ìë
ë
þ
ë .
ë
ì
ë
÷
ã
ë
ä ,
ì
þ ã
,
ëüø
ë
ë ÷
,
þ
÷
.
ëü
ä
ì
ëü
ë ä
ë ÷ ì
ë
ì ì
ë
ã
ë
ë
, ÷
ëü
þ
ë
ë
0,35 ìì
þ
ëüþ
0,1 ìì
ë
ä
3
.
þ
ë
ë ë
÷
üþ
ëü
ì
ö
ì
ë
ä
.
ë
ì ëë
ë
ì
0,15 ìì ë
ì
ë
ã
ä ÷
ëüø ì
ë ì äë
ä
÷ ã
ë
ì
, ë
ä
ì
ö .
ì
ã ,
þ
ëü
ì
ã
ä ì üø þ
ë
ä
ü, ÷
ë
ëü ì
ã
ë
ì ë ÷ ì.
ì
ëü
÷
ë
ä
ë ì
ä
ã
ë
÷
ë ,
÷
ì
ã
ã
ì ä ë
ä ì , ÷
÷ ü
äë
ëü
ä
äë
ëü
ë ö .
ì
ã ,
ë ì ë
ì
÷
ö ,
þ
ë ö
,
ö ,
ä
ä ø
,
ëü ì
äë
ì
ã
ë
ä
ö . ë
ø
ä
ë ì
ë
ì
ö ,
. 4.
÷
ë
ä 1 2,
ì
þ
,
ë ã ë ü
ëüø
÷
ë
3 ë
1 ìì ä
ë
ì ëë
ö
ì ì ëë
ì
ì äë
÷ ã
ö
ë
ä .
÷
ë
ä
ë
ë
ã
þ
ë þ
,
ä
.
ë þ
ä
ëü
ë
þ
ö ëü ì ëþ ì
ë þ
ì üþ
ì.
ì
ì,
÷
ë
ä
ä
÷
ë ,
ì
÷
ì ä
ì
ë
÷
ü
ì
.
÷
ë
ë
ì
÷
ì ë
ä ì
ë
ì üþ
ì
ã
10ìì
2 ìì
0,6 ìì
. 2.
. 3.
ì
ã
. 3.
ì
ì
ö
ä
ã
ë ì
-
[3].
ä
ë þ 135 × 35 ×
× 25 ìì, ì
105 ã.
ä
ë ì
ö
1
/ã•ã ä äë
ã
ö
80 ° (
÷ ëü ã
÷
20 ° ä
÷ ã
÷ 100 ° )
ã
8400
.
ü
ã
ã
ë
ë
40 ,
ì
ì,
ã
ä
÷
ì
ì
ü
ä
4ì .
÷ ì
ë ì
ì
ë
ä ÷
ë
ë
ë ö
ì
ã
ä
ä
÷
ìë 5ì ,÷
ä
ë
ëü ì
ì
ã
ë
ë ö .
÷
ë
ã
ã
ä
÷
ì
ä
ë
ë
10
.
ì äë
ã
ä
÷
ì
ë
÷
ä
ì
ë 400 ã
ì ëë ÷
ì
ä
ì
ë
ä ì
ë 25 ì ,
÷
ë
ì
ì ë ÷
ë
24
.
,
ä ì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 11.2012
47
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
÷
3
1
4
. 4.
,
ë
÷
ëë
ëë
,
ì
ä ë
4,
ì ä
ö
ì
÷
—
÷ þ
ä
þ
ë
ì
.
÷
ë
ì
ë ì
ä
.
ã
ë ä ë
ë
þ. ë
ëü þ
,
ä þ
ã
ä
,
ø
ë ì
ü
ã ì
÷
ì
ì
ä
ì
ì ì ä
ä ø
.
ä ø
ä
÷
þì ä
þ ë ü.
ë
ã
÷
ä
,
ã
þ
ë ä ì ã
þ
ë ü
ö .
ì
ã , ä ëü
ë
ì
þ
ë ä
,
ë ì ã
ì üþ
ë
.
ë
ä ø
ä þ
ö þ,
ä
ì þ
ë ì
ö
,
ì ÷ ë
ëë
ã
.
ëü
ëþä
ä
ë
ëü
ø ì
ã
ì ì
ì
,
ë ä
,
÷
ëü
ì
ë
ë
.
ì
ä
÷
ë
ëë
ëü
ö
ë ÷
÷
ì
ì äë
÷
.
üþ
ö
ë
ëë
ã
ì
ì
äë
ë
ëë
ö ëüë
1,
ä
ì
ë
ö
ä
,
. 5.
ëë
2
ä
ë
ä ëü
ë
ë
ë
0,3 ìì,
ö
÷
ë .
ì
ì
÷
ä -
48
Sensors & Systems · ¹ 11.2012
ëë
ë þ
,
ä ø
ö
ä
ì
ö .
ä ë
ëü
÷
þ ë
2
÷
ë
ì
ë
ä
ö
ëþ÷
÷
ü ë
-
ü ì ë þ ì
÷
ë
ë ì
3,
ä
ë þ
ë
1,6 ìì
ë
4, ë
äë
ëë
ë
ä ö
ã
ä
äë þã
ã ã
, ë ä
ëü ,
ø
ø þ
.
ö
,
÷
ë
ä
ã
,
ø , ä ë
ë þ
.
ì üþ
÷
÷
ö
ëü
ëü
ë ì
ëë
ã
ë .
ø ÷
ü
ë
ëë
ã
ø
þ ä ã ì
ë ì
ì
ö
ì
.
ö
ëë
ã
÷
ë
5
ì üþ
ì.
ì ä
ì
÷
ë
÷
ì ä
÷
ë
þ
ì
ì ä ë
ë
ã
ä
ëë
ì
ã
.
ø
ë
÷
ëü
ü
ö
ë
ëë
,
,
ä þ
ä ø
.
ã
÷
ëü
ë ÷ø
ëü
ü
ë ä
ä ë
ëü ã ø ì
ã
ì ì
ì
.
ä
ã ë
ëë
ë
ëü
ã
ë ë
÷
ì 6.
ö
ëë
ä
ë
ë
ë
10 ìì, ÷
ë
ì
ì
ü ë
ø
ì
ä
ã ë
ë
ë
ã
.
ö
1
6
3
4
2
5
. 5.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
ì
ä ö
ö
ä
,
ë
ì
ä
ë ö
ì
ëë
ë
ì
ë
ì ÷
ì
ë ä ì
ì ä
ëüö ì ,
ì
ì
÷
ì
÷
.
ë ÷
ä ö
ä
,
ë
÷
ë
,
÷ ëü
ä
ë
þ
ö þ.
ì äë
ì
ì
ã
ì
ã ë
ä
ì
ã ì
÷
ë ÷ .
ä
ë
ì ã ëü
ë
ë
,
ë ÷
ì ä ìë
ì ëë . ë
ì þ ì ë þ
ì
ø þ
ë
ä ÷
ë ä
ë
ä
ì
ë .
üþ
ë ã
ã
ë
ø
ã ì
÷
ë ÷
ë
ì
ü
ã ö
ã
ë
.
ì øë
ã
ë ì
ì
ä
ëü þ
ä ã
ë
, ÷
,
þ ÷
äü,
ë
ì ì
- ì
ö
.
÷
ì
ã
ëþ÷
ä ì
ì ÷
÷
.
ì
ä
ì ã
ì
ü
ë
ëü
ã
ë ä ì ã
ä .
ì
ã ,
ëü
ë ä
ö
ö
ä
ì
,
ü
ë ø ì
ëüø ã
ë ÷
ã
ã ä
ö
.
ëü
÷
ä ëã ã
ì
ì
ä
ü ã ë
ë ÷
ä
ì ã
ì
ä ë
äì ë
ë
.
ø
ì
ä
ö
ì
÷
ëü
ì üø
ì ä
ö
ë
ü
ü
.
ì
ëü
[2], ÷ äë
ì
ä
ä ì
÷ ü
ã
,
þ
ã
ì
ì
ä
ì ã
ì, ä
ì
100 ° .
ö
ä ã
ë
ö
ä
ë
ã
ëü ì
ë ì
ì ,
ã
ì
ë ÷
äë ã ì
ö .
ì
ã
ëü
ë ì
äë þ
ä
ë
÷
ë
, ã
ë
ä
ì
ë ã ÷
ì
ö
,
ä
ä
ã
þ
ë ì
ä ÷
ë
ì
ì ì
ì
ä
.
ö
ë ë
ëþ÷ ü
ëü ë ,
ë
þ
þ
ä
ü
ë
ö
.
ì
ã
ã ö
ã
ëü
ë ì
ã ì
÷þ
ø þþ
ë ÷
ë
ì
þ
ö
ì
÷
÷
ø
þ
ë ã ÷ä
.
ä-
. 6.
ë þ
ä
äë
ë ã þ
ì
ì ,
,
ì
ã
ì
ë
ë
ì
ë
ë
ã
ë
ì
ã
ë þ
þ
ì
ëüø
ö
÷
ë
, ä
ä
ë
.
ì
ëë
ë
ã
ë
ã ë
ä ÷
ä
ã
ä
ì ë
ë
ë ã þ
ì
ë
ø
ì
, ë
ë
ä
ã
ö
ä
ì
ì
ëë
ë
-
ã
,
ì .
ëë
÷
ë
ì ë
ä ì
÷
ì
ö
ä .
ä ëþ÷
ä
÷
ë
÷
ì
ë .
ä
ì
ã
÷ ã
ä
ë
ì
ë
. 7. ä
ëü ë
ëþ÷
ë
ä
ö
ë
ëë ÷
ì
ì
ì .
÷
þ
ä
ü
ë
ö
,
ä
ë
ë
ëþ÷
ë ä
ã
ä ë
þ
ì
ë ,
ì -
ë
ë
ì
ä
äë
ä
ì
äë
ì
ø
äì,
ëü
ã -
. 6.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 11.2012
49
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
— 70
ì ã ë
ë þ
ì üø
ì
,
ë ì
ü,
ì
ë ì þì
ü
ö
.
ä
ì
ì ì
ã
ì
ë
ì
ã
,
ëü
ü ì
ä
ë ì
ã
÷
ä ö
ä
ì .
ä
÷
ì
ì
1. Borsdorf H., Eiceman G. A . Ion Mobility Spectrometry: Principles and Applications. — Taylor & Francis, 2006.
2.
. .,
. .,
. . ä .
ì äë
ì
ä
//
÷
ì . — 2011. —
6. — . 3—12.
3.
. .,
. .,
. .
ä
ì
ä
/
ø
ä ÷
23 ì
2010 ã ä .
. 7.
“
÷
ë ä
.
ë
ëü
-
ø
ì ã ÷
ä
ë
-
ì
ã
ì
2,5 ã, ÷
ë
ë
÷
ì
ì
ä
ì ë
ë ÷
ì
.
350 × 150 × 150 ìì
ë ÷ø
4÷
8÷
—
”
.
—
ì
ä
-
.
ëü
;
.
.
,
-
;
ì
ì-
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
—
;
—
;
—
ö
ë ã
ä
ö
ä
÷
ë ì
ì äë
,
ãã
ì-
ë
ä ë
ä ëþ÷
.
.
.
.
.
,
.
ì
,
.
.
÷
ë
ì
:
,
,
ä
ì
ä ÷
ä
ä
,
.
ë
.
ë ÷
ì
50
(
ë
),
ä ., ã
ë ã ÷
ì
ä ÷
ë
ö
,
ì
,ä ë
ëü
ì
ë
ë ä þ
ø
.
.
,
ëü
ë ÷
÷
,
.
.
.
.
,
.
ì
ëü
ë ä
ä
ã
ä
.
,
,
ö
ì
.
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
.
.
ä
ìì
,
К содержанию
,
,
.
(495) 324-01-84
681.586'32.539.122.2
.
.
;
— -
÷
, ã ë
ìã
ì
Sensors & Systems · ¹ 11.2012
ã
ä
ë ì
ë
ëü
ì ,
üþ,
ì
ëü
.
ì
ì
ì
ã
üþ
ì
ì.
ì , ì ë ì ì
ë
ì,
ã ö
ö
ì
ë
ë ì
ì
ø
ë
ì ì ÷
ã
ä ã ã
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
������������
681.785.235
.
.
,
.
.
ì
ëü
ì
ì
ëü
ë
ì
ä
(200...3500 ì
ö
(
),
÷
ã
.
ë
ä
ã
ë
ì
ä .
ì ÷
ëü
:
ì
ä (1—30 ì
÷
ã
ë
ã
ì
ì
ä
ä
), äë
ë
.
ëü
ä
ë ä
ë þ ã
/ ì))
÷ ë ü
(70...220
ä
ö
ì
,
ã
ãë ö
,
.
,
.
ë
÷
ëü
ë
ë ä
ì
þ
ì
ëü
ä ÷ .
ë
ä þ
ì ì
ä ì äë
ë
ì ã
ì
ì ÷
ä
ì
ö
ö
ã
ì
ìä ë
ë
ì
ä
.
ü
ë
,
÷
ëü
ü,
ì
ì
üä ë þ ì
ä
ì äë
ø
ø
ã
ã
ë
÷
ä ÷.
ì
ä
,
ü
ä
ö
ü ì ÷ ä
þ
ä [1], ë ã ä
ø ì
ë
÷
ì
ì
ë ÷ ëø
ë
ä
÷
,
÷
ë þ
[2—4].
þ
ëü ì
ì
,
ë
ë
ëü
ä,
üä ë
ã ìì
ë
ì
ì ÷
.
ëü
þ
ì
ì
ëü
ä ã
ë
,
ì ,
ä
[5],
ì
ë ã .
ëü
ì
äì
ä ö
ã
,
ä
ã
ä
ì
ë,
ã
÷
ã
ä
ë ÷
ë ÷ø
.
ì
ü
ü,
,
ü
ë
÷
ì
-
ì
ã
ä
ì
ë
÷
ä
,ì ë
ü
ë ÷
ëü
ë þ
ë
÷
ì øë
.
ã
-
ì
÷
þ÷
ì
ä
-
ä ö
(
÷ ë
ö
ë ö
ë ).
ã
ëü
ì
ì
ì
. ä
ä
ä
ë ÷ ë
ì ä ë
.
ö
ä
ã
ä-
ì
ì
ëüþ ä
ë
ë ä
ë
ë
ì ã
ì
ä
ã
ëü-
ì
ö
÷
ä ä
ä
ëüø
,÷
63
÷
ë
Ni , ÷
ëü
ü
ë
ëü ã ë/ø ì [6]. ä
ë
ë
üì ã ÷ ë
,
ì
ì
ä
÷
ä
,
ë
ö ,
ä ì
ë ÷
ëü
ä
ì
ä
ì
÷
÷
ì
ì
ä .
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2014
35
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ëü
ë
ì
ö
ä
÷
÷
ë ö
ã ä
,
ë ,
ä ,
ä þ
äë
÷
ë äë
ì,
ëë
äë
ì
ë
ã
(
. 1).
ã
ë
ä,
ë
÷
÷
.
ë
ö ë ä ÷
ö þ
ë ã
ä .
ë
, ãä
ä
ë
÷
ë
10 ìì
ä
ë
ì
ì ,
ì
ã ,
ë
ã ë
ã
ë .
ë
÷
÷
äë
ö
ã
ì ä
ë
ä
þ
ä ë
ã
ö
ë ÷
ã
ä
÷
ä
ä
ë
ì
ëü
ì
ë
ä,
ë þ
ä äë
ã
ä
ã
ä
ëü
ä
ë . ã
÷
ëü
ã
ä .
ø
ã ë
,
ì
ä
10 ìì ä ã
ä ã .
ëü
ë
ë ÷
,
ã
ã
ä ,ì
ë
ö
-ì ë
ë
ö
ë
ä
.
ö
ì
,
äë
ö
1
ö
ì
2
3
ä þü
ì
÷
ä
-
ëü
4
56
ë
7
÷
ë
8
. 1.
:
1—
ë
ä, 2 —
ì, 4 —
, 6 —
ëë
ë
, 7, 8 —
ä, 3 —
,5—
ëü
ë
36
Sensors & Systems · ¹ 3.2014
ë ÷
ü
.
ëü
[7]
äë
ã
ë ÷
ã
,
ä .
ü
-
ëü
ëü
ë
ä þ ã ã
ëü
ë
ë ÷
ì
ì þ
ö þ, ë äë
ë
÷
ã þ
ö , ë
ì ë ì ë
ë
ä
.
ì ,
ì
ì ë
ë ,
ä
ä ä
ì ëü
ë
ã
ë ÷
ä
,
ë
ö ëü ì
ì ì ã
ä ü
ø
þ
,
ëü
ë
ë ÷
,
ø
ë ü ä
, ì
ä ü
ë
ö ëüëü
ãë
.
ë ÷
ë
ëü
ë
ã
ë ÷
ö
ë
ä
ë
ì
÷ ,
ì
ö
ã
ì
ì
÷
÷
ä
þ
ë äë
ä
ä ä
ë ö
,
ä
ì, ëü
ë
ã
ë ÷
.
äë
ì
ä
ì
ë
ä
ë
÷
ä
÷ .
ëë ëü
ä ëþ÷
ë
ëþ÷.
ì
ì
ëþ÷
ø
ë
ì ä
ì
þ
äë
ë ÷
ë . ë
ø
ì
÷ ä
ä
ì
ö ë ì.
ö ë
ë
ã
ë
÷
ë ,
ä
ää
ìä
.
ì
ä
ö
ì ÷
ö
ì ä
÷ ì
ì
ì ë
ë ì
ë
,
þ
ì
þ
ë ü.
ì
ö
(200...3500 ì ) ëþ÷
ì
ë
ã
ä þ
ë
÷
ë
ë ÷
,
ä ë ì
ø
þ
ì
ë
ì.
ä ä
ì
þ ã
ë
ä
ë
ü ä
ã
.
ë
ì
ì
ë
÷
ã ëü
÷
þ
ëü ã
ìüþ
.
ì
ë
ì
ì
ë
ä
ü
ì
ì
ã
,
ëì ä
ö ì ,
ü
ö ë ,
ë ä
ì þ ì ä
ë
-
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
U,
0
–200
–400
–600
E
–800
–1000
1, 2, 4, 5
3
–1200
–1400
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
1
r, ì
2
3
)
. 2.
4
5
t
)
( )
( )
.
ä ì
,
ì ì ì ë ÷ø ü
ø þþ
ü
÷
ëü
ü
ì
.
ë
ì
ä
ä ã ë
÷ ã
ë
ë
ä
ì
þ
ä
ëüö ,
ì
ì
ë
ä ì , ë
ì
þ
ì
äë
ö ë ì .
ëü
ìü
ëü
ë ö
ìä ì
ì 4,9 ì,
ä ë
ä ë
÷
ì
ì . ë ë
ä
ë
6,5 ì.
ë
ì
ì ÷
ã
ä
ë ü
ì ä ä ì ã
ì .
ë
ì
ëþ÷
ü
ë ä
ëü
.
1.
÷
ë
ã
ã
ä .
ø
ã
.
2.
ä
ë ü, ã
÷
þ
ì
ã
. ä
ì
ì
ë ü
ì üþ
ì
ä
.
ä ì
ö
ì ÷
ö
ì ìä ë
ë
ä
ä ÷
ä
ä
ì ë
ë ì
ì
ë
ì
ì ÷ .
3.
ä
ì
ã
ë ä
ö
ë
ë .
ä ä
ì ë
-
÷
ã
ë
ë
ø
ì ë
ë
ä
ì ä
ì
÷
ë
ì ëþ.
ì ä
ä ã ë
ä
þ
4.
ì
.
ë
ë
ää
ë
ëü
ì
ã
.
ä ë
ë ÷
5.
÷
ã
þ
ë þ
÷
ë
ä
ë
ã ö ë
.
ã
ä -
÷
ì
-
. 2.
3—5 ì ã
ü
ëü
äë
ë
ä
äë
ë ä þ ã
ä
ã ìì ì
ì.
ì
ëë
ì
ë
ë
ì
÷
ì
ë
ë ì.
ãë
ë
ì
÷
ã
ë
ë
ö
ì üþ
äë
ã ìì
ëü
ë
.
ö
ë
þ
ì
ì ëü ì
ë
÷
ë
.
ë ä
ë
ì
ì
—
ë üä
ë ä þ
ì
t
ëü
ì
:
ëü
ü
ö
(äë
ë
ã
ã
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2014
÷ -
3);
37
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
E.
ì, ÷
÷
ì
ä
ö
ä
ì
,
ä ÷
ë
ë ä
ë ÷
ë
ä
ëü
,
ì
ä
ö
.
ì
äë
ëü
üþ ë
þ ã
ü
÷
ì
ã
ëü
ë
ä
ø
ì ã
ä
.
ë
ì
,
ì
2,10
-
ä
ë ÷
ä
ë
2
ä
ã
, ì /( • )
ä ;
÷
ë
,÷
ë
÷ ì
ëü
ë
ä
ä
ì, ÷
,
ë
1,85
ë
1,80
ü
ëüë -
1,75
60
E = 100 / ì
ã
ì ëü t
ë ÷
ã
4,4
( 287 ä
E = 180 / ì — 5,28
ä.), ,
, äë t
=
ë
100 ä
ë ÷
ä 2,5
( 287 ä 721
. ä.),
ì
—
3
( 1273 ä
ä
÷
ë
ëü
ã
÷
ä
ì
,
ã
ì
ë ÷
ëü
ì ã
ë
t
äë -
. ä.
ü,
200 ì
600 ì
2000 ì
3500 ì
4000
3000
2000
ä
ì ã
ë ÷
ìì
ã
ü ä
,
ë ì üø
ë
ä ,
,
ì
ä
ä
ã
,
ë
þ
.
ë ã ÷
ì
ëü
äë
ì
ì
,
ì þ ã
ì ëü t
ë
÷
ã
ë E. ë
E = 100 / ì
äë
ëü
þ ã
ì ëü
t
200 ä 3500 ì
ë ÷
ì ä
3,25 % ( 32 ä 33,04 ì ),
= 180 / ì —
10 % ( 18,32 ä 20,16 ì ), ,
, äë t
= 200 ì
ë
100 ä 180 / ì
ä
ì üø
þ
ì
ä
1,74
( 32 ä 18,32 ì ),
t
= 3500 ì
— 1,64
( 33,04 ä
20,16 ì ).
ëþä ì
ëüø
ì
ë ÷
ì
ä
ë ÷
äë
ëü
þ ã
ì ëü
ø
ì
ì ã
ë ü
ä
ã
.
ö
ä
K
ì ä
td
ø
ì:
ä
ü
L
K = --------,
Etd
0
80
100 120 140
ü ë
160
÷
180 200 220 240
ã
ë , / ì
. 3.
ãä L — äë
ü ë
ì
t
38
180 200 220 240
ã
ë , / ì
-
1000
60
160
÷
÷ -
7000
5000
100 120 140
ü ë
þ
þ
6000
80
ä
äë
. 3.
-
ëü
1,95
. 4.
,
ã
ë
ë
äë
ëü
200 ä 3500 ì
ä
ì
1273
. ä.),
( 721 ä 3810
.
= 200 ì
180 / ì
ì ã
t
= 3500
3810
. ä.).
ì
ü
2,00
1,90
.
ì
200 ì
600 ì
2000 ì
3500 ì
2,05
ü
ã
ä
—
—
Sensors & Systems · ¹ 3.2014
ä
ë
÷
ü
ä
ë
ö
ë äë
. 4.
ã
, E —
ë
ä
ëü
ì äë
.
÷
ëü
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ëü
ä
ö
ä ã
÷
ëü .
äë
ëü
ë
ä ã
ì
þ
ì ë ÷
äë
ëü
ì ëü .
÷
ì
ì
ì
ö
.
ã
ø
ã
. ä.
ë ü ä
ì ã
ëë
.
ä þ
ì
÷ ë
ë ÷
þ ã
ìø
ö
üø
ã
K = f(E ) ë
ø þ
ü
12
10
ä÷ -
ì ä
: ä
ì ä
÷
ã
ö
,
ì
ë
ø
ö
ä
ì
ä ä
ø
ë
÷
.
ë
ì ü
ì
ä ë þ
ë
ì
ëü
ë
ü
þ
ö
ë
ë
ö
ä
÷
ã
220 240
ë ,
/ ì
-
ëü
.
ã
ë -
äë
ä ì
,
ì-
ö
,
, ÷
ì
ì
ìì
ã
.
ë
ì ä
÷
ì
ë
ä
ä
ë
ì
ì
ä
ä ë
ë
ì
ã
ã
ö ü
ä
-
ã
ë
ü
ì ì
ã
.
ä
,÷
þ
ë
-
ì
ã
ë
÷
ã
-
ä
,
÷
÷
.
ëë
ã
ö
ä ã
.
-
ë
ë
ë
ëü
— ä
ì
ä
ë
-
ë
ã
ä
ì ì ë
ë ì
ü
÷
ø
. ä
,
ì
ö
,
ä ë þ
ø
ã
÷ ì
ã
ø þ þ
, ì äë
ä ëü
.
ì
ë
ø þ þ
ü
.
ë ì
ì
180 200
÷
-
ë
ã
ë ä
ø
ä
160
ü ë
ì ã
,
ä
,
ä
-ì ë
ë
ë
.
ø
ø
140
, t—ø -
ì
÷
100 120
ì:
, ä
ë ,
ø
ã
80
.
÷ þ ø
ì,
ëë
6
. 5.
ã
ë
8
-
t
R = ----d- ,
t
ãä td —
16
4
60
ì
ø
ä
200 ì
600 ì
2000 ì
3500 ì
14
ì
þ
20
18
ü,
ì
ì ã
ì ä
.
ã
ø þ
þ
ã
-
ëü
ëü
.
ë ÷
äë
ëü
þ ã
ì ëü
ë ÷
ìì
ä
ä
ë üä
,÷
ä
ë ÷ þ ÷
ëü
.
,
äë
ëüþ ã
ì ëü
ë ÷
ø
ì ã
ë üä
ã
÷
ë
ø þ
ì
(
. 5).
÷
ã
ä
ä ë
ë ÷
÷
,
ì
ì
÷
ì þ
÷
ö
ì ÷
ö , ,
,
ë
üä
ì ã
÷
ëü
ü
.
ë ÷
ä
5 ä 25 ì
ä
.
ä
ë
ì
ä
ì
ì
ì ì
ëüø
ì
ä
1,04 ì
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 3.2014
39
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
üä
. ä.
ü,
ì
0
20
40
60
80
ì ä
ä 25 ì
ä
ã
÷
þ
ì ÷
100
120
140
ì
ë
ä
ã
þ
135 / ì äë
ëü 2000 ì .
ì
ë ä
ë ÷
ö
ã
ã
ä
ë .
ë ÷
ì
ä
ëü
÷
ø þ
ë
6 %).
ä
ã
ø
ë
ë
÷
.6
ë
äë
ä
ã
ì ÷
þ
ä
ë
ä
ã
ë ÷
ä
ö
ãë ö
ö
ì
ì
ã
ö
ö
.
ë ëü ã
÷
ì
ì
ì
÷
ä .
ã
ë
ëü
äë
ëü
ë ÷
ì
ë
ë
ë
.
ì ä .
ì
ì ä .
ä
ë
ë ÷
ä
ëü
ëü
ì
ö
ä
ä
ø -
ë ÷
÷
ë
ì
ø -
÷
ë
ä
ëü
ã
ä
ì
ë
ä
ü.
(
ë
6 %) ë
ë
ä
ë
ë ÷
äë
ë
üä
÷
þ
÷
ã
.
ì
ë
ä
ëü
ë
.
ä
ì
.
ì ã
ì ä
.
“
—
ãë ö ü
ö
ëü-
”.
;
E-mail: n.n.b@list.ru
—
E-mail: evchernyak@yandex.ru
(4912) 21-83-56
Sensors & Systems · ¹ 3.2014
ä ø þ-
1. Eiceman G. A., Karpas Z. Ion mobility spectrometry // 2005
by Taylor & Francis Group, LLC.
2.
. .,
. .,
. .
ä .
äë
ë ä
ë ÷
÷ ëüö ÷ ë
ä
ì
//
÷ ì . — 2009. —
7.
3. Armenta S., de la Guardia M. Analytical methods to determine cocaine contamination of banknotes from around the
world // Trends in Analytical Chemistry. — 2008. — Vol. 27,
N 4.
4.
.
.,
. .,
. .
ä
ì
ä
äë
ì ÷
ã
þ
ä //
. — 2009. — . 15,
3.
5. Westhoff M., Litterst P., Freitag L., Baumbach J. I. Ion mobility spectrometry in the diagnosis of sarcoidosis: results of a
feasibility study // Journal of physiology and pharmacology:
an official journal of the Polish Physiological Society. —
2007. — Vol 58. — Suppl 5.
6. Tabrizchi M., Khayamian T., Taj N. Design and optimization
of a corona discharge ionization source for ion mobility
spectrometry // Review of Scientific Instruments, 71, 2321
(2000).
7.
. .,
. .,
. .
ì
ëü
ë ä
ì
ä÷
ì
ö
ã
ä //
÷
ì . — 2009. —
2.
ã
ëü
ä
ä
äë
ëü
ä
ì üø
þ
.
ë
,÷
þ ã
ì ëüì ã
÷
ëü
.
ä ( 5
)
,ì
. 6.
40
ë
ë ÷
, ÷
3000
ä
ì ã
ëü
RIP
4000
ë
ä
äë
ë
ë
5000
2000
ëü
ø þ
ãë ö
7000
6000
(
, ÷
ã
ì
þ
8000
.-
.
;
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ — 50 лет
зоустой÷ивости. Коììуникаöионная поäсистеìа обеспе÷ивает взаиìосвязü коìпëекса со ìноãиìи виäаìи
совреìенных периферийных устройств, вкëþ÷ая интеëëектуаëüные äат÷ики, разëи÷нуþ контроëüно-изìеритеëüнуþ аппаратуру, среäства отображения, испоëнитеëüные устройства
Разработанный коìпëект встроенноãо проãраììноãо обеспе÷ения позвоëяет в режиìе жесткоãо реаëüноãо
вреìени обеспе÷иватü обìен äанныìи ìежäу коìпонентаìи проãраììно-техни÷ескоãо коìпëекса АСУТП
в соответствии со станäартныìи протокоëаìи, реаëизовыватü необхоäиìые аëãоритìы управëения объектоì, выпоëнятü требуеìые тестовые проöеäуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кишкин В. Л., Новиков А. А., Еремин Ю. А. и äр. Приìенение Industrial Ethernet в систеìах управëения техноëоãи÷ескиìи проöессаìи на АЭС // Автоìатизаöия в проìыøëенности. — 2005. — № 11.
2. Пат. № 2430400 РФ. Коìпëекс резервируеìых проãраììно-аппаратных среäств автоìатизаöии контроëя и управëения / В. Л. Киøкин, А. Д. Нариö, С. Б. Борисов
и äр. // Бþë. — 2010.
3. Пат. № 2239228 РФ. Способ распреäеëения вреìени öентраëüноãо проöессора ìежäу заäа÷аìи в автоìатизированных систеìах управëения техноëоãи÷ескиìи проöессаìи / Ю. А. Ереìин, В. Л. Киøкин // Бþë. — 2001.
К содержанию
УДК 681.785.235.001.57
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЧАСТИЦ
В СПЕКТРОМЕТРЕ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
SIMULATION OF PARTICLE TRAJECTORIES
IN THE ION MOBILITY SPECTROMETRY FOR THE DETECTION
OF HAZARDOUS CHEMICAL SUBSTANCES
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, инженер
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Vasilyev Valery. K.
Ph. D. (Technical), Engineer
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Шалтаева Юлия Ринатовна
аспирант
E-mail: shaltaeva@yandex.ru
Shaltaeva Yulia. R.
Graduate Student
E-mail: shaltaeva@yandex.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Belyakov Vladimir. V.
Ph. D. (Technical), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник
E-mail: avgolovin@bk.ru
Golovin Anatoly. V.
Ph. D. (Technical), Researcher
E-mail: avgolovin@bk.ru
Иванов Игорь Александрович
аспирант
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor. A.
Graduate Student
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Malkin Evgeniy. K.
Engineer
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Громов Евгений Анатольевич
инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Gromov Evgeniy. A.
Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 1.2015
33
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ — 50 лет
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
кафеäра ìикро- и наноэëектроники
National Research Nuclear University “MEPHI”,
Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Аннотация: Провеäено ìоäеëирование эëектри÷ескоãо поëя и
траекторий äвижения ионов в обëасти разряäных эëектроäов
исто÷ника ионизаöии. Резуëüтаты ìоäеëирования позвоëиëи
провести оöенку и ìиниìизироватü вëияние неоäнороäности
поëя в обëасти äрейфа на разреøаþщуþ способностü спектроìетра ионной поäвижности. Преäëожены наиëу÷øие конструктивные реøения äëя изãотовëения äрейфовых трубок.
Провеäены экспериìенты по äетектированиþ аварийных хиìи÷ески опасных веществ.
Abstract: Simulation of the electric field and the trajectories of ions
motion in the discharge electrode ionization source was performed.
The results obtained allowed to estimate the effect of inhomogenity
of the field in the drift region on the resolution of an ion mobility
spectrometer. Modifications of the drift tube in order to minimize
this effect were proposed. Based on the simulations were optimized
design solutions for the manufacture of drift tubes. Experiments
were carried on the drift tube on the detection of hazardous chemicals and toxic substances in mutual presence.
Ключевые слова: аварийно хиìи÷ески опасные вещества, спектроìетр ионной поäвижности, äрейфовая труба, эëектри÷еское
ìоäеëирование.
Keywords: hazardous industrial chemicals; ion-mobility spectrometry method; drift tube; electric modeling.
ВВЕДЕНИЕ
Равноìерностü поëя зависит от ëинейных разìеров и
взаиìноãо распоëожения эëектроäов. Неравноìерностü
поëя привоäит к зависиìости вреìени проëета иона от
расстояния äо öентраëüной оси трубки. Из-за неравноìерности поëя ионы оäноãо вещества приëетаþт на
коëëектор в разное вреìя, т. е. ухуäøается разреøаþщая способностü спектроìетра ионной поäвижности.
Поэтоìу становится актуаëüной заäа÷а рас÷ета стаöионарных поëей и траекторий äвижения заряженных ÷астиö в äрейфовой трубке.
Эëектроäы äрейфовой трубки выпоëняþтся из аëþìиния иëи нержавеþщей стаëи в виäе коëеö, форìируþщих öиëинäри÷еский канаë транспортирования ионов, äиаìетр котороãо составëяет от 8 äо 24 ìì. Опреäеëяþщиìи в äанной конструкöии явëяþтся øирина
эëектроäов и тоëщина äиэëектри÷еских прокëаäок
Разработка конструкöии спектроìетра ионной поäвижности требует тщатеëüноãо рас÷ета конструкöии
каìеры ионизаöии и äрейфовой обëасти. Дëя обеспе÷ения наиìенüøей потери ионноãо тока на пути от исто÷ника ионов к коëëектору ãеоìетри÷еские и эëектри÷еские параìетры äрейфовой трубки äоëжны поëностüþ соответствоватü рас÷етной ìоäеëи. Дëя поëноãо
сбора образовавøихся в исто÷нике ионов требуется
расс÷итатü обëастü ионизаöии и заäатü то÷ные ãеоìетри÷еские и эëектри÷еские параìетры, поскоëüку распреäеëение пëотности ионов на коëëекторноì эëектроäе
зависит от пëотности эëектронов в ионноì исто÷нике.
Дëя рас÷ета конструктивных реøений требуется разработка ìатеìати÷еской и физи÷еской ìоäеëей äвижения
ионов и ìоäеëирование проöессов, происхоäящих в
äрейфовой трубке спектроìетра ионной поäвижности.
Статüя посвящена ìоäеëированиþ эëектри÷еских
поëей и траекторий äвижения заряженных ÷астиö в обëастях ионизаöии и äрейфа спектроìетра ионной поäвижности.
Отка÷ка ãаза
Направëение
Ионный
Дрейфовые ионноãо тока
исто÷ник
Усиëитеëü
коëüöа
Коëëектор
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Принöип рас÷ета состоит в преäставëении у÷астка
äрейфовой обëасти в виäе резистивной структуры, образуþщей оäнороäнуþ обëастü, и заäании на÷аëüных
зна÷ений потенöиаëов в соответствии с ãеоìетри÷ескиìи разìераìи (рис. 1, а). Вы÷исëяþтся зна÷ения потенöиаëов äëя всех узëов и строятся эквипотенöиаëüные
поверхности (рис. 1, б).
Вäоëü оси äрейфовой трубки с проäоëüно распоëоженныìи эëектроäаìи форìируется оäнороäное эëектри÷еское поëе с ëинейно изìеняþщиìся потенöиаëоì.
34
Sensors & Systems · ¹ 1.2015
Изоëятор
Апертурная
сетка
О÷ищенный
возäух
Дат÷ик вëажности
Систеìа
öикëи÷еской
проäувки
Ионный
обëасти
затвор
äрейфа
Моëекуëярные сита
Иссëеäуеìый Насос
объект
a)
Забор
пробы
б)
Рис. 1. Структурная схема спектрометра ионной подвижности (а)
и визуальная модель движения ионов в камере ионизации (б)
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ — 50 лет
ну прокëаäок, оäнако их уìенüøение оãрани÷ено ìехани÷еской и эëектри÷еской про÷ностüþ ìатериаëа.
Дëя разëи÷ных конфиãураöий я÷ейки опреäеëены
вреìена проëета ионов при äвижении вäоëü сиëовых
ëиний эëектри÷ескоãо поëя (рис. 2). Опреäеëены также относитеëüные превыøения вреìени проëета äëя
траекторий, не совпаäаþщих с осüþ трубки. Поëу÷енные резуëüтаты позвоëиëи оöенитü вëияние неоäнороäности поëя в обëасти äрейфа на разреøаþщуþ способностü спектроìетра ионной поäвижности и внести
изìенения в параìетры трубки с öеëüþ ìиниìизаöии
этоãо вëияния.
На рис. 3 показано, ÷то на расстоянии от стенки
коëüöевоãо эëектроäа боëüøеì, ÷еì øирина эëектроäа,
неоäнороäностü поëя не превыøает 1 %. Опреäеëено
соотноøение ãеоìетри÷еских параìетров эëектроäов
äëя существуþщей трубки, позвоëивøее äобитüся неоäнороäности поëя ìенее 1 % в öентраëüной обëасти
äиаìетроì 8 ìì. Это привеëо к уëу÷øениþ разреøаþщей способности спектроìетра в сравнении с приìенявøейся ранее конструкöией и позвоëиëо разäеëятü
ионы со зна÷енияìи поäвижности, отëи÷аþщиìися
ìенее, ÷еì на 1 %.
Траектории äвижения ионов в ãоризонтаëüно распоëоженных äрейфовых обëастях с разëи÷ной тоëщиной фторопëастовых äиэëектри÷еских прокëаäок преäставëены на рис. 4.
Анаëиз рисунков показывает, ÷то с увеëи÷ениеì
øаãа е äрейфовых эëектроäов возрастаþт коэффиöиент потерянных ионов k, т. е. ионов, не проøеäøих
äрейфовуþ обëастü äо конöа, и коэффиöиент m, характеризуþщий веëи÷ину откëонения траекторий äвижения ионов. С увеëи÷ениеì коэффиöиента m возрастает
путü, проäеëанный ионаìи, ÷то увеëи÷ивает вреìя их
а)
б)
Рис. 2. Модель движения ионов в дрейфовой трубке (а);
внешний вид дрейфовой трубки (б)
ìежäу эëектроäаìи, приìеняеìых äëя форìирования
заìкнутоãо ãерìети÷ноãо объеìа. С öеëüþ ìиниìизаöии возìожности неконтроëируеìоãо накопëения заряäа на äиэëектри÷еских поверхностях и повыøения
оäнороäности поëя требуется ìиниìизироватü тоëщи-
8 ìì
8 ìì
8 ìì
16 ìì
8 ìì
24 ìì
а)
б)
в)
Рис. 3. Зависимость однородности поля в дрейфовой области от соотношения геометрических параметров электродов
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 1.2015
35
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ — 50 лет
роäа, равной äиаìетру ионноãо сãустка, и äиаìетроì,
превосхоäящиì øирину в три раза. Такая конструкöия
своäит к ìиниìуìу коëи÷ество поãибøих ионов, обеспе÷ивает наибоëее пряìоëинейнуþ траекториþ их äвижения, ÷то позвоëяет äобитüся высоких параìетров
÷увствитеëüности и сеëективности спектроìетра ионной поäвижности.
e = 4 ìì
k = 34 %
k, m, %
60
50
m
40
k
e = 3 ìì
k = 27 %
30
20
10
0
e = 2 ìì
k = 23 %
1
2
3
4 e, ìì
Рис. 5. Зависимость коэффициента погибших ионов k и коэффициента m, характеризующего величину отклонения траекторий движения ионов, от шага е дрейфовых электродов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В хоäе провеäенных иссëеäований быëа произвеäена
оöенка возìожности обнаружения разëи÷ных аварийных хиìи÷ески опасных веществ (АХОВ) и отравëяþщих веществ (ОВ), в тоì ÷исëе и совìестно. По кажäоìу
e = 1 ìì
k = 15 %
проëета и уìенüøает разреøаþщуþ способностü спектроìетра ионной поäвижности (рис. 5).
Из рас÷етов установëено, ÷то øирина äрейфовых
эëектроäов не вëияет на траектории äвижения ионов
при øаãе, равноì 1 ìì, оäнако, существует необхоäиìостü приìенения äрейфовых эëектроäов с øириной,
равной 8 ìì. Эти эëектроäы техноëоãи÷ески просты в
изãотовëении и обеспе÷иваþт напряженностü эëектри÷ескоãо поëя 300 В/сì, искëþ÷ая при этоì возìожностü
пробоя. В резуëüтате провеäенноãо анаëиза быëо выбрано конструктивное реøение, состоящее в тоì, ÷то
äëя изãотовëения äрейфовых трубок быë установëен
øаã äрейфовых эëектроäов е = 1 ìì с øириной эëект-
36
Sensors & Systems · ¹ 1.2015
Ионный ток, усë. еä.
Рис. 4. Траектории движения ионов в зависимости от шага е
дрейфовых электродов
14000
SO2
12000
10000
2
8000
6000
4000
1
2000
0
15
–2000
20
25
30
35
40
45
50
Вреìя äрейфа, ìс
Рис. 6. Спектрограмма фонового сигнала (кривая 1) и иона SO2
–7
3
с концентрацией 2,81 Ѕ 10
г/см в отрицательной полярности (кривая 2)
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ — 50 лет
Ионный ток, усë. еä.
12000
10000
NO2
8000
2
6000
1
4000
2000
0
15
20
25
–2000
30
35
40
45
50
Вреìя äрейфа, ìс
Рис. 7. Спектрограмма фонового сигнала (кривая 1) и иона NO2
–8
3
с концентрацией 2,94 Ѕ 10
г/см в отрицательной полярности (кривая 2)
äиìостü резуëüтатов и инерöионностü откëика. На
спектроãраììе (рис. 6) ион SO2 характеризуется пикоì
2
–1 –1
с привеäенной поäвижностüþ К0 = 2,18 сì •В с .
Спектроãраììа äиоксиäа азота в отриöатеëüной поëярности преäставëена на рис. 7.
В отриöатеëüной поëярности на ионоãраììе äиоксиäа азота фиксируется интенсивный сиììетри÷ный
пик. Эта ионоãраììа поëу÷ена при ввеäении сухой ãазовой сìеси NO2 — возäух ÷ерез øëанã в носик äетектора (принуäитеëüно). Пик насыщен, еãо аìпëитуäа
не ìеняется в интерваëе иссëеäованных конöентраöий
2
–1 –1
3,3...29,4 сì •В с . Поëу÷енная в этоì сëу÷ае спектроãраììа äëя отриöатеëüных ионов показана на рис. 8.
На привеäенной спектроãраììе оäновреìенно присутствуþт äва пика веществ. Оäин из пиков соответствует сернистоìу анãиäриäу. Оксиä азота также явно
присутствует на спектроãраììе, позвоëяя обеспе÷итü
уверенное обнаружение äвух веществ оäновреìенно.
Поäобная труäная ситуаöия соответствует усëовияì реаëüной экспëуатаöии прибора.
14000
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ионный ток, усë. еä.
12000
1
Опреäеëено вëияние неоäнороäностей эëектри÷ескоãо поëя на транспорт ионов в äрейфовой обëасти
спектроìетра ионной поäвижности. На основе ìоäеëирования опреäеëены раöионаëüные конструктивные
реøения äëя изãотовëения äрейфовых трубок с öеëüþ
ìиниìизаöии вëияния неоäнороäностей поëя в обëасти äвижения сãустка ионов. На äрейфовой трубке провеäены экспериìенты по обнаружениþ аварийно хиìи÷ески опасных веществ, поäтвержäаþщие разäеëение
ионов с зна÷енияìи привеäенной поäвижности, отëи÷аþщиìися не боëее, ÷еì на 1 %.
10000
NO2
8000
6000
2
4000
2000
0
15
–2000
20
25
30
35
40
45
50
Вреìя äрейфа, ìс
ЛИТЕРАТУРА
–7
3
Рис. 8. Спектрограмма иона SO2 в концентрации 2,81Ѕ10 г/см
–9
3
(кривая 1) и иона SO2 с концентрацией 4,2Ѕ10
г/см в
присутствии следов NO2 в отрицательной полярности (кривая 2)
веществу быëи опреäеëены привеäенная поäвижностü и
возìожный преäеë обнаружения, оöениваëся äинаìи÷еский äиапазон обнаружения и возìожностü коëи÷ественноãо опреäеëения вещества, а также вëияние фона и
ìеøаþщих соеäинений. Быëа иссëеäована воспроизво-
1. Borsdorf H., Mayer T. et. al. Recent developments in ion mobility spectrometry // Applied Spectroscopy Reviews. — 2011. —
№ 46. — Р. 472—521.
2. Matsaev V., Gumerov M. et. al. IMS Spectrometers with Radioactive, X-ray, UV and Laser Ionization // International Journal for Ion Mobility Spectrometry. — 2002. — № 5. —
Р. 112—114.
3. Samotaev N., Golovin A. et. al. IMS development at NRNU
MEPhI // Lecture Notes in Electrical Engineering. — 2014. —
№ 268. — Р. 447—451.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 1.2015
37
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
MEMS structures made of ceramic
ZrO2/Y2O3 material // Proceedings of
SPIE, The International Society for
Optical Engineering, 2011. — № 8066
art. no. 80660N.
5. Vasiliev A. A., Pisliakov A. V., Samotaev N. N. et al. Non—silicon MEMS
platforms for gas sensors // Proceedings of the conference AISEM, Bresia,
Italy, 2013. Oral presentation O3_4.
6. Vasiliev A. A., Pisliakov A. V., Zen M.
et al. M. A. Membrane — type Gas
Sensor with Thick Film Sensing Layer:
Optimization of Heat Losses // Proceedings of the conference Eurosensors
XIV, Copenhagen, Denmark, 2000. —
P. 379—380.
7. Самотаев Н. Н., Облов К. Ю., Иванова А. В. и äр. Техноëоãия изãотовëения наãреватеëüных эëеìентов äëя
ãазо÷увствитеëüных äат÷иков ìетоäоì ëазерной ìикрообработки //
Дат÷ики и систеìы. — 2015. —
№ 11. — С. 52—55. [Samotaev N. N.,
Oblov K. Yu., Ivanova A. V. et al. Gas
sensors microhotplates fabrication technology based on laser micromachining // Sensors & Systems. — 2015. —
№ 11. — P. 52—55. (In Russian)]
8. Ivanova A. V., Oblov K. Yu., Soloviev S. A. et al. Fabrication MEMS
platform for sensors applications by laser micro engraving // IFMBE Proceedings. — 2016. — № 55. —
P. 285—288.
9. Vasiliev A., Pavelko R., Gogish-Klushin S.
et al. Sensors based on technology
“nano-on-micro” for wireless instruments preventing ecological and industrial catastrophes // Sensors for Environment, health and security. —
Springer, 2009. — P. 205—228.
10. <http://www.akkolab.ru/ru/products/
nanochernila.html>
11. <http://www.fujifilmusa.com/products/
industrial_inkjet_printheads/depositionproducts/dmp-2800/>
12. <http://www.optomec.com/wp-content/
uploads/2014/04/Optomec_NEOTECH_
DDMC_3D_Aerosol_Jet_Printing.pdf>
13. <http://www.minimarker.ru/tech_data.
php>
������������
УДК 681.2.084
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОХРАННОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
В СПЕКТРОМЕТРЕ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
THE PROTECTIVE GAS FLOW
FOR MEASUREMENTS IMPROVEMENT
IN ION MOBILITY SPECTROMETRY
Шалтаева Юлия Ринатовна
аспирант
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Shaltaeva Yuliya R.
Postgraduate
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Макарова Нина Валерьевна
студент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Makarova Nina V.
Student
E-mail: malvina12@inbox.ru
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Vyacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник
E-mail: avgolovin@bk.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Researcher
E-mail: avgolovin@bk.ru
Липатов Дмитрий Юрьевич
аспирант
E-mail: d15l@rambler.ru
Lipatov Dmitry Y.
Postgraduate
E-mail: d15l@rambler.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
40
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
Аннотация: Рассìотрена пробëеìа аäсорбöии ìоëекуë ãазовой
пробы на поверхностях ионноãо исто÷ника и äрейфовой каìеры в äетекторе сверхìаëых конöентраöий взрыв÷атых и
наркоти÷еских веществ. Преäëожено испоëüзоватü охранный
возäуøный поток, преäотвращаþщий соприкосновение иссëеäуеìоãо вещества со стенкаìи каìеры. Привеäены резуëüтаты
ìоäеëирования ãазовых потоков и экспериìентаëüной апробаöии систеìы äëя форìирования охранноãо потока ãазов.
Abstract: The investigation deals with sample adsorption on the walls
of the ion drift chamber and the chamber of the ion source in ion
mobility spectrometer. The solution for preventing contact of the
substance with the chamber walls by security airflow is also recommended. The study includes gas flow simulation and experiments of
protective gas flow setup.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, каìера
ионноãо исто÷ника, ìоäеëирование ãазовых потоков, охранный возäуøный поток, äат÷ики.
Keywords: ion mobility spectrometry, ion source chamber, modeling
of gas flows, protection of airflow, sensors.
ВВЕДЕНИЕ
Газоанаëити÷еские
систеìы
äоëжны уäовëетворятü сëеäуþщиì
требованияì: иìетü коìпактный
форì-фактор и обëаäатü высокой
÷увствитеëüностüþ и быстроäействиеì. Приборы на основе спектроìетрии ионной поäвижности (СИП)
обреëи попуëярностü, поскоëüку
соответствуþт этиì требованияì, а
также иìеþт øирокое приìенение
[1—2] äëя обнаружения сверхìаëых
конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ [3—4], при анаëизе биоëоãи÷еских проб [5—6] и в неинвазивной äиаãностике забоëеваний [7—9].
Спектроìетрия ионной поäвижности явëяется ìетоäоì обнаружения и иäентификаöии паров хиìи÷еских соеäинений, основанноì на
разäеëении ионов по критериþ
поäвижности в эëектри÷ескоì поëе
в ãазовой среäе при атìосферноì
äавëении.
В проöессе работы совреìенных
спектроìетров ионной поäвижности преäпоëаãается анаëиз пробы ãазовой среäы. Проба, прохоäя ÷ерез
äетектор, ìожет аäсорбироватüся на
стенках ионно-äрейфовой каìеры
[10]. Поэтоìу при анаëизе сверхìаëых коëи÷еств веществ необхоäиìа
систеìа с повыøенной то÷ностüþ
и сеëективностüþ приборов. Приìенение такой систеìы обеспе÷ит
÷истоту ионно-äрейфовой обëасти
и существенно повысит срок сëужбы прибора и то÷ностü изìерений.
Разработано и апробировано
устройство, вкëþ÷аþщее бëок управëения охранныì возäуøныì потокоì, не позвоëяþщиì потоку иссëеäуеìоãо вещества соприкасатüся
со стенкаìи каìер ионизаöии и
äрейфа. В проöессе проектирования потребоваëосü ìоäеëирование
ãазовых потоков в каìере ионноãо
исто÷ника äëя иссëеäования характеристик охранноãо возäуøноãо
потока.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
НА ПРИМЕРЕ 3D-МОДЕЛИ
При созäании систеìы форìирования ãазовоãо потока возникëа
пробëеìа переноса пробы иссëеäуеìоãо вещества ÷ерез коне÷ный
объеì без переìеøивания ãазовых
потоков. Поэтоìу разработка эëек-
а)
тронной схеìы устройства потребоваëа ìоäеëирования проöессов,
происхоäящих в ионной каìере
(рисунки 1, 2).
Дëя анаëиза те÷ения вязкой
жиäкости в ãиäроãазоäинаìике принято уравнение Навüе-Стокса:
∂V
1
------ = –(V•∇)V + νΔV – --- ∇p + f,
ρ
∂t
ãäе ∇ — оператор Гаìиëüтона; Δ —
оператор Лапëаса; V — вектор скорости; t — вреìя; ν — коэффиöиент
кинеìати÷еской вязкости; ρ —
пëотностü; р — äавëение; f — вектор пëотности ìассовых сиë.
б)
Рис. 1. Моделирование газовых потоков:
а — заäание обëасти реøений; б — разбиение обëасти на коне÷ные эëеìенты
Рис. 2. Визуализация газовых потоков в камерах ионизации и дрейфа
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 4.2016
41
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
а)
б)
Рис. 3. Разбиение области на конечные элементы для двух конфигураций камеры
ионного источника:
а — без у÷ета охранноãо потока; б — c у÷етоì охранноãо потока
1,1645
0,3747
16
16
0,35
12
0,3
8
4
0,35
4
0
0,3
12
8
–4
0,15
–4
0,1
–12
0,15
–16
–20 –15 –10 –5
0
5
10
15
20
0
0
1
0,8
0
0,6
–4
0,4
–8
–12
0,2
–16
–20 –15 –10 –5
а)
0
5
10
15
20
0
0
б)
Рис. 4. Визуализация газовых потоков в камере ионизации:
а — без у÷ета охранноãо потока; б — с у÷етоì охранноãо потока
Уравнение Навüе-Стокса явëяется основныì при рас÷ете äвижения вязкой несжиìаеìой жиäкости.
Оäнако в общеì сëу÷ае оно не реøается ìетоäаìи совреìенной ìатеìатики и на практике прихоäится оãрани÷иватüся реøениеì ëиøü
÷астных заäа÷. Те÷ение вязкой жиäкости по трубаì в зависиìости от
ряäа усëовий ìожет бытü ëаìинарныì (иëи сëоистыì) и турбуëентныì (иëи вихревыì). В сëу÷ае ëаìинарноãо те÷ения все ìоëекуëы
жиäкости äвижутся параëëеëüно
оси трубы и, нахоäясü на оäинаковоì расстоянии от осевоãо öентра
трубы, иìеþт равные скорости. Дëя
турбуëентноãо äвижения характерно наëи÷ие норìаëüной (перпенäикуëярной направëениþ те÷ения
жиäкости) составëяþщей скорости
äвижения ìоëекуë и резкий спаä
скорости те÷ения при прибëижении
к ãраниöаì. Траектория äвижения
42
ìоëекуë преäставëяет собой сëожнуþ кривуþ ëиниþ.
В ка÷естве рас÷етной выбираëасü аксиаëüно-сиììетри÷ная обëастü в öиëинäри÷еской систеìе
коорäинат (r, ϕ, z), которая соответствует типи÷ной систеìе транспортирования ãазовых потоков в
каìерах ионизаöии и äрейфа.
Как виäно из рис. 2 в каìере
ионизаöии и äрейфа форìируþтся
обëасти турбуëентных потоков, способствуþщих осажäениþ заãрязнений на поверхностях каìер в станäартной конструкöии. Рассìотриì
преäëаãаеìое реøение пробëеìы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОХРАННОГО
ПОТОКА В КАМЕРЕ ИОНИЗАЦИИ
Заäа÷а ìоäеëирования охранноãо потока реøена äëя каìеры ионизаöии с патрубкаìи äëя поäвоäа
и вывоäа потока анаëизируеìоãо
возäуха (рисунки 3, 4).
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
Бëаãоäаря охранноìу потоку
÷истоãо возäуха иссëеäуеìое вещество практи÷ески не аäсорбируется на стенках ионной каìеры, ÷то
обеспе÷ивает ÷истоту ионно-äрейфовой обëасти и существенно повыøает äоëãове÷ностü работы прибора и то÷ностü äетектирования
сëеäовых конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ. Поэтоìу резуëüтаты ìоäеëирования
поäтвержäаþт эффективностü внесенных изìенений в типовуþ конфиãураöиþ каìеры ионноãо исто÷ника.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ
С у÷етоì резуëüтатов ìоäеëирования ãазовых потоков в каìере
ионноãо исто÷ника быëа разработана систеìа форìирования ãазовоãо
потока (рис. 5).
В экспериìенте испоëüзоваëся
прототип я÷ейки спектроìетра ионной поäвижности с ионизаöией исто÷никоì коронноãо разряäа. Устройство управëения систеìой форìирования ãазовоãо потока реаëизуется в виäе пе÷атной пëаты с
ìикроконтроëëероì фирìы Atmel
ATmega48pa (МК), разъеìаìи äëя
поäкëþ÷ения опти÷ескоãо äат÷ика,
äат÷иков вëажности, наãреватеëя и
персонаëüноãо коìпüþтера (ПК).
В ка÷естве ионно-äрейфовой каìеры быëа испоëüзована пëастиковая
трубка äëиной 15 сì и äиаìетроì
4 сì с тоëщиной стенок 0,5 ìì.
Ввоä пробы в обëастü ионизаöии осуществëяëся ÷ерез отверстие
в торöевой стенке äрейфовой трубки. Иссëеäуеìая проба вещества
отäеëена от äопоëнитеëüноãо возäуøноãо потока с поìощüþ сетки
(äиаìетр отверстий — 2 ìì). Дëя
созäания охранноãо возäуøноãо
потока ìежäу обëастüþ образования коронноãо разряäа и обëастüþ
ввоäа анаëизируеìой пробы возäуха установëен вентиëятор. Систеìа иìпуëüсноãо наãрева преäставëяет собой наãреватеëüный эëеìент —
нихроìовуþ провоëоку (сопротивëение 2,7 Оì), управëяеìуþ сиãнаëоì ШИМ от ìикроконтроëëера.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
Степенü переìеøивания потоков опреäеëяется с поìощüþ äат÷иков вëажности, оäин из которых
распоëожен на вхоäе у стенки каìеры ионноãо исто÷ника, а второй —
на выхоäе. По основноìу патрубку
каìеры поäается осуøенный возäух, а в äопоëнитеëüный канаë поступает вëажный возäух из окружаþщей среäы. По показанияì äат÷иков äеëается вывоä о сìеøивании
потоков.
Контроëü заäыìëенности каìеры ионноãо исто÷ника осуществëяется с поìощüþ опти÷ескоãо äат÷ика, который преäставëяет собой äва
äиоäа, распоëоженных перпенäикуëярно по отноøениþ к оси сиììетрии ионно-äрейфовой трубки: инфракрасный изëу÷атеëü (ИК-изëу÷атеëü) и инфракрасный приеìник
(ИК-приеìник).
ПК
ПО
ìикроконтроëëера
МК
Дат÷ик вëажности
ИК-изëу÷атеëü
Систеìа öиркуëяöии
возäуха
Систеìа иìпуëüсноãо
наãрева
Нихроìовый эëеìент
Дат÷ик вëажности
Опти÷еский äат÷ик
ИК-приеìник
Рис. 5. Структурная схема системы формирования газового потока
ОПТИМИЗАЦИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
В первых экспериìентах по созäаниþ систеìы форìирования ãазовоãо потока возникëа пробëеìа
переноса пробы иссëеäуеìоãо вещества ÷ерез коне÷ный объеì, коãäа проба не äостиãаëа конöа трубки
из-за небоëüøой скорости потока.
Эта пробëеìа быëа устранена бëаãоäаря поäбору оптиìаëüных скоростей вращения вентиëяторов. При
скоростях потока ãаза ниже 0,3 ì/с
те÷ение иìеет ëаìинарный характер, оäнако при увеëи÷ении скорости происхоäит перехоä в турбуëентное те÷ение, которое явëяется
нестаöионарныì и пространственно неоäнороäныì, так как скоростü
÷астиö жиäкости, äавëение и äруãие
характеристики среäы изìеняþтся
во вреìени и пространстве сëу÷айныì образоì äаже при постоянных
внеøних усëовиях.
В резуëüтате увеëи÷ения скорости потока те÷ение приобреëо турбуëентный характер и возникëа еще
оäна пробëеìа переноса пробы иссëеäуеìоãо вещества ÷ерез коне÷ный объеì, который äоëжен происхоäитü без переìеøивания ãазовых
потоков. Дëя реøения пробëеìы в
экспериìентаëüной трубке быëи
сäеëаны äопоëнитеëüные отверс-
а)
б)
Рис. 6. Общий вид воздушных потоков:
а — стаöионарное ëаìинарное те÷ение; б — нестаöионарное ëаìинарное те÷ение
тия, с поìощüþ которых осуществëяëся перепаä äавëения на конöе
трубки, в резуëüтате ÷еãо те÷ение
вновü приобретаëо ëаìинарный характер.
Перехоä стаöионарноãо ëаìинарноãо те÷ения в нестаöионарное
ëеãко фиксируется при набëþäении окраøенных струй. Так, при
стаöионарноì те÷ении струя иìеет
виä ровной ëинии (рис. 6, а), а при
перехоäе к нестаöионарноìу те÷ениþ струя завихряется, окраøенная
струя разìывается, постепенно распëываясü по всеìу се÷ениþ трубки
(рис. 6, б).
В хоäе экспериìента, заäавая
разëи÷нуþ скоростü вращения вентиëяторов, установëенных на вхоäе
и выхоäе ионно-äрейфовой каìеры,
осуществëяëосü управëение основныì и äопоëнитеëüныìи возäуøныìи потокаìи, в резуëüтате ÷еãо
äостиãаëосü разäеëение ввоäиìой
пробы возäуха и стенок экспериìентаëüной трубки.
Систеìа успеøно проøëа äиаãностику на переìеøивание потоков в иссëеäуеìой трубке с поìощüþ äат÷иков вëажности (табë. 1).
Дат÷ик, установëенный на выхоäе,
переìещаëся от стенок трубки äо ее
öентра. По основноìу патрубку каìеры поäаваëся осуøенный возäух,
а в äопоëнитеëüный канаë поступаë вëажный возäух из окружаþТаблица 1
Показания датчиков влажности
Относитеëüная
вëажностü, %,
на выхоäе
Относитеëüная
вëажностü, %,
на вхоäе
у стенки
каìеры ионноãо
исто÷ника
Вäоëü
стенки
трубки
По
öентру
трубки
47
43
18
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 4.2016
43
Освещенностü, усë. еä.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
ноãо исто÷ника и обеспе÷ивает
нужное направëение потока иссëеäуеìоãо вещества. Резуëüтаты экспериìентаëüных иссëеäований, провеäенных в äанной работе, преäставëяþт интерес с то÷ки зрения
усоверøенствования бëока забора и
ионизаöии пробы иссëеäуеìоãо вещества.
1
2
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Вреìя, с
0,7
0,8
0,9
1
Рис. 7. Графики зависимости освещенности от длительности импульса при потреблении нихромовой проволокой мощности 15 Вт (кривая 1) и 31 Вт (кривая 2)
щей среäы. По показанияì äат÷иков вëажности äеëаëся вывоä о тоì,
÷то öентраëüный поток осуøенноãо
возäуха не касается стенок трубки,
сëеäоватеëüно, потоки не переìеøиваþтся.
Дëя визуаëизаöии сëеäовых
конöентраöий веществ в ãазовой
пробе испоëüзуется кратковреìенный иìпуëüсный наãрев нихроìовой провоëоки. Бëаãоäаря систеìе
иìпуëüсноãо наãрева на вхоä устройства поступаþт кратковреìенные
выбросы äыìовоãо ãаза (табë. 2), и
с поìощüþ опти÷ескоãо äат÷ика
осуществëяется контроëü заäыìëенности каìеры ионноãо исто÷ника.
По резуëüтатаì изìерений построены ãрафики (рис. 7) зна÷ений освещенности в зависиìости от äëитеëüности иìпуëüса äëя кажäоãо из
зна÷ений потребëяеìой ìощности.
Графики позвоëяþт сäеëатü вывоä, ÷то при изìенении конöентраöии анаëизируеìоãо вещества путеì
повыøения потребëяеìой ìощности с 15 äо 31 Вт испоëüзуеìый охранный ãазовый поток успеøно
преäотвращает накопëение анаëизируеìоãо вещества в каìере и освещенностü существенно не изìеняется.
Такиì образоì, бëаãоäаря преäëаãаеìой систеìе форìирования
ãазовоãо потока разäеëены поток
иссëеäуеìоãо вещества и возäуøный поток ÷истоãо возäуха в каìере
ионизаöии, ÷то äает возìожностü
оптиìизироватü спектроìетр ионной поäвижности, повыøает еãо
÷истоту и то÷ностü изìерений на
30 %. При этоì обеспе÷ивается
поäбор оптиìаëüноãо возäуøноãо
потока в обëасти ионизаöии за с÷ет
управëения скоростüþ вращения
вентиëяторов, ÷то, в своþ о÷ереäü,
повыøает ÷увствитеëüностü äетектирования анаëизируеìых веществ
на 20 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Провеäено ìоäеëирование ãазовых потоков в каìере ионноãо исто÷ника. Выпоëнен коìпëекс работ по созäаниþ автоìатизированной систеìы форìирования ãазовоãо потока в портативноì äетекторе
сверхìаëых конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ. Экспериìентаëüная апробаöия также
показаëа, ÷то систеìа форìирования ãазовых потоков работает успеøно. Устройство позвоëяет уìенüøитü заãрязненностü каìеры ион-
Таблица 2
Параметры управляющих импульсов, обеспечивающих выбросы дымового газа
Параìетр
Мощностü, потребëяеìая нихроìовой провоëокой, Вт
Дëитеëüностü иìпуëüса, с
Вреìя заäержки, с
Аìпëитуäа сиãнаëа, усë. еä.
44
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
Зна÷ение
15
0,45
0,35
316
31
0,4
0,3
414
ЛИТЕРАТУРА
1. Eiceman G. A., Karpas Z., Hill H. H.
Ion Mobility Spectrometry. 3-rd ed. —
Taylor & Francis Group, 2013.
2. Borsdorf H., Mayer T., Zarejousheghani M., Eiceman G. A. Recent developments in ion mobility spectrometry
Appl. Spectrosc // Rev. — 2011. —
N 46. — Р. 472—521.
3. Sysoev A. A., Poteshin S. S., Chernyshev D. M., et al. Analysis of new synthetic drugs by ion mobility timeof-flight mass spectrometry // European Journal of Mass Spectrometry. —
2014. — N 20 (2). — Р. 185—192.
4. Golovin A. V., Belyakov V. V., Vasilyev V. K., et al. The sampling unit of its
device for detection of trace amount
substances on human fingers and documents // Proc. оf the 21-th International Conference on ion Mobility
Spectrometry, July 22—27, 2012, Orlando, Florida, USA.
5. Rapid detection of sepsis in rats
through volatile organic compounds in
breath // Journal of Chromatography
B: Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences. — 2012. —
N 881—882. — Р. 76—82.
6. Shvartsburg A. A., Creese A. J.,
Smith R. D., Cooper H. J. Separation
of a set of peptide sequence isomers
using differential ion mobility spectrometry // Analytical Chemistry. —
2011. — N 83 (18). — Р. 6918—6923.
7. Bykova A., Syrkin A. L., Kopylov F., —
Breath acetone in diagnostic of heart
failure // European Journal of Heart. —
2014. — Vol. 16, Supplement 2. —
Р. 177.
8. Wash-out of ambient air contaminations for breath measurements // Journal of Breath Research. — 2014. —
N 8 (2). — Art. No. 027107. doi:
10.1088/1752-7155/8/2/027107.
9. Vautz W., Baumbach J., Westhoff M.,
et al. Perl Breath sampling control for
medical application // Int. J. Ion Mobil. Spectrom. — 2010. — N 13. —
Р. 41—46.
10. Emission factors and characteristics of
criteria pollutants and volatile organic
compounds (VOCs) in a freeway tunnel study // Science of the Total Environment. — 2007. — N 381 (1—3). —
P. 200—211.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
������������
УДК 681.2.084
СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ВХОДНОГО КАНАЛА
СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
THE INLET CHANNEL MATERIALS SORBTION PROPERTIES
IN ION MOBILITY SPECTROMETRY
Липатов Дмитрий Юрьевич
аспирант
E-mail: d15l@rambler.ru
Lipatov Dmitry Yu.
Postgraduate
E-mail: d15l@rambler.ru
Родионов Андрей Андреевич
канд. техн. наук
E-mail: androjam1@gmail.com
Rodionov Andrey A.
Ph. D. (Tech.)
E-mail:androjam1@gmail.com
Шалтаева Юлия Ринатовна
аспирант
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Shaltaeva Yuliya R.
Postgraduate
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научный сотрудник
E-mail: avgolovin@bk.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Associate Research
E-mail: avgolovin@bk.ru
Малкин Евгений Константинович
аспирант
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Malkin Evgeny K.
Postgraduate
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, инженер
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Vasilyev Valery K.
Ph. D. (Tech.), Engineer
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Иванов Игорь Александрович
аспирант
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor A.
Postgraduate
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: В анаëити÷ескоì высоко÷увствитеëüноì оборуäовании существует пробëеìа эффективноãо переноса пробы без
потери ÷асти анаëизируеìоãо вещества. Эта пробëеìа актуаëüна при обнаружении ìаëых конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ ìетоäоì спектроìетрии ионной поäвижности. Потери пробы при аäсорбöии на поверхности ãазовых
канаëов и äиффузии ÷ерез стенки прониöаеìых ãазовых кана3
ëов при пороãе ÷увствитеëüности поряäка 10—14 ã/сì сравниìы с разìероì саìой пробы. В äанной работе иссëеäуется
сорбöия тринитротоëуоëа в разëи÷ных ìатериаëах трубок.
Abstract: The effective transfer of sample is a problem relevant to
modern analytical equipment. This problem in detection of explosives and narcotics trace concentrations by Ion Mobility Spectrometry is discussed. The sample losses on inlet channel surface
and diffusion through penetrable gas channels are comparable with
3
the quantity of sample itself at the sensitivity level of 10—14 g/cm .
The trinitrotoluene sorption in different channel materials is
studied.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, аäсорбöия на поверхности, ãазовый вхоäной канаë, ìатериаëы,
тефëон, кварöевое стекëо, сиëанизаöия стекëа, заãрязнение,
ìоäеëирование.
Keywords: ion mobility spectrometry adsorption on the surface, gas
inlet channel, teflon, quartz glass, glass silanization, contamination,
the modeling.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 4.2016
45
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
ВВЕДЕНИЕ
Приборы на основе спектроìетрии ионной поäвижности (СИП) наøëи øирокое приìенение в обнаружении сверхìаëых конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ [1—5], а также в посëеäнее вреìя
в обëасти анаëиза ëету÷их орãани÷еских веществ äëя
биоëоãи÷еских иссëеäований и äиаãностики забоëеваний [6—9]. Спектроìетрия ионной поäвижности явëяется ìетоäоì обнаружения и иäентификаöии паров
хиìи÷еских соеäинений, основанныì на разäеëении
ионов по критериþ поäвижности в эëектри÷ескоì поëе
в ãазовой среäе при атìосферноì äавëении.
Из ионов, образовавøихся в каìере ионизаöии, с
поìощüþ затвора форìируется сãусток, который инжектируется в каìеру äрейфа и поä äействиеì постоянноãо эëектри÷ескоãо поëя äвижется в направëении
коëëектора. Ионы с разëи÷ной поäвижностüþ реãистрируþтся по изìенениþ тока коëëектора. Спектр распреäеëения ионов по поäвижностяì позвоëяет выявëятü и иäентифиöироватü хиìи÷еские вещества, соäержащиеся в ãазообразной пробе. Упрощенная структура
прибора и траектории возäуøных потоков преäставëены на рис. 1.
Переä поступëениеì в обëастü ионизаöии и посëеäуþщей транспортировкой ионов поëеì äо коëëектора
пары вещества прохоäят по “вхоäноìу возäуøноìу канаëу” прибора, эëеìенты котороãо ìоãут бытü изãотовëены из разëи÷ных ìатериаëов и иìетü разëи÷нуþ
ãеоìетриþ. При этоì существует пробëеìа, закëþ÷аþщаяся в тоì, ÷то всëеäствие проöессов осажäения из ãазовой фазы и проникновения внутрü поверхности происхоäит накопëение иссëеäуеìоãо вещества в канаëе,
÷то снижает ÷увствитеëüностü прибора. В боëüøей степени это ìожет происхоäитü при äëитеëüноì хранении
(в остывøеì состоянии) иëи работе в “режиìе переãрузки” (боëüøая конöентраöия искоìоãо вещества на
вхоäе прибора). Поэтоìу испоëüзование ìатериаëов,
ìиниìаëüно взаиìоäействуþщих и накапëиваþщих
иссëеäуеìые вещества, преäеëüно важно äëя:
— повыøения ÷увствитеëüности прибора,
Вхоäной возäуøный поток
— снижения вреìени реакöии на появëение вещества,
— снижения вреìени посëеäействия (отображения
пика искоìоãо вещества посëе уäаëения еãо исто÷ника
с вхоäа устройства) и вероятности ëожных срабатываний прибора, снижения конöентраöии паров осажäаеìоãо на стенках трубки вещества,
— повыøения разреøаþщей способности,
— снижения вероятности выхоäа прибора из строя
всëеäствие сиëüноãо заãрязнения, коãäа саìоо÷истка не
позвоëяет выйти на рабо÷ий режиì и требуется сервисное обсëуживание кваëифиöированныì персонаëоì с
разборкой и о÷исткой устройства по спеöиаëüной техноëоãии.
Иссëеäоваëисü проöессы сорбöии паров тринитротоëуоëа (ТНТ) при проäувке фиксированноãо потока
возäуха ÷ерез трубки из разëи÷ных ìатериаëов, приìеняеìых в конструкöиях СИП: тефëона, нержавеþщей
стаëи, стекëа, сиëанизированноãо стекëа и кварöа.
ФОРМИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ
ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Структура ìакета äëя иссëеäования образöов трубок преäставëена на рис. 2. Необхоäиìыì требованиеì
äëя поëу÷ения воспроизвоäиìых и äостоверных резуëüтатов явëяется то÷ное собëþäение усëовий провеäения
всех этапов экспериìента, т. е.:
— скоростей потока возäуха (при обработке образöа
и провеäении изìерения на СИП),
— конöентраöии паров ТНТ (стабиëüности исто÷ника вещества) и ÷истоты возäуха,
— теìпературы образöов трубок и исто÷ника ТНТ,
— вывоäа исто÷ника паров ТНТ в равновесное состояние с потокоì возäуха.
Вхоäной поток СИП реãуëируется в äиапазоне
скоростей от 76 äо 462 ìë/ìин при поäкëþ÷ении иссëеäуеìых трубок и расхоäоìера. Возäуøный поток на
стенäе обработки образöов заäается вентиëятороì.
Диапазон реãуëирования возäуøноãо потока при поä-
Дрейфовая обëастü
Проботборное
устройство
Ионный исто÷ник
Каìера ионизаöии
Вентиëятор
Рис. 1. Схема СИП с обозначением воздушных потоков
46
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
Коëëектор
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
Чистый возäух
P1
Исто÷ник ТНТ
Образеö трубки
Перехоäник Грязный возäух
P2
Расхоäоìер
Коннектор
Вентиëятор
Рис. 2. Схема макета для исследования образцов трубок
Ионный ток, усë. еä.
6000
5000
27 °C
4000
35 °C
40 °C
35 °C
3000
2000
1000
0
0:00:00
1:00:00
2:00:00
3:00:00
Вреìя äрейфа, ìс
4:00:00
5:00:00
Рис. 3. Графики зависимости концентрации вещества от времени в диапазоне температур 27—35 °C
кëþ÷ении иссëеäуеìых трубок и расхоäоìера составëяет от 0,14 äо 0,43 ë/ìин.
Бëизостü äиапазонов реãуëирования потоков в обоих сëу÷аях позвоëяет сäеëатü вывоä об опреäеëяþщеì
вëиянии расхоäоìера возäуха на сопротивëение всеãо
возäуøноãо тракта как на приборе, так и на ìакете. В ка÷естве исто÷ника паров ТНТ испоëüзоваëасü кварöевая
трубка с внеøниì äиаìетроì и тоëщиной стенок, как
у иссëеäуеìых образöов, но ìенüøей äëины. На внутренней поверхности трубки быëи распëавëены нескоëüко ìикроãраìì ТНТ, ÷то позвоëиëо закрепитü вещество, устранитü пробëеìу попаäания вещества во вхоäной
тракт СИП, а также увеëи÷итü пëощаäü испарения.
Дëя оöенки приìениìости äанноãо исто÷ника быëи провеäены испытания на стабиëüностü созäаваеìой
конöентраöии ТНТ при проäувке исто÷ника возäухоì
с разëи÷ной скоростüþ и при разной теìпературе в те÷ение äостато÷но äëитеëüноãо вреìени (зна÷итеëüно
боëüøеãо, ÷еì вреìя проäувки образöов трубок при
провеäении станäартноãо анаëиза состава вещества
прибороì). Параìетр “усреäнения” показаний прибора
СИП при провеäении изìерений и äаëüнейøих экспериìентов быë установëен в ÷етыре раза ниже обы÷ноãо,
÷тобы отсëеживатü быстропротекаþщие проöессы то÷нее, в ÷астности, высоту пиков веществ. Сниженное
зна÷ение “усреäнения” äобавиëо ãрафикаì “øуìовуþ
коìпоненту”.
На первоì этапе исто÷ник иссëеäоваëся при коìнатной теìпературе. Посëе проäувки исто÷ника на ìиниìаëüной скорости и устранения паров вещества в
объеìе в те÷ение 3 ìин он поäкëþ÷аëся напряìуþ к
СИП и провоäиëосü набëþäение в те÷ение 30 ìин. За-
теì исто÷ник откëþ÷аëся на 15 ìин, проäуваëся, и набëþäение проäоëжаëосü äаëее. Поëу÷ены три ãрафика
зависиìости аìпëитуäы пика (конöентраöии) ТНТ от
вреìени (рис. 3).
ИССЛЕДОВАНИЕ СОРБЦИИ ТНТ
В ТРУБКАХ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Провеäены изìерения äинаìики уìенüøения аìпëитуäы конöентраöии паров ТНТ посëе проäувки исто÷никоì ТНТ тефëоновых, кварöевых, стекëянных и
сиëанизированных стекëянных трубок. Экспериìент
провоäиëся в нескоëüко этапов:
— вывоä исто÷ника ТНТ на режиì работы (наãрев
äо 40 °С, проäувка 1 ÷);
— наãрев ÷истой иссëеäуеìой трубки äо 60/100 °С,
снятие спектров;
— проäувка иссëеäуеìой трубки исто÷никоì в те÷ение 3 ìин;
— изìерение спектров проäутой трубки;
— обработка спектров, построение ãрафиков зависиìости конöентраöии ТНТ от вреìени проäувки.
Дëя сравнения степени осажäения и заãрязнения
трубок веществоì ТНТ быëи выбраны сëеäуþщие ìатериаëы трубок: тефëон, боросиëикатное стекëо, сиëанизированное боросиëикатное стекëо, кварöевое стекëо, сиëанизированное кварöевое стекëо. Физико-хиìи÷еский сìысë проöесса в тоì, ÷то присутствуþщие на
поверхности стекëа сиëаноëüные ãруппы (-Si-OH) реаãируþт с сиëанизируþщиì аãентоì с образованиеì ãиäрофобной сиëоксановой пëенки на поверхности стекëа,
не позвоëяþщей соприкасатüся раствору со стекëоì.
Поэтоìу ни из стекëа в раствор ни÷еãо не перехоäит, ни
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 4.2016
47
Ионный ток, усë. еä.
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
1000
1000
1000
800
800
800
600
600
600
400
400
400
200
200
200
0
2000
4000
Вреìя äрейфа, ìс
а)
0
2000
4000
Вреìя äрейфа, ìс
б)
0
2000
4000
Вреìя äрейфа, ìс
в)
Рис. 4. Графики зависимости концентрации ТНТ от времени продувки при перемещении паров:
а — выäувка насыщенных паров со вреìенеì экспоненöиаëüноãо спаäа τ1; б — выäувка вещества с поверхности и с приповерхностноãо сëоя ìатериаëа, характеризуеìая вреìенеì экспоненöиаëüноãо спаäа τ2; в — “Вкëаä систеìы” (вреìя экспоненöиаëüноãо спаäа) τ3
из раствора на стекëо неорãани÷еские ионы не сорбируþтся, ÷то уëу÷øает ÷увствитеëüностü прибора.
Трубки наãреваëисü äо 100 °С äëя сиìуëяöии реаëüноãо режиìа работы в приборе. Наãретые трубки проäуваëисü исто÷никоì ТНТ в те÷ение 3 ìин. Посëе
проäувки наãретые трубки сразу поäносиëисü к прибору äëя изìерения спектров. В резуëüтате обработки изìеренных серий спектров быëи выäеëены пики ТНТ и
поëу÷ены характеристики äинаìики уìенüøения аìпëитуäы пиков конöентраöии во вреìени. За параìетр
сравнения характеристик приниìаëосü вреìя экспоненöиаëüноãо спаäа аìпëитуäы τ, ÷ерез которое аìпëитуäа проöесса упаäет в “е” раз (е ≈ 2,718).
Сëожная форìа кривой обусëовëена нескоëüкиìи
проöессаìи переìещения паров (рис. 4). В ка÷естве
этаëонной сравнитеëüной характеристики взято вреìя
спаäа τ.
Результаты экспериментов по продувке
веществом разных материалов
Материаë
Тефëон
Стаëü
Стекëо
Стекëо сиëанизированное
Кварö
Кварö сиëанизированный
SilcoSteel-HG
48
Вреìя экспо- Вреìя эксВреìя эксненöиаëüноãо поненöипоненöиспаäа конöентаëüноãо
аëüноãо
раöии вещества спаäа конспаäа конс поверхности и
öентраöентраöии
с приповерхöии
насыщенностноãо сëоя
“Вкëаäа
ных паров
ìатериаëа τ2,
систеìы”
τ1, ìс
τ3, ìс
ìс
16,4
8,5
9,8
10,4
68,0
14,3
23,3
27,9
360
88,5
124
111
1,5
0,5
10,1
5,9
138
143
0,5
3,2
16,8
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
На низких теìпературах отìе÷ен “равноìерный
выäув”, “пëавный спаä”, но в зависиìости от ìатериаëа оäно и тоже вещество выäувается с разëи÷ныìи
вреìенаìи экспоненöиаëüноãо спаäа в зависиìости от
пористости аäсорбируþщеãо ìатериаëа. Наприìер, спаä
аìпëитуäы тефëона пëавный и практи÷ески равноìерен на низких теìпературах, остаëüные же ìатериаëы
проявëяþт резкие спаäы, ÷то, возìожно, поäтвержäает
вëияние пористости ìатериаëа.
Сиëанизированное стекëо при высоких теìпературах теряет свои свойства поäобно обы÷ноìу стекëу, поэтоìу ëу÷øе испоëüзоватü боëее терìостойкий ìатериаë, наприìер, кварö. Возìожныì объяснениеì этоãо
явëения ìожет сëужитü то, ÷то у стекëа при разоãреве
раскрываþтся поры.
Сиëанизаöия кварöевых трубок не оказывает существенноãо вëияния на проöесс сорбöии в них ТНТ в
äиапазоне теìператур от коìнатной äо 100 °С.
В резуëüтате обобщения äанных нескоëüких экспериìентов (сì. табëиöу) ìатериаëоì, преäпо÷титеëüныì
äëя испоëнения вхоäноãо канаëа СИП, явëяется кварöевое стекëо всëеäствие своей терìостойкости и ëу÷øих характеристик по проëету паров вещества.
В проöессе ìатеìати÷ескоãо ìоäеëирования кривых сорбöии быëо выяснено, ÷то äанные кривые ìожно
разëожитü на суперпозиöиþ ëоãнорìаëüных функöий с
разныìи параìетраìи (рис. 5). В äаëüнейøеì пëанируется иссëеäоватü законоìерности параìетров ëоãнорìаëüных функöий в зависиìости от ìатериаëа.
РАБОТА В РЕЖИМЕ ПЕРЕГРУЗКИ
Работа в режиìе переãрузки ìожет бытü сìоäеëирована äëитеëüной проäувкой иссëеäуеìых образöов
параìи ТНТ. Это позвоëяет в резуëüтате оäноãо экспериìента äости÷ü “сиëüноãо заãрязнения”, соответствуþщеãо äëитеëüной работе при боëüøой конöентраöии
иссëеäуеìоãо вещества на вхоäе прибора. Кварöевые и
тефëоновые трубки при теìпературе 100 °С обäуваëисü
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
Ионный ток, усë. еä
600
400
200
0
2000
Вреìя äрейфа, ìс
4000
Рис. 5. Разложение графика зависимости концентрации ТНТ
от времени продувки на логнормальные функции
в те÷ение 1 ÷, затеì произвоäиëосü изìерение пика
ТНТ на приборе СИП. Резуëüтаты изìерений преäставëены на рис. 6.
Боëее высокий пик ТНТ и ìенüøая пëощаäü поä
ãрафикоì, соответствуþщая коëи÷еству накопëенноãо
прибороì вещества, в сëу÷ае кварöевой трубки ãоворит
о преваëировании проöесса поверхностноãо накопëения вещества (аäсорбöии). Тефëоновая трубка характеризуется боëüøиì накопëениеì вещества всëеäствие
проöессов абсорбöии и äиффузии внутрü ìатериаëа с
посëеäуþщиì постепенныì еãо высвобожäениеì в те÷ение нескоëüких äней—неäеëü. Поэтоìу на спектроãраììе увеëи÷ивается составëяþщая вкëаäа систеìы,
которая ухуäøает сеëективностü прибора.
На ãрафике (рис. 6) отображены первые 10 ìин экспериìента, пëощаäи также расс÷итаны äëя äанноãо периоäа вреìени (коëи÷ество вещества в усë. еä.). В сëу÷ае тефëоновой трубки пик ТНТ не успеë вернутüся к
своеìу первона÷аëüноìу уровнþ. В äействуþщих приборах разниöа в коëи÷естве накопëенноãо вещества
боëüøе преäставëенных зна÷ений.
Резуëüтаты показываþт неприãоäностü тефëоновых
трубок äëя испоëüзования в режиìе переãрузки, поскоëüку вреìя восстановëения (саìоо÷истки) крити÷но äëя
оперативной работы с прибороì и привоäит к ëожныì
срабатыванияì из-за эффекта накопëения заãрязнитеëей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Привеäены резуëüтаты иссëеäования проöессов
сорбöии ТНТ в трубках из: тефëона, стаëи, стекëа, стекëа сиëанизированноãо, кварöа, кварöа сиëанизированноãо, SilcoSteel-HG. В проöессе ìатеìати÷ескоãо ìоäеëирования быëо установëено, ÷то проöесс сорбöии при
проäувке трубок параìи ТНТ состоит из трех зна÷иìых
äиффузионных проöессов с разëи÷ныì вреìенеì экспоненöиаëüноãо спаäа конöентраöии.
На основании äанной ìоäеëи быë провеäен сравнитеëüный анаëиз сорбöии разëи÷ных ìатериаëов. Наиëу÷øие резуëüтаты показаëи трубки из кварöа и сиëа-
900
800
700
30000
Ионный ток, усë. еä.
600
500
20000
400
10000
300
200
100
0
0
0:00
0:01
0:02
0:03
0:04
a)
0:05
0:06
900
800
14762
0:07
0:08
0:09
0:10
Постоянная вреìени
700
0:04:00
600
500
0:03:00
0:02:00
400
0:01:00
300
200
100
0:00:00
0
0:00
Коëи÷ество вещества
29758
0:01
0:02
0:03
0:04
0:05
0:06
Вреìя äрейфа, ìс
б)
0:03:50
0:03:28
0:07
0:08
0:09
0:10
Рис. 6. Зависимости концентрации ТНТ от времени:
а — кварöевой трубки; б — тефëоновой трубки
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 4.2016
49
Co pyrigh t О АО «ЦКБ «БИБКОМ » & ООО « Aгентство Kнига-Cерв ис»
низированноãо кварöа, характеризуеìые ìиниìаëüной
сорбöией ТНТ. Показана нежеëатеëüностü испоëüзования трубок из тефëона в спектроìетрах ионной поäвижности (СИП) всëеäствие наихуäøих показатеëей по
сорбöионныì характеристикаì.
5.
6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Eiceman G. A., Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry: Second
edition. — CRC Press, 2005.
2. Rodacy P. The minimum detection limits of RDX and TNT //
Explosive Subsystems & Materials, Sandia National Laboratories. — 1993.
3. Pella P. A. Generator for Producing Trace Vapor Concentrations of 2, 4, 6-Trinitrotoluene, 2, 4-Dinitrotoluene, and Ethylene Glycol Dinitrate for Calibrating Explosives Vapor Detectors // Analytical Chemistry Division, National Bureau of
Standards. — 1976.
4. Matsaev V., Gumerov M., Krasnobaev L., et al. IMS Spectrometers with Radioactive, X-ray, UV and Laser Ionization // In-
7.
8.
9.
ternational Journal for Ion Mobility Spectrometry. — 2002. —
N 5 (3). — Р. 112—114.
Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry: A tool in the war against
terror // Bull. Israel Chem. Soc. 2009, 24.
Samotaev N., Golovin A., Vasilyev V., et al. Li patov IMS development at NRNU MEPHI // Lecture Notes in Electrical
Engineering. — 2014. — 268 LNEE. — Vol. 268. — Р.
447—451; Laakia Ja., Adamov A., Jussila M., et al. Separation
of Different Ion Structures in Atmospheric Pressure Photoionization — Ion Mobility Spectrometry — Mass Spectrometry
(APPI-IMS-MS) // Journal of the American Society for Mass
Spectrometry, 21 (9), 2010, 1565—1572.
Sysoev A. A., Poteshin S. S., Chernyshev D. M., et al. Analysis
of new synthetic drugs by ion mobility time-of-flight mass
spectrometry // European Journal of Mass Spectrometry. —
2014. — N 20 (2). — Р. 185—192.
Vautz W. Breath analysis — performance and potential of ion
mobility spectrometry // J. Breath Res. — 2009. — Issue 3. —
P. 25—33.
Davies A. N., Baumbach J. I. Early lung cancer diagnostics by
ion mobility spectrometry data handling // Spectroscopy Europe. — 2008. — Vol. 20, № 5. — P. 18—21.
������������
УДК 621.3.049
ДЕЙСТВИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
MICROWAVE ELECTROMAGNETIC RADIATION EFFECTS
ON SEMICONDUCTOR DIODES
Шуренков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvshurenkov@mephi.ru
Shurenkov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvshurenkov@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Проанаëизированы эффекты возäействия СВЧизëу÷ения на поëупровоäниковые äиоäы, которые явëяþтся
эëеìентаìи эëектронных приборов и ìикросистеì. Обсужäается ìеханизì возäействия СВЧ-изëу÷ения на рекоìбинаöиþ
носитеëей тока в сëое объеìноãо заряäа p-n-перехоäов.
Abstract: The high frequency electromagnetic radiation effects on
semiconductor devices and the recombination processes in semiconductor p-n junction under HF radiation are discussed.
Ключевые слова: эëектроìаãнитное СВЧ-изëу÷ение, рекоìбинаöия, p-n-перехоä.
Keywords: electromagnetic radiation effects, recombination of
charge carriages, p-n junction.
ВВЕДЕНИЕ
В статüе рассìатриваþтся эффекты возäействия
эëектроìаãнитноãо, в тоì ÷исëе и СВЧ, изëу÷ения на
эëектроннуþ аппаратуру и ее эëеìенты — поëупровоäниковые приборы и преäставëены основные резуëüтаты
возäействия ЭМИ на изäеëия, соäержащие поëупровоäниковые приборы. Основное вниìание при этоì
уäеëяется резуëüтатаì в äиоäных структурах как основных эëеìентах эëектронных систеì. Сäеëан также про-
Иссëеäования возäействия эëектроìаãнитноãо изëу÷ения (ЭМИ) на эëектронные приборы и систеìы,
вкëþ÷ая поëупровоäниковые структуры и интеãраëüные ìикросхеìы, веäутся ìноãие ãоäы [1—6]. Оäнако
пробëеìа опреäеëения физи÷еских ìеханизìов возäействия ЭМИ на работу эëеìентной базы эëектронной
аппаратуры по-прежнеìу остается актуаëüной.
50
Sensors & Systems · ¹ 4.2016
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
УДК 681.785.235:62-756.6
ДВУХПОЛЯРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
BIPOLAR ION MOBILITY SPECTROMETER
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник
E-mail: avgolovin@mail.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Scientist
E-mail: avgolovin@mail.ru
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, зав. лабораторией
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Vasilyev Valeriy K.
Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Иванов Игорь Александрович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor A.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
Громов Евгений Анатольевич
инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Gromov Evgeniy A.
Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Malkin Evgeniy K.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Матуско Максим Александрович
инженер
E-mail: mamatusko@elnos.ru
Matusko Maxim A.
Engineer
E-mail: mamatusko@elnos.ru
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Vyacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: В обзоре рассìотрены конструкöии спектроìетров ионной поäвижности, позвоëяþщие усëовно оäновреìенно обнаруживатü как поëожитеëüные, так и отриöатеëüные ионы. Провеäен обзор существуþщих серийных спектроìетров
ионной поäвижности, обëаäаþщих возìожностüþ оäновреìенноãо äетектирования веществ в обеих спектроìетри÷еских
ìоäах. Проанаëизированы пути реаëизаöии äвухпоëярноãо
спектроìетра ионной поäвижности.
Abstract: The design and constructions of ion mobility spectrometers conditionally allowing simultaneous detection of both positive
and negative ions was reviewed. Also the existing serial ion mobility
spectrometers with simultaneous detection of compounds in both
MS mode was analuzed. The evolution ways of bipolar ion mobility
spectrometry systems realization was concluded.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, обнаружение сëеäов взрыв÷атых веществ, äвухпоëярный режиì,
ионы, конструкöия.
Keywords: ion mobility spectrometry, detection of explosives, trace
detection, bipolar mode, ions, design.
ВВЕДЕНИЕ
сëожных сìесей из ìаëых объеìов проб в присутствии
боëüøоãо ÷исëа известных и неизвестных веществ. Мноãообразие заäа÷ и пробëеì, возникаþщих при опреäеëении ìикро- и субìикрокоëи÷еств анаëизируеìых коìпонентов, преäпоëаãает привëе÷ение как совреìенных
инструìентаëüных ìетоäов, так и разработки новых
Пробëеìа охраны окружаþщей среäы, техноëоãи÷еские проöессы поëу÷ения веществ высокой ÷истоты,
заäа÷и зäравоохранения, биоëоãии, суäебной ìеäиöины требуþт обеспе÷ения возìожности иäентификаöии
–9
сëеäовых конöентраöий (10 ã и ниже) коìпонентов
4
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
Национальному исследовательскому ядерному университету "МИФИ" — 75 лет
нетраäиöионных поäхоäов äëя их реаëизаöии, превосхоäящих существуþщие по ÷увствитеëüности и быстроäействиþ. При этоì вновü созäаваеìые приборы
äоëжны бытü äеøевыìи, наäежныìи и простыìи в
экспëуатаöии и, как правиëо, портативныìи и автоноìныìи.
Терìин спектроìетрия ионной поäвижности (IMS —
Ion Mobility Spectrometry) поäразуìевает принöипы,
способы и оборуäование, позвоëяþщие иäентифиöироватü хиìи÷еские вещества по их поäвижности в ãазовой
фазе. Поäвижностü ионов явëяется характеристикой
вещества и ìожет бытü испоëüзована äëя обнаружения
и иäентификаöии тех иëи иных ìоëекуë. Обëаäая уникаëüныìи характеристикаìи (высокой ÷увствитеëüностüþ, сеëективностüþ, экспрессностüþ, ìаëыìи ãабаритаìи и ìассой, простотой) совреìенная спектроìетрия
ионной поäвижности [1] реøает о÷енü øирокий круã
вопросов, за÷астуþ непосиëüных никакиì äруãиì анаëити÷ескиì ìетоäаì и приеìаì.
В спектроìетрах ионной поäвижности испоëüзуþтся высокие напряжения äëя созäания поëей в каìерах
äрейфа и ионизаöии. Это необхоäиìо äëя тоãо, ÷тобы
ионы äвиãаëисü с äостато÷ной скоростüþ и при характерноì вреìени äрейфа происхоäиëо незна÷итеëüное
изìенение форìы ионноãо сãустка за с÷ет куëоновскоãо растаëкивания. Во вреìя äвижения ионов поëе в
äрейфовой каìере äоëжно бытü стабиëüныì [2], ÷то äостиãается испоëüзованиеì в бëоке форìирования высокоãо напряжения эëектри÷еских еìкостей (конäенсаторов) боëüøоãо ноìинаëа. Поэтоìу боëüøинство
существуþщих на сеãоäняøний äенü спектроìетров
ионной поäвижности способны созäаватü в каìере
äрейфа постоянное эëектри÷еское поëе с возìожностüþ тоëüко ìеäëенноãо перекëþ÷ения. Кроìе тоãо, перекëþ÷ение высокоãо напряжения вызывает эëектри÷еские навоäки и переãрузку высоко÷увствитеëüноãо
усиëитеëя ионноãо тока [3], ÷то не позвоëяет провоäитü
изìерения в те÷ение äëитеëüноãо вреìени.
При необхоäиìости äетектирования веществ из
äруãой ìоäы требуется перекëþ÷ение поëярности прибора, заниìаþщее от 40 с [4] äо нескоëüких ìинут [5],
÷то явëяется неприеìëеìыì äëя оперативной работы.
При этоì в некоторых приборах поëярностü заäается
аппаратно (опреäеëяется конструкöией), и перекëþ÷ение режиìа не преäставëяется возìожныì.
В äанной статüе провоäится обзор существуþщих
серийных спектроìетров, обëаäаþщих возìожностüþ
оäновреìенноãо äетектирования веществ как поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности. Рассìатриваþтся неäостатки конструкöий, и преäëаãается боëее
оптиìаëüный путü реаëизаöии äвупоëярноãо спектроìетра с попереìенныì обнаружениеì ионов обоих поëярностей на оäной спектроìетри÷еской я÷ейке (псевäооäновреìенное äетектирование).
УСТАНОВКА ДВУХ СПЕКТРОМЕТРОВ
В ОДИН ПРИБОР
В сëу÷ае необхоäиìости оперативноãо обнаружения веществ, наприìер на äосìотровых пунктах, возìожен вариант установки в оäин прибор [6] сразу äвух
каìер ионизаöии, äрейфовых каìер, äетектируþщих
узëов, систеì ãазовой о÷истки и высоковоëüтных систеì управëения, т. е. факти÷ески установка äвух параëëеëüных устройств, работаþщих в фиксированной поëярности. Всëеäствие существенноãо увеëи÷ения ãабаритов, ìассы и потребëения энерãии такие приборы
выпускаþтся тоëüко в стаöионарноì испоëнении, ÷то
снижает эффективностü оперативноãо поиска öеëевых
веществ. Возникает необхоäиìостü правиëüной орãанизаöии отбора пробы и разäеëения ãазовых потоков
внутри прибора äëя äвух устройств, ÷то привоäит к усëожнениþ систеìы пробоотбора.
Возìожно нескоëüко конструкöий äетекторов и вариантов разäеëения ãазовых потоков. Первый вариант
(рис. 1) состоит в тоì, ÷тобы поäаватü пробу посëеäоватеëüно ÷ерез первый и второй приборы [7—9]. При
этоì анаëизируеìый возäух ÷ерез систеìу отбора пробы попаäает сна÷аëа в каìеру ионизаöии первоãо прибора, откуäа ионы соответствуþщей поëярности äвижутся в äрейфовой каìере к äетектируþщеìу узëу 1. Затеì
проба ÷ерез соеäинитеëüный канаë попаäает в каìеру
ионизаöии второãо прибора, откуäа ионы äруãой поëярности äвижутся в äрейфовой каìере к äетектируþщеìу узëу 2. Данный вариант снижает ÷увствитеëüностü во вреìя изìерения вторыì прибороì всëеäствие ионно-обìенных реакöий, протекаþщих в каìере
ионизаöии первоãо прибора. Поэтоìу на практике этот
вариант оказывается неприãоäныì.
Второй вариант (рис. 2) состоит в установке разäеëитеëя возäуøноãо потока в канаë поäа÷и пробы [10, 11].
При этоì анаëизируеìый возäух сна÷аëа попаäает в
систеìу отбора пробы, затеì разäеëяется на ÷асти и попаäает в каìеру ионизаöии первоãо прибора, äетектиКаìера ионизаöии 1
Детектируþщий узеë 1
Проба
Каìера ионизаöии 2
Детектируþщий узеë 2
Рис. 1. Схема прибора с последовательной передачей пробы
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2018
5
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
Детектируþщий узеë 1
Канаë 1
Проба
Канаë 2
Детектируþщий узеë 2
Рис. 2. Схема прибора с разделяемым каналом
Каìера
Каìера Проба
äрейфа 1 ионизаöии
Детектируþщий узеë 1
Каìера
äрейфа 2
Детектируþщий узеë 2
Рис. 3. Схема прибора с общей камерой ионизации и двумя
дрейфовыми камерами
руþщеãо тоëüко поëожитеëüные ионы, ÷ерез канаë 1, а
в каìеру ионизаöии второãо прибора, äетектируþщеãо
тоëüко отриöатеëüные ионы, ÷ерез канаë 2 соответственно. Неäостаткаìи äанноãо варианта явëяþтся: усëожнение конструкöии систеìы забора пробы из-за
наëи÷ия разäеëитеëя возäуøноãо потока; ухуäøение
транспорта пробы за с÷ет увеëи÷ения äëины канаëа и
появëения äопоëнитеëüных изãибов; сëожностü контроëя за соотноøениеì äоëей веществ, попаäаþщих в
кажäый прибор; снижение коëи÷ества вещества, поäаваеìоãо в кажäый прибор, ÷то также привоäит к снижениþ ÷увствитеëüности.
Третий вариант (рис. 3) испоëüзует общуþ каìеру
ионизаöии [12, 13] äëя ионов поëожитеëüной и отриöатеëüной поëярности. Такой спектроìетр ионной поäвижности иìеет äве äрейфовые каìеры, äва äетектируþщих узëа, äве систеìы затворов, äва коëëектора и оäну общуþ систеìу отбора пробы и обëастü ионизаöии.
В этоì сëу÷ае поëу÷енные ионы уäерживаþтся в обëасти ионизаöии с поìощüþ затворов, затеì оäновреìенно инжектируþтся в соответствуþщие äрейфовые обëасти. Поëожитеëüные ионы поступаþт в äрейфовуþ
обëастü 1, а отриöатеëüные ионы поступаþт в äрейфовуþ обëастü 2.
К неäостаткаì äанноãо варианта сëеäует отнести
приìенение сëожных конструкöий ионных исто÷ников
6
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
и затворов. Поскоëüку траäиöионные исто÷ники ионизаöии ориентированы äëя оäино÷ной äрейфовой трубки, то при работе в äвух поëярностях такие исто÷ники
буäут иìетü низкуþ эффективностü ионизаöии ìоëекуë
образöа и ионизироватü ìаëуþ äоëþ ìоëекуë [14]. Также в äанной структуре исто÷ники ионизаöии, как правиëо, изãотавëиваþтся на основе раäиоактивных изотопов, поскоëüку необхоäиìа объеìная ионизаöия. Известны ионные исто÷ники (патент US 7259369B2, [15]),
в которых ìоëекуëы образöа посëе ионизаöии в ионной
каìере, распоëоженной вне систеìы (в äанной конструкöии вìесто öентраëüной каìеры ионизаöии разìещена разäеëитеëüная каìера с ионной ëовуøкой),
транспортируþтся с поìощüþ ãаза-носитеëя в ионнуþ
ëовуøку в öентре äвойной äрейфовой каìеры. Затеì
ионы, нахоäящиеся в ëовуøке, инжектируþтся в соответствуþщие äрейфовые обëасти. Данный исто÷ник
иìеет низкуþ эффективностü, поскоëüку боëüøое коëи÷ество ионов теряется в проöессе транспортирования
из каìеры ионизаöии в ионнуþ ëовуøку. Двусторонний
затвор (US 8013297 B2, [16]) иìеет неäостатки, закëþ÷аþщиеся в сëожноì проöессе произвоäства, наëи÷ии
строãих требований при сборке и высокой стоиìости.
СЕРИЙНЫЕ ДВУХПОЛЯРНЫЕ СПЕКТРОМЕТРЫ
Дëя боëüøинства заäа÷ обнаружения необхоäиì
прибор, который ìожет функöионироватü в режиìах
оäновреìенноãо обнаружения как отриöатеëüных, так
и поëожитеëüных ионов. Ниже рассìатриваþтся наибоëее известные и распространенные на ìировоì рынке äетекторы.
IONSCAN 500DT [7] коìпании Smiths Detection
(Веëикобритания) — äвухканаëüный настоëüный äетектор сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых и наркоти÷еских
веществ, разработан в развитие ìоäеëи IONSCAN 400B
[8]. Прибор ìожет работатü в трех режиìах: иëи “оäновреìенное обнаружение взрыв÷атых и наркоти÷еских
веществ”, иëи “тоëüко взрыв÷атые вещества”, иëи
“тоëüко наркоти÷еские вещества”. Вреìя анаëиза пробы составëяет 8 с. Рабо÷ий äиапазон теìператур от 0
äо 40 °C при относитеëüной вëажности возäуха ìенее
95 %. В состав IONSCAN 500DT вхоäит реãенеративная
систеìа о÷истки возäуха (APS) [19], которая сокращает
вреìя техни÷ескоãо обсëуживания. Спеöиаëüный пробоотборный щуп жезëовоãо типа упрощает оператору
сбор пробы и искëþ÷ает непосреäственный контакт с
ìазковыì таìпоноì-пробоотборникоì. К существенныì неäостаткаì прибора относится приìенение раäиоактивноãо исто÷ника ионизаöии, боëüøая ìасса (19 кã),
ãабариты 40 Ѕ 57 Ѕ 40 сì, потребëение äо 600 Вт, питание тоëüко от сети (невозìожностü автоноìной работы). Вреìя выхоäа на рабо÷ий режиì составëяет 30 ìин.
Коìпания Bruker (Герìания) разработаëа совреìенный спектроìетр ионной поäвижности DE-tector [20]
äëя обнаружения сëеäовых коëи÷еств взрыв÷атых и нар-
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
Национальному исследовательскому ядерному университету "МИФИ" — 75 лет
коти÷еских веществ. К äостоинстваì прибора сëеäует
отнести отсутствие исто÷ников раäиоактивной ионизаöии. Приìеняется запатентованный нераäиоактивный
XPITM исто÷ник фотоионизаöии [21]. Отбор пробы
произвоäится с поìощüþ спеöиаëüной тефëоновой поëоски äëя стирания с поверхности. Вреìя анаëиза пробы не превыøает 10 с. Рабо÷ий äиапазон теìператур
от 5 äо 40 °C при относитеëüной вëажности возäуха от
5 äо 95 %. Прибор питается от сети переìенноãо тока
100...240 В AC, 47...63 Гö, но также возìожна версия
с исто÷никоì бесперебойноãо питания UPS. К неäостаткаì ìожно отнести боëüøуþ ìассу 19 кã, ãабариты
52 Ѕ 44 Ѕ 40 сì, потребëение äо 400 Вт. Вреìя выхоäа
на рабо÷ий режиì составëяет 30 ìин.
Настоëüный äетектор QS-B220 [22] коìпании
Implant Science Corporation (США) преäназна÷ен äëя оäновреìенноãо обнаружения сëеäов взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ. Принöип äействия прибора основан
на испоëüзовании ìетоäа спектроìетрии ионной поäвижности с фотонныì исто÷никоì ионизаöии [23, 24].
В öеëях повыøения ÷увствитеëüности äетектор QS-B220
оснащается äесорбероì. К äостоинстваì прибора сëеäует отнести отсутствие исто÷ников раäиоактивной
ионизаöии, ÷то позвоëяет искëþ÷итü ëиöензирование,
äосìотр, транспортировку и пробëеìы, связанные с
утиëизаöией в конöе срока сëужбы.
Автоìати÷еская и непрерывная функöия саìокаëибровки, не требуþщая перерыва в работе, позвоëяет
поäстраиватüся поä изìенения во внеøней среäе. Сбор
пробы осуществëяется протираниеì поверхности с поìощüþ спеöиаëüных саëфеток. Вреìя анаëиза пробы
не превыøает 10 с. Рабо÷ий äиапазон теìператур от
–10 äо 55 °C при относитеëüной вëажности возäуха ìенее 95 %. Возìожна экспëуатаöия на высоте 4572 ì наä
уровнеì ìоря. Неäостаткаìи прибора явëяется ìасса
15,7 кã, ãабариты 39,6 Ѕ 39,7 Ѕ 41,2 сì, питание тоëüко от сети (невозìожностü автоноìной работы). Вреìя
выхоäа на рабо÷ий режиì составëяет 30 ìин.
Itemiser DX [25] коìпании Morpho Detection обеспе÷ивает оäновреìенное распознавание взрыв÷атых и
наркоти÷еских веществ. В прибор встроен запатентованный реãенеративный осуøитеëü (патент [26], упрощаþщий обсëуживание. Автоìати÷еская каëибровка
[27] с возìожностüþ верификаöии обеспе÷ивает то÷ностü äетектирования. Дëя ëу÷øеãо поиска пероксиäных взрыв÷атых веществ приìеняется новая запатентованная ëеãируþщая приìесü [28]. Вреìя анаëиза пробы составëяет 8 с. Рабо÷ий äиапазон теìператур от 0 äо
40 °C, теìпература хранения 0 äо 50 °C, кëасс защиты
прибора IP20 [29]. Прибор ìожет работатü от сети переìенноãо тока 100...120 В; 200...240 В; 47...63 Гö, иëи
от бëока питания постоянноãо тока 11...18 В, 10 А, иëи
от встроенной аккуìуëяторной батареи с проäоëжитеëüностüþ автоноìной работы 60 ìин. Потребëяеìая
ìощностü составëяет 150 Вт. Существенныì неäостат-
коì прибора явëяется приìенение раäиоактивноãо исто÷ника ионизаöии. Также к неäостаткаì в сравнении
с портативныìи прибораìи ìожно отнести боëüøие ãабариты 38 Ѕ 48 Ѕ 50 сì и ìассу 12 кã, вреìя выхоäа на
рабо÷ий режиì 30 ìин, ìаëая проäоëжитеëüностü автоноìной работы.
Такиì образоì, привеäенный анаëиз показывает,
÷то существуþщие серийные спектроìетры ионной поäвижности с оäновреìенныì äетектированиеì веществ
в обеих спектроìетри÷еских ìоäах иìеþт существенные неäостатки. Боëüøинство выпускаеìых приборов
на основе ìетоäа спектроìетрии ионной поäвижности
приìеняþт äëя ионизаöии ìоëекуë исто÷ники раäиоактивноãо изëу÷ения на основе раäиоактивноãо изотопа 63Ni, а также на основе трития 3H [30]. Несìотря на
простоту изãотовëения, отсутствие потребëения ìощности и стабиëüностü характеристик, у раäиоактивных
исто÷ников ионизаöии иìеþтся существенные неäостатки. Гëавные пробëеìы связаны с необхоäиìостüþ
аттестаöии преäприятия-изãотовитеëя и потребитеëя на
работу с прибораìи, соäержащиìи раäиоактивные вещества, и со сëожностüþ транспортирования.
Принöипиаëüныì ìоìентоì явëяется пробëеìа
утиëизаöии приборов с раäиоактивныì исто÷никоì,
выработавøих свой ресурс иëи по какой-то при÷ине
приøеäøих в неãоäностü. Захоронение раäиоактивных
ìатериаëов, соäержащихся в äетекторах, ìожет вырасти в серüезнуþ экоëоãи÷ескуþ пробëеìу при боëüøоì
объеìе выпуска таких приборов.
Также практи÷ески все приборы äанноãо кëасса
(с оäновреìенныì äетектированиеì веществ в обеих
спектроìетри÷еских ìоäах) явëяþтся настоëüныìи и
иìеþт боëüøие ãабариты, ìассу, существенное потребëение энерãии, невозìожностü автоноìной работы, ÷то
оãрани÷ивает возìожностü их испоëüзования в ка÷естве
носиìых портативных приборов.
Все это äеëает актуаëüной заäа÷у разработки оте÷ественных портативных носиìых приборов, способных
äетектироватü вещества оäновреìенно в обеих спектроìетри÷еских ìоäах, ÷то позвоëиëо бы обнаруживатü
взрыв÷атые, наркоти÷еские и отравëяþщие вещества в
режиìе реаëüноãо вреìени.
НАПРАВЛЕНИЯ РЕАЛИЗАЦИИ
ДВУХПОЛЯРНОГО СПЕКТРОМЕТРА
Привеäенный обзор существуþщих конструкöий
показывает, ÷то в реаëизаöии портативноãо äвухпоëярноãо спектроìетра ионной поäвижности ìожно выäеëитü äва основных направëения — ìиниатþризаöиþ составных коìпонентов и разработку коìпëекса схеìотехни÷еских реøений, позвоëяþщих быстро перекëþ÷атü
поëярностü прибора.
Первое направëение иìеет ряä оãрани÷ений.
Разреøаþщая способностü прибора напряìуþ зависит от äëины äрейфовой трубки (поскоëüку важна
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2018
7
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
роëü ãеоìетрии äрейфовой каìеры при испоëüзовании физи÷ескоãо принöипа спектроìетрии ионной
поäвижности). Поэтоìу уìенüøение äëины привеäет к уìенüøениþ разреøаþщей способности, а
зна÷ит, и к ухуäøениþ параìетров прибора.
Диаìетр äрейфовой каìеры связан с обеспе÷ениеì
оäнороäности поëя [31]. Уìенüøение äиаìетра
эëектроäов äрейфовой каìеры вызовет потерþ заряäа из-за сиëüноãо искривëения траекторий äвижения ионов. Дëя тоãо ÷тобы сохранитü оäнороäностü поëя, требуется уìенüøатü äëину эëектроäов
и распоëаãатü их с боëее ÷астыì øаãоì, ÷то привеäет к ìноãоэëеìентности конструкöии, усëожнениþ äрейфовой трубки и увеëи÷ениþ труäоеìкости
и öены изãотовëения.
Уìенüøение эффективноãо äиаìетра канаëа äëя
äрейфа ионов привеäет к уìенüøениþ веëи÷ины
сãустка ионов, поскоëüку пëотностü заряäа оãрани÷ена куëоновскиì растаëкиваниеì. Снижение заряäа в сãустке, поступаþщеãо в коëëектор, увеëи÷ит
уровенü øуìа по отноøениþ к веëи÷ине поëезноãо
сиãнаëа.
Уìенüøение äиаìетра ãазовых канаëов привеäет к
увеëи÷ениþ сопротивëения ãазовоìу потоку, а также к увеëи÷ениþ потерü пробы на стенках всëеäствие аäсорбöии и äиффузии в ìатериаë стенки ãазовоãо канаëа. Это неãативно скажется на ÷увствитеëüности прибора.
Миниатþризаöия не реøит пробëеì, связанных с
разäеëениеì ãазовоãо потока в канаëе поäа÷и пробы. Миниатþризаöия в öеëоì вызовет сиëüное усëожнение техноëоãии. Наприìер, перехоä на ìноãосëойные пе÷атные пëаты вызывает резкое увеëи÷ение öены и сроков изãотовëения. Обработка
ìехани÷еских äетаëей, попаäаþщих в сëеäуþщий
кëасс то÷ности, осуществëяется наìноãо сëожнее,
требуþтся боëее äороãостоящие и преöизионные
станки, боëее кваëифиöированный персонаë. Выхоä за преäеëы станäартной техноëоãии иноãäа невозìожен из-за отсутствия необхоäиìых сервисов
прототипирования и завоäов-изãотовитеëей. В öеëоì, ìиниатþризаöии составных коìпонентов увеëи÷ивает сëожностü, сроки изãотовëения и öену
прибора, ÷то явëяется нежеëатеëüныì äëя серийноãо произвоäства.
Второй вариант закëþ÷ается в ìоäернизаöии бëоков спектроìетра ионной поäвижности. Он позвоëяет
поëу÷итü попереìенное äетектирование ионов обеих
поëярностей на оäной äрейфовой трубке [32] и иìеет
ряä особенностей.
Высоковоëüтный бëок сëужит äëя форìирования
высокоãо напряжения в äрейфовой каìере. Дëя
обеспе÷ения äвухпоëярноãо режиìа необхоäиìо
реаëизоватü быстрое, непрерывное эëектронное
перекëþ÷ение поëярности высокоãо напряжения, а
8
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
также обеспе÷ение стабиëüности уровня äрейфовоãо поëя.
Высоковоëüтный äеëитеëü сëужит äëя распреäеëения высокоãо напряжения и форìирования равноìерноãо äрейфовоãо поëя. Дëя обеспе÷ения быстроãо перекëþ÷ения поëярности äеëитеëü äоëжен
иìетü ÷астотнуþ коìпенсаöиþ и ìаëуþ эëектри÷ескуþ еìкостü звенüев.
Цифроанаëоãовое преобразование спектроìетри÷ескоãо сиãнаëа ионноãо тока позвоëяет осуществëятü посëеäуþщуþ обработку и накопëение äанных. Дëя оäновреìенноãо äетектирования ионов
поëожитеëüной и отриöатеëüной поëярности необхоäиìо разработатü äвухпоëярный трансиìпеäансный заряäо÷увствитеëüный усиëитеëü ионноãо тока. Также необхоäиìо ìиниìизироватü поìехи от
высоковоëüтной систеìы на заряäо÷увствитеëüный
усиëитеëü.
Экранируþщая коëëекторная сетка позвоëяет ìиниìизироватü инäуöированный ток от ионноãо сãустка
при еãо прибëижении к коëëектору. Дëя обеспе÷ения äвухпоëярноãо режиìа необхоäиìо разработатü
схеìу быстроãо перекëþ÷ения поëярности и форìирования стабиëüноãо напряжения на защитной
сетке.
Ионный исто÷ник, ãäе прохоäит ионизаöия анаëизируеìой пробы, äоëжен обеспе÷итü эффективнуþ
работу в обеих поëярностях.
Ионный затвор позвоëяет контроëироватü вреìя
на÷аëа и äëитеëüностü инжекöии ионов. Необхоäиìа ìоäернизаöия бëока управëения ионныìи затвораìи äëя совìестиìости с äвухпоëярной высоковоëüтной систеìой.
Систеìа управëения спектроìетроì ионной поäвижности осуществëяет синхронизаöиþ и управëение эëектронныìи бëокаìи. Необхоäиìа ìоäернизаöия систеìы управëения äëя реаëизаöии аëãоритìов работы äвухпоëярноãо режиìа.
Достоинствоì этоãо варианта развития и ìоäернизаöии схеìотехники явëяется то, ÷то все эëеìенты сохраняþтся в раìках существуþщей техноëоãии, на
всех этапах сборки техноëоãи÷еские операöии остаþтся
прежниìи, не требуется перепоäãотовка персонаëа.
Данный вариант развития явëяется ìенее труäозатратныì и требует ìенüøеãо коëи÷ества иссëеäований.
ВЫВОДЫ
Кëþ÷евыìи требованияìи совреìенной äосìотровой техники явëяþтся оäновреìенное äетектирование
øирокоãо набора веществ; äоëãое вреìя автоноìной
работы и ìиниìизаöия ìассоãабаритных характеристик приборов.
Практи÷ески все приборы, способные оäновреìенно обнаруживатü вещества разëи÷ных кëассов, явëяþтся настоëüныìи и иìеþт боëüøие ãабариты, ìассу, су-
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
Национальному исследовательскому ядерному университету "МИФИ" — 75 лет
щественное потребëение энерãии и не обеспе÷иваþт
возìожностü автоноìной работы. Это äеëает актуаëüной заäа÷у разработки портативных носиìых приборов,
способных оäновреìенно äетектироватü вещества, образуþщие при ионизаöии поëожитеëüно и отриöатеëüно заряженные ионы, ÷то позвоëит обнаруживатü в режиìе реаëüноãо вреìени взрыв÷атые, наркоти÷еские и
отравëяþщие вещества.
Возìожен вариант установки в оäин прибор äвух
каìер ионизаöии, äрейфовых каìер, äетектируþщих
узëов, систеì ãазовой о÷истки и высоковоëüтных бëоков, т. е. äвух параëëеëüных устройств, работаþщих в
фиксированной поëярности. Такой вариант иìеет ряä
неäостатков, связанных с увеëи÷ениеì ãабаритов, ìассы, öены и потребëения энерãии. Также существенно
усëожняется орãанизаöия отбора пробы и разäеëение
ãазовых потоков внутри прибора.
Направëение ìиниатþризаöии составных коìпонентов прибора преäставëяет техни÷ески сëожнуþ и äороãостоящуþ разработку, требуþщуþ äопоëнитеëüных
иссëеäований.
Наибоëее перспективной преäставëяется реаëизаöия äвухпоëярноãо спектроìетра ионной поäвижности
путеì ìоäернизаöии схеìотехники без существенноãо
изìенения конструкöии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ion Mobility Spectrometry — Mass Spectrometry: Theory and
Applications. / Ed. Ch. L. Wilkins, S. Trimpin. CRC Press,
Boca Raton 2010.
2. Avida A., Friedman M. The Design of an Ion Drift Tube with a
Uniform Electric Field // NRCN (TN)-099. — 1986.
3. Boylestad R., Nashelsky L. Electronic Devices and Circuit
th
Theory (11 Edition), 2012.
4. Samotaev N., Golovin A., Vasilyev V., et al. IMS development
at NRNU MEPhI // Lecture Notes in Electrical Engineering.
LNEE. — 2014. — Vol. 268. — P. 447—451.
5. Pershenkov V. S., Tremasov A. D., Belyakov V. V., et al. X-ray
ion mobility spectrometer // Microelectronics Reliability. —
2006. — Vol. 46, Issue 2—4. — P. 641—644.
6. Kafle G. K., Khot L. R., Sankaran S., et al. State of ion mobility spectrometry and applications in agriculture: A review //
Engineering in Agriculture, Environment and Food. — 2016. —
Vol. 9, Issue 4. — P. 346—357.
7. Stimac R. M., Wernlund R. F., Cohen M. J., et al. Initial studies on the operation and performance of the tandem ion mobility spectrometer // Pittsburgh Conference and Exposition
on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy, Pittcon
1985, New Orleans, LA, March 1985.
8. Stimac R. M., Cohen M. J., Wernlund R. F. Tandem Ion Mobility Spectrometer for Chemical Agent Detection, Monitoring and Alarm, Contractor Report on CRDEC contract
DAAK11-84-C-0017, PCP, Inc., West Palm Beach, FL, May
1985, AD-B093495.
9. Eiceman G. A. History of Tandem Ion Mobility Spectrometry
At or Near Ambient Pressure — New Mexico State University, March 2014. — 12 с. URL: http://http://ionmobility.nmsu.edu/history/ (reference date 26.01.2015).
10. Pat. № US 6627878 B1. (Chemical agent) point detection system
(IPDS) employing dual ion mobility spectrometers / K. J. Machlinski, M. A. Pompeii // Date of Patent: Sep. 30, 2003.
11. Pat . № US 7345276 B2. Ion mobility system comprising two
IMS cells operated at different polarities / P. G. Wynn,
J. A. Breach // Date of Patent: Mar. 18, 2008.
12. Pat. № US 4445038 A. Apparatus for simultaneous detection
of positive and negative ions in ion mobility spectrometry /
G. E. Spangler, J. F. Wroten // Date of Patent: Apr. 24, 1984.
13. Pat. № US 8415614 B2. Ion mobility spectrometer comprising
two drift chambers / Atkinson J. R., Clark A., Taylor S. J. //
Date of Patent: Apr. 9, 2013.
14. Pat. № US 8217365 B2. Double-faced ion source / Zhiqiang
Chen, Yuanjing Li, Hua Peng, Qingjun Zhang, Jin Lin //
Date of Patent: Jul. 10, 2012.
15. Pat . № US 7259369 B2. Dual mode ion mobility spectrometer and method for ion mobility spectrometry / Scott J. R.,
Dahl D. A., Miller C. J. // Date of Patent: Aug. 21, 2007.
16. Pat. № US 8013297 B2. Ion gate for dual ion mobility spectrometer and method thereof / Hua Peng, Qingjun Zhang, Jin
Lin, Yuanjing Li // Date of Patent: Sep. 6, 2011.
17. IONSCAN 500DT, http://www. smithsdetection. com/
18. IONSCAN 400B, http://www. smithsdetection. com/
19. WO20091 40812 A1; US H01J49/04, G01N27/62, H01J49/26,
G01N27/64, G01N30/16, G01N37/00, G01N27/68. Ion mobility spectrometry analyzer with improved sample receiving
device // T. Gabowicz, D. Ridjosic, S. Nacson; Smith Detection Inc. — № PCT/IB2006/004307; 2008.
20. “DE-tector”. URL: http://www.bruker.com/products/cbrnedetection/ims/de-tector/overview.html.
21. Pat. № US 8841607 B2. Atmospheric pressure ion source with
exhaust system / Zicheng Yang, R. P. Moeller, S. Zanon //
Sep. 23, 2014.
22. “QS-B220 ”. URL: http://www.implantsciences.com
23. Pat. № US 7576320 B2. Photoelectric ion source photocathode regeneration system / Stephen N. Bunker, Leonid Krasnobaev // Date of Patent: Aug. 18, 2009.
24. Pat. № US 7820979 B2. Pulsed ultraviolet ion source //
Belyakov V. V., Kekukh V., Lazarevich A., Bunker S. N. //
Date of Patent: Oct. 26, 2010.
25. Detector “Itemiser DX”, http://www. morpho. com/
26. Pat. № CA 2807894 A1. Detection system assembly, dryer
cartridge, and regenerator and methods for making and using
the same / Patterson M. E., Knapp M. E. // Date of Patent:
Sep. 8, 2013.
27. Pat. № US 7856898 B2. Calibration and verification tool and
method for calibrating a detection apparatus / Carey L., Bistany K. // Date of Patent: Dec. 28, 2010.
28. US 7456393 B2; US20050019220. Device for testing surfaces
of articles for traces of explosives and/or drugs // Joseph D.
Napoli MORPHO DETECTION, LLC, CALIFORNIA. —
G01N1/02, G01N1/04; 2008.
29. International standard IEC 60529. Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). Edition 2. 1. — Geneva: IEC,
2001—02.
30. Leonhardt J. W. New detectors in environmental monitoring
using tritium sources // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. — 1996. — Vol. 206, № 2. — P. 333—339.
31. Samotaev N., Pershenkov V., Belyakov V., et al. Electric modeling of charged particles trajectories in the drift tube of ion mobility spectrometer for hazardous industrial chemicals detection //
Procedia Engineering. — 2014. — Vol. 87. — P. 436—439.
32. Vasilyev V., Pershenkov V., Belyakov V., et al. Ion mobility
spectrometer for rapid simultaneous detection of positive and
negative ions // IFMBE Proceedings. — 2016. — Vol. 55. —
P. 515—519.
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2018
9
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
УДК 681.785.235.001.76
МОДЕРНИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
НАГРЕВАТЕЛЯМИ И ГАЗОВЫМИ НАСОСАМИ СПЕКТРОМЕТРА
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
ION MOBILITY SPECTROMETER HEATERS AND GAS CONTROL
SYSTEM MODERNIZATION
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Malkin Evgeniy K.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Матуско Максим Александрович
инженер
E-mail: mamatusko@elnos.ru
Matusko Maxim A.
Engineer
E-mail: mamatusko@elnos.ru
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, зав. лабораторией
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Vasilyev Valeriy K.
Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Иванов Игорь Александрович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor A.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Громов Евгений Анатольевич
инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Gromov Evgeniy A.
Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник
E-mail: avgolovin@mail.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Scientist
E-mail: avgolovin@mail.ru
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Vyacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Провеäены иссëеäования и оптиìизаöия аëãоритìов управëения наãреватеëяìи äрейфовой обëасти и ãазовыìи насосаìи спектроìетра ионной поäвижности, ÷то
привоäит к увеëи÷ениþ то÷ности и эффективности äетектирования веществ.
Abstract: New algorithms was developed to control the drift region
heaters and the gas pumps of ion mobility spectrometer. Efficiency
of substances detection was increased. Control algorithm block
heaters can improve the accuracy of temperature stabilization in
terms of the significant events of the time constants of thermal circuits and high heat capacity elements of the drift region. Improved
control algorithm of a block of gas pumps minimizes the duration
of the transition process when changing the predetermined level of
the engine speed over a wide range. The study and optimization of
control algorithms for heaters of the drift region and the gas pumps
ion mobility spectrometry.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, äвухпоëярный режиì, теìпература äрейфовой обëасти, ãазовые насосы, аëãоритì стабиëизаöии.
10
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
Keywords: ion mobility spectrometry, detection of explosives, trace
detection, bipolar mode, ions, design.
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
Национальному исследовательскому ядерному университету "МИФИ" — 75 лет
ВВЕДЕНИЕ
Спектроìетрия ионной поäвижности — это быстроразвиваþщийся ìетоä äëя анаëиза разнообразных
хиìи÷еских веществ во ìноãих отрасëях [1]. Интерес к
спектроìетрии ионной поäвижности возник с появëениеì первых экспериìентаëüных установок в 1970-х ãоäах. Оäнако в äаëüнейøеì первона÷аëüный энтузиазì
уìенüøиëся, так как ìноãие реакöии и повеäение ионов
на тот ìоìент сëабо поääаваëисü объяснениþ. Возрожäение ìетоäа произоøëо в 1990-х ãоäах, коãäа проãресс
в пониìании ìетоäов спектроìетрии ионной поäвижности совпаë с техни÷ескиì проãрессоì в обëасти обработки спектроìетри÷еских äанных с поìощüþ ЭВМ.
Появивøиеся на ìассовыì рынке портативные ЭВМ
способствоваëи созäаниþ принöипиаëüно новых коìпактных приборов, быстро наøеäøих приìенение в орãанах охраны правопоряäка и вооруженных сиëах разëи÷ных ãосуäарств.
Спектроìетры ионной поäвижности øироко приìеняþтся äëя экспресс обнаружения взрыв÷атых, наркоти÷еских и отравëяþщих веществ. Принöип äействия
ìетоäа спектроìетрии ионной поäвижности основан на
изìерении вреìени проëета ионоì опреäеëенноãо расстояния в äрейфовой каìере в ãазовой среäе при постоянноì эëектри÷ескоì поëе [2] и заäанной теìпературе. Особенностüþ конструкöии спектроìетра ионной
поäвижности явëяþтся боëüøие зна÷ения постоянных
вреìени тепëовых öепей и высокая тепëоеìкостü эëеìентов äрейфовой обëасти, которые при этоì нахоäятся поä высокиì напряжениеì, ÷то оãрани÷ивает возìожностü их наãрева [3] и изìерения теìпературы. В то
же вреìя экспëуатаöионные характеристики требуþт,
÷тобы прибор иìеë стабиëüные показатеëи теìпературы [4], поскоëüку от этоãо зависит то÷ностü опреäеëения поäвижности, и, как сëеäствие, иäентификаöия иссëеäуеìоãо вещества.
АЛГОРИТМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЫ
В кëасси÷ескоì варианте прибора [6] стабиëизаöия
теìпературы выпоëняëасü по сëеäуþщеìу аëãоритìу:
контроëëер периоäи÷ески опраøиваë äат÷ики теìпературы и приниìаë реøение — вкëþ÷атü иëи выкëþ÷атü
конкретный наãреватеëü по резуëüтатаì äанноãо анаëиза. То÷ностü стабиëизаöии теìпературы äрейфовой
каìеры составëяëа ±3 °C на уровне 100 °C. Оãрани÷ения то÷ности поääержания теìпературы быëи связаны
с проявëениеì зна÷итеëüноãо вëияния вреìени распространения тепëовоãо фронта от наãреватеëя к äат÷ику
теìпературы и испоëüзованиеì иìпуëüсноãо аëãоритìа
реãуëирования.
Терìоäинаìи÷еские проöессы на практике ìоäеëируþтся в виäе перехоäных проöессов в эëектри÷еской
öепи. Эëектри÷еская öепü, преäставëяþщая собой ìоäеëü äрейфовой каìеры, показана на рис. 1. Тепëовое
сопротивëение я÷ейки äрейфовой каìеры опреäеëяется
тепëопровоäностüþ эëектри÷еской изоëяöии. Дëя ìоäеëирования тепëовоãо потока испоëüзуется исто÷ник
тока тепëовой эëектри÷еской öепи.
Резуëüтат работы новоãо аëãоритìа стабиëизаöии
теìпературы показан на рис. 2. Параìетры работы ìикроконтроëëера управëяþщей систеìы быëи поëу÷ены с
поìощüþ проãраììы “stm-studio”.
В паìяти ìикроконтроëëера хранятся зна÷ения текущей ìощности наãрева и ее ìаксиìаëüная и ìиниìаëüная ãраниöы.
Анаëизируется ãрафик теìпературы äëя поиска то÷ек, ãäе произвоäная равна нуëþ. В верхних то÷ках (переãрев) факти÷ески оказывается, ÷то ìощностü выøе
необхоäиìой и ãраниöа ìаксиìуìа на÷инает сìещатüся вниз. И, наоборот, в нижних то÷ках (неäоãрев), ìощностü ниже необхоäиìой, и ãраниöа ìиниìуìа сìеща-
Спектроìетр ионной поäвижности явëяется сëожныì изìеритеëüныì прибороì, осуществëяþщиì отбор
и анаëиз ãазовой пробы из окружаþщеãо возäуха. При
работе прибора необхоäиìо изìенение и быстрая стабиëизаöия ãазовых потоков [5] в øирокоì äиапазоне.
В äанной статüе рассìатриваþтся аëãоритìы управëения наãреватеëüной систеìой и систеìой управëения
ãазовыìи насосаìи текущеãо (кëасси÷ескоãо) варианта
спектроìетра ионной поäвижности. Испоëüзуеìая систеìа стабиëизаöии äопускает изìенение характеристик
в äиапазоне ±2 % от зна÷ения стабиëизаöии. Это неãативно вëияет как на то÷ностü обнаружения, поскоëüку
поäвижностü ионов зависит от теìпературы, так и на
пороãи обнаружения, поскоëüку высота пиков зависит
от конöентраöии вещества в каìере ионизаöии, опреäеëяеìой потокоì ÷ерез каìеру. Преäëаãаþтся способы
уëу÷øения систеìы стабиëизаöии äëя повыøения эффективности и то÷ности обнаружения веществ.
Рис. 1. Тепловая цепь нагрева дрейфовой камеры
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2018
11
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
Value
ется вверх. В проöессе стабиëизаöии теìпературы аëãоритì посëеäоватеëüно сбëижает уровни ìаксиìаëüной
и ìиниìаëüной ãраниö, ÷то обеспе÷ивает схоäиìостü
зна÷ения теìпературы в äостато÷но узкий äиапазон.
Кроìе тоãо, у÷итывается зна÷ение произвоäной (теìп
изìенения теìпературы), от этоãо зависит скоростü
сбëижения ãраниö. Вскоре теìпература стабиëизируется, проöесс приобретает равновесный характер, ìощ-
ностü приниìает зна÷ения, соответствуþщие ноìинаëüноìу äиапазону (рис. 3).
АЛГОРИТМ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБОРОТОВ
ГАЗОВЫХ НАСОСОВ
Дëя изìерения скорости вращения ãазовых насосов
сëеäует изìерятü сиãнаë перекëþ÷ения обìоток (рис. 4)
при вращении. В кëасси÷ескоì варианте прибора ана-
VarVlewer1
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Максиìаëüная
ìощностü
Текущая
ìощностü
Миниìаëüная ìощностü
25,0
50,0
PWM
Max
75,0
100,0
125,0
Time
Min
150,0
175,0
200,0
225,0
250,0
Рис. 2. Графики регулирования мощности
VarVlewer1
Value
150
140
130
120
110
100
Максиìаëüная ìощностü
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Миниìаëüная ìощностü
Текущая ìощностü
372,5
375,0
377,5
PWM
380,0
Max
Min
382,5
385,0
387,5
Time
Рис. 3. Равновесное состояние мощности
12
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
390,0
392,5
395,0
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
Национальному исследовательскому ядерному университету "МИФИ" — 75 лет
VarVlewer1
4
2
Value
500
475
450
425
400
375
350
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
–25
–50
–75
–100
–125
–150
–175
–200
3
1
fan_show
fan_mid
fan_min
fan_ref
fan_alg
Time
Рис. 4. Сигнал переключения обмоток газового насоса
тов äвиãатеëя и соответствуþщий уровенü напряжения
(рис. 5).
Это позвоëяет составитü каëиброво÷нуþ табëиöу,
хранящуþся в оперативной паìяти ìикроконтроëëера
RAM, которуþ ìожно испоëüзоватü äëя преäваритеëüной установки. Зна÷ения табëиöы ìоãут корректироватüся в проöессе работы. Данный ìетоä позвоëяет стабиëизироватü обороты за (2...3) с. Ранее (в кëасси÷ескоì приборе) на это требоваëосü поряäка 10 с.
16000
14000
12000
v, oб/ìин
ëизироваëся необработанный сиãнаë. Осуществëяëся
поиск абсоëþтноãо ìиниìуìа (пряìая 1 ) и среäнеãо
зна÷ения (пряìая 2). Даëее осуществëяëосü вы÷исëение
референсноãо уровня (пряìая 3). Данный аëãоритì
иìеет ряä неäостатков, связанных с теì, ÷то äëитеëüностü выброса сиãнаëа при перекëþ÷ении обìоток äостато÷но кратковреìенна, и сиãнаë ìожет оказатüся не
зареãистрированныì при текущей выборке АЦП. Кроìе тоãо, необхоäиìа боëüøая буферная паìятü RAM в
управëяþщеì ìикроконтроëëере äëя хранения ãрафика
с äостато÷ныì разреøениеì.
Дëя реøения äанной пробëеìы приìеняется интеãрирование сиãнаëа (кривая 4 ), и анаëизируþтся ãëобаëüные ìиниìуìы и ìаксиìуìы на периоäи÷еской
структуре, ÷то позвоëяет то÷но опреäеëитü периоä вращения.
В кëасси÷ескоì варианте прибора äëя стабиëизаöии оборотов вращения приìеняëся простой аëãоритì:
изìеряëосü факти÷еское зна÷ение скорости вращения,
и в зависиìости от ее веëи÷ины увеëи÷иваëасü иëи
уìенüøаëасü поäаваеìая ìощностü. При работе прибора необхоäиìо изìенение и быстрая стабиëизаöия ãазовых потоков в øирокоì äиапазоне. Новый аëãоритì
стабиëизаöии оборотов äвиãатеëей ãазовых насосов
позвоëяет быстрее устанавëиватü заäанный уровенü ãазовых потоков. Микроконтроëëер периоäи÷ески каëибрует äëя кажäоãо насоса факти÷еское зна÷ение оборо-
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
6 7
U, В
8
9
10 11 12 13
Рис. 5. Зависимость скорости вращения от управляющего
напряжения
Äàò÷èêè è Ñèñòåìû · ¹ 2.2018
13
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИ БКОМ» & ООО «Aген тство Kнига-Cер вис»
National Research Nuclear University MEPhI — 75
3. Hill C. A, Thomas C. L. P., A pulsed corona discharge switch-
ВЫВОДЫ
В резуëüтате провеäенных работ повыøена то÷ностü стабиëизаöии теìпературы äрейфовой обëасти
спектроìетра ионной поäвижности с ±3 äо ±0,2 °C.
Вреìя стабиëизаöии оборотов вентиëяторов составëяет
2...3 с, ранее на это требоваëосü поряäка 10 с. Систеìа
управëения спектроìетроì ионной поäвижности и разработанные аëãоритìы работы уëу÷øиëи ряä параìетров прибора и позвоëиëи повыситü эффективностü обнаружения веществ.
able high resolution ion mobility spectrometer-mass spectrometer // Analyst. — 2003. — Vol. 128. — P. 55—60.
4. Viitanen A. K., Mattila T., Mäkelä J. M. et al. Experimental
study of the effect of temperature on ion cluster formation using ion mobility spectrometry // Atmospheric Research. —
2008. — Vol. 90, Issues 2—4. — P. 115—124.
5. Golovin A. V., Makarova N. V., Poturuy A. A., Belyakov V. V.
Prospects for the use of security air flow to prevent ion-molecule reactions in the ionization and drift zone in classical IMS,
IOP Conference Series // Materials Science and Engineering. —
ЛИТЕРАТУРА
1. Eiceman G. A., Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry (Second
edition) // CRC Press, 2005.
2. Eiceman G. A., Vandiver V. J., Chen T., Rico-Martinez G.
Electrical parameters in drift tubes for ion mobility spectrometry // Anal. Instrum. — 1989. — Vol. 18. — P. 227—242.
2016. — Vol. 151, Issue 1. — Р. 17.
6. Vasilyev V., Pershenkov V., Belyakov V. et al. Ion mobility
spectrometer for rapid simultaneous detection of positive and
negative ions // IFMBE Proceedings. — 2016. — Vol. 55. —
P. 515—519.
УДК 621.3.049.77:681.3.06
МЕТОДИКА ГИБРИДНОЙ ВЕРИФИКАЦИИ СБИС
“СИСТЕМА-НА-КРИСТАЛЛЕ”
HYBRID “SYSTEM-ON-CHIP” VERIFICATION METHODOLOGY
1)
1)
Андрианов Андрей Владимирович
гл. специалист сектора П-343
E-mail: andrianov@module.ru
Andrianov Andrew V.
Lead Specialist of Department P-343
E-mail: andrianov@module.ru
2)
2)
Шагурин Игорь Иванович
д-р. техн. наук, профессор
E-mail: ishagurin@inbox.ru
Shagurin Igor I.
D. Sc. (Tech.), Professor
E-mail: ishagurin@inbox.ru
1)
1)
ЗАО НТЦ “Модуль”, Москва
2)
RC Module, JSC, Moscow
2)
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Преäëожена ìетоäика ãибриäной верификаöии
СБИС, состоящая в разработке и испоëнении тестовых сöенариев с испоëüзованиеì ãибриäноãо окружения, в котороì оäновреìенно с ìоäеëированиеì СБИС работает проãраììа, ãотовящая тестовое возäействие и переäаþщая еãо проöессу ìоäеëирования ÷ерез интерфейс vpi (verilog procedural interface).
Данная ìетоäика позвоëяет упроститü и ускоритü проöеäуру
верификаöии путеì испоëüзования äëя написания тестов высокоуровневых языков проãраììирования (наприìер, lua) и
эффективноãо приìенения инструìентов поøаãовой и интерактивной отëаäки.
Abstract: The article introduces a methodology of verification that
involves using a hybrid environment. The simulation process is run
in parallel with a separate program that prepares the verification
stimulus and feeds into the simulation via VPI (Verilog procedural
interface). This methodology allows to simplify and speed up verification by using high-level scripting languages (e. g. lua) for system-level tests. This also allows developers to use commonly available interactive debugging facilities when developing tests.
Ключевые слова: СнК, верификаöия, lua, тестирование.
Keywords: SoC, verification, lua, testing.
14
Sensors & Systems · ¹ 2.2018
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
К содержанию
УДК 681.2.084
ДВУХПОЛЯРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
DUAL MODE ION MOBILITY SPECTROMETER
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научный сотрудник
E-mail: avgolovin@bk.ru
Иванов Игорь Александрович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, инженер
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Громов Евгений Анатольевич
канд. техн. наук, инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Матуско Максим Александрович
аспирант
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Шалтаева Юлия Ринатовна
ассистент
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Malkin Evgeni K.
Engineer
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Associate Researcher
E-mail: avgolovin@bk.ru
Ivanov Igor A.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Vasilyev Valery K.
Ph. D. (Tech.), Engineer
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Gromov Evgeni A.
Ph. D. (Tech.), Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Matusko Maxim А.
Postgraduate
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Shaltaeva Yuliya R.
Assistant Lecturer
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Преäставëены резуëüтаты иссëеäования, разработки и уëу÷øения характеристик эëеìентов и узëов усоверøенствованноãо варианта спектроìетра ионной поäвижности
с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности äрейфовоãо поëя äëя
реаëизаöии попереìенноãо, непрерывноãо обнаружения поëожитеëüных и отриöатеëüных ионов с нераäиоактивныì исто÷никоì ионизаöии и с ìаëыìи ìассоãабаритныìи параìетраìи
äëя оперативноãо обнаружения поëноãо спектра веществ в
разëи÷ных обëастях приìенения. Ускорена стабиëизаöия напряжения на защитной сетке и реøена пробëеìы äиэëектри÷еской абсорбöии на коëëекторе.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, стабиëизаöия напряжения, äиэëектри÷еская абсорбöия, коëëектор
ионноãо тока.
Abstract: The paper presents the results of research, development
and improvement of the characteristics of elements and nodes of ion
mobility spectrometer with a fast switching of the polarity of the drift
field to implement alternate, continuous detection of positive and
negative ions from non-radioactive active ionization source and with
small weight and size parameters, for the rapid detection of the full
spectrum of substances in various applications. The voltage stabilization on the protective grid was accelerated and the problems of
dielectric absorption on the collector were solved.
ВВЕДЕНИЕ
требований к ÷увствитеëüности, сеëективности, наäежности и коìпактности. Свеäения о посëеäних успехах в
обëасти ãазовоãо анаëиза ìожно найти в статüях по
ìасс-спектроìетрии [1, 2], хроìатоãрафии [3, 4] и в статüях о ãазовых äат÷иках [5, 7]. Оäной из техноëоãий,
Совреìенные станäарты и усëовия конкуренöии, в
которых оказываþтся разработ÷ики анаëити÷ескоãо
оборуäования, требуþт собëþäения все боëее высоких
Keywords: ion mobility spectrometry, ion source chamber, modeling
of gas flows, protection of airflow, sensors.
Датчики и Системы · № 5.2019
63
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
приìеняеìой в посëеäнее вреìя наряäу с упоìянутыìи, явëяется спектроìетрия ионной поäвижности [8, 9],
испоëüзуеìая äëя äетектирования и иäентификаöии
разнообразных кëассов веществ, образуþщих поëожитеëüно и отриöатеëüно заряженные ионы, анаëиз поäвижностей которых поëожен в основу äанноãо ìетоäа.
Оäновреìенное обнаружение веществ разных кëассов
требует среäств совìестноãо äетектирования ионов как
поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности.
Принöип спектроìетрии ионной поäвижности основан на разäеëении ионов по вреìени проëета в ãазовой среäе в постоянноì эëектри÷ескоì поëе. Поëу÷аеìая вреìяпроëетная спектроãраììа, в которой ìожно
выäеëитü пики веществ, характеризует наëи÷ие ионов с
опреäеëенной поäвижностüþ. Веëи÷ины поäвижностей ионов иссëеäуеìоãо вещества, привеäенные к станäартныì зна÷енияì теìпературы и атìосферноãо äавëения, позвоëяþт иäентифиöироватü состав по табëи÷ныì зна÷енияì, записанныì в базу äанных веществ
прибора.
Спектроìетри÷еский äетектор состоит из каìеры
ионизаöии, пространственно отäеëенной эëектри÷ескиì затвороì от äрейфовой каìеры с оäнороäныì
проäоëüныì эëектри÷ескиì поëеì, и бëока äетектирования ионов. Спектроìетры ионной поäвижности, работаþщие в оäнопоëярноì режиìе, кажäый раз при перекëþ÷ении поëярности нужäаþтся в провеäении каëибровки, ÷то требует äопоëнитеëüных затрат вреìени,
усëожняет экспëуатаöиþ и существенно оãрани÷ивает
возìожности äетектора. Двухпоëярный прибор äостато÷но откаëиброватü по сìеси веществ иëи оäноìу веществу, образуþщеìу как поëожитеëüные, так и отриöатеëüные ионы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
КОЛЛЕКТОРА ИОННОГО ТОКА
Спектроìетр ионной поäвижности состоит из боëüøоãо ÷исëа управëяþщих бëоков. На рис. 1 показана
общая структура спектроìетри÷ескоãо äетектора и взаиìоäействие ìежäу основныìи бëокаìи.
Моëекуëы ионизируþтся на ионноì исто÷нике коронныì разряäоì. Ионы инжектируþтся ионныìи затвораìи и äрейфуþт äо коëëектора поä äействиеì постоянноãо эëектри÷ескоãо поëя со скоростüþ, кажäый со
своей поäвижностüþ, характеризуþщей ìассу и форìу
ионов.
В спектроìетри÷ескоì äетекторе ионы, преоäоëевøие обëастü äрейфа, попаäаþт на коëëектор [10—12] и
вызываþт иìпуëüсы тока с аìпëитуäой поряäка нескоëüких пикоаìпер. При стоëü ìаëых токах в проöессе
обработки спектроìетри÷ескоãо сиãнаëа становятся заìетныìи навоäки на коëëекторе от поäëетаþщеãо к неìу сãустка ионов. Дëя обеспе÷ения корректности изìерений и устранения навоäок в общепринятой схеìе
спектроìетра ионной поäвижности приìеняется защитная коëëекторная сетка, устанавëиваеìая на расстоянии нескоëüких ìиëëиìетров от коëëектора и отäеëяþщая коëëектор от обëасти äрейфа. Коëëектор
ионноãо тока поäкëþ÷ается ко вхоäу усиëитеëя. Поскоëüку существует еìкостная связü ìежäу защитной
сеткой и вхоäоì усиëитеëя, то äаже небоëüøой äребезã
напряжения на защитной сетке ìожет вызыватü поìехи
в выхоäноì сиãнаëе усиëитеëя ионноãо тока.
Поэтоìу äëя обеспе÷ения работоспособности бëока
сбора и обработки äанных необхоäиìо ìиниìизироватü вëияние коëëекторноãо бëока на усиëитеëü. Дëя
этоãо к работе усиëитеëя преäъявëяется требование,
Бëок
управëения
ионныìи
затвораìи
Усиëитеëü
Коëëектор
Бëок
управëения
ионныì
исто÷никоì
Ионы
Бëок сбора
и обработки
спектроìетри÷еских
äанных
Деëитеëü высокоãо напряжения
Допоëнитеëüный
ãенератор
напряжения на
защитной сетке
Генератор
высокоãо
напряжения
Рис. 1. Общая структура спектрометра ионной подвижности
64
Sensors & Systems · № 5.2019
Систеìа
управëения
спектроìетроì
ионной
поäвижности
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
ВН
ВН
R1
R1
VCC
Коëëектор
R2
С1
U1
U3
IN
GND
OUT
R3
С1
R2-1
–
FB
Генератор
высокоãо
напряжения
Коëëектор
U2
R4
+
ON/OFF
R2-2
U1
Опорное напряжениe
а)
б)
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема формирования напряжения на защитной сетке коллектора в однополярном приборе (а)
и в двухполярном приборе (с дополнительным генератором) (б)
÷тобы изìенение уровня сиãнаëа на еãо выхоäе быëо не
боëее ÷еì 100 äеëений (квантов АЦП), ÷то составëяет
1,5 пА при ÷увствитеëüности усиëитеëя 15 фА/квант.
Паразитный ток эëектри÷еских навоäок на коëëекторе ìожно расс÷итатü по форìуëе:
C- + C ∂-----U- ,
Iп = U ∂-----∂t
∂t
(1)
ãäе C — еìкостü конструкöии ìежäу защитной сеткой
и коëëектороì, U — напряжение коëëекторной сетки.
Первый ÷ëен форìуëы характеризует ìехани÷еские
вибраöии, второй — пуëüсаöии напряжения. Оба исто÷ника навоäок необхоäиìо у÷итыватü при разработке
бëока äетектирования и коëëекторноãо бëока. Поëüзуясü форìуëой (1) ìожно составитü уравнение:
∂U
∂U
Iп = C ------- = 0,5 пФ• ------- = 1,5 пА.
∂t
∂t
(2)
Реøение уравнения (2) позвоëяет поëу÷итü äопустиìуþ скоростü изìенения напряжения на коëëекторной сетке.
∂-----U- = 3 В/c.
∂t
(3)
Поëу÷енное реøение уравнения (3), равное 3 В/с,
при äëитеëüности спектра поряäка 50 ìс эквиваëентно
150 ìВ, ÷то составëяет ìенее 0,1 % от веëи÷ины напряжения на коëëекторной сетке. Дëя обеспе÷ения требуеìоãо уровня стабиëüности напряжения в спектроìетре
ионной поäвижности, работаþщеì в оäной поëярности, устанавëиваþтся эëектри÷еские еìкости боëüøоãо
ноìинаëа в бëоке форìирования напряжения на защитной сетке.
В спектроìетре ионной поäвижности, работаþщеì
в оäной поëярности, бëок форìирования напряжения
на защитной сетке преäставëяет собой посëеäнее звено
высоковоëüтноãо äеëитеëя напряжения äрейфовой обëасти (рис. 2, а). Характерное сопротивëение и еìкостü
звена äеëитеëя высокоãо напряжения составëяþт, соответственно, окоëо 10 МОì и 1 ìкФ. Такиì образоì,
постоянная вреìени RC-öепи äеëитеëя высокоãо напряжения составëяет 10 с, ÷то наëаãает оãрани÷ения на
скоростü установëения стабиëüноãо уровня напряжения на защитной сетке при перекëþ÷ении поëярности
высокоãо напряжения (äëя работы в äруãой ìоäе). Дëитеëüное вреìя стабиëизаöии уровня не позвоëяет реаëизоватü режиì быстроãо посëеäоватеëüноãо äетектирования отриöатеëüных и поëожитеëüных ионов.
БЫСТРОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ПОЛЯРНОСТИ
ДРЕЙФОВОГО ПОЛЯ
Дëя реøения äанной пробëеìы испоëüзуется äопоëнитеëüный ãенератор форìирования высокоãо напряжения на защитной сетке. Это позвоëяет искëþ÷итü
öепü RC с боëüøой постоянной вреìени (рис. 2, б ).
Резисторы R2-1 и R2-2 форìируþт опорное напряжение äëя коìпаратора. Отноøение ноìинаëов резисторов R3, R4 пропорöионаëüно (т. е. с теì же коэффиöиентоì) ноìинаëаì резисторов R2 (1, 2). Это
позвоëяет созäатü обратнуþ связü äëя ãенератора äëя
поääержания то÷ноãо (рабо÷еãо) зна÷ения высокоãо
напряжения. Поскоëüку у ãенератора низкое выхоäное
сопротивëение и äостато÷ный выхоäной ток, он ìожет
перезаряäитü еìкостü с äостато÷ной скоростüþ. На
рис. 3, а привеäен сиãнаë высокоãо напряжения, поäаваеìый на защитнуþ сетку коëëектора, с выхоäа äопоëнитеëüноãо ãенератора высокоãо напряжения. Осöиëëоãраììа поëу÷ена с поìощüþ öифровоãо осöиëëоãрафа Tektronix TDS1001B и äеëитеëя 1:20.
Друãиì вариантоì устройства форìирования перекëþ÷аеìоãо напряжения на защитной сетке коëëектора
Датчики и Системы · № 5.2019
65
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
ионноãо тока явëяется заìена повторитеëя напряжения
отäеëüныì управëяеìыì äвухпоëярныì исто÷никоì
напряжения с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности
выхоäноãо напряжения в äиапазоне от –150 äо +150 В.
Такой исто÷ник ìожет бытü реаëизован на основе
äвух независиìых управëяеìых исто÷ников напряжения разных поëярностей U1 и U2 с систеìой коììутаöии (рис. 4). В ка÷естве коììутируþщих эëеìентов K1,
K2 ìоãут испоëüзоватüся эëектроìаãнитные реëе, оптронные кëþ÷и иëи äруãие поäхоäящие эëеìенты.
При форìировании поëожитеëüноãо напряжения
на сетке испоëüзуется исто÷ник U1 и коììутируþщий
эëеìент K1. При форìировании отриöатеëüноãо напряжения — исто÷ник U2 и коììутируþщий эëеìент K2.
Дëя ìиниìизаöии пуëüсаöий напряжения на выхоäах
исто÷ников U1 и U2 установëены низко÷астотные
фиëüтры с боëüøиìи постоянныìи вреìени, образованные резистороì R3 и конäенсатороì C3 äëя исто÷ника поëожитеëüноãо напряжения U1 и резистороì R4
и конäенсатороì C4 äëя отриöатеëüноãо исто÷ника U2.
Напряжение на выхоäе исто÷ника U1 реãуëируется в
äиапазоне от +50 äо +150 В, а напряжение на выхоäе
исто÷ника U2 — в äиапазоне от –50 äо –150 В. Проöесс
а)
Поëяризаöионный
ток äиэëектрика
Зазеìëение
Коëëекторное
коëüöо
Коëëектор
Изоëятор
коëëектора
Изоëятор
Пе÷атная
пëата
б)
Защитная
сетка
в)
Рис. 3. Осциллограмма напряжения на защитной сетке коллектора (делитель 1:20) (а), вид коллекторного узла в разрезе
(б), вид коллекторного узла в разрезе с заземленными металлическими полигонами, предотвращающими перезарядку
диэлектрика (в)
66
Sensors & Systems · № 5.2019
+
K1
R3
U1
C3
–
K2
R4
U2
C4
Рис. 4. Схема устройства формирования напряжения на
защитной сетке коллектора ионного тока с раздельными
источниками положительного и отрицательного напряжения
перекëþ÷ения поëярности напряжения на защитной
сетке закëþ÷ается в поäа÷е сиãнаëа разìыкания ранее
вкëþ÷енноãо кëþ÷а K1 иëи K2, ожиäании заверøения
разìыкания, опреäеëяеìоãо äинаìи÷ескиìи параìетраìи кëþ÷а, и посëеäуþщей поäа÷ей сиãнаëа заìыкания кëþ÷а äëя необхоäиìой поëярности.
Приìенение разäеëüных исто÷ников U1 и U2 обеспе÷ивает возìожностü реãуëирования уровня напряжения на защитной сетке независиìо äëя поëожитеëüной
и отриöатеëüной поëярностей äëя ãибкой настройки
эëектри÷ескоãо поëя в обëасти коëëектора и оптиìизаöии сбора ионов разных поëярностей. К преиìуществаì такоãо способа также относится высокая скоростü
перекëþ÷ения, опреäеëяеìая скоростüþ коììутаöии
кëþ÷ей K1 и K2, и отсутствие äрейфа напряжения на защитной сетке посëе перекëþ÷ения поëярности. Независиìая систеìа форìирования напряжения на защитной сетке снижает требования к ÷астотной коìпенсаöии и вреìени установëения потенöиаëов на äеëитеëе
высокоãо напряжения.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
АБСОРБЦИИ НА КОЛЛЕКТОРЕ
Принöипиаëüной пробëеìой работоспособности
äетектора коëëектора ионноãо тока явëяется эффект
äиэëектри÷еской абсорбöии (äиэëектри÷ескоãо поãëощения). В конструкöии спектроìетра ионной поäвижности, работаþщеãо в оäной поëярности (сì. рис 3, б ),
ìежäу коëüöоì äрейфовой каìеры и коëëектороì распоëожен äиэëектрик, в котороì посëе изìенения напряжения äостато÷но äоëãо ìоãут протекатü остато÷ные поëяризаöионные токи (в те÷ение äесятков ìиëëисекунä äаже äëя ка÷ественноãо äиэëектрика), ÷асти÷но
попаäаþщие на коëëекторный эëектроä. Поäобный эффект ìожно набëþäатü практи÷ески на всех типах äиэëектриков. Интенсивностü проявëения этоãо эффекта
зависит в основноì от свойств äиэëектрика. Наиìенüøиì äиэëектри÷ескиì поãëощениеì обëаäаþт непоëярные äиэëектрики: поëитетрафторэтиëен (фторопëаст), поëистироë, поëипропиëен и т. п.
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
0
C1
V1
+
–
C2
5e13
1f
Ток, пА
100f
R1
А
.tran 0.1
–5
I1
–10
PULSE(–100 100 0.002 0.002 0.002 10 20 1)
а)
0
20
40
60
Вреìя, ìс
б)
80
100
Рис. 5. Электрическая схема модели диэлектрической абсорбции (а); график тока I1, протекающего через амперметр (б)
Коëи÷ественное зна÷ение абсорбöии принято характеризоватü коэффиöиентоì абсорбöии, который опреäеëяется в станäартных усëовиях. Диэëектрик веäет
себя так, сëовно параëëеëüно еìу поäкëþ÷ено ìножество посëеäоватеëüных RC-öепо÷ек с разëи÷ной постоянной вреìени. Простейøая ìоäеëü äанноãо эффекта
показана на рис. 5, а, с параìетраìи, взятыìи из табëиö
с характерныìи коэффиöиентаìи äëя äиэëектрика, который приìеняется в äанной конструкöии.
Резуëüтаты ìоäеëирования привеäены на рис. 5, б,
ãäе показан ток I1, втекаþщий в коëëектор. Из рисунка
сëеäует, ÷то посëе проöесса перекëþ÷ения в те÷ение
äоëãоãо вреìени проäоëжает протекатü ток с веëи÷иной боëее äопустиìоãо уровня, составëяþщеãо еäиниöы пA. На основе анаëиза ãрафиков ìоäеëи ìожно
сäеëатü вывоä о необхоäиìости ìоäернизаöии коëëекторноãо узëа äëя обеспе÷ения работы коìпаратора в
äвухпоëярноì режиìе.
Изìенение конструкöии (сì. рис. 3, в) путеì ввеäения зазеìëенных ìетаëëи÷еских поëиãонов буäет
препятствоватü перезаряäу äиэëектрика при изìенении
поëярности и искëþ÷ит попаäание паразитных токов
на коëëекторный эëектроä.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ускоренная стабиëизаöия напряжения на защитной сетке и реøение пробëеìы äиэëектри÷еской абсорбöии на коëëекторе äëя обеспе÷ения оäновреìенноãо
обнаружения поëожитеëüных и отриöатеëüных ионов
веществ разных кëассов позвоëяþт усоверøенствоватü
портативные спектроìетры ионной поäвижности и внести вкëаä в общие ìетоäы построения анаëоãи÷ных устройств. Преäпоëаãается проäоëжение иссëеäоватеëüской работы äëя уëу÷øения изìеритеëüных и экспëуатаöионных характеристик этих серийных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Shaltaeva Y. R., Podlepetsky B. I., Pershenkov V. S. Detection
of gas traces using semiconductor sensors, ion mobility spectrometry, and mass spectrometry // European Journal of Mass
Spectrometry. — 2017. — Vol. 23. — P. 217—224. DOI:
10.1177/1469066717720795.
2. Sysoev A. A., Poteshin S. S., Chernyshev D. M. et al. Analysis of
new synthetic drugs by ion mobility time-of-flight mass spectrometry // European Journal of Mass Spectrometry. — 2014. —
Vol. 20. — P. 185—192. DOI: 10.1255/ejms.1262.
3. Alinoori A. H., Masoum S. Multicapillary. Gas chromatography — temperature modulated metal oxide semiconductor
sensors array detector for monitoring of volatile organic compounds in closed atmosphere using Gaussian apodization factor analysis // Analytical Chemistry. — 2018. — Vol. 90. —
P. 6635—6642. DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00426.
4. Yuan H., Du X., Tai H., Xu M. Temperature-programmed
multicapillary gas chromatograph microcolumn for the analysis of odorous sulfur pollutants // Journal of Separation Science. — 2018. — Vol. 41. — P. 893—898. DOI:
10.1002/jssc.201700792.
5. Podlepetsky B., Sukhoroslova Y. Influence of electrical modes
on sensitivity of MISFET ionizing radiation dose sensors //
Procedia Engineering. — 2016. — Vol. 168. — P. 741—744.
DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.266.
6. Podlepetsky B., Samotaev N. Hazardous gases sensing: Influence of ionizing radiation on hydrogen sensors // Lecture
Notes of the Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering, LNICST. —
2016. — Vol. 170. — P. 217—222. DOI: 10.1007/978-3-31947075-7_26.
7. Eiceman G. A., Karpas Z., Hill H. H. Ion Mobility Spectrometry (3rd ed.). — Taylor & Francis Group, 2013.
8. Borsdorf H., Mayer T., Zarejousheghani M., Eiceman G. A. Recent developments in ion mobility spectrometry // Appl. Spectrosc. Rev. — 2011. — Vol. 46. — P. 472—521.
9. Bykova A., Syrkin A. L., Kopylov F. Yu., et al. Breath acetone
in diagnostic of heart failure // European Journal of Heart. —
2014. — Vol. 16. — Supplement: 2. — P. 177—177.
10. Puton J., Siodіowski B. Generation of current pulses in collector electrode of IMS detectors // International Journal of
Mass Spectrometry. — 2010. — Vol. 298 (1—3). — P. 55—63.
DOI: 10.1016/j.ijms.2010.02.005.
11. Zhou Q., Peng L., Jiang D., et al. Detection of nitro-based and
peroxide-based explosives by fast polarity-switchable ion mobility spectrometer with ion focusing in vicinity of Faraday detector // Scientific Reports. — 2015. — Vol. 5. — № 10659.
12. Tang F., Wang X. -H., Zhang L. Array micro Faraday cup ion
current detector for FAIMS // Guangxue Jingmi Gongcheng /
Optics and Precision Engineering. — 2010. — Vol. 18. —
P. 2597—2602.
Поступила в редакцию 19.02.2019
После доработки 19.02.2019
Принята к публикации 14.03.2019
Датчики и Системы · № 5.2019
67
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
К содержанию
УДК 681.2.084
ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДВУХПОЛЯРНОГО
СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
HIGH-VOLTAGE SOURCE FOR DUAL MODE ION MOBILITY
SPECTROMETER
Громов Евгений Анатольевич
канд. техн. наук, инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Gromov Evgeni A.
Ph. D. (Tech.), Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Матуско Максим Александрович
аспирант
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Matusko Maxim А.
Postgraduate
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Шалтаева Юлия Ринатовна
ассистент
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Shaltaeva Yuliya R.
Assistant Lecturer
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник
E-mail: avgolovin@bk.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.), Associate Researcher
E-mail: avgolovin@bk.ru
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Malkin Evgeni K.
Engineer
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Иванов Игорь Александрович
инженер
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor A.
Engineer
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, инженер
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Vasilyev Valery K.
Ph. D. (Tech.), Engineer
E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Рассìотрены разëи÷ные варианты реаëизаöии исто÷ника высокоãо напряжения с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности. Провеäено ìоäеëирование схеìы äинаìи÷ескоãо
форìирования синусоиäаëüноãо сиãнаëа. Рассìотрены уìножитеëü высокоãо напряжения и нескоëüко вариантов сãëаживаþщеãо фиëüтра напряжения.
Abstract: The paper discusses various options for the implementation of a high-voltage source with fast polarity switching. It is carried
out the simulation of the dynamic formation of a sinusoidal signal.
It is described the simulation of the dynamic formation of a sinusoidal signal. A high voltage multiplier and several variants of a voltage smoothing filter are considered.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, исто÷ник высокоãо напряжения с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности, схеìы форìирования синусоиäаëüноãо сиãнаëа, уìножитеëü напряжения, фиëüтр напряжения.
Keywords: ion mobility spectrometry, high voltage source with fast
polarity switching, sinusoidal signal shaping circuit, voltage multiplier, voltage filter.
68
Sensors & Systems · № 5.2019
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Метоä спектроìетрии ионной
поäвижности øироко приìеняется
äëя иäентификаöии веществ в таких обëастях, как противоäействие
терроризìу и обороту наркотиков
[1—3], преäотвращение распространения опасных и токси÷ных хиìи÷еских веществ [4, 5]; ìеäиöинская
äиаãностика [6—9]; контроëü ка÷ества пищевой проäукöии [10] и
проìыøëенных ìатериаëов [11] äëя
äетектирования и иäентификаöии
разнообразных кëассов веществ,
образуþщих поëожитеëüно и отриöатеëüно заряженные ионы, анаëиз
поäвижностей которых поëожен в
основу äанноãо ìетоäа. Оäновреìенное обнаружение веществ разных кëассов требует среäств совìестноãо äетектирования ионов как
поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности.
Моäеëü автокоëебатеëüной схеìы форìирования синусоиäаëüноãо
сиãнаëа показана на схеìе рис. 1, а.
Частота перекëþ÷ения напряжения на обìотках L1, L2 трансфорìатора опреäеëяется инäуктивностяìи трансфорìатора, äроссеëя L4
и еìкостüþ конäенсатора C2. Напряжения в то÷ках Т1 (синусоиäаëüное напряжение на выхоäе трансфорìатора) и Т2 (высоковоëüтный
выхоä) показаны на рис. 2, б.
Как виäно из рис. 1. б, синусоиäаëüный сиãнаë устанавëивается
тоëüко ÷ерез 9 ìс.
Боëее перспективныì преäставëяется схеìа, в которой управëяþщие сиãнаëы ãенерируþтся внеøниì контроëëероì. На рис. 2, а,
преäставëена ìоäеëüная схеìа форìирования синусоиäаëüноãо сиãнаëа с внеøниì управëениеì кëþ÷евыìи эëеìентаìи на базе МОПтранзисторов. Напряжение на вы-
ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ С БЫСТРЫМ
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПОЛЯРНОСТИ
Разработка бëока ãенераöии
высокоãо напряжения преäпоëаãает
реøение сëеäуþщих заäа÷: перекëþ÷ение напряжения 3 кВ за вреìя не боëее 10 ìс и поääержание
стабиëüноãо уровня высокоãо напряжения с коëебанияìи не боëее
0,1 % посëе перекëþ÷ения. Высокая то÷ностü воспроизвеäения напряжения требуется äëя созäания
оäнороäных усëовий ионизаöии веществ и обеспе÷ения ÷увствитеëüности на уровне наноãраìì ppb-ppt.
Бëок высокоãо напряжения состоит из нескоëüких узëов: ìоäуëятора синусоиäаëüноãо сиãнаëа на основе высоковоëüтноãо трансфорìатора, уìножитеëя напряжения с
перекëþ÷аеìой поëярностüþ, сãëаживаþщеãо фиëüтра.
L5
T1
Дëя äвухпоëярноãо спектроìетра ионной поäвижности иссëеäована и разработана систеìа форìирования стабиëüноãо высокоãо напряжения (äо 3 кВ) в äрейфовой
обëасти спектроìетра с возìожностüþ быстроãо (не боëее 10 ìс),
непрерывноãо перекëþ÷ения поëярности.
L1
25µ
C2
56n
L4
470µ
L2
25µ
R4
2k
СТРУКТУРА СПЕКТРОМЕТРА
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
+
–
V3
R3
2k
D
D
C5
2n
R6
20000k
K1 L1 L2 L3 L10 0.99
.tran 14m startup
R1
200
BC547B
Q2
D1
C4
C34n D2
20p
{50µ*40*40}
L10
{100µ*40*40}
T2
ВВЕДЕНИЕ
L3
5µ
Q1
3
BC547B
Структурная схеìа спектроìетра ионной поäвижности и принöип
еãо äействия поäробно описаны в
ëитературе [12—17].
0,8
1
T2
Напряжение, кВ
0,8
Напряжение, кВ
Дëя форìирования ионизируþщеãо коронноãо разряäа на разряäноì проìежутке исто÷ника ионизаöии требуется обеспе÷итü постоянное высокое напряжение. Привеäенные в статüе изображения
эëектри÷еских схеì поëу÷ены при
ìоäеëировании эëектри÷еских схеì
с поìощüþ проãраììы LT spice,
испоëüзуþщей аìериканский станäарт на сиìвоëы схеìных эëеìентов.
а)
T1
0,4
0,0
0,4
T1
0,0
–0,4
–0,4
–0,8
0
2
4
6
8
Вреìя, ìс
10
12
–0,8
9,0
9,02 9,04
Вреìя, ìс
б)
Рис. 1. Автоколебательный генератор:
а — эëектри÷еская схеìа; б — зависиìости напряжения в то÷ках Т1 и Т2 от вреìени
Датчики и Системы · № 5.2019
69
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
L4
C1
137n
470µ
L1
5µ
L10
{20µ*100*100}
L2
5µ
K1 L1 L2 L3 L10 0.99
хоäе трансфорìатора (рис. 2, б ) устанавëивается уже ÷ерез 4 ìс.
Моäеëüная схеìа уìножитеëя
высокоãо напряжения с перекëþ÷аеìой поëярностüþ показана на
рис. 3, а. Уìножитеëü преобразует
переìенное напряжение V3 синусоиäаëüной форìы с ÷астотой 60 кГö
на втори÷ной обìотке трансфорìатора в высокое постоянное напряжение UOUT_HV. Запуск уìножитеëя напряжения происхоäит за нескоëüко периоäов переìенноãо напряжения. Постоянное выхоäное
напряжение скëаäывается из напряжений на посëеäоватеëüно вкëþ÷енных и постоянно поäзаряжаеìых
конäенсаторах и составëяет веëи÷ину, превыøаþщуþ исхоäнуþ аìпëитуäу напряжения в ÷етыре раза.
В настоящее вреìя не существует коìпактных кëþ÷ей на 6 кВ
(∆U = 3 + |–3| кВ), поэтоìу приìенены оптронные кëþ÷и PC817A с
ãаëüвани÷еской развязкой в кажäоì
звене уìножитеëя напряжения, ÷то
существенно усëожняет схеìотехнику. Перекëþ÷ение высокоãо напряжения в то÷ке UOUT_HV на выхоäе
уìножитеëя показано на рис. 3, б.
На рис. 3, б, виäен перехоäный
проöесс посëе перекëþ÷ения высокоãо напряжения. Кроìе тоãо, ìо-
R6
200000k
L3
5µ
+
–
.tran 14m startup
V3
V1
4
IRF4201 V2
+
M1
–
+
–
IRF4201
M2
PULSE(–2 10 0 0.25u 0.25u 9.75u 20u 1000)
PULSE(–2 10 10u 0.25u 0.25u 9.75u 20u 1000)
а)
1,8
Напряжение, кВ
1,2
0,6
0,0
–0,6
–1,2
–1,8
0,0
1,0
2,0
3,0
Вреìя, ìс
б)
4,0
5,0
Рис. 2. Формирователь сигнала с внешним управлением:
а — эëектри÷еская схеìа; б — напряжение на выхоäе трансфорìатора
S5
V3
+
–
MYSW
–
R5
+
VNEG
10000
S2
MYSW
C7
C2
4700p
C1
1000p
C3
1000p
4700p
R23 1.0k
U1
PC817A
U2
PC817A
U3
PC817A
R23
20Meg
Q1
QMPSA44
R24
20Meg
Q2
QMPSA44
D4
D
D
D3
D6
D
D
R20
10.8k
R7
S1
+
R25
20Meg
D8
D
D
R21
10.8k
R15
60Meg
MYSW
S3 MYSW
+
VPOS
+
–
D7
D
R22
10.8k
R16
60Meg
V4
Q2
QMPSA44
D5
VNEG
VNEG
R18
200k
C5
200p
60Meg
C4
2p
R17
+
200p
VPOS
V1
3,0
100000k
C6
S4 MYSW
–
D
VPOS
D1
–
D2
+
–
VPOS
PULSE(0 5 10m 0.1m 0.1m 10m 20m 2) PULSE(5 0 10m 0.1m 0.1m 10m 20m 2)
.tran 40 m
options maxstp = 10 u
Напряжение, кВ
VPOS
OUT_HV.
+
–
–
SINE(0 700 40K 0 0 0 2000)
UOUT_HV
2,0
1,0
0,0
–1,0
–2,0
–3,0
0
8
а)
Рис. 3. Умножитель высокого напряжения с переключаемой полярностью:
а — эëектри÷еская схеìа; б — перекëþ÷ение напряжение на выхоäе уìножитеëя (в то÷ке OUT_HV)
70
Sensors & Systems · № 5.2019
16
24
Вреìя, ìс
б)
32
40
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
HV
R3
V2
1Meg
+ SINE(0 10 50000 0.002 1 0)
D3 D4
–
R1
SINE(0 200 100 0.002 100 0)
V1
+
+
–
D1
I1
–
C3
V3
D5
D6
R2
100Meg
C2
800
C1
Q1
1pF
QMPSA44
D2 35p
500pF
.tran 0.05
PULSE(100u 20u 5m 1m)
PULSE(–2200 2200 0.002 0.002 0.002 10 20 1)
а)
2,4
1,6
Напряжение, кВ
ãут присутствоватü пуëüсаöии напряжения и эëектри÷еские навоäки, поэтоìу необхоäиì сãëаживаþщий фиëüтр напряжения. Простейøая ìоäеëü фиëüтра показана на
рис. 4, а. Исто÷ники V1—V3 эìуëируþт работу ãенератора высокоãо
напряжения. Исхоäное напряжение
HV устанавëивается боëüøе необхоäиìой веëи÷ины (2,5 кВ), а посëеäоватеëüно с äеëитеëеì высокоãо напряжения (показан как резистор R2)
вкëþ÷ен исто÷ник тока. Поскоëüку
äеëитеëü преäставëяет собой резистивнуþ öепü, фиксированный ток,
протекаþщий ÷ерез неãо, созäаст
необхоäиìое постоянное напряжение HV1(2,5 кВ), а разниöа напряжений вìесте с пуëüсаöияìи буäет
поãëощатüся на эëеìентах исто÷ника тока. Дëя обеспе÷ения äвухпоëярноãо режиìа работы исто÷ник тока вкëþ÷ен в схеìу äиоäноãо
ìоста.
Первые 6 ìс управëяþщий ток
(исто÷ник I1) равен 100 ìкА, ÷то
соответствует поëностüþ открытоìу фиëüтру, поэтоìу напряжения
HV и HV1 равны. Затеì управëяþщий ток снижается äо 20 ìкА, ÷то
соответствует норìаëüноìу режиìу
работы. Изìеняеìое со вреìенеì
напряжение HV боëüøе веëи÷ины
HV1, их разностü паäает на исто÷нике тока, ÷то обеспе÷ивает стабиëüностü уровня напряжения HV1.
Зависиìости напряжений HV и HV1
показаны на рис. 4, б.
По резуëüтатаì ìоäеëирования
быë разработан схеìотехни÷еский
вариант бëока высокоãо напряжения. На рис. 5, а, показан ìоäеëüный узеë бëока высокоãо напряжения с фиëüтруþщиì исто÷никоì
тока на основе составноãо транзистора. Сиãнаë FIL_CTL заäает опорный сиãнаë äëя исто÷ника тока на
основе операöионноãо усиëитеëя
U4, поскоëüку ток, поступаþщий
на вхоäы оптронов U20—U22 типа
4N25, протекает ÷ерез резистор R45
и созäает напряжение, равное опорноìу. Коэффиöиент переäа÷и тока
оптронов и коэффиöиент усиëения
HV1
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
UHV1
UHV
0,8
0,0
–0,8
–1,6
–2,4
0
10
20
30
Вреìя, ìс
б)
40
50
Рис. 4. Двухполярный сглаживающий фильтр на базе источника тока:
а — эëектри÷еская схеìа; б — напряжения HV и HV1
+5 V
HV
R44
200K
5
R16
200K
R30
24K
6
C28
1uF
R45 100
U4:B
+
7
–
1
U21 4N25
2
6
5
4
U22 4N25
1
FIL_CTL
6
5
4
2
2
D40
HS1M
D44
HS1M
D41
HS1M
2
U20 4N25
1
D43
HS1M
6
5
4
3
Q6
KSP44
1
2
3
4
X10
PGND
3
1
2
Q5
D42
P4KE440A 1 KSP44
а)
Рис. 5. Фильтр высокого напряжения
на основе составного транзистора:
a — эëектри÷еская схеìа; б — осöиëëоãраììа установëения высокоãо напряжения
б)
Датчики и Системы · № 5.2019
71
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
транзисторов Q5, Q6 известен, ÷то
позвоëяет заäатü необхоäиìый ток.
На выхоäноì разъеìе X18 созäается напряжение HV1(2,5 кВ). Эëеìент D42 (äвунаправëенный защитный äиоä) сëужит äëя защиты от перенапряжения.
В проöессе перекëþ÷ения напряжения (рис. 5, б ) иìеется выброс напряжения посëе перекëþ÷ения, так как транзисторы выхоäят
из режиìа насыщения.
Лу÷øий резуëüтат обеспе÷ивает вариант фиëüтра, показанный на
рис. 6, а. Исто÷ник тока на базе
операöионноãо усиëитеëя U3 работает по схожеìу с преäыäущей схеìой принöипу, но приìенен анаëоãовый оптрон с высокой ëиней-
ностüþ HCNR200, состоящий из
высокока÷ественноãо светоäиоäноãо изëу÷атеëя и äвух бëизкораспоëоженных фотоäиоäов. Выхоä второãо фотоäиоäа ìожет испоëüзоватüся
äëя отсëеживания и стабиëизаöии
опти÷еской ìощности светоäиоäа,
в резуëüтате ÷еãо практи÷ески устраняется неëинейностü и разброс
параìетров светоäиоäа. Ток на выхоäе фотоäиоäа ëинейно зависит от
ìощности изëу÷ения светоäиоäа.
Бëизко распоëоженные фотоäиоäы внутри корпуса ãарантируþт
высокуþ ëинейностü и стабиëüные
характеристики работы оптрона
HCNR200.
Резисторы R44 и R45 обеспе÷иваþт напряжение сìещения 8,2 В
D36
HS1M
D38
HS1M
D37
HS1M
D35
HS1M
1
2
HV
D38
P4KE440A
3
4
X9
PGND
R44
10M
R45
10M
+5 V
D40
BZV55-C8V2
R47
200K
5
6
U3:B
+
C29
R49 R50
7
D41
BZV55-C8V2
–
C28
0.1uF
C30
Q10
IRFD420
Q3 BFT46
R48 100K
FIL_CTL
R46 750
R51 100K
G D2
S1 D1
U19 HCNR200
8
1
7
2
6
3
5
4
+5 V
а)
б)
Рис. 6. Сглаживающий фильтр высокого напряжения на базе полевого транзистора с
управляющим p—n-переходом:
a — эëектри÷еская схеìа; б — напряжение на выхоäе высоковоëüтноãо бëока
72
Sensors & Systems · № 5.2019
на стабиëитроне D40, äостато÷ное
äëя тоãо, ÷тобы транзистор Q10
на÷аë открыватüся. При этоì ток,
протекаþщий ÷ерез поëевой транзистор Q3, созäает паäение напряжения, которое вы÷итается из напряжения затвора транзистора Q10,
÷то препятствует äаëüнейøеìу еãо
открываниþ. Проöесс проäоëжается äо тех пор, пока протекаþщий
ток не станет равныì заäанноìу
зна÷ениþ.
Осöиëëоãраììа перекëþ÷ения
высокоãо напряжения (рис. 6, б )
поëу÷ена с поìощüþ öифровоãо осöиëëоãрафа Tektronix TDS1001B и
äеëитеëя 1:200. Как виäно, сãëаживаþщий фиëüтр высокоãо напряжения успеøно выпоëняет своþ заäа÷у, а бëок высокоãо напряжения
уäовëетворяет поставëенныì требованияì.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В резуëüтате анаëиза вариантов
реаëизаöии исто÷ника высокоãо напряжения с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности äëя спектроìетра
ионной поäвижности преäëожена
перспективная схеìа с ãенераöией
управëяþщих сиãнаëов внеøниì
контроëëероì с кëþ÷евыìи эëеìентаìи на базе МОП-транзисторов.
Иссëеäована работа уìножитеëя высокоãо напряжения с перекëþ÷аеìой поëярностüþ. На основе
изу÷ения разëи÷ных конструкöий
напряжения преäëожена конструкöия сãëаживаþщеãо фиëüтра,
искëþ÷аþщая выброс напряжения
посëе перекëþ÷ения поëярности.
Апробаöия бëока форìирования высокоãо напряжения показаëа, ÷то вреìя установëения высокоãо напряжения на провоäящих
эëектроäах äрейфовой трубки, ионных затворах и коëëекторной сетке
не превыøает 10 ìс äëя поëожитеëüной и отриöатеëüной поëярностей, ÷то явëяется äостато÷ныì äëя
попереìенноãо, непрерывноãо äетектирования веществ в обеих спектроìетри÷еских ìоäах.
Copyrigh t ОАО «ЦКБ «БИБКО М» & ООО «Aгентств о Kн ига-C ерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
ЛИТЕРАТУРА
1. Sysoev A. A., Poteshin S. S., Chernyshev D. M., et al. Analysis of new synthetic drugs by ion mobility time-offlight mass spectrometry // European
Journal of Mass Spectrometry, vol. 20
(2), Pages 185—192, 2014, DOI:
10.1255/ejms.1262.
2. Kanu A. B., Hill H. H. Identity confirmation of drugs and explosives in ion
mobility spectrometry using a secondary drift gas // Talanta, vol. 73,
Pages 692—699, 2007.
3. Geraghty E., Wu C., McGann W. Effective screening for “club drugs” with
dual mode ion trap mobility spectrometry // Int. J. Ion Mobility Spectrom.,
Vol. 5, Pages 41—44, 2002.
4. Buryakov I. A. Express analysis of explosives, chemical warfare agents and
drugs with multicapillary column gas
chromatography and ion mobility increment spectrometry // J. Chromatogr. B: Anal. Technol. Biomed. Life
Sci., Vol. 800, Pages 75—82, 2004.
5. Sielemann S., Li F., Schmidt H., Baumbach J. I. Ion mobility spectrometer
with UV-ionization source for determination of chemical warfare agents //
Int. J. Ion Mobil. Spectrom., Vol. 4,
Pages 81—84, 2001.
6. Fenn J. B. Electrospray wings for molecular elephants (Nobel lecture) //
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Angew. Chem., Vol. 42, Pages 3871—
3894, 2003.
Baumbach J. I. Ion mobility spectrometry coupled with multi-capillary columns for metabolic profiling of human
breath // J. Breath Res. 2009, 3,
034001.
Bykova A. A., Syrkin A. L., Kopylov F. Yu., et al. Breath acetone in diagnostic of heart failure // European
Journal of Heart, Vol. 16, Supplement:
2, Pages 177—177, 2014.
Uetrecht C., Rose R. J., van Duijn E.,
et al. Ion mobility mass spectrometry
of proteins and protein assemblies //
Chem. Soc. Rev., Vol. 39, Pages 1633—
1655, 2010.
Vautz W., Baumbach J. I., Jung J. Beer
fermentation control using ion mobility spectrometry — results of a pilot
study // J. Institute Brewing, Vol. 112
(2), Pages 157—164, 2006.
Vautz W., Mauntz W., Engell S.,
Baumbach J. I. Monitoring of emulsion polymerisation processes using ion
mobility spectrometry — a pilot study //
Macromol. React. Eng., vol. 3 (2—3),
Pages 85—90, 2009.
Eiceman G. A., Karpas Z., Hill H. H.
Ion Mobility Spectrometry (3rd ed.). —
Taylor & Francis Group, 2013.
Sysoev A. A., Chernyshev D. M.,
Poteshin S. S., et al. Development of
an Atmospheric Pressure Ion Mobility
14.
15.
16.
17.
Spectrometer—Mass
Spectrometer
with an Orthogonal Acceleration Electrostatic Sector TOF Mass Analyzer //
Analytical Chemistry, Vol. 85 (19),
Pages
9003—9012,
2013,
DOI:
10.1021/ac401191kA.
Zimmermann S., Abel N., Baether W.,
Barth S. An ion-focusing aspiration
condenser as an ion mobility spectrometer // Sens. Actuators B Chem.,
Vol. 125 (2), Pages 428—434, 2007.
Miller R. A., Eiceman G. A., Nazarov E. G. A micro-machined high-field
asymmetric waveform-ion mobility
spectrometer (FA-IMS) // Sensor Actuators B Chem., Vol. 67, Pages 300—
306, 2000.
Borsdorf H., Mayer T., Zarejousheghani M., Eiceman G. A. Recent developments in ion mobility spectrometry //
Appl. Spectrosc. Rev., Vol. 46, Pages 472—521, 2011.
Shvartsburg A. A., Creese A. J.,
Smith R. D., Cooper H. J. Separation
of peptide isomers with variant modified
sites by high-resolution differential ion
mobility spectrometry // Anal. Chem.,
VOL. 82 (19), Pages 8327—8334, 2010.
Поступила в редакцию 11.02.2019
После доработки 11.02.2019
Принята к публикации 14.03.2019
Вниманию авторов!
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ СТАТЕЙ
Статüя высыëается по e-mail в эëектронной форìе иëи по по÷те в оäноì экзеìпëяре на буìаãе (в äанноì сëу÷ае обязатеëüно
äоëжен бытü приëожен CD с текстоì, иäенти÷ныì напе÷атанноìу тексту).
Наëи÷ие аннотаöии и кëþ÷евых сëов к статüе обязатеëüно.
Обязатеëüно наëи÷ие названия статüи, аннотаöии, кëþ÷евых сëов на анãëийскоì языке.
Статüя äоëжна бытü структурирована, т. е. иìетü ввеäение, основнуþ ÷астü с необхоäиìыìи разäеëаìи, вывоäы.
Все буквенные обозна÷ения, привеäенные в форìуëах и на рисунках, необхоäиìо пояснятü в основноì иëи поäрисуно÷ноì текстах (неäопустиìы повторные обозна÷ения в поäрисуно÷ных поäписях и в тексте). Нуìероватü сëеäует тоëüко те
форìуëы и уравнения, на которые естü ссыëка в посëеäуþщеì изëожении. Не сëеäует переãружатü статüþ ìатеìати÷ескиìи
выкëаäкаìи, не необхоäиìыìи äëя пониìания статüи.
Список испоëüзованной ëитературы (тоëüко орãани÷ески связанной со статüей) составëяется в поряäке öитирования и äается в конöе статüи на русскоì и анãëийскоì языках. В тексте ссыëки на ëитературу отìе÷аþтся поряäковыìи ноìераìи в кваäратных скобках.
В конöе статüи сëеäует обязатеëüно указатü поëностüþ на русскоì и анãëийскоì языках иìя, от÷ество и фаìиëиþ авторов,
у÷еные степени и звания, äоëжностü, ìесто работы, контактный теëефон, эëектронные аäреса.
Объеì статüи, искëþ÷ая обзорные, не äоëжен превыøатü 10 страниö текста. Текст пе÷атается ÷ерез 1,5 интерваëа с оäной
стороны буìаãи форìата А4, страниöы нуìеруþтся.
Требования к статüе в эëектронной форìе:
реäактор не ниже Word 97;
пе÷атная поëоса 16,5 Ѕ 25 сì;
øрифт Times New Roman, 12 пт;
текст не äоëжен иìетü коëонок, разäеëов и т. ä.
Рисунки äоëжны иìетü форìат, совìестиìый с операöионной систеìой Windows (Рисунок Microsoft Word, реäакторы
CorelDraw, Photoshop, Illustrator и т. п.).
Растровые изображения äоëжны бытü преäеëüно ÷еткиìи с разреøениеì не ìенее 300 dpi.
Датчики и Системы · № 5.2019
73
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
К содержанию
УДК 681.785.235
DOI: 10.25728/datsys.2021.5.1
ПОРТАТИВНЫЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ
ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
PORTABLE BIPOLAR ION MOBILITY SPECTROMETER FOR RAPID
SIMULTANEOUS OF CHEMICALLY HAZARDOUS SUBSTANCES
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@mail.ru
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@mail.ru
Громов Евгений Анатольевич
канд. техн. наук
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
GromovEvgeny A.
Ph. D. (Tech.)
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Иванов Игорь Александрович
аспирант
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Ivanov Igor A.
Postgraduate Student
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Малкин Евгений Константинович
аспирант
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Malkin Evgeny K.
Postgraduate Student
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Матуско Максим Александрович
аспирант
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Matusko Maxim A.
Postgraduate Student
E-mail: maksim-starcity@mail.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: Рассìотрены узëы усоверøенствованноãо варианта спектроìетра ионной поäвижности с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности äрейфовоãо поëя äëя оäновреìенноãо обнаружения øирокоãо спектра веществ. Преäставëены резуëüтаты
äетектирования наибоëее распространенных веществ, вероятностü возникновения которых о÷енü высока в резуëüтате аварий на произвоäствах, выбросов, пожаров и äруãих ÷резвы÷айных ситуаöий.
Abstract: The structural element of the improved version of the ion
mobility spectrometer with fast switching of the polarity of the drift
field for the simultaneous detection of a wide range of substances are
considered. The results of detection of the most common substances, formed as a result of industrial accidents, emissions, fires and
other emergencies, are presented.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности; äвухпоëярный äетектор; äрейфовая труба; хиìи÷ески опасные вещества.
Keywords: ion mobility spectrometry; bipolar detector; drift tube;
chemically hazardous substances.
ВВЕДЕНИЕ
ществ, характеризует наëи÷ие ионов с опреäеëенной
поäвижностüþ [2—3]. Спектроìетр ионной поäвижности состоит из систеìы забора пробы, каìеры ионизаöии, каìеры äрейфа, ионных затворов и äетектируþщеãо узëа. Оäновреìенное обнаружение веществ разных
кëассов требует среäств совìестноãо оäновреìенноãо
äетектирования ионов как поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности [4].
Спектроìетрия ионной поäвижности явëяется оäниì из ìетоäов, приìеняеìых äëя äетектирования и
иäентификаöии разнообразных кëассов веществ. Принöип спектроìетрии ионной поäвижности основан на
разäеëении ионов по вреìени проëета в ãазовой среäе в постоянноì эëектри÷ескоì поëе. Вреìяпроëетная
спектроãраììа, в которой ìожно выäеëитü пики ве-
4
Sensors & Systems · № 5.2021
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Устройство показаëо своþ работоспособностü и
возìожностü осуществëятü оäновреìенный анаëиз пробы в отриöатеëüной и поëожитеëüной поëярности. Оäнако оно иìеет и существенные неäостатки, такие как
боëüøие ãабариты и ìассу; äëитеëüное вреìя на перекëþ÷ение поëярности, установëение режиìов работы и
провеäения каëибровки; усëожнение конструкöии систеìы забора пробы; сëожностü контроëя за соотноøениеì äоëей веществ, попаäаþщих в кажäый прибор;
а также снижение коëи÷ества вещества, поäаваеìоãо в
кажäый прибор, ÷то также привоäит к снижениþ ÷увствитеëüности.
В öеëях устранения этих неäостатков быëа провеäена работа по соверøенствованиþ узëов и эëеìентов
спектроìетра. В резуëüтате быë созäан портативный
äвухпоëярный äетектор с оäниì спектроìетри÷ескиì
канаëоì, способныì оäновреìенно äетектироватü ионы øирокоãо спектра веществ как поëожитеëüной, так
и отриöатеëüной поëярности.
Детектируþщий узеë 1
Канаë 1
Проба
Канаë 2
Детектируþщий узеë 2
а)
б)
Рис. 1. Схема прибора с разделяемым каналом (а) и внешний
вид блока разделения потока (б)
ЭЛЕМЕНТЫ ДВУХПОЛЯРНОГО
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО КАНАЛА
Оäниì из вариантов реøения этой заäа÷и явëяется
установка äвух спектроìетри÷еских канаëов и бëока
разäеëения потоков вхоäящеãо возäуха [6—7]. На основе оте÷ественноãо прибора “ИДД Кербер” разработан
спектроìетр ионной поäвижности äëя оäновреìенноãо
äетектирования поëожитеëüных и отриöатеëüных ионов
[1]. Прибор состоит из äвух параëëеëüных спектроìетри÷еских канаëов, работаþщих в разных поëярностях. Бëок разäеëения потоков позвоëяет осуществëятü
ìехани÷еское и ãазоäинаìи÷еское соеäинение пробоотборноãо устройства оäновреìенно с äвуìя спектроìетри÷ескиìи канаëаìи (рис. 1).
Общая структура спектроìетри÷ескоãо канаëа äетектора остаëасü прежней. Оäнако работа в äвухпоëярноì режиìе преäъявëяет äопоëнитеëüные требования к
узëаì и эëеìентаì всеãо äетектора.
Конструкöия коëëекторноãо узëа спектроìетри÷ескоãо канаëа преäусìатривает наëи÷ие защитной сетки,
препятствуþщей образованиþ паразитноãо инäуöированноãо тока. В конструкöии испоëüзуется äопоëнитеëüный ãенератор форìирования высокоãо напряжения на защитной сетке коëëектора. Это позвоëиëо искëþ÷итü RC-öепü с боëüøой постоянной вреìени и
реаëизоватü режиì быстроãо перекëþ÷ения поëярности
(рис. 2).
ВН
ВН
R1
R1
VCC U3
Коëëектор
U1
R2
С1
In
GND
Out
Коëëектор
U2
+
R4
On/Off
R2-1
С1
–
FB
Генератор
высокоãо
напряжения
а)
R3
R2-2
U1
Опорное напряжение
б)
Рис. 2. Принципиальная схема формирования напряжения на защитной сетке коллектора в однополярном приборе (а) и в двухполярном приборе (б)
Датчики и Системы · № 5.2021
5
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
Изìенение конструкöии коëëекторноãо узëа путеì ввеäения зазеìëенных ìетаëëи÷еских поëиãонов
препятствует перезаряäу äиэëектрика при изìенении
поëярности и искëþ÷ает попаäание паразитных поëяризаöионных токов на коëëекторный эëектроä
(рис. 3).
Разработка новоãо бëока ãенераöии высокоãо напряжения потребоваëа реøения сëеäуþщих заäа÷: перекëþ÷ения напряжения 3 кВ за вреìя не боëее 10 ìс,
поääержания стабиëüноãо уровня высокоãо напряжения с коëебанияìи не боëее 0,1 % посëе перекëþ÷ения.
Бëок высокоãо напряжения (рис. 4, б) состоит из нескоëüких узëов: ìоäуëятора синусоиäаëüноãо сиãнаëа
на основе высоковоëüтноãо трансфорìатора, уìножитеëя напряжения с перекëþ÷аеìой поëярностüþ и сãëаживаþщеãо фиëüтра.
Поëяризаöионный
ток äиэëектрика
Зазеìëение
Коëëекторное
коëüöо
Коëëектор
Изоëятор
коëëектора
Изоëятор
Пе÷атная пëата
Защитная
сетка
а)
б)
Рис. 3. Разрез коллекторного узла однополярного (а) и двухполярного канала (б)
Stop
Tek
M Pos: 39,20 ms
SAVE/REC
Action
Save Image
File
Format
JPEG
About
Saving
Images
2
Select
Folder
Save
TEK0056.JPG
1
CH1 500 mV CH2 200 mV M
Current Folder is A:\BR_OCS\
10,0 ms
CH1 19,7 V
а)
б)
Рис. 4. Осциллограмма напряжения на выходе (а) и внешний вид высоковольтного блока (б)
R8
I = I(D5)/50
+
R10
2,7k
С6
100
D5
1N4148
0,1μ
D11
1N4148
D6
1N4148
D7
1N4148
V1
D15
1N4148
–
+
–
V2
100
0,1μ
D16
1N4148
D18
1N4148
С4
B3
D17
D13
1N4148
Q1
BC547B
С1
BC547B
Q2
70p
B2
D1
D2
B4
D9
D14
1N4148
R2
С9
400
1p
С8
800
С2
Q3
35p
BC547B
С5
+
V3
–
R3
I = I(D10)/50
D10
1N4148
D12
1N4148
800
D4 35p
I = I(D11)/50
R5
2,7k
С7
D3
D8
1N4148
PULSE (–5 5 20u 1u 1u 90u 200u 10)
R6
B1
1p
PULSE (0 300 1u 3u)
R11
BC547B
Q4
70p
R4
PULSE (5 –5 10u 1u 1u 110u 200u 10)
I = I(D16)/50
400
R1
1k
С3
0,01μ
.tran 500u startup
а)
б)
Рис. 5. Моделирование схемы (а) и готовый блок ионных затворов (б)
6
Sensors & Systems · № 5.2021
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
10000
9000
1
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20 25
Ионный ток, усë. еä.
Ионный ток, усë. еä.
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
2
30
35
40 45 50 55
Вреìя äрейфа, ìс
60
65
70
10000
9000
8000
1
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20 25
2
30
35 40 45 50 55
Вреìя äрейфа, ìс
а)
60
65
70
б)
Рис. 6. Спектрограммы положительных (а) и отрицательных (б) ионов лабораторного воздуха для:
1 — äвухпоëярноãо прибора; 2 — оäнопоëярноãо прибора
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВ
Гëавныì критериеì работоспособности äвухпоëярноãо спектроìетра ионной поäвижности явëяется сохранение иëи уëу÷øение характеристик äетектирования кëасси÷ескоãо прибора äëя кажäой поëярности.
Спектроãраììы (рис. 6) äвухпоëярноãо прибора поëу÷ены оäновреìенно в режиìе непрерывноãо попереìенноãо обнаружения.
Контроëüное вещество триаöетин АС (привеäенная
2
–1 –1
поäвижностü К0 = 1,548 сì •В с ) äает устой÷ивый
пик при работе с поëожитеëüныìи ионаìи (рис. 7).
Проверка возìожности обнаружения аварийно хиìи÷ески опасных веществ провоäиëасü на наибоëее распространенных веществах. Дëя провеäения таких испытаний испоëüзоваëся ãенератор ãазов “Микроãаз-Ф”,
преäназна÷енный äëя приãотовëения поверо÷ных ãазовых сìесей [8].
2
–1 –1
Пик хëора (К0 = 2,41 сì •В с ) хороøо воспроизвоäиì в интерваëе иссëеäованных конöентраöий от
3
0,6 äо 28 ìã/ì . При ìиниìаëüной из иссëеäованных
3
конöентраöий хëора в возäухе 0,6 ìã/ì этот пик иìеет
äостато÷но боëüøуþ аìпëитуäу, ÷то позвоëяет преäпоëожитü возìожностü äетектирования хëора при соäержаниях ниже ПДК [9—10]. Детектирование хëора характеризуется высокой äинаìикой появëения и ис÷езновения пиков, ÷то объясняется ëету÷иìи свойстваìи
хëора и высокой теìпературой в обëасти äрейфа (рис. 8).
Показана также высокая ÷увствитеëüностü к äиок2
–1 –1
сиäу азота NO2 (К0 = 1,98 сì •В с ). Изìеренные
конöентраöии позвоëяþт сäеëатü вывоä о тоì, ÷то äинаìи÷еский äиапазон изìерения наìноãо превыøает
ПДК (рис. 9).
2
–1 –1
Спектр аììиака NH3 (К0 = 1,53 сì •В с ) иìеет
интенсивный воспроизвоäиìый пик (рис. 10). Зна÷ение привеäенной поäвижности äëя этоãо пика не зави-
8000
Ионный ток, усë. еä.
Дëя обеспе÷ения быстроäействия (скорости перекëþ÷ения) и стабиëüной работы бëока ионных затворов разработана схеìа на основе фотовоëüтаи÷ескоãо
эффекта с испоëüзованиеì бипоëярных транзисторов
(рис. 5).
Конструкöия ионноãо исто÷ника вкëþ÷ает еìкостной накопитеëü энерãии с инäуктивной схеìой нака÷ки
äëя устранения выбросов тока на ëинии питания во
вреìя работы при форìировании иìпуëüсов. Произвоäится контроëü тока, протекаþщеãо ÷ерез иìпуëüсный
исто÷ник ионизаöии. Выбор поëярности происхоäит
при кажäоì срабатывании исто÷ника ионизаöии с поìощüþ перекоììутаöии эëектронных кëþ÷ей и перекëþ÷ения соответствуþщих накопитеëей.
7000
2
6000
1
5000
4000
3000
2000
1000
0
20
25
30
35 40 45 50 55
Вреìя äрейфа, ìс
60
65
70
Рис. 7. Сравнительные спектрограммы положительных ионов
при детектировании триацетина для:
1 — äвухпоëярноãо прибора; 2 — оäнопоëярноãо прибора
Датчики и Системы · № 5.2021
7
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPhI presents
12000
14000
12000
Сl2
8000
Ионный ток, усë. еä.
Ионный ток, усë. еä.
10000
6000
4000
Фоновый
сиãнаë
2000
0
15
20
25
30 35 40 45 50
Вреìя äрейфа, ìс
а)
55
60
65
10000
Сl2
8000
6000
4000
Фоновый
сиãнаë
2000
0
–2000
15
20
25
30
35
40
Вреìя äрейфа, ìс
б)
45
50
Рис. 8. Спектрограммы Cl2 двухполярного спектрометра (а) и в положительной полярности однополярного спектрометра (б)
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
15
10000
NO2
Ионный ток, усë. еä.
Ионный ток, усë. еä.
12000
20
25
30 35 40 45 50
Вреìя äрейфа, ìс
55
60
8000
6000
4000
Фоновый
сиãнаë
2000
0
15
65
20
25
а)
30
35
40
Вреìя äрейфа, ìс
б)
45
50
Рис. 9. Спектрограммы NO2 двухполярного спектрометра (а) и в положительной полярности однополярного спектрометра (б)
5000
1600
4500
1400
NH3 из NH4OH
3500
Ионный ток, усë. еä.
Ионный ток, усë. еä.
4000
3000
2500
Фоновый
сиãнаë
2000
1500
1000
500
0
15
1200
Фоновый
сиãнаë
1000
NH3 из NH4OH
800
600
400
200
20
25
30 35 40 45 50
Вреìя äрейфа, ìс
55
60
а)
65
0
20
25
30
35
40
45
Вреìя äрейфа, ìс
б)
50
55
Рис. 10. Спектрограммы NH3 двухполярного спектрометра (а) и в положительной полярности однополярного спектрометра (б)
8
Sensors & Systems · № 5.2021
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
сит от вëажности. Поëу÷ена хороøая ÷увствитеëüностü
и воспроизвоäиìостü резуëüтатов при äетектировании
аììиака.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6.
7.
Провеäенные иссëеäования по обнаружениþ веществ показаëи высокуþ то÷ностü обнаружения, сеëективностü, стабиëüностü параìетров обнаружения.
Поëу÷енные поäвижности веществ совпаäаþт с резуëüтатаìи изìерений äëя кëасси÷ескоãо оäнопоëярноãо
прибора при испоëüзовании каëиброво÷ных пиков.
Прибор показаë возìожностü работы äëя поиска сверхìаëых коëи÷еств веществ в режиìе попереìенной работы в обеих поëярностях.
8.
9.
ЛИТЕРАТУРА
1. Vasilyev V., Pershenkov V., Belyakov V., et al. Ion mobility
spectrometer for rapid simultaneous detection of positive and
negative ions // IFMBE Proceedings. — 2016. — Vol. 55. —
Р. 515—519.
2. Carr T. W. Plasma Chromatography. — New York, Plenum
Press, 1984.
3. Tabrizchi M., Abedi A. A novel electron source for negative ion
mobility spectrometry // International Journal of Mass Spectrometry. — 2002. — Vol. 218. — Р. 75—85.
4. Karpas Z., Eiceman G. A., Ewing R. G., et al. Ion distribution
profiles in the drift region of an ion mobility spectrometer //
Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. — 1993. — Vol. 127. —
P. 95—104.
5. Pershenkov V., Belyakov V., Vasilyev V., et al. Electric Modeling of Charged Particles Trajectories in the Drift Tube of Ion
Mobility Spectrometer for Hazardous Industrial Chemicals
10.
11.
Detection // Procedia Engineering. — 2014. — Vol. 87. —
Р. 436—439.
Patent № US 6627878 B1. Chemical agent point detection
system (IPDS) employing dual ion mobility spectrometers /
K. J. Machlinski, M. A. Pompeii. Date of Patent: Sep. 30,
2003.
Pat. № US 7345276 B2. Ion mobility system comprising two
IMS cells operated at different polarities / P. G. Wynn,
J. A. Breach. Date of Patent: Mar. 18, 2008.
ГДП-102. URL: http://www.analitpribor-smolensk.ru.
Постановление Гëавноãо ãосуäарственноãо санитарноãо
вра÷а РФ от 30.05.2003 N 116. О ввеäении в äействие
ГН 2.1.6.1339—03 “Ориентирово÷ные безопасные уровни
возäействия (ОБУВ) заãрязняþщих веществ в атìосферноì возäухе насеëенных ìест” (с изìененияìи на 3 ноября 2005 ãоäа). [Resolution of the Chief State Sanitary Doctor
of the Russian Federation of 05/30/2003 N 116. On the introduction of Hygiene Standard 2.1.6.1339—03 “Tentative Safe
Levels of Pollutants in the Ambient Air of Populated Areas”
(as amended on November 3, 2005). (In Russian)]
Bocos-B. V., Brittain A., Paul T. C. L. The response of a membrane inlet ion mobility spectrometer to chlorine and the effect
of water contamination of the drying media on ion mobility
spectrometric responses to chlorine // Analyst. — 2001. —
126. — Р. 1539—1544.
Васильев В. К., Шалтаева Ю. Р., Беляков В. В. и äр. Моäеëирование траекторий ÷астиö в спектроìетре ионной
поäвижности äëя обнаружения хиìи÷ески опасных веществ // Дат÷ики и систеìы. — 2015. — № 1. — С. 33—38.
[Vasilyev V. K., Shaltaeva Y. R., Belyakov V. V., et al. Simulation of particle trajectories in the ion mobility spectrometry for
the detection of hazardous chemical substances // Sensors and
systems. — 2015. — N 1. — P. 33—38. (In Russian)]
Поступила в редакцию 15.07.2021
После доработки 15.07.2021
Принята к публикации 23.08.2021
Уважаемые читатели!
Если Вы не успели подписаться на журнал “Датчики и системы”, напоминаем Вам, что через
Редакцию можно оформить льготную подписку в любое время и с любого номера (дешевле, чем
через каталоги агентств) или приобрести номера журнала за прошедшие годы.
Можно также заказать электронные версии как необходимого Вам номера журнала, так и
отдельных статей.
Позвоните в Редакцию по тел. (495) 198-17-20 доб. 11-60 или пришлите заказ по электронной
почте (E-mail: datsys@mail.ru) — и подписка будет оформлена за один день. Расходы по пересылке
журнала Редакция берет на себя. Не забудьте указать свой полный почтовый адрес!
Наш адрес: 117997, В-342, ГСП-7, Профсоюзная ул., д. 65, ИПУ РАН, оф. 383.
Датчики и Системы · № 5.2021
9
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
К содержанию
УДК 520.626;621.375
DOI: 10.25728/datsys.2023.3.11
ДВУХПОЛЯРНЫЙ ТРАНСИМПЕДАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКА
ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
DEVELOPMENT OF A BIPOLAR ION TRANSIENT CURRENT AMPLIFIER
FOR AN ION MOBILITY SPECTROMETER
Шалтаева Юлия Ринатовна
ст. преподаватель
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Громов Евгений Анатольевич
канд. техн. наук
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук
E-mail: avgolovin@bk.ru
Shaltaeva Yulia S.
Senior Lecturer
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Gromov Evgeny A.
Ph. D. (Tech.)
E-mail: avgolovin@bk.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.)
E-mail: avgolovin@bk.ru
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Несмачная Людмила Владимировна
аспирант
E-mail: nesmachnaja-ljudmila@rambler.ru
Матвеев Николай Вадимович
аспирант
E-mail: matvej96@mail.ru
Жуков Александр Иванович
аспирант
E-mail: aizhukov@mephi.ru
Родин Александр Сергеевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: asrodin@mephi.ru
Матейко Александр Андреевич
аспирант
E-mail: aamateiko@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
Pershenkov Vyacheslav S.
D. Sc. (Tech.), Professor
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Nesmachnaya Lyudmila V.
Post Graduate Student
E-mail: nesmachnaja-ljudmila@rambler.ru
Matveev Nikolai V.
Post Graduate Student
E-mail: matvej96@mail.ru
Zhukov Alexander I.
Post Graduate Student
E-mail: aizhukov@mephi.ru
Rodin Alexander S.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: asrodin@mephi.ru
Mateiko Alexander A.
Post Graduate Student
E-mail: aamateiko@mephi.ru
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Аннотация: В приборах спектроìетрии ионной поäвижности
IMS äëя искëþ÷ения пробëеìы, связанной с заäержкой на 2 с
изìерения ионопотока, разработана схеìа перехоäноãо усиëитеëя. Выпоëнено эëектри÷еское ìоäеëирование схеìы в проãраììе LTspice IV. Экспериìентаëüныì путеì вы÷исëено оптиìаëüное еìкостное сопротивëение. На основе описанной
схеìы разработана конструкöия усиëитеëя, позвоëяþщая реãистрироватü сиãнаë ионноãо тока в спектроìетри÷ескоì канаëе спектроìетра ионной поäвижности с быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности äрейфовоãо поëя. Генератор тока в преäëоженной схеìе иìеет ìиниìаëüнуþ переäа÷у заряäа по схеìе
управëения, ÷то позвоëиëо коìпенсироватü напряжение сìещения на выхоäе усиëитеëя, а также расøиритü äинаìи÷еский
äиапазон.
Abstract: In IMS ion mobility spectrometry devices with polarity
switching, there is a problem of amplifier overload. This leads to the
fact that for about 2 sec. the detector is not able to measure the ion
current. To solve this problem, a transient amplifier circuit has been
developed. Electrical simulation of the circuit in the LTspice IV program is performed. The optimal capacitive resistance is calculated
experimentally. Based on the described scheme, an amplifier design
has been developed that allows recording an ion current signal in the
spectrometric channel of an ion mobility spectrometer with fast
switching of the drift field polarity. The current generator in the proposed scheme has a minimal charge transfer according to the control
scheme, which makes it possible to compensate for the bias voltage
at the output of the amplifier, as well as to expand the dynamic
range.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности (СИП),
перехоäный усиëитеëü, LTspice.
Keywords: Ion Mobility Spectrometry (IMS), transient amplifier
circuit, LTspice.
54
Sensors & Systems · № 3.2023
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
ВВЕДЕНИЕ
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В наøи äни уже невозìожно
преäставитü систеìы безопасности
без испоëüзования техноëоãии
спектроìетрии ионной поäвижности (СИП) [1]. Теì не ìенее, обëасти приìенения этой техноëоãии
проäоëжаþт расøирятüся и все
боëüøе спеöиаëизироватüся. Приìенение СИП ìожно найти в таких
сферах, как контроëü ка÷ества проäуктов питания [2], анаëити÷еской
хиìии [3], ìеäиöинской äиаãностике, наприìер в неонатоëоãии [4], и
так äаëее, впëотü äо ìониторинãа
ка÷ества öеìента [5].
Перекëþ÷ение поëярности испоëüзуется в приборах IMS äëя ìиниìизаöии требуеìых коìпонентов
при сохранении работы как в поëожитеëüноì, так и в отриöатеëüноì
режиìах [6—9]. Оäнако в IMS с перекëþ÷ениеì поëярности существует пробëеìа переãрузки усиëитеëя. С изìенениеì äрейфовоãо напряжения на защитной реøетке от
–100 äо +100 В за 10 ìс (обнаружение отриöатеëüных и поëожитеëüных ионов соответственно) äетектор реãистрирует ток, в 250 раз
превыøаþщий ток анаëита. В резуëüтате äетектор не ìожет изìерятü ионный ток в те÷ение приìерно 2 с.
Данная работа посвящена разработке эëектри÷ескоãо ìоäеëирования в проãраììе LTspice IV äëя
созäания перехоäных усиëитеëей.
Проãраììа LTspice явëяется беспëатной и оäной из наибоëее распространенных проãраìì-сиìуëяторов анаëоãовых эëектронных схеì.
Данный проãраììный проäукт быë
разработан аìериканскиì произвоäитеëеì ìикросхеì Linear Technology и в настоящее вреìя поääерживается коìпанией Analog Devices.
Сиìуëятор оперирует базовыìи
эëектронныìи коìпонентаìи, как
“÷ерныìи ящикаìи”, управëяеìыìи ìатеìати÷ескиìи форìуëаìи.
Он позвоëяет провоäитü поäробный
анаëиз разработанной схеìы с изìенениеì øаãовых параìетров.
Коэффиöиент
пропускания
трансиìпеäансноãо усиëитеëя выражается как отноøение выхоäноãо
напряжения к вхоäноìу току и поэтоìу иìеет разìер сопротивëения.
Необхоäиìо разработатü усиëитеëü
(ионный преобразоватеëü тока) со
зна÷ениеì коэффиöиента переäа÷и
окоëо 5 ГОì и ìаëыì вхоäныì иìпеäансоì.
К проектируеìоìу усиëитеëþ
выäвиãается требование ëинейности с характеристикой аìпëитуäноãо
искажения не боëее 10 % äëя иìпуëüса äëитеëüностüþ 0,5 ìс вхоäноãо типи÷ноãо сиãнаëа ãауссовой
форìы. Фазовой характеристикой
разработанноãо ионноãо преобразоватеëя тока явëяется сäвиã по вреìени выхоäноãо сиãнаëа.
Дëя вхоäноãо иìпуëüса äëитеëüностüþ боëее 0,5 ìс сäвиã по вреìени не äоëжен превыøатü 200 ìкс,
при этоì äëя иìпуëüсов ãауссовой
форìы с øириной на поëовине высоты в äиапазоне (1...5) ìс äисперсия по вреìени заäержки äоëжна
бытü ìиниìаëüной. Аìпëитуäа реверсирования не äоëжна превыøатü
10 % äëя иìпуëüсов с крутыì фронтоì (прибëизитеëüно 10 ìкс).
Преобразоватеëü тока в со÷етании с анаëоãо-öифровыì преобразоватеëеì образует систеìу оöифровки ионноãо тока. Требование к
разряäке этой систеìы составëяет
65 535 квантов, т. е. 16 бит. Необхоäиìыì свойствоì разработанноãо
усиëитеëя явëяется бипоëярностü,
т. е. возìожностü отработки иìпуëüсов ионноãо тока как поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности. Уровенü øуìа äëя äанной систеìы äоëжен составëятü не
боëее 50 квантов.
У÷итывая все выøеописанные
требования, выпоëниì сëеäуþщие
заäа÷и в раìках äанной работы:
— разработатü ìоäеëи разëи÷ных вариантов схеìы усиëитеëя
ионноãо тока в CAD-проãраììе äëя
äостижения ìиниìаëüноãо искажения сиãнаëа;
— протестироватü разработанный усиëитеëü, проäеìонстрироватü
способностü изìерятü иìпуëüсные
ионные токи в пикоаìперноì äиапазоне.
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ
ИОННОГО ТОКА БИПОЛЯРНОГО
ТРАНСИМПЕДАНСА
В ìоìент сìены поëярности
изìенение напряжения защитной
сети привоäит к сиëüной переãрузке
усиëитеëя. С÷итая, ÷то вреìя перекëþ÷ения Δt составëяет 10 ìс и разностü напряжений ΔU = 200 В, то
ìожно расс÷итатü скоростü перекëþ÷ения:
∂-----U- = 2•104
B/c.
∂t
(1)
Еìкостü C ìежäу коëëектороì
и защитной реøеткой равна 0,5 пФ,
поэтоìу ìожно вы÷исëитü паразитный навоäиìый ток по форìуëе:
U- = 0,5•10
I = C ∂-----∂t
–12
=
4
= 2•10 = 10 нА.
(2)
Так как характерный заряä ионноãо кëастера Q = 0,48 пКë, а характерное вреìя поãëощения Δt = 12 ìс,
то ìожно оöенитü среäний ток ионноãо спектра в виäе:
0,48 пКë- = 10 пА.
I= Q
---- = -----------------------∂t
12 ìс
(3)
Рас÷еты показываþт, ÷то ток,
инäуöируеìый коììутируеìыì напряжениеì 200 В/10 ìс в 250 раз
превыøает ток спектра! В резуëüтате в те÷ение приìерно 2 с усиëитеëü
не ìожет изìерятü ионный ток.
Дëя выхоäа усиëитеëя из режиìа насыщения необхоäиìо äëитеëüное вреìя, а это не позвоëяет
попереìенно обнаруживатü отриöатеëüные и поëожитеëüные ионы.
В öеëях защиты усиëитеëя ионноãо тока от еìкостноãо поãëощения
при перекëþ÷ении высокоãо напряжения быëа разработана схеìа
усиëитеëя с управëяþщиì сиãнаëоì Вкë/Выкë, откëþ÷аþщиì усиëитеëü в ìоìент перекëþ÷ения поëярности (рис. 1).
Датчики и Системы · № 3.2023
55
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
8
ON/OFF
11
Вхоä
–
+
15
6
Выхоä
ON/OFF
5
7
–
1
10
13
–
+
2
12
14
16
3
+
4
9
Рис. 1. Схема управления усилителем с
опциональным сигналом выключения
Вкл/Выкл
Описанное реøение своäит к
ìиниìуìу вероятностü переãрузки
усиëитеëя и вхоäа в режиì насыщения при перекëþ÷ении поëярности
äетектирования ионов. Оäнако оно
иìеет неäостаток, связанный с переäа÷ей заряäа ÷ерез öепü управëения, ÷то вëияет на выхоäной сиãнаë
устройства преобразования ионноãо тока.
Чтобы обойти эту пробëеìу, на
интеãрируþщеì каскаäноì вхоäе
быë испоëüзован управëяеìый пикоаìпераìи ãенератор тока. Заäа÷а
состояëа в тоì, ÷тобы коìпенсироватü сìещение напряжения на
выхоäе интеãрируþщеãо транзисторноãо эëеìента. Интеãраöионный
эëеìент перехоäных проöессов, явëяþщийся резуëüтатоì интеãраöии
еìкостноãо заряäа приеìника, ìиниìизироваë переäа÷у заряäа ÷ерез
öепü управëения и оптиìизироваë
äинаìи÷еский äиапазон äëя повыøения то÷ности и наäежности изìерений. Схеìа реøения показана
на рис. 2.
Друãое реøение состоит в äопоëнении ãенератора сëеäуþщиìи
ìоäуëяìи: оптронной развязкой
öепей управëения, операöионныì
усиëитеëеì и ãаëüвани÷еской оптронной развязкой с автоìати÷ескиì управëениеì по схеìе обратной связи. При этоì ãенератор управëяется öепяìи, обеспе÷иваþщиìи äва режиìа работы интеãрируþщеãо каскаäа: режиìоì на÷аëüной
56
Рис. 2. Устройство преобразования ионного тока биполярного спектрометра ионной
подвижности с генератором пикоамперного тока:
1 — коëëекторный эëектроä; 2 — защитная сетка; 3 — бëок АЦП; 4 — управëяеìый
пикоаìпероãенератор; 5 — вхоä; 6 — интеãрируþщий каскаä; 7 — операöионный
усиëитеëü; 8 — запоìинаþщий конäенсатор в öепи обратной связи; 9 — öепи управëения; 10 — выхоä; 11 — трансиìпеäансный ионный преобразоватеëü тока; 12 —
äифференöируþщий каскаä; 13 — вхоäной конäенсатор; 14 — операöионный усиëитеëü; 15 — резистор в öепи обратной связи; 16 — выхоä
8
6
11
5
27
12
15
25
–
7
10
+
1
13
25
2
26
28
18
–
14
16
+
3
29
4
20
21
35
30
34
32
23
24
17
19
31
33
22
9
Рис. 3. Способ реализации преобразователя ионного тока двухполярного спектрометра ионной подвижности с генератором пикоамперного тока и оптронной развязкой
контура управления:
1 — эëектроä коëëектора; 2 — защитная сетка; 3 — бëок АЦП; 4 — управëяеìый пикоаìперный ãенератор; 5 — вхоä; 6 — интеãрируþщий каскаä; 7, 14 — операöионные усиëитеëи; 8 — накопитеëüный конäенсатор в öепи обратной связи; 9 — контур
управëения; 10, 16 — выхоäы; 11 — преобразоватеëü транзитноãо ионноãо тока;
12 — äифференöируþщий каскаä, 13 — вхоäной конäенсатор, 15 — резистор в контуре обратной связи; 17 — ãаëüвани÷еская оптронная развязка; 18, 25 — бëоки питания; 19, 22 — øиротно-ìоäуëированные иìпуëüсы; 20, 23 — оптроны; 21, 24 —
бипоëярные транзисторы p—n—p (21) и n—p—n (24); 26, 28—30, 32, 34 — резисторы;
28, 29 — äеëитеëü напряжения; 27, 31, 33, 35 — конäенсаторы
Sensors & Systems · № 3.2023
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
установки и режиìоì работы преобразоватеëя перехоäных проöессов.
В интеãраöионный каскаä ввеäен операöионный усиëитеëü с накопитеëüныì конäенсатороì в öепи обратной связи. Достиãнут коэффиöиент преобразования перехоäных проöессов, равный 5 ГОì,
сохраняþщий требуеìуþ ëинейностü переäато÷ных характеристик
и своäящий к ìиниìуìу искажение
аìпëитуäы и форìы сиãнаëа. Данное реøение преäставëено на рис. 3.
Сëеäуþщее реøение также основано на преобразоватеëе ионноãо тока бипоëярноãо спектроìетра
ионной поäвижности с ãенератороì
пикоаìперноãо тока. Дëя äостижения требуеìых параìетров усиëитеëü выпоëнен из äвух каскаäов.
Первый каскаä äействует, как преäусиëитеëü и преобразует сëабый
вхоäной ток поряäка (10...100) пА в
напряжение, т. е. явëяется интеãрируþщиì звеноì. Второй каскаä —
äифференöируþщий. Он форìирует выхоäное напряжение пропорöионаëüно скорости изìенения вхоäноãо напряжения. Такиì образоì,
усиëитеëü преäставëяет собой преобразоватеëü трансиìпеäанса с напряжениеì выхоäноãо сиãнаëа в
äиапазоне от 0 äо 5 В. Схеìа äанноãо реøения показана на рис. 4.
Реøение быëо протестировано
в среäе LTspice IV. На рис. 5 привеäены вреìенные äиаãраììы преобразования вхоäноãо тока в выхоäное напряжение трансиìпеäансноãо усиëитеëя. Вхоäной ток преäставëяет собой иìпуëüс ионноãо тока,
поëу÷аеìый в ìоìент äостижения
ионаìи коëëектора.
Как виäно, форìа выхоäноãо
сиãнаëа о÷енü бëизка к форìе вхоäноãо. Оäнако на коротких по вреìени иìпуëüсах набëþäается искажение. Дëя тоãо ÷тобы расøиритü поëосу пропускания, ìожно поäобратü оптиìаëüнуþ еìкостü обратной связи, ÷то ìожно сäеëатü путеì
поäбора разëи÷ных зна÷ений еìкости С1 в упрощенной эëектри÷еской схеìе трансиìпеäансноãо усиëитеëя, проìоäеëированной в про-
8
27
6
11
12
15
25
5
7
10
13
26
18
1
25
2
14
28
16
3
29
25
36
25
20
21
40
4
35
34
37
23
41
17
24
38
39
Рис. 4. Способ реализации преобразователя ионного тока с управлением посредством
цепи обратной связи с операционным усилителем и оптронной развязкой:
36 — операöионный усиëитеëü; 34, 38—40 — резисторы; 28, 29 — äеëитеëü напряжения; 38, 39 — äеëитеëü сопротивëения; 17 — ãаëüвани÷еский оптронный соеäинитеëüный вхоä; 18, 25 — бëоки питания; 20, 23 — оптроны; 21 — бипоëярный
p—n—p-транзистор, 24 — бипоëярный n-p—n транзистор, 27, 35 — конäенсаторы,
37 — уровенü напряжения, 41 — öифровой кëþ÷; остаëüные обозна÷ения сì. на рис. 3
Uвых, В
1,0
Iвх, пА
800
0,9
720
0,8
0,7
0,6
640
Вхоäной
ток
Выхоäное
напряжение
560
480
0,5
400
0,4
320
0,3
240
0,2
160
0,1
0,0
80
0
2
4
6
8
10
12
0
14 t, ìс
Рис. 5. Графики, полученные в программе LTspice IV для выходного напряжения и
входного тока
Датчики и Системы · № 3.2023
57
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
С1
R5
I = 0,3e – 9*exp(–11,09*V(Source2)*V(Source2)
B1
B2
B3
1e8
+ +
– –
E1
–100000
I = 0,5e – 9*exp(–11,09*V(Source1)*V(Source1)
I = 0,7e – 9*exp(–11,09*V(Source3)*V(Source3)
PULSE (–1 0 6m 0,5m 0,5m 0u 0 1)
Source2
Source2
Source3
+
–
V1
R4
2000 k
+
–
V1
R3
2000 k
+
–
V2
R1
2000 k
PULSE (–1 0 5m 1m 1m 0u 0 1) PULSE (–1 0 10m 1m 1m 0u 0 1)
.tran 0 15m 0m startup
Рис. 6. Модель трансимпедансного усилителя для подбора номинала емкости в цепи
обратной связи в программе LT Spice IV
Uвых, ìВ
70
Iвх, пА
800
63
720
56
640
49
560
42
480
35
400
320
28
21
240
4
14
7
160
3
1
2
80
0
0
4,5
5,4
6,3
7,2
8,1
9,0
9,9
10,8
11,7
12,6
13,5
14,5 t, ìс
Рис. 7. Результаты выходных напряжений и тока для различных емкостей в программе LT Spice IV:
1 — Iвх = I(B1) + I(B2) + I(B3); 2 — Uвых (С1 = 1 пФ); 3 — Uвых (С1 = 2 пФ); 4 —
Uвых (С1 = 5 пФ)
а)
б)
Рис. 8. Конструкция усилителя:
а — общий виä; б — разрез в обëасти защитной ìетаëëизаöии
58
Sensors & Systems · № 3.2023
ãраììе LT Spice IV (рис. 6). Выбереì в ка÷естве зна÷ений еìкости С1:
1 пФ, 2 пФ, 5 пФ. При этих зна÷ениях на выхоäе трансиìпеäансноãо
усиëитеëя поëу÷аþтся напряжения
V1, V2, V3 соответственно (рис. 7).
Резуëüтаты тестирования разëи÷ных еìкостей преäставëены на
рис. 7.
Еìкостное сопротивëение в
преäставëенноì реøении выбираëосü äëя поëу÷ения наибоëее зна÷итеëüной øирины поëосы переäа÷и при сохранении стабиëüности
öепи. При испоëüзовании еìкости
С1 с ноìинаëоì 5 пФ, набëþäается
саìое сëабое усиëение и естü искажение форìы сиãнаëа. Есëи испоëüзоватü конäенсатор С1 с ноìинаëоì 1 пФ, то несìотря на то ÷то
на ãрафике усиëение и уровенü øуìа сиãнаëа уäовëетворяþт форìаëüныì требованияì, но на практике
при испоëüзовании конäенсатора с
неäостато÷ныì ноìинаëоì наруøаþтся усëовия стабиëüности, и ìожет появëятüся “звон” схеìы [10].
Поэтоìу в ка÷естве оптиìаëüноãо
ноìинаëа выбрано зна÷ение 2 пФ.
Как показаëо ìоäеëирование, разработанная схеìа работоспособна.
КОНСТРУИРОВАНИЕ
УСИЛИТЕЛЯ
Резуëüтаты ìоäеëирования быëи у÷тены при разработке конструкöии усиëитеëя, реаëизованной
на пе÷атной пëате (рис. 8).
Пëата иìеет ìонтажные отверстия äëя крепëения внутри прибора
и äëя соеäинения с äрейфовой каìерой. Усиëитеëü äоëжен бытü хороøо зафиксирован äëя поäавëения
ìехани÷еских вибраöий. Поäкëþ÷ение реаëизовано 14-пиновыì øтыревыì разъеìоì типа PLD-14R, по
котороìу поäвоäятся сиãнаëы синхронизаöии от контроëëера спектроìетрии, äанные станäарта SPI,
сиãнаë Вкë/Выкë при работе в режиìе перекëþ÷ения поëярности,
напряжение питания и зеìëя.
Так как веëи÷ина аìпëитуäы
поступаþщеãо на äетектируþщий
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
узеë ионноãо тока коëебëется в проìежутке (10... 100) пА, то ÷ерез ìатериаë стекëотекстоëита пëаты ìоãут проникатü навоäки. Чтобы ìиниìизироватü этот эффект, на пëате
выпоëнены прорези с покрытыìи
ìетаëëизаöией торöаìи (рис. 8, б).
Первый, преобразуþщий, каскаä
усиëитеëя нахоäится поä ìетаëëи÷ескиì экраноì. Также äëя äопоëнитеëüной экранизаöии с торöов иìеþтся перехоäные отверстия.
В обëасти второãо, преäусиëитеëüноãо, каскаäа поäобные отверстия
отсутствуþт. Поä эëектронныìи
эëеìентаìи выпоëнен поëиãон
спëоøной ìетаëëизаöии. В проöессе трассировки äëины всех токовеäущих трасс быëи ìиниìизированы.
Испоëüзуеìый в реаëизаöии äанной
конструкöии поäхоä способствоваë
существенноìу повыøениþ поìехозащищенности.
ВЫВОДЫ
Разработана схеìа и конструкöия усиëитеëя, позвоëяþщая реãистрироватü сиãнаë ионноãо тока в
спектроìетри÷ескоì канаëе спектроìетра ионной поäвижности с
быстрыì перекëþ÷ениеì поëярности äрейфовоãо поëя.
Управëяеìый ãенератор пиковоãо аìперноãо тока иìеет ìиниìаëüнуþ переäа÷у заряäа по öепи
управëения, позвоëяет коìпенсироватü напряжение сìещения на выхоäе усиëитеëя, а также расøиритü
äинаìи÷еский äиапазон.
Форìа пиковых аìперных иìпуëüсных сиãнаëов, иìитируþщая
реаëüный спектр в проöессе тестирования, показаëа, ÷то характеристики усиëитеëя соответствуþт сëеäуþщиì требованияì:
усиëитеëü преäставëяет собой
трансиìпеäансный преобразоватеëü с напряжениеì выхоä-
ноãо сиãнаëа в äиапазоне от 0
äо 5 В;
преобразуется сëабый вхоäной
ток
веëи÷иной
поряäка
(10...100) пА в напряжение;
обеспе÷ена наибоëüøая поëоса
пропускания усиëитеëя с сохранениеì устой÷ивости схеìы;
4.
5.
äостиãнут коэффиöиент переäа÷и 5 ГОì и ìаëый вхоäной
иìпеäанс;
ëинейностü с характеристикой
аìпëитуäноãо искажения не боëее 10 % äëя иìпуëüса вхоäноãо
сиãнаëа ãауссовой форìы äëитеëüностüþ 0,5 ìс;
обеспе÷ена бипоëярностü усиëитеëя, т. е. возìожностü обработки иìпуëüсов ионноãо тока
как поëожитеëüной, так и отриöатеëüной поëярности;
уровенü øуìа от преобразования сиãнаëа составëяет не боëее
50 квантов;
разработанное реøение позвоëяет избежатü переãрузки усиëитеëя и вхоäа в режиì насыщения при перекëþ÷ении поëярности äетектируеìых ионов.
ЛИТЕРАТУРА
6.
7.
8.
9.
1. Eiceman G. A., Kapras Z., Hill H. H. Jr.
rd
Ion Mobility Spectrometry. 3
ed.
USA, FL: Taylor&Francis, Boca Raton, CRC Press. — 2014. — Р. 5.
2. Te B. E., Arrizabalaga-Larrañaga A.,
Blokland M. H. Insights of ion mobility
spectrometry and its application on food
safety and authenticity: A review // Anal
Chim Acta. — 2022. — № 1222. —
Р. 340039.
—
DOI:
10.1016/
j.aca.2022.340039.
3. Moravský L., Borkhari A. F., Adamov A. Y., et al. Negative Atmospheric
Pressure Chemical Ionization of Chlorinated Hydrocarbons Studied by Ion
Mobility Spectrometry (IMS) and IMSMS Techniques // J. Am Soc Mass
Spectrom. — 2022 — № 33 (8). —
10.
Р. 1569—1576. — DOI: 10.1021/jasms.2c00139.
Bous M., Tutdibi E., Nourkami-Tutdibi N., et al. Patterns of volatile organic compounds in excrements of
preterm neonates. // Eur J Clin Invest. — 2023. № 53 (1). Р. 13868.
DOI: 10.1111/eci.13868.
Marko M., Hrubý P., Janča M., et al.
Monitoring of Ion Mobility in the Cement Matrix to Establish Sensitivity to
the ASR Caused by External Sources //
Materials (Basel). — 2022. — № 15
(14). — Р. 4730. — DOI: 10.3390/
ma15144730.
Li ppmann, M., Kirk, A. T., Hitzemann, M., et al. IMS Instrumentation
I: Isolated data acquisition for ion mobility spectrometers with grounded ion
sources // Int. J. Ion Mobil. Spec. 23,
69—74 (2020). DOI: 10.1007/s12127020-00260-5.
Bohnhorst A., Kirk A. T., Yin Y., Zimmermann S. Ion fragmentation and filtering by alpha function in ion mobility spectrometry for improved compound differentiation // Anal. Chem. —
2019. — № 91 (14). — P. 8941—8947.
Zhou Q., Peng L., Jiang D., et al. Detection of nitro-based and peroxidebased explosives by fast polarityswitchable ion mobility spectrometer
with ion focusing in vicinity of Faraday detector // Sci. Rep. — 2015. —
№ 5. — Р. 10659. — DOI: 10.1038/
srep10659. PMID:26021282; PMCID:
PMC4448110.
Li L., Gu H., Lv Y., et al. Ultra-Fast
Polarity Switching, Non-Radioactive
Drift Tube for the Miniaturization of
Drift-Time Ion Mobility Spectrometer // Sensors (Basel). — 2022. —
№ 13. — P. 4866. — DOI: 10.3390/
s22134866. PMID: 35808362; PMCID: PMC9269308.
Вестерман Д. Приìенение трансиìпеäансных усиëитеëей // Эëектронные коìпоненты. — 2008. — № 3. —
С. 53—55. [Vesterman D. Application
of transimpedance amplifiers // Electronic components. — 2008. — N 3. —
P. 53—55. (In Russian)]
Поступила в редакцию 16.03.2023
После доработки 16.03.2023
Принята к публикации 11.04.2023
Датчики и Системы · № 3.2023
59
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
3. Voronov Y., Kovalenko A., Nikiforova M., et al. Gas Sensors
Based on Microtechnology and MEMS Platforms // Advanced
Material and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors
and Actuators. NATO Advanced Research Workshop, NanoDSA’2009, St Petersburg, Russia, June 29—July2, 2009. —
P. 57.
4. Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies. By Markku Tilli. — 2010.
5. Тимошенков С. П., Рубиц В. Г. Моäеëирование проöесса
преöизионноãо травëения вибраöионной систеìы äат÷ика
уãëовой скорости // Микросистеìная техника. — 2002. —
№ 3. — С. 3. [Timoshenkov S. P., Rubitz V. G. Simulation of
the process of precision etching of the vibration system of the
angular velocity sensor // Microsystem technology. — 2002. —
N 3. — P. 3. (In Russian)]
6. Мухамадеев Р. А., Данилина Т. И. Моäеëирование проöессов травëения ìикро- и наноструктур с испоëüзованиеì
проãраììноãо ìоäуëя “NEMO etching” // Докëаäы Тоìскоãо ãосуäарственноãо университета систеì управëения
и раäиоэëектроники. — 2014. — № 1. — С. 95. [Mukhamadeev R. A., Danilina T. I. Simulation of etching processes of
micro- and nanostructures using the NEMO etching software
module // Reports of the Tomsk State University of Control
Systems and Radioelectronics. — 2014. — N 1. — P. 95.
(In Russian)]
7. Kochurina E. S., Anchutin S. A., Kalugin V. V., et al. Development of a sensitive element of a micromechanical accelerometer // Russian Microelectronics. — 2022. — Vol. 51, № 7. —
P. 606—610.
8. Veselov D. S. Fabrication and properties study of the dielectric
membranes used as constructive basis for sensitive elements of
gas sensors // Applied Mechanics and Materials. — 2015. —
Vol. 799-800. — P. 994.
9. Sukhoroslova Yu. V., Veselov D. S., Voronov Yu. A. Automated
unit of the chemical wet etching // IOP Conference Series:
Materials Science and Engineering. — 2019. — Vol. 475. —
Рaper № 012005.
10. Емельянов В. В. Повыøение сеëективности травëения
нитриäа креìния к äиоксиäу креìния субìикронных интеãраëüных схеì // Известия Гоìеëüскоãо ãосуäарственноãо университета иìени Ф. Скорины. — 2022. — № 6
(135). — С. 114—117. [Emelyanov V. V. Improving the selectivity of silicon nitride to silicon dioxide etching of submicron
integrated circuits // Proceedings of the Gomel state university
named after F. Skorina. — 2022. — № 6 (135). —
Р. 114—117. (In Russian)].
Поступила в редакцию 16.03.2023
После доработки 16.03.2023
Принята к публикации 11.04.2023
К содержанию
УДК 681.785.235:661.72
DOI: 10.25728/datsys.2023.3.13
ИССЛЕДОВАНИЕ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ПРЕДЕЛЬНЫХ
ОДНОАТОМНЫХ СПИРТОВ МЕТОДОМ СПЕКТРОМЕТРИИ
ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
INVESTIGATION OF TRACE AMOUNTS OF MONOBASIC SATURATED
ALCOHOLS BY THE ION MOBILITY SPECTROMETRY METHOD
1)
Курбанова Джамиля М.
магистрант
E-mail: kurbanova25196045@mail.ru
1)
1)
Баберкина Елена Петровна
канд. хим. наук, доцент
E-mail: bettycka@mail.ru
1)
1)
Гришин Сергей Сергеевич
аспирант
E-mail: grishin.s.s@muctr.ru
1)
1)
Александрова Дарья Алексеевна
аспирант
E-mail: aleksandrova.d.a@muctr.ru
1)
1)
1)
Коваленко Алексей Евгеньевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail:kovalenko.a.ev@muctr.ru
64
Sensors & Systems · № 3.2023
Kurbanova Jamilya M.
Undergraduate
E-mail: kurbanova25196045@mail.ru
Baberkina Elena P.
Ph. D. (Chem.), Associate Professor
E-mail: bettycka@mail.ru
Grishin Sergei S.
Post Graduate Student
E-mail: grishin.s.s@muctr.ru
Aleksandrova Daria A.
Post Graduate Student
E-mail: aleksandrova.d.a@muctr.ru
Kovalenko AlexeyE.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail:kovalenko.a.ev@muctr.ru
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
2)
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
2)
2)
Шалтаева Юлия Ринатовна
старший преподаватель
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
2)
3)
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук.
E-mail: avgolovin@bk.ru
3)
1)
Российский химико-технологический
университет имени Д. И. Менделеева, Москва
1)
2)
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
2)
3)
Институт физической химии и электрохимии
им. А. Н. Фрумкина РАН, Москва
3)
Аннотация: Рассìотрен характер спектра ионной поäвижности ãоìоëоãи÷ескоãо ряäа преäеëüных оäноатоìных спиртов в
режиìах поëожитеëüной и отриöатеëüной ионизаöии. Дëя
кажäоãо режиìа установëен ряä реãистрируеìых спиртов и
зна÷ение привеäенной ионной поäвижности характерноãо
сиãнаëа спиртов. Выявëено отсутствие зависиìости ионной
поäвижности иссëеäованных спиртов от ìоëярной ìассы.
Abstract: The character of the ion mobility spectrum of the homologous series of monobasic saturated alcohols in the modes of positive and negative ionization is considered. A number of recorded alcohols and the value of the reduced ion mobility of the characteristic
alcohols signal was established for each mode. It is stated that the
absence of the dependence of the ionic mobility of the studied alcohols on the molar mass.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности, характеристи÷еский сиãнаë, протонирование, преäеëüные оäноатоìные спирты этаноë, пропаноë и изопропаноë, бутаноë и
изобутаноë.
Keywords: ion mobility spectrometry, characteristic signal, protonation, monobasic saturated alcohols, ethanol, propanol and isopropanol, butanol and isobutanol.
ВВЕДЕНИЕ
Спектроìетрия ионной поäвижности (СИП) явëяется совреìенныì ìетоäоì анаëиза состава
ãазовых среä на присутствие ìноãоатоìных хиìи÷еских соеäинений
ìаëых конöентраöий (∼ bpm) [1—3].
Cпектроìетры ионной поäвижности приìеняþтся äëя иäентификаöии оãрани÷енноãо ряäа веществ с
известныìи зна÷енияìи ионной
поäвижности. Поэтоìу с поìощüþ
СИП провоäятся иссëеäования по
установëениþ характера спектра
ионной поäвижности в зависиìости от основноãо структурноãо фраãìента ìоëекуë иссëеäуеìых соеäинений и от присутствия в них тех
иëи иных функöионаëüных ãрупп.
Цеëü äанной работы закëþ÷ается в опреäеëении возìожности äетектирования сëеäовых коëи÷еств
преäеëüных оäноатоìных спиртов
на спектроìетре ионной поäвиж-
Belyakov Vladimir V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: vvbelyakov@mephi.ru
Shaltaeva Yulia S.
Senior Lecturer
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.)
E-mail: avgolovin@bk.ru
Russian University of Chemical Technology
after D. I. Mendeleev, Moscow
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
Institute of Physical Chemistry
and Electrochemistry of RAS, Moscow
ности, в ÷астности на ионно-äрейфовоì äетекторе (ИДД) “КЕРБЕР”.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Метоä СИП основан на разäеëении ионов веществ по их поäвижности во вреìя äвижения в äрейфовой каìере в постоянноì эëектри÷ескоì поëе. При работе прибора в
каìере ионизаöии образуþтся поëожитеëüно и отриöатеëüно заряженные ионы окружаþщеãо возäуха
(реактант-ионы), конöентраöия которых существенно превыøает конöентраöиþ äетектируеìых веществ.
Даëее реактант-ионы в резуëüтате
хиìи÷еской реакöии с ìоëекуëаìи
анаëизируеìых веществ переäаþт
иì свой заряä и образуþт ионы анаëизируеìых веществ, которые äаëее
перевоäятся в каìеру äрейфа. Ионизированные ìоëекуëы разных веществ иìеþт разнуþ скоростü äви-
жения в äрейфовой каìере в постоянноì эëектри÷ескоì поëе в зависиìости от их заряäа, ìассы и разìера (рис. 1). Скорости äвижения
ионов разной форìы отëи÷аþтся
из-за тоãо, ÷то ионы äрейфуþт с
разной аэроäинаìикой в противотоке атìосферноãо возäуха, о÷ищенноãо в ìоëекуëярных ситах.
Моëекуëярные ионы разных
соеäинений отëи÷аþтся вреìенеì
поступëения на коëëектор, ÷то позвоëяет опреäеëитü их прироäу [1].
Это вреìя пропорöионаëüно äëине
äрейфовой каìеры L, сì и обратно
пропорöионаëüно напряженности
эëектри÷ескоãо поëя E:
1- • L
τd = ------ ,
K E
ãäе K — коэффиöиент поäвижно2
–1
–1
сти, [сì •В •с ]. Дëя тоãо ÷тобы
ìожно быëо сравниватü зна÷ения
ионной поäвижности, поëу÷енные
Датчики и Системы · № 3.2023
65
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
Систеìа
пробозабора
Каìера
ионизаöии
Каìера
äрейфа
Детектируþщий
узеë
Аккуìуëятор
в разных усëовиях, зна÷ение K привоäят к норìаëüныì усëовияì:
Kp 273
K0 = --------- • --------- ,
T
760
Ε
Сìесü
ионов
Боëее тяжеëые
ионы
Боëее ëеãкие
ионы
Бëок с ìоëекуëярныìи
ситаìи
Рис. 1. Конструктивная схема спектрометра ионной подвижности
7000
Фон
Этаноë
Пропаноë-1
Бутаноë-1
Пентаноë-1
Гексаноë-1
Бензиëовый спирт
Ионный ток, еä. АЦП
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20
30
40
50
Вреìя äрейфа, ìс
60
Рис. 2. Сравнительная ионограмма ряда спиртов в режиме положительной ионизации
5000
Этаноë
Пропаноë-1
Ионный ток, еä. АЦП
4000
Бутаноë-1
Пентаноë-1
Гексаноë-1
Бензиëовый спирт
3000
2000
1000
0
20
25
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
40
Рис. 3. Обработанные ионограммы ряда спиртов в режиме положительной ионизации
66
Sensors & Systems · № 3.2023
ãäе T — теìпература, [К], и p — äавëение, [ìì рт. ст.], в ãазовой атìосфере, в которой äвижутся ионы; K0
называется привеäенной поäвижностüþ (иëи привеäенныì коэффиöиентоì поäвижности).
Ранее спирты иссëеäоваëисü в
режиìе поëожитеëüной ионизаöии.
Дëя нас особый интерес преäставëяëи резуëüтаты, изëоженные в статüе [4], поскоëüку в этой работе испоëüзоваëся спектроìетр ионной
поäвижности, анаëоãи÷ный ИДД
“Кербер”. Авторы статüи утвержäаþт, ÷то:
— ионная поäвижностü спиртов уìенüøается с ростоì ìоëярной ìассы, ÷то они объясняþт ростоì эффективноãо се÷ения стоëкновений;
— ионная поäвижностü спиртов
разëи÷на äëя изоìеров;
— в спектрах ионной поäвижности спиртов ìожно набëþäатü
сиãнаëы, обусëовëенные проöессаìи äиìеризаöии в каìере äрейфа.
Мы также иссëеäоваëи ряä
спиртов от этаноëа äо ãексаноëа и
бензиëовоãо спирта в режиìе поëожитеëüной ионизаöии. В резуëüтате
провеäенных иссëеäований вывоäы
преäыäущих работ, провоäиìых в
режиìе поëожитеëüной ионизаöии,
поäтвержäены не быëи. Так, провеäенные экспериìенты показаëи
сëеäуþщее.
Ионная поäвижностü спиртов
не зависит от ìоëярной ìассы.
В спектрах изу÷енных спиртов
(рисунки 2 и 3) набëþäаëся
оäин устой÷ивый иäентификаöионный сиãнаë зна÷ения привеäенной ионной поäвижности,
которой ëежит в узкоì интерва2
–1
–1
ëе K0 = 2,04 – 2,06 сì •В •с .
Ионная поäвижностü изоìерных спиртов на рисунках 4, 5
практи÷ески не разëи÷ается.
Пропаноë и изопропаноë, бутаноë и изобутаноë äаваëи оäин
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
Мы провоäиëи квантово-хиìи÷еские рас÷еты поëуэìпири÷ескиì
ìетоäоì PM3 энтаëüпии образования и äипоëüных ìоìентов прото-
6000
Фон
Ионный ток, еä. АЦП
5000
Этаноë
Пропаноë-1
Пропаноë-2
Бутаноë-1
2-ìетиë-пропаноë-1
4000
3000
2000
1000
0
20
30
40
50
Вреìя äрейфа, ìс
60
Рис. 4. Сравнительная ионограмма этанола, пропанола-1, пропанола-2, бутанола-1,
2-метил-пропанола-1
3000
2500
Ионный ток, еä. АЦП
сиãнаë при разных конöентраöиях, на которых ìы провоäиëи
изìерения.
Сиãнаëы, которые ìоãут соответствоватü образованиþ äиìерных структур, появëяþтся тоëüко при повыøенной теìпературе ввоäа образöа, т. е. при боëüøей конöентраöии иссëеäуеìоãо соеäинения в каìере äрейфа,
приìеры привеäены на рисунках 6, 7.
Реактант-ион в режиìе поëожитеëüной ионизаöии — протонированный ион ãиäроксония. Наëи÷ие характерноãо äëя всех проанаëизированных спиртов пика ìожно объяснитü теì, ÷то в обëасти
поëожитеëüной ионизаöии наибоëее вероятно протонирование по
OH-ãруппе. Появëение пиков при
увеëи÷ении теìпературы ввоäа образöа ìожет сëужитü сиãнаëоì тоãо,
÷то в äрейфовой каìере протекаþт
проöессы ассоöиаöии ионизированных ìоëекуë спиртов, привоäящие
к образованиþ äиìерных структур.
Пропаноë-1
Пропаноë-2
Бутаноë-1
2-ìетиë-пропаноë-1
2000
1500
1000
500
0
Таблица 1
Результаты квантово-химических
расчетов
Вещество
Этаноë
Пропаноë-1
Пропаноë-2
Бутаноë-1
2-ìетиë-пропаноë-1
Пентаноë-1
Гексаноë-1
Бензиëовый
спирт
Энтаëüпия
образования,
ккаë/ìоëü
Дипоëüный ìоìент, D
143,74
138,67
130,81
132,92
130,1
3,346
5,971
2,841
8,540
5,965
127,37
121,86
168,78
11,224
14,128
6,288
20
25
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
40
Рис. 5. Обработанная сравнительная ионограмма пропанола-1, пропанола-2, бутанола-1, 2-метил-пропанола-1
нированных ìоëекуë. Дëя иссëеäованноãо ряäа спиртов зна÷ения этих
характеристик разëи÷ны, сëеäоватеëüно, они не оказываþт вëияния
на ионнуþ поäвижностü (табë. 1).
Можно преäпоëожитü, ÷то на
поäвижностü оказывает вëияние общий объеì ìоëекуëярноãо иона. Вероятно, в иссëеäуеìоì ряäу спиртов общий объеì изìеняется незна÷итеëüно, в тоì ÷исëе и за с÷ет
отëи÷ия конфиãураöии аëкиëüноãо
у÷астка от обы÷ной зиãзаãообразной. Дëинная уãëероäная öепü конфорìируется, скру÷ивается и приобретает форìу сферы.
Поскоëüку спирты способны
поäверãатüся äепротонированиþ,
ìы также провоäиëи иссëеäование
спиртов в режиìе отриöатеëüной
ионизаöии (ранее поäобные работы
не провоäиëисü). Наì уäаëосü за-
Датчики и Системы · № 3.2023
67
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
7000
Фон
Ионный ток, еä. АЦП
6000
0...5 °C
20...25 °C
5000
60...70 °С
4000
–
–
R—OH + NO3 ↔ ROH• NO 3 ,
–
R—OH + NO3 (HNO3) ↔
–
↔ ROH• NO3 (HNO3).
3000
Третий сиãнаë, вероятно, соответствует образованиþ устой÷ивоãо
аëкоксиä-аниона, в резуëüтате äепротонирования ìоëекуëы спирта:
2000
1000
–
–
R—OH + NO3 ↔ RO + HNO3.
0
20
30
40
50
60
Вреìя äрейфа, ìс
Рис. 6. Ионограммы пропанола-1, снятые при разной температуре ввода образца
7000
6000
Ионный ток, еä. АЦП
тант-ионах непостоянное, спектр в
äанной обëасти иìеет небоëüøое
разреøение:
Фон
0...5 °C
5000
20...25 °C
60...70 °С
4000
3000
2000
1000
Расс÷итанные зна÷ения энтаëüпии образования анионов и их äипоëüных ìоìентов поäтвержäаþт
то, ÷то они не оказываþт вëияния
на ионнуþ поäвижностü спиртов и
в режиìе отриöатеëüной ионизаöии
(табë. 2).
В äанноì режиìе, так же как и
в режиìе поëожитеëüной ионизаöии не набëþäается зависиìости
ионной поäвижности спиртов от
ìоëярной ìассы. Спектры разных
спиртов ìаëо разëи÷иìы, т. е. ìы
ìожеì ãоворитü, ÷то и относитеëüно ëеãкие спирты и боëее тяжеëые
практи÷ески оäинаково ëеãко äепротонируþтся в режиìе отриöатеëüной ионизаöии.
Друãая характеристика, от которой ìожет зависетü ионная поäвижностü — это эффективный разìер
÷астиö. Поэтоìу ìы преäпоëаãаеì,
0
20
30
40
50
Вреìя äрейфа, ìс
60
Таблица 2
Результаты расчетов методом PM3
Рис. 7. Ионограммы пропанола-2, снятые при разной температуре ввода образца
Вещество
реãистрироватü спектры ионной
поäвижности ряäа аëифати÷еских
спиртов от пропаноëа äо äоäеканоëа, бензиëовоãо спирта и öикëоãексаноëа (рисунки 8, 9). Спектры всех
иссëеäованных спиртов иìеþт три
пика. Два пика неразреøенные и
ìаëоинтенсивные. Третий пик обëаäает наибоëüøей интенсивностüþ,
еìу соответствует привеäенная ионная поäвижностü в узкоì интерваëе
2
–1
–1
K0 = 1,54...1,59 сì •В •с .
68
Соãëасно работаì Наãато и Беринãера реактант-ионаìи в режиìе
отриöатеëüной ионизаöии явëяþтся нитрат-ионы и их ассоöиаты с
азотной кисëотой [5, 6]. Исхоäя из
характера спектров иссëеäованных
спиртов, ìы преäпоëаãаеì, ÷то первые äва сиãнаëа образуþтся в резуëüтате реакöий ассоöиаöии реактант-ионов с ìоëекуëаìи спирта,
поскоëüку соäержание ассоöиированной азотной кисëоты в реак-
Sensors & Systems · № 3.2023
Пропаноë
Бутаноë-1
Пентаноë-1
Гексаноë-1
Гептаноë-1
Октаноë-1
Деканоë-1
Доäеканоë-1
Цикëоãексаноë
Бензиëовый
спирт
Энтаëüпия
образования иона,
ккаë/ìоëü
Дипоëüный ìоìент, D
–51,564
–57,480
–62,719
–68,798
–74,341
–79,844
–90,829
–101,776
–60,564
6,563
9,260
10,193
14,956
17,877
20,796
26,717
32,668
6,762
–20,404
9,080
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
Ионный ток, еä. АЦП
1600
÷ескоãо ряäа преäеëüных оäноатоìных спиртов в режиìе поëожитеëüной и отриöатеëüной ионизаöии.
В режиìе поëожитеëüной ионизаöии реãистрируется ряä спиртов от
этаноëа äо ãексаноëа и бензиëовоãо
спирта. Иäентификаöионный сиãнаë низøих спиртов соответствует
2
–1
–1
K0 = 2,04...2,06 сì •В •с . В режиìе отриöатеëüной ионизаöии
устой÷иво
реãистрируется
ряä
спиртов от пропаноëа äо äоäеканоëа, öикëоãексаноëа и бензиëовоãо спирта. Иäентификаöионный
сиãнаë спиртов составëяет K0 =
2
–1
–1
= 1,54...1,59 сì •В •с .
Пропаноë-1
1400
Гептаноë-1
1200
Деканоë-1
Цикëоãексаноë
Бензиëовый спирт
1000
800
600
400
200
0
25
30
35
Вреìя äрейфа, ìс
40
45
Рис. 8. Обработанная сравнительная ионограмма ряда спиртов в режиме детектирования отрицательных ионов, снятая при температуре 120 °C
2500
Ионный ток, еä. АЦП
Гексаноë-1
Деканоë-1
Цикëоãексаноë
1500
3. Speckbacher V., Zeilinger S., Zimmermann S., et al. Monitoring the volatile
language of fungi using gas chromatography-ion mobility spectrometry //
Anal Bioanal Chem. —2021. —
# 413. —
P.
3055—3067.
DOI:
10.1007/s00216-021-03242-6.
1000
500
0
20
25
30
35
Вреìя äрейфа, ìс
40
45
Рис. 9. Обработанная сравнительная ионограмма ряда спиртов в режиме детектирования отрицательных ионов, снятая при температуре 120 °С
÷то происхоäит изìенение зиãзаãообразной конфорìаöии уãëероäной
öепи. Уãëероäная öепü закру÷ивается, конфорìируется, приобретает
характер сферы. Тоãäа äепротонирование протекает äостато÷но ëеãко. Данная ãипотеза хороøо соãëасуется с основныì поëожениеì орãани÷еской хиìии при оöенке кисëотности спиртов в ãазовой фазе.
1. Eiceman G. A., Kapras Z., Hill H. H. Jr.
rd
Ion Mobility Spectrometry. 3
ed.
USA, FL: Taylor&Francis, Boca Raton, CRC Press, 2014. — 444 p.
2. Weiss, F., Eiceman, G., Märk, T. D.,
et al. High kinetic energy-ion mobility
spectrometry-mass spectrometry investigations of several volatiles and their
fully deuterated analogues // Eur.
Phys. J. — 2022. — D 76. — P. 181.
DOI: 10.1140/epjd/s10053-022-00501-8.
Бутаноë-1
Пропаноë-1
2000
ЛИТЕРАТУРА
ВЫВОДЫ
В резуëüтате провеäенных иссëеäований показана возìожностü
äетектирования сëеäовых коëи÷еств
преäеëüных оäноатоìных спиртов
на спектроìетре ионной поäвижности. Поëу÷ены экспериìентаëüные äанные, приãоäные äëя иäентификаöии первых ÷ëенов ãоìоëоãи-
4. Hai-yan Hana, Hong-mei Wanga, Haihe Jianga, et al. Corona discharge ion
mobility spectrometry of ten alcohols //
Chinese journal of chemical physics. —
2009. — Vol. 22, № 6. — P. 605—610.
5. Nagato K., Matsui Y., Miyata T.,
Yamauchi T. An analysis of the evolution of negative ions produced by a corona ionizer in air // International
Journal of Mass Spectrometry. —
2006. — № 248. — P. 142—147.
6. Bohringer G., Fahey D. W., Linder W.,
et al. Mobilities of several mass-identified positive and negative ions in air //
International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes. — 1987. —
№ 81. — P. 45—65.
Поступила в редакцию 16.03.2023
После доработки 16.03.2023
Принята к публикации 11.04.2023
Датчики и Системы · № 3.2023
69
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
К содержанию
УДК 539.1.074:543.272.3
DOI: 10.25728/datsys.2023.3.14
ИССЛЕДОВАНИЕ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА
НА ИОННО-ДРЕЙФОВОМ ДЕТЕКТОРЕ “КЕРБЕР”
INVESTIGATION OF TRACE AMOUNTS
OF NITROGEN-CONTAINING HETEROCYCLIC COMPOUNDS
BY THE ION-MOBILITY SPECTROMETER
1)
Александрова Дарья Алексеевна
аспирант
E-mail: aleksandrova.d.a@muctr.ru
1)
1)
Баберкина Елена Петровна
канä. хиì. наук, äоöент
E-mail: bettycka@mail.ru
1)
1)
Гришин Сергей Сергеевич
аспирант
E-mail: grishin.s.s@muctr.ru
1)
1)
Курбанова Джамиля М.
ìаãистрант
E-mail: kurbanova25196045@mail.ru
1)
1)
Коваленко Алексей Евгеньевич
канä. техн. наук, äоöент
E-mail: kovalenko.a.ev@muctr.ru
1)
2)
Шалтаева Юлия Ринатовна
старøий препоäаватеëü
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
2)
3)
Головин Анатолий Владимирович
канä. техн. наук.
E-mail: avgolovin@bk.ru
3)
1)
Российский химико-технологический
университет имени Д. И. Менделеева, Москва
1)
2)
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
2)
3)
Институт физической химии и электрохимии
им. А. Н. Фрумкина РАН, Москва
3)
Аннотация: Рассìотрена возìожностü испоëüзования ìетоäа
спектроìетрии ионной поäвижности äëя иссëеäования характеристик соеäинений азотсоäержащих ãетероöикëов. Иссëеäована äинаìика изìенения сиãнаëов, реãистрируеìых в
спектрах ионной поäвижности äëя незаìещенных иìиäазоëа,
пиразоëа, пириäина, тиазоëа и 1,2,4-триазоëа, а также äëя заìещенных иìиäазоëа.
Abstract: In this article, the trace amounts of nitrogen-containing
compounds have been examined using ion-mobility spectrometry.
Depending on the chemical structure of substances in the row of
nitrogen-containing compounds, ion-mobility spectra have been
stated. The obtained ionograms have been analyzed to determine
a probable ion-mobility value for specific functional groups.
Ключевые слова: спектроìетрия ионной поäвижности (СИП),
характеристи÷еский сиãнаë, протонирование, ãетероöикëи÷еские соеäинения азота, пиразоë, иìиäазоë.
Keywords: ion mobility spectrometry (IMS), characteristic signal,
protonation, heterocyclic nitrogen compounds, pyrazole, imidazole.
70
Sensors & Systems · № 3.2023
Aleksandrova Daria A.
Post Graduate Student
E-mail: aleksandrova.d.a@muctr.ru
Baberkina Elena P.
Ph. D. (Chemical), Associate Professor
E-mail: bettycka@mail.ru
Grishin Sergei S.
Post Graduate Student
E-mail: grishin.s.s@muctr.ru
Kurbanova Jamilya M.
Undergraduate
E-mail: kurbanova25196045@mail.ru
Kovalenko Alexey E.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: kovalenko.a.ev@muctr.ru
Shaltaeva Yulia S.
Senior Lecturer
E-mail: yrshaltayeva@mephi.ru
Golovin Anatoly V.
Ph. D. (Tech.)
E-mail: avgolovin@bk.ru
Mendeleev University of Chemical Technology,
Moscow
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow
The Institute of Physical Chemistry
and Electrochemistry of RAS, Moscow
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
ВВЕДЕНИЕ
+
+
M + H (H2O)n → MH ( H 2 O ) *n →
+
→ MH (H2O)n – x + x(H2O).
Моëекуëы вещества образöа (M)
при стоëкновении с реактант-ионаìи образуþт кëастерные ионы, которые превращаþтся в боëее стабиëüные ионы, отщепëяя ìоëекуëы
воäы. Зäесü M — нейтраëüно заря-
Насос Дрейфовые Направëение
коëüöа ионноãо тока
Исто÷ник ионизаöии
(коронный разряä)
Усиëитеëü
Коëëектор
Забор
пробы
Запираþщая сетка
(ионный затвор)
Моëекуëяр- Дат÷ик
Насос
ные сита
и äат÷ик
вëажности
(осуøитеëü)
вëажности
Систеìа öикëи÷еской проäувки
обëасти äрейфа
Экранируþщая
(апертурная)
сетка
О÷ищенный
возäух
Направëение öиркуëяöии
ãаза в систеìе öикëи÷еской
проäувки
Рис. 1. Принцип работы типового прибора на основе СИП
Ионный ток, отс÷еты АЦП
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
20
25
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
40
Рис. 2. Сравнительная ионограмма азотсодержащих гетероциклов:
— пиразоë; ---- — иìиäазоë; ••••• — пириäин;
— 1,2,4 триазоë;
–••– — триазоë
Ионный ток, отс÷еты АЦП
Спектроìетрия ионной поäвижности (СИП) явëяется экспресс-ìетоäоì äëя анаëиза хиìи÷еских соеäинений в приìесных конöентраöиях в ãазах при атìосферноì äавëении. Приборы, работаþщие на
анаëизе поäвижности ионов, приìеняþтся äëя обнаружения боевых
отравëяþщих веществ, наркотиков
и взрыв÷атых веществ, а также испоëüзуþтся при провеäении проìыøëенных, техноëоãи÷еских и
экоëоãи÷еских иссëеäований, в тоì
÷исëе äëя анаëиза ка÷ества пищевых проäуктов и контроëя состава
возäуха [1—4]. В посëеäнее вреìя
актуаëüныì стаëо распространение
синтети÷еских наркотиков, наприìер спайсов, в структуре которых
ìоãут соäержатüся произвоäные ãетероöикëи÷еских соеäинений азота, нахоäящиеся в анаëизируеìых
образöах в сëеäовых коëи÷ествах.
Поэтоìу разработка ìетоäик по
выявëениþ общих законоìерностей äетектирования ãетероöикëи÷еских соеäинений азота преäставëяет боëüøой интерес.
Метоä СИП основан на разäеëении ионов веществ по их поäвижности во вреìя äвижения в äрейфовой каìере в постоянноì эëектри÷ескоì поëе (рис. 1).
При работе прибора на основе
СИП в разряäной каìере образуþтся поëожитеëüно и отриöатеëüно заряженные ионы окружаþщеãо
возäуха (реактант-ионы), конöентраöия которых существенно превыøает конöентраöиþ äетектируеìых
веществ. Схеìати÷но образование
ионов поëожитеëüной поëярности
ìожно преäставитü уравнениеì
Отка÷ка
ãаза
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
20
25
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
40
Рис. 3. Спектр ионной подвижности для 1-метилимидазола:
---- — 8 ìã/ìë;
— 4 ìã/ìë; ••• — 2 ìã/ìë; –•– — 1 ìã/ìë
Датчики и Системы · № 3.2023
71
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
+
женный образеö, H (H2O)n — реак+
тант-ион, MH (H2O)n — кëастерный ион, MH + (H2O)n — проäуктион, xH2O — x ìоëекуë воäы.
Ионный ток, отс÷еты АЦП
Проäукт-ион в этоì уравнении называется протонированныì
ìоноìероì. Возìожно образование
протонированноãо äиìера M2H+—
(H2O)n – x и äруãих ìоëекуëярных
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
20
25
ионов [1]. Ионизированные ìоëекуëы разных веществ иìеþт разнуþ
скоростü äвижения в äрейфовой
каìере в зависиìости от их заряäа, ìассы и разìера. Моëекуëярные
ноны разных соеäинений отëи÷аþтся вреìенеì прибытия к коëëектору, ÷то позвоëяет опреäеëитü их
прироäу. Проãраììное обеспе÷ение
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
40
Ионный ток, отс÷еты АЦП
Рис. 4. Зависимость ионного тока от времени дрейфа для N—H-имидазолов:
— 4-ìетиëиìиäазоë
••••• — иìиäазоë,
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
20
25
30
Вреìя äрейфа, ìс
35
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
40
Ионный ток, отс÷еты АЦП
Рис. 5. Зависимость ионного тока от времени дрейфа для N-метилимидазолов:
— 1,2-äиìетиëиìиäазоë
---- — 1-ìетиëиìиäазоë,
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
20
25
30
35
Вреìя äрейфа, ìс
Рис. 6. Сравнительная ионограмма имидазолов:
••••• — 1,2-äиìетиëиìиäазоë; –•– — 1-ìетиëиìиäазоë;
иìиäазоë; ---- — 4-ìетиëиìиäазоë; –••– — иìиäазоë
72
Sensors & Systems · № 3.2023
äетектора позвоëяет анаëизироватü
поëу÷енный спектр на наëи÷ие пиков по ìатеìати÷ескоìу ожиäаниþ
и äисперсии вреìени äрейфа, соответствуþщих öеëевыì веществаì,
занесенныì в базу äанных.
Разработана проãраììа äëя ìатеìати÷еской обработки äанных.
Это позвоëяет поëу÷итü ìножество
спектров поäвижности ионов äëя
äаëüнейøеãо изу÷ения и анаëиза.
Резуëüтатоì обработки явëяется вы÷итание спектра фона. Все сиãнаëы,
преäставëенные äаëее на ãрафиках,
относятся тоëüко к характеристи÷ескиì сиãнаëаì спектра анаëита.
Боëее поäробное описание проãраììы преäставëено в ранее опубëикованных работах [4, 5]. Экспериìентаëüные иссëеäования в äанной работе провоäиëисü на ионно-äрейфовоì äетекторе “Кербер”.
40
— 2-ìетиë-5-нитро-
На ионоãраììе рис. 2 преäставëены вещества, испоëüзуеìые
äëя синтеза ряäов синтети÷еских
наркотиков: пиразоëа, иìиäазоëа,
1,2,4-триазоëа, пириäина, тиазоëа.
На спектрах всех веществ набëþäаëосü äва сиãнаëа, вреìя äрейфа
первоãо ëежит в обëасти 23...25 ìс.
Сравнение со спектроì пириäина
показаëо, ÷то сиãнаë ìожет явëятüся характерныì сиãнаëоì протонирования пириäиновоãо атоìа азота,
поскоëüку вреìя äрейфа пириäина
составëяет 24,5 ìс.
Появëение второãо сиãнаëа
25...26 ìс, характерное äëя всех ãетероöикëов, относится к хороøо
известноìу проöессу — протонированиþ атоìа уãëероäа äëя π-избыто÷ных систеì.
Спектры ионной поäвижности
всех веществ иссëеäоваëисü при разëи÷ных конöентраöиях. На ионоãраììе преäставëены резуëüтаты иссëеäования спектров äëя 1-ìетиëиìиäазоëа при конöентраöиях 8, 4,
2 и 1 ìã/ìë (рис. 3).
По конöентраöионныì зависиìостяì виäно, ÷то характер спектра, взаиìное распоëожение сиãна-
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
ëов не изìеняþтся при изìенении
конöентраöии исхоäноãо образöа
при оäинаковой теìпературе ввоäа.
Набëþäается уìенüøение интенсивности сиãнаëа с уìенüøениеì
конöентраöии. При ввеäении заìеститеëя в первое поëожение искëþ÷ается возìожностü образования öепо÷ек и äиìеров, при этоì набëþäаþтся äва сиãнаëа. Это сëужит äоказатеëüствоì тоãо, ÷то äиìеров и
триìеров äëя äанных соеäинений
не образуется. Сëеäует отìетитü,
÷то ион с вреìенеì äрейфа 32 ìс
иìеет боëüøуþ интенсивностü, ÷еì
ион с вреìенеì äрейфа 24,5 ìс.
тоì, боëее устой÷ивыì, особенно
при наëи÷ии äонорных заìеститеëей в коëüöе.
При иссëеäовании спектров
ионной поäвижности N-H иìиäазоëов и N-ìетиë-иìиäазоëов быëа
обнаружена интересная особенностü
(рис. 4 и 5). Виäно, ÷то распреäеëение интенсивности сиãнаëов äëя
них разëи÷ны.
Дëя N-H иìиäазоëов, незаìещенных по атоìу азота, сиãнаë
24,5 ìс, который ìы относиì к протонированиþ по атоìу азота, боëее
интенсивен в сравнении с N-ìетиëиìиäазоëаìи, а сиãнаë, относящийся к протонированиþ по атоìу уãëероäа, наоборот, боëее интенсивный äëя N-ìетиëиìиäазоëов. Это
ìожет бытü связано с äонорныì
вëияниеì аëкиëüных ãрупп в первоì поëожении пирроëüноãо азота. Стабиëизируется возникаþщий
Можно преäпоëожитü, ÷то протонирование по атоìу азота явëяется кинети÷ескиì и опреäеëяется
скоростüþ присоеäинения протона
к боëее основноìу атоìу азота; а
протонирование по уãëероäу явëяется терìоäинаìи÷ескиì проäук-
Расчетные и экспериментальные значения для замещенных имидазолов
Название
вещества
Моëярная
ìасса,
ã/ìоëü
Моëекуëярный
ион
Энтаëüпия
образования,
кДж/ìоëü
Вреìя
äрейфа,
ìс
–71 900
24
–86 830
24,9
–86 864
23,8
–101 299
25,2
–157 432
23,4
H
N+
Иìиäазоë
68
N
H
CH3
N
1-ìетиëиìиäазоë
82
+
N
H
H
СH3
4-ìетиëиìиäазоë
N+
82
N
H
СH3
1,2-äиìетиëиìиäазоë
96
O2N
2-ìетиë-5-нитроиìиäазоë
127
СH3
H
H
N
+
N
25,4
25,2
25
24,8
24,6
24,4
24,2
24
23,8
23,6
23,4
23,2
60
80
100
120
140
Моëекуëярная ìасса, ã/ìоëü
Рис. 7. График зависимости времени
дрейфа молекулярного иона от молекулярной массы:
— иìиäазоë;
— 1-ìетиëиìиäазоë;
— 4-ìетиëиìиäазоë; — 1,2-äиìетиëиìиäазоë; ♦ — 2-ìетиë-5-нитроиìиäазоë
всëеäствие резонанса поëожитеëüный заряä на атоìе азота и в öеëоì
äеëает образуþщийся карбокатион
боëее устой÷ивыì.
Сравнитеëüный анаëиз иìиäазоëов показаë, ÷то сиãнаëы практи÷ески совпаäаþт (рис. 6). Виäно,
÷то кажäый из иссëеäуеìых иìиäазоëов иìеет характерный сиãнаë,
относящийся к азоту пириäиновоãо типа, составëяþщий веëи÷ину
24...25 ìс, в кажäоì из спектров появëяется и второй сиãнаë, который
относиì к протонированноìу ãетероöикëу по атоìу уãëероäа.
Не обнаружено зависиìости
вреìени äрейфа ìоëекуëярноãо иона от ìоëекуëярной ìассы (рис. 7).
С поìощüþ проãраììы Hypercube HyperChem 8.0 поëуэìпири÷ескиì ìетоäоì рас÷ета эëектронной структуры на основе ÷асти÷ноãо пренебрежения äифференöиаëüныì перекрываниеì РМ3 [6]
опреäеëены энтаëüпии образования
ионов. Основные резуëüтаты преäставëены в табëиöе.
ВЫВОДЫ
N
+
N
Вреìя äрейфа, ìс
Представляет Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ"
CH3
H
Показана возìожностü испоëüзования ионно-äрейфовоãо äетектора “Кербер” äëя иссëеäования
сëеäовых коëи÷еств ãетероöикëи÷еских соеäинений азота. Во всех
спектрах набëþäаþтся äва сиãнаëа,
практи÷ески совпаäаþщие ìежäу
Датчики и Системы · № 3.2023
73
Copyrigh t ОО О «ЦКБ «Б ИБКОМ» & ООО «Aге нтство Kнига-Cерви с»
National Research Nuclear University MEPHI presents
собой и не зависящие от ìоëекуëярной ìассы ìоëекуëы. Присутствие äвух сиãнаëов в спектрах опреäеëяет äва типа устой÷иво протонированных ионов по атоìу азота и
атоìу уãëероäа.
Опреäеëено зна÷ение вреìени
äрейфа катионов пириäиниевоãо
типа в интерваëе 23,3...24 ìс и показано, ÷то äëя ìоноöикëи÷еских
ãетероöикëов это зна÷ение постоянно и ìожет сëужитü иäентификаöионныì сиãнаëоì.
ЛИТЕРАТУРА
1. Eiceman G. A., Kapras Z., Hill H. H. Jr.
rd
Ion Mobility Spectrometry. 3 ed. —
USA, FL: Taylor&Francis, BocaRaton, CRC Press. 2014. — P. 444.
2. Tabrizchi M., Maki Abadi E., Parchami R., Fadaei E. Dynamic response of
ion mobility spectrometry // Journal of
the American society for mass spectrometry. — 2022. — Vol. 33, № 7. —
Р. 1148—1160.
3. Li J., Li L., Gao W., et al. Two-dimensional FAIMS-IMS characterization of peptide conformers with resolution exceeding 1000 // Analytical chemistry. — 2022. — Vol. 94, № 16. —
P. 6363—6370.
4. Allers M., Schaefer Ch., Ahrens A., et al.
Detection of volatile toxic industrial
chemicals with classical ion mobility
spectrometry and high- kinetic energy
ion mobility spectrometry // Analytical
Chemistry. — 2022. — № 94. —
P. 1211—1220.
5. Grishin S. S., Negru K. I., Baberkina E. P., et al. The influence of chemical structure of nitrogen-containing
heterocyclic compounds on the character of ion mobility spectra // IOP
К содержанию
УДК 681.586:617-7
Conference Series: Materials Science
and Engineering. — 2019. — Vol. 498,
№ 1, Q4.
6. Hyper Chem. Гëава II. 6.2. Поëуэìпири÷еские ìетоäы рас÷ета эëектронной структуры (Semi-empirical)
[Эëектронный ресурс]. — Красноярск: ИФ СО РАН, 2007. URL:
http://test.kirensky.ru/books/book/Program%20HyperChem/chapter_06_2.htm
(äата обращения: 12.06.2023). [Hyper
Chem. Chapter II. 6.2. Semi-empirical
methods for calculating the electronic
structure (Semi-empirical) [Electronic
resource]. — Krasnoyarsk: Kirensky
Institute of Physics, 2007. URL: http://
test.kirensky.ru/books/book/Program
%20HyperChem/chapter_06_2.htm
(date of access: 12.06.2023). (In Russian)]
Поступила в редакцию 16.03.2023
После доработки 16.03.2023
Принята к публикации 11.04.2023
DOI: 10.25728/datsys.2023.3.15
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОМОЩИ СЛАБОВИДЯЩИМ ЛЮДЯМ
DEVICE FOR EXPANSION FUNCTIONALITY OF ASSISTANCE
TO VISUALLY IMPAIRED PEOPLE
1)
Груненков Николай Валерьевич
аспирант
E-mail: grunenkovnv@yandex.ru
1)
2)
Воронов Юрий Александрович
канд. техн. наук, доцент
E-mail:yavoronov@mephi.ru
2)
1)
Палагута Константин Алексеевич
канд. техн. наук, доцент
E-mail: ka129@yandex.ru
1)
1)
Пикалов Евгений Викторович
аспирант
E-mail: e.v.pikalov@mospolytech.ru
1)
1)
Московский политехнический университет
(Московский Политех), Москва
1)
2)
2)
Национальный исследовательский ядерный
университет “МИФИ”, Москва
74
Sensors & Systems · № 3.2023
Grunenkov Nikolai V.
Post Graduate Student
E-mail: grunenkovnv@yandex.ru
Voronov Yuriy A.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail:yavoronov@mephi.ru
Palaguta Konstantin A.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor
E-mail: ka129@yandex.ru
Pikalov Evgeniy V.
Post Graduate Student
E-mail: e.v.pikalov@mospolytech.ru
Moscow Polytechnic University
(Moscow Polytech), Moscow
National Research Nuclear University MEPhI,
Moscow