книги из ГПНТБ / Ротин В.А. Радиоионизационное детектирование в газовой хроматографии

слой III) и биполярную область II, в которой объемным зарядом можно пренебречь. Эту область можно считать квазинейтральной и при слабых полях описывать ее уравнением (1.54).

С увеличением напряжения протяженность биполяр­ ной области II уменьшается и при токе насыщения она

Внекоторых случаях, осо­

Кбенно при неравномерной и достаточно сильной ионизации, вольт-амперная характери­

30

продольная скорость ионов СД-даЮ2 см-сек-* и, следова­ тельно, плотность тока, вызывающая заметное искаже­ ние поля, равна ж 10~10 а-см~2.

Методы детектирования

Выше отмечалось, что многообразие радиоионизационных методов детектирования определяется большим числом элементарных процессов возникновения, движе­ ния и исчезновения ионов. В последующих главах основ­ ные из них будут рассмотрены более подробно. Здесь для систематизации обсуждаемых методов детектирова­ ния приведены лишь краткие определения этих элемен­ тарных процессов (подробнее см. работы [23—28]).

Процессы ионизации. Различают два типа ионизаци­

рода, и обусловленный внутренней энергией возбужден­ ных атомов — ионизация при неупругих соударениях вто­ рого рода. Участвующие в соударениях второго рода возбужденные (как правило, метастабильные) атомы мо­ гут возникать при неупругих соударениях первого рода.

Процессы рекомбинации. В объеме камеры детектора могут протекать два типа рекомбинационных процессов: электрон-ионная рекомбинация, если в рекомбинации участвует свободный электрон, и ион-ионная рекомбина­ ция, когда участвующий в рекомбинации электрон ра­ нее был связан молекулой или радикалом.

Процессы, влияющие на скорость движения зарядов.

Скорость движения зарядов зависит от различного рода

носителей заряда, например захват электронов, и соуда­ рения, влияющие на подвижность носителей зарядов без изменения их природы.

Необходимо отметить, что изменение тока может быть вызвано изменением либо скорости (частоты) образова­ ния зарядов, либо скорости (частоты) их рекомбинации в объеме ионизационной камеры. В первом случае в основе методов детектирования лежат процессы иониза­ ции под действием ионизирующего излучения или под влиянием электрического поля. Возможность осуществ­ ления ионизационных процессов главным образом в ре­ зультате неупругих соударений первого или второго ро-

31

да увеличивает число методов, связанных с изменением скорости образования зарядов.

Во втором случае в основе методов лежат соударе­ ния, влияющие на подвижность носителей зарядов, либо изменяющие их природу. Очевидно, в режимах тока на­ сыщения и ионизационного усиления детектирование осуществляют с помощью методов первой группы, в ре­ жиме тока проводимости — методов второй группы.

Приведенная систематизация охватывает методы, ба­ зирующиеся на закономерностях тока в бинарных га­ зовых смесях. В настоящее время изучены методы, в ос­ нове которых лежит влияние третьего компонента на ток в бинарном газе-носителе. Здесь речь уже идет о зако­ номерностях электрического тока в трехкомпонентных смесях. Добавление третьего компонента не приводит ав­ томатически к созданию самостоятельного метода де­ тектирования. Лишь в тех случаях, когда изменение при­ роды или состава газа-носителя влияет на сущность оп­ ределяющих детектирование отдельных процессов или их сочетаний, можно говорить о возникновении нового метода детектирования.

В табл. 1 приведена описанная выше систематизация. Она не претендует ни на строгость, ни на полноту. Мы сознательно ограничиваемся лишь теми методами, кото­ рые достаточно изучены и будут рассмотрены в после­ дующих разделах. Однако такая систематизация позво­ ляет представить многообразие методов радиоионизационного детектирования, определить границы между ни­ ми и в какой-то степени подход при изучении данных методов.

При использовании каждого из них важно выбрать родЛюмеряемогсГ сигнала. Электрический ток в газе на­ блюдается при постоянном падении напряжения в раз­ рядном промежутке, при постоянном токе или когда од­ новременно изменяются и ток и напряжение. Изменение состава газа обусловливает в первом случае изменение тока, во втором — напряжения. На рис. 6 показаны две условные вольт-амперные характеристики, одна из ко­ торых соответствует концентрации С\ анализируемого вещества в газе-носителе, другая — концентрации С%Ф ФС\. Очевидно, например, что в режиме тока проводи­ мости изменению концентрации соответствуют изменение

32

ионизационного усиления. И лишь в режиме тока насы­ щения можно измерять только изменения тока A12 при постоянном напряжении U2 (промежуточные варианты здесь не рассматриваются, хотя они и возможны). Зара­ нее нельзя сказать, какой сигнал является предпочти­ тельным в тех или иных случаях. Анализ закономерно-

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики ионизаци­ онного детектора (к выбору рода измеряемого сиг­ нала) :

1 — кривая соответствует концентрации Сг; 2 — Сг.

стей конкретных методов позволяет сделать правильный выбор рода измеряемого сигнала. Оба варианта изме­ рения использовали в режимах тока проводимости [29] и ионизационного усиления [30]. Важно отметить, что на сущность методов детектирования род измеряемого сиг­ нала не влияет. Но конкретные метрологические харак­ теристики, например линейный диапазон детектирования, могут зависеть от метода измерения.

Детекторы. Системы детектирования

Конструкции детекторов, применяемых при осущест­ влении радиоионизационных методов детектирования, достаточно разнообразны. Различаются они главным об­ разом формой камеры и электродов детектора, формой радиоизотопного источника, его активностью и природой радиоактивного вещества.

В известных радиоионизационных детекторах в ос­ новном используют источники р- и а-излучения [29, 31]. Однако a -источники применяют значительно реже |3-

34

источников, покольку пробег а-частиц в конденсирован­ ных средах ограничен весьма малыми расстояниями и a -источники чувствительны даже к незначительным за­ грязнениям. у-Излучение слабо поглощается газовой сре­ дой, поэтому использовать источники у-излучения для ионизации газа в малых объемах неэффективно. Извест­ но широкое применение источников p-излучения, таких, как 90Sr, 147Рш, 3Н и 63Ni. Основные характеристики из­ лучения этих источников приведены в табл. 2 [31].

Т а б л и ц а 2

Характеристика 0-излучения

В детекторах используют источники плоские (диско­ вые) и цилиндрические, излучающие с наружной или внутренней поверхности цилиндра. Форма источника во многом определяет геометрию камеры детектора, а так­ же форму и расположение электродов. На рис. 7 изо­ бражены схемы наиболее типичных радиоионизационных детекторов [5, 29]. Каждый из представленных де­ текторов может служить для применения в любом ре­ жиме от тока проводимости до ионизационного усиления. Однако при осуществлении того или иного метода де­ тектирования отдают предпочтение определенной конст­ рукции.

Рассмотрим влияние изменения параметров, в том числе конструктивных, на метод детектирования или его характеристики. Возьмем в качестве примера детектор с плоскопараллельной геометрией электродов:

1) прежде всего, изменение приложенного к элект­ родам напряжения влияет на режим прохождения тока (см. выше);

3 35

2) изменение расстояния между электродами при по­ стоянных характеристиках источника ионизирующего из­ лучения влияет на объем детектора, протяженность би­ полярной области или областей объемных зарядов и их роль в формировании сигнала детектора. Кроме того, изменяются соотношения между длиной пробега р-части-

Рис. 7. Схемы радиоионизационных детекторов:

а — с плоскими электродами; б, в — с цилиндрическими электродами; г, д — с асимметричной системой электро­ дов. Штрихами обозначены излучающие поверхности источников.

цы и расстоянием между электродами, условия поглощения р-излучения;

3)влияние природы радиоактивного вещества выра­ жается в изменении энергетических характеристик излу­ чения. Они, в свою очередь, влияют на характеристику неравномерности ионизации в камере детектора и свя­ занные с ней соотношения протяженностей областей объ­ емных зарядов и биполярной области;

4)природа газа-носителя определяет многообразие элементарных процессов газового разряда и их эф­ фективность. Например, применение инертных газов

36

приводит во многих случаях к существенному влиянию метастабильных атомов на ток разряда и сигнал детек­ тора;

5) изменение качественного и количественного соста­ ва газа-носителя (не однокомпонентного) может влиять на сущность определяющих детектирование отдельных процессов или их сочетаний.

Детектор, источник питания, устройство измерения тока или напряжения и устройство компенсации началь­ ного (фонового) тока детектора составляют систему де­ тектирования.

Рис. 8. Принципиальные электрические схе­ мы систем детектирования:

D— детектор.

Впроцессе ионизационного детектирования необхо­ димо измерять токи от значений, меньших 10-14 а, до значений, превышающих 10-7 а. Измерение малых токов обычно осуществляют с помощью электрометрических усилителей постоянного тока. Когда детектор работает при постоянном значении тока, напряжение измеряют с помощью высокоомного электрометрического вольтметра.

При работе со столь малыми токами необходимо сле­ дить за качеством изоляторов как в самом детекторе, так

ив измерительных линиях. Обычно требуется, чтобы со­ противление изоляции в измерительных линиях детекто­ ра было не меньше 1012 ом. Кроме того, измерительные линии следует тщательно экранировать от внешних

электрических полей.

Принципиальные электрические схемы систем детек­ тирования показаны на рис. 8. На рис. 8, а изображена схема измерения тока с компенсацией фонового сигнала детектора от внешнего источника напряжения Н,,-, на

37

ГЛАВА

2

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ПО СЕЧЕНИЯМ ИОНИЗАЦИИ

2.1. ИОНИЗАЦИЯ Р-ИЗЛУЧЕНИЕМ

Если в качестве внешнего ионизующего фактора в радиоионизационном детекторе используется р-излуче- ние, то одним из основных процессов, приводящих к об­ разованию зарядов, является ионизация электронами вы­ соких энергий (р-частицами) [20, 21, 24, 27, 28].

Пусть поток р-частиц п р пронизывает за 1 сек пло­ щадку в 1 см2. На расстоянии в 1 см произойдет у,- иони­ зующих столкновений р-частиц с молекулами газа. Оче­

где s — коэффициент пропорциональности, см2. Коэффи­ циент пропорциональности численно равен вероятности ионизации при прохождении одной р-частицы через еди­ ничный объем, в котором находится одна молекула [20, 21]. Данный коэффициент называется полным эффектив­

ным сечением ионизации (в дальнейшем для краткости называемым сечением ионизации). В общем случае s зависит от энергии электрона и поэтому, строго говоря, характеризует взаимодействие потока моноэнергетических электронов с веществом в условиях, когда потери энергии потоком электронов незначительны в сравнении с полной энергией потока. Если указанное условие не вы­ полняется, то при расчете полного числа ионизующих столкновений необходимо учитывать ионизацию вторич­ ными электронами и акты многократной ионизации. Под вторичными понимают те электроны, которые возникают в процессе ионизации *. Обычно доля вторичных элект­

* Вторичный электрон в данном случае неотличим от первич­ ного, поэтому за вторичные принимают электроны с меньшей энергией.

39