4. Ионизационные методы

Ионизационные методы основаны на ионизации анализи­руемого вещества и измерении ионного тока, пропорционального концентрации определяемого компонента. Они широко применя­ются в вакуумметрах, ионизационных газоанализаторах, в масс-спектрометрах, а также для измерения аэрозолей, влажности га­зов и др. Существуют разнообразные способы ионизации анали­зируемого вещества. Наибольшее применение для целей анализа получили:

а) ионизация газов электронами, возникающими вследствие автоэлектронной эмиссии (преобразователи с холод­ным катодом) и термоэлектронной эмиссии (преобразователи с горячим катодом);

б) электроразрядный способ ионизации, основанный на зависимости характеристик электрического разряда в газах от их состава;

в) ионизация за счет облучения анализи­руемого вещества радиоактивным и рентгеновским излучением;

г) термическая ионизация молекул в пламени водорода;

д) ио­низация с помощью лазерного излучения.

Наряду с указанными методами ионизации для анализа на­ходят также применение и ряд других способов, таких, как окис­лительно-ионизационный, способ поверхностной ионизации, эмис­сия положительных ионов, захват электронов, фотоионизационный и др.

Ионизация атомов и молекул электронами, возникающими вследствие авто- и термоэлектронной эмиссии, широко приме­няется в вакуумметрах и масс-спектрометрических анализато­рах. Датчик такого ионизационного вакуумметра обычно пред­ставляет собой вакуумный триод с патрубком для присоединения объекта, где измеряется вакуум. При постоянных значениях анодного напряжения и тока накала значение ионного тока, проходящего через сетку, зависит от абсолютной концентрации газа в межэлектродном пространстве. Диапазон измерений та­ких вакуумметров составляет Па. При больших давлениях может перегореть катод. Чувствительность датчика 75 мкА/Па. На 1–2 порядка больше чувствительность и верх­ний предел измерений у вакуумметров с магнитоэлектроразрядным датчиком, в котором под действием магнитного поля увели­чивается длина пробега электронов и соответственно ионный ток. Недостатком таких вакуумметров является зависимость показаний от рода газа и внешних магнитных полей.

Ионизационный метод с использованием радиоактивного излу­чения применяется в вакуумметрах, газоанализаторах и детекто­рах хроматографов . Для ионизации газа обычно используются α (ядра атомов гелия)- и β (электроны, позитроны)-излучения, обладающие большой ионизирующей способностью.

Наиболее распространенными разновидностями этого метода являются методы, непосредственной ионизации, атомов и мо­лекул анализируемого газа радиоактивным излучением и иониза­ция с помощью метастабильных атомов. Первый способ иониза­ции, в частности, применяется в радиоактивных ионизационных вакуумметрах, состоящих из ионизационной камеры и измери­тельной цепи, входной усилитель которой монтируется в одном корпусе с преобразователем и обычно представляет собой электро­метрический усилитель. Источник α-излучения и коллектор ионов расположены внутри камеры, которая при помощи патрубка сое­диняется с объектом, где измеряется вакуум. Такие вакуумметры характеризуются хорошей воспроизводимостью результатов изме­рений (разброс не более 1 – 2 %) и практически линейной зависи­мостью между ионным током и давлением газа (а следовательно, и абсолютной концентрацией газа) в широком диапазоне — от 0,1 до Па. На рис. 5 оказана схема дифференциального ионизацион­ного анализатора газов, состоящего из двух идентичных иониза­ционных камер 1 и 2, через одну из которых пропускается чистый газ-носитель (гелий или водород), а через другую – газ-носитель с анализируемым компонентом газа. Камеры имеют общий кол­лектор ионов 4 и идентичные источники β-излучения 3, выполнен­ные в виде таблеток из ⁹⁰Sr, ⁸⁵Kr или, ¹⁴⁷Рm. Разностный ток ионизационных камер создает падение напряжения на высокоомном резисторе R, которое усиливается электрометрическим усилителем 6 и регистрируется самопишущим прибором 5.

Рис.5. Схема дифференциального ионизацион­ного анализатора газов

Такие анализаторы имеют практически линейную характеристику в ши­роком диапазоне, малую инерционность, высокую чувствитель­ность и способны работать при температурах до 300 °С.

Метод ионизации метастабильными атомами, который можно назвать методом двойной ионизации, применяется в аргоновых и гелиевых анализаторах для измерения концентрации широкого класса веществ. Метод заключается в том, что в электрическом поле с помощью β-излучения происходит ионизация атомов газа-носителя аргона, вследствие чего в ионизационной камере созда­ется большая концентрация метастабильных атомов аргона с энер­гией 11,8 эВ, которые, в свою очередь, ионизируют молекулы анализируемого компонента. Для анализа веществ, имеющих бо­лее высокий потенциал ионизации, в качестве газа-носителя при­меняется гелий, энергия метастабильного состояния атомов ко­торого равна 19,8 эВ.

Хорошими метрологическими характеристиками обладает триодный аргоновый датчик (рис. 6), у которого, кроме анода 1, катода 2 и источника β-излучения 3, имеется коллекторный электрод 4, сигнал с которого подается на электрометрический усилитель. Порог чувствительности такого датчика г/с, постоянная времени 1 – 5 с, нелинейность характеристики 1,2 %.

Рис.6. Триодный аргоновый датчик

Ионизационно-пламенный метод (рис. 7) основан на иони­зации молекул исследуемого вещества в водородном пламени. Чистый водород, сгорая в воздухе, почти не образует ионов, по­этому водородное пламя имеет очень большое сопротивление (10¹²—10¹⁴ Ом). Если вместе с водородом в преобразователь под­ступает исследуемый горючий газ, то в результате термической диссоциации и окисления происходит ионизация моле­кул газа и сопротивление между электродами 1 и 2 преобразователя резко па­дает. Вследствие этого уве­личиваются ток и падение напряжения на резисторе R, которое через усилитель подается на самопишущий прибор.

Рис. 7. Схема ионизационно-пламенного анализатора

Если вместе с водородом в преобразователь под­ступает исследуемый горючий газ, то в результате термической диссоциации и окисления происходит ионизация моле­кул газа и сопротивление между электродами 1 и 2 преобразователя резко па­дает. Вследствие этого уве­личиваются ток и падение напряжения на резисторе R, которое через усилитель подается на самопишущий прибор. Метод диссоциаций и окисления происходит ионизация моле­кул газа и сопротивление между электродами 1 и 2 преобразователя резко па­дает. Вследствие этого уве­личиваются ток и падение напряжения на резисторе R, которое через усилитель подается на самопишущий прибор. Метод позволяет обнаруживать микроконцентрации ор­ганических соединений, поступающих в преобразователь со ско­ростью 10^–12 – 10^–14 г/с. Чувствительность анализаторов составляет 10⁴ – 10⁵ , постоянная времени 1 мс. Линейный рабочий диапазон 10⁶ – 10⁷, рабочая температура до 400 °С.