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: [email protected] Антон Борисович Ионов — аспирант. E-mail: [email protected] 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: [email protected] Анатолий Владимирович Головин — аспирант; E-mail: [email protected] 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: [email protected] 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: [email protected] Анатолий Владимирович Головин — аспирант; E-mail: [email protected] Валерий Константинович Васильев — студент; E-mail: [email protected] Денис Владимирович Кушнерук — инженер; E-mail: [email protected] Вячеслав Сергеевич Першенков — д-р техн. наук, зав. кафедрой; (495) 324-01-84 E-mail: [email protected] Вячеслав Сергеевич Тихонов — инженер. E-mail: [email protected] 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 . 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: [email protected], ë — “ - " äü ü ë ü . E-mail: [email protected] 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 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: [email protected] — “ - - ”; E-mail: [email protected] — “ - - ”; E-mail: [email protected] — “ - ”; — - , . “ - . - ”. (495) 324-01-84 E-mail: [email protected] 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 ÷ã 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: [email protected] ä ëü ë , , -mail: [email protected] “ ö ë ,ä ë ì ä ë ö . ������������ . ì - ”; — , þ , -mail: [email protected] . 9967 . . . . ì . ”; 681.785.235 ì . -mail: [email protected] -mail: [email protected] ä , ”; ”; 8 (495) 788-56-99, - -mail: [email protected] “ — , 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: [email protected] ëü ã ë . - 1 ë ë , ã ì ä ö ì “ - E-mail: [email protected] 2 — ëü ã — “ - . . , - , - ”; -mail: [email protected] ÷ ë ä þ — : —ì ü — ö — ì ëü — ä — ”; ä ë ì ü 60 ì ì 30 ü 20 ì ; ; ; . “ . , ”; -mail: [email protected] — “ 20 . . . ”. -mail: [email protected] — ëü ì ã ì ì ÷ ìë . ã “ ”; E-mail: [email protected] Óâàæàåìûå ÷èòàòåëè! “ ”, , ( ) , . , . . (495) 330-42-66 (E-mail: [email protected]) — . : 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: [email protected] 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: [email protected] — “ . . , - ”; 324-04-00 — . “ . , ”; 324-88-33 — - “ - . , . ”; 324-01-84 E-mail: [email protected] — “ 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: [email protected] — ; — ; — 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: [email protected] . . 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: [email protected] — E-mail: [email protected] (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: [email protected] Vasilyev Valery. K. Ph. D. (Technical), Engineer E-mail: [email protected] Шалтаева Юлия Ринатовна аспирант E-mail: [email protected] Shaltaeva Yulia. R. Graduate Student E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir. V. Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: [email protected] Golovin Anatoly. V. Ph. D. (Technical), Researcher E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович аспирант E-mail: [email protected] Ivanov Igor. A. Graduate Student E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович инженер E-mail: [email protected] Malkin Evgeniy. K. Engineer E-mail: [email protected] Громов Евгений Анатольевич инженер E-mail: [email protected] Gromov Evgeniy. A. Engineer E-mail: [email protected] 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: [email protected] Pershenkov Viacheslav S. D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department E-mail: [email protected] 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. Nonsilicon 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. 379380. 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. 5255. [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. 5255. (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. 285288. 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. 205228. 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: [email protected] Shaltaeva Yuliya R. Postgraduate E-mail: [email protected] Макарова Нина Валерьевна студент E-mail: [email protected] Makarova Nina V. Student E-mail: [email protected] Першенков Вячеслав Сергеевич д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой E-mail: [email protected] Pershenkov Vyacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Researcher E-mail: [email protected] Липатов Дмитрий Юрьевич аспирант E-mail: [email protected] Lipatov Dmitry Y. Postgraduate E-mail: [email protected] 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 [12] äëя обнаружения сверхìаëых конöентраöий взрыв÷атых и наркоти÷еских веществ [34], при анаëизе биоëоãи÷еских проб [56] и в неинвазивной äиаãностике забоëеваний [79]. 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. 472521. 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. 185192. 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 2227, 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 881882. Р. 7682. 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. 69186923. 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. 4146. 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 (13). P. 200211. 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: [email protected] Lipatov Dmitry Yu. Postgraduate E-mail: [email protected] Родионов Андрей Андреевич канд. техн. наук E-mail: [email protected] Rodionov Andrey A. Ph. D. (Tech.) E-mail:[email protected] Шалтаева Юлия Ринатовна аспирант E-mail: [email protected] Shaltaeva Yuliya R. Postgraduate E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научный сотрудник E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Associate Research E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович аспирант E-mail: [email protected] Malkin Evgeny K. Postgraduate E-mail: [email protected] Васильев Валерий Константинович канд. техн. наук, инженер E-mail: [email protected] Vasilyev Valery K. Ph. D. (Tech.), Engineer E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович аспирант E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Postgraduate E-mail: [email protected] 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 1014 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 1014 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 [15], а также в посëеäнее вреìя в обëасти анаëиза ëету÷их орãани÷еских веществ äëя биоëоãи÷еских иссëеäований и äиаãностики забоëеваний [69]. 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 2735 °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 äнейнеäеëü. 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. 112114. 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. 447451; 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, 15651572. 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. 185192. Vautz W. Breath analysis performance and potential of ion mobility spectrometry // J. Breath Res. 2009. Issue 3. P. 2533. Davies A. N., Baumbach J. I. Early lung cancer diagnostics by ion mobility spectrometry data handling // Spectroscopy Europe. 2008. Vol. 20, № 5. P. 1821. ������������ 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: [email protected] Shurenkov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] 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 [16]. 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: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Scientist E-mail: [email protected] Васильев Валерий Константинович канд. техн. наук, зав. лабораторией E-mail: [email protected] Vasilyev Valeriy K. Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович инженер E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Engineer E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Громов Евгений Анатольевич инженер E-mail: [email protected] Gromov Evgeniy A. Engineer E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович инженер E-mail: [email protected] Malkin Evgeniy K. Engineer E-mail: [email protected] Матуско Максим Александрович инженер E-mail: [email protected] Matusko Maxim A. Engineer E-mail: [email protected] Першенков Вячеслав Сергеевич д-р техн. наук, профессор E-mail: [email protected] Pershenkov Vyacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: [email protected] 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: [email protected] Malkin Evgeniy K. Engineer E-mail: [email protected] Матуско Максим Александрович инженер E-mail: [email protected] Matusko Maxim A. Engineer E-mail: [email protected] Васильев Валерий Константинович канд. техн. наук, зав. лабораторией E-mail: [email protected] Vasilyev Valeriy K. Ph. D. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович инженер E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Engineer E-mail: [email protected] Громов Евгений Анатольевич инженер E-mail: [email protected] Gromov Evgeniy A. Engineer E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Scientist E-mail: [email protected] Першенков Вячеслав Сергеевич д-р техн. наук, профессор E-mail: [email protected] Pershenkov Vyacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: [email protected] 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: [email protected] Andrianov Andrew V. Lead Specialist of Department P-343 E-mail: [email protected] 2) 2) Шагурин Игорь Иванович д-р. техн. наук, профессор E-mail: [email protected] Shagurin Igor I. D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: [email protected] 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: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович инженер E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научный сотрудник E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович инженер E-mail: [email protected] Васильев Валерий Константинович канд. техн. наук, инженер E-mail: [email protected] Громов Евгений Анатольевич канд. техн. наук, инженер E-mail: [email protected] Матуско Максим Александрович аспирант E-mail: [email protected] Шалтаева Юлия Ринатовна ассистент E-mail: [email protected] Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, Москва Pershenkov Viacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Malkin Evgeni K. Engineer E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Associate Researcher E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Engineer E-mail: [email protected] Vasilyev Valery K. Ph. D. (Tech.), Engineer E-mail: [email protected] Gromov Evgeni A. Ph. D. (Tech.), Engineer E-mail: [email protected] Matusko Maxim А. Postgraduate E-mail: [email protected] Shaltaeva Yuliya R. Assistant Lecturer E-mail: [email protected] 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: [email protected] Gromov Evgeni A. Ph. D. (Tech.), Engineer E-mail: [email protected] Матуско Максим Александрович аспирант E-mail: [email protected] Matusko Maxim А. Postgraduate E-mail: [email protected] Шалтаева Юлия Ринатовна ассистент E-mail: [email protected] Shaltaeva Yuliya R. Assistant Lecturer E-mail: [email protected] Першенков Вячеслав Сергеевич д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: [email protected] Pershenkov Viacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor, Head of Department E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.), Associate Researcher E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович инженер E-mail: [email protected] Malkin Evgeni K. Engineer E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович инженер E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Engineer E-mail: [email protected] Васильев Валерий Константинович канд. техн. наук, инженер E-mail: [email protected] Vasilyev Valery K. Ph. D. (Tech.), Engineer E-mail: [email protected] 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: [email protected] Pershenkov Viacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: [email protected] Беляков Владимир Васильевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Belyakov Vladimir V. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Громов Евгений Анатольевич канд. техн. наук E-mail: [email protected] GromovEvgeny A. Ph. D. (Tech.) E-mail: [email protected] Иванов Игорь Александрович аспирант E-mail: [email protected] Ivanov Igor A. Postgraduate Student E-mail: [email protected] Малкин Евгений Константинович аспирант E-mail: [email protected] Malkin Evgeny K. Postgraduate Student E-mail: [email protected] Матуско Максим Александрович аспирант E-mail: [email protected] Matusko Maxim A. Postgraduate Student E-mail: [email protected] 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: [email protected]) — 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: [email protected] Громов Евгений Анатольевич канд. техн. наук E-mail: [email protected] Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук E-mail: [email protected] Shaltaeva Yulia S. Senior Lecturer E-mail: [email protected] Gromov Evgeny A. Ph. D. (Tech.) E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.) E-mail: [email protected] Першенков Вячеслав Сергеевич д-р техн. наук, профессор E-mail: [email protected] Несмачная Людмила Владимировна аспирант E-mail: [email protected] Матвеев Николай Вадимович аспирант E-mail: [email protected] Жуков Александр Иванович аспирант E-mail: [email protected] Родин Александр Сергеевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] Матейко Александр Андреевич аспирант E-mail: [email protected] Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, Москва Pershenkov Vyacheslav S. D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: [email protected] Nesmachnaya Lyudmila V. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Matveev Nikolai V. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Zhukov Alexander I. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Rodin Alexander S. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Mateiko Alexander A. Post Graduate Student E-mail: [email protected] 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: [email protected] 1) 1) Баберкина Елена Петровна канд. хим. наук, доцент E-mail: [email protected] 1) 1) Гришин Сергей Сергеевич аспирант E-mail: [email protected] 1) 1) Александрова Дарья Алексеевна аспирант E-mail: [email protected] 1) 1) 1) Коваленко Алексей Евгеньевич канд. техн. наук, доцент E-mail:[email protected] 64 Sensors & Systems · № 3.2023 Kurbanova Jamilya M. Undergraduate E-mail: [email protected] Baberkina Elena P. Ph. D. (Chem.), Associate Professor E-mail: [email protected] Grishin Sergei S. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Aleksandrova Daria A. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Kovalenko AlexeyE. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail:[email protected] 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: [email protected] 2) 2) Шалтаева Юлия Ринатовна старший преподаватель E-mail: [email protected] 2) 3) Головин Анатолий Владимирович канд. техн. наук. E-mail: [email protected] 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: [email protected] Shaltaeva Yulia S. Senior Lecturer E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.) E-mail: [email protected] 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: [email protected] 1) 1) Баберкина Елена Петровна канä. хиì. наук, äоöент E-mail: [email protected] 1) 1) Гришин Сергей Сергеевич аспирант E-mail: [email protected] 1) 1) Курбанова Джамиля М. ìаãистрант E-mail: [email protected] 1) 1) Коваленко Алексей Евгеньевич канä. техн. наук, äоöент E-mail: [email protected] 1) 2) Шалтаева Юлия Ринатовна старøий препоäаватеëü E-mail: [email protected] 2) 3) Головин Анатолий Владимирович канä. техн. наук. E-mail: [email protected] 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: [email protected] Baberkina Elena P. Ph. D. (Chemical), Associate Professor E-mail: [email protected] Grishin Sergei S. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Kurbanova Jamilya M. Undergraduate E-mail: [email protected] Kovalenko Alexey E. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Shaltaeva Yulia S. Senior Lecturer E-mail: [email protected] Golovin Anatoly V. Ph. D. (Tech.) E-mail: [email protected] 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: [email protected] 1) 2) Воронов Юрий Александрович канд. техн. наук, доцент E-mail:[email protected] 2) 1) Палагута Константин Алексеевич канд. техн. наук, доцент E-mail: [email protected] 1) 1) Пикалов Евгений Викторович аспирант E-mail: [email protected] 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: [email protected] Voronov Yuriy A. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail:[email protected] Palaguta Konstantin A. Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: [email protected] Pikalov Evgeniy V. Post Graduate Student E-mail: [email protected] Moscow Polytechnic University (Moscow Polytech), Moscow National Research Nuclear University MEPhI, Moscow
