термоэмиттер ионов органических соединений

Классы МПК:G01N30/00 Исследование или анализ материалов путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматография
G01N30/64 электрические детекторы
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Капустин Владимир Иванович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-10-17
публикация патента:

Изобретение относится к области электронной техники и приборостроения, в частности к устройствам для детектирования и анализа органических соединений в составе воздуха атмосферного давления с использованием явления селективной поверхностной ионизации органических молекул на нагретой поверхности термоэмиттера ионов. Термоэмиттер ионов органических соединений выполняют из монокристалла оксидной бронзы, имеющего химическую формулу MexV 2O5, где Me - литий, натрий или калий, V - ванадий, О - кислород, при этом рабочая поверхность термоэмиттера совпадает с кристаллографической плоскостью [020] монокристалла оксидной бронзы, на рабочей поверхности термоэмиттера имеется пленка тугоплавкого металла. При этом тугоплавкий металл выбран из группы молибден, вольфрам, рений, рутений, родий. Техническим результатом является повышение эффективности ионизации органических нитросоединений на поверхности термоэмиттера и повышение долговечности термоэмиттера на основе оксидной бронзы щелочного металла при работе термоэмиттера в условиях воздуха атмосферного давления. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил. термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548

термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548

Формула изобретения

1. Термоэмиттер ионов органических соединений, выполненный из монокристалла оксидной бронзы, имеющего химическую формулу MexV2O5, где Me - литий, натрий или калий, V - ванадий, О - кислород, 0,22термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,37 для лития, 0,22термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,40 для натрия, 0,19термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,27 для калия, имеющего, кроме того, моноклинную кристаллическую структуру типа термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 -фазы, причем термоэмиттер имеет плоскую рабочую поверхность, совпадающую с одной из кристаллографических плоскостей монокристалла оксидной бронзы, характеризующейся низкими значениями индексов Миллера, отличающийся тем, что рабочая поверхность термоэмиттера совпадает с кристаллографической плоскостью [020] монокристалла оксидной бронзы, причем на рабочей поверхности термоэмиттера имеется пленка тугоплавкого металла, при этом тугоплавкий металл выбран из группы молибден, вольфрам, рений, рутений, родий.

2. Термоэмиттер по п.1, отличающийся тем, что толщина пленки тугоплавкого металла лежит в интервале 10÷200 нанометров.

3. Термоэмиттер по п.1, отличающийся тем, чтов качестве тугоплавкого металла пленки выбран вольфрам или молибден.

4. Термоэмиттер по п.1, отличающийся тем, чтов качестве оксидной бронзы выбран монокристалл, имеющий химическую формулу MexV2O5, где Me - натрий, 0,26термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,35.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники и приборостроения, в частности к устройствам для детектирования и анализа органических соединений в составе воздуха атмосферного давления с использованием явления селективной поверхностной ионизации органических молекул на нагретой поверхности термоэмиттера ионов.

Известен термоэмиттер ионов органических соединений, выполненный из оксидной бронзы щелочного металла состава R xMenOm, где х=0,1÷1,2, R - щелочной металл, Me - переходный металл из группы титан, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений, платина, палладий, никель, кобальт, О - кислород, m и n - целые числа [1]. В качестве варианта исполнения оксидная бронза может быть выбрана в виде твердого раствора двух различных оксидных бронз.

Термоэмиттер такого типа позволяет регистрировать широкий класс органических соединений - аминов, гидразинов, нитросоединений и т.д. Однако активирование такого термоэмиттера требует значительного времени прогрева термоэмиттера, включая его прогрев в вакууме. Кроме того, данный тип термоэмиттера характеризуется низкой эффективностью поверхностной ионизации органических соединений, низкой долговечностью и нестабильностью эффективности ионизации во времени из-за рекристаллизации оксидной бронзы щелочного металла, роста зерна материала термоэмиттера из-за диффузионных процессов, протекающих в материале термоэмиттера.

Известен термоэмиттер ионов органических соединений, выполненный из монокристалла оксидной бронзы, имеющего химическую формулу MexV2O5, где Me - литий, натрий или калий, V - ванадий, О - кислород, 0,22термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,37 для лития, 0,22термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,40 для натрия, 0,19термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,27 для калия, имеющего, кроме того, моноклинную кристаллическую структуру типа термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 -фазы, причем термоэмиттер имеет плоскую рабочую поверхность, совпадающую с одной из кристаллографических плоскостей монокристалла оксидной бронзы, характеризующейся низкими значениями индексов Миллера [2].

Достоинством такого термоэмиттера является более высокая эффективность поверхностной ионизации по сравнению с термоэмиттером [1] и более высокая долговечность и стабильность поверхностно-ионизационных свойств термоэмиттера, так как в таком термоэмиттере не протекают процессы рекристаллизации оксидной бронзы.

Основными недостатками термоэмиттеров [2] являются недостаточная эффективность поверхностной ионизации некоторых типов органических соединений, в частности нитросоединений, к классу которых относятся, например, взрывчатые вещества, а также недостаточная долговечность при работе в условиях воздуха атмосферного давления.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности поверхностной ионизации органических нитросоединений, а также повышение долговечности термоэмиттера при работе в условиях воздуха атмосферного давления.

Поставленная цель достигается тем, что рабочая поверхность термоэмиттера совпадает с кристаллографической плоскостью [020] монокристалла оксидной бронзы, причем на рабочей поверхности термоэмиттера имеется пленка тугоплавкого металла, при этом тугоплавкий металл выбран из группы молибден, вольфрам, рений, рутений, родий.

Толщина пленки тугоплавкого металла лежит в интервале 10÷200 нанометров.

В качестве тугоплавкого металла пленки выбран вольфрам или молибден.

В качестве оксидной бронзы выбран монокристалл, имеющий химическую формулу MexV2O5, где Me - натрий, 0,26термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 хтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,35.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 показана пространственная кристаллическая структура оксидной бронзы типа Nax V2O5, где x лежит в интервале 0,22-0,40 [3]. Бронза имеет моноклинную кристаллическую структуру типа термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 -фазы, причем кристаллическая структура такой бронзы имеет сквозные каналы, в которых расположены подвижные ионы щелочного металла, при этом каналы имеют кристаллографическое направление (020).

На Фиг.2 приведена рентгенограмма с поверхности термоэмиттера из оксидной бронзы состава Me0,33V 2O5, которая совпадает с кристаллографической плоскостью [020] монокристалла. Для точной идентификации кристаллографической ориентации поверхности термоэмиттера на нее был нанесен тонкий слой порошка германия, используемого в качестве реперного вещества. Пики при углах 27,30°; 45,32°; 53,70°; 66,04°;72,82°;83,69° относятся к германию, самый интенсивный пик - к плоскости [020] оксидной бронзы.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Поверхность оксидной бронзы щелочного металла содержит активные центры типа {КЦБ} (кислотные центры Бренстеда), {ОЦБ} (основные центры Бренстеда) и {ИЩМ} (ионы щелочного металла) [4]. Центры типа {КЦБ} и {ОЦБ} образуются в результате диссоциативной адсорбции на поверхности оксидной бронзы молекул воды из состава воздуха, прокачиваемого вблизи поверхности термоэмиттера, при этом центр {КЦБ} - это протон Н+, адсорбированный на поверхности бронзы, а центр {ОЦБ} - это гидроксильная группа ОН". Центр {ИЩМ} представляет собой ион Na+ на поверхности оксидной бронзы, который образуется в результате переноса на поверхность бронзы ионов щелочного металла из объема оксидной бронзы по каналом кристаллической решетки.

Активные центры на поверхности оксидной бронзы инициируют протекание реакций захвата органической молекулой, попавшей на поверхность оксидной бронзы с потоком воздуха, протонов или ионов щелочных металлов с образованием вторичных ионов и их последующей термической десорбцией с поверхности оксидной бронзы. Суммарно эти процессы можно представить реакцией (1) при ионизации аминов и гидразинов и реакцией (2) при ионизации нитросоединений:

термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548

термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548

Величина эффективности поверхностной ионизации органических соединений Q (кулон/моль) описывается известным соотношением [4]:

термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548

где T - температура, k - постоянная Больцмана, термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 E - энергия активации поверхностной ионизации органической молекулы, A - константа, отражающая концентрацию активных центров ионизации органических молекул на поверхности оксидной бронзы.

Высокая эффективность протекания реакции (1) обеспечивается наличием паров воды в атмосфере воздуха, при этом концентрации молекул воды в воздухе при реально существующих значениях влажности воздуха достаточно для всех практических применений термоэмиттера. Задача обеспечения высоких и стабильных значений эффективности ионизации органических нитросоединений по реакции (2) сводится к задаче обеспечения заданной и стабильной концентрации ионов щелочного металла на поверхности оксидной бронзы щелочного металла.

Известно, что ванадий в оксидной бронзе находится в виде ионов частично в пятивалентном и частично в четырехвалентном состоянии [3]. При работе оксидной бронзы при повышенной температуре в условиях воздуха молекулы кислорода воздуха внедряются в приповерхностную область монокристалла бронзы, повышая степень окисления ионов ванадия. Это приводит к тому, что структура каналов оксидной бронзы, по которым происходит подпитка поверхности бронзы ионами щелочного металла, искажается, что сопровождается снижением эффективности ионизации нитросоединений и снижением долговечности термоэмиттера.

В предлагаемом техническом решении на поверхности монокристалла оксидной бронзы расположена пленка тугоплавкого металла, имеющего максимальную валентность больше пяти - шесть для молибдена и вольфрама, семь для рения и восемь для родия и рутения. В процессе активирования термоэмиттера атомы тугоплавкого металла с валентностью более пяти внедряются в приповерхностную область монокристалла оксидной бронзы, частично «отбирают» на себя кислородные связи и препятствуют тем самым повышению степени окисления ионов ванадия.

При толщине пленки тугоплавкого металла менее 10 нанометров снижается долговечность термоэмиттера, так как запаса атомов тугоплавкого металла недостаточно для нейтрализации действия молекул кислорода на степень окисления ванадия в оксидной бронзе. При толщине пленки тугоплавкого металла более 200 нанометров тугоплавкий металл блокирует диффузию ионов щелочного металла на поверхность термоэмиттера, что снижает эффективность поверхностной ионизации нитросоединений.

Наиболее оптимальным по результатам испытаний является термоэмиттер на основе монокристалла состава MexV2O 5, где Me - натрий, 0,26термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 xтермоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 0,35, при этом в качестве тугоплавкого металла оптимальным является вольфрам или молибден при оптимальной толщине пленки 20-40 нанометров.

В Таблице 1 в качестве примера приведены поверхностно-ионизационные параметры различных типов термоэмиттеров при ионизации тринитротолуола (ТНТ), являющегося представителем класса органических нитросоединений. Так как долговечность термоэмиттера зависит от выбранной рабочей температуры, в Таблице 1 приведены относительные значения долговечности различных термоэмиттеров по сравнению с термоэмиттером на основе поликристалла бронзы состава Na0,33V2O5 без пленки на поверхности.

Таблица 1
Параметры ионизации ТНТ на поверхности натрий-ванадиевых бронз
Параметр Термоэмиттер на основе бронзы без пленки тугоплавкого металла Термоэмиттер на основе бронзы с пленкой вольфрама толщиной 20 нанометров
термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 Поликристалл Na0,33V 2O5Монокристалл Na 0,33V2O5Монокристалл Na0,33V2O5 Монокристалл Na0,33V2O5
термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 E, эВ1,32 1,260,970,90
Y, кулон/моль, термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548
при температуре 500°C 0,070,6 1,83,0
Долговечность,термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548 термоэмиттер ионов органических соединений, патент № 2528548
относительных единиц 110 5060

Таким образом, предложенное техническое решение позволило существенно увеличить эффективность ионизации органических нитросоединений на поверхности термоэмиттера и повысить долговечность термоэмиттера при работе в условиях воздуха атмосферного давления.

Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень». Заявленный способ может быть реализован в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Патент Российской Федерации № 2186384 от 21.12.99 г., МКИ G01N 30/00, 27/62 (аналог).

2. Патент Российской Федерации № 2265835 от 19.04.2004 г., МКИ G01N 30/64, 27/62 (прототип).

3. Фотиев А.А., Волков В.Л., Капусткин В.К. Оксидные ванадиевые бронзы. М.: Наука, 1978, 176 с.

4. Банных О.А., Поварова К.Б., Капустин В.И. и др. Физикохимия поверхностной ионизации некоторых типов органических молекул. Доклады РАН, 2002, том 385, № 2, с.200-204.

Класс G01N30/00 Исследование или анализ материалов путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматография

способ определения бензойной кислоты в воде -  патент 2529810 (27.09.2014)
способ количественного определения органических примесей в бензокраун-эфирах -  патент 2529730 (27.09.2014)
термостат колонок хроматографа -  патент 2529665 (27.09.2014)
способ анализа структурных и оптических изомеров -  патент 2528126 (10.09.2014)
способы определения химической стойкости порохов -  патент 2528125 (10.09.2014)
универсальный анализатор парогазовых проб и жидкостей и веществ на поверхности (варианты) -  патент 2526599 (27.08.2014)
устройство для газожидкостной экстракции, способ газожидкостной экстракции -  патент 2525305 (10.08.2014)
способ газожидкостной экстракции и коаксиальный массообменный аппарат для его осуществления -  патент 2525304 (10.08.2014)
пламенно-ионизационный детектор -  патент 2523607 (20.07.2014)
способ определения кодеина -  патент 2523408 (20.07.2014)

Класс G01N30/64 электрические детекторы

Наверх