脈沖氦離子化氣相色譜儀實施方式

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》通過以下方式實施：一種用于高純氣體和電子工業(yè)氣體檢測的氦離子化氣相色譜儀包括載氣處理單元、取樣和進樣單元、氣路控制單元、電路控制單元、分離單元、檢測單元、尾氣處理單元、信號采集和數(shù)據(jù)處理單元。

載氣處理單元是在純度高于99.999％的高純氦氣2-4后面，接一高精度的固態(tài)過濾器2-5，后面再接一個氦氣純化器2-6。

取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積采樣管構(gòu)成，是一連接在樣品氣2-1鋼瓶上的帶放空取樣針閥2-2，后接一高精度固態(tài)過濾器2-3，通過不銹鋼管道再連接到帶吹掃十通閥2-7上，進樣體積取決于裝在帶吹掃十通閥2-7上的定體積采樣管2-10。

氣路控制單元1-6位于儀器右側(cè)箱體，由載氣穩(wěn)定和控制流量部分組成，確保載氣壓力和流量的穩(wěn)定。

電路控制單元1-5位于所述氣路控制單元下部箱體，主要有操作和控溫電路，信號放大電路，檢測器脈沖高壓電路，合理的布局和高質(zhì)量的電器元件使電路部分更加穩(wěn)定，確保儀器的長時間運行。

分離單元由一個帶吹掃十通閥2-7，第一帶吹掃四通閥2-8、第二帶吹掃四通閥2-9第一高分子聚合物色譜柱2-11、第一5A分子篩色譜柱2-12、第二高分子聚合物色譜柱2-13和第二5A分子篩色譜柱2-14構(gòu)成，如附圖2連接而成，三個自動切換閥1-4位于儀器上部，3根色譜柱位于中部色譜柱箱內(nèi)1-1，一根分子篩色譜柱位于輔助柱箱1-3中，通過在工作站上設定三個自動閥的時間程序來完成切割。以分析高純氬氣為例，分析過程如下：帶吹掃十通閥2-7切換，定體積采樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣2-4的帶動下進入第一高分子聚合物色譜柱2-11（即預切柱）預分離，當主峰完全進入第一5A分子篩色譜柱2-12轉(zhuǎn)動帶吹掃十通閥2-7讓剩余組分進入第二高分子聚合物色譜柱2-13再次分離，進入第一5A分子篩色譜柱2-12中的樣品再次分離H₂最先流出進氦離子化檢測器檢測，H₂出完后轉(zhuǎn)動第一帶吹掃四通閥2-8讓主組分Ar通過熱導（TCD）檢測器監(jiān)測放空，當N₂出來之前轉(zhuǎn)動第一帶吹掃四通閥2-8讓剩余的Ar、N₂、CH₄、CO進入第二5A分子篩色譜柱2-14再次分離，因為Ar為主組分，含量非常大，所以從第一5A分子篩色譜柱2-i2中出來的N₂、CH₄在主峰Ar的拖尾上，必須再次分離，經(jīng)過第二5A分子篩色譜柱2-14分離出來的Ar可通過切換第二帶吹掃四通閥2-9來選擇放空或進氦離子化檢測器。通過調(diào)整載氣流速使第二高分子聚合物色譜柱2-13中分離出的CO₂在H₂出完后進脈沖氦離子化檢測器檢測。對于不同氣體分析流程不變，只是三個閥的切換時間不同。

檢測單元為脈沖氦離子化檢測器和熱導檢測器。脈沖氦離子化檢測器1-2，位于儀器柱箱上部輔助柱箱1-3的前面。脈沖氦離子化檢測器結(jié)構(gòu)原理如附圖3所示，一路氦載氣從放電氣入口3-1處進入檢測器池體，在放電電極3-2產(chǎn)生的高壓電場激發(fā)躍遷至基態(tài)，形成連續(xù)的高能輻射光，這個能量可電離除氖外的所有物質(zhì)，色譜柱接在色譜柱接口3-4。當從色譜柱流出的組分被電離，在偏轉(zhuǎn)電極3-6的作用下形成離子流，被收集極3-3收集放大產(chǎn)生信號。氦離子化檢測器，包括放電部分、與放大器相連的信號收集部分和色譜柱，放電部分為置于檢測器池體上座3-8中的脈沖放電部分；信號收集部分和色譜柱依次置于檢測器池體下座3-9中；色譜柱旁設有加熱棒和鉑電阻3-10。

直流放電部分由兩個位置相對的發(fā)射極、一個透光管組成的放電部分。信號收集部分由位置相對的偏轉(zhuǎn)電極3-6和收集極3-3構(gòu)成，且位于透光管3-7的下方。上座與下座通過密封層相連，透光管的兩端位于發(fā)射極和收集極之間。

發(fā)射極的電極為0.2~0.5毫米的白金絲，其間距為0.8~1.2毫米。透光管3-7為無色藍寶石透光管。尾氣排出口3-5位于偏轉(zhuǎn)電極的下端。

信號采集與數(shù)據(jù)處理單元1-7為一安裝色譜工作站的電腦，電腦和儀器用數(shù)據(jù)線連接，通過工作站可實現(xiàn)電腦對色譜儀的控制，而且可完成對譜圖的結(jié)果處理和數(shù)據(jù)保存。在儀器開始進樣啟動的同時，工作站也啟動，開始信號的采集并記錄，等采樣結(jié)束，譜圖讀取到后處理界面時，系統(tǒng)按照已存的標準信息表自動計算結(jié)果并按默認路徑保存。界面清楚，操作簡單。

尾氣處理單元1-8是指將樣品出口和分析完的廢氣通過該裝置處理，使其可直接排入大氣中，對分析人員不會造成危害，也不會污染環(huán)境。分析中，由于樣品種類多，有些腐蝕性氣體或毒性氣體不可直接排放，如附圖4所示：對于無毒、無腐蝕性的惰性氣體可打開三通電磁閥4-5直接排空。對于有毒氣體如H₂S、SO₂等氣體則打開三通電磁閥4-6和兩通電磁閥4-7將尾氣用堿液吸收。對于硅烷等氫化物氣體，則要先關(guān)閉兩通電磁閥4-2和4-3，打開兩通電磁閥4-1和4-7，吹掃整個樣品氣路空氣，吹掃完成后，關(guān)閉兩通電磁閥4-1、4-2、4-7。打開真空泵4-4和兩通電磁閥4-3對氣路抽真空，抽完后，再關(guān)閉兩通電磁閥4-3打開兩通電磁閥4-2和三通電磁閥4-6，硅烷尾氣經(jīng)高溫反應裝置吸收。高溫反應裝置為內(nèi)裝吸附劑GDK-210，外加熱至380~450攝氏度的反應裝置。《脈沖氦離子化氣相色譜儀》所采用的電磁閥和真空泵都可通過工作站控制，也可編時間程序自動運行。

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》將幾個重要的部件有效地結(jié)合在一起，達到了理想的效果，穩(wěn)定的氣路控制和電路控制部分能確保儀器長時間開機工作，對于高純氣體中各項雜質(zhì)均能表現(xiàn)出很好的響應，測定結(jié)果能滿足氣體標準要求。而且操作簡單，整個運行過程全部自動化控制。

1.一種脈沖氦離子化氣相色譜儀，包括載氣單元、取樣單元、氣路控制單元，電路控制單元，分離單元和檢測單元，其特征在于：還包括尾氣處理單元及信號采集與數(shù)據(jù)處理單元，所述的尾氣處理單元接收分離單元排出的廢氣，所述尾氣處理單元是加吸附劑的高溫解毒裝置，所述信號采集和數(shù)據(jù)處理單元為反控色譜工作站，完成譜圖的采集和數(shù)據(jù)后處理工作，對分離單元的被測氣體進行各組分的定性定量分析，所述載氣單元為載氣處理單元，由固態(tài)過濾器和氦氣純化器構(gòu)成，提供高純度載氣給分離單元，所述取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積采樣管構(gòu)成，樣品氣進入分離單元時，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)，所述分離單元為三閥四柱切換流程，所述的三閥四柱為第一帶吹掃四通閥（2-8）、第二帶吹掃四通閥（2-9）、帶吹掃十通閥（2-7）、第一高分子聚合物色譜柱（2-11）、第一5A分子篩色譜柱（2-12）、第二高分子聚合物色譜柱（2-13）和第二5A分子篩色譜柱（2-14）構(gòu)成，采用前切、后切、中心切割手段完成組分的全分離，所述檢測單元為脈沖氦離子化檢測器和熱導檢測器；分析高純氬氣時，分析過程如下：帶吹掃十通閥（2-7）切換，定體積采樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣（2-4）的帶動下進入第一高分子聚合物色譜柱（2-11）預分離，當主峰完全進入第一5A分子篩色譜柱（2-12）轉(zhuǎn)動帶吹掃十通閥（2-7）讓剩余組分進入第二高分子聚合物色譜柱（2-13）再次分離，進入第一5A分子篩色譜柱（2-12）中的樣品再次分離H₂最先流出進脈沖氦離子化檢測器檢測，H₂出完后轉(zhuǎn)動第一帶吹掃四通閥（2-8）讓主組分Ar通過熱導檢測器監(jiān)測放空，當N₂出來之前轉(zhuǎn)動第一帶吹掃四通閥（2-8）讓剩余的Ar、N₂、CH₄、CO進入第二5A分子篩色譜柱（2-14）再次分離，經(jīng)過第二5A分子篩色譜柱（2-14）分離出來的Ar通過切換第二帶吹掃四通閥（2-9）來選擇放空或進脈沖氦離子化檢測器，通過調(diào)整載氣流速使第二高分子聚合物色譜柱（2-13）中分離出的CO₂在H₂出完后進脈沖氦離子化檢測器檢測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖氦離子化氣相色譜儀，其特征在于：所述氣路控制單元設有確保載氣壓力和流量穩(wěn)定的載氣穩(wěn)壓裝置流量控制器。

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》涉及一種用于高純氣體和電子工業(yè)氣體檢測領域的脈沖氦離子化氣相色譜儀。

圖1是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》安裝布局示意圖；

圖2是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》氣路流程圖；

圖3是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》的氦離子化檢測器示意圖；

圖4是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》尾氣處理單元示意圖；

圖中：1-1、色譜柱箱；1-2、氦離子化檢測器；1-3、輔助柱箱；1-4、自動切換閥；1-5、電路控制單元；1-6、氣路控制單元；1-7、信號采集與數(shù)據(jù)處理單元；1-8、尾氣處理單元；

2-1、樣品氣；2-2、帶放空取樣針閥；2-3、固態(tài)過濾器；2-4、99.999％高純氦載氣；2-5、固態(tài)過濾器；2-6、氦氣純化器；2-7、帶吹掃十通閥；2-8、帶吹掃四通閥；2-9、帶吹掃四通閥；2-10、定體積采樣管；2-11、高分子聚合物色譜柱（預切柱）；2-12、5A分子篩色譜柱；2-13、高分子聚合物色譜柱；2-14、5A分子篩色譜柱；2-15、脈沖氦離子化檢測器；

3-1、放電氣入口；3-2、放電電極；3-3、收集極；3-4、色譜柱接口；3-5、尾氣出口；3-6、偏轉(zhuǎn)電極；3-7、透光管；3-8、檢測器池體上座；3-9、檢測器池體下座；3-10、加熱棒和鉑電阻；

4-1、兩通電磁閥；4-2、兩通電磁閥；4-3、兩通電磁閥；4-4、真空泵；4-5、三通電磁閥；4-6、三通電磁閥；4-7、兩通電磁閥；4-8、吸收瓶；4-9、高溫反應裝置。

脈沖氦離子化氣相色譜儀專利目的

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》的目的是提出一種可一次進樣完成氣體所有雜質(zhì)組分全分析的儀器，公開一種脈沖氦離子化氣相色譜儀。

脈沖氦離子化氣相色譜儀技術(shù)方案

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》是這樣實現(xiàn)的：一種脈沖氦離子化氣相色譜儀，包括載氣單元、取樣單元、氣路控制單元，電路控制單元，分離單元和檢測單元，其特征在于：還包括尾氣處理單元及信號采集與數(shù)據(jù)處理單元，所述的尾氣處理單元接收分離單元排出的廢氣，它是加吸附劑的高溫解毒裝置。所述信號采集與數(shù)據(jù)處理單元為反控色譜工作站，可完成譜圖的采集與數(shù)據(jù)后處理工作，對分離單元的被測氣體進行各組分的定性定量分析。所述載氣單元為載氣處理單元由固態(tài)過濾器和氦氣純化器構(gòu)成，提供高純度載氣給分離單元。所述取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃自動六通閥和定體積采樣管構(gòu)成，采樣氣進入分離單元時，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)。所述分離單元設有3個帶吹掃的自動切換閥：1個為帶吹掃的六通閥，2個為帶吹掃的四通閥。采用三閥四柱切換流程，運用前切、后切、中心切割手段完成組分的全分離。所述檢測單元為脈沖氦離子化檢測器。所述氣體控制單元設有確保載氣壓力和流量穩(wěn)定的載氣穩(wěn)壓裝置流量控制器。

所述電路控制單元設有操作和控溫電路，信號放大電路、檢測器脈沖高壓電路。所述分離單元設有三個帶吹掃的自動切換閥。所述檢測單元為脈沖氦離子化檢測器。

高純氣體的分析是受多方面因素制約的，光有高靈敏度檢測器并不能解決問題，《脈沖氦離子化氣相色譜儀》產(chǎn)品脈沖氦離子化氣相色譜儀從取樣方式、載氣處理、檢測器、分離方法、色譜柱和管道處理等幾個方面做了重大突破。

一、樣品取樣方式的改變

配備了無死體積帶放空專用取樣閥，取樣閥是帶放空吹掃的耐高壓針型閥，樣品進口加裝高精度的固態(tài)過濾器，降低了樣品中固體顆粒對閥件的損害。采用帶吹掃保護的進樣方式，避免了空氣滲入的問題，使所取樣品具有代表性，將取樣過程對分析的影響降至最低。

二、載氣純度的提高

從色譜的檢測原理來看，載氣的純度至少要高于樣品一個數(shù)量級，要檢測高純度的氣體，所用載氣純度就要更高，所以儀器在高純度氦載氣出口處配備了高精度的固態(tài)過濾器和氦氣純化器，固態(tài)過濾器可將載氣中固體顆粒降至2微米以下，氦氣純化器的純化機制是一種無揮發(fā)性的吸附合金，具有良好的熱穩(wěn)定性，理論上可將載氣純化到10十億分比濃度以下，雜質(zhì)吸附能力強，使用方便，直接接通電源即可完成操作，載氣純度可達8N級。

三、采樣的準確性、進樣閥和切換閥空氣吹掃及滲漏問題的解決

分析所用樣品定量由定體積采樣管和通過采樣管的氣體流量決定，流量可由樣品出口處安裝的流量計調(diào)節(jié)，采用帶吹掃功能的進樣閥和切換閥，使閥平面始終處于載氣氛圍中，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)。

四、切換流程的選擇

儀器上的兩個輔助柱箱可分別隨意設定溫度，根據(jù)具體分析要求可放置不同的色譜柱，設定不同的溫度條件。采用三閥四柱的切換流程，樣品通過在不同色譜柱間的切割與反吹，將主組分放空，雜質(zhì)組分通過改變各自分析柱的條件分別流入檢測器。解決了主組分和相鄰雜質(zhì)的分離問題，可實現(xiàn)一次進樣完成所有雜質(zhì)組分的分離，也可以滿足吸附氧和吸附二氧化碳的流程。

五、色譜柱和管道的處理

流程圖中的色譜柱為60~80目的高分子聚合物擔體，和60~80目分子篩色譜柱，色譜擔體均經(jīng)過特殊處理，有效的避免了氧、一氧化碳的吸附問題，采用直徑1/8英寸的色譜柱，色譜柱管和氣路管道內(nèi)壁經(jīng)過鈍化處理，避免吸附問題，所有的色譜柱接頭和氣路接頭均采用卡套式無死體積兩通接頭，確保系統(tǒng)氣路的氣密性。

六、檢測器的靈敏度

選用該公司的氦離子化檢測器，檢測限可達納克/克（十億分比濃度）級，是2009年8月前靈敏度最高的通用型檢測器，對除氖以外的所有無機和有機物均有很高響應，非常適合永久性氣體的分析。

脈沖氦離子化氣相色譜儀有益效果

1、使用了新型的氦離子化檢測器，靈敏度更高，且無放射源存在，檢測器本身為一種脈沖高壓放電模式，對人無傷害，不污染環(huán)境。

2、閥切換流程使主組分不進入檢測器，增加了分離度，提高了靈敏度。

3、所有進樣和切換閥都是自動運行，比以往的手動閥切換更準確，更方便，而且分析時間縮短，提高了工作效率。

4、增加了尾氣處理單元，尤其對電子氣分析更加安全，減少對分析人員的傷害。

截至2009年8月，中國國內(nèi)對于高純氣體和電子工業(yè)氣體還沒有一種可以同時測定所有雜質(zhì)的儀器，傳統(tǒng)的氣相色譜儀配備轉(zhuǎn)化爐加氫火焰離子化檢測器，雖然靈敏度高，但只能測定一氧化碳、二氧化碳和碳氫化合物。而熱導檢測器能測定無機組分但靈敏度又太低。也有一些配有高靈敏度檢測器的儀器出現(xiàn)，如氧化鋯檢測器，氬離子檢測器等，靈敏度雖然很高，但因為都具有選擇性，只能檢測某一種氣體或者要和其他分析儀器配合才能完成所有雜質(zhì)組分測定，所以換不能被大多數(shù)用戶接受。

高靈敏度檢測器的出現(xiàn)，將高純氣體分析至少提高2個數(shù)量級，脈沖氦離子化檢測器是一個通用檢測器，它對無機和有機組分都有很高的響應，所以雜質(zhì)組分的分離又成了一個新問題，傳統(tǒng)的高純氣體和電子工業(yè)氣體分析都采用六通閥進樣，一根色譜柱分析，這樣主組分后的相鄰雜質(zhì)組分都在主峰的拖尾上，離主組分越近分離就越難。成為制約高純氣體檢測的又一瓶頸。

美國GOW-MAC也生產(chǎn)有一種氣體分析儀，其所用檢測器為直流氦離子化檢測器，雖然可以達到分析要求，但沒有取樣處理、尾氣處理和計算機反控單元，而且整機價格昂貴每臺達七十到一百多萬元，很難被中國國內(nèi)用戶廣泛接受。因此，能滿足檢測結(jié)果的靈敏度，重復性，符合行業(yè)標準且價格合理能為廣泛用戶接受的氦離子化色譜儀成為研究方向。

2021年6月24日，《脈沖氦離子化氣相色譜儀》獲得第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B