便携式光离子化检测器研究

科技创新导报２００９　　ＮＯ．０２

研　究　报　告

便携式光离子化检测器研究

亢敏

（临汾职业技术学院　　山西临汾　　０４１０００）

摘　要：本文分析了ＰＩＤ原理并基于该原理设计了ＰＩＤ敏感单元以及气体检测器的整体。突破传统的光离子化检测器的制造方法，使得电离室的设计与加工大大简便，从而使检测器的体积和质量型机进行了初步的标定实验，取得了较好的结果。

关键词：光离子化　　电离室　　气体检测器　　紫外灯大大减小，同时解决了光离子化传感器价格昂贵　　成本高的缺点　　并对气体检测原中图分类号：Ｇ３０　　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　　　文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０１（ｂ）－０００２－０１

光离子化作为一种检测手段已有三十多年的发展历史。近年来光离子化检测器性能不断得到改进和完善，又为气相色谱在化学、生物学、医学、环境保护以及其它技术科学技术领域的应用，提供了新的有效的检测手段。但对于潜在的泄漏事故的防范、自动监控报警及处理控制技术则研究较少。所以急需研究一种体积小、功耗低、高灵敏度、携带方便、可以实时连续测量的气体检测器。

光离子化气体检测器（ＰＩＤ）是一种具有极高灵敏度、用途广泛的检测器，可以检测从极低浓度的１０－８到较高浓度的（１％）的挥发性有机化合物（ＶＯＣ）和其它有毒气体。具有精度高（１０－６级）、响应快、可以连续测试等优点。它可以为工作人员提供实时的信息反馈，这种反馈可以使检测人员确认他们处于安全状态，从而可以更好地保护检测人员。目前光离子化检测器已广泛应用于各种有机化学品检测中，特别在事故泄漏检测、事故区域确认和人员防护方面发挥着重要作用［１－３］。

１　ＰＩＤ原理

光离子化检测器使用具有特定电离能的真空紫外灯（ＵＶ）产生紫外光，当有机气体分子通过在电离室内对气体分子进行轰击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成带正电的离子和带负电的电子，在极化极板的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从而形成可被检测的微弱的离子电流。

通常认为ＰＩＤ　的响应机理是电离电位等于或小于光能量的化合物在气相中发生光电离。紫外灯光发出一定波长的光子流，经窗口射入电离室，载气分子（Ｃ）的电离电位高于光能量，它不被电离。当电离电位等于或小于光能量的组分（ＡＢ）进入电离室，即发生直接或间接光电离。归纳起来有如下几种［１］：１

．１直接电离

被测组分ＡＢ　吸收光子（）直接电离成正离子，放出电子。

　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

１．２间接电离

被测组分分子吸收光子至激发态（ＡＢ＊），然后发生电离。

　　　　　　　　　　　　　　　（２）

如上所述，在电场作用下，电子ｅ和正离子ＡＢ＋分别向正、负极流动，形成微电流，产生信号。

整个敏感单元主要由电离室、紫外灯、风扇以及相关驱动电路组成。敏感单元进气口上有除湿、过滤装置，光离子化室材料采用聚四氟乙烯，电极极板采用纯不锈钢片，厚度０．６ｍｍ直径１２ｍｍ，光离子化室内部采用复合电极结构，包括光强补偿电极，收集电极和偏置电极，三极板相互平行，整齐排列成圆柱形结构，由于紫外光程小于１０ｍｍ，所以光强补偿极板距离紫外灯源８ｍｍ，收集电极与偏置电极的距离为３－６ｍｍ，收集电极位于光强补偿电极和偏置电极之间，收集电极与检测电路相连。紫外光照射方向与电极垂直，偏置电极与电源系统的ＤＣ－ＤＣ高压

模块相连，偏置电压＋３００Ｖ可以使收集率大于９９％。

一个良好的离子化室结构设计［４］应做到：（１）当样品流经时，应能充分接触和吸收紫外光辐射。（２）施加的直流电场应能充分收集离子，尽量减少碰撞或复合效应引起的离子损失。（３）注意电极位置，避免引起冷发射，从而降低检测器的本底电流。

ＰＩＤ检测器采用的真空无极紫外灯即ＵＶ灯可以使用的有９．８、１０．６、１１．７ｅＶ　三种。其中１１．７ｅＶ的ＵＶ灯ＰｌＤ检测范围最宽，远远大于９．８ｅＶ和１０．６ｅＶ，但９．８ｅＶ和１０．６ｅＶ的ＵＶ灯价格低廉，寿命也比１１．７ｅＶ　ＵＶ灯更长，准确度更高。１０．６ｅＶ　ＵＶ灯又比９．８ｅＶ　ＵＶ灯使用范围广。由于只要待测物质分子的电离能小于其给定光源的光子能量，就可以被电离。因此选择１０．６ｅＶ的ＵＶ灯作为电离源，且内充氪气。

是光离子化气体检测器对未知气体的分辨具有先天的不足，与离子迁移谱（ＩＭＳ）技术联用可以弥补此项不足。离子迁移谱技术是在电场力的驱动下，离子通过周期性开启的离子门进入漂移区，在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后到达检测电极，依据到达时间上的先后关系被分离检测。在ＩＭＳ基础上研制的高场非对称波形离子迁移谱技术已经进入了技术实用化阶段。

ＦＡＩＭＳ系统的工作原理。载气携带样品由进样系统送入离子源，样品就被电离成离子状态，再经过由加有高频且振幅不对称波形电压和直流扫描电压的一对极板组成的过滤区后，样品离子被筛选出来，最后送到检测器检测。

光离子化技术可以为ＦＡＩＭＳ系统提供离子源，且ＦＡＩＭＳ系统可以分辨样品弥补光离子化技术的不足。利用ＭＥＭＳ技术实现光离子化和离子迁移谱技术的集成，不但可以分辨气体种类，更可以精密测试气体浓度，在有机气体检测方面有着光明的应用前景。

５　结语

便携式光离子化气体检测器具有体积小，分辨率高，实时性好，安全性高及携带方便等重要优点，可以为工作人员提供实时的信息反馈，确保工作人员的安全，对于潜在的泄漏事故的防范，自动监控报警，事故区域确认方面也有广阔的应用前景。如果与离子迁移谱技术进行集成则可以对气体进行分辨和高精度测试，使现有检测器的检测能力大幅度提高，有很高的研究价值和应用价值。

　　

３　光离子化检测器系统构成

检测器的主要部件包括敏感头单元、信号检测电路、微控制器、显示电路、人机接口电路和声光报警电路等。

被紫外灯电离的待测气体形成了离子，离子在极板电压的作用下，定向移动形成微弱电流。由前面的理论推导，在外界条件固定的条件下，电流的大小与气体的浓度为线性关系。本系统采用微弱信号检测电路，实现浓度→微弱电流→电压的线性转换，电压经过差分放大后输入单片机，由单片机控制信号的存储和显示，并将电压值转换为相应的浓度值输出。

参考文献

［１］景士康，赵瑞兰，王荣荣等．光离子化检

测器在气相色谱中的应用［Ｊ］．环境科学，１９９０，１１（３）：８４～８６．

［２］Ｆｒｅｅｄｍａｎ　Ａ　Ｎ．　Ｊ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ，　１９８２，

２３６：１１．

［３］Ｖｅｒｎｅｒ　Ｐ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ，１９９４，３００：２４９．［４］周俊彦（Ｊａｃｋｙ　ｃｈｏｕ）．危险气体检测器－

选型，操作及应用指南［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｍｃｇｒａｗ－Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ，１９９５．

４　应用及展望

光离子化气体检测器具有体积小，分辨率高，实时性好等优点，对已知气体可以实现快速实时检测，在事故泄漏检测及工作人员防护方面有着广泛的应用前景。但

２　ＰＩＤ敏感单元

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