氦離子化檢測器在高純氣體分析中的應用研究

何其明

摘要?：

本文旨在介紹帶有脈沖放電氦離子檢測器的氣相色譜儀在高純氣體分析中的應用，并通過具體實例對高純氣體中雜質的定量分析時可能遇到的問題進行討論分析，求證氦離子化檢測器的拓展應用。

關鍵詞?：?脈沖放電氦離子；檢測器；高純氣體；痕量雜質；定量分析

中圖分類號：B819文獻標識碼： A

1前言

氦離子化檢測器至1960年采用以來，作為現行氣相色譜法最靈敏檢測器之一已被人們普遍承認。PDHID是惟一能檢測到?ng/?g?級的通用型檢測器之一,它對無機和有機化合物均有響應,是非破壞性的濃度型檢測器,特別適用于永久性氣體的分析。?高(超)純氣體的分析是一個復雜的過程，僅有高靈敏的檢測器是不夠的，還要考慮樣品本身的特性及其背景，如系統吸附，取樣及分析過程中是否有空氣混入，系統的密閉性等等環節。不同種類的高純氣分析很難在一臺分析儀器上實現,?這對生產氣體的廠家是一個棘手問題,?GC9560HG?分析儀可實現幾種高純氣及其不同底氣的配氣分析,?該系統采用前切、后切及中心切割來實現不同高純氣的雜質分析。

2分析系統的原理、構造

2.1檢測器工作原理

檢測器利用穩定低壓直流電流在氦氣中脈沖放電作為電離源，尾吹放電氦氣在流經放電區域時被激發為亞穩態氦。目標樣品從色譜柱洗脫后被載氣帶入檢測器，樣品分子或原子被亞穩態氦分子碰撞電離產生電子。放射的電子在偏壓電場的作用下被收集波或形成電壓信號，這個信號經過放大處理后即為該樣品的色譜峰。通過外標法，標定被檢測氣體的濃度。

2.2?分析系統的組成

①安捷倫7890氣相色譜儀、?配有高頻脈沖氦離子放電檢測器(PDHID)

②HP-2氦氣純化器;

④超低噪音色譜工作站;

⑤雙級不銹鋼減壓器;

⑥色譜柱1/8不銹鋼柱Porapak?Q??2?根;5A??3根;?HC-1??1根

⑦標準氣為從南京偉創氣體有限公司購買的不同底氣的混合標準氣?，標氣濃度附屬下表中。

⑧載氣、放電氣、吹掃氣及驅動氣為高純氦氣(純度為99.999%)

表1 標準氣體平衡氣氮氣（N2）

組分名稱 H2 O2 CH4 CO CO2

濃度（uL/L） 9.56 10.32 9.85 9.97 9.92

表2 標準氣體平衡氣氫氣（H2）

組分名稱 O2 N2 CH4 CO CO2

濃度（uL/L） 10.56 10.82 10.24 9.86 9.83

表3 標準氣體平衡氣氬氣（AR）

組分名稱 H2 N2 CH4 CO CO2

濃度（uL/L） 9.76 10.83 9.86 11.20 10.64

表4 標準氣體平衡氣氦氣（He）

組分名稱 H2 O2 CH4 CO CO2

濃度（uL/L） 10.12 9.98 10.32 10.46 10.82

表5 標準氣體平衡氣氧氣（O2）

組分名稱 H2 N2 CH4 CO CO2

濃度（uL/L） 9.82 9.83 10.63 9.87 9.95

3.分析條件?及結果

溫度設定:?檢測器(PDD)溫度為120?℃;?柱溫為60?℃、載氣流速為35ml/?min;?放電流速為30?ml/?min;?進樣體積為1ml。

3.1計算方法

采用峰面積定量，算見公式(1)。

用外標法計算結果。結果計式中，φi 為樣品氣中被測組分的含量；A i為樣品氣中被測組分的峰面積；φs為標準樣品中相應已知組分的含量；Ai 為標準樣品中相應已知組分的峰面積。

圖1N2為底氣的標準氣色譜圖

圖2氫氣為底氣的色譜圖

圖3氬氣為底氣的色譜圖

圖4氦氣為底氣的色譜圖

圖5氧氣為底氣的色譜圖

3.2、對比FID檢測器性能：

同種標準氣體進FID檢測器與PDID檢測器所得出的色譜峰面積對比如下圖所示。

圖6與FID對比色譜峰面積舉例

圖7與FID對比色譜檢測限舉例

4.結果與討論

4．1經過技術討論與研究，對比電子電路分析大致可以得到如下結論進行探討：

4.1.1氣相色譜儀配備了PDHID檢測器，確保檢測限能夠完全滿足高（超）純氣體的檢測需求?。性能優于FID檢測器。

4.1.2大量的底氣進入檢測器，會影響相鄰痕量組分的分析，系統采用閥切割技術，具備切割、反吹、吸附氧和對柱子進行特殊處理的功能。

4.1.3閥轉動過程中，為了避免空氣滲入閥體，采用帶吹掃屋的吹掃型氣動閥，

才能確保數據的準確可靠性。

4.1.4痕量分析時，避免載氣本底痕量雜質對結果的影響，配備載氣純化器，經純化后的高純氦氣經的含量小于10ppb，并避免載氣與銅材質的管路接觸，最大限度保護樣品的真實性。

4.1.5避免系統對痕量雜質的吸附，連接管道和色譜柱管采用內壁拋光和鈍化處理316L材質的不銹鋼管，連接采用無死體積卡套式接頭?。

4.1.6對色譜柱中擔體進行特殊處理，避免對樣品中痕量的氧和一氧化碳的吸附。

4.1.7取樣閥采用放空型針閥，避免進樣管路對結果的影響；樣品氣的出口安裝流量計，控制求每次流過定量管的氣體流量保持一致?。

4.1.8帶有脈沖放電氦離子檢測器的氣相色譜儀檢測組分為痕量組分，工作站噪音應小于2uv，閥切換事件能夠靈活的控制，反應時間小于0.1秒?，系統應用良好。

4.2系統擴展性的提高：

系統采用閥切換系統，可以靈活設定時間程序進行閥的切換，擴大了特種氣體的使范圍，如氪氣、氙氣、硅烷、硼烷、磷烷等等的分析。

4.3結論：

隨著工藝對氣體純度要求的越來越高，在稀有高純氣體以及電子用高純氣體中的雜質分析等方面?，帶有脈沖放電氦離子檢測器（PDD）的氣相色譜儀應用以其獨特的性能優點，會越來越多的得到廣泛的應用。

參考文獻

1R.Berry,?Nature,?188?(1960)?579

2胡樹國?金美蘭?蓋良京??利用脈沖放電氦電離色譜檢測高純氣體中微量無機雜質??計量技術?20071No?6??36-38