脉冲氦离子化气相色谱仪

《脉冲氦离子化气相色谱仪》涉及一种用于高纯气体和电子工业气体检测领域的脉冲氦离子化气相色谱仪。

截至2009年8月，中国国内对于高纯气体和电子工业气体还没有一种可以同时测定所有杂质的仪器，传统的气相色谱仪配备转化炉加氢火焰离子化检测器，虽然灵敏度高，但只能测定一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物。而热导检测器能测定无机组分但灵敏度又太低。也有一些配有高灵敏度检测器的仪器出现，如氧化锆检测器，氩离子检测器等，灵敏度虽然很高，但因为都具有选择性，只能检测某一种气体或者要和其他分析仪器配合才能完成所有杂质组分测定，所以换不能被大多数用户接受。

高灵敏度检测器的出现，将高纯气体分析至少提高2个数量级，脉冲氦离子化检测器是一个通用检测器，它对无机和有机组分都有很高的响应，所以杂质组分的分离又成了一个新问题，传统的高纯气体和电子工业气体分析都采用六通阀进样，一根色谱柱分析，这样主组分后的相邻杂质组分都在主峰的拖尾上，离主组分越近分离就越难。成为制约高纯气体检测的又一瓶颈。

美国GOW-MAC也生产有一种气体分析仪，其所用检测器为直流氦离子化检测器，虽然可以达到分析要求，但没有取样处理、尾气处理和计算机反控单元，而且整机价格昂贵每台达七十到一百多万元，很难被中国国内用户广泛接受。因此，能满足检测结果的灵敏度，重复性，符合行业标准且价格合理能为广泛用户接受的氦离子化色谱仪成为研究方向。

图1是《脉冲氦离子化气相色谱仪》安装布局示意图；

图2是《脉冲氦离子化气相色谱仪》气路流程图；

图3是《脉冲氦离子化气相色谱仪》的氦离子化检测器示意图；

图4是《脉冲氦离子化气相色谱仪》尾气处理单元示意图；

图中：1-1、色谱柱箱；1-2、氦离子化检测器；1-3、辅助柱箱；1-4、自动切换阀；1-5、电路控制单元；1-6、气路控制单元；1-7、信号采集与数据处理单元；1-8、尾气处理单元；

2-1、样品气；2-2、带放空取样针阀；2-3、固态过滤器；2-4、99.999％高纯氦载气；2-5、固态过滤器；2-6、氦气纯化器；2-7、带吹扫十通阀；2-8、带吹扫四通阀；2-9、带吹扫四通阀；2-10、定体积采样管；2-11、高分子聚合物色谱柱（预切柱）；2-12、5A分子筛色谱柱；2-13、高分子聚合物色谱柱；2-14、5A分子筛色谱柱；2-15、脉冲氦离子化检测器；

3-1、放电气入口；3-2、放电电极；3-3、收集极；3-4、色谱柱接口；3-5、尾气出口；3-6、偏转电极；3-7、透光管；3-8、检测器池体上座；3-9、检测器池体下座；3-10、加热棒和铂电阻；

4-1、两通电磁阀；4-2、两通电磁阀；4-3、两通电磁阀；4-4、真空泵；4-5、三通电磁阀；4-6、三通电磁阀；4-7、两通电磁阀；4-8、吸收瓶；4-9、高温反应装置。

2021年6月24日，《脉冲氦离子化气相色谱仪》获得第二十二届中国专利优秀奖。 2100433B

《脉冲氦离子化气相色谱仪》通过以下方式实施：一种用于高纯气体和电子工业气体检测的氦离子化气相色谱仪包括载气处理单元、取样和进样单元、气路控制单元、电路控制单元、分离单元、检测单元、尾气处理单元、信号采集和数据处理单元。

载气处理单元是在纯度高于99.999％的高纯氦气2-4后面，接一高精度的固态过滤器2-5，后面再接一个氦气纯化器2-6。

取样单元为取样和自动进样单元，由无死体积带放空取样阀、带吹扫十通阀和定体积采样管构成，是一连接在样品气2-1钢瓶上的带放空取样针阀2-2，后接一高精度固态过滤器2-3，通过不锈钢管道再连接到带吹扫十通阀2-7上，进样体积取决于装在带吹扫十通阀2-7上的定体积采样管2-10。

气路控制单元1-6位于仪器右侧箱体，由载气稳定和控制流量部分组成，确保载气压力和流量的稳定。

电路控制单元1-5位于所述气路控制单元下部箱体，主要有操作和控温电路，信号放大电路，检测器脉冲高压电路，合理的布局和高质量的电器元件使电路部分更加稳定，确保仪器的长时间运行。

分离单元由一个带吹扫十通阀2-7，第一带吹扫四通阀2-8、第二带吹扫四通阀2-9第一高分子聚合物色谱柱2-11、第一5A分子筛色谱柱2-12、第二高分子聚合物色谱柱2-13和第二5A分子筛色谱柱2-14构成，如附图2连接而成，三个自动切换阀1-4位于仪器上部，3根色谱柱位于中部色谱柱箱内1-1，一根分子筛色谱柱位于辅助柱箱1-3中，通过在工作站上设定三个自动阀的时间程序来完成切割。以分析高纯氩气为例，分析过程如下：带吹扫十通阀2-7切换，定体积采样管中的样品在99.999％高纯氦载气2-4的带动下进入第一高分子聚合物色谱柱2-11（即预切柱）预分离，当主峰完全进入第一5A分子筛色谱柱2-12转动带吹扫十通阀2-7让剩余组分进入第二高分子聚合物色谱柱2-13再次分离，进入第一5A分子筛色谱柱2-12中的样品再次分离H₂最先流出进氦离子化检测器检测，H₂出完后转动第一带吹扫四通阀2-8让主组分Ar通过热导（TCD）检测器监测放空，当N₂出来之前转动第一带吹扫四通阀2-8让剩余的Ar、N₂、CH₄、CO进入第二5A分子筛色谱柱2-14再次分离，因为Ar为主组分，含量非常大，所以从第一5A分子筛色谱柱2-i2中出来的N₂、CH₄在主峰Ar的拖尾上，必须再次分离，经过第二5A分子筛色谱柱2-14分离出来的Ar可通过切换第二带吹扫四通阀2-9来选择放空或进氦离子化检测器。通过调整载气流速使第二高分子聚合物色谱柱2-13中分离出的CO₂在H₂出完后进脉冲氦离子化检测器检测。对于不同气体分析流程不变，只是三个阀的切换时间不同。

检测单元为脉冲氦离子化检测器和热导检测器。脉冲氦离子化检测器1-2，位于仪器柱箱上部辅助柱箱1-3的前面。脉冲氦离子化检测器结构原理如附图3所示，一路氦载气从放电气入口3-1处进入检测器池体，在放电电极3-2产生的高压电场激发跃迁至基态，形成连续的高能辐射光，这个能量可电离除氖外的所有物质，色谱柱接在色谱柱接口3-4。当从色谱柱流出的组分被电离，在偏转电极3-6的作用下形成离子流，被收集极3-3收集放大产生信号。氦离子化检测器，包括放电部分、与放大器相连的信号收集部分和色谱柱，放电部分为置于检测器池体上座3-8中的脉冲放电部分；信号收集部分和色谱柱依次置于检测器池体下座3-9中；色谱柱旁设有加热棒和铂电阻3-10。

直流放电部分由两个位置相对的发射极、一个透光管组成的放电部分。信号收集部分由位置相对的偏转电极3-6和收集极3-3构成，且位于透光管3-7的下方。上座与下座通过密封层相连，透光管的两端位于发射极和收集极之间。

发射极的电极为0.2~0.5毫米的白金丝，其间距为0.8~1.2毫米。透光管3-7为无色蓝宝石透光管。尾气排出口3-5位于偏转电极的下端。

信号采集与数据处理单元1-7为一安装色谱工作站的电脑，电脑和仪器用数据线连接，通过工作站可实现电脑对色谱仪的控制，而且可完成对谱图的结果处理和数据保存。在仪器开始进样启动的同时，工作站也启动，开始信号的采集并记录，等采样结束，谱图读取到后处理界面时，系统按照已存的标准信息表自动计算结果并按默认路径保存。界面清楚，操作简单。

尾气处理单元1-8是指将样品出口和分析完的废气通过该装置处理，使其可直接排入大气中，对分析人员不会造成危害，也不会污染环境。分析中，由于样品种类多，有些腐蚀性气体或毒性气体不可直接排放，如附图4所示：对于无毒、无腐蚀性的惰性气体可打开三通电磁阀4-5直接排空。对于有毒气体如H₂S、SO₂等气体则打开三通电磁阀4-6和两通电磁阀4-7将尾气用碱液吸收。对于硅烷等氢化物气体，则要先关闭两通电磁阀4-2和4-3，打开两通电磁阀4-1和4-7，吹扫整个样品气路空气，吹扫完成后，关闭两通电磁阀4-1、4-2、4-7。打开真空泵4-4和两通电磁阀4-3对气路抽真空，抽完后，再关闭两通电磁阀4-3打开两通电磁阀4-2和三通电磁阀4-6，硅烷尾气经高温反应装置吸收。高温反应装置为内装吸附剂GDK-210，外加热至380~450摄氏度的反应装置。《脉冲氦离子化气相色谱仪》所采用的电磁阀和真空泵都可通过工作站控制，也可编时间程序自动运行。

《脉冲氦离子化气相色谱仪》将几个重要的部件有效地结合在一起，达到了理想的效果，稳定的气路控制和电路控制部分能确保仪器长时间开机工作，对于高纯气体中各项杂质均能表现出很好的响应，测定结果能满足气体标准要求。而且操作简单，整个运行过程全部自动化控制。

脉冲氦离子化气相色谱仪专利目的

《脉冲氦离子化气相色谱仪》的目的是提出一种可一次进样完成气体所有杂质组分全分析的仪器，公开一种脉冲氦离子化气相色谱仪。

脉冲氦离子化气相色谱仪技术方案

《脉冲氦离子化气相色谱仪》是这样实现的：一种脉冲氦离子化气相色谱仪，包括载气单元、取样单元、气路控制单元，电路控制单元，分离单元和检测单元，其特征在于：还包括尾气处理单元及信号采集与数据处理单元，所述的尾气处理单元接收分离单元排出的废气，它是加吸附剂的高温解毒装置。所述信号采集与数据处理单元为反控色谱工作站，可完成谱图的采集与数据后处理工作，对分离单元的被测气体进行各组分的定性定量分析。所述载气单元为载气处理单元由固态过滤器和氦气纯化器构成，提供高纯度载气给分离单元。所述取样单元为取样和自动进样单元，由无死体积带放空取样阀、带吹扫自动六通阀和定体积采样管构成，采样气进入分离单元时，保证切换时无空气渗漏而影响分析系统。所述分离单元设有3个带吹扫的自动切换阀：1个为带吹扫的六通阀，2个为带吹扫的四通阀。采用三阀四柱切换流程，运用前切、后切、中心切割手段完成组分的全分离。所述检测单元为脉冲氦离子化检测器。所述气体控制单元设有确保载气压力和流量稳定的载气稳压装置流量控制器。

所述电路控制单元设有操作和控温电路，信号放大电路、检测器脉冲高压电路。所述分离单元设有三个带吹扫的自动切换阀。所述检测单元为脉冲氦离子化检测器。

高纯气体的分析是受多方面因素制约的，光有高灵敏度检测器并不能解决问题，《脉冲氦离子化气相色谱仪》产品脉冲氦离子化气相色谱仪从取样方式、载气处理、检测器、分离方法、色谱柱和管道处理等几个方面做了重大突破。

一、样品取样方式的改变

配备了无死体积带放空专用取样阀，取样阀是带放空吹扫的耐高压针型阀，样品进口加装高精度的固态过滤器，降低了样品中固体颗粒对阀件的损害。采用带吹扫保护的进样方式，避免了空气渗入的问题，使所取样品具有代表性，将取样过程对分析的影响降至最低。

二、载气纯度的提高

从色谱的检测原理来看，载气的纯度至少要高于样品一个数量级，要检测高纯度的气体，所用载气纯度就要更高，所以仪器在高纯度氦载气出口处配备了高精度的固态过滤器和氦气纯化器，固态过滤器可将载气中固体颗粒降至2微米以下，氦气纯化器的纯化机制是一种无挥发性的吸附合金，具有良好的热稳定性，理论上可将载气纯化到10十亿分比浓度以下，杂质吸附能力强，使用方便，直接接通电源即可完成操作，载气纯度可达8N级。

三、采样的准确性、进样阀和切换阀空气吹扫及渗漏问题的解决

分析所用样品定量由定体积采样管和通过采样管的气体流量决定，流量可由样品出口处安装的流量计调节，采用带吹扫功能的进样阀和切换阀，使阀平面始终处于载气氛围中，保证切换时无空气渗漏而影响分析系统。

四、切换流程的选择

仪器上的两个辅助柱箱可分别随意设定温度，根据具体分析要求可放置不同的色谱柱，设定不同的温度条件。采用三阀四柱的切换流程，样品通过在不同色谱柱间的切割与反吹，将主组分放空，杂质组分通过改变各自分析柱的条件分别流入检测器。解决了主组分和相邻杂质的分离问题，可实现一次进样完成所有杂质组分的分离，也可以满足吸附氧和吸附二氧化碳的流程。

五、色谱柱和管道的处理

流程图中的色谱柱为60~80目的高分子聚合物担体，和60~80目分子筛色谱柱，色谱担体均经过特殊处理，有效的避免了氧、一氧化碳的吸附问题，采用直径1/8英寸的色谱柱，色谱柱管和气路管道内壁经过钝化处理，避免吸附问题，所有的色谱柱接头和气路接头均采用卡套式无死体积两通接头，确保系统气路的气密性。

六、检测器的灵敏度

选用该公司的氦离子化检测器，检测限可达纳克/克（十亿分比浓度）级，是2009年8月前灵敏度最高的通用型检测器，对除氖以外的所有无机和有机物均有很高响应，非常适合永久性气体的分析。

脉冲氦离子化气相色谱仪有益效果

1、使用了新型的氦离子化检测器，灵敏度更高，且无放射源存在，检测器本身为一种脉冲高压放电模式，对人无伤害，不污染环境。

2、阀切换流程使主组分不进入检测器，增加了分离度，提高了灵敏度。

3、所有进样和切换阀都是自动运行，比以往的手动阀切换更准确，更方便，而且分析时间缩短，提高了工作效率。

4、增加了尾气处理单元，尤其对电子气分析更加安全，减少对分析人员的伤害。

1.一种脉冲氦离子化气相色谱仪，包括载气单元、取样单元、气路控制单元，电路控制单元，分离单元和检测单元，其特征在于：还包括尾气处理单元及信号采集与数据处理单元，所述的尾气处理单元接收分离单元排出的废气，所述尾气处理单元是加吸附剂的高温解毒装置，所述信号采集和数据处理单元为反控色谱工作站，完成谱图的采集和数据后处理工作，对分离单元的被测气体进行各组分的定性定量分析，所述载气单元为载气处理单元，由固态过滤器和氦气纯化器构成，提供高纯度载气给分离单元，所述取样单元为取样和自动进样单元，由无死体积带放空取样阀、带吹扫十通阀和定体积采样管构成，样品气进入分离单元时，保证切换时无空气渗漏而影响分析系统，所述分离单元为三阀四柱切换流程，所述的三阀四柱为第一带吹扫四通阀（2-8）、第二带吹扫四通阀（2-9）、带吹扫十通阀（2-7）、第一高分子聚合物色谱柱（2-11）、第一5A分子筛色谱柱（2-12）、第二高分子聚合物色谱柱（2-13）和第二5A分子筛色谱柱（2-14）构成，采用前切、后切、中心切割手段完成组分的全分离，所述检测单元为脉冲氦离子化检测器和热导检测器；分析高纯氩气时，分析过程如下：带吹扫十通阀（2-7）切换，定体积采样管中的样品在99.999％高纯氦载气（2-4）的带动下进入第一高分子聚合物色谱柱（2-11）预分离，当主峰完全进入第一5A分子筛色谱柱（2-12）转动带吹扫十通阀（2-7）让剩余组分进入第二高分子聚合物色谱柱（2-13）再次分离，进入第一5A分子筛色谱柱（2-12）中的样品再次分离H₂最先流出进脉冲氦离子化检测器检测，H₂出完后转动第一带吹扫四通阀（2-8）让主组分Ar通过热导检测器监测放空，当N₂出来之前转动第一带吹扫四通阀（2-8）让剩余的Ar、N₂、CH₄、CO进入第二5A分子筛色谱柱（2-14）再次分离，经过第二5A分子筛色谱柱（2-14）分离出来的Ar通过切换第二带吹扫四通阀（2-9）来选择放空或进脉冲氦离子化检测器，通过调整载气流速使第二高分子聚合物色谱柱（2-13）中分离出的CO₂在H₂出完后进脉冲氦离子化检测器检测。

2.根据权利要求1所述的脉冲氦离子化气相色谱仪，其特征在于：所述气路控制单元设有确保载气压力和流量稳定的载气稳压装置流量控制器。