氣體檢測(cè)儀中PID光電離子傳感器的技術(shù)原理

日期：2025-04-25 12:10

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摘要：光離子化檢測(cè)器使用具有特定電離能（如10.6eV）的真空紫外燈（UV）產(chǎn)生紫外光，當(dāng)有機(jī)氣體分子通過在電離室內(nèi)對(duì)氣體分子進(jìn)行轟擊，把氣體中含有的有機(jī)物分子電離擊碎成帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，在極化極板的電場(chǎng)作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成可被檢測(cè)到微弱的離子電流。通常認(rèn)為PID 的響應(yīng)機(jī)理是電離電位等于或小于光能量的化合物在氣相中發(fā)出光電離。紫外燈光發(fā)出一定波長的光子流，經(jīng)窗**入電離室，載氣分子（C）的電離電位高于光能量，它不被電離。當(dāng)電離電位等于或小于光能量的組分（AB）...

光離子化檢測(cè)器使用具有特定電離能（如10.6eV）的真空紫外燈（UV）產(chǎn)生紫外光，當(dāng)有機(jī)氣體分子通過在電離室內(nèi)對(duì)氣體分子進(jìn)行轟擊，把氣體中含有的有機(jī)物分子電離擊碎成帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，在極化極板的電場(chǎng)作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成可被檢測(cè)到微弱的離子電流。

通常認(rèn)為PID 的響應(yīng)機(jī)理是電離電位等于或小于光能量的化合物在氣相中發(fā)出光電離。紫外燈光發(fā)出一定波長的光子流，經(jīng)窗**入電離室，載氣分子（C）的電離電位高于光能量，它不被電離。當(dāng)電離電位等于或小于光能量的組分（AB）進(jìn)入電離室，即發(fā)生直接或間接光電離。歸納起來有如下幾種：

（1）直接電離

被測(cè)組分AB 吸收光子（）直接電離成正離子，放出電子。

（2）間接電離

一種是組分分子吸收光子至激發(fā)態(tài)（AB*），然后發(fā)生電離。

如上所述，在電場(chǎng)作用下，電子e和正離子AB+分別向正、負(fù)極流動(dòng)，形成微電流，產(chǎn)生信號(hào)。

光離子化電流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如下：

1、Freedman 提出檢測(cè)器中實(shí)際測(cè)得的離子流（i）可以寫成：

式中：光輻射強(qiáng)度；F法拉第常數(shù)；N阿伏加德羅常數(shù)；組分的吸收橫截面；激發(fā)態(tài)分子的電離效率；L光吸收層厚度；［AB］被測(cè)物質(zhì)濃度。

當(dāng)PID結(jié)構(gòu)固定后，L就隨之固定，此時(shí)PID的摩爾響應(yīng)R只與和有關(guān)，既R=i/[AB]=K 。和的乘積又稱為光電離橫截面，與物質(zhì)的電離電位（IP）密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，IP是決定PID響應(yīng)的*重要因素。

2、光離子化電流即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目可以表示為：

式中：Ni光離子對(duì)數(shù)；σ_i光離子化吸收系數(shù)；σ₀-其他因素引起的吸收系數(shù)；單位時(shí)間進(jìn)入離子化池中的光子數(shù)目l光程長；N(t)單位體積內(nèi)被測(cè)物質(zhì)的分子數(shù)，即樣品濃度。

在σtN（t）《1的情況下，式（4）可簡化為：

式（5）表明，只有在樣品池光程l足夠短，樣品濃度足夠低的情況下，被測(cè)物質(zhì)濃度才與光離子化電流成線性關(guān)系。同時(shí)光離子化電流與真空紫外光強(qiáng)度φ，即單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入樣品池中光子的數(shù)目，成線性關(guān)系。

理論上，所有的化學(xué)物質(zhì)都能被離子化，但是它們被電離所需要的能量是不同的。能夠轉(zhuǎn)移一個(gè)電子和電離一個(gè)化合物的能量叫電離能，用電子伏特作為計(jì)量單位，電離能越高則氣體結(jié)合能越高。紫外燈所發(fā)出的能量也可以用電子伏特來計(jì)量。如果某種氣體的電離能低于燈發(fā)出的能量那么這種氣體將被電離。苯(Benzene)的電離能為9.24，它能被一個(gè)帶10.6 燈的PID檢測(cè)到。二氯甲烷(Methyl Chloride)電離能為11.32 ，它只能用11.7 燈檢測(cè)。一氧化碳(Carbon Monoxide)的電離能是14.01，現(xiàn)在沒有PID燈能檢測(cè)它。電離能(IP)的具體數(shù)據(jù)在NIOSH手冊(cè)中能查到，NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)的超過11000種化合物的數(shù)據(jù)庫來確定新化合物的電離能。

PID可測(cè)量的物質(zhì)范圍：

（1）PID可以檢測(cè)大多數(shù)有機(jī)化合物:混合物、碳類化合物。具體包括:有一個(gè)苯環(huán)的芳香族化合物包括苯，甲苯，乙苯，二甲苯、酮和帶一個(gè)羥基的醛類化合物包括丙酮，甲基酮和乙醛、胺和碳氨及氮氨類化合物如二乙基胺、鹵代烴類化合物如三氯乙烯，全氯乙烯、硫化物如硫醇類，磺化物、不飽和鏈烴如丁二烯，異丁烯、醇類如異丙醇，乙醇、飽和鏈烴如丁烷，辛烷。

（2）除了有機(jī)化合物，PID還能檢測(cè)某些無機(jī)物，包括:氨氣、半導(dǎo)體氣體:胂，磷化氫、硫化氫、氧化氮、澳、碘。

（3）PID無法檢測(cè)的物質(zhì):輻射、空氣(氮?dú)猓鯕猓趸迹羝?/span>)、有毒氣體(一氧化碳，氰化氫，二氧化硫)、天然氣(甲烷，乙烷)、酸類氣體(鹽酸，氫氟酸，硝酸)其它氟化物，臭氧、難揮發(fā)物:多氯聯(lián)苯，過氧化氫(PCBs)，油脂。

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