Устройство для определения температуры точки росы

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для определения точки росы паров летучих веществ в газовой фазе. Устройство для определения температуры точки росы содержит расположенную в корпусе конденсационную подложку, источник излучения в виде рентгеновской трубки с монохроматором и устройство регистрации отраженного от подложки излучения. Конденсационная подложка установлена на стенке устройства регулировки и измерения температуры. Монохроматор выполнен изогнутым с возможностью образования сходящегося пучка рентгеновских лучей. Устройство регистрации выполнено в виде линейного позиционно-чувствительного детектора. Полезная модель позволяет расширить арсенал функций устройства и обеспечить возможность оценки толщины слоя конденсата. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для определения точки росы паров летучих веществ в газовой фазе.

Из уровня техники известно устройство для определения точки росы, с помощью которого измеряют разность фаз между световыми лучами, отраженными от конденсационной поверхности охлаждаемого элемента и поверхности пленки конденсата, определяют толщину h пленки конденсата на конденсационной поверхности охлаждаемого элемента и по значению толщины пленки, образованной за определенный период времени, находят концентрацию конденсируемых примесей в заданном объеме исследуемого газа (см. патент RU 2231046, кл. G01N 25/66, опубл. 20.06.2004). Недостатком данного устройства является невозможность регистрации наноразмерной толщины пленки конденсата, обусловленная значительными длинами волн видимого света.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения температуры точки росы, содержащее расположенную в корпусе конденсационную подложку, установленную на стенке устройства регулировки и измерения температуры, источник излучения в виде рентгеновской трубки с монохроматором и устройство регистрации отраженного от подложки излучения (см. патент RU 103001, кл. G01N 25/00, опубл. 20.03.2011). Недостатком известного устройства является отсутствие корреляции между сигналом, формируемым на устройстве регистрации, и количеством конденсата.

Задачей полезной модели является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в расширении арсенала функций устройства и обеспечении возможности оценки толщины слоя конденсата. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве для определения температуры точки росы, содержащем расположенную в корпусе конденсационную подложку, установленную на стенке устройства регулировки и измерения температуры, источник излучения в виде рентгеновской трубки с монохроматором и устройство регистрации отраженного от подложки излучения, монохроматор выполнен изогнутым с возможностью образования сходящегося пучка рентгеновских лучей, а устройство регистрации выполнено в виде линейного позиционно-чувствительного детектора. Плотность материала подложки предпочтительно меньше плотности образующегося конденсата. При этом угол сходимости пучка рентгеновских лучей составляет 0.4-0.6°, а диапазон углов скольжения лучей в этом пучке включает угол полного внешнего отражения.

На фиг.1 представлена рентгенооптическая схема предлагаемого устройства;

на фиг.2 изображена зависимость коэффициента отражения рентгеновского излучения R от угла скольжения ® для подложки из пористого кремния (точки) и слоя воды толщиной 30 нм на ней (сплошная линия).

Предлагаемое устройство для определения температуры точки росы состоит из источника излучения 1, изогнутого монохроматора 2, конденсационной подложки 3 и устройства регистрации 4, расположенных в едином корпусе (на чертежах не обозначен). Источник излучения 1 выполнен в виде рентгеновской трубки. Изогнутый монохроматор 2 образует сходящийся пучок рентгеновских лучей с углом сходимости 0.4-0.6°, причем диапазон углов скольжения лучей в этом пучке включает угол полного внешнего отражения. Конденсационная подложка 3 установлена на стенке устройства регулировки и измерения температуры (на чертежах не показано). Устройство регистрации 4 отраженного от подложки 3 излучения выполнено в виде линейного позиционно-чувствительного детектора.

Критерием выбора материала подложки является соотношение величин углов полного внешнего отражения подложки и конденсирующегося на ней вещества, определяемых их декрементами преломления (плотностями). В общем случае уравнение для амплитуды коэффициента отражения от системы пленка-подложка (r₃₁)

можно представить в виде:

где r₂₁ и r₃₂ - френелевские коэффициенты отражения рентгеновского излучения от соответствующих границ раздела, f₂₁ и f₃₂ - факторы, учитывающие влияние шероховатости границ раздела, - разность фаз волн, отраженных от каждой из границ раздела.

Коэффициент отражения от всей структуры в целом:

Если плотность материала подложки меньше плотности конденсата, то коэффициент отражения и интенсивность зеркально отраженного рентгеновского излучения от системы подложка-конденсат резко возрастает. Например, для того, чтобы регистрировать конденсацию воды, подложку следует изготавливать из пористого кремния с плотностью, вдвое меньшей плотности объемного кремния. На сегодняшний день пористый кремний является доступным материалом и технология его изготовления хорошо отработана. Пример угловой зависимости коэффициента отражения рентгеновского излучения для слоя воды толщиной 30 нм на подложке из пористого кремния приведен на фиг.2.

Угловая зависимость интенсивности отраженного излучения регистрируется в заданном угловом диапазоне с помощью линейного позиционно-чувствительного детектора. Применение такого детектора позволяет по угловой зависимости интенсивности рентгеновского излучения оценить толщину слоя конденсата. При этом преимуществом предлагаемого устройства является высокая чувствительность к толщине конденсирующегося слоя, которая делает возможным обнаружение пленки толщиной всего несколько нанометров, что не доступно для оптических методов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В рабочую камеру корпуса устройства подается исследуемый газ. Пучок рентгеновского излучения от источника 1 направляется в блок монохроматора 2 и, отражаясь от его искривленной поверхности, образует сходящийся пучок, после чего падает на подложку 3 под скользящими углами. Подложка 3 охлаждается с помощью устройства регулировки и измерения температуры. В тот момент, когда температура подложки 3 становится равной точке росы, на ней образуется слой конденсата. Наличие конденсата резко увеличивает долю отраженного излучения, что фиксируется устройством регистрации 4 и идентифицируется как наличие в газе компонента с температурой точки росы, равной текущему значению на устройстве регулировки и измерения температуры. По угловой зависимости интенсивности рентгеновского излучения, фиксируемой линейным позиционно-чувствительным детектором, оценивают толщину слоя конденсата.

Таким образом, предлагаемое устройство не только позволяет определить точку росы компонентов исследуемого газа, но и определить толщину слоя образовавшегося конденсата, т.е. оценить их концентрацию.

1. Устройство для определения температуры точки росы, содержащее расположенную в корпусе конденсационную подложку, установленную на стенке устройства регулировки и измерения температуры, источник излучения в виде рентгеновской трубки с монохроматором и устройство регистрации отраженного от подложки излучения, отличающееся тем, что монохроматор выполнен изогнутым с возможностью образования сходящегося пучка рентгеновских лучей, а устройство регистрации выполнено в виде линейного позиционно-чувствительного детектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плотность материала подложки меньше плотности образующегося конденсата.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что угол сходимости пучка рентгеновских лучей составляет 0,4-0,6°, а диапазон углов скольжения лучей в этом пучке включает угол полного внешнего отражения.