Спектрометр ионов

И

Ь г, ОПИСАН Е

ИЗОБРЕТЕН И Я л (,, .

407254

Союз Советсккв

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

Заявлено 06,Х11.1971 (№ 1721537/26-25) М. Кл. G 011 1/36 с присоединением заявки №вЂ”

Приоритет

Опубликовано 21.XI.1973. Бюллетень № 46

Дата опубликования описания 10.IV.1974

Гасударственный камнтет

Ссввта Министров NGP аа делам иэаьретеннй и аткрьпий

УДК 621.387.424(088.8) Автор изобретения

В. П. Реута

Казанский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт

Заявитель

СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ

Изобретение относится к приборам для измерения физических параметров атмосферы.

Известны спектрометры ионов, содержащие источник питания, регистратор, аспирационную камеру с двумя крайними электродами и измерительным электродом, присоединенным к регистратору, электрометричеакий усилитель. Количества ионов любого знака в таких спектрометрах измеряются методом накопления заряда на собирающем электроде аспирационной камеры. Спектрометры обладают самой высокой чувствительностью по сравнению со спектрометрами, в которых используются другие методы измерения спектра ионов.

Однако при измерении спектра легких ионов на обкладки ионизационной камеры подают достаточно малые потенциалы. В результате накопления заряда на собирающем электроде, на нем растет потенциал, который при достаточно больших концентрациях ионов становится сравнимым по абсолютной величине (и обратным по значку) с потенциалом на высоковольтном электроде. Это приводит к бльшим погрешностям в измерении ка к концентрации, так и спектра ионов, а также,к ограничению динамического диапазона измеряемых концентраций.

Для расширения динамичеокого диапазона измеряемых концентраций ионов в предлагаемом спектрометре электрометрический усилитель снабжен двумя цепочками обратной связи с изолированными выводами, каждая из которых нагружена на омический делитель, причем одна крайняя точка этого делителя

5 присоединена к одному из крайних электродов аспирационной камеры, а средняя точ«а— к одному из выводов источника питания.

На фиг. 1 показана схема описываемого спвктрометра; на фиг. 2 — кривые на пряже

10 сигнала на входе усилителя.

Спектрометр содержит аспирационную ио зационную камеру 1, источник 2 питания камеры, балансный потенциометр 3, резисторы

4 — 7 цепей обратной связи, усилитель 8, реги15 стратор 9.

Высоковольтные электроды аспирационной ионизационной камеры 1 соединены с источником 2 питания камеры (высокого напряжения), средняя точка .которого заземлена при

20 помощи потенциометра 3 через резисторы обратной связи 4 и 5. Собирающий электро|д ионизационной камеры 1 соединен с усилите лем 8, выход, которого соединен с регистратором 9. Два дополнительных выхода усилителя

25 8 соединены с делителями цепей обратной связи, состоящими из резисторов 7, 4 и 5, 6.

Работает спектрометр следующим образом.

Перед началом измерений потенциометром

3 балансируют входную мостовую схему так, 30 чтобы изменение напряжения высоковольтно407254

10

$2V пр — з

E>.l

65 го источника 2 не вызьгвало появление сигнала на входе усилителя 8. При сборке схемы подбирают делители 7, 4 и 5, 6 так, чтобы при подаче сигнала на вход усилителя 8 на резисторах 4 и 5 появлялся сигнал обратной связи, равный по амплитуде сигналу, снимаемому с собирающего электрода, а знак сигнала обратной связи на правых концах резисторов 4 и

5 соответствовал бы знаку подаваемого высоковольтного напряжения (согласное нключение сигнала обратной связи и высоковольтного напряжения). Затем через одну половину аспирационной камеры, например верхнюю, продувают исследуемый воздух. Под действием электрического поля ионы одного знака, в данном случае отрицательные, оседают на собирающем электроде, создавая на нем потенциал

U(t) = -Q(t) о пде U(t) — значение потенциала собирающего электрода в зависимости от времени;

Q(t) — заряд, накопленный за это же время на собирающем электроде;

C0 — общая входная емкость усилителя с учетом емкости ионизационной камеры.

Этот потенциал записывает после усиления регистратор 9. Если принять, что емкости между собирающим электродом и ионизационной камерой 1 и верхней и нижней обкладками равны, то напряжение, приложенное к высоковольтным обкладкам перед измерением, равно

Е/2, где E — напряжение источника 2.

В результате наличия цепей обратной связи, во время измерения в рабочей части ионизационной камеры (между собирающим и верхним электродом) будет напряжение:

Е, = — +U,(t) — U,(t), г (1) где U (t) — напряжение обратной связи, U(t) — напряжение собирающего электрода.

А vaz ка к Ui(t) =U (t), то Е,= —.

Е

Если бы не было цепи обратной связи, вместо равенства (1) было бы: — Uÿ (t).

2 (2) Равенство (2) имеет место для существующих в настоящее время счетчиков и спектрометров ионов, в которых используется режим накопления заряда. Из равенства (2) видно, что напряжение между электродами в рабочей части камеры является функцией времени.

На фиг. 2 показан ход связи кривых сигнала на входе усилителя 8 при наличии цепей обратной связи (кривая А) и без цепей обратной связи (кривая Б), U — амплитуда. сигнала, 1 — время, У вЂ” ма ксймальная амплитуда еще не искаженного сигнала для кривой Б. Из

55 сравнения этих кривых видно, что максимальная амплитуда неискаженного сигнала в спектрометре, в котором отсутствует компенсация изменения напряжения между электродами, значительно меньше, чем в предлагаемом здесь спектрометре.

Если аспирационная ионизационная камера плоского типа, то для нее предельная измеряемая подвижность ионов в общем случае будет; где d — расстояние между электродами;

V0 — скорость потока воздуха;

Š— напряжение между электродами;

1 — длина собирающего электрода.

При отсутствии обратной связи уравнение (3), если в нем заменить значение Е> по формуле (2), будет

d1V о (4) — U (8) Е

Из уравнения (4) видно, что в результате заряда собирающего электрода вносится погрешность в определении измеряемой.предельной подвижности ионов. Эта погрешность тем больше, чем больше измеряемая концентрация ионов, поскольку у() Q(t) n e VD,.S-t О 0 где п — концентрация ионов в единице объема воздуха; е — заряд иона, равный 1,6.10 †9 Кл;

V0 — скорость потока воздуха, S — площадь поперечного сечения рабочей части аспирационной ионизационной камеры;

f — время накопления.

Если учесть, что измеряемая концентрация ионов колеблется от 10 до 10 и выше ионов на 1 смз, то и значение U(t) может меняться в таких же пределах. В результате измерение больш их концентраций методо м накопления становится невозможным. Введение же обратной связи, компенсирующей величину U(t) в формуле (4), значительно расширяет динамический диапазон спектрометра и повышает точность определения измеряемых предельных псд вижностей ионов. B результате этого интегрирующий спектрометр становится универсальным прибором, способным работать в широком диапазоне измеряемых концентраций.

Предмет изобретения

Спектрометр ионов, содержащий источник почитания, регистратор, аспирационную камеру с двумя крайними электродами и измер ительным электродом, присоединенным к регистратору, электрометрический усилитель, отличаюи1ийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измеряемых концентраций

407254

Фиг. 2

Составитель В. Ким

Техред Т. Миронова

Редактор И. Шубина

Корректор В. Брыксина

Заказ 783/14 Изд. № 1044 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография пр. Сапунова, 2 ионов, упомянутый усилитель снабжен двумя цепочками обратной связи с изолированными выводам и, каждая из которых нагружена на омический делитель, причем одна крайняя точка этого делителя присоединена к одному из крайних электродов аспирационной камеры, а средняя точка — к одному из выводо» источника питания.