Спектрометр ионов

И ОПИСАН Е ИЗОБРЕТЕН И Я 407254 Союз Сфветеюа Социалистических РеспубликБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ависимое от авт. свидетельства-аявлено 06,Х 11,1971 ( 011 1/3 21537/26-25) присоединением заявки-Гасударственный камнтетссввта Министров ССвраа делам иэоьретеннйи аткрьпий ПриоритетОпубликовано 21,Х 1.1973. 621.387,424 (088.8 оллетень46 Дата опубликования описания 10.17.197 Авторизобрете П. Реут Казанский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институтЗаявите КТРОМЕТР ИОНО 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 как концентрации, так и спектра ионов, а также,к ограничению динамического диапазона измеряемых концентраций.Для расширения динамического 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 топав к одному из выводов источника питания.На фиг, 1 показана схема описываемогоспвктрометра; на фиг, 2 - кривые напряжен 10 сигнала на входе усилителя.Спектрометр содержит аспирационную ио 11"зационную камеру 1, источник 2 питания камеры, балансный потенциометр 3, резисторы 4 - 7 цепей обратной связи, усилитель 8, реги стратор 9.Высоковольтные электроды аспирационнойионизационной 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 электрод ионизационной камеры 1 соединен с усилите лем 8, выход, которого соединен с регистратором 9. Два дополнительных выхода усилителя 25 8 соединены с делителями цепей обратнойсвязи, состоящими из резисторов 7, 4 и 5, 6.Работает спектрометр следующим образом.Перед началом измерений потенциометром3 балансируют входную мостовую схему так, 30 чтобы изменение напряжения высоковольтно6065 го источника 2 не вызьгвало появление сигнала на входе усилителя 8. При сборке схемы подбирают делители 7, 4 и 5, 6 так, чтобы прои 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 включение 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 потен. циал ц(,.) еюСогде У(У) - значение потенциала собирающегоэлектрода в зависимости от времени;Я(1) - заряд, накопленный за это же время на собирающем электроде;Со - общая входная емкость усилителяс учетом емкости ионизационнойкамеры.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 Е - 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, = - +0,Ф - lаИ)г(1) где У(1) - напряжение обратной связи,0,(1) - напряжение собирающего электрода.А та(к как Ы(1) = 0, то Е,= - .Е2Если бы не было цепи обратной связи, вместо равенства (1) было бы:Е, = -- У,(1).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), У - амплитуда .сигнала, 1 - время, У - максймальная амплитуда еще не искаженного сигнала для кривой Б, Из 15 20 25 30 35 45 50 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;21Кпр фЕ,4где д - расстояние между электродами;ЬО - скорость потока воздуха;Е - напряжение между электродами;1 - длина собирающего электрода,При отсутствии обратной связи уравнение(3), если в нем заменить значение Е по формуле (2), будет11/К,р - (4)-- У (1) ЕИз уравнения (4) видно, что в результатезаряда собирающего электрода вносится погрешность в определении измеряемой.предельной подвижности ионов. Эта погрешность тембольше, чем больше измеряемая концентрацияионов, посколькуу (Р) "1 О(5)С,где п - концентрация ионов в единице объемавоздуха;е - заряд иона, равный 1,6.10 - щ Кл;У, - скорость потока воздуха,5 - площадь поперечного сечения рабочейчасти аспирационной ионизационнойкамеры;1 - время накопления,Если учесть, что измеряемая концентрацияионов колеблется от 10 до 1 О и выше ионовна 1 смз, то и значение У(Ц может менятьсяв таких же пределах. В результате измерениебольших концентраций методом накоплениястановится невозможным. Введение же обратной связи, компенсирующей величину У(1) вформуле (4), значительно расширяет динамический диапазон спектрометра и повышаетточность определения измеряемых предельныхподвижностей ионов, В результате этого интегрирующий спектрометр становится универсальным прибором, способным работать вшироком диапазоне измеряемых концентраций.Предмет изобретенияСпектрометр ионов, содержащий источник почитания, регистратор, аспирационную камеру с двумя крайними электродами и измерительным электродом, присоединенным к регистратору, электрометрический усилитель, отличаюи 1 ийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измеряемых концентраций407254 Составитель В. КимТехред 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, Раушская наб., д. 4/5Типография пр. Сапунова, 2 ионов, упомянутый усилитель снабжен двумя цепочками обратной связи с изолированными выводами, каждая из которых нагружена на омический делитель, причем одна крайняя точка этого делителя присоединена к одномуиз крайних электродов аспирационной камеры, а средняя точка - к одному из выводоисточника питания.