Измеритель атомарных потоков

(53) УДК 543.25 (088.8) во делам изобретений и открытийДата опубликования описания 25,09.80 М. Д. Гераимчук, В. К. Гришин, М. Н. Левин, С. Б. Свирщевский,П. М. Тала нчук и Ю. Е. Быстров(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ АТОМАРНЫХ ПОТОКОВ Изобретение относится к средствам из, мерения атомарных потоков кислорода в вакууме и может применяться для измерения при высоких температурах, исследовании космического пространства.Известны измерители атомарных потоков, содержащие, например, чувствительный элемент из окиси цинка, сопротивление которого изменяется при взаимодействии с атомарным потоком, например потоком атомарного кислорода 11.Однако такие измерители являются приборами одноразового измерения, на их показания существенное влияние оказывает молекулярный кислород и другие газы, это. приводит к значительному увеличению по грешности измерения атомарных потоков.Наиболее близким техническим решением является измеритель атомарных потоков, состоящий из системы нагрева, снятия сигнала и чувствительного элемента, например, из окиси свинца, сопротивление которого меняется под воздействием атомарного потока 12.Известное устройство имеет низкую точность измерения за счет влияния молекулярного кислорода и наличия других ком 2понентов газовой смеси. Оно требует сложной технологии при подготовке их к работе (пассивированию и т.д.), что приводит к сложности их применения для измерения в вакууме, Известное устройетво также не позволяет проводить непрерывные измерения изменения атомарного, потока в течение длительного времени. Низкая точность известного устройства за счет влияния молекулярных потоков обусловлена тем, что в данном устройстве регистрация атомарного тц потока выполняется по вплескам сигнала нафоне какого-то определенного сигнала, зависящего от молекулярного потока, однако этот сигнал также изменяется и вносит ошибку в сигнал, вызываемый атомарным потоком, В случае же, когда величина всплесков сигнала от атомарного потока близка к.величине сигнала, вызванного наличием молекулярных газов, это разделение сигналов, снимаемых с чувствительного элемента, невозможно, и определить за счет чего изменяется сигнал также невозможно. Цель изобретенияувеличение чувствительности и точности измерителя атомарных потоков.Укаэанная цель достигается тем, что чув. ствительный элемент выполнен в виде усе.ченного конуса, например, из твердого электролита, на внутреннюю торцовую и боковуюповерхность которого нанесены электроды,выполненные, например, иэ платины, а наружная поверхность твердого электролита,соединена с электродом сравнения, образованным полостью между твердым электролитом и корпусом измерителя, заполненной,например, смесью металла с его окисью,На чертеже представлен схематическив разрезе измеритель атомарных потоков,Измеритель состоит из чувствительногоэлемента 1, выполненного в виде усеченного конуса, например, из твердого. электролита типа 0,85 ЕгО +0,15 ССаО, пористыхэлектродов 2 и 3, выполненных, например,из платины и нанесенных на торцовую 4и боковую 5 поверхности полости чувствительного элемента 1, Электрод сравнения 6выполнен в виде камеры между корпусом 7и чувствительным элементом 1, которая заполнена, например, смесью металла с егоокисью (Яв, ХвО). Электродом сравненияможет служить и газовая смесь, напримервоздух, кислород при постоянном давлении,Пространство электрода сравнения 6 герметизировано от окружающего, например, с по-мощью пайки. Электроды 2, 3 и 6 соединеныс входом суммирующего устройства 8, выход которого соединен с системой 9 снятия сигнала. Нагревательный элемент. измерителя на чертеже не показан,Работа устройства заключается в следующем,Поток газа совместно с атомарным потоком взаимодействует при попадании его в полость чувствительного элемента. первоначально сэлектродом 3, нанесенным на торцовую поверхность 5. С электродом 5 взаимодействует как атомарный так и молекулярный поток газа, например кислорода, поэтому ЭДС, возникаемая согласно закона Нернста за счет разности химическихпотенциалов с разных сторон твердого электролита, т,е. между электродами 3 и 6 будет функцией как молекулярного, так и атомарного потока газа, например, кислорода. Химический потенциал электрода сравнения 6 является постоянным. С электродом 2, за счет выполнения входной полости в виде конуса, будет взаимодействовать только молекулярный газ например, кислород; и ЭДС, между электродом 2 и электродом сравнения 6, образующаяся за счет разности химических потенциалов молекулярного кислорода электрода 2 и электрода сравнения 6, является функцией только молекулярного кислорода, так как химический потенциал электрода сравнения является постоянным при постоянной температуре. Атомарный поток, имея высокую активность, при первомже столкновении с электродом 3 будет поглощаться. Вероятность отражения атомар ного потока от электрода 3 очень незначительная и ей можно пренебречь. А так как входная полость выполнена в виде конуса, то прямой атомарный поток на электрод 2 попадать не будет, т.е. электрод 2 будет взаимодействовать только с молекулярным потоком газа, который имеется в полости и который может отражаться от электрода 3, ЭДС между электродами 2 и 6, 3 и 6, обусловленные в первом случае только молекулярным и во втором - Молекулярным 1 в и атомарным потоками газа, подаются навход суммирующего устройства 8, которое вычитает из ЭДС между электродами 3 и 6, ЭДС между электродами 2 и 6, результат регистрируется системой снятия сигнала.Химический потенциал (или парциальное давление), электрода сравнения 6 поддерживается постоянным при заданной температуре за счет протекания реакции окисления металла к его окиси, давление кислорода (химический потенциал) поэтому над данной смесью, соответствующее давлению диссоциации окисла, металла, будет постоянным и может быть расчитано с помощью термодинамических данных.При дополнительной регистрации сигна-ла между электродами 2 и 6 получаем сиг-. фф нал, пропорциональный молекулярному кислороду.Повышение чувствительности преобразователя достигается за счет того, что ЭДС между электродами 2 и 6 зависит только от молекулярного кислорода, который также учавствует в образовании ЭДС между электродами 3 и 6, поэтому в случае, когда молекулярный поток постоянен и изменяется только атомарныймалейшие его изменения приведут к изменению ЭДС между электроэю дами 2 и 3 и, соответственно, на выходе суммирующего устройства. Если же молекулярный поток не постоянен, то он будет вносить одинаковое изменение в ЭДС между электродом 2-6 и 3-6, а разность будет соответствовать величине атомарного потока.Это одновременно приведет и к повышению точности измерения. Точность увеличивается- также и за счет того, что и неосновные компоненты газовой смеси, которые в ней присутствуют, одинаково влияют как на 4 ЭДС между электродами 2 - 6 так и наЭДС между электродами 3-6, не влияя при этом на выходной сигнал суммирующего устройства, т.е, разность сигналов не будет зависеть от влияния дополнительных компонентов газовой смеси и является функцией фф только атомарного потока.Одним из преимуществ устройства, является также возможность регистрации молекулярного потока газа, для этого необходимо регистрировать ЭДС между электродами 2-6,Необходимо также отметить,что,чем больше угол конусности, тем выше точность измерения атомарного потока. Это объясняется тем, что в случае, если угол конусности763770 Формула изобретения Составитель И. Ф а Техред К. Шуфрич Тираж 019 И Государственного комитет делам изобретений и откр осква, Ж - 35, Раушская и аПатентэ, г, Ужгород, ул, зеииаКорректор М. ПожПодл нс ноеСССРтийб д. 4/5Проектная, Ф Редактор Э. ШибаеЗаказ 6272/37ВНИИПпо13035, МФилиал ППП мал, то на ЭДС между электродами 2-6 начинает влиять прямой атомарный поток, который частично попадает и на электрод 2, что приводит к ухудшению точности измерений,Данное устроиство позволяет производить измерения при высоких температурах.Изобретение обеспечивает непрерывность процесса измерения, высокую точность и чувствительность,1. Измеритель атомарных потоков, содержащий корпус, чувствительный элемент, электрод сравнения и измерительные электроды, отличающийся тем, что, с целью по- вышения точности и чувствительности измерения, чувствительный элемент выполненв виде усеченного конуса, из твердого элект-.ролита, на внутреннюю торцовую и боковуюповерхности которого нанесены измерительные электроды, а наружная поверхность твердого электролита соединена с электродомсравнения, образованным полостью междутвердым электролитом и корпусом измерителя, заполненной смесью металла с егоокисью.2. Измеритель по п. 1, отличающийся1 в тем, что измерительные электроды выполнены из платины.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Журнал физической химии, 49,5,1975, с. 1362-1363.2, Авторское свидетельство СССР463022, кл. 6 01 1 9/02, 1975.