Спектрометр ионов

пате:-:. Но те:,ичеонг,я . б. опоте:;ж Ы Б А Союз Советских Социалистических Республик/заявки Н 9 Заявлено 250рисоедииеиием ударственный комте СССР делам зобретенй отротй Приорите бликовано 050579, Бюлл аиия описан иь Йо 1 05,05,7 ата опубли 72) Авторы изобретения В.П.Реу н.Комаров 71) Заявители Казанский ордена Трудового Красного Знамениавиационный институт им, А.Н,Туполева и Институмедико-биологических проблем) СПЕКТРОМЕТР ИОН к пииь ии п Изобретение относится риборамдля измерения и регистрац спектрагазовых ионов и может быт спользовано в авиации, медицине ри физических исследованиях.:Известны устройства для определения спектра газовых ионов, измеряющие ток или заряд, созданный ионами в .в аспирационной ионной камере 11 .К недостаткам этих устройств сле"дует отнести большие затраты временина измерение спектра ионов и на обработку результатов Измерения,Наиболее близким к предложенномуявляется спектрометр ионов, содержащий аспирационную камеру, соединенную с усилителем, источник постоянного напряжения и регистратор 21 .Этот спектрометр имеет те же недос",.татки, что и спектрометр 1 . 20Цель изобретения - сокращениевремени измерений,Эта цель достигается тем, чтоспектрометр снабжен ионным затворомс блоком управления, генераторомпилообразного напряжения, блокамиопределения средних значений первойи второи производной приращения сиг-нала за Фиксированный промежутоквремени. Генератор пилообразного напряжения соединен с блоком опр деления второй производной, блокомуправления ионньи затвором и регистратором.на фиг.1 изображена функциональная схема спектрометра; на Фиг.2 диаграммы напряжения в различныхточках схемы,В корпусе 1 (см.фиг.1) аспирацнонной ионной камеры установлен навходе ионный .фильтр 2 или деиониэатор, соединенный с источником 3 питания, над ионным фильтром закреплен ионныйзатвор 4, соедийенныйс блоком 5 управления ионным затвором. В рабочем объеме аспирационнойионной камерыограниченном по длине сглаживающими электродами б и 7,соединенными через делитель 8 напряжения с источником 9 постоянногонапряжения-, установлен собирающийэлектрод 10, подключенный к усилителю 11. Усилитель через блок 12 определения средней величины первойпроизводной приращения сигнала зафиксированный интервалвремени подключен к блоку 1 Э определения средней величины второй производнойприращения сигнала за фиксированныйинтервал времени. Ко второму входублока 13 подключен генератор 14пилообразного напряжения, а выходблока 13 соединен через блок 15 коррекции с регистратором 16, к которому подключен генератор пилообразногонапряжения. Последний соединен такжес блоком 5 управления ионным затвором,На фиг,2 привецены зависимостинапряжения от времени 1:а - на выходахгенератора 14;б - на выходе блока 5;в - зависимость тока ."от времени 1 на 10входе усилителя 11; г - зависимостьсредней скорости приращения тока Ь/ь 1от времени 1 на выходе блока 12;д - зависимость среднего ускоренияприращения тока 6А (ЬЦ от времени15на выходе блока 13.лспирационная ионная камера можетбыть как плоской, так н цилиндрической, но поскольку расчетные соотношения у них различны, при описанииработы спектрометра ионов будем рассматривать плоскую аспирационную ионную камеру.При работе спектрометра корпус 1заземлен, на электроды ионного фидыра 2 подано напряжение от источника3 питания такой величины, чтобы всеионы, которые попадают в ионныйфильтр вместе с воздухом илигазом,осаждались в ионном Фильтре и не проХодили в рабочий объем аспирационнойионной камеры. Если на ионный затвор4 от блока управления Ь не поданонапряжение, то ионы вместе с воздухом пройдут внутрь аспирационной ионной камеры через щель между ионным фФильтром 2 и ионным затвором 4. Еслиже на ионный затвор подано найряжение, то воздух или газ будет полностью деионизирован, и ионы вйутрь"аспирационной ионной камеры не пройдут. 40Для тогочтобы можно было точно определить спектр подвйжиостей ионов,. рабочий объем аспирационной ионнойкамеры ограничен сглаживающими электродами б и 7, на которые через делитель 8 напряжения от" источника 9постояйного напряженияподано напряжение:о(1)игде 1(ц)- величина напряжения наэлектроде б или 7, расположенном нарасстоянии ц от корпуса 1цц"о- разность -пбтенцйалов"коРпуса 1 и собирающего электрода 10;б " расстояние междукорпусом1 й собирающим электродом 10.При вйполнении усповия (1) потенциал в любой точке, ограниченнойкорпусом 1 и электродами 6,7,10, будет соответствовать выражению (1)Итак, если,к ионному затвору 4не приложено напряжение от блока 5управления, то в рабочий объем аспирационной ионной камеры будет про ходить узкая полоса ионизированного газа, ионы которого под деиствием электрического поля, созданного между корпусом 1, сглаживающими электродами б и 7, подключенными через делитель 8 напряжения к источнику 9 постоянного напряжения, и собирающим электродом 10, подключенным через усилитель 11 к тому же источнику постоянного напряжения, устремятся, в зависимости от знака заряда, либо к корпусу 1, либо к сибирающему электроду 10, Те ионы, которые уйдут на корпус 1, в измерении не участвуют. Первые же ионы, устремившиеся к собирающему. электроду 10, наведут на нем ток, который будет изменяться в соответствии с кривой на Фиг.2,в. Поскольку ионы с разной подвижностью имеют разную скорость движения под действием электрического. поля, то и траектории у них будут разные, Время от момента входа иона в рабочий объем до момента осаждения иона на собирающий электродйТ= -к 0(2) где К - подвижность иона (сей/в сек,Поскольку после входа первыхионов в рабочий объем их количествовсе время растет, то растет и токчерез собирающий электрод 10 до технор, пока первые ионы с наибольшейподвижностью не коснутся собирающегоэлектрода (момент Т ; Фиг.2,в). Ээтот момент в кривой тока йоявитсяизгиб, ток начнет расти медленнее,только за счет более тяжелых ионов.Если в газе присутствуют ионы толькодвух подвижностей, то как только первые ионы с меньшей подвижноотью коснутся собирающего электрода 10, в кривой тока появится второй изгиб (момент Т, фиг.2,в), и ток станет постоянным, поскольку количество ионов, вновь попадающих в рабочий объем, равно количеству ионов, оседающих на собирающий электрод. Усиленный усилителем 11 ток попадает на вход блока 12 определения средних значений первой производной приращения тока за фиксированный интервал времени, сигнал на выходе которо го изображен на фиг,2,г.Дифференцировать ток нельзя из-за наложения на него шума (на кривых он не показан) . л определение средней величины приращения тока за Фиксированный интервал времени позволяет . усреднить шумовой сигнал, причем Фиксированный интервал времени ЬСможно изменять в зависимости от амплитуды шума. С блока 12 сигнал (Фиг.2,г) попадает на вход блока 13 определения средней величины приращения тока. (второй производной приращения) А(ь/д 1) (фиг.2,д).Концентрация ионов и их подвижность описываются выражениями:1 ьФ (3)Цгде и; - концентрация ионов с подвижностью 1(4) входит один и тот же параметр Т 1, для обработки сигнала необходим гене" ратор, напряжение на выходе которого пропорционально времени Т;, Эту Функцию и выполняет генератор 14 пилообразного напряжения, сигнал которого подается на блок 13 и регист- ратор 16, и одновременно, для синхронного управления работой спектрометра ионов, на блок 5 управления ион ным затвором (Фиг.2,а) .С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 15 коррекции , в котором производится умножение его на величину 1 еЗо , после чего 39 сигнал поступает яа регистратор 16. Если в качестве регистратора 16 применен самописец, то в нем запись по одной координате соответствует выражению (3), а по другой координате-выражению (4), т.е. получают зависимость концентрации ионов от величины, обратной подвижности.В момент 11(Фиг.2,б) от блока 5 управления ионньм затвором на ионный затвор 4 поступает напряжение запирания ионного затвора. Доступ ионов в рабочий объем камеры прекращается. Но поскольку в рабочем объеме ионы есть, то со временем их количество начнет уменьшаться за счет осаждения на собирающий электрод 10, поэтому ток через этот электродначнет падать (момент Тз, Фиг.2,в),. Первыми полностью осядут самые подвижные ионы, и в кривой тока появит И ся иэгиб (момент Т 4, Фиг.2,в), ток будет уменьшаться медленнее, затем осядут все оставшиеся ионы(момент Ту, Фиг, 2, в), и ток станет. рав- .ным нулю. Поскольку Форма и длительность 5 переднего и заднего Фронтов импульса тока (фиг.2,в) идентичны (если задний фронт импульса развернуть на 180 ), то они яесут и одинаковую иноФормацию о спектре, что и отмечено на Фиг.2,г и 2,д (графики здесь перевернуты, так как это нетрудно сделать электрическими методами в блоках 12 и 13).Дальше блок управления 5 ионным затвором снова снимает напряжение с ионного затвора, и процесс изме рения повторяется.Изменением скорости потока газаЧо или потенциала Оо можно, как и в прототипе, регулировать ширину измеряемого спектра.Принципиальным отличием предложенного спектрометра ионов от прототипа является то, чтО в яем время регистрацчи спектра равно времени переходного процесса в аспирациояной ионной камере, в то время как в прототипе переходной процесс является вредным явлением, и измерение спектра происходит только после окончания переходного процесса.Применение предложенного спектрометра позволяет сократить время регистрации спектра ионов, и значительно уменьшить влияние шумов на точность измерения.формула изобретенияСпектрометр конов, содержащий,аснирационную ионную камеру, сое;дияенную с усилителем, йсточяик пос.тоянного напряжения и регистратор,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью сокращения времени измерений,оч снабжен ионным затворОм с блокомуправления, генератором пилообразного напряжения, блоками. определениясредних значенийпервой и второй производной приращения сигнала за Фиксированный промежуток времени, причемуказанный генератор соединен с блокомопределения второй производной, блоком управления ионнык затвором ирегистратором.Источники ииФормации,прйнятыево внимание при экспертизе1.Таммет Х.Ф., Аспирационный метод измереийя спектра подвижностейаэроионов. Ученые записки НУ,вып.195. Тарту, 1967, с. 153-163.2. Авторскоесвйдетельство СССРМ 236065кл, Я 01 ЪЧ 1/16, 1967..Ковенская акаэ 2494 а СССРтий роектная едактор Т.Орловская/57 Тираж 922 ЦНИИПИ Государстве по делам изобре 113035 Москва, ЖРаушс лиал ППП фПатент, г.Ужгоро. Кимо КорректсПодписнонного комитетений и открыкая наб, д.