Способ измерения концентрации ионов в газе и устройство для его осуществления

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 729496да делам нзобретеннй и открытий(72) Авторы изобретения В. Г. Костровский и М. П. Анисимов,Институт неорганической химии Сибирского отделения АН СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ГАЗЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к области газового анализа и касается способов и устройств регист. рации микропримесей.Известны способы регистрации ионов в газе, заключающиеся в измерении ионного тока через газ, находящийся между электродами, к которым приложена разность потенциалов, или в электрическом пробое межэлектродиого газового промежутка при попадании ионов в этот промежуток 113 н 121.Измерение ионного тока через гаэ дает возможность измерения концентрации ионов в болыцом динамическом диапазоне, а электри., ческий пробой позволяет регистрировать единич 15 ные ионы. Однако чувствительность первого способа ограничивается трудностями регистрации токов меньших 10 - 16"а. Реализация электрометрического усилителя, тока с такой чувствительностью, например в переносной аппаратуре, эксплуатируемой в условиях тряски, вибраций, переменной влажности и т.д, практически невозможна. Недостатком второго спосо. ба является маленький динамический диапазон 2измеряемых концентрацтй. Действительно, максимально возможная частота импульсов электрического пробоя в газе определяется временем, необходимым для рассасывания ионов в межэнектродном промежутке за счет процессов выноса и рекомбинации. При атмосферном дав. ленин газа это зр.мя составляет 10 о - 10 сек что не дает возможности проводить количест. венную регистрацию ионов с частотой, большей, чем 10 1/сек, С другой стороны естественный радиационный фон Земли, равный 1 - 10 ионов см /сек, ограничивает снизу возможность измезпения малых ионных концентраций. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения концентрации ионов в газе, заключающийся в регистрации тока разряда межэлектродного газового промежутка под действием периодического импульсного напряжения с амплитудой импульсов превышающей величину пробойного напряжения и с промежутком иежцу импульсами превышающими величину времени рассасывания зарядов 3),40 45 Я 55Устройство для осуществления этого способа содержит генератор импульсов, электроды иэлектрометрический усилитель тока,Указанный способ не позволяет достигнутьодновременно и чувствительности способа электрического пробоя и динамического диапазонаспособа, основанного на простом измеренииионного тока через газ, Причина ограничениячувствительности и динамического диапазоназаКлючается в том, что при использовании длинных импульсов высокого напряжения разрядстановится самостоятельным и ток разряда перестает зависить от исходной концентрации,ионов в газе. С другой стороны, при исйользовании коротких импульсов размножающиесяв процессе разряда ионы не успевают достигнуть электродов, в результате чего падает чувствительность способа.Вторым недостатком способа при использо.ванин коронного разряда является необходимость сохранения в относительно большей частиобъема межэлектродного промежутка пониженной напряженности электрического поля. Ионы,попавшие в эту часть объема не размножаются,что также приводит к снижению чувствительности и к трудностям, связанным с пЬискомспособа доставки подлежащих регистрацииионов в чувствительное место межэлектродногопромежутка с высокой напряженностью электрического поля,Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и расширение дина.мического диапазона измерений концентрацииионов в газе.Эта цель достигается за счет того, что длительность импульсов устанавливают короче времени развития разрядов, а между импульсамина разрядный промежуток подают постоянноенапряжение, по абсолютной величине ниже пробойного. Отличием устройства для осуществления этого способа является то, что оно содержит источник постоянного напряжения, включенный последовательно с выходом генератораимпульсов,Наличие ионов в межзлектродном промежут.ке в момент подачи на него сверхпробойногонапряжения вызывает лавинньгй процесс их размножения, В случае, когда длительность импульса сверхпробойного напряжения короче времени развития разряда, последний не успеваетпревратиться в самостоятельный, ионы размножаются не взаимодействуя друг с другом ипоэтому к моменту, окончания действия импульса их общее число пропорционально исходному перед началом импульса. Время развитияразряда зависит от давления, природы газа,геометрии электродов и т,д. и в разных экспе.риментах находится в пределах 10 - 10 сек. 5 10 й 5 30 25 30 15 Этим временем, например, определяется максимальная скорость срабатывания тиратронов,Процесс размножения ионов заканчиваетсяв момент окончания действия импульса, Поддействием постоянного напряжения, по абсолютной величине меньшего пробойного, ионы,находящиеся в межэлектродном промежутке,дрейфуют к электродам и разряжаются на ихповерхностях. Необходимым условием предотьвращения самостоятельного разряда являетсявывод из межэлектродного промежутка всехионов, родившихся за время действия импульса. Для выполнения этого условия следующийимпульс должен быть задержан на период больший времени рассасывания зарядов в межэлект.родном промежутке. Последнее определяетсяподвижностью ионов, величиной постоянногонапряжения, а также временем жизни метаста-бильных состояний в газе. Именно эти причи,ны ограничивают максимальную рабочую часто.ту тнратронов. В зависимости от типа газа,геометрии устройства и т.д. минимальный период следования импульсов может лежать впределах 1 ФУ сек,На чертеже изображена блок-схема предла.гаемого устройства, Она содержит источник постоянного напряжения 1, генератор импульсов 2,электроды 3, и электрометрический усилитель 4.Устройство работает следующим образом.Постоянное напряжение, по абсолютной ве.личине ниже пробойного, вырабатывается в источнике 1, Короткие импульсы высокого напряжения вырабатываются генератором 2 искладываются с постоянным напряжением наэлектродах 3. Ионный ток через газ регистри.руется электрометрическим усилителем 4. 11 роводшись измерения концентрации ионов в потоке гелия высокой чистоты, Ионы получались облучением газа Р.частицами, излучаемыми,титановой мишенью, насьпценной тритием с выходом 10 д ионов/сек. Анализируемый газ подавался в устройство через медную трубку внутренним диаметром 2 мм, Источник излучения располагался внутри этой трубки. Кон. центрация ионов в выходящем потоке регулировалась грубо - расстоянием от источника из. лучения до выходного торца трубки в пределах 1 - 20 см, а тонко - величиной расхода газа. Расход газа в пределах 0,5 - 10 смз/сек.регулировался игольчатым вентилем ротаметрг. На выходном конце трубки, подающей ионизированный газ через полиэтиленовую изолирующую муфту, устанавливались электроды 3. Один из них представлял собой отрезок такой же трубки длиной 20 мм, а с другой - медный стержень диаметром 1,4 мм, длиной 5 мм, располпженный внутри первого электрода на его оси. При этом зазор между электродами со ставлял 0,3 мм. Регистрация тока разряда в от. сутствии ионов и выключенном генераторе им.пульсов показала величину пробойного напряжения межэлектродного газового промежутка - 200 вольт. При подаче постоянного напряжения 100 вольт и хотя бы одного импульса амплиту дой 300 вольт и длительностью больше 200 нсек. между электродами зажигался самостоятельный дуговой разряд, ток которого ограничивался только входным сопротивлением электрометри ческого усилителя 4. При импульсах, короче 200 н.сек., дуговой разряд не возникает. Отношение показаний электрометрического усилите. ля при включенном и выключенном генераторе импульсов дает возможность измерить уси1 ление ионного тока испытываемым устройством. В зависимости от амплитуды, длительности и частоты импульсов, а также величины постоянного напряжения зто усиление Плавно регулиро валось в пределах от 1 до 10, Оптимальные 2 О значения электрических параметров в описываемом случае составили: величины постоянного напряжения - 100 вольт, амплитуда импульсов - 306 вольт, дщтельность - 100 н.сек.,25 частота - 10- При этом коэффициент усиления составляет величину К=10, диапазон измеряемых концентраций С макс 106С мин.Увеличеи 1 ие частоты следования импульсов З 0 выше 10 - в приведенном примере привосекдит к зажиганию самостоятельного дугового разряда.Используемый в способе лавинообразный . процесс размножения ионов под действием сверх- З пробойного напряжения является основой для увеличения чувствительности измерений, Короткое время существования сверхпробойного напряжения не дает возможности развиваться вторичным процессам электрического разряда 40 в газе, таким как вторичная электронная эмиссия с электродов, рекомбинация ионов, повышение температуры и тд. Существование постоянного напряжения ускоряет процесс рассасывания ионов, уменьшает вероятность их ре Б комбинации и поэтому позволяет зарегистрировать все ионы, развившиеся при размножении. Таким образом, в условиях постоянства амплитуды, длительности, частоты импульсов и величины постоянного напряжения, благодаря р отсутствию вторичных процессов электрического разряда, предлагаемый способ, во-первых,1 позволяет довести устойчивый коэффициент аазмножения ионов до величины 10 - то 6еесть увеличить чувствительность измерений кон. центрации ионов в миллион раз по сравнению с известным способом, основанном на измерении тока под действием напряжения, ниже пробойного по величине, во-вторых, одновременно достигнуть постоянства коэффициента размножения, попавших в межэлектродньй промежуток ионов, и получить линейную зави. симость между средним током через газ и ис-ходной концентрацией ионов в диапазоне ее изменения С макс. 106, что означает увеличе.С мнн.ние диапазона измереиий на пять порядков по сравнению с известным способом, допускающим полное развитие искрового или коронного раз. ряда, Кроме того, нредложенньщ способ поз. воляет использовать для регистрации ионов весь объем газа, находящийся между электродами, и снизить требования к геометрической форме электродов, что в свою очередь расширяет возможности применения способа.Формула изобретения1 Способ измерения концентрации ионов в газе, заключающийся в регистрации тока разряда межэлектродного газового промежутка под действием периодического импульсного напряжения с амплитудой импульсов, превышающей величину пробойного напряжения, и с промежутком между импульсами, превышающим величину времеви рассасывания зарядов, о тличающийся тем,что,сцельюповышсння производительности измерения длительности импульсов устанавливают короче време. ни развития разрядов, а между импульсами на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, по абсолютной величине ниже пробойного.2. Устройство для осуществления способа измерения котщентрации ионов в газе по п, 1, содержащее генератор импульсов, электроды и электрометрвческий усилитель тока, о т л и. ч а ю щ е е с я темчто оно содержит источник постоянного напряжения, включенный последовательно с выходом генератора импульсов.Источшки информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Капцов Н. А, "Электрические явления в газах и вакууме" ОГИЗ, М. - Л., 1947,с, 23-28. 2, Патент Франции Х 0 2212,380,:сл. О 01 й 27/70 - прототип, 1976.729496 Составитель. В. Екае Техред Н. Ковалева р С. Суркова тор М. Вигула аз 1253/3 ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Тираж 10 ЦНИИПИ Государственн по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Подписнокомитета СССРоткрытийшская наб., д, 4/5