Способ измерения частоты прилипания электронов к молекулам газа

) С 01 И 27/66 О СРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений и достоверности их результатов, упомянутый газовыи промежуток дополнительно облучают импульсом ионизирующего излучения, длительность которого состав 0,1-0,4 времени прилипания элекв к молекулам газа, регистрирузу воздействующего излучения и етствующий ионизационный ток гас промежутка и определяют частоилипания электронов к молекулам по формуле Изме- ермаде и вып. 4 11 ен г,11 .2406 где а 1м об нно. СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Бродский В.В., Загни С.рение коэффициента прилипания тлизованных электронов в кислоров воздухе. - ЖТФ, т. 36, 1966,с. 672-678.2. Сг 1 чхег М. Г. апд осЬ. Л 1 г С(54)(57) СПОСОБ ИЭМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫПРИЛИПАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ К МОЛЕКУЛАМ ГАЗА, включающий облучение газовогопромежутка с плоскопараллельнымиэлектродами и постоянной напряженностью электрического поля, импульсомионизирующего излучения, длительностькоторого более чем на порядок превышает время прилипания электронов висследуемом газе, и регистрацию значений мощности дозы воздействующегоизлучения и ионизационного тока, про-текающего через промежуток, о т л и частота прилипания электронов;максимальные значениятока, протекающего черезгазовый промежуток,максимальные значениямощности дозы воздействующего излучения при первом и дозы при второлучениях соответствеИзобретение относится к измерительнои технике и может быть использовано в экспериментальной и технической физике при оценке ионизационных токов газовых промежутков и концентрации электронов в газовых смесяхионизационных лазеров,Известен способ определения частоты прилипания электронов к молекуламгаза, облучаемого ионизирующим излучением, основанный на измерении прошедшей через волновод СВЧ-мощности,Пучок ионизирующего излучения вводится в рабочий объем волновода, заполненного исследуемым газом. В волноводе от внешнего генератора с помощью петли связи возбукдаются СВЧ-колебания определенного типа. Регистрируют ослабление интенсивности радиоволны при ее распространении по заи лненному ионизованным газом вол-, 20новоду. По полученным данным математическим путем определяют частоту прилипания электронов к молекулам газа 1,Применение известного способа ограничено областью давлений исследуе мого газа Р( 150 мм рт,ст. из-засравнительно больрого разрешающеговремени детекторов СВЧ-колебаний ивозмокно лишь для электронов, находящихся в тепловом равновесии с газом, т.е. при нулевой напряженностиэлектрического поля в газе, в то время как на практике часто необходимознать частоту прилипания электроновв плотном газе (Р л 7 бО мм рт,ст.),имеющих энергии, значительно превышающие тепловую.Известен также способ измерениячастоты прилипания электронов к молекулам газа, включающии облучениегазового промежутка с плоскопараллельными электродами и постояннойнапряженностью электрического поляимпульсом ионизирующего излучения,длительность которого более чем напорядок превышает время прилипанияэлектронов в исследуемом газе 2 .Согласно этому способу производятоблучение газового промекутка с плоскопараллельными электродами импульсом ионизирующего излучения, мощностьдозы которого выбирается -такой,чтопроцессом электрон-ионной рекомбинации можно пренебречь, а длительность много больше времени прилипания электронов к молекулам газа.Во время облучения регистрируют мощность дозы воздействующего излучения и величину соответствующего этоймощности дозы ионизационного тока че рез газовый промежуток. По формуле 5 ЮОМ е Е о 1 Цопределяют частоту прилипания 1 1 Е)электронов к молекулам газа как Функцию напряженности электрического поля в газе Г =9 с,где 5 - площадь электродов;К - константа, численно равнаяколичеству ион-электронныхпар, образованный в единице объема газа при поглощении этим объемом дозыизлучения 1 Р;1) - мощность дозы воздействующего излучения,время, отсчитываемое от на.чала облучения;1 - ток, протекающий через промежуток;о - заряд электрона;Ч - дрейфовая скорость электронов;приложенная к электродамразность потенциалов;3 - междуэлектродное расстояние.Недостатком указанного способа является невысокие точность и достоверность результатов измерений частоты прилипания электронов к молекулам газа. Погрешность определениячастоты прилипания электронов зависит прежде всего от того, с какойпогрешностью известны значения величин 1 и Уе - числа пар ион-электронна 1 Р поглощенной в газе дозы излучения и дрейфовой скорости электронов в газе соответственно. Эти величины табулированы лишь для ряда простейших газов, для которых погрешностьопределения 9 ц (Ц складывается изпогрешностей регистрации ионизационного тока 1 Щ через газовый промежуток и мощности дозы воздействующего излучения 3 1) . При этом погрешность измерения частоты прилипанияможет быть сделана меньшей 5%, Темне менее, даже для газов с табулированными значениями величин К и Че,не представляется возмокным оценитьдостоверность полученных значенийчастоты прилипания электронов, таккак примеси данного конкретного газа и его давление могут отличатьсяот примесей и давления газа, при которых приведены значения К и ЧеВ случае газов, для которых отсутствуют табулированные значения величини М (например, для газов сложногосостава или газов с неконтролируемыми электроотрицательными примесями),по указанному способу возможно определение лишь величины СО=В)Че(Е) 1 -сечейия прилипания электронов к молекулам газа. Погрешность определениячастоты прилипания в этом случае может достигать 100 и более, при этомдостоверность полученного результатаоценить практически не удается, так1057840 2 л1 тО гп2 в 35 2 Вла=Д 2 где Устройство, с помощью которогореализуется предлагаймый способ, содержит стальной корпус 1, две диэлектрические шайбы , центральный электрод 3, свинцовый коллиматор 4, источник 5 питания и регистратор б про-текающего через промежуток тока.Проводятся измерения частоты прилипания электронов к молекулам воздуха при давлении Р =760 им рт.ст. На плоскопараллельные электроды воздушного промежутка, в качестве кото,рых служат корпус 1 и центральный электрод 3, разделенные диэлектрикак подобная оценка всегда проводится на основе определенных предположений о роде газа, его давлении величины дрейфовой скорости и т.д справедливость которых применяется априорно.Цель изобретения - повьыение точности измерений и достоверности получаемых значений частоты прилипания электронов к молекулам газа.Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты прилипания электронов к молекулам газа, включающему облучение газового промежутка с плоскопараллельными электродами и постоянной напря женностью электрического поля, импульсом ионизирующего излучения, длительность которого более чем на порядок превышает время прилипания электронов в исследуемом газе, и регист О рацию значений мощности дозы воздействующего излучения и ионизационного тока, протекающего через промежуток, последний дополнительно облучают импульсом ионизирующего излучения, 25 длительность которого составляет 0,1- 0,4 времени прилипания электронов к молекулам газа, регистрируют дозу воздействующего излучения и соответствующий ионизационный ток газового промежутка и определяют частоты прилипания электронов к молекулам газа по формуле где 9 С - частота прилипания электронов;1 ,12, - максимальные значениятока, протекающего че-4 Орез газовый промежутокпри первом и втором облучениях соответСтвенно;Зщ,П 2 п, - максимальные значениямощности дозы воздействующего излучения припервом и дозы при второмоблучениях соответственно.Введение повторного облучения одного и того же газового промежутка при неизменной разности потенциалов на его электродах импульсом излучения, длительность которого меньше 1времени прилипания электронов к молекулам газа, регистрация дозы воздействующего излучения и ионизационного тока газового промежутка и оп" ределение частоты прилипания электронов к молекулам газа по формуле позволяет, в сравнении с известным спо собом, повысить точность измерений частоты прилипания электронов к молекулам газа и достоверность получаемых результатов за счет исключения при определении частоты прилипания 65 величин, значения .которых непосредственно в эксперименте не олределяМтся(а именно, величин К и 7 е) , и,следовательно, вносящих в известныйспособ большую погрешность измеренийи определяющих малую достоверностьполучаемых этим способом результатов.На чертеже показана схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ,Способ осуществляется следующимобразом.Промежуток с исследуемым газом ичлоскопараллельными электродами, к,которым приложена постоянная разностьпотенциалов, облучают импульсом ионизирующего излучения, длительность которого на порядок и более превышаетвремя прилипания электронов, регистрируют.мощность дозы воздействующегоизлучения и протекающий через промежуток ионизационныи ток, тот же газовый промежуток облучают вторично импульсом излучения, длительность которого меньше времени прилипания электронов к молекулам газа, и регистрируют дозу воздействующего излученияи ионизационный ток, протекающий через промежуток. Облучение в обоихслучаях проводят при равных значениях приложенной к; электродаи разностипотенциалов. Частоту , прилипанияэлектронов к молекулам газаопределяют по отношению максимальных значенийионизационных токов, протекающих через промежуток, при первом и второмоблучениях 1 12 щ - максимальные значенияионизационного тока,протекатцего через газовый промежуток припервом и втором облучениях соответственно;Пщ,02 - максимальные значениямощности дозы воздействующего излученияпри первом и дозы привтором облучениях, соответственно,11057840 Первое облучение 11 с, ) 1 2 3 4 5 б Импульс 1 1 4 4 6 б Е, кВ/см мкс О 7 О 68 О 56 О 49 0 62 О 8зр 006 004 0,27 007 005 002 1 д, 10 Р/с). 4,6 2,8 7,3 1,9 1,3 0,61 Повторное облучение(Сс 1,") Импульсс эсрсрк 6,8 6,2 5,3 8,0 1 4 б 1 4 Е, кВ/см 1 4 б 1 4 б 0,58 5,6 1,2 0,5 4,2 0,950,4 Зкрад) 76 16 0 б б 7 14 1,2 , Л4,4 2 2 1 2 3 4 1,7 1 1 3 2 1 6 О 95 2,4 1 4 0,75 ческими шайбамн 2, высота которых б. =0,5 см, подается от источника 5 постоянного напряжения разность потенциалов М =0,5 ф 2, 3 кВ. Погрешность установки потенциалов не превышает 1. 5Таким образом, начальНая напряженность электрического поля в воздухе Е=7(М = (1,4, б) кВ/см. Протекающий между электродами воздушного промежутка ионизационный ток регистрируется осциллографом (регистратором 6), погрешность измерения тока при этом не превышает + 10, Регистрация дозы воздействующего излучения проводится с помощью термолюминесцен тных дозиметров,форма импульса излучения регистрируется с помощью фото" электронного умножителя (ФЭУ). По дозе за импульс и форме импульса излучения определяются эффективная 2 О длительность импульса излучения и максимальная мощность дозы.При использованных значениях напряженности электрического поля Е= = 1,4,6) кВ/см известные значения частоты прилипания электронов в воз" духе атмосферного давления лежат в уределах 1 ц = 1,5-5)10 с , что7 соответствует разбросу времен прилипания гп :. 1 с,: (70-20) нс. В соответствии с этим первое облучение проводилось на установке типа МИГ. Из таблицы,в которой приведены ус" ловия облучения и результаты Йзмерений протекающего через промежуток тока, видно, что длительность импульса излучения при этом изменялась от 490 до 800 нс, что почти на порядок превышает время прилипания электро,нов.. Составитель В.АлександровРедактор Н.Безродная Техред М.НадьКорректор Г.Огар Заказ 9576/46 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д,4/5Филиал ППП "Патентп, г,ухгород, ул,Проектная, 4 В этом случае реализуется стационар- ный по электронам режим протекания тока через газ, а концентрация электронов при этом пропорциональна мощности дозы воздействующего излучения. Действительно, при постоянной напряженности электрического поля н газе иониэационный ток прямо пропорционален мощности дозы воздействующего из-. лучения, например, при Е=1 кВ/см проведены облучения промежутка импульса ми излучения установки МИГ, мощности дозы которых относятся как ч,бз ,:2,8=1,64, а отношение соответствующих токов 60;40=15 при Е=4 кВ/см мощности доз относятся как 7,3:1,9= =3,84, а токи 0,27 з 0,07=3,86. Факт пропорциональности протекающегочерез промежуток тока мощности дозы воздействующего излучения указывает также, что рекомбинацией электронов 20 с положительными ионами можно пренебречь,. так как в противном случае ток через промежуток был бы пропорционален корню квадратному иэ мощности дозы воздействующего излучения.25Повторное облучение этого промежутка при тех же значениях напряженности электрического поля проводилось в поле электронного излучения ускорителя электронов, Условия облучения и результатц измерений принедены в таблице. Из таблицы видно, что длительность импульса излучения 1 =5"8 нс, что меньше времени прилипания электронов к молекулам н воздухе ,при указанных в таблице значениях напряженности электрического поля в газе. Таким образом, при повторном облучении реализуется режим, при котором электроны за время действия импульса излучения не успевают прилип" 40 нуть к молекулам. Это подтверждается тем, что при првторном облучении экспериментально наблюдаемые ионизационные токи через газовый промежуток в пределах погрешности измерений) 45 пропорциональны дозе воздействующего излучения при нейзменной разности потенциалов на электродах промежутка.По формуле (2) и экспериментальным данным таблицы рассчитаны средние значения частоты прилипания электронон н воздухе атмосферного данления; ц (Е=1 кВ/см)=4,18 10 с ; Яд (Е= =4 кВ/см =3,65 10 с , Я (Е= =б кВ/см)=4,93 ф 10 сТаким образом, предлагаемый способ позволяет определить частоту прилипания электронов к молекулам газа, используя лишь величины, значения которых непосредственно измеряются. Введение повторного облучения того же самого газоного промежутка при неизменной разности потенциалов на его электродах импульсом излучения, длительность которого меньше времени прилипания электронов в газе,. позволяет н сравнении с базовым способом, в качестве которого взят прототип, повысить точность определения и достоверность получаемых значений частоты прилипания, В приведенном примере использования способа для определения частоты прилипания электронов н воздухе атмосферного давления относительные погрешности определения составляют 7,2 при Е=1 кв/см, 6 при Е=4 кВ/см и 3 при Е=б кВ/см, т,е. погрешность результата близка к погрешности использованиых для измерений приборов 1-10. Достоверность получаемых значений частоты прилипания можно оценить, приняв доверительную вероятность Ж =0,95. Средняя квадратическая погрешность отдельного измерения н указанном примере составляет 9=0,37107 спри Е=1 кВ/см, ъ = =0,2310 с-" при Е=4 кВ/см и 5 = =0,15 10 с- при Е=б кВ/см. Соответственно, доверительный интервал полученйых значении о, составляет (4,18 0,37)10 с , (3,65 ф 0,24)г К 107 с , (4,93+0,12) 10 с "