Способ контроля параметров газовой среды и устройство для его осуществления

ИЕ ИЗОБРЕТЕН аф Ф УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИИ= И ОТКРЫТИЙ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт электроники АН БССР (72) В.М,Колешко, А.В.Гулай и В.И.Лях(56) Авторское свидетельство СССР У 553503, кл, С 01 1. 21/34, 1975.Поверхностные акустические волны./ /Под ред. А,Олинера. - М.: Мир, 1981, с. 284-290.(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях. Высокочастотные колебания с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и воэбужд ют на подложке эвукопровода 1 поверхностные акустические волны на частоте 10-50 МГц. С преобразователя 3 выходной сигнал подается через усили. - тель 5 на индикаторный блок 6, В исследуемом газе создают электрический разряд между электродами 7 и 8. Одновременно с этим с преобразователя 3. вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, где он сравнивается с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн определяют параметры исследуемой газовой среды. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.1 12 б 231Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля параметров газовых сред при проведении технологических процессов при пониженных давлениях, 5Цель изобретения - повышение точности контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях.Способ заключается в том, что при создании электрического разряда над 1 О поверхностью звукопровода в результате взаимодействия поверхностной акустической волны с электронно-ионной компонентой тока разряда происходит сильное изменение характеристик 15 указанных волн. Однако такое взаимодействие эффективно лишь в том случае, когда кинетическая энергия заряженных частиц Ч у поверхности звуко- провода не превышает значительно их ро энергию в электрическом потенциале поверхностной акустической волны , т.е. Ие%-1, где И - зарядовое число 4 астицр 1; 1 - заряд электрона. При очень низких энергиях заряженных час тиц И( 0,1 эВ, ввиду малости этой энергии взаимодействие неэффективно, и в то же время частицы с высокими энергиями И10 эВ как бы "не замечают" неоднородный электростатический потенциал поверхностной акустической волны, поэтому взаимодействие ослаблено. Например, для Ь 1.ИЬО электростатический потенциал Ч =.-100 мВВ, а энергия заряженных частиц в таком35 поле равна 0,16-4,8 эВ. При низком давлении, когда влияние газового нагружения в отсутствие разряда на характеристики поверхностных акустических волн невелико, и при эффективном взаимодействии заряженных частиц с поверхностными акустическими волнами в процессе разряда измеряемая разница в параметрах укаэанных волн существенна, что позволяет более точно судить о параметрах исследуемой газовой среды. Изменение давления исследуемой газовой среды сильно влияет на параметры разряда, в частности подвижность и концентрация носителей тока при-2 разряде в интервале давлений 10 1 мм рт.ст. изменяются приблизительно на два порядка, что в свою очередь влияет на акустоэлектронное взаимо- Ы действие в исследуемой системе и как следствие, происходит изменение характеристик поверхностных акустичес 2ких волн. В данном пособе предло гительнее создавать тлеющий разряд, поскольку для таунсендовского (темпового) разряда характерны очень малыетоки разряда и слабое акустоэлектронное взаимодействие, а для дуговогоразряда - слишком большие токи привысокой кинетической энергии заряженных частиц и высокие температуры,что приводит к интенсивному испарению вещества, из которого изготовленыэлектроды и подложка. Отсюда вытекаети наиболее приемлемый для измеренийдиапазон исследуемых данным способомпараметров газовой среды. Тлеюпийразряд легко получить и поддерживатьдля давлений порядка 10-10 мм рт,ст.,так как при очень низком давлении(" 10 мм рт,ст.) эмиссии электроновпри бомбардировке катода положительными ионами недостаточно для поддержания тока разряда, а при давлениивыше 10 мм рт.ст. тлеющий разряд, какправило, переходит в дуговой, Поэтомупредлагаемый способ наиболее приемлемпри давлении порядка 10в 10 рт.ст,О параметрах газовой среды можносудить и по разнице характеристикповерхностных акустических волн, измеренных при различных значениях тока разряда. Изменение тока разрядав исследуемой газовой среде приводитк изменению концентрации и кинетической энергии заряжеьных частиц в приповерхностном слое у звукопровода,поэтому для каждого значения токаразряда характерно свое акустоэлектронное взаимодействие, и, следовательно, характеристики поверхностныхакустических волн на выходном преобразователе в зависимости от величинытока разряда разные. Значения токаразряда выбирают исходя из типичныхзначений тока при тлеющем разряде10 -10 А, При токах ниже 10 вАпроцесс создания заряженных частицв газе неустойчивый, разряд становится несамостоятельным, а при токах выше 10А разряд переходит в дуговой,что нежелательно,Изменяя направление тока разряда и измеряя при этом характеристики поверхностных акустических волн, по их разнице можно также судить о параметрах газовой среды. В этом случае изменяется направление дрейфа зарядов з ионизированном газе, причем могут быть реализованы различные случаи,1262317 ведены в таблице, На фиг. 2 показаны; ному преобразователю 2 поверхностных акустических волн, выходной преоб 1 - область практического испольразователь 3 поверхностных акустических волн соединен через усилитель 5 зования способа без разряда в газе;11 - область наиболее предпочтительс индикаторным блоком 6. У поверхнос- ного использования предлагаемого сноти звукопровода 1 Расположены элект" соба с разрядом в газе 111 - область роды 7 и 8, присоединенные к источ нику 9 разряда. Блок 10 синхронизации подключен к источнику 9 разряда и индикаторному блоку 6. максимальной погрешности контроля(погрешность .контроля соизмеримас контролируемой величиной затухания).Например, без разряда в газе затухат.е. дрейф может быть задан либо Устройство для контроля параметров в направлениях, параллельных волково- газовой среды работает следующим му вектору поверхностной волны ц, образом.либо перпендикулярных к ц, либо под Высокочастотные колебания с гене- некоторыми заданными углами к и, что 5 ратора 4 подают на преобразователь 2 всякий раз изменяет условия акусто- поверхностных акустических волн и электронного взаимодействия у поверх- возбуждают на пьезоэлектрической подности звукопровода. Например, если ложке звукопровода 1, например, иэ у поверхности звукопровода .расположен УЕ-ниобата лития, находящейся в конанод, то эффективное акустоэлектрон такте с исследуемой газовой средой, ное взаимодействие связано с повышен- поверхностные акустические волны на ной концентрацией электронов, которые частоте 10-50 МГц, С преобразоватеанод притягивает из положительного ля 3 поверхностных акустических волн столба при газовом разряде в процессе выходной сигнал подается через усили" формирования пространственного заряда,5 тель 5 на индикаторный блок 6. Затем Если у поверхности звукопровода рас- в исследуемом газе создают электриположен катод, то лишь у вторичных ческий разряд между электродом 7, выэлектронов, выбиваемых ионами высоких полненным в виде металлической сетки, энергий при бомбардировке катода, прижатой к поверхности звукопровода 1, энергия соизмерима с их энергией 20 и электродом 8, выполненным в виде в поле поверхности й акустической вол- сплошной металлической пластины, расны, и в данной области акустоэлект- положенной на расстоянии 5-20 мм от ронное взаимодействие с ними менее электрода 7. На электроды 7 и 8 по- эффективно, чем при обратной поляр- дают от источника 9 импульсы напряжености, 35 ния длительностью не менее=1/чПредлагаемым способом можно про- (1 - длина электродов вдоль направлеизводить контроль следующих парамет- ния распространения поверхностных ров газовой среды: давления, темпера- акустических волн; ч -скорость растуры, молекулярного веса, а для одно- пространения поверхностных акустичесатомных газов - атомного веса. В ка- ЗО. ких волн на подложке). При 1=10-20 мм честве измеряемых характеристик длительность импульсов напряжения поверхностных акустических волн ис- должна быть порядка 3-10 мкс, Одно- пользуют затухание, фазовую и группо- вРеменно с импульсом разряда с преобвую скорости, амплитудно-частотные разователя 3 поверхностных акустичесхарактеристики. ких волн вновь поступает сигнал черезусилитель 5 на индикаторный блок 6,На фиг. 1 изображено устройство где он сравнивается с предыдущим сиг,для осуществления способа; на фиг.2 - налом, По разнице характеристик поокспериментальные данные. верхностных акустических волн, напри 4 О мер по разнице коэффициента затухаПредлагаемое устройство состоит . ния, определяются параметры исследуеиз звукопровода 1, преобразователя 2 мой газовой среды, например давление, и 3 поверхностных акустических волн, Блок 10 Регулирует подачу импульсов высокочастотного генератора 4, усили- напряжения на электроды и включение теля 5, индикаторного блока 6, электпри этом индикаторного блока 6, родов 7 и 8 для создания разряда, ис- Экспериментальные данные по корточника 9 разряда и блока 10 синхро- реляции между давлением волн на .поднизации. Генератор 4 подключен к вход- ложке иэ ЬхИЬОз на частоте 30 МГц при=3,4 дБ/мкс (3%) о =2, 1 дБ/мкс (3%) Ы= 1,4 дь/мкс 3ние,( поверхностных акустическихволн 10и 10 дБмкс соответствует давлению воздуха 0,1 и1 мм рт,ст. Точность контроля давления, определяемая погрешностью измерения затухания, составляет не менее 30-50%, При возбуждении электрического разряда вблизи подложки (т.е,йри контроле,по предлагаемому способу) затухание поверхностных акусти Оческих волн возрастает до несколькихединиц и может быть измерено с точностью 2-5%, Следовательно, точностьконтроля повьппается в 5-10 раз,формула изобретения 1, Способ контроля параметров газовой среды, заключающийся в том, что, на пьезоэлектрическом эвукопроводе 20 возбуждают поверхностные акустические волны и при воздействии на него исследуемой газовой среды измеряют характеристики указанных волн, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью 25 повьппения точности контроля при низком давлении газа, дополнительно создают над поверхностью звукопровода злектрическщя разряд в исследуемом газе длительностью 1 . 1/ч, где 1 - Зо длина разрядных электродов вдоль направления распространения поверхностных акустических волн; ч - скорость их распространения с кинетической энергией заряженных частиц у поверхности звукопровода, не превышающей их энергии в электростатическом потенциале укаэанных волн и находящейся в пределах 0,1-10 эВ, измеряют 1=30 ъйЫ 3,0 дБ/мксЪ 7= 0,8 эВ 17 Ьте же характеристики волн в процессе газового разряда и по разнице измеряемых характеристик судят о параметрах газовой среды.2. Способ по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что измерение харак 4 теристик поверхностных акустических волн проводят при нескольких значениях тока разряда, находящихся в пределах 10 -10А, и по разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды. 3. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что измерения характеристик поверхностных акустических . волн проводят при разных иаправлени 1ях тока разряда и по разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды.4. Устройство для контроля параметров газовой среды, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на котором установлены входной и выходной преобразователи поверхностных акустических волн, соединенные соответст,венно с выходом высокочастотного генератора и с входом усилителя, выход которого подключен к одному входу индикаторного блока, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него введены электроды, расположенные у поверхности звукопровода и подключенные к выходам источника разряда, и блок синхронизации, выходы которого соединены с входом источника разряда и с другйм входом индикаторного блока.:2,3 дБ/мкс с. = 0,9 дБ/мкс 1,6 дБ/мкс Анод у поверхн.о =3,3 дБ/мкс звукопр. м = 2,2 дБ/мкс Катод уповерхн, с=1, 2 дБ/мксзвукопр. с =0,7 дБ/мкс о = 1,5 дБ/мкс с =2,1 дБ/мкс ЯЗ/Д 2. /у 1 /Оя 7Фиг. 2 Редактор А.Шишкина Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и.открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5