Радиоспектрометр

(2 ом тигается за бусловленнь кии и элек ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗ ВТОРСНОМУ СВИ 1) 4482050/24-09(56) Авторское свидетельство СССР У 785696, кл, С 01 Н 22700, 1 978,Письма в ЖТЭФ, т, 28, вып.11, 1 978, с.669-672.(57) Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при химическом и изотопном анализе веществ в газовой и паровой Фазах, например при химическом анализе особо чистых веществ. Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности. Радиоспектрометр содержит ячейку 1 с исследуемым газом, конденсатор 2, катушку 3 индуктивности, синхронный детектор 4, умножитель 5 частоты, регистратор б, резистор 7, г-р 8 высокой частоты, г-р 9 модулирующего напряжения и источник 1 О постоянного напряжения При этом ячейка 1 имеет электроды 12, 13 и 14, которые создают два скрещеннык электрических поля: высо 801569684 А 1 кочастотное, имеющее компонентураллельную плоскости элек гродов, ирасщепляющее поле (РП), вектор напряженности которого перпендикуляренплоскости электродов. Электроды 1 2,13 и 14 используются также для регистрации квантовых переходов. Повышение напряженности РП увеличивает нетолько чувствительность, но и разрешающую способность радиоспектрометратак как вследствие эффекта Штаркапри большей напряженности РП спектральные линии будут разделены большими частотными интервалами и, следовательно, будут легче разрешаться.В данном радиоспектре электроды 12,13 и 14 сближаются на такое расстояние, при котором нарушение однородности РП из-за краевых эффектов становится несущественным. Это позволяет получить требуемую однородностьРП при одновременном увеличении егонапряженности и тем самым увеличитьчувствительность и разрешающую способность радиоспектр етра. Крометого, повышение чувствительности дочет устранения помех,сейсмическими, акуститриче.скими щ",ами, 2 ил,Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при химическом и изотопном анализе веществ н газовой и паровой фазах, например, при химическом анализе особо чистых веществ.Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности. 1 ОНа Фиг. 1 изображена предлагаемаягазовая ячейка, разрез, на Фиг. 2структурная схема предлагаемого радиоспектрометра.Радиоспектрометр содержит ячейку 1 15с исследуемым газом, конденсатор 2,катуппу 3 индуктивности, синхронныйдетектор 4, умножитель 5 частоты,регистратор 6, резистор 7, генератор8 высокой частоты, генератор 9 модулирующего напряжения, источник 10 постоянного напряжения,Газовая ячейка 1 содержит металлический корпус 1 1, первьпл, второй,третий электроды соответственно 12- 2514, подложки 15 и 16 и стержни 17.Радиоспектрометр работает следующим образом,Назначение электродов 1 2-14 - создавать два скрещенных электрических 3 Ополя: высокочастотное, имеющее компоненту, параллельную плоскостиэлектродов, и расщепляющее поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов, крометого, они используются для регистрации квантовых переходов,Электроды 12-14 выполнены в видеплоских прямоугольникон из проводящего материала и расположены параллельно друг другу.Длина одной из сторон электродов,например, тоР сторощ, которая параллельна плоскости чертежа на фиг.1,равна половине длины волны генератора 8 высокой частоты. Третий электрод14 располагается между первым 12 ивторым 13 электродами так, что электроды 2 и 13 симметричны относительно электрода 14. Электроды 12 и13 выполнены на подложках 15 и 16,которые, в свою очередь, прикрепленные к стенкам .корпуса 11.Вблизи концов среднеР линии электродов 12 и 13выполнены отверстия. Через эти отверстия проходят стержни 17 из изолирующего материала, которые своцликонцами прикрепляются к стенкамкорпуса 11, Стержни 17 проходят через отверстия в первом электроде 12и во втором электроде 1 3, не касаясьни самих электродов, ни их подложек15 и 6, На стержнях 17 укрепленвнутренний электрод 14.Генератор 8 высокой частоты соединен с электродами 12 и 13 в двухточках, расположенных симметрично налинии, проходящей посередине электрода параллельно той его стороне, длинакоторой равна половине длины волныгенератора 8 высокой частоты, причем,к этим точкам подводятся противофазные напряжения. Благодаря такому соединению электродов с .генератором нэлектродах возбуждаются колебания какв полуволновых диполях. Электрод 14непосредственно не связан с генератором 8, но при возбуждении колебаний в первом 12 и втором 13 электродахв третьм электроде 14 тоже возбуждаются колебания, синфазные с колебаниями в первом и втором электродах, таккак третий электрод расположен в непосредственноР близости от первого ивторого электродов, имеет такую жерезонансную частоту, как и эти электроды, и связан с ними через общееэлектрическое поле. Благодаря возбуждению в электродах 12-14 синфазныхколебаниР н пространстве между первым12 и третьим 14 электродами и вторым13 и третьим 14 электродами создаетсявысокочастотное электрическое поле,изменяющееся с частотой генератора 8,причем вектор напряженности этогополя имеет составляющую, параллельнуюплоскости электродов,Первый 12 и второй 13 электродысоединены также с генератором 9 модулирующего напряжения, который имеетпарафазный выход, и на эти электродыот генератора 9 подаются равные по величине и противоположные по Фазе переменные напряжения. Средняя точкавыхода генератора 9 заземлена. Благодаря этому первый и нтороР электроды по постоянному току соединены сземлей через выходные сопротивлениягенератора 9, Поскольку генераторы .8 и 9 подключены к одним и тем жепервому и второму - электродам 1 2и 13. то для того, чтобы исключитьпрохождение колебаний от генератора 8в генератор 9 и наоборот, используются частотные Фильтры (не показаны).Третий электрод 14 через резистор7 соединен с одним полюсом источника1 569684 10 постоянного напряжения. Второйполюс этого источника заземлен. Таккак, первый и второй электродыпо постоянному току тоже заземлены,то напряжение источника 1 0 оказывается приложенным между третьим электродом и первым и вторым электродами.Благодаря этому между первым 1 2 итретьим 14 электродами, а также междувторым 13 и третьим 14 электродамисоздается постоянное расщепляющееэлектрическое поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. На это электрическое псле накладывается еще модулирующее поле, создаваемое теми же электродами под действием генератора 9, Век-тор напряженности модулирующего полятоже перпендикулярен плоскости электродов, но напряженность этого поляпериодически изменяется во временипо гармоническому закону с частотойгенератора 9. В результате совместного действия источника 1 0 и генератора 9 напряженность раси,епляющего электрического поля в пространстве междупервым 12 и третьим 14 электродамии между вторым 13 и третьим 14.электродами периодически противоФазно 30изменяется во времени. Третий электрод 14 через конденсатор 2 соединен с катушкой 3 индуктивности. Конденсатор 2 предотвращает замыкание источника 1 0 через катушку 3 инукдтивности. Катушка 3, конденсатор 2 и конденсатор, образованным первым, вторым и третьим электродами, образуют колебательный контур. Ем- .40 кость конденсатора 2 берется много больше емкости третьего электрода 14 по отношению к первому 1 2 и второму 13 электродам; Поэтому резонансная частота колебательного контура опреаэ деляется емкостью третьего электрода по отношению к первому и второму электродам и индуктивностью катушки 3. Индуктивность катушки 3 выбирается так, чтобы резонансная частота колебательного контура была равна часстоте второй гармоники генератора 9, модулирующего напряжения. Сопротивление резистора 7 выбирается достаточим для того чтобыность колебательного контура не была уменьшена из-за шунтирующего действия выходного сопротивления источника 10 постоянного напряжения. 6Генераторы 8 и 9 и источник 10 постоянного напряжения создают в пространствах между электродами 12 и 13 и 13 и 14 скрещенные электрические поля: высокочастотное, вектор напряженности которого параллелен плоскости электродов, и медленно меняющееся расщепляющее поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. Напряженность расщепляющего поля периодически изменяется во времени с частотой генератора модулирующего напряжения. Напряженность расщепляющего поля определяет величину штарковского расщепления квантовых уровней молекул газа. Когда напряженность расщепляю- щего поля достигает такого значения, при котором частота генератора 8 высокой частоты совпадает с частотой квантовых переходов между соседними штарковскими подуровнями, высокочастотное поле индуцирует квантовые переходы, причем интенсивность квантовых переходов модулируется генератором 9 модулирующего напряжения. При этом модулируется и разность населенностей квантовых уровней, между которыми индуцируются квантовые переходы. Модуляция разности населенностей сопровождается периодическим изменением величины того компонента поляризации газа, который перпендикулярен плоскости электродов, т.е. параллелен вектору напряженности расщепляющего поля. Напряженности расщепляющих полей между первым 12 и третьим 14 электродами и между вторым 13 и третьим 14 электродами изменяются в противоФазе. Однако если среднее значение напряженности расщепляющего поля соответствует. центру спектральной линии, поляризация газа в пространствах между этими электродами будет изменяться синфазно с частотой второй гармоники генератора 9 модулирующего напряжения. это связано с тем, что отклонение наг ряженности поля от значения, соответствующего центру спектральной линии, сопровождается увеличением разности населенностей независимо от знака изменения напряженности поля. Изменение величины компонента поляризации, перпендикулярного плоскости электродов, вызывает колебанияв колебательном контуре, образованномкатушкой 3, конденсатором 2 и первым;вторым и третьим электродами в газовой ячеРке, При этом на катунпсе 3 появляется напряжние с частотой второй гармоники генератора 9. Это напря 5 жение поступает на первый вход синхронного детектора 4, на второй вход которого подается напряжение, полученное из сигнала генератора 9 после умножения частоты этого сигнала в два раза с помощью умножителя 5. Сигнал с выхода синхронного детектора поступает н регистратор 6.В радиоспектрометре возникновение газового разряда не стимулируется процессами на поверхности элементов, находящихся в интенсивном электрическом .поле. Поэтому разность потенциалов между электродами, создающими расщепляющее поле, можно увеличить 20 до значений, определяемых законом Пашина. Это позволяет увеличить напряженность расщепляющего поля. При этом в соответствии с эФФектом П 1 тарка увеличивается рабочая частота радиоспектрометра, а так как интенсивность спектральных линий пропорциональна йх частоте, то с увеличением рабочей частоты увеличивается и интенсивность наблюдаемых спектральных 30 линий. Увеличение интенсивности спектральных линий приводит к увеличению чувствительности радиоспектрометра,Повышение напряженности расщепляю- щего поля увеличивает не только чун"твительность, но и разрешающую способность радиоспектрометра, так как вследствие эффекта 11 тарка при большей напряженности расщепляющего ноляспектральные линии будут разделены 40 большими частотными интервалами и, следовательно, легче разрешаться.Отсутствие в предлагаемой конструкции газовоР ячеРки каких-либо элементов, соединяющих элеектроды с высокой разностью потенциалов, позволяет сблизить электроды газовой ячейки на такое расстояние, при котором нарушение однородности расщепляющего поля из-за краевых эФфектов станет несущественным, что позволяет получить требуемую однородность расщепляющего поля при одновременном увеличении его напряженности, тем самым увеличить чувствительностьи раз решающую способность радиоспектрометра.Поскольку в конструкции газовой ячейки требуемая однородность расщепляющего поля достигается без использования цепочек, соединяющих электроды создающие расщепляющее поле, то частоту модуляции расщепляющего поля можно увеличить вплоть до значений, определяемых временами релаксации в газе, т,е. до частотбпорядка 1 О Гц, что приводит к повышению чувствительности радиоспектрометра за счет устранения помех, обусловленных сейсмическими, акустическими и электрическими шумами.Расщепляющее электрическое поле сосредоточено главным образом между электродами газовой ячейки, а в заэлектродной области, расположенной между внешними электродами и корпусом ячейки, расщепляющее поле сильно ослаблено экранирующим действием первого 12 и второго 13 электродов. Конструкция крепления электрода 13 на изолирующих стержнях, которые проходят через отверстия во внешних электродах и закреплянтся на корпусе ячейки в "заэлектродноР" области, позволяет вывести элементы крепления внутреннего электрода из области интенсивного электрического поля и тем самым исключить возможность зажигания электрического разряда в газовой ячейке из-за процессов на поверхности элементов крепления третьего электрода при напряжениях на электродах, меньших предела, определяемого законом Пашена. Пример конкретного выполнения ячейки 1, Ячейка собрана в латунном корпусе. Первый и второй электроды изготовлены из медной фольги, накленной на подложки из стекла. Третий электрод выполнен в виде стеклянной пластины, оклеенной, медной Фольгой с двух сторон, причем оба слоя Фольги соединены между собоР по периметру. Электрод укреплен на стержнях из кварцевого стекла.Длины первого и второго электродов уменьшены по сравнению с длиноР третьего электрода в связи с тем, что подложки первого и второго электродов несколько понижают их резонансную частоту, тогда как подложка третьего электрода, оклеенного Фольгой с двух сторон, на резонансную частоту не влияет. Измерение резонансной частоты электродов показало, что как у первого и второго электродов, так и уТираж 4 омитета по осква, Ж-З епрн ГКНТ СССР Подписоткрыти бретениям 4 аушская н Производственно-нздательский комбинат "Патент", г, Ужгород,Гагарина.третьего электрода резонансная частота может составить несколько сот миллигерц,Формула изобретения Радиоспектрометр, содержащий ячейку с исследуемым газом, выполненную в виде металлического корпуса, в котором размещены первый, второй электроды, соединенные с генератором высокой частоть, третий электрод, источник постоянного напряжения, синхронный детектор, регистратор, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с це - лью повышения чувствительности и разрешающей способности, первый, второй и третий электроды выполнены в виде плоских прямоугольников, длина одной 20 стороны которого равна половине длины волны генератора высокой частоты, размещены параллельно друг другу, причем первый и второй электроды расположены симметрично относительно 25 84 10третьего электрода, который соединенс источником постоянного напряжения,первый и второй электроды выполненына подложках, закрепленных на торцавь 1 х стыках металлического корпуса,соединены с введенным генератораммодулирующего напряжения, выход которого через введенный умножительчастоты соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого соединен с третьим электродом,расположенным на стержнях из изолирующего материала, которые проходятчерез отверстия в первом и второмэлектродах и закреплены на боковыхстенках металлического корпуса, причем генератор высокой частоты соеди"нен с первым и вторым электродамипротивоФазными выходами в двух точках,которые расположены симметрично на линии, проходящей по середине электродов, параллельной той стороне, длина которой. составляет половину волны генератора высокой частоты.