Устройство для измерения физических характеристик микрометеоритных пылевых частиц

) Г 1 Г)5 0 01 Т 1/34 СУДАРСТВЕ 1+ОЕ ДОМСТВО СССР ОСГ 1 АТЕНТ СССР) АТЕНТНОЕ РЕТЕНИ ИЕИ ПИСА ВТОРСКО ЛЬСТВ СВИ масс-спектрометрии. Су ния: устройство для изме характеристик пылевых мишень с выполненными в равной плотности. По одну ни на расстоянии, пример су мишени, установле электростатическое зерк сеток, а по другую сторон тивоположную ее чувствит сти, параллельно установ ионов с суммарной площа щади мишени, Блок изме электронного импульсов тель ионного тока 4, два с тегратора и блок отработк Бюл, Мгий авиаолевг ин, В.А ельство ССС.60 ТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ сЬИ- СКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОМЕИТНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ пользование: относится к приборосто, средствам автоматизации и систеправления, в частности к технике(57) Ис ровнимам у Изобретение относится к области приборостроения, средств автоматизации и систем управления, в частности, к технике масс-спектрометрии, и может быть использовано для измерения параметров высоком скоростных частиц.Целью изобретения является повышение точности измерения параметров частиц в условиях малых значений отношений сигнал/шум и уменьшение зависимости измеряемых параметров от места соударения частицы с мишенью.Для достижения цели в мишени выполнены отверстия равной плотности с суммарной площадью, составляющей пятую часть площади мишени. Эта зависимость выбрана из следующих соображений: с одной стороны, площадь мишени должна быть макси, с другои стоза счет выпвышению чусстоянии, раено отражакало в виде дие являетсяичины потерьимальному зного импульсаостаточной а роны, уменьшение ее олнения отверстий вествительности датчивном радиусу мишени, ющее электростатиче- Сф вух сеток, Выбранное Сг функцией двух вели- фь ионов при их разлете 1 с) ачению) и длительно- ,с на входе приемников ппаратурной обработо другую сторону от мишениротивоположной ее чувствителости, в параллельной ей пловлены приемники ионов с суадью. равной площади мишен о стороьной пооскости, ммарной ны,верхустапло(21) 4842700 (22) 27,06,90 (46) 30,07.93 (71) Самарск а кад, С.П. Ко (72) Н.Д.Сем и С.М,Семен (56) Авторско М 632264, кл ционный институт им. бочкарев, Г.Я,Юсупов мальноиплощади дет к по ка. На ра установл ское зер расстоян чин; вел по макс сти ионн ионов, д ки сигна щность изобретерения физических частиц содержит ней отверстиями сторону от мише- но равном радиуно отражающее ало в виде двух у от мишени, проельной поверхнолены приемники дью, равной плорения ионного и включает усилиумматора, три ини и памяти. 1 ил,,тк рг (- оо К т- К Уг е(1 г р - оо-- к-- Х Г еп бУ= ) 1 -- Хх"еебе 1; Алгоритм (5) розволяет измерять компоненты вектора а и в том случае, когда монумент появления тю импульсного сигнала Я(т,а) на интервале анализа 1 Е(О,Т) неизвестен, т.к.- 1величина Т 1 = тЯ(т,а) б 1 характеризуетТг оположение центра тяжести импульса относительно начала отсчета= О и при обработке результатов параметр 1 ю может быть исключен. Однако пои Тг г, - длительность сигнала Я(с,а), точность измерения вектора а может ухудшаться за счет накопления шумов на временном интервале, не содержащем полезного сигнала. Оценим влияние величины г,/Т на отношение сигналшум, которое определим следующим образом где 2 - мат, ожидание величины Ъ; из (2);о", = ЛЛ - дисперсия случайной погрешности (б) т т- 3 Х 1 1 д(1 - 11) д 101- Т о о Используя неравенство БуняковскогоШварца, имеем) . (Хх"хбх) (Хб(х,Ф) б 5где Е = 1 Я (т,а)с)1 - энергия полезного сигонала Я(1 а) Таким образом, отношение сигнал/шум;) 2 Ев т:8из которого следует, что отношение )4 максимально при Т = т и резко уменьшается сТ10 увеличением К при -0,7, Следовательно,анализ входного сигнала х(т) (1) должен начинаться в момент прихода этого сигнала изаканчиваться сразу же после его окончания, т,е,15 Формально алгоритм (2) измерения величин Ек можно реализовать и-канальнойсхемой, содержащей,п генераторов функции - -х -- , - , (К - О, 1 п - 1); п перемипжи 20телей и и интеграторов. Но более простойбудет схема с постоянными параметрами,не содержащая генераторов функций и перемножающих устройств, Для синтеза такой схеме представим интеграл (2) в видеинтеграла свертки; 1 к Ех = - х -- ( х х(х) бх= т-- -ж-, - Х (Т - х) "х (Т - х)й = Х рх(х)х(Т - х)бх,Т о оТ - 135 где 9(т) = , т0 - импульснаяТхарактеристика фильтра с постоянными параметрами, передаточная функция которогоравна: Нх(р) =Х рх(х)е " ей = - х - Х(Т-х)е е бх=Т отХхе и( )б 2 =Т" - и45 50 Формула (9) получена после замены переменной интегрирования 1 = Т - Е. Преобразуем (9):1830499 Отсюда следует рекуррентная формула длянахождения Нк(р);-221 х- +атПервые три функции О определяются следующим образом: Структурная схема блока измерения вектора 7, реализующая алгоритм (2), показана на чертеже,Полезный сигнал с выхода усилителя 25 имеет вид: 6 г, . тх 1 о = - ( - его( - -+ а 2, Т; т0, (12) т 1 х1 ( т Ь - -2 где 0 - заряд ионов, тх - характерное время образования плазмы, ар,рм;ру/Рм - соответственно плотности частицы и преграды,Параметры сигнала О, тх, а связаны известными соотношениями со скоростью В/, плотностью р и хаоактерным размером Я пылевой частицы; 35 х 1 - И - +а 40 тх 1 1+а Ь+ - 1о,х2где его(х) = - у=- ( е й - функция ошибок.Подставляя первое соотношение иэ (14)в (3) и дифференцируя О по О, получим выражение для оценки 0 в явном виде: 50 э = д Рм, Щ = Ц 1+ а)/ьх,(13) Здесь- полная длина пролета ионов от мишени 1 к приемнику ионов 3, 6 - эмпирический коэффициент, связывающий заряд 0 частицы с ее массой и скоростью, О =- 510 Клсекам ",Таким образом, вектора а и 2 соответственно равныа = (Олх,а) В У 0= ---ГВгдето - (о,1, Ь),следовательно, итерационную процедуруследует применять только для оценки параметров тх и а,Параметр 0 определяется иэ (17) по вычисленным ти а на каждом шаге итераций. Нк(р) = - (1 - КНк(рВ 1 ртТаким образом трем измеряемым параметрам О, 1 х, а соответствуют параметры части- ЦЫ ГИ, Ю,Р.Изобретение иллюстрируется следующим примером, На ЗВМ моделировался процесс измерения параметров О, Ь, а частицы по алгоритму, предлагаемому в данном изобретении, при величине отношения амплитуды полезного сигнала Я(т,а) к среднеквадратическому значенисо шума, равном единице и при 7(2 Ъ Ъ, У 2), Расчеты показали, что относительные погрешности измерения по указанным параметрам составили 25%, 12% и 15%, соответственно, В то время как в аналогах неизвестная плотность частицы р =- а р,.;2 не измеряется, а задается, что ведет, естественно, к резкому гнижению точности измерения параметра. 0 и ф.Достоинством предлокенного в изобретении алгоритма является также возможность повышения точности измерения а за счет накопления информации о полезном сигнале 8(1,а при увеличении размерности ивектора У =: (7 О, 71, 72, ., 7 и.1) по срасзссен иго с числом ком Гсонент аг, а 2, аз вектора а,Практическая реализация схемы для измерения параметров частиц осуществлялась на основе использования стандартньсх микросхем, В качестве интеграторов исГ 10 льэоегзлись Огсерационссьсе усилители типа К 140 УД 14 (7, 8, 9 описания изобретения). в качестве сумматоров ,5, б описания) использусотся также микросхемы К 140 УД 14, Блок памяти собран на микросхемах 537 РУ 10,Датчик содержит четыре микроканальные пластины промышленного изготовления Я 48 мм каждая, Усилитель 4 (скг, осгьгсание) выполнен на микросхеме К 14 ОУД 14. В мишени Я 100 мм ьыполнены отверстия 82 мм, Общая площадь чувствительной поверхности мишенсг составляет 90% от всей площади. Расстояние электростатического зеркала 2 от мишени равно 5 см, Расстояние микроканальных пластин от мишени равно 4 см, Такой датчик имеет малый вес.5 Выходной сигнал не зависит от местасоударения, За счет применения микроканальных пластин чувствительность датчика- 14по массе составляет 10 г при скорости частицы выше 5 - б кмс, что приблизитель но на порядок выше чем у прототипаФормула изобретения Устройство для измерения физическиххарактеристик микрометеоритных пылевых частиц, содержащее датчик, включасощий 15 плоскую мишень, приемник ионов и блокизмерения ионного и электронного импульсов,отличающееся тем,что,с целью повышения точности измерения параметров частиц в условиях малых значений отно шений сигнал/шум и уменьшениязависимости измеряемых параметров от места соударенисс час:ць, .ь, ден,ю, в мишени выполнены отверстия, равномерно распределенные по ее площади, причем, со 25 стороны влета частиц у мишени установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, а по другую сторону от мишени установлены приемники ионов с суммарной площадью не менее площади по верхности мишени, блок измерения электронного и ионного импульсов выполнен в виде усилителя ионного тока, и интеграторов, исумма горов, где и = 3 - целое число, и блока обработки и памяти, причем 35 вход усилителя ионного тока соединен свыходами приемников ионов, выход усилителя ионного тока соединены с входом первого интегратора и первыми входами всех сумматоров, выход каждОГО 1-ГО интеГ ратора ( = 1, , и - 1) соединен с втооьнгвходом с-го сумматора и блоком обработки и памяти, выход и-го интегратора соедино;с только с блоком обработки и памяти, а выхор с-го сумматора соединен с входом 45 (1+1,-Го интегратора.1830499Составитель К, Меньшиков едактор Л, Павлова Техред М,МоргенталКорректор Л. Ливрин аказ 2521 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101