Устройство для измерения физических характеристик микрометеоритных пылевых частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T1/34 

Изобретение относится к области приборостроения, средств автоматизации и систем управления, в частности, к технике масс-спектрометрии, и может быть использовано для измерения параметров высокоскоростных частиц.

Целью изобретения является повышение точности измерения параметров частиц в-условиях малых значений отношений сигнал/шум и уменьшение зависимости измеряемых параметров от Mecta 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 максимальной, с другой стороны, уменьшение ее площади за счет выполнения отверстий ведет к повышению чувствительности датчика. На расстоянии, равном радиусу мишени, установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, Выбранное расстояние является функцией двух величин: величины потерь ионов при их разлете im максимальному значению) и длительности ионного импульса на входе приемников ионов, достаточной аппаратурной обработки сигнала.

По другую сторону от мишени со стороны, противоположной ее чувствительной поверхности, в параллельной ей плоскости, установлены приемники ионов с суммарной площадью, равной площади мишени.

iOO

со о

Ю Ю

Приемники ионов выполнены в виде икроканальных пластин.и отстоят от мишеи на.расстоянии, равном пяти толщинам риемников, Уменьшение этого расстояния величивает вероятность электрического пробоя, т.к. на приемники ионов подается напряжение 800 вольт, увеличение же этого расстояния ведет к необоснованному увеличению габаритов датчика.

Выходы приемников соединены со вхоом усилителя ионного тока,-его вход соединен со входом первого интегратора и входами двух сумматоров, выходы которых соединены со входами второго и третьего интеграторов, Выходы трех интеграторов соединены со входами блока обработки м памяти, причем выходы первого и.второго интеграторов с соответствующими вторыми входами двух сумматоров.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения физических характеристик пылевых частиц.

Устройство для измерения- физических характеристик пылевых частиц состоит из мишени 1, отражающего электростатического зеркала 2 в виде двух сеток, приемников ионов 3, усилителя ионного токэ 4, сумматоров 5 и б, интеграторов 7. 8, 9, блока обработки и.памяти 10;

Устройство работает следующим образом. При ударе частицы в мишень 1. ионы образовавшегося облака плазмы разлетаются в пространство отражающего электростатического зеркала з вида двух сеток 2, возвращаются в сторону мишени 1, проходят через ее отверстия и попадают в приемники (микрокаиальные пластины) 3, на выходе которых образуется импульс тока. Далее.с усилителя 4 импульс тока интегри- руется интегратором 7 (измеряется общий суммарный заряд ионов, пропорциональный массе и скорости частицы), одновременно сигнал подается на два сумматора 5 и 6, на другие входы которых поступают с интеграторов 7 и 8 пронпгегриройанмые сигналы.

Таким образом, на выходах интеграторов 7, 8, 9 формируются напряжения, функционально связанные с зарядом, скоростью и плотностью частицы,

Рассмотрим более подробно измерение импульсного сигнала с датчика пылевых частиц и обработку результатов измерения.

Полезный сигнал с выхода усилителя S(t, ai, 32, аз} является функцией параметров aii 92, аз, однозначно связанных с массой, скоростью, плотностыо частицы.

Пусть на интерпале наблюдается одиночный импульсный сигнал S(t,a в смеси с шумом Ј (t):

x(t) S(t,3J + (t)..T, s. (ai, 82. аз).

О)

Предлагается.следующий алгоритм измерения вектора а:

1.Формирование п величин вида(п 3):

ZK - /x(t)tK dt, .K 0, 1, 2п-1. (2)

IО

2.По наблюдаемой выборке 7. - (Zo, Zi, ,.,, Zn-i) в предположении, что Ј (t)- нормальный белый шум с двусторонней спектральной плотностью No/2, формируется функция правдоподобия, логарифм которой имеет вид:

i(Z/aK- -(Z--Z)K2- (2-2). {3}

где Z - (Zo, Zi, ..., Zn-i) - вектор математических ожиданий,

30

ZK - V-- Г tK S(t,3i d.t.

т к -г- -, J

K.z - Ј{(Zi - ZY}(Zj - Zj)}.i,n - ковариационная матрица вектора (Е - символ математического ожидания),

3, Минимизируется функционал

0(ab4-() 8(Z-Z),

(4)

No

-1

а штрих означает транспонирование матрицы,л, д .

Таким образом, вектор. - ё (ai, 32, з з) оценок максимального правдоподобия определяется .из соотношения

.V

сГ- arg rnln Ф(а),. (5)

s feQfl,,

где Ц, - область допустимых изменений параметров 31, 82, 83,

Погрешность измерения (оценки) вектора а будет зависеть от уровня шума | (t) и связанной с ним величины

А2к 2к - ZK -Vr % W dt. . (6}

Алгоритм (5)лозеоляет измерять компонен-Таким образом, отношение сигнал/шум

ты вектора а и в том случае, когда моментЈ удовлетворяет неравенству появления to импульсного сигнала S(t,a) на

интервале анализа t ,Т неизвестен, т.к./ 2К + 1

5у2 2 Es /TS

величина

1 Т- - Zi -у- JtS(t,aj dt характеризует

Т2 о

положение центра тяжести импульса относительно начала отсчета t 0 и при обработъг(Т) (7)

из которого следует, что отношение у максимально при Т Ts и резко уменьшается с

ке результатов параметр to может быть 1Qувеличением К при 0,7. Следовательно, исключен. Однако при Т rs, TS - длитель-,. ,„.

ность сигнала S(t,lf точность измерения -анализ одного сигнала x(t) (1) должен навектора Сможет ухудшаться за счет накоп-пинаться в момент прихода этого сигнала и

ления шумов на временном интервале, незаканчиваться сразу же после его окончасодержащем полезного сигнала. Оценим 1К ния,1 е ,,.

влияние величины rs/T на отношение сиг- 15 Формально алгоритм (2) измерения еенал/шум. которое определим следующим личин Z можно Реализовать п-канальной

схемой, содержащей.п генераторов функобразом

схемой, содержащей.п генераторов функ Ј (гк)2/0к.

ций

20

где ZK - мат, ожидание величины 2К из (2);

о Д2Ј - дисперсия случайной погрешности (б)

t тгг-, (К 0, 1, .... п-1); п перемножи т К I

телей и п интеграторов. Но более простой будет схема с постоянными параметрами, не содержащая генераторов функций и перемножающих устройств. Для синтеза та- 25 кой схеме представим интеграл (2) в виде интеграла свертки:

TrFr 4/(t)dt}2- /т

Т т ° Z, TJFrb xWd.

-V VrHt - - t-tOdtdt,- 30 Iprb-trxcr-tjdc-bKftjxcr-tjdt,

Тоо

(8)

(т - t Т

35 где gt((t) -. t 0 - импульсная

характеристика фильтра с постоянными параметрами, передаточная функция которого равна:

Г No

1

2 Т 2 К + 1

Используя неравенство Буняковского- Шварца, имеем

личин Z можно Реализовать п-канальной

схемой, содержащей.п генераторов функций

20

25

Использование: относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии. Сущность изобретения: устройство для измерения физических характеристик пылевых частиц содержит мишень с выполненными в ней отверстиями равной плотности. По одну сторону от мишени на расстоянии, примерно равном радиусу мишени, установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, а по другую сторону от мишени, противоположную ее чувствительной поверхности, параллельно установлены приемники ионов с суммарной площадью, равной площади мишени. Блок измерения ионного и ёлектронного импульсов включает усилитель ионного тока 4, два сумматора, три интегратора и блок отработки и памяти. 1 ил.

(2кГ

1

Т1

.

(S2(t,a)dt)

г50 Формула-(9) получена после замены перегде Es J S2(t, - энергия полезного сиг-менной интегрирования t Т - Z. Преобраj зуем{9): нала S.aJ.

40

00.00

Нк(р) / дкМе 131 dt -Дг,- /(Т -t)K e-pt dtоТо

Т1

}

- 00

VT-/ZKe-PfT-z)dZ

-рТ Т

7 T- KePZdZ

(9)

Отсюда следует рекуррентная формула для нахождения Нк(р):

НК(Р) - 1-кнкч(р);

где К 0, 1п-1

В результате имеем:

Но(р)

1

рТ

ад- у-а-жр))

ЬШ- -Дг-О-аВД)

U-1(P) (n-1)Hn-2(p).

tx.

+

Структурная схема блока измерения вектора Z, реализующая алгоритм (2), пока- Первые три функции Li определяются следу- зана на чертеже.ющим образом:

Полезный сигнал с выхода усилителя 25 имеет вид:

Lo f4l-erf( + a)

tx

эд.°,Ы -.-,о.

tx t

где Q - заряд ионов, tx - характерное время образования плазмы, а /рурм ;

Ру/рм - соответственно плотности частицы и преграды.35 Параметры сигнала Q, tx, а связаны известными соотношениями со скоростью W, плотностью р и характерным размером R пылевой частицы:

40

(-М)

tx

li- 4-я( lx i & r-

Т +3 -() , 7я

L2 х 1 -erf

+

- х

Т

+ а

R

- + а L1+-J-U.

(16)

1GL3J р а2/рм;

W Ц1 + a)/tx ,

2 хг где erf(x) j edt функция

45о

бок.

оши(13)

Подставляя первое соотношение из (14) в (3) и дифференцируя 0 по Q, получим вы- Здесь L - полная длина пролета ионов от ражение для оценки Q в явном виде: мишени 1 к приемнику ионов 3, G - эмпи 50 рический коэффициент, связывающий заряд Q частицы с ее массой и скоростью, G - 5 Кл сек3 .

Таким образом, вектора а и Z соответст-i-п i i. V

венно равны551

следОваТельно, итерационную процедуру

. Xl ;.следует применять только для оценки параА- | в 1 z

и --

Г В I

l,.,.-g.-Vrb

0)

5К 0,1.2...

Вычисляя (14) получим

ZK ,

Л00 IX

Т к tx

(14)

10

где IK

т I (Z-a)2 «e-Z2dZ

t

+ 3

Т

15

r cWf-af- - L.,

+ а

(15)

оо

U / . С 2

-к - число сочетаний.

tx.

+

Первые три функции Li определяются следу- ющим образом:

Lo f4l-erf( + a)

(12)

30

Li -Ј- е

1 -()

tx

li- 4-я( lx i & r-

Т +3 -() , 7я

L2 +

- х

х 1 -erf

Т

+ а

- + а L1+-J-U.

(16)

edt функция

оши(13)

ов от мпий затью,

вляя первое со еренцируя 0 п я оценки Q в я

А- | в 1 z

и --

Г В I

метров tx и а.

Параметр Q определяется из (17) по вычисленным tjj H а на каждом шаге итераций.

Таким образом трем измеряемым параметрам Q, tx, а соответствуют параметры частицы m, ,p.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. На ЭВМ моделировался процесс измерения параметров Q, tx, а частицы по алгоритму, предлагаемому в данном изобретении, при величине отношения амплитуды полезного сигнала S(t,a) к среднеквадратическому значению шума, равном единице и при Z (Zo, Zi, Ј2). 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 а2 рм не измеряется, а задается . что ведет, естественно, к резкому снижению точности измерения пэраметрсь Q и tx.

Достоинством предложенного в изобретении алгоритма является также возможность повышения точности измерения а за счет накопления информации о полезном сигнале 5(т, увеличении размерности п вектора Z ----- (Zo, Zi. ,-i) no

сравненное с числом компонент ai, 32, аз вектора а.

Практическая реализация схемы для измерения параметров частиц осуществлялась на основе использования стандартных микросхем. В качестве интеграторов использовались операционные усилители топа К140УД14(7, 8, 9 описания изобретения), в качестве сумматоров (5, б описания) используются также микросхемы К140УД14. Блок памяти собран на м и к р о с х е м ах 537РУ10. .

Датчик содержит четыре микроканальные пластины промышленного изготовления 043 мм каждая. Усилитель А (см. о п и с а н и е) в ы п о л н е н н а м и к р о с х о м е К140УД14. В мишени 0 100 мм выполнены отверсти-я 02 мм. Общая площадь чувствительной поверхности мишени 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. 5Выходной сигнал не зависит от места

соударения. За счет применения микроканальных пластин чувствительность датчика по массе составляет г при скорости частицы выше 5-6 км с , что приблизитель0 но на порядок выше чем у прототипа Формула изобретения Устройство для измерения физических характеристик микрометеоритных пылевых частиц, содержащее датчик, включающий

5 плоскую мишень, приемник ионов и блок измерения ионного и электронного импульсов, отличающееся тем, что, с. целью повышения точности измерения параметров частиц в условиях малых значений отно0 шений сигнал /шум и уменьшения зависимости измеряемых параметров от места соударения час. иць; с мешеною, в мишени выполнены отверстия, равномерно распределенные по ее площади, причем, со

5 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 по0 верхиости мишени, блок измерения электронного и ионного импульсов выполнен в виде усилителя ионного тока, п интеграторов, п-1 сумматоров, где п 3 - целое число, и блока обработки и памяти, причем

5 вход усилителя ионного тока соединен с выходами приемников ионов, выход усилителя ионного тока соединены с входом первого интегратора и первыми входами всех сумматоров, выход каждого 1-го интег0 ратора 0 1 п-1) соединен с вторым

входом 1-го сумматора и блоком обработки и памяти, выход n-го интегратора соединен только с блоком обработки и памяти, а выход i-ro сумматора соединен с входом

5 (i-H)-ro инаегратора.