СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ Советский патент 1973 года по МПК G01T1/36 

1

Изобретение относится к приборам для измерения физических параметров атмосферы.

Известны спектрометры ионов, содержащие источник питания, регистратор, аспирационную камеру с двумя крайними электродами и измерительным электродом, присоединенным к регистратору, электрометричеокий усилитель. Количества ионов любого знака в таких спектрометрах измеряются методом накопления заряда на собирающем электроде аопирацяонной камеры. Спектрометры обладают самой высокой чувствительностью но сравнению со спектрометрами, в которых используются другие методы измерения спектра ионов.

Однако при измерении спектра легких ионов на обкладки ионизационной камеры подают достаточно малые потенциалы. В результате накопления заряда на собирающем электроде, на нем растет потенциал, который при достаточно больших концентрациях ионов становится сравнимым по абсолютной величине (и обратным по знаку) с потенциалом на высоковольтном электроде. Это приводит к бльшим погрешностям в измерении ка1к концентрации, так и спектра ионов, а также к ограничению динамического диапазона измеряемых концентраций.

Для расширения динaмиiчeoкoгo диапазона измеряемых концентраций ионов в предлагаемом спектрометре электрометрический усилитель снабжен двумя цепочками обратной связи с изолированными выводами, каждая из которых нагружена на омический делитель, причем одна крайняя точка этого делителя

присоединена к одному из крайних электродов аспирационной камеры, а средняя точка- к одному из выводов источника питания.

На фиг. 1 показана схема описываемого спектрометра; на фиг. 2 - кривые напряжен

сигнала на входе усилителя.

Спектрометр содержит аснирационную ио задионную камеру 1, источник 2 питания камеры, балансный потенциометр 3, резисторы 4-7 цепей обратной связи, усилитель 8, регистратор 9.

Высоковольтные электроды аспирационной ионизационной камеры 1 соединены с источником 2 питания камеры (высокого напряжения), средняя точка которого заземлена при

помощи потенциометра 3 через резисторы обратной связи 4 и 5. Собирающий электрод ионизационной камеры 1 соединен с усилите лем 8, выход которого соединен с регистратором 9. Два дополнительных выхода усилителя

8 соединены с делителями цепей обратной связи, состоящими из резисторов 7, 4 и 5, 6. Работает спектрометр следующим образом.

Перед началом измерений потенциометром 3 балансируют входную мостовую схему так,

чтобы изменение напряжения высоковольтного источника 2 не вызывало появление сигнала на входе усилителя 8. При оборке схемы подбирают делители 7, 4 и 5, 6 так, чтобы при подаче сигнала на вход усилителя 8 на резисторах 4 и 5 появлялся сигнал обратной связи, равный по амплитуде сигналу, снимаемому с собирающего электрода, а знак сигнала обратной связи на правых концах резисторов 4 и 5 соответствовал бы знаку подаваемого высоковольтного напряжения (согласное включение сигнала обратной связи и высоковольтного напряжения). Затем через одну половину аспирацианной камеры, например верхнюю, продувают исследуемый воздух. Под действием электрического поля ионы одного знака, в данном случае отрицательные, оседают на собирающем электроде, создавая на нем потенциалu(f)-m., лде U(t) - значение потенциала собирающего электрода в зависимости от времени;Q(t) -заряд, накопленный за это же время на собирающем электроде; Со - общая входная емкость усилителя с учетом емкости ионизационной камеры. Этот потенциал записывает после усиления регистратор 9. Если принять, что емкости между собирающим электродом и ионизационной камерой 1 и верхней и нижней обкладками равны, то напряжение, приложенное к высоковольтным обкладка-м перед измерением, равно EJ2, где Е - напряжение источника 2. В результате наличия цепей обратной связи, во время измерения в рабочей части ионизационной камеры {между собирающим и верхидам электродом) будет напряжение: E, - + U,(f)-U,(t), где Ui(t)-напряжение обратной связи, z(t) - напряжение собирающего электрода. А так как U(t) Llz(t), то 1 - . Если бы не было цепи обратной связи, вместо равенства (1) было бы: E,,(t). Равенство (2) имеет место для существующих в настоящее время счетчиков и спектрометров ионов, в которых используется режим накотгления заряда. Из равенства (2) видно, что напряжение между электродами в рабочей части камеры является функцией времени. На фиг. 2 показан ход связи кривых сигнала на входе усилителя 8 етрн налич.ии цепей обратной связи (кривая А) и без цепей обратной связи (кривая Б), V - амплитуда .сигнала, t - время, и - максимальная амплитуда еще не искаженного сигнала для кривой Б. Из сравнения этих кривых видно, что максимальная амплитуда неискаженного сигнала в спектрометре, в котором отсутствует компенсация изменения напряжения между электродами, значительно меньше, чем в предлагаемом здесь спектрометре. Если аспирационная ионизационная камера плоского типа, то для нее предельная измеряемая подвижность ионов в общем случае будет: Л- - А„р- ,(d) где d - расстояние между электродами; Vo - скорость потока воздуха; Ei - напряжение между электродами; / - длина собирающего электрода. При отсутствии обратной связи уравнение (3), если в нем заменить значение i по формуле (2), будет по ., .(4) |-.( уравнения (4) видно, что в результате заряда собирающего электрода вносится погрещность в определении измеряемой, предельной подвижности ионов. Эта погрещность тем больше, чем больше измеряемая концентрация ионов, поскольку ии .М. - n-e-V,-S-t V где п- Концентрация ионов в единице объема воз:духа; е - заряд иона, равный 1,6.10- Кл; УО -скорость потока воздуха, 5 - -площадь поперечного сечения рабочей части аспирационной ионизационной (Камеры; / - время на1КО:Пления. Если учесть, что измеряе.мая концентрация ионов колеблется от 10 до 10 и выще ионов на 1 см то и значение U(t) может меняться в таких же пределах. В результате измерение больших концентраций методО|М накопления становится невозможным. Введение же обратной связи, компенсирующей величину U(t} в формуле (4), значительно расширяет динамический диапазон спектрометра и повышает точность определения измеряемых предельных подвижностей ионов. В результате этого интегрирующий спектрометр становится универсальным прибором, способным работать в широком диапазоне измеряемых концентраций. Предмет изобретен«я Спектрометр ионов, содержащий источник питания, регистратор, аспирационную камеру с двумя крайними электродами и измер(Ительным электродом, присоединенным к регистратору, электрометрический усилитель, отличающийся тем, что, с целью расширения динамичеокого диапазона измеряемых концентраций

ионов, упомянутый усилитель снабжен двумя цепочками обратной связи с изолированными выводами, каждая из которых нагружена на омический делитель, причем одна крайняя

6

точка этого делителя нрисоединена к одному из крайних электродов аснирационной камеры, а средняя точка - к одному из выводов источника питания.

2 3

V,

Фvг.1

ФгJг. Z