Устройство для измерения объемного заряда, концентрации и спектра атмосферных ионов Советский патент 1974 года по МПК G01N27/62 H01J39/34 H05F1/00 

1

Устройство относится к приборам для исследования физических параметров атмосферы.

Р1звестны устройства для измерения объемного заряда, концентрации и снектра атмосферных ионов, в которых иснользованы разрезные высоковольтные и собирающие электроды. Разрезные высоковольтные электроды позволяют формировать линейно нарастающий на высоковольтном электроде потенциал, что, в итоге, дает возможность исключить краевой эффект на входе устройства и создать оптимальную форму электрического поля внутри устройства. Однако для таких устройств необходимо использовать высоковольтные источники напряжения, амплитуда напряжения которых должна достигать нескольких киловольт, причем измерительный рабочий объем такого устройства используется не оптимально. Действительно, если поперечное сечение входа устройства равномерно заполнено ионами, то, по мере прохождения воздуха через устройство, измеряемые ионы электрическим полем сдвигаются в сторону собирающего электрода. У высоковольтного электрода образуется пространство, в котором отсутствуют измеряемые ионы, т. е. пространство не содержит информации. В то же время напряженность поля внутри такого устройства определяется разностью потенциалов между

электродами и расстоянием между ними. Таким образом, происходит затрата энергии на создание электрического поля в объеме, в котором отсутствует информация.

Целью изобретения является уменьщение размеров и снижение рабочих напряжений устройства.

В предлагаемом устройстве этот недостаток устранен за счет того, что по ходу движения

0 ионов уменьшается расстояние между собирающим и высоковольтным электродами, в результате чего не происходит потерь информации, а общее максимальное напряжение высоковольтного электрода снижено в несколько

5 раз.

На чертеже схематично представлено описываемое устройство.

Устройство содержит разрезные высоко вольтные электроды измерительного объема 1, 0 разрезные высоковольтные электроды балан сировочного объема 2, собирающие электро ды 3, корпус 4, ионный фильтр 5.

Функциональная зависимость между элементами устройства следующая. 5 Между высоковольтными электродами 1 и 2, на равном расстоянии от них, помещены собирающие электроды 3, причем высоковольтные электроды 1 и 2 расположены так, что по мере движения ионов (направление их движе0 ния под действием потока воздуха показано стрелками), зазор между высоковольтными электродами 1, 2 и -собирающими электродами 3 уменьшается. Все электроды укреплены на изоляторах в корпусе 4, на входе в который установлен ионный фильтр 5. Фильтр должен пропускать ионы только в одну половину устройства (верхнюю или нижнюю) - при измерении объемного заряда воздуха. Если потенциал на высоковольтном электроде линейно нарастает, то отношение максимального напряжения на электроде к длине высоковольтного электрода определяется следуюш,им образом: J/o 2-Vo-d I Knp() откуда разность потенциалов между началом и концом высоковольтного электрода будет равна: // - 2.V,..J. (/ -ЬЙГ где УО - скорость потока воздуха; d - расстояние между высоковольтным и собираюш,им электродами; / - длина высоковольтного электрода; Кпр - предельная подвижность иона, который, войдя в устройство у высоковольтного электрода, осядет на правом конце собирающего электрода. Из формулы (1) видно, что напряжение на высоковольтном электроде зависит.от линейных размеров устройства, скорости потока воздуха и от предельной измеряемой подвижности ионов. Снизить потенциал UQ можно уменьшением скорости потока воздуха, что потребует применения более высокочувствительной измерительной аппаратуры, так как заряд, осаждаемый на собирающем электроде, пропорционален количеству продуваемого через поперечное сечение в единицу времени воздуха. Кроме того, для снижения потенциала можно уменьшить зазор между электродами с сохранением остальных параметров. Чтобы не изменять скорость потока и объемный расход воздуха, высоковольтные электроды устанавливают так, что между ними в продольном направлении создается зазор для прохождения воздуха без нарушения ламинарности потока. Легко сосчитать, на какую величину можно уменьшить зазор между электродами без потери информации. Пусть длина первого собирающего электрода равна Х-. Она определяется из условия осаждения на первом электроде ионов с предельной подвижностью скорость нарастания потенциала на первом разрезном высоковольтном электроде. ,-1 где di - зазор между электродами. Время движения иона на расстояние Xi от входа равно: KCi 2 (3) За это время ион с любой подвилсностыо пройдет путь по координате у- (di-rfo) за время Т - 2.1() K-CiXi Приравняв (3) и (4), найдем: d,-d, 2.Й, 1 0Если минимальная измеряемая подвижность ионов /Смин, то расстояние между собирающим электродом и вторым разрезным высоковольтным электродом равно: KuvnCi-X Ofj flfj - 2-d,(V,При соблюдении условия (6) все ионы, не осевшие на первом собирающем электроде, проходят в зазоре между вторым собирающим и вторым высоковольтным электродами. Над вторым высоковольтным электродом проходит деионизированный воздух, т. е. верхний объем не содержит информации. Аналогично можно рассчитать зазоры и между остальными электродами. Из формулы (6) видно, что, если на втором электроде увеличить крутизну нарастания потенциала, то зазор между электродами уменьшится. Уменьшение же зазора между собирающим и высоковольтным электродами при одном и том же потенциале на высоковольтном электроде и при тех же размерах электродов согласно формуле (1) приводит к уменьшению предельной- измеряемой подвижности ионов /(пр, т. е. к расширению динамического диапазона измеряемого спектра подвижности ионов. Отсюда же следует, что при сохранении диапазона измеряемого спектр подвижностей понадобится меньшее максимальное напряжение на высоковольтном электроде. Предмет изобретения Устройство для измерения объемного заряа, концентрации и спектра атмосферных онов, содержащее плоский аспирационный онденсатор с разрезными собирающими и выоковольтными электродами, отличающеея тем, что, с целью уменьшения размеров стройства и величины максимального напряения на высоковольтных электродах, последие расположены на разных расстояниях от обирающего электрода, причем эти расстояия тем меньше, чем дальше высоковольтный лектрод от входного отверстия устройств.