Способ измерения концентрации ионов в газе и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК G01N27/70 

Устройство для осуществления этого способа сод1ержит генератор импульсов, электроды и электрометрический усилитель тока. Указанный способ не ПОЗВОЛЯЕТ достигнуть одновременно и чувствительности способа элект рического пробоя и динамического диапазона способа, основанного на простом измерении ионного тока через газ. Причина ограничения чувствительности и динамического диапазона заключается в том что при использовании дли ных импульсов высокого напряжения разряд становится самостоятельным и ток разряда перестает зависить от исходной концентрации (ИОНОВ в газе. С другой стороны, при исйользовании коротких импульсов размножающиеся в процессе разряда ионы не успевают достигнуть электродов, в результате чего падает чувствительность способа. Вторым недостатком способа прн использовании коронного разряда является необходимость сохранения в относительно больщей части объема межэлектродного промежутка пониженной напряженности электрического поля. Ионы попавшие в эту часть объема не размножаются что также приводит к снижению чувствительности и к трудностям, связанным с пЬирком способа доставки подлежащих регистрации ионов в чувствительное место межэлектродного промежутка с высокой напряженностью электрического поля. Целью настоящего изобретения являетср повышение чувствительности и расширение динамического диапазона измерений концентрации ионов в газе. Эта цель достигается за счет того, что длительность импульсов устанавливают короче времени развития разрядов, а меясду импульсами на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, по абсолютной величине ниже пробойнрго. Отличием устройства для осуществления этого способа является то, что оно со держит источник постоянного напряжения, вклю ченный последовательно с выходом генератора импульсов. Наличие ионов в межэлектродном тфомежут ке в момент подачи на него сверхпробойного напряжения вызьшает лавинный процесс их раз множения. В случае, когда длительность импул са сверхпробойного напряжения короче времени развития разряда, последний не успевает превратиться в самостоятельный, ионы размножаются не взаимодействуя друг с другом и поэтому к моменту окончания действия импульса их о&цее число пропорционально исходному перед началом импульса. Время развития разряда зависит от давления, природы газа, геометрии электродов и т.д. и в разных экспе риментах находится в пределах сек, Этим временем, например, определяется максимальная скорость срабатывания тиратронов. Процесс размножения ионов заканчивается в момент окончания действия импульса. Под действием постоянного напряжения, по абсолютной величине меньщего пробойного, ионы, находящиеся в межэлектродном промежутке, дрейфуют к электродам и разряжаются на их поверхностях. Необходимым условием предотвращения самостоятельного разряда является вьюод из межэлектродного промежутка всех ионов, родивщихся за время действия импульса. Для вьшолнения этого условия следзтощий импульс должен быть задержан на период больцшй времени рассасьшания зарядов в межэлектродном промежутке. Последнее определяется подвижностью ионов, величиной постоянного напряжения, а также временем жизни метаста- бильных состояний в газе. Именно эти причи.ны ограничивают максимальную рабочую частоту тратронов. В зависимости от тапа газа, геометрик устройства и т.д. минимальный период следования импульсов может лежать в пределах 1(Я-10 сек. .На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства. Она содержит -источник постоянного напряжения 1, генератор импульсов 2, электроды 3. и электрометрический усилитель 4. Устройство работает следующим образом. Постоянное напряжение, по абсолютной величине ниже пробойного, вырабатывается в источнике . Короткие импульсы высокого напряжения вьфабатываются генератором 2 и складьшаются с постоянным напряжением на электродах 3. Ионный ток через газ регистрируется электрометрическим усилителем 4. Ироводились измерения концентрации ионов в потоке гелия высокой чистоты. Ионы полу чались облучением газа )3-частицами, излучаемыми дитановой мишенью, насьпценной тритием с выходом 10 ионов/сек. Анализируемый газ подавался в устройство через медную трубку внутренним диаметром 2 мм. Источник излучения располагался внутри этой 1рубки. Концентрация ионов в выходящем потоке регулировались грубо - расстоянием от источника излучения до вькодного торца трубки в пределах 1-20 см, а тонко - величиной расхода газа. Расход газа в пределах 0,5-10 .регулировался игольчатым вентилем ротаметра. На выходном конце трубки, подающей ионизированный газ через полиэтиленовую изолирующую муфту, устанавливались электроды 3. из них представлял собой отрезок такой же трубки длиной 20 им, а с другой - медный стержень диаметром 1,4 мм, длиной 5 мм, расположенный внутри первого электрода на его оси. при эхом зазор между электродами составлял 0,3 мм. Регистрация тока разряда в отсутствии ионов и выключенном генераторе им:пульсов показала величину пробойного напряжения межэлектродного газового промежзтка 200 волы. При подаче постоянного напряжения 100 вольт и хотя бы одного импульса амплитудой 300 вольт и длительностью больше 200 асек. между электродами зажигался самостоятельньш дуговой разряд, ток которого ограничивался только входным сопротивлением электрометрического усилителя 4. При импульсах, короче 200 н.сек., дуговой разряд не возникает. Отношение показаний электрометрического усилителя при включенном и выключенном генераторе импульсов дает возможность измерить усиление ионного тока испытьшаемым устройством В зависимости от амплитуды, длительности и частоты импульсов, а также величины пос оянiHoro напряжения это усиление плавно регулнро валось в пределах от 1 до 10. Оптимальные значения электрических параметров в описьшаемом случае составили: величины постоянного напряжения - 100 вольт, амплитуда импульсов - 300 вольт, длительность - 100 н-сек.,

частота - 10 к ° коэффициент усиления составляет величину , диапазон измеряемых концентраций МЗК.-- ю

С мин.

Увеличение частоты следования импульсов

выше в приведенном примере приво- сек

дит к зажиганию самостоятельного дугового

разряда.

Используемый в способе лавинообразный . процесс размножения ионов под действием све пробойного напряжения является основой для увеличения чувствительности измерений. Корот кое время существования сверхпробойного напряжения не дает возможности развиваться вторичным процессам электрического разряда в газе, таким как вторичная электронная эмис сия с электродов, рекомбинация ионов, повышение температуры и тд. Существование постоянного напряжения ускоряет процесс рассасывания ионов, уменьшает вероятность их рекомбинации и поэтому .Дозволяет зарегистриро вать все ионы, развившиеся при размножении. Таким образом, в условиях постоянства амплитуды, длительности, частоты импульсов и величины постоянного напряжения, благодаря отсутствию вторичных процессов электрического разряда, предлагаемый способ, во-первых, позволяет довести устойчивый коэффициент оазмножения ионов до величины 10 - то

есть увеличить чувствительность измерений концентрации ионов Б миллион раз по срав1 вШ1Ю с известным способом, основанном на измере-. НИИ тока под действием напряжения, ниже пробойного по величине, во-вторых, одновременно достигнуть постоянства коэффициента размножения, попавших в межэлектродный промежуток ионов, и получить линейную зависимость между средним током через газ и исходкой концентрацией ионов в диапазоне ее изменения .jQ6 , что означает увеличеС мин.

ниа диапазона измерений на пять порядков по сравнеьшю с известным способом, допускающим

полное развитие искрового или коронного -разряда. Кроме того, предложенный способ позволяет использовать для регистрации ионов весь газа, находящийся между злектррда ш, и снизить требования к геометрической

форме электродов, что в свою очередь расширяет возможности применения способа.

Формула изобретения

1. Способ измерения концентрации ионов

в газе, заключающийся в регистрации тока разряда межэлектродного газового промежутка под действием периодического илшульсного напряжения с амплитудой импульсов, превышающей величину пробойного напряжения, и с

промежутком между импульсами, превышающим величину времени рассасывания зарядов, о тли чающийся тем, что, с целью повышения производительности измерения длительноста импульсов устанавливают короче времени развития разрядов, а между импульсами на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, iio абсолютной величине ниже пробойного. 2. Устройство для осуществления способа измерения ковдентрации ионов в газе по п. I, содержащее генератор импульсов, электроды и электрометрьческкй усилитель тока, отличающееся тем„ что оно содержит источник постоянного напряжения, включенньп последовательно с выходом генератора импульсов. Источ1шки информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме ОгаЗ, М.-Л., 1947, с. 23-28. 2.Патент Франции N 2212.380. 101. G 01 N 27/70 - прототип, 1976.