Измеритель атомарных потоков Советский патент 1980 года по МПК G01N27/52 

1

Изобретение относится к средствам измерения атомарных потоков кислорода в вакууме и может применяться для измерения при вь1соких температурах, исследовании космического пространства.

Известны измерители атомарных потоков, содержащие, например, чувствительHbivi элемент из окиси цинка, сопротивление которого изменяется при взаимодействии с атомарным потоком, например потоком атомарного кислорода (1).

Однако такие измерители являются при- to борами одноразового измерения, на их показания существенное влияние оказывает молекулярный кислород и другие газы, это приводит к значительному увеличению по грешности измерения атомарных потоков.

Наиболее близким техническим решением является измеритель атомарных потоков, состоящий из системы нагрева, снятия сигнала и чувствительного элемента, например, из окиси свинца, сопротивление которого меняется под воздействием атомарного по- jo тока (2.

Известное устройство имеет низкую точность измерения за счет влияния молекулярного кислорода и наличия других компонентов газовой смеси. Оно требует сложной технологии при подготовке их к.работе (пассивированию и т.д.), что приводит к сложности их применения для измерения в вакууме. Известное устройство также не позволяет проводить непрерывные измерения изменения атомарного . потока в течение длительного времени. Низкая точность известного устройства за счет влияния молекулярных потоков обусловлена тем, что в данном устройстве регистрация атомарного потока выполняется по вплескам сигнала на фоне какого-то определенного сигнала, зависящего от молекулярного потока, однако этот сигнал также изменяется и вносит ошибку в сигнал, вызываемый атомарным потоком. В случае же, когда величина всплесков сигнала от атомарного потока близка к величине сигнала, вызванного наличием молекулярных газов, это разделение сигналов, снимаемых с чувствительного элемента, невозможно, и- определить за счет чего изменяется сигнал также невозможно.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности измерителя атомарных потоков. Указанная цель достигается тем, что чувствительный элемент выполнен в виде усеценного конуса, например, из твердого электролита, на внутреннюю торцовую и боковую поверхность которого нанесены электроды, выполненные, например, из платины, а наружная поверхность твердого электролита, соединена с электродом сравнения, образованным полостью между твердым электролитом и корпусом измерителя, заполненной, например, смесью металла с его окисью. На чертеже представлен, схематически в разрезе измеритель атомарных потоков. Измеритель состоит из чувствительного элемента 1, выполненного в виде усеченного конуса, например, из твердого, электрсглита типа 0,85 ZrO 4-0,15 СаО, пористых злектродов 2 и 3, выполненных, например, из платины и нанесенных на торцовую 4 и боковую 5 поверхности полости чувствительного элемента 1. Электрод сравнения 6 выполнен в виде камеры между корпусом 7 и чувствительным элементом I, которая заполнена, например, смесью металла с его окисью (NB, NBO). Электродом сравнения может служить и газовая смесь, например воздух, кислород при постоянном давлении. Пространство электрода сравнения 6 герметизировано от окружающего, например, с помощью пайки. Электроды 2, 3 и 6 соединены с входом, суммирующего устройства 8, выход которого соединен с системой 9 снятия сигнала. Нагревательный элемент измерителя на чертеже не показан. Работа устройства заключается в следующем. Поток газа совместно с атомарным потоком взаимодействует при попадании его в полость чувствительного элемента 1 первоначально с электродом 3, нанесенным на торцовую поверхность 5. С электродом 5 взаимодействует как атомарный так и молекулярный поток газа, например кислорода, поэтому ЭДС, возникаемая согласно закона Нернста за счет разности химических потенциалов с разных сторон твердого электролита, т.е. между электродами 3 и 6 будет функцией как молекулярного, так и атомарного потока газа, например, кислорода. Химический потенциал электрода сравнения 6 является постоянным. С электродом 2, за счет выполнения входной полости в виде кОнуса, будет взанмодействовать только молекулярный газ например, кислород; и ЭДС, между электродом 2 и электродом сравнения 6, образующаяся за счет разности хнмнческих потенциалов молекулярного кислорода электрода 2 и электрода сравнения б, является функцией только молекулярного кислорода, гак как химический потенциал электрода сравнения является постоянным при постоянной температуре. Атомарный поток, имея высокую активность, при первом же столкновении с электродом 3 будет поглощаться. Вероятность отражения атомар него потока от электрода 3 очень незначительная и ей можно пренебречь. А так как входная полость выполнена в виде конуса, то прямой атомарный поток на электрод 2 попадать не будет, т.е. электрод 2 будет взаимодействовать только с молекулярным потоком газа, который имеется в полости и который может отражаться от электрода 3, ЭДС между электродами 2 и 6, 3 и б, обусловленные в первом случае только молекулярным и во втором - олекуля ным и атомарным потоками газа, подаются на вход суммирующего устройства 8, которое вычитает из ЭДС между электродами 3 и 6, ЭДС между электродами 2 и 6, результат регистрируется системой снятия сигнала. Химический потенциал (или парциальное давление), электрода сравнения б поддерживается постоянным при заданной температуре за счет протекания реакции окисления металла к его окиси, давление кислорода (химический потенциал) поэтому над данной смесью, соответствующее давлению диссоциации окисла, металла, будет постоянным и может быть расчитано с помощью термодинамических данных. При дополнительной регистрации сигнала между электродами 2 и 6 получаем сигнал, пропорциональный молекулярному кислороду. Повышение чувствительности преобразователя достигается за счет того, что ЭДС между электродами 2 и б зависит только от молекулярного кислорода, который также учавствует в образовании ЭДС между электродами 3 и б, поэтому в случае, когда молекулярный поток постоянен н изменяется только атомарный малейшие его изменения приведут к изменению ЭДС между электродами 2 и 3 и, соответственно, на выходе суммирующего устройства. Если же молекулярный поток не постоянен, то он будет вносить одинаковое изменение в ЭДС между электродом 2-6 и З-б, а разность будет соответствовать величине атомарного потока. Это одновременно приведет и к повышению точности измерения. Точность увеличиваетсятакже и за счет того, что н неосновные компоненты газовой смеси, которые в ней присутствуют, одинаково влияют как на ЭДС между электродами 2 - 6, так и на ЭДС между электродами 3-6, не влияя при этом на выходной сигнал суммирующего устройства, т.е. разность сигналов не будет зависеть от влияния дополнительных компонентов газовой смеси и является функцией только атомарного потока. Одннм из преимуществ устройства.является также возможность регистрации молекулярного потока газа, для этого необходимо регистрир01вать ЭДС между электродами 2-6.Heoбxoдимotaкжe отмети{ь,что,чем больше угол конусности, тем выше точность измерения атомарного потока. Это объясняется тем, что в случае, если угол конусности

мал, то на ЭДС между электродами 2-6 начинает влиять прямой атомарный поток, который частично попадает и на электрод 2, что приводитк ухудшению точности измерений.

Данное устройство позволяет производить измерения при высоких температурах.

Изобретение обеспечивает непрерывность процесса измерения, высокую точность и чувствительность.

Формула изобретения

I. Измеритель атомарных потоков, содержащий корпус, чувствительный элемент, электрод сравнения и измерительные электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения, чувствительный элемент выполнен в виде усеченного конуса, из твердого электролита, на внутреннюю торцовую и боковую поверхности которого нанесены измерительные электроды, а наружная поверхность твердого электролита соединена с электродом сравнения, образованным полостью между твердым электролитом и корпусом измерителя, заполненной смесью металла с его окисью.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся

тем, что измерительные электроды выполнены из платины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Журнал физической химии. 49, JVs 5, 1975, с. 1362-1363.

2.Авторское свидетельство СССР № 463022, кл. G 01 L 9/02, 1975.