Способ измерения частоты прилипания электронов к молекулам газа

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПРИЛИПАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ К МОЛЕКУЛАМ ГАЗА , включающий облучение газового промежутка с плоскопараллельными электродами и постоянной напряженностью электрического поля, импульсом ионизирующего излучения, длительность которого более чем на порядок превышает время прилипания электронов в исследуемом газе, и регистрацию значений мощности дозы воздействующего излучения и ионизационного тока, протакающего через промежуток, отличающийся тем, что, с .целью повышения точности измерений и достоверности их результатов, упомянутый газовый промежуток дополнительно облучают импульсом ионизирующего излучения , длительность которого составляет 0,1-0,4 времени прилипания электронов к молекулам газа, регистриру7 ют дозу воздействующего излучения и соответствующий ионизационный ток газового промежутка и определяют частоту прилипания электронов к молекулам газа по формуле П Чу § J-inTU Yi (Л частота прилипания элекгде тронов; 1гп Чш максимальные значения тока, протекающего через газовый промежуток; r.1.максимальные значениямощности дозы воздействующего излучения при персл вом и дозы при втором облучениях соответственно. 00 4 HI

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 3(51) С 01 N 27/66 где а

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВ У (21) 3381756/18-21 (22) 04.01.82 (46) 30.11.83. Бюл. Р 44 (72) В.A.Àðãóíîâ и Г.Ф.Иоилев (53) 621.317(088.8) (56) 1. Бродский В.В., Загни С. Измерение коэффициента прилипания термализованных электронов в кислороде и в воздухе. - ЖТФ, т. 36, 1966, вып. 4, с. 672-678.

2. Grivier М,Г. апд oth. Air Chemi,stry and boydar 1аует studies with, Aurora. - IELL Trans. oa Иис1, Scien,vol, ns-24, 1977„ 6, рр.24062410. (54) (57) СПОСОБ ИЭМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

ПРИЛИПАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ К МОЛЕКУЛАМ ГАЗА, включающий облучение газового промежутка с плоскопараллельными электродами и постоянной напряженностью электрического поля, импульсом ионизирующего излучения, длительность которого более чем на порядок превышает время прилипания электронов в исследуемом газе, и регистрацию значений мощности дозы воздействующего излучения и ионизационного тока, про- текающего через промежуток, о т л и ч а ющи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений и достоверности их результатов, упомянутый газовый промежуток дополнительно облучают импульсом ионизирующего излучения, длительность которого составляет 0,1-0,4 времени прилипания электронов к молекулам газа, регистрируют дозу воздействующего излучения и соответствующий ионизационный ток газового промежутка и определяют частоту прилипания электронов к молекулам газа по формуле частота прилипания электронов; максимальные значения тока, протекающего через газовый промежуток; максимальные значения мощности дозы воздействующего излучения при первом и дозы при втором облучениях соответственно.

1037840

Изобретение относится к измерительнои технике и может быть использовано в экспериментальной и технической физике при оценке ионизапионных токов газовых промежутков и концентрации электронов в газовых смесях ионизационных лазеров.

Известен способ определения частоты прилипания электронов к молекулам газа, облучаемого ионизирующим излучением, основанный на измерении прошедшей через волновод СВЧ-мощности.

Пучок ионизирующего излучения вводится в рабочий объем волновода, заполненного исследуемым газом. В волноводе от внешнего генератора с помощью петли связи возбу>кдаются СВЧ-колебания определенного типа. Регистрируют ослабление интенсивности радиоволны при ее распространении по заи >лненному ионизованным газом вол- . 20 новоду. По полученным данным математическим путем определяют частоту прилипания электронов к молекулам газа %1j .

Применение известного способа ог- 25 раничено областью давлений исследуе° мого газа Р с 130 мм рт.ст. из-за сравнительно больрого разрешающего времени детекторов СВЧ-колебаний и возмо>кно лишь для электронов, нахо- 30 дящихся в тепловом равновесии с газом, =..е. при нулевой напряженности электрического поля в газе, в то время как на практике часто необходимо знать частоту прилипания электронов в плотном газе (P 7бО мм рт.ст.), имеющих энергии, значительно превышающие тепловую.

Известен также способ измерения частоты прилипания электронов к молекулам газа, включающии облучение газового промежутка с плоскопараллельными электродами и постоянной напряженностью электрического поля импульсом ионизирующего излучения, длительность которого более чем на порядок превышает время прилипания электронов в исследуемом газе (2) .

Согласно этому способу производят облучение газового проме>кутка с плоскопараллельными электродами импуль- 50 сом ионизирующего излучения, мощность дозы которого выбирается -такой,что процессом электрон-ионной рекомбинации можно пренебречь, а длительность много больше времени прилипа- 55 ния электронов к молекулам газа.

Во время облучения регистрируют мощность дозы воздействующего излучения и величину соответствующего этой мощности дозы ионизационного тока че-6О рез газовый промежуток. По формуле определяют частоту прилипания (E) электронов к молекулам газа как функцию напряженности электрического поля в газе Е = с, где 5 — площадь электродов;

К вЂ” константа, численно равная количеству ион-электронных пар, образованный в единице объема газа при поглощении этим объемом дозы излучения 1 Р;

1> — мощность дозы воздействующего излучения, время, отсчитываемое от на.чала облучения;

1 — ток, протекающий через промежуток;

4 — заряд электрона;

Ч вЂ” дрейфовая скорость электронов; приложенная к электродам разность потенциалов; 3 — междуэлектродное расстояние.

Недостатком указанного способа является невысокие точность и достоверность результатов измерений частоты прилипания электронов к молекулам газа. Погрешность определения частоты прилипания электронов зави- . сит прежде всего от того, с какой погрешностью известны значения величин К и Че — числа пар ион-электрон на 1 P поглощенной в газе дозы излучения и дрейфовой скорости электронов в газе соответственно. Эти величины табулированы лишь для ряда простейших газов, для которых погрешность определения 9ц (E) складывается из погрешностей регистрации ионизационного тока 1 Щ через газовый промежуток и мощности дозы воздействующе го излучения g (t) . При этом погрешность измерения частоты прилипания может быть сделана меньшей 3%. Тем не менее, даже для газов с табулированными значениями величин К и Че, не представляется возмо>кным оценить достоверность полученных значений частоты прилипания электронов, так как примеси данного конкретного газа и его давление могут отличаться от примесей и давления газа, при которых приведены значения V u Ча

В случае газов, для которых отсутствуют табулированные значения величин . Y и V< (например, для газов сложного состава или газов с неконтролируемыми электроотрицательными примесями), по указанному способу возможно определение лишь величины < = Ф)l(g(E) "1— сечейия прилипания электронов к молекулам газа. Погрешность определения частоты прилипания в этом случае может достигать 100Ъ и более, при этом достоверность полученного результата оценить практически не удается, так

1 2 rn q vn

0

35 где

Устройство, с помо<,ью которого реализуется предлагаймый способ, содержит стальной корпус 1, две диэлектрические шайбы ?, центральный электрод 3, свинцовый каллиматор 4, источник 5 питания и регистратор 6 про- текающего через промежуток тока.

Проводятся измерения частоты прилипания электронов к молекулам воздуха при давлении Р =760 им рт.ст.

На плоскопараллельные электроды воздушного промежутка, в ка естве кото,рых служат корпус 1 и центральный электрод 3, разделенные диэлектрикак подобная оценка всегда проводится на основе определенных предположений о роде газа, его давлении,. величины дрейфовой скорости и т.д., справедливость которых применяется априорно.

Цель изобретения — повьыение точности измерений и достоверности получаемых значений частоты прилипания электронов к молекулам газа.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты прилипания электронов к молекулам газа, включающему облучение газового промежутка с плоскопараллельными электродами и постоянной напря- 15 женностью электрического поля, импульсом ионизирующего излучения, длительность которого более чем на порядок превышает время прилипания электронов в исследуемом газе, и регист- 2р рацию значений мощности дозы воздействующего излучения и ионизационного тока, протекающего через промежуток, последний дополнительно облучают импульсом ионизирующего излучения, 25 длительность которого составляет 0,1 0,4 времени прилипания электронов к молекулам газа, регистрируют дозу воздействующего излучения и соответствующий ионизацианный ток газового промежутка и определяют частоты прилипания электронов к молекулам газа по формуле где 9< -„ частота прилипания электронов; ,1 — максимальные значения тока, протекающего че- 4p рез газовый промежуток при первом и втором облучениях соответственно; „щ,п2п, — максимальные значения мощности дозы воздейст- 45 вующего излучения при первом и дозы при втором облучениях соответственно.

Введение повторного облучения одного и того же газового промежутка при неизменной разности потенциалов на его электродах импульсом излучения, длительность которого меньше

I времени прилипания электронов к молекулам газа, регистрация дозы воздействующего излучения и ионизационного. тока газового промежутка-и оп" ределение частоты прилипания электронов к молекулам газа по формуле позволяет, в сравнении с известным спо- 60 сабом, повысить точность измерений частоты прилипания электронов к молекулам газа и достоверность получаемых результатов за счет исключения при определении частоты прилипания $5 величин, значения .которых непосредственно в эксперименте не олределяМтся (а именно, величин г и e l и, следовательно, вносящих в известный способ большую погрешность измерений и определяющих глалую достоверность получаемых этим способом результатов.

На чертеже показана схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим образом.

Промежуток с исследуемым газом и члоскопараллельными электродами, к

;которым приложена постоянная разность потенциалов, облучают импульсом ионизирующего излучения, длительность которага на порядок и более превышает время прилипания электронов, регистрируют.мощность дозы воздействующего излучения и протекающий через промежуток ианизационныи ток, тат же газовый промежуток облучают вторично импульсом излучения, длительность которого меньше времени прилипания электронов к молекулам газа, и регистрируют дозу воздействующего излучения и ионизационный так, протекающий через промежуток. Облучение в обоих случаях проводят при равных значениях приложенной к; электродаи разности потенциалов. Частоту »„, прилипания электронов к молекулаи газа определяют по отношению максимальных значений ионизационных токов, протекающих через промежуток, при первом и втором облучениях

1 <,„,12щ — максимальные значения ионизацчанного тока, протег<ат<гего через газовый промежуток при первом и втором облучениях соответственно;

D„ù,Q2 — максимальные значения мощно-.ти дазы воздействующего излучения при первом и дозы при втором облучениях, соответственно. б

Первое облучение (1 »1С, ) 1 2 3 4 5 6

Импульс

1 1 4 4 6 б

Е, кВ/см мкс 0,7 0,68 0,56 0,49 0,62 0,8

1 Э9(р

0,06 0,04 0,27 0,07 0,05 0,02

Э„„„(109 Р/c). 46 28 73 19 13 061

Повторное облучение(tz(9> ) Импульс 1эу,р, нс

6,8

6,2

5 3

8,0

1 4 6 1 4

Е, кВ/см

1 4 б 1 4 6

0,58 5,6 1,2 0,5 4,2 0,95,;0,4

З „„(крад) 76 16 0 6 6,7 1 4

12„„, Л . 4,4 2,2 1,2 3,4 1,7 1,1 3,2 1,6 0,95 2,4 1,4 0,75 ческими шайбамн 2, высота которых

of. =0,5 см, подается от источника 5 постоянного напряжения разность потенциалов V =0,5,,2, 3 кВ. Погрешность установки потенциалов не превышает 14. 5

Таким образом, начальная напряженность электрического поля в воздухе E=V(of,= (1,4,6) кВ/см. Протекающий между электродами воздушного

1 промежутка ионизационный ток регистрируется осциллографом (регистратором 6), погрешность измерения тока при этом не превышает + 10Ъ. Регист1 рация дозы воздействующего излучения проводится с помощью термолюминесцен-15 тных дозиметров,форма импульса излучения регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). По дозе за импульс и форме импульса излучения определяются эффективная 2О длительность импульса излучения и максимальная мощность дозы.

При использованных значениях напряженности электрического поля Е=

=(1,4,6) кВ/см известные значения частоты прилипания электронов в воздухе атмосферного давления лежат в пределах > < =(1,5-5) ° 10 с, что

7 соответствует разбросу времен прилипания гп = 4, = (70-20) нс. В соответствии с этим первое облучение проводилось на установке типа МИГ-5000.

Из таблицы, в которой приведены yc" ловия облучения и результаты Йзмерений протекающего через промежуток тока, видно, что длительность импульса излучения при этом изменялась от

490 до 800 нс, что почти на порядок превышает время прилипания электро,нов.

1057840 8. Составитель В.Александров

Редактор Н.Безродная Техред M.Íàäü Корректор Г.ОгаР

Заказ 9576/46 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

В этом случае реализуется стационар- ный по электронам режим протекания тока через газ, а концентрация электронов при этом пропорциональна мощности дозы воздействующего излучения.

Действительно, при постоянной напряженности электрического поля в газе иониэационный ток прямо пропорционален мощности дозы воздействующего из-. лучения, например, при E=1 кВ/см проведены облучения промежутка импульса- 1О ми излучения установки МИГ-5000, мощI ности дозы которых относятся как 4,бз ,:2,8=1,64, а отношение соответствующих токов 60!40=1i5i при Е=4 кВ/см мощности доз относятся как 7,3:1,9= =3,84, а токи 0,27:0,07=3,86. Факт пропорциональности протекающего через промежуток тока мощности дозы воздействующего излучения указывает также, что рекомбинацией электронов 20 с положительными ионами можно пренебречь,. так как в противном случае ток через промежуток был бы пропорционален корню квадратному иэ мощности дозы воздействующего излучения. 5

Повторное облучение этого промежутка при тех же значениях напряженности электрического поля проводилось в поле электронного излучения ускорителя электронов. Условия облучения и результаты измерений приведены в таблице. Из таблицы видно, что длительность импульса излучения t2 =

=5-8 нс, что меньше времени прилипания электронов к молекулам в воздухе .при указанных в таблице значениях напряженности электрического поля в газе. Таким образом, при повторном облучении реализуется режим, при котором электроны за время действия импульса излучения не успевают прилип- 4О нуть к молекулам. Это подтверждается тем, что при повторном облучении экспериментально наблюдаемые ионизационные токи через газовый промежуток (в пределах погрешности измерений) 45 пропорциональны дозе воздействующего излучения при нейзменной разности потенциалов на электродах промежутка.

По формуле (2) и экспериментальным данным таблицы рассчитаны средние значения частоты прилипания электронов в воздухе атмосферного давления: ц (К=1 кВ/см) =4,18 107 с; Яп (E=

=4 кВ/см =3,65 107 с ; Я (E=

=б кВ/см)=4,93 10 с

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить частоту прилипания электронов к молекулам газа, используя лишь величины, значения которых непосредственно измеряются. Введение повторного облучения того же самого газового промежутка при неизменной разности потенциалов на его электродах импульсом излучения, длительность которого меньше времени прилипания электронов в газе,позволяет в сравнении с базовым способом, в качестве которого взят прототип, повысить точность определения и достоверность получаемых значений частоты прилипания. В приведенном примере использования способа для определения частоты прилипания электронов в воздухе атмосферного давления относительные погрешности определения составляют 7,2Ъ при E=1 кв/см, 6Ъ при

E=4 кВ/см и ЗЪ при E=á кВ/см, т.е. погрешность результата близка к погрешности использованиых для измерений приборов 1-10Ъ. Достоверность получаемых значений частоты прилипания можно оценить, приняв доверительную вероятность Ж =0,95. Средняя квадратическая погрешность отдельного измерения в указанном примере составляет

9=0,37 ° 107 с при E=1 кВ/см, ъ =

=0,23.107 с " при E=4 кВ/см и 5 =

=0,15 10 с < при В=б кВ/см. Соответственно, доверительный интервал полученйых значении +a составляет (4, 18+ О, 37) ° 107 с <, (3, 65+ О, 24)»

К107 с, (4,93+0,12) 10 с