Устройство для измерения физических характеристик микрометеоритных пылевых частиц

 

Использование: относится к приборостроению , средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии. Сущность изобретения: устройство для измерения физических характеристик пылевых частиц содержит мишень с выполненными в ней отверстиями равной плотности. По одну сторону от мишени на расстоянии, примерно равном радиусу мишени, установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, а по другую сторону от мишени, противоположную ее чувствительной поверхности , параллельно установлены приемники ионов с суммарной площадью, равной площади мишени. Блок измерения ионного и ёлектронного импульсов включает усилитель ионного тока 4, два сумматора, три интегратора и блок отработки и памяти. 1 ил.

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s!)s G 01 Т 1/34

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4842700/21 (22) 27,06.90 (46) 30,07.93. Бюл, ¹ 28 (71) Самарский авиационный институт им. акад. С.П.Королева (72) Н.Д.Семкин, B.A.áî÷êàðåâ, Г.Я, Осупов и С.М.Семенчук (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 632264, кл. G. 01 Т 1/34, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ сЬИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК М IKPOMEТЕОРИТНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ (57) Использование: относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике

Изобретение относится к области приборостроения, средств автоматизации и систем управления, в частности, к технике масс-спектрометрии, и может быть использовано для измерения параметров высоком скоростных частиц.

Целью изобретения является повышение точности измерения параметров частиц в условиях малых значений отношений сигнал/шум и уменьшение зависимости измеряемых параметров от места соударения частицы с мишенью.

Для достижения цели в мишени выполнены отверстия равной плотности с суммарной площадью. составляющей пятую часть площади мишени. Эта зависимость выбрана из следующих соображений: с одной стороны, площадь мишени должна быть макси„„ЯЦ„„1830499 А1 масс-спектрометрии. Сущность изобретения: устройство для измерения физических характеристик пылевых частиц содержит мишень с выполненными в ней отверстиями равной плотности. I lo одну сторону от мишени на расстоянии, примерно равном радиусу мишени, установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, а по другую сторону от мишени, противоположную ее чувствительной поверхности, параллельно установлены приемники ионов с суммарной площадью, равной площади мишени, Блок измерения ионного и электронного импульсов включает усилитель ионного тока 4, два сумматора, три интегратора и блок отработки и памяти. 1 ил, мальной. с другой стороны, уменьшение ее площади за счет выполнения отверстий ведет к повышению чувствительности датчика. На расстоянии, равном радиусу мишени, установлено отражающее электростатическое зеркало в виде двух сеток, Выбранное Сг расстояние является функцией двух вели- фь. чин: величины потерь ионов при их разлете 1ЧО по максимальному значению) и длительно-,с ) сти ионного импульса на входе приемников ионов, достаточной аппаратурной обработки сигнала.

По другую сторону от мишени со стороны, противоположной ее чувствительной поверхности, в параллельной ей плоскости, установлены приемники ионов с суммарной площадью. равной площади мишени.

1830499

Алгоритм (5) г)озволяет измерять компоненты вектора а и в том случае, когда момент появления to импульсного сигнала S(t,à на интервале анализа t Е (O,Т) неизвестен, т.к. — 1 т 5 величина Z1 = j tS(t,à) dt характеризует

Т2, положение центра тяжести импульса относительно начала отсчета t = 0 и при обработке результатов параметр ta может быть 10 исключен. Однако пои Т > t„, г, — длительность сигнала S(t,а), точность измерения вектора а может ухудшаться за счет накопления шумов на временном интервале, не содержащем полезного сигнала. Оценим влияние величины ts/Т на отношение сигнал/шум, которое определим следующим образом

)< = (2») /O», 20

1 т 2 ее= — E (fr" k(r) dr j =

1-к 1 (8) (о 1

2Т 2 К+1

1 (Zê) =- — .) 1 S (t. а ) к1

- . к + 7

40 — т

=- —, -,— f Z" е"dZ

Т вЂ” >

2к +1

Т2»+2 2К+ 1 (9) 50 Формула (9) получена после замены переменной интегрирования t = Т вЂ” Z. Преобразуем (9):,т

Zê рл 1 р — оо — — рт

Г 2к Рг 2

-Тк 1 Тк+1 т — — ) 2" еР d Z р — оо — — К- — (Z" e dz= I 1 — — fZ" ее бе1; где Z» — мат, ожидание величины Z; из (2); о", = A8 — дисперсия случайной погрешности (б) т т — 1 7 1 1 A (t — t1 ) d t d t1 =

Т о о

Используя неравенство БуняковскогоШварца, имеем и, „,- (Jr " бr) ((Sr(r,g) C(1) =

2 где Е = ) S (t,a)dt — энергия полезного сиго нала S(t,à .

Таким образом. отношение сигнал/шум у» удовлетворяет неравенству

; 2 ЕБ г из которого следует, что отношение у4 максимально при Т = rs и резко уменьшается с

TS увеличением К при — < 0,7, Следовательно, анализ входного сигнала x(t) (1) должен начинаться в момент прихода этого сигнала и заканчиваться сразу же после его окончания, т,е.

Формально алгоритм (2) измерения величин Z» можно реализовать и-канальной схемой, содержащей.п генераторов функ» ции — —. (К - О. 1.... п — 1); п перемипжиТк 1 телей и и интеграторов. Но более простой будет схема с постоянными параметрами, не содержащая генераторов функций и перемножающих устройств. Для синтеза такой схеме представим интеграл (2) в виде интеграла свертки:

1 т к

Z, = — -Т вЂ” f r x{r) dr=

Т 1.

1 — — т-; — ((т - с)"х (т — r)dr = ) g,(1)х(т — r)dr, Т о о

Т вЂ” t где 9»(t) =, t > 0 — импульсная

Тк 1 характеристика фильтра с постоянными параметрами, передаточная функция которого равна:

-р1 1

Н.(rr) = J g (r)e " dr = J(1 — r) е r dr=

Т о т

J Z е и { ) dZ =

Т " — co

1830499 (14) (10) 5 К=О 1 2

Вычисляя (14) получим где К=О, 1,.„, и — 1

В результате имеем:

2-к = О к, 1

Но(р) = —— рт

Hi(p) = — pT (1 — Ho(p)) 1

15 к 2 — y. . тх к Т1. — -+a т

H2(P) -- „(1 — 2Н (р)) Структурная схема блока измерения вектора Z, реализующая алгоритм (2), показана на чертеже.

Полезный сигнал с выхода усилителя 25 имеет вид:

<х

30,„1, (T- )

L1— - т

35 х I — (И вЂ” +а

40 тх 1 1

+а ) L<+ — 1

Т- ) 2 о

Qt„

6 L"" х с

2 где erf(x) = - = j e dt — функция оши45

О бок.

Подставляя первое соотношение иэ (14) в (3) и дифференцируя О по Q, получим выражение для оценки 0 в явном виде:

P = д !/3м, W = L(1 + а)/тх, (13) д i В 1 Z

Q-—

I Б

Отсюда следует рекуррентная формула для нахождения Нк(р);

Н,(р) = - (1 — КН,-1(р)), 1 рт

Нп- (V) =- — (1 — (и — 1)Нп-2(p)) 1 р Т вЂ” (— +а )

S(t)= — — -х — е 1 .,t>0 (12) т где Q — заряд ионов, tx — характерное время образования плазмы, а =- lр,рм; ру/Рм — соответственно плотности частицы и преграды, Параметры сигнала Q, tx, а связаны известными соотношениями со скоростью W, плотностью р и хаоактерным размером и пылевой частицы;

Здесь L — полная длина пролета ионов от мишени 1 к приемнику ионов 3, 6 — эмпирический коэффициент, связывающий заряд Q частицы с ее массой и скоростью, G =-5 10 Кл сека м" .

Таким образом, вектора а и Z соответственно равны а = (О tx,а) 1 1 Q 1

2» — — j t" S(t)dt == — fx

-Т к 1 х Т 1 к ОО х у ()2-к — 72

TK — +3 т

С2-к(а) 1 }, (15) Ll = j Z е б7. С 2-t; — число сочетаний, -22

1х — +а т

Первые три функции Li определяются следующим образом;

vier т, L0 = — (! — erf(— -+ а)) 2 Т где i =- (!о, i1, iã), следовательно, итерационную процедуру следует применять только для оценки параметров тх и а, Параметр Qопределяе,тся иэ (17) по вычисленным t è а на каждом шаге итераций.

7830499

Таким образом трем измеряемым параметрам 0, Ь, а соответствуют параметры частицы m, W,p.

Изобретение иллюстрируется следующим примером, На ЗВМ моделировался процесс измерения параметров Q, t,„„à частицы по алгоритму, предлагаемому в данном изобретении, при величине отношения амплитуды полезного сигнала

S(t,à) к среднеквадратическому значению шума, равном единице и при Z=-==(Zo, Z1, Z2).

Расчеты показали, что относительные погрешности измерения по указанным параметрам составили 25%, 12% и 15 jp, соответственно. В то время как в аналогах неизвестная плотность частицы р =- à рп

2 не измеряется, а задается, что ведет, естественно, к резкому гни>кению точности измерения парамстрсь Q и .„.

Достоинством предло>кенногo в изобретении алгоритма является также Возможность повышения точности измерения а за счет накопления информации о полезном сигнале S(t,à при увеличенли размерности n âåêòoðà Z == (Zo, Z1, Z2, ..., 7,-1) r!o сравнению с числом компонент а1, а2, аз

Вектора а.

Практическая реализация схемы для измерения параметров частиц осуществлялась на основе использования стандартных микросхем, В качеств."-. интеграторов исГ10льэовались Операционные усилители типа К140УД14 (7, 8, 9 описания изобретения).

В качестве сумматоров (5, б описания) использук>тся также микросхемы К140УД14, Блок паMÿ1и собран на микросхемах

537РУ10.

Датчик содержит четыре микроканальные пластины промышленного изготовления Я 48 мм каждая. Усилитель 4 (см, оп,ясание) выполнен на микросхеме

К140УД14 В мишени р3 700 мм Выполнены

Отверстия g3 2 мм, Общая плоьцадь чувствител ной поверхности мишени составляет

90"",., от всей площади.

Расстояние электростатического зеркала 2 от мишени равно 5 см, Расстояние микроканальных пластин от мишени равно 4 см, Такой датчик имеет малый вес.

5 Выходной сигнал не зависит от места соударения, За счет применения микроканальных пластин чувствительность датчика — 14 по массе составляет 10 г при скорости

-1 частицы выше 5 — 6 км с, что приблизитель10 но на порядок выше чем у прототипа

Формула изобретения

Устройство для измерения физических характеристик микрометеоритных пылевых частиц, содержащее датчик. ВключающиЙ

15 плоскую мишень, приемник ионов и блок измерения ионного и электронного импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения точности измерения параметров частиц в условиях малых значений отнс20 шений сигнал/шум и уменьшения зависимости измеряемых параметров от места соуДарения 1ас иць«r.I ".-u spiv, В м|1ше ни выполнены отверстия, равномерно распределенные по ее площади, причем, со

25 стороны влета частиц у мишени установлено отражающее электростатическое зеркало в Виде двух сеток, а по другую сторону от млшени установлены приемники ионов с суммарной площадью не менее площади по30 Верхности мишени, блок измерения электронного и ino!icsoro импульсов выполнен D виде усилителя ионного тока, и интеграторОВ, и-1 cóììàroðàr!, где и 3 — целое число, и блока обработки и памяти, причем

35 вход усилителя ионного тока соединен с выходами приемников ионов, выход усилителя ионного тока соединены с входом первого интегратора и первыми входами

Всех сумматороВ, ВыхОД кажДого I-го интег

40 ратора (i = 1, ..., n — 1) соедине i с вторьи. входом I-го сумматора и блоком обработки и памяти. выход и-го интегратора соедиio i только с блоком обработки и памяти, а

Выход i-го сумматора соединен с входом

45;i+ 77}-ro интегратора.

1830499

Составитель К, Меньшиков

Редактор Л. Павлова Техред M.Ìîðãåíòàë ° Корректор Л. Ливринц

Заказ 2521 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101