Способ измерения концентрации ионов в газе и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii) 729496 (6l ) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 12.12.77 (2 I ) 2553573/18-25 (5! )М. Кл.

G 0l и 27/70 с присоединением заявки J%—

Гооударотовнный комнтет (23) Приоритет

{53) УДК 543.271..08 (088.8) аа делам нзобретеннй и открытий

Опубликовано 25.04.80. Бюллетень J% 15

Дата опубликования описания 25.04.80 (72) Авторы изобретения

В. Г. Костровский и М. П. Анисимов;

Институт неорганической химии Сибирского отделения АН СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ИОНОВ В ГАЗЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ!

Изобретение относится к области газового анализа и касается способов и устройств регистрации микропримесей.

Известны способы регистрации ионов в газе, заключающиеся в измерении ионного тока через газ, находящийся между электродами, ° . к которым приложена разность потенциалов, или в электрическом пробое межэлектродиого газового промежутка при попадании ионов в этот промежуток (13н (21. т

Измерение ионного тока через гаэ дает возможность измерения концентрации ионов в болыцом динамическом диапазоне, а электри-, ческий пробой позволяет регистрировать единич15 ные ионы. Однако чувствительность первого способа ограничивается трудностями регистрации токов меньших 1(P4 — 10"а. Реализация электрометрического усилителя, тока с такой чувствительностью, например в переносной аппаратуре, эксплуатируемой в условиях тряски, вибраций, переменной влажности и т.д. практически невозможна. Недостатком второго способа является маленький динамический диапазон

2 измеряемых концентраций. Действительно, максимально возможная частота импульсов электрического пробоя в газе определяется временем, необходимым для рассасывания ионов в межэнектродном промежутке за счет процессов выноса и рекомбинации. При атмосферном давлении газа этс зр мя составляет 10 — 100сек., что не дает возможности проводить количественную регистрацию ионов с частотой, большей, чем 10 1/сек. С другой стороны естественный радиационный фон Земли, равный 1 — 10 ионов см /сек, ограничивает снизу возможность измез рения малых ионных концентраций.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения концентрации ионов в газе, заключающийся в регистрации тока разряда межэлектродного газового промежутка под действием периодического импульсного напряжения с амплитудой импульсов превышающей величину пробойного напряжения и с промежутком иежцу импульсами превышающими величину времени рассасывания зарядов f 3) .

729496, 4

Я)

55 Устройство для осуществления этого способа содержит генератор импульсов, электроды и электрометрический усилитель тока.

Указанный способ не позволяет достигнуть одновременно и чувствительности способа электрического 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 длинных 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 при использовании коронного разряда является необходимость сохранения в относительно большей 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 пЬиском способа доставки подлежащих регистрации ионов в чувствительное место межэлектродного промежутка с высокой напряженностью электрического поля, Целью настоящего изобретения является 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 между импульсами на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, по абсолютной величине ниже пробойного. Отличием устройства для осуществления этого способа является m, что оно содержит источник постоянного напряжения, включенный последовательно с выходом генератора импульсов.

Наличие ионов в межэлектродном промежутке в момент подачи на него сверхпробойного напряжения вызывает лавинньгй процесс их размножения, В случае, когда длительность импуль 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 общее число пропорционально исходному перед началом импульса. Время развития разряда зависит oz давления, природы газа, геометрии электродов и т.д. и в разных экспериментах находится в пределах 18 — 10 сек.

10 и 5

15

Этим временем, например, определяется максимальная скорость срабатывания тиратронов, Процесс размножения ионов заканчивается в момент окончания действия импульса, Под действием постоянного напряжения, по абсолютной величине меньшего пробойного, ионы, находящиеся в межэлектродном промежутке, дрейфуют к электродам и разряжаются на их поверхностях. Необходимым условием предотвращения самостоятельного разряда является вывод из межэлектродного промежутка всех ионов, родившихся за время действия импульса. Для выполнения этого условия следующий иьтульс должен быть задержан на период больший времени рассасывания 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 тнратронов. В зависимости от типа газа, геометрии устройства и т.д. минимальный период следования импульсов может лежать в пределах 10 — lO 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 вырабатываются генератором 2 и складываются с постоянным напряжением на электродах 3. Ионный ток через газ регистрируется электрометрическим усилителем 4.

11роводшись измерения концентрации ионов в потоке гелия высокой чистоты, Ионы полу чались облучением газа Р-частицами, излучаемыми,титановой 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 трубки. Концентрация ионов в выходящем потоке регулировалась грубо — расстоянием от источника излучения до выходного торца трубки в пределах 1 — 20 см, а тонко — величиной расхода газа. Расход газа в пределах 0,5 — 10 смз/сек.регулировался игольчатым вентилем ротаметра.

На выходном конце трубки, подающей ионизированный газ через полиэтиленовую изолирующую муфту, устанавливались электроды 3.

Один из них представлял собой отрезок такой же трубки длиной 20 мм, а с другой — медный стержень диаметром 1,4 мм, длиной 5 мм, расположенный внутри первого электрода на его оси. При этом зазор между электродами составлял 0,3 мм. Регистрация тока разряда в отсутствии ионов и выключенном генераторе им. пульсов показала величину пробойного напряжения межэлектродного газового промежутка—

200 вольт. При подаче постоянного напряжения

100 вольт и хотя бы одного импульса амплитудой 300 вольт и длительностью больше 200 н.сек. t между электродами зажигался самостоятельный дуговой разряд, ток которого ограничивался только входным сопротивлением электрометри- 10 ческого 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 уси- 5

1 ление ионного тока испытываемым устройством.

В зависимости от амплитуды, длительности и частоты импульсов, а также величины постоян-! ного напряжения это усиление Плавно регулиро валось в пределах от 1 до 10 . Оптимальные значения электрических параметров в описываемом случае составили. величины постоянного напряжения — 100 вольт, амплитуда импульсов — 300 вольт, дюп тельность — 100 н.сек., 25 частота — 10 — При этом коэффициент усиления составляет величину К=10, диапазон

1 измеряемых концентраций ™ко — = 10ь

С мин.

Увеличение частоты следования импульсов 30 выше 10 — в приведенном примере привосек дит к зажиганию самостоятельного дугового разряда.

Используемый в способе лавинообразный . процесс размножения ионов под действием сверх- З пробойного напряжения является основой для увеличения чувствительности измерений. Короткое время существования сверхпробойного напряжения не дает возможности развиваться вторичным процессам электрического разряда в газе, таким как вторичная электронная эмиссия с электродов, рекомбинация ионов, повышение температуры и тд. Существование постоянного напряжения ускоряет процесс рассасывания ионов, уменьшает вероятность их рекомбинации и поэтому позволяет зарегистрировать все ионы, развившиеся при размножении.

Таким образом, в условиях постоянства амплитуды, длительности, частоты импульсов и величины постоянного напряжения, благодаря о отсутствию вторичных процессов электрического разряда, предлагаемый способ, во-первых, 1 позволяет довести устойчивый коэффициент вазмножения ионов до величины 10 — то

6 е есть увеличить чувствительность измерений концентоации ионов в миллион раз по сравнению с известным способом, основанном на измерении тока под действием напряжения, ниже пробойного по величине, во-вторых, одновременно достигнуть постоянства коэффициента размножения, попавших в межэлектродньгй промежуток ионов, и получить линейную зависимость между средним током через газ и ис- ходной концентрацией ионов в диапазоне ее изменения С макс. 106, что означает увеличеС мнн. ние диапазона измереиий на пять порядков по сравнению с известным способом, допускающим полное развитие искрового или коронного разряда. Кроме того, предложенньщ способ позволяет использовать для регистрации ионов весь объем газа, находящийся между электродами, 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 импульсного напряжения с амплитудой импульсов, превышающей величину пробойного напряжения, и с промежутком между импульсами, превышающим величину времени рассасывания зарядов, о тличающийся тем,что,сцельюповышсния производительности измерения длительности импульсов устанавливают короче времени развития разрядов, а между импульсами на разрядный промежуток подают постоянное напряжение, по абсолютной величине ниже пробойного.

2. Устройство для осуществления способа измерения котщентрации ионов в газе по п. 1, содержащее генератор импульсов, электроды и электрометрнческий усилитель тока, о т л ич а ю щ е е с я тем„что оно содержит источник постоянного напряжения, включенный последовательно с выходом генератора импульсов.

Источш ки информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Капцов Н. A. "Электрические явления в газах и вакууме" ОГИЗ, M.— Л., 1947, с. 23-28.

2. Патент Франции Р 2212.380.

:сл. G 01 и 27/70 — прототип, 1976.

729496

Составитель. В. Екаев

Техред Н. Ковалева

Редактор С. Суркова

Корректор М. Вигула. Заказ 1253/37

Тираж 1019

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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