Радиоспектрометр

Радиоспектрометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при химическом и изотопном анализе веществ в газовой и паровой фазах, например при химическом анализе особо чистых веществ. Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способности. Радиоспектрометр содержит ячейку 1 с исследуемым газом, конденсатор 2, катушку 3 индуктивности, синхронный детектор 4, умножитель 5 частоты, регистратор 6, резистор 7, г-р 8 высокой частоты, г-р 9 модулирующего напряжения и источник 10 постоянного напряжения. При этом ячейка 1 имеет электроды 12, 13 и 14, которые создают два скрещенных электрических поля: высокочастотное, имеющее компоненту, параллельную плоскости электродов, и расщепляющее поле (РП), вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. Электроды 12, 13 и 14 используются также для регистрации квантовых переходов. Повышение напряженности РП увеличивает не только чувствительность, но и разрешающую способность радиоспектрометра, так как вследствие эффекта Штарка при большей напряженности РП спектральные линии будут разделены большими частотными интервалами, и следовательно, будут легче разрешаться. В данном радиоспектрометре электроды 12, 13 и 14 сближаются на такое расстояние, при котором нарушение однородности РП из-за краевых эффектов становится несущественным. Это позволяет получить требуемую однородность РП при одновременном увеличении его напряженности и тем самым увеличить чувствительность и разрешающую способность радиоспектрометра. Кроме того, повышение чувствительности достигается за счет устранения помех, обусловленных сейсмическими, акустическими и электрическими шумами. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51) С О1 11 22/00 и ;ЛЫЖ

В Дс f

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСНОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4482050/24-09 (22) 15.09.88 (46) 07.06.90. Бюл. У 21 (71) МГУ им. М.В.Ломоносова (72) А.А.Белов (53) 621 .31 7 .39(088 .8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 785696, кл. G 01 N 22/00, 1 978.

Письма в ЖТЭФ, т. 28, вып.11, 1 978, с.669-672. (54) РАДИОСПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при химическом и изотопном анализе веществ в газовой и паровой Фазах, например при химическом анализе особо чистых веществ. Цель изобретения— повышение чувствительности и разрешающей способности. Радиоспектрометр содержит ячейку 1 с исследуемым газом, конденсатор 2, катушку

3 индуктивности, синхронный детектор

4, умножитель 5 частоты, регистратор

6, резистор 7, r-p 8 высокой частоты, r-p 9 модулирукщего напряжения и источник 1О постоянного напряжения.

При этом ячейка 1 имеет электроды

12, 13 и 14, которые создают два скрещеннык электрических поля. высо„„SU„„1569684 А1 кочастотное, имеющее компоненту, параллельную плоскости элек гродов, и расщепляющее поле (РП), вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. Электроды 1 2, 13 и 14 используются также для регистрации квантовых переходов. Повышение напряженности РП увеличивает не только чувствительность, но и разрешающую способность радиоспектрометра, так как вследствие эФФекта Штарка при большей напряженности РП спектральные линии будут разделены большими частотными интервалами и, следовательно, будут легче разрешаться.

В данном радиоспектре электроды 12, 13 и 14 сближаются на такое расстоя<О ние, при котором нарушение однородности РП из-за краевых эФФектов становится несущественным. Это позво- С ляет получить требуемую однородность

РП при одновременном увеличении его напряженности и тем самым увеличить чувствительность и разрешающую способность радиоспектрометра. Кроме © того, повышение чувствительности до в C5 стигается за счет устранения помех, Cgl обусловленных сейсмическими, акусти- ф } ческичи и электрическими HI5.ûìè.2 ил. QQ

1 569684

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при химическом и изотопном анализе веществ в газовой и паровой фазах, например, при химическом анализе особо чистых веществ.

Цель изобретения — повьппение чувствительности и разрешающей способности. 10

На фиг. 1 изображена предлагаемая газовая ячейка, разрез, на Фиг. 2 структурная схема предлагаемого радиоспектрометра.

Радиоспектрометр содержит ячейкУ 1 15 с исследуемым газом, конденсатор 2, катушку 3 индуктивности, синхронный детектор 4, умножитель 5 частоты, регистратор 6, резистор 7, генератор

8 высокой частоты, генератор 9 моду- 2р лирующего напряжения, источник 10 постоянного напряжения.

Газовая ячейка 1 содержит металлический корпус 1 1, первый, второй, третий электроды соответственно 12- 25

14, подложки 15 и 16 и стержни 17.

Радиоспектрометр работает следующим образом.

Назначение электродов 1 2-14 — создавать два скрещенных электрических 3р поля: высокочастотное, имекщее компоненту, параллельную плоскости электродов, и расщепляющее поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов, кроме того, они используются для регистрации квантовых переходов.

Электроды 12-14 выполнены в виде плоских прямоугольников из проводящего материала и расположены парал- 4р лельно друг другу.

Длина одной из сторон электродов, например, той стороны, которая параллельна плоскости чертежа на Фиг.l, равна половине длины волны генерато- 45 ра 8 высокой частоты. Третий электрод

l4 располагается между первым 12 и вторым 13 электродами так, что электроды !2 и 13 симметричны относительно электрода 14. Электроды 12 и

13 выполнены на подложках 15 и 16, которые, в свою очередь, прикрепленные к стенкам корпуса 11.Вблизи концов средней линии электродов 12 и 13 выполнены отверстия. Через эти отверстия проходят стержни 17 из изолирующего материала, которые свою и концами прикрепляются к стенкам корпуса 11. Стержни 17 проходят через отверстия в первом электроде 12 и во втором электроде 13, не касаясь ни самих электродов, ни их подложек

15 и 16. На стержнях 17 укреплен внутренний электрод 14.

Генератор 8 высокой частоты соединен с электродами 12 и 13 в двух точках, расположенных симметрично на линии, проходяп,ей посередине электрода параллельно той его стороне, длина которой равна половине длины волны генератора 8 высокой частоты, причем, к этим точкам подводятся противофазные напряжения. Благодаря такому соединению электродов с .генератором в электродах возбуждаются колебания KBK в полуволновых диполях. Электрод 14 непосредственно не связан с генератором 8, но при возбуждении колебаний в первом 12 и втором 13 электродах в третьм электроде 14 тоже возбуждаются колебания, синфазные с колебаниями в первом и втором электродах, так как третий электрод расположен в непосредственной близости от первого и второго электродов, имеет такую же резонансную частоту, как и эти электроды, и связан с ними через общее электрическое поле. Благодаря возбуждению в электродах 12-14 синфазных колебаний в пространстве между первым

12 и третьим 14 электродами и вторым

13 и третьим 14 электродами создается высокочастотное электрическое поле, изменяющееся с частотой генератора 8, причем вектор напряженности этого поля имеет составляющую, параллельнук плоскости электродов.

Первый 1 2 и второй 13 электроды соединены также с генератором 9 модулирующего напряжения, который имеет парафазный выход, и на эти электроды от генератора 9 подактся равные по величине и противоположные по Фазе переменные напряжения. Средняя точка выхода генератора 9 заземлена. Благодаря этому первый и второй электроды по постоянному току соединены с землей через выходные сопротивления генератора 9, Поскольку генераторы .

8 и 9 пбдключены к одним и тем же первому и второму — электродам 1 2 и 13. то для того, чтобы исключить прохождение колебаний от генератора 8 в генератор 9 и наоборот, используются частотные Фильтры (не показаны).

Третий электрод 14 через резистор

7 соединен с одним полюсом источника

) 569684

10 постоянного напряжения. Второй полюс этого источника заземлен. Так как, первый и второй электроды по постоянному току тоже заземлены, то напряжение источника 1 0 оказывается приложенным между третьим электродом и первым и вторым электродами.

Благодаря этому между первым 1 2 и третьим 14 электродами, а также между вторым 13 и третьим 14 электродами создается постоянное расщепляющее электрическое поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. На это электрическое псле накладывается erne модулирующее поле, создаваемое теми же электродами под действием генератора 9. Век- тор напряженности модулирующего поля тоже перпендикулярен плоскости электродов, но напряженность этагo поля периодически изменяется во времени по гармоническому закону с частотой генератора 9. В результате совместного действия источника 10 и генератора 9 напряженность раси,епляющего электрического поля в пространстве между первым 12 и третьим 14 электродами и между вторым 13 и третьим 14. электродами периодически противоФазно изменяется во времени.

Третий электрод 14 через конденсагор 2 соединен с катушкой 3 индуктивI ности. Конденсатор 2 предотвращает замыкание источника 1 0 через катушку

3 инукдтивности. Катушка 3, конденсатор 2 и конденсатор, образованным первым, вторым и третьим электродами, образуют колебательный контур. Ем- .40 кость конденсатора 2 берется много больше емкости третьего электрода 14 по отношению к первому 1 2 и второму

13 электродам; Поэтому резонансная частота колебательного контура опре- 45 деляется емкостью третьего электрода по отношению к первому и второму электродам и индуктивностью катушки

3. Индуктивность катушки 3 выбирается так, чтобы резонансная частота колебательного контура была равна часстоте второй гармоники генератора 9 . модулирующего напряжения. Сопротивление резистора 7 выбирается достаточно большим для того, чтобы добротность колебательного контура не была уменьшена из-за шунтирующего действия выходного сопротивления источника 10 постоянного напряжения.

Генераторы 8 и 9 и источник 10 постоянного напряжения создают в пространствах между электродами 12 и 13 и 13 и 14 скрещенные электрические поля: высокочастотное, вектор напряженности которого параллелен плоскости электродов, и медленно меняющееся расщепляющее поле, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости электродов. Напряженность расщепляющего поля периодически изменяется во времени с частотой генератора модулирующего напряжения.

Напряженность расщепляющего поля определяет величину штарковского расщепления квантовых уровней молекул газа. Когда напряженность расщепляющего поля достигает такого значения, при котором частота генератора 8 высокой частоты совпадает с частотой квантовых переходов между соседними штарковскими подуровнями, высокочастотное поле индуцирует квантовые переходы, причем интенсивность квантовых переходов модулируется генератором 9 модулирующего напряжения.

При этом модулируется и разность на-. селенностей квантовых уровней, между которыми индуцируются квантовые переходы. Модуляция разности населенностей сопровождается периодическим изменением величины того компонента поляризации газа, который перпендикулярен плоскости электродов, т.е. параллелен вектору напряженности расщепляющего поля. Напряженности расщепляющих полей между первым 12 и третьим 14 электродами и между вторым 13 и третьим 14 электродами изменяются в противоФазе. Однако если среднее значение напряженности расщепляющего поля соответствует. центру спектральной линии, поляризация газа в пространствах между этими электродами будет изменяться синфазно с частотой второй гармоники генератора 9 модулирующего напряжения. то связано с тем, что отклонение наг ряженности поля от значения, соответствующего центру спектральной линии, сопровождается увеличением разности населенностей независимо от знака изменения напряженности поля.

Изменение величины компонента поляризации, перпендикулярного плоскости электродов, вызывает колебания в колебательном контуре, образованном катушкой 3, конденсатором 2 и первым;

1569684 вторым и третьим электродами в газовой ячейке. При этом на катуппсе 3 появляется напряжние с частотой второй гармоники генератора 9. Это напря5 жение поступает на первый вход синхронного детектора 4, на второй вход которого подается напряжение, полученное из сигнала генератора 9 после умножения частоты этого сигнала в два раза с помощью умножителя 5. Сигнал с выхода синхронного детектора поступает н» регистратор 6.

В радиоспектрометре возникновение газового разряда не стимулируется процессами на поверхности элементов, находящихся в интенсивном электрическом .поле. Поэтому разность потенциалов между электродами, создающими расщепляющее поле, можно увеличить до значений, определяемых законом

Пашина. Это позволяет увеличить напряженность расщепляющего поля. При этом в соответствии с эФФектом П1тарка увеличивается рабочая частота радиоспектрометра, а так как интенсивность спектральных линий пропорциональна йх частоте, то с увеличением рабочей частоты увеличивается и интенсивность наблюдаемых спектральных 30 линий. Увеличение интенсивности спектральных линиР приводит к увеличению чувствительности радиоспектрометра.

Повышение напряженности расщепляющего поля увеличивает не только чун"твительность, но и разрешающую способность радиоспектрометра, так как вследствие эффекта 111таркв при большей напряженности расщепляющего ноля спектральные линии будут разделены 4р .большими частотными интервалами и, следовательно, легче разрешаться.

Отсутствие в предлагаемой конструкции газовоР ячейки каких-либо элементов, соединяющих элеектроды с высокоР разностью потенциалов, позволяет сблизить электроды газовой ячейки на такое расстояние, при котором нарушение однородности расщепляющего поля из-за краевых эФфектов станет несущественным, что позволяет получить требуемую однородность расщепляющего поля при одновременном увеличении его напряженности, тем самым увеличить чувствительность и р-.çрешающук способность радиоспектрометра.

Поскольку в конструкции газовой ячейки требуемая однородность расщепляющего поля достигается без использования цепочек, соединяющих электроды,, создающие расщепляющее поле, то частоту модуляции расщепляющего поля можно увеличить вплоть до значений, бпределяемых временами релаксации в газе, т.е. до частот

6 порядка 10 Гц, что приводит к повышению чувствительности радиоспектрометра за счет устранения помех, обусловленных сейсмическими, акустическими и электрическими шумами.

Расщепляющее электрическое поле сосредоточено главным образом между электродами газовой ячейки, а в заэлектродной области, расположенной между внешними электродами и корпусом ячейки, расщеплякщее поле сильно ослаблено экранирующим действием первого 1 2 и второго 1 3 электродов. Конструкция крепления электрода 13 на изолирующих стержнях, которые проходят через отверстия во внешних электродах и закрепляются на корпусе ячейки в "заэлектродноР" области, позволяет вывести элементы крепления внутреннего электрода из области интенсивного электрического поля и тем самым исключить возможность зажигания электрического разряда в газовой ячейке из-за процессов на поверхности элементов крепления третьего электрода при напряжениях на электродах, меньших предела, определяемого законом Пашена.

Пример конкретного выполнения ячейки 1. Ячейка собрана в латунном корпусе. Первый и второй электроды изготовлены из медной фольги, накленной на подложки из стекла. Третий электрод выполнен в виде стеклянной пластины, оклеенной, медной фольгой с двух сторон, причем оба слоя фольги соединены между собоР по периметру. Электрод укреплен на стержнях из кварцевого стекла.

Длины первого и второго электродов уменьшены по сравнению с длиноР третьего электрода в связи с тем, что подложки первого и второго электродов несколько понижают их резонансную частоту, тогда как подложка третьего электрода, оклеенного Фольгой с двух сторон, на резонансную частоту не влияет. Измерение резонансной частоты электродов показало, что как у первого и второго электродов, так и у

15696 третьего электрода резонансная частота может составить несколько сот миллигерц, Формула изобретения ках, которые расположены симметрично на линии, проходящей по середине электродов, параллельной той стороне, длина которой. составляет половину волны генератора высокой частоты.

f5

Фиг. /

Составитель А. Иихалойва

Техред Л.Сердюкова Корректор С.Черни

Редактор А. 1!(андор

Заказ 1443 Тираж 488 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

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

Радиоспектрометр, содержащий ячейку с исследуемым газом, выполненную в виде металлического корпуса, в котором размещены первый, второй электроды, соединенные с генератором высокой частоты, третий электрод, источник постоянного напряжения, синхронный детектор, регистратор, о тлич ающиvс я тем, что, с це— лью повышения чувствительности и разрешающей способности, первый, второй и третий электроды выполнены в виде плоских прямоугольников, длина одной 20 стороны которого равна половине длины волны генератора высокой частоты, размещены параллельно друг другу, причем первый и второй электроды расположены симметрично относительно 25

84 10 третьего электрода, который соединен с источником постоянного напряжения, первый и второй электроды выполнены на подложках, закрепленных на торцовых стыках металлического корпуса, соединены с введенным генераторам модулирующего напряжения, выход которого через введенный умножитель частоты соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого соединен с третьим электродом, расположенным на стержнях из изолирующего материала, которые проходят через отверстия в первом и втором электродах и закреплены на боковых стенках металлического корпуса, причем генератор высокой частоты соеди" нен с первым и вторым электродами противоФазными выходами в двух точ