Спектрометр ионов

Спектрометр ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

пате:-:. Но те:,ннчеснг.я !

I б. о> ноте;;а Ы Б Д

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 250177(21) 2446445/18-25

/ с присоединением заявки Мо

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 050579,Бюллетень Йо17

Дата опубликования описания 05,05.79 (72) Авторы изобретения

В.П.Реута и H.H.Êoìàðîâ

Казанский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. A.H.Tóïoëåâà и Институт медико-биологических проблем (71) Заявители (54 ) СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ

Изобретение относится к приборам для измерения и регистрации спектра газовых ионов и может быть использовано в авиации, медицине и при физических исследованиях.

:Известны устройства для определения спектра газовых ионов, измеряющие ток или заряд, созданный ионами в . в аспирационной ионной камере (11 .

К недостаткам этих устройств следует отнести большие затраты времени на измерение спектра ионов и на обработку результатов измерения.

Наиболее близким к предложенному является спектрометр ионов, содержа- т5 щий аспирационную камеру, соединенную с усилителем, источник постоянного напряжения и регистратор (21 .

Этот спектрометр имеет те же недос-,. татки, что и спектрометр (1) . 20

Цель изобретения - сокращение времени измерений.

Эта цель достигается тем, что спектрометр снабжен ионным затвором с блоком управления, генератором пилообразного напряжения, блоками определения средних значений первой и второи производной приращения сиг-. нала эа фиксированный промежуток времени. Генератор пилообразного

2 напряжения соединен с блоком определения второй производной, блоком управления конник затвором и регистратором. на фиг.l изображена функциональная схема спектрометра; на фиг.2диаграммы напряжения в различных точках схемы.

В корпусе 1 (см.фиг.1) аспирацнонной ионной камеры установлен на входе ионный фильтр 2 или деиониэатор, соединенный с источником 3 питания. лад HQHHHM фильтром закреплен ионный затвор 4, соедийенный с блоком 5 управления ионным затвором. В рабочем объеме аспирационной ионной камеры,,ограниченном по длине сглаживающими электродами б и 7, соединенными через делитель 8 напряжения с истоМником 9 постоянного напряжения-, установлен собирающий электрод 10, подключенный к усилителю ll. Усилитель через блок 12 определения средней величины первой производной приращения сигнала за фиксированный интервал времени под ключен к блоку 1Э определения средней величины второй производной приращения сигнала за фиксированный интервал времени. Ко второму входу

Ь61б50 блока 13 подключен генератор 14 пилообразного напряжения, а выход блока 13 соединен через блок 15 коррекции с регистратором 16, к которому подключен генератор пилообразного напряжения. Последний соединен также с блоком 5 управления ионным затво ром.

На фиг.2 привецены зависимости напряжения от времени Ф: а — на выходах генератора 14;6 — на выходе блока 5; в — зависимость тока "от времени 1 на 10 входе усилителя ll; r — зависимость средней скорости приращения тока Ь /ьВ от времени t на выходе блока 12; д — зависимость среднего ускорения приращения тока 6 (А (/ ЬЦ от времени 15 на выходе блока 13. лспирационная ионная камера может быть как плоской, так н цилиндрической, но поскольку расчетные соотношения у них различны, при описании работы спектрометра ионов будем рассматривать плоскую аспирационную ион ную камеру.

При работе спектрометра корпус 1 заземлен, на электроды ионного фильт- 5 ра 2 подано напряжение от источника

3 питания такой величины, чтобы все ионы, которые попадают в ионнйй фильтр вместе с воздухом или газом, осаждались в ионном Фильтре и не про Ходили в рабочий объем аспирационной ионной камеры. Если на ионный затвор

4 от блока управления Ь не подано напряжение, то ионы вместе с воздухом пройдут внутрь аспирационной ионной камеры через щель между ионным

Фильтром 2 и ионным затвором 4. Если же на ионный затвор подано найряжение, то воздух или газ будет полностью деионизирован, и ионы вйутрь- icпирационной ионной камеры не пройдут.. 40

Для того чтобы можно было точно определить спектр подвйжиостей ионов, . рабочий объем аспирационной ионной камеры ограничен сглаживающими электродами 6 и 7, на которые через де- 45 литель 8 напряжения от" источника 9 постояйного напряжения подано напряжение: о (1)

«v. где П{ц)- величина напряжения на электроде б или 7, Расположенном на расстоянии ц от корпуса 1у

Uo Разность потенцйалов" корпу- „,5 са 1 и собирающего электрода 10; д - расстояние между корпусом

1 и собирающим электродом 10 ° . -.

При выполнении усповия (1) потенциал в любой точке, ограниченной корпусом 1 и электродами ь,7,10, бу- @» дет соответствовать выражению (1) °

Итак, если.к ионному затвору 4 не приложено напряжение от блока 5 управления, то в рабочий объем аспи рационной ионной камеры будет про- 65 ходить узкая полоса ионизированного газа, ионы которого под денствием электрического поля, созданного между корпусом 1, сглаживающими электродами б и 7, подключенными через делитель 8 напряжения к источнику 9 постоянного напряжения, и собирающим электродом 10, подключенным через усилитель 11 к тому же источнику постоянного напряжения, устремятся, в зависимости от знака заряда, либо к корпусу 1, либо к сибирающему электроду 10. Те ионы, которые уйдут на корпус 1, в измерении не участвуют.

Первые же ионы, устремившиеся к собирающему. электроду 10, наведут на нем ток, который будет изменяться в соответствии с кривой на фиг.2,в.

Поскольку ионы с разной подвижностью имеют разную скорость движения под действием электрического поля, то и траектории у них будут разные. Время от момента входа иона в рабочий объем до момента осажде- . ния иона на собирающий электрод и

Т 9 о

{2) где К вЂ” подвижность иона (сей/в сек) »

Поскольку после входа первых ионов в рабочий объем их количество все время растет, то растет и ток через собирающий электрод 10 до тех нор, пока первые ионы с наибольшей подвижностью не коснутся собирающего электрода (момент Т, Фиг.2,в). 8 этот момент в кривой тока йоявится изгиб, ток начнет расти медленнее, только за счет более тяжелых ионов.

Если в газе присутствуют ионы только двух подвижностей, то как только первые ионы с меньшей подвижноотью коснутся собирающего электрода 10, в кривой тока появится второй изгиб (момент Т, фиг.2,в), и ток станет постоянным, поскольку количество ионов, вновь попадающих в рабочий объем, равно количеству ионов, оседающих на собирающий электрод. Усиленный усилителем ll ток попадает на вход блока 12 определения средних значений первой производной приращения тока за фиксированный интервал времени, сигнал на выходе которо го изображен на фиг.2,г.

Дифференцировать ток нельзя из-за наложения на него шума (на кривых он не показан) . и определение средней величины приращения тока за фиксированный-интервал времени позволяет усреднить шумовой сигнал, причем фиксированный интервал времени ht можно изменять в зависимости от амплитуды шума. С блока 12 сигнал (Фиг.2,r) попадает на вход блока

13 определения средней величины приращения тока.(второй производной приращения) А(ь /nt) (фиг.2,д) .

661650

Концентрация ионов и их подвижность описываются выражениями: ьФ (3) Б„е д2! где п; — концентрация ионов с подвижностью ) 30

Оо †.скорость потока газау

1,6.10 - заряд иона.

Поскольку в оба выражения (3) и (4) входит один и тот же параметр Т1, для обработки сигнала необходим генератор, ° напряжение на выходе которого пропорционально времени Т . Эту функцию и выполняет генератор 14 пилообразного напряжения, сигнал которого подается на блок 13 и регист- ратор 16 и одновременно, для синхронного управления работой спектрометра ионов, на блок 5 управления ион- 25 ным затвором (фиг.2,а) .

С выхода блока 13 сигнал поступает на вход блока 15 коррекции, в котором производится умножение его на величину 1 je U, после чего ф) сигнал поступает на регистратор 16.

Если в качестве регистратора 16 применен самописец, то в нем запись по одной координате соответствует выражению (3), а по другой координате выражению (4), т.е. получают зависимость концентрации ионов от величины, обратной подвижности.

В момент tl(фиг.2,б) от блока

5 управления ионньм затвором на ионный затвор 4 поступает напряжение запирания ионного затвора. Доступ ионов в рабочий объем камеры прекращается. Но поскольку в рабочем объеме ионы есть, то со временем их количество начнет уменьшаться за счет осаждения на собирающий электрод 10, поэтому ток через этот электрод нач нет падать (момеит Тз, фиг.2,в),.

Первыми полностью осядут самые подвижные ионы, и в кривой тока появит» 50 ся иэгиб (момент Т4, фиг.2,в), ток будет. уменьшаться медленнее, затем осядут все оставшиеся ионы(момент

Ту, фиг . 2, в), и ток станет. рав- . ным нулю. Поскольку форма и длитепьность5 переднего и згднего фронтов импульса тока (фиг.2,в) идентичны {если задний фронт импульса развернуть на

180 ), то они несут и одинаковую ино формацию о спектре, что и отмечено на фиг.2,r и 2,д (графики здесь перевернуты, так как это нетрудно сделать электрическими методами в блоках 12 и 13).

Дальше блок управления 5 ионным затвором снова снимает напряжение с ионного затвора, и процесс изме» рения повторяется.

Изменением скорости потока газа о или потенциала Уо можно, как и в прототипе, регулировать ширину измеряемого спектра.

Принципиальным отличием предложенного спектрометра ионов от прототипа является то, что в нем время регистрацчи спектра равно времени переходного процесса в аспирационной ионной камере, в то время как в прототипе переходной процесс является вредным явлением, и измерение спектра происходит только после окончания переходного процесса.

Применение предложенного спектрометра позволяет сократи ь время регистрации спектра ионов, и значительно уменьшить влияние шумов на точность измерения.

Формула изобретения

Спектрометр конов, содержащий ,ас ионную камеру, сое ;диненную с усилителем,:йсточник пос. тоянного напряжения и регистратор, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерений, оч снабжен ионным затворОм с блоком управления, генератором пилообразного напряжения, блоками. определения средних значений первой и второй производной приращения сигнала за Фиксированный промежуток времени, причем указанный генератор соединен с блоком определения второй производной, блоком управления ионньи затвором и регистратором.

Источники информации, йрйнятые во внимание при экспертизе

1.Таммет Х.Ф., Аспирационный Метод измереийя спектра подвижностей аэроионов. Ученые записки ТГУ, вып.195. Тарту, 1967, с. 153-163.

2. ьвторское свидетельство СССР

М 236065 ° кл Я 01%1/16, 1967.

661650 aa

5»

d—

di

dC

Ю

Фиг. 2

Составитель В.Ким

Редактор T.Îðëoâñêàÿ Техреду,М.Петко Корректор О.Ковенская

Заказ 24 94/57 Тираж 922 Подписное

ЦНИИПИ 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