Способ контроля параметров газовой среды и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях. Высокочастотные колебания с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на подложке звукопровода 1 поверхностные акустические волны на частоте 10-50 ИГц, С преобразователя 3 выходной сигнал подается через усилитель 5 на индикаторный блок 6. В исследуемом газе создают электрический разряд между электродами 7 и 8. Одновременно с этим с преобразователя 3 вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, гце он сравнивается с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн определяют параметры исследуемой газовой среды. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил. 10

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН (i9)SU(i 126 ар 4 С 01 1. 21/34 с с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3606969/24-10 (22) 17.06.83 (46) 07..10.86. Бюл. у 37 (71) Институт электроники АН БССР (72) В.М.Колешко, А.В.Гулай и В.И.Лях (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 553503, кл. G 01 L 21/34, 1975.

Поверхностные акустические волны./

/Под ред. А.Олинера. — М.: Мир, 1981, с. 284-290. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях. Высокочастотные колебания с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на подложке эвукопровода 1 поверхностные акустические волны на частоте 10-50 МГц. С преобразователя 3 выходной сигнал подается через усилитель 5 на индикаторный блок 6, В исследуемом газе создают электрический разряд между электродами 7 и 8.

Одновременно с этим r преобразователя 3. вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, где он сравнивается с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн определяют параметры исследуемой газовой среды. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.

1 12б231

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля параметров газовых сред при проведении технологических процессов при пониженных давлениях. 5

Цель изобретения — повышение точности контроля параметров газовой среды при пониженных давлениях.

Способ заключается в том, что при создании электрического разряда над поверхностью звукопровода в результате взаимодействия поверхностной акус.тической волны с электронно †ионной компонентой тока разряда происходит сильное изменение характеристик указанных волн. Однако такое взаимодействие эффективно лишь в том случае, когда кинетическая энергия заряженных частиц N у поверхности звукопровода не превышает значительно их рС энергию в электрическом потенциале поверхностной акустической волны, т.е. Ne@1., где N — зарядовое число

4астицЬ ; f — заряд электрона. При очень низких энергиях заряженных час- д тиц И(0,1 эВ, ввиду малости этой энергии вз аимодействие неэффективно, и в то же время частицы с высокими энергиями M >.:10 эВ как бы "не замечают" неоднородный электростатический потенциал поверхностной акустической волны, поэтому взаимодействие ослаблено. Например, для Ь1.МэО электростатический потенциал V =-100 мВ-1В, а энергия заряженных частиц в таком

35 поле равна 0,16-4,8 эВ. При низком давлении, когда влияние газового нагружения в отсутствие разряда на характеристики поверхностных акустических волн невелико, и при эффективном взаимодействии заряженных частиц с поверхностными акустическими волнами в процессе разряда измеряемая разница в параметрах укаэанных волн существенна, что позволяет более точно судить о параметрах исследуемой газовой среды.

Изменение давления исследуемой газовой среды сильно влияет на параметры разряда, в частности подвижность и концентрация носителей тока при

-2 разряде в интервале давлений 10

1 мм рт.ст. изменяются приблизительно на два порядка, что в свою очередь влияет на акустоэлектронное взаимо- 55 действие в исследуемой системе и, как следствие, происходит изменение характеристик поверхностных акустичес2

КНх B0JIH, В данном пособе предло- гительнее создавать тлеющий разряд, Но скольку для таунсендовского (темпового) разряда характерны очень малые токи разряда и слабое акустоэлектронное взаимодействие, а для дугового разряда — слишком большие токи при высокой кинетической энергии заряженных частиц и высокие температуры, что приводит к интенсивному испарению вещества, из которого изготовлены электроды и подложка. Отсюда вытекает и наиболее приемлемый для измерений диапазон исследуемых данным способом параметров газовой среды. Тлеюп1ий разряд легко получить и поддерживать для давлений порядка 10 — 10 мм рт.ст., так как при очень низком давлении (10 мм рт.ст.) эмиссии электронов при бомбардировке катода положительными ионами недостаточно для поддержания тока разряда, а при давлении выше 10 мм рт.ст. тлеющий разряд, как правило, переходит в дуговой. Поэтому предлагаемый способ наиболее приемлем при давлении порядка 10 10 мм рт ст °

О параметрах газовой среды можно судить и по разнице характеристик поверхностных акустических волн, измеренных при различных значениях тока разряда. Изменение тока разряда в исследуемой газовой среде приводит к изменению концентрации и кинетической энергии заряжеьных частиц в приповерхностном слое у звукопровода, поэтому для каждого значения тока разряда характерно свое акустоэлектронное взаимодействие, и, следовательно, характеристики поверхностных акустических волн на выходном преобразователе в зависимости от величины тока разряда разные. Значения тока разряда выбирают исходя из типичных значений тока при тлеющем разряде

10 — 10 A. При токах ниже 10 A процесс создания заряженных частиц в газе неустойчивый, разряд становится несамостоятельным, а при ше TO А разряд переходит в дуговой, что нежелательно.

Изменяя направление тока разряда и измеряя при этом характеристики поверхностных акустических волн, по их разнице можно также судить о параметрах газовой среды. В этом случае изменяется направление дрейфа зарядов з ионизированном газе, причем могут быть реализованы различные случаи, 126231 7 ведены в таблице. На фиг. 2 показаны: ному преобразователю 2 поверхностных акустических волн, выходной преоб- 50 I — область практического испольразователь 3 поверхностных акустических волн соединен через усилитель 5 зования способа без разряда в газе;

II — область наиболее предпочтительс индикаторным блоком 6. У поверхнос- ного использования предлагаемого сноти звукопровода 1 Расположены элект" соба с разрядом в газе„ III — область роды 7 и 8, присоединенные к источ- у нику 9 разряда. Блок 10 синхронизации подключен к источнику 9 разряда и индикаторному блоку 6. максимальной погрешности контроля (погрешность .контроля соизмерима с контролируемой величиной затухания).

Например, без разряда в газе затухат.е. дрейф может быть задан либо Устройство для контроля параметров в направлениях, параллельных волково- газовой среды работает следующим му вектору поверхностной волны q образом. либо перпендикулярных к q, либо под Высокочастотные колебания с гененекоторыми заданными углами к q, что 5 ратора 4 подают на преобразователь 2 всякий раз изменяет условия акусто- поверхностных акустических волн и электронного взаимодействия у поверх- возбуждают на пьезоэлектрической подности звукопровода. Например, если ложке звукопровода 1, например, иэ у поверхности звукопровода .расположен УЕ-ниобата лития, находящейся в конанод, то эффективное акустоэлектрон- 1О такте с исследуемой газовой средой, ное взаимодействие связано с повышен- поверхностные акустические волны на ной концентрацией электронов, которые частоте 10-50 МГц. С преобразоватеанод притягивает из положительного ля 3 поверхностных акустических волн столба при газовом разряде в процессе выходной сигнал подается через усилиформирования пространственного заряда. 5 тель 5 на индикаторный блок 6. Затем

Если у поверхности звукопровода рас- в исследуемом газе создают электриположен катод, то лишь у вторичных ческий разряд между электродом 7, выэлектронов, выбиваемых ионами высоких полненным в виде металлической сетки, энергий при бомбардировке катода, прижатой к поверхности звукопровода 1 энергия соизмерима с их энергией 2О и электродом 8, выполненным в виде в поле поверхности и акустической вол- сплошной металлической пластины, расны, и в данной области акустоэлект- положенной на расстоянии 5-20 мм от ронное взаимодействие с ними менее электрода 7. На электроды 7 и 8 поэффективно, чем при обратной поляр- дают от источника 9 импульсы напряжености, 25 ния длительностью не менее i =Р/v

Предлагаемым способом можно про- (Р— длина электродов вдоль направлеизводить контроль следующих парамет- ния распространения поверхностных ров газовой среды: давления, темпера- акустических волн; v -скорость растуры, молекулярного веса, а для одно- . пространения поверхностных акустичесатомных газов — атомного веса. В ка- 3О ких волн на подложке) . При Р= 10-20 мм честве измеряемых характеристик длительность импульсов напряжения поверхностных акустических волн ис- должна быть порядка 3-10 мкс. Однопользуют затухание, фазовую и группо- временно с импульсом разряда с преобвую скорости, амплитудно-частотные разователя 3 поверхностных акустичесхарактеристики. 35 KHZ BoJIH вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, На фиг. 1 изображено устройство где он сравнивается с предыдущим сиг,для осуществления способа; на фиг.2 — налом. По Разнице хаРактеРистик поокспериментальные данные. верхностных акустических волн, напри4О мер по разнице коэффициента затухаПредлагаемое устройство состоит ниЯ, определЯютсЯ паРаметРы исслеДУеиз звукопровода 1, преобразователя 2 мой газовой среды, напРимеР давление, и 3 поверхностных акустических волн, «Pe H JeT»À«7 импУльсов высокочастотного генератора 4, усиди- напРЯжениЯ на электроды и включение теля 5, индикаторного блока 6, элект-45 MPH - . -- " 6JIoKa 6 ° родов 7 и 8 для создания разряда, ис- Экспериментальные данные по корточника 9 разряда и блока 10 синхро- - реляции между давлением волн на .поднизации. Генератор 4 подключен к вход- ложке es LiNbO> на частоте 30 МГц при-

12623

Беэ разряда в газе

P =-1 мм рт.ст.

Ð0, 1 мм рт.ст.

Д = 1 ° 10 дБ/мкс

el =1 10 дБ/мкс

При разряде в газе

Р 0,1 мм рт.ст.

P =1 мм рт.ст. =3,4 дБ/мкс (3%) о =2,1 дБ/мкс (3%) d.= 1,4 дь/мкс

3 ние, поверхностных акустических волн 10 и 10 дБ/мкс соответствует давлению воздуха 0„1 и

1 мм рт.ст. Точность контроля давления, определяемая погрешностью измерения затухания, составляет не менее 30-50%. При возбуждении электрического разряда вблизи подложки (т.е, йри контроле.по предлагаемому способу) затухание поверхностных акусти- 1п ческих волн возрастает до нескольких единиц и может быть измерено с точностью 2-5% Следовательно, точность контроля повьппается в 5-10 раз, Формула изобретения

1, Способ контроля параметров газовой среды, заключающийся в том, что, на пьезоэлектрическом эвукопроводе 20 возбуждают поверхностные акустические волны и при воздействии на него исследуемой газовой среды измеряют ха.— рактеристики указанных волн, о т л ич а ю щ и .й с я тем, что, с целью 25 повьппения точности контроля при низком давлении газа, дополнительно создают над поверхностью звукопровода злектрическщй разряд в исследуемом газе длительностью » «1/v где 1 — 3п длина разрядных электродов вдоль направления распространения поверхностных акустических волн; ч — скорость их распространения с кинетической энергией заряженных частиц у поверхности звукопровода, не превышающей их энергии в электростатическом потенциале укаэанных волн и находящейся в пределах 0 1-10 эВ, измеряют

1=30 1чА

d-3,0 дБ/мкс

M= 0,8 эВ l7 Ь те же характеристики волн в процессе газового разряда и по разнице измеряемых характеристик судят о параметрах газовой среды.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что измерение харак4 теристик поверхностных акустических волн проводят при нескольких значениях тока разряда, находящихся в пределах 10 -10 А, и по разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что измерения характеристик поверхностных акустических волн проводят при разных иаправлени1 kx тока разряда и по разнице характеристик поверхностных акустических волн судят о параметрах газовой среды.

4. Устройство для контроля параметров газовой среды, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на котором установлены входной и выходной преобразователи поверхностных акустических волн, соединенные соответственно с выходом высокочастотного генератора и с входом усилителя, выход которого подключен к одному входу индикаторного блока, о т л и ч а ющ е е с я тем, что B него введены электроды, расположенные у поверхности звукопровода и подключенные к выходам источника разряда, и блок синхронизации, выходы которого соединены с входом источника разряда и с другйм входом индикаторного блока.

1262317

?= 60 мА

g =4,6 дБ/мкс

W=4 эВ =2,3 дБ/мкс

d = 0 9 дБ/мкс

<Х = 1, 6 дБ/мкс

Анод у поверхн. =3,3 дБ/мкс звукопр. м = 2, 2 дБ/мкс

Катод у поверхн. d-1, 2 дБ/мкс звукопр. =0,7 дБ/мкс

ot = 1,5 дБ/мкс

d =2,1 дБ/мкс

Редактор A. Шишкина

Тираж 778 Подписи ое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и.открытий

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

Заказ 5417/38

Производственно - полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4 уб/мкс

/О

Составитель А.Лисицын

Техред М.1 оданиц Корректор В.Синицкая