Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа и устройство для его реализации

 

Использование: для создания детекторов, контролирующих радиоактивность окружающей среды. Сущность: способ измерения числа положительных ионов заключается в измерении ионизации газа, а число ионов определяется по формуле Устройство состоит из внешнего электрода в виде тора и внутреннего электрода в виде нити, источника высокого напряжения, воздуходувки. Технический результат: осуществление регистрации ионов различной подвижности. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

Способ относится к ядерной физике и технике и может быть использован при создании детекторов для контроля радиоактивности окружающей среды.

Известен способ измерения концентрации ионов, в котором используется цилиндрическая ионизационная камера, измеряется ток насыщения, образуемый ионами, содержащимися в просасываемом через камеру исследуемом воздухе (Физический энциклопедический словарь, т. 2, с. 248 М.: Советская энциклопедия, 1962).

Наиболее близким техническим решением (прототип) является способ измерения концентрации ионов в газе путем измерения ионизационного тока в цилиндрической ионизационной камере с внутренним и внешними электродами, работающей при различных напряжениях и постоянных времени выходной цепи, а также различных скоростях прокачки газа с последующей математической обработкой (Таммет Х. Ф. Уч. записки Тартусского госуниверситета. Тарту, вып. 136, с. 103-110, 1962).

Недостатком аналога и прототипа является то, что они не позволяют считать число ионов, а позволяют измерять только суммарный ионизационной ток, обусловленный движением большого числа ионов к электродам камеры. При этом практически невозможно определить относительную долю легких, средних и тяжелых ионов.

Целью изобретения является создание способа измерения концентрации ионов в газе, основанном на непосредственном измерении числа ионов в данном объеме газа.

Цель достигается тем, что в исследуемый газ добавляют электроотрицательные примеси, захватывающие свободные электроны, вблизи внутреннего электрода создают напряженность электрического поля, достаточную для того, чтобы в области r_чувств вероятность захвата электрона электроотрицательной примесью на длине свободного пробега была меньше, чем вероятность ионизации газа электронным ударом.

Технический результат заключается в осуществлении раздельной регистрации положительных ионов с различной подвижностью. Технический результат достигается за счет того, что ионы различной подвижности регистрируются на различных расстояниях от входа при прокачке газа.

Согласно п. 1 формулы изобретения на внутренний электрод ионизационного детектора подают отрицательный потенциал, напряженность электрического поля выбирают достаточной для осуществления потенциального механизма эмиссии электронов с поверхности внутреннего электрода при нейтрализации положительного иона, причем должно выполняться неравенство J-ϕe > eϕ, где J - потенциал ионизации, образующегося при нейтрализации положительного иона, а eϕ - работа выхода электрона с поверхности внутреннего электрода. Напряженность электрического поля уменьшается по мере удаления от внутреннего электрода, поэтому образовавшиеся электронно-фотонные лавины затухают. Коэффициент газового усиления m выбирают так, чтобы выполнялось неравенство η_eN⁺ < 1, где η_e - вероятность эмиссии электрона при нейтрализации положительного иона на поверхности отрицательного электрода, а N⁺ - число вторичных положительных ионов, возникающих в объеме детектора в процессе газового усиления, и по числу регистрируемых электрических импульсов определяют число положительных ионов за время регистрации.

Для осуществления способа используют детекторы с внутренним, заряженным отрицательно, и внешним электродами различной конструкции. Согласно п.2 формулы изобретения используют цилиндрический детектор с внутренним электродом в виде проводящей нити диаметром 10-300 мкм. Такой детектор позволяет определять не только число ионов в данной пробе газа, но и определять спектр подвижностей ионов в исследуемой пробе газа. Для этого внутренний электрод изготовляют из нити с большим сопротивлением (~ нескольких килоом), прокачивают через объем детектора газ с объемной скоростью W см³/с так, что выполняется условие t_дрейф < t_пр, где t_пр время прохождения иона через детектор, а t_др - время дрейфа иона с подвижностью μ см²/с·В до нити, определяют расстояние X от входа иона в детектор до места попадания иона на нить обычными методами амплитудного анализа (Григорьев В.А., Колюбин А.А., Логинов В. А. Электронные методы ядерно-физического эксперимента. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 235) и определяют подвижность зарегистрированного на нити иона по формуле где U - напряжение между электродами, В; r_н и r_у радиусы нити и цилиндра соответственно; X - расстояние от входа иона в детектор до места его регистрации на нити, см.

Метод амплитудного анализа состоит в том, что координату места попадания иона на нить определяют, измеряя два сигнала с двух противоположных концов нити. Отношение амплитуд сигналов в этом случае пропорционально отношению сопротивлений участков нити от точки попадания иона на нить до соответствующего конца. Достигнутое координатное разрешение составляет менее 0,1 мм.

Наибольшее практическое значение способ представляет для исследования концентрации ионов в атмосферном воздухе. Известно, что наибольшую опасность для здоровья человека представляет вдыхание тяжелых ионов с подвижностями μ < 0,001 см²/В·с. Предложенный способ позволяет определять подвижность ионов от μ < 1 см²/с·В до подвижности 0,00025 см²/с·В в одном эксперименте, что недоступно для других методов.

Для увеличения чувствительности способа используют режим "ионного умножения", заключающийся в том, что выбирают напряжение между электродами U, диаметр нити 2r_н и коэффициент газового усиления так, чтобы число вторичных ионов N⁺, образующихся в результате регистрации первичного положительного иона, было достаточно для возникновения от одного до нескольких сотен электрических "послеимпульсов" (или по терминологии, используемой при описании работы счетчика Гейгера - "ложных импульсов") при сохранении неравенства N⁺η_e < 1, где η_e - вероятность эмиссии электрона из нити при нейтрализации на ней положительного иона, причем коэффициент умножения числа электрических импульсов N_у определяется по формуле: где N_у - число электрических импульсов, возникающих при регистрации одного положительного иона. Очевидно, что при η_eN⁺ ≪ 1 коэффициент умножения N_у 1.

Для увеличения диапазона рабочих напряжений согласно п.5 формулы изобретения исследуемый газ прокачивают через трубу из проводящего материала, в которой размещен внешний электрод в виде тора и внутренний электрод в виде тонкой нити (10-300 мкм), проходящей по оси симметрии тора, причем угол между нитью и осью трубы выбирают в пределах от 0 до 90^o. Вблизи нити создают область с напряженностью электрического поля, достаточной для осуществления потенциального механизма эмиссии электронов из нити и ударной ионизации газа этими электронами. Образованная пара электродов (тор и проходящее через его ось симметрии нить) - счетчик с тороидальным анодом включена в измерительную схему, регистрирующую число электрических импульсов, возникающих при нейтрализации положительных ионов на нити с последующим развитием электронно-фотонных лавин.

Для раздельного определения концентрации ионов с различной подвижностью измерение числа электрических импульсов осуществляют с помощью не менее двух счетчиков с тороидальным анодом, помещенных в трубу, через которую прокачивают исследуемый газ, причем каждый из счетчиков подключен к своей автономной системе регистрации электрических импульсов.

Во всех рассмотренных случаях положительно заряженный ион, подойдя к поверхности внутреннего электрода, вызывает эмиссию электронов, которые вызывают в области радиусом r_чувств ионизацию атомов электронным ударом. Возникающие при этом электронно-фотонные лавины формируют электрический импульс во внешней цепи ионизационного детектора, который регистрируется. Таким образом происходит регистрация ионов из всего объема детектора.

Способ реализован в устройстве, состоящем из цилиндрического ионизационного детектора и регистрирующей электронной схемы. Диаметр внешнего электрода равен 18 мм, диаметр внутреннего электрода равен 20 мкм. Детектор заполнялся атмосферным воздухом. При подаче на нить отрицательного потенциала регистрировались электрические импульсы длительностью 10^-7 с и амплитудой 10^-1 В. Экспериментально установлено (с помощью конденсационной камеры) что разряд, возникающий вблизи нити, локализован в области размерами несколько мкм, что позволяет надежно регистрировать координату расстояния - x, на котором происходит нейтрализация положительного иона на поверхности нити. По координате x определяют подвижность иона.

Способ был реализован также в устройстве, состоящем из трубы из проводящего материала, соединенной с воздуходувной, размещенного в ней внешнего электрода в виде тора (внешний диаметр тора равен 20 мм, внутренний - 2 мм) и внутреннего электрода в виде тонкой (20 мкм) проводящей нити, проходящей по оси тора под углом 90^o к оси трубы, образуя счетчик с тороидальным анодом. Счетчик подключался к электронной системе регистрирующей электрические импульсы. Схематически устройство изображено на чертеже.

Устройство состоит из 1 - трубы из проводящего материала, 2 - воздуходувки, 3 - тора из проводящего материала, 4 - проводящей нити, 5 - источника высокого напряжения, 6 - регистрирующей электрические импульсы системы.

Устройство работает следующим образом. От источника высокого напряжения на нить подается рабочее напряжение, при этом напряженность электрического поля вблизи нити достаточна для ударной ионизации. Затем включается система и на ее выходе регистрируются электрические импульсы от ионов, образующихся внутри трубы, при этом скорость прокачки равна нулю. Затем включается воздуходувка и при объемной скорости прокачки, равной W, измеряется число электрических импульсов за время измерений. По числу зарегистрированных электрических импульсов определяют по формуле число положительных ионов за время t
где N_e - число зарегистрированных электрических импульсов за время t (мин) при скорости прокачки V (литр/мин), η_e эффективности регистрации отдельного положительного иона, η_w - эффективность попадания внешнего иона в объем трубы при прокачке.

Для увеличения эффективности регистрации ионов число счетчиков с тороидальным анодом, размещенных в трубе, может быть достаточно велико - несколько десятков. Каждый счетчик включается в свою автономную систему регистрации, что позволяет измерять одновременно число положительных ионов, имеющих разную подвижность.

Формула изобретения

1. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа, заключающийся в измерении ионизации газа с помощью детектора, имеющего внутренний, заряженный отрицательно, и внешний электроды, отличающийся тем, что в объеме детектора вблизи внутреннего электрода создают область с напряженностью поля, достаточной для осуществления потенциального механизма эмиссии электронов с поверхности внутреннего электрода, и ударной ионизации газа этими электронами, коэффициент газового усиления выбирают так, чтобы выполнялось неравенство
η_eN⁺< 1,
где η_e - вероятность эмиссии электрона при нейтрализации положительного иона на поверхности отрицательного электрода;
N⁺ число вторичных положительных ионов, возникающих в объеме детектора в процессе газового усиления,
и по числу регистрируемых электрических импульсов определяют число положительных ионов в 1 см³ воздуха за время регистрации t по формуле

где N_e - число зарегистрированных электрических импульсов за время t (мин) при скорости прокачки V (л/мин);
η_e - эффективности регистрации отдельного положительного иона;
η_w - эффективности попадания внешнего иона в объем детектора при прокачке.

2. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа по п. 1, отличающийся тем, что используют цилиндрический детектор с внутренним электродом в виде нити из материала с сопротивлением порядка нескольких кОм, дополнительно прокачивают через объем детектора окружающий его газ с объемной скоростью W см³/с так, что выполняется условие t_др < t_пр, где t_пр - время прохождения иона через детектор, а t_др - время дрейфа иона с подвижностью μ см²/В·с до нити, определяют расстояние X от входа иона в детектор до места попадания иона на нить обычными методами амплитудного анализа и определяют подвижность зарегистрированного на нити иона по формуле

где U, B - напряжение между электродами;
r_н и r_а - радиусы нити и внешнего электрода соответственно;
X - расстояние от входа иона в детектор до места его регистрации на нити, см.

3. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исследуемого газа используют атмосферный воздух.

4. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа по п. 1, отличающийся тем, что выбирают напряжение между электродами U, диаметр нити 2 r_н и коэффициент газового усиления так, чтобы число вторичных ионов N⁺, образующихся в результате регистрации первичного положительного иона, было достаточно для образования от одного до нескольких сотен электрических "послеимпульсов" при сохранении неравенства N⁺η_e < 1, где η_e - вероятность эмиссии электрона из нити при нейтрализации на ней положительного иона.

5. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме газа по п. 1, отличающийся тем, что газ прокачивают через трубу из проводящего материала, в которой размещен внешний электрод в виде тора и внутренний электрод в виде нити диаметром 10 - 200 мкм, проходящей по оси симметрии тора, угол между нитью и осью трубы выбирают в пределах от 0 до 90^o; вблизи нити создают область с напряженностью электрического поля, достаточной для ионизации электронным ударом; образованная пара электродов, представляющая собой счетчик с тороидальным анодом, включена в измерительную схему, регистрирующую число электрических импульсов, возникающих при нейтрализации положительных ионов на нити.

6. Способ измерения числа положительных ионов в данном объеме по пп.1 и 5, отличающийся тем, что измерения числа импульсов осуществляют с помощью не менее двух счетчиков с тороидальным анодом, помещенных в трубу, через которую прокачивают исследуемый газ, причем каждый из счетчиков подключен к своей автономной системе регистрации электрических импульсов.

7. Устройство для измерения числа положительных ионов в газе, состоящее из счетчика, имеющего внешний электрод и внутренний электрод в виде нити, источник высокого напряжения, воздуходувку и электронное устройство, регистрирующее электрические импульсы, отличающееся тем, что дополнительно введена труба из проводящего материала, соединенная с воздуходувкой, в трубе размещен внешний электрод в виде тора и внутренний электрод в виде проводящей нити диаметром 10 - 200 мкм проходящей по оси тора под углом α к оси трубы, причем 0 ≤ α ≤ 90, образуя счетчик с тороидальным анодом, который подключен к электронной системе, регистрирующей электрические импульсы.

8. Устройство для измерения числа положительных ионов в газе по п.7, отличающееся тем, что в трубе размещены не менее двух счетчиков с тороидальным анодом, причем каждый включен в свою автономную систему регистрации электрических импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1