автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование способа газового анализа с импульсной ионизацией определяемой смеси в барьерном разряде

АЗЭРБАЛЧАН ШШШ АЕРОКОСМИК АКЕНТЛ1Ш

Эл jaзмacы Ьугугудда

РАФАЕЛ ЭЛМГУЛУ ОРЛУ ИБРАЫШОВ

ПЕ«ЖАЛТЫ ИНФОРМАША-вЛЧМЭ СИСТЕМЛЭРИ УЧШ, ТЕЗЛИК ЧЫШ1Ш МЖРОБЛЕКТ РОН ТЕМПЕРАТУР ЧЕВИРИЧИЛЭРИ

Техника елмлэри намизэди алимлик дэрэчэси алмаг учун тэгдим едилмиш диссертаи^анын

АВТОРЕФЕРАТЫ

Бакы - 1998

II» кранах рукописи

НОВИКОВ Георгий Юр|,е1шч

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ГАЗОВОГО АНАЛИЗА С ИМПУЛЬСНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ ОПРЕДЕЛЕЛЯНМОЙ СМЕСИ В КАРЬЕРНОМ РАЗРЯДЕ

Специальность : 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

А В Т О Р Е. Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Смоленск 1408

Работа выполнена на кафедра Оптико-электронные системы Московского энергетического института (технического университета) филиала в г.Смоленска.

Научный руководитель - доктор тех. наук

профессор С.И.Зиенко

Официальные оппоненты

доктор тех. наук профессор В.А.Чернышев; кандидат тех. наук Л.Б.Прикупец

Ведущее предприятие - Производственное

объединение "Аналитприбор"

Защита диссертации состоится 10 апреля 1998 г. в 15.00 в аудитории^^Й^на заседании диссертационного совета Д.05Э.16.13. Московского энергетического института (технического университета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзыв на автореферат в двух, экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14. Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан

Председатель диссертационного совета, дл.и., професоор

с^С^С^ми 1998 г. У1оСг—-> В. В. Шевченко

Актуальность темы.

Анализ газового состава является важной технологической задачей, напрямую связанной с проблемами современной цивилизации. К газоаналитическим приборам используемым для этих целей предъявляются требования технологической простоты и дешевизны при обеспечении возможности регистрации малых концентраций с малыми погрешностями.

Перспективными и интенсивно развивающимися газоаналитическими методами стали ионизационные. Привлекательность их использования определяется высокой чувствительностью до 10'5+10"2 мг/л и широким диапазоном измеряемых конценгра-ций. Однако применяемые способы ионизации за счет р-излучения или в пламени водородной горелки обусловлены определенной экологической опасностью, а методы поверхностной ионизации могут быть использованы только для определения органических соединений.

С середины 60-х годов ведется разработка плазменных источников, в которых применяются газовые разряды. Ясно, что экологическая чистота метола обеспечена. В основном развитие данного направления связано с потребностью создания чувствительных детекторов для хромотографических газоанализаторов. Работы ведутся в направлении создания датчиков, обеспечивающих возможность стабильной работы при шмосфсрном давлении. Их результатом стало создание уаройств, работающих с использованием источников плазмы постоянного тока, где плазма создается между тремя электродами. охлаждаемыми потоком Аг и плазмы переменного электромагнишо-ю ноля, |де применяют катушку, в которую вставлены коаксиальные кварцевые трубки. При пропускании через катушку тока, возникает магнитное поле, под влиянием которого в кварцевых трубках образуется плазма. Недостатком этих датчиков можно счшап, н>, что разряд создается в Аг, который необходимо прокачинап. со скоростью 10 л/мин и как следствие их дороговизну.

Таким образом, актуальной проблемой оешется создание экплшичсски безопасных, 1СХН0Л01 ически простых и дешевых ионизационных газоаналигических способов. а успешное применение плазменных датчиков позволяет использовать в качестве источника ионизации газовый разряд при условии, что он обеспечит во)мож-пость стабильной работы при атмосферном давлении. В частности такие способы требуются для определения СО, СОг и 11; в воздухе при анализе отходящих газов на наличие вредных выбросов в результате каталитического окисления газообразных углеводородных топлив при работе газовых, бытовых конвекторов.

Цель работы - разработка и исследование газоаналитическою способа с импульсной ионизацией определяемой смеси в барьерном разряде в наносскундном диапазоне времени.

Предмет исследования - барьерный разряд с целью определения сю применимости в качестве ионизирующего фактора. Способ газового анализа с наносскундном импульсной ионизацией исследуемой смеси в барьерном разряде для установления возможности его использования при определении СО, С02 и Н2 в сишсгическом воздухе и СО} в азоте.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Получен обьемный импульсный разряд в воздухе, при атмосферном давлении. на фронте наносекундного. высоковольтного импульса напряжения без предпа-

ршслмюй ионизации разрядном) промежутка ii системе электрод с диэлектрическим покрытием - металлический электрод.

2. Внесены изменения в систему уравнений описывающих наносскундный разряд между металлическими электродами, учитывающие перенос постелей и перезарядку электрода с диэлектрическим покрытием, что позволило использовать се для описания процессов в системе электрод с диэлектрическим покрытием - металлический электрод, при подаче на первый высоковольтного наносекундпого импульса напряжения.

3. Предложен способ газового анализа с импульсной ионизацией исследуемой смеси в наносекунлпом барьерном ра тряде.

4. Предложено физическое трактование процессов обуславливающих чувстви-к'лыюсп. способа i¡попою пшшпа с импульсной ионизацией в барьерном разряде к cociaiiy анализируемых смесей.

5. Выполнены исследования па экспериментальном образце датчика, реализующего предложенный способ, смесей ciiinenriccKoi о вощуха с CO. СО;, llj и азота с СО,.

Практическая ценное п. рс|улмятп» работы:

1. I'aipaöoian icxib)jioi пчески npocioii и жологнческн безопасный способ lato-иою анализа для определения СО, СО^ 11; в сишегическом воздухе и С()2 в азоте.

2. На основании разработанною ппо.зпалитического способа может 5i.m. coi-л.ш прибор для .111.1,1111,1 о|ходящих пион на наличие нредных выбросов в ретулыате каталтического окисления газообразных углеводородных топлив при работе быто-bi.ix коннекторов. Результаты диссергационной работы используются па CIIO "ЛпалишрмГюр".

Апробации работы'Основные положения и резулматы рабо>ы докладывались па семинарах кафедры <)шнко- uieKipoiiiibic chcicmi.1 СФ М')И и кафедры Cueioicx-пнка M'JIt.

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных pa6oi .

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 60 наименований и содержит 168 страницу машинописною текста. 57 рисунков и приложения па 22 страницах.

СОДНРЖЛПИНРЛВОТЫ

Во введении дана краткая характеристика проблемы. Сформулирована цель рабены н указаны задачи, которые необходимо решил, .зля ее достижения, Сформулированы защищаемые научные положения: '

I Во!мож)шс1ь получения обьемною импульсного разряда в воздухе, при атмосферном давлении, в системе металлический >лскгрод - электрод с диэлектрическим покрытием, выполненным из керамики с большим значением диэлектрической проницаемоегн. при подаче на электрод с диэлектрическим покрытием высоковольтном«. наносскуплною пмнульса напряжения, без предварительной ионизации.

2. Возможность создания ионизационного способа газового анализа с использованием импульсной ионизации исследуемой газовой смеси в барьерном разряде, возникающим между металлическим электродом и электродом с дтплсктричсскич покрытием, выполненным из керамики с большим значением диэлектрической проницаемости на основании титаната бария, при подаче на него высоковольтного, нано-секундного импульса напряжения положительной полярности.

3. Возможность использования газоаналитического способа с импульсной ионизацией в барьерном разряде для определения добавки СЧ)2 в диапазоне конценфаций от ~0 до 1%, СО в интервале от ~0 до 0,5%, 112 в интервале от ~0 до 1.8% к синтетическому воздуху и С02 в интервале от -0 до 1% к азоту.

4. Возможность обяснения чувствительности, предложенного газоаналитического способа к составу указанных смесей, зависимостью тока в барьерном разряде, ограничиваемого на стадии лавинного развития за счет перезарядки электрода с диэлектрическим покрытием, от состава газовой смеси. Обосновывается эта зависимость тем, что амплитуда разрядного тока /~ехр(аК/), тогда как а - первый коэффициент ионизации Таунсенда для газовой смеси в наносекундном диапазоне аппроксимируется как сумма произведения коэффициентов ионизации для всех составляющих смеси на их процентный состав в ней.

В первой главе выполнен обзор существующих газоаналитических методов и созданных на основе приборов для анализа СО, СО? и Н2. Так наилучшим для измерения содержания СО и С02 в газовых смесях, считается инфракрасный метод. Приборы основанные на данном принципе выпускаются отечественной промышленностью пол марками ГИП и АО. Кроме этого используют приборы, основанные на измерении теплопроводности газовых смесей. На их основании выпускают термокопдукгометри-чсскис дагчики типа ДТ. Основными типами приборов для анализа Н2 являются тср-мокондуктомстрнческие для определения концентраций от 4 до 100% и термохимические для концентраций от 0 до 2-4%, производимые под марками ТКГ, ДТ и ТП. Ана-ли1 шпентов, полученных по данной тематике в США. Великобритании. ФРГ и России в период 70-80-ых и первой половины 90-х годов, показывает, что несмотря на принципиальное различие разрабатываемых приборов и методов, для них явно прослеживается тенденция к стремлению добиться снижения концентраций определяемого компонента и увеличении точности проводимых измерений. Этим 1ребованиям в полной мере отвечают ионизационные газоанализаторы. В них информацию о составе апализнрумой смеси получают, регистрируя ток, возникающий в ионизованном газе при наложении на него электрического поля. В настоящее время метод широко применяется для анализа бинарных газовых смсссй.

Однако существующие способы ионизации аир излучением или в пламени водородной горелки обусловлены определенной экологической опасностью. что позволяет проводить работы в направлении создания новых иеючникои ионизации. Таковым ио нашему мнению может стать гаюпый разряд.

Хрополошя развития газоанализаторов с использование газовых разрядов пока н.|вас1, Ч1о работы ведутся в направлении создания приборов, обеспечивающих возможное п. надежной работы при атмосферном давлении с максимальным упрощением технологической структуры. Такие датчики, с источниками платмы постоянного

f>

гока и плазмы переменного электрома!шиною поля, применяются в качестве чувствительных детекторов для хромотографическнх газоанализаторов.

Предла1астся экологически безопасный н технологически простой способ 1азо-вого анализа, где и качестве ионизирующего фактора используется им пульс нын барьерный разряд при атмосферном давлении в наиосекундном диапазоне времени, через область которою прокачивается газ. Информацию о составе исследуемой газовой смеси получаю|. регистрируя ток, наводимый в цепи коллектора (электрода. находящеюся вне разряда иод постоянным высоким напряжением) в результате дрейфа ионов. вытя1 ипасмых из области разряда коллскшрным полем.

Iii оран глава посвящена исследованию барьерного разряда с целью определения во 1МОЖПОСТи его использования в качестве ионизирующего фактора. Для этго он должен обладать стабильными характеристиками, быть обьемпым и чувствительным к определяемым компонещам газовых смесей. Барьерным называется разряд между электродами, если хотя бы на один их них нанесено диэлекфическое покрытие. Нами был получен барьерный разряд в системе электрод с диэлектрическим покрытием -металлический электрод, на фронте высоковольтного, наносскундного импульса, подаваемого на электрод с диэлектрическим покрытием. Металлическим электродом являлась заземленная, лагунная сетка с коэффициентом пропускания ~0,5. Электрод с диэлектрическим покрытием выполнен из керамики на основании титаната бария (химическая формула üao,95Gao.05O'(WjSro.oOCb) с диэлектрической проницаемостью е-3500. Разряд имел стабильные характеристики и объемный характер в азоте, воздухе и синтетическом воздухе без предварительной ионизации. ')то можно объяснить пространственным перекрытием электронных лавин, которые не развиваются в стример из-за офапичения в них числа постелей п процессе перезарядки электрода с диэлектрическим покрытием и как следствие этого шраничения поля на разрядном промежутке. Для описания барьерного разряда может быть использована система уравнений. сформулированная академиком Г. Л. Месяцем применительно к разряду с проводящими электродами, на которые подается импульсное напряжение амплитудой Ч0 с источника с активным сопротивлением р. В систему необходимо внести изменения связанные с наличием на аноде диэлектрического покрытия и она запишется следующим образом

|де Л'„ - число электронов инициирующих разряд. <> - элсмешарный заряд, Г - скорчен, дрейфа ив/тронов. </- расстояние между шектродлмн, к - первый коэффицисш ионизации Тауисснда, /(/) - юк разряда. 1/(1) - падение напряжения на разрядном промеж) 1ке, - падение напряжения, обусловленное перезарядкой электрода с диэлек-фнческим нокрышем за счет переноса к нему электронов. С - емкость определяемая um а .кшлк'ii.hi.im импочсиисм меж >нсыро,н11>й cmmx. hi п емкости дн >лек|рнчсскоИ

(I)

обкладки. Возникновение достаточного количества инициирующих носителей для обеспечения объемности разряда не только в азоте, но и и воздухе, в котором до сих пор его получали в виде совокупности микроканалытых разрядов, объясняется авто-э.тектропной эмиссией с микроострий на поверхности сетки. Их наличие установлено при исследовании сетки под микроскопом с увеличением в 200 раз. Опенки, выполненные по уравнению Фаулера-Нордгейма показывают, что за время возникновения разряда -10 не у поверхности сетки может появиться -Ю4 первичных носителей. Число поступающее их количеству получаемому в результате предварительной ионизации разрядного промежутка ультрафиолетовым излучением. Для экспериментально-то подтверждения механизма возникновения первичных носителей была cima зависимость времени возникновения разряда ог напряженности поля на разрядном про-межмке. при подаче па электрод с диэлектрическим покрышем высоковолыною. ианосекл идиом» импульса положитслыюн полярности с фронтом .1 не. С уменьшением ночя от 1.(>нГдо I ■ 105 ß/см время задержки увеличивается ог 5 до 15 нс. Л так как при атмосферном давлении задержка практически полностью определяется временем возникновения первичных носителей, то можно считать, что именно оно зависит от напряженности поля. Характер зависимости подтверждает автоэлектронный механизм появления электронов, инициирующих развитие разряда.

Чувствительность разряда к составу анализируемых газовых смесей можно объяснит!. следующим образом. Известно, что число носителей в лавине инициированной одним электроном

Л' = схр (аУ/). (2)

Предлагается аппроксимировать первый коэффициент ионизации для газовых смесей в наносекундном разряде для напряженностей полей, отнесенных к давлению в диапазоне Etp=b0+300 В/смТор, как сумму произведения коэффициентов ионизации для отдельных составляющих смеси - а, на их проценшый состав в ней - c¡.

in

аЕ - (31

/ = !

Данная аппроксимация имеет место для полей, действующих в течении времен порядка 10'"+5-И)"' с. Для указанного диапазона отношений Elp скорость эленфоном составляет величину ~10' см/с, иочов -10' см/е. так что последние можно счшать практически неподвижными по отношению к первым. Следовательно, процессы ио-шиацип определяются перемещением кип.ко электронов. Длины свободною нробста для молекулярных газов имеют порядок К)"6 см. Сечения ионизации электронным ударом в максимуме достигает значения ~10""' смг. Следовательно, акты ионизации для отдельных молекул можно считать взаимонезависнмыми. Ионизация электронным ударом описывается первым коэффициентом ионизации, определяемым скоростью »лектрона и природой ионизируемою таза, обуславливающей сечение ионизации. 1'сли мы имеем смссь газов, то электрон, сталкиваясь с отдельными ее компонентами, будет взаимодействовать с ними также, как если бы газ был однороден п чарлк-

гернзонагь данный процесс можно значением а для raía, с молекулой которою осуществляется взаимодействие. Л для смеси в целом коэффициентами ионизации отдельных составляющих с учетом их процентного состава в ней.

Расчет первого коэффициента ионизации для воздуха по предлагаемой аппроксимации на основании известных значений а для N2, 02 и Ar дал результат, совпадающий с действительными значениями с точностью 2-10% при изменении Elp от 50 до 300 В/смТор.

Влиянием плазмохимичсских реакций идущих с участием ионов СО. С02 и 1Ь, число которых при атмосферном давлении в воздухе и азоте, примерно, равно сорока, на чувствительное!i. метла можно пренебречь. Гак как он применяется для анализа концентраций СО. СО; и IЬ в диапазоне от 0 до 1-2% и возникающие с их участием ионы не Moiyr вызван, изменения заряда переносимого ионным током на величину до 40-45%. что было установлено экспериментально. Тоже самое относится и к рекомби-национным процессам с участием ионов СО, С02 и Hj.

В третьей главе описана экспериментальная установка для исследования метода тазового анализа с импульсной ионизацией определяемой смеси в барьерном разряде и аппаратное обеспечение необходимое для ее работы. Функциональная схема установки приведена на рис. 1. В нее входит модель газоаналитического датчика, состоящая из разрядной и дрейфовой камер. В разрядной камере помещены электрод с диэлектрическим покрытием и заземленная, металлическая сетка, между которыми возникает барьерный разряд. Расстояние между электродами может изменяться от 0 до 3 мм. В дрейфовой камере, ограниченной с одной стороны сеткой находится коллектор, расстояние между ним и сеткой может изменяться от 5 до 30 мм. На электрод с диэлектрическим покрытием подаегся высоковольтный импульс с формирователя наносекундных импульсов (ФНИ). Ток в разрядной камере регистрируется с помощью датчика тока (Д) на скоростном осциллографе (C7-I9). На коллектор подается постоянное, высокое напряжение с источника Б2-40 (ИВП) через сглаживающий RC фильтр. Сигнал с коллектора поступает на преобразователь ток-напряжение (UTH), а с пего на цифровой осциллограф (С9-8), регистрирующий осциллограмму импульсов ионного тока и счегчик-измеритель, осуществляющий подсчет заданного количества импульсов и измерение соответствующего им заряда. Индикатором измеренного значения заряда служит цифровой вольтметр (В7-22А).запуск и синхронизация работы установки осуществляется генератором (Г5-66). Измерение заряда, переносимого ионным током ведется по сотне импульсов, следующих с частотой 1 Гц.

Для проведения исследований на установке было изготовлено следующее аппаратное обеспечение.

Формирователь высоковольтных наносекундных импульсов с перестраиваемой длительностью. Функционально он состоит из схемы формирования длительности выходных импульсов, формирователя импульсов для запуска входного каскада и выходного каскада, формирующего импульсы напряжения с фронтом ~10 не, срезом -15 не, амплитудой ~2,5 кВ и длительностью, которая реттируется на половине максимального значения амплитуды от 35 до 160 не. Принципиальная схема формирователя приведена на рис. 2.

Г5-66

ИНН Б2-40

С7-19

+ 15В

-5В

1

-5В

чип

I

гггн

В7-22А

Счетчик-измеритель

С9-8

|ТЕС ! ПРОК

И5В

ИОВ

Ч'

Рис.1. Функциональная схема экспериментальной установки.

Рис.2. Принципиальная схема формирователя высоковольтных наносекундных импульсов с перестраиваемой длительностью.

Формирователь высоковольтных наносскундных импульсов с перестраиваемой амплитудой, выполненный на тиратроне ТГИ-700/25, используемого в качестве коммутирующего элемента. Импульс запуска тиратрона формируется волновым генератором на модуляторных тиристорах. Для обострения фронта применяется нелинейная ферритоиая искусственная линия. Формирователь генерирует импульсы напряжения с фронтом ~3 не, амплитуда котрых регулирется в пределах от 3 до 12 кВ при сохранении фронта.

Формирователь высоковольтных импульсов, выполненный на тира фоне ТГ И2-130/10, запускаемый импульсом с тиристорного формирователя. Для увеличения крутизны фронта генерируемого импульса был использован воздушный разрядник. Принципиальная схема формирователя приведена на рис. 3. Он генерирует импульсы амплитудой 8 кВ и длительностью на половине максимального значения амплитуды -25 не.

Преобразователь ток-напряжение, выполнен на операционном усилителе КР140УД8.

Счетчик-измеритель, который формирует импульсы для запуска цифрового запоминающего осциллографа С9-8, осуществляет индикацию счетного количества импульсов, управляет обмоткой реле шггегратора и формирует импульсы управления аналоговым ключом. Это обеспечивает возможность визуальной регистрации импульсов ионного тока на экране осциллографа и измерение заряда, переносимого сотней импульсов.

В связи с тем, что в установке коммутируются большие мощности (порядка Мвт) предприняты меры обеспечивающие электромагнитную совместимоеи. используемых в ней устройств.

В четвертой главе выполнены исследования на модели газоаналнгическото датчика, на основании которых определены его оптимальные параметры. Гак расстояние между электродом с диэлектрическим покрытием и сеткой с! - 0,5 мм. Это обусловлено, тем, что разряд становился объемным при </ < 1 мм, а приближение электродов друг к другу сопровождалось увеличением составляющей разрядного тока, определяемой емкостью воздушного промежутка между электродами. В качестве ма-н-рнлла »лек-фодя с диэлектрическим покрытием выбрана керамика с высоким значением ли жекфическоИ проницаемост (I: ЗМШ), тик кик использование мшернилон с малой диэлектрической проницаемостью приводит к полной перезарядке электрода на фронте наносекундного импульса, и как следствие этого отсутствию чувствительное!!! к сосчиву исследуемой газовой смеси. Что было проверено в экспериментах с электродом из слюды с к=4. Расстояние между сеткой и коллектором составлял' 5 мм. ')то обусловлено сфемлснием добиться однородности коллекторного поля и избежать пробоя между коллектором и сеткой. На электрод подается высоковольтный импульс положительной полярности. При подаче импульса отрицательной полярности отсутствует перс зарядка электрода с диэлектрическим покрытием, не происходит отрани-чения поля в разрядном промежутке и как следствие этого отсутствует чувствительность к составу газовых смесей. Исследуемая смесь прокачивается со скоростью Г (1.84 л/мин, чтобы избежать ее влияния на результаты измерений. "Заряд переносимый ионным юком перестает зависеть от скорости прокачки синтетического воздуха при Г~0,Л л/мин.

Рис.3. Принципиальная схема формирователя высоковольтных импульсов.

Наличие такой зависимости можно объяснить реакциями

Ы20 + <> N2 + СГ

Ы02 + е N0 + О

Они протекают за времена -10+100 не и снижают концентрацию электронов на начальной стадии развития разряда, так как время жизни Ы20 и N02 составляет величину -1-10 с. При скорости прокачки, превышающей 0,6 л/мин, эти соединения выносятся из разрядной камеры. Влияние ЫгО и N02 113 зависимость заряда от скорости прокачки смеси подтверждается тем, что для смесей на основании азота такая зависимость отсутствует. Напряженность поля в дрейфовой камере £=4000 В/см, так как при ней из разрядной камеры вытягивается максимально возможный заряд. Коллекторное напряжение имеет отрицательную полярность. В противном случае на ионный ток накладывается электронная составляющая. Было установлено, что чувствительность к составу газовых смесей увеличивается с уменьшением длительности импульсов высоковольтного напряжения, подаваемых на электрод с диэлектрическим покрытием. Это связано с процессами перезарядки электрода. Поэтому на него подается импульс длительностью на половине максимальной амплитуды -25 не. Его амплитуда составляет -8 кВ, чтобы на разрядном промежутке возникало поле, укладывающееся в диапазон £/р=50-300 В/см-Тор.

В соответствии с требованиями ТУ-6-16-2956-87 проведено исследование газовых смесей синтетического воздуха с СО. СО2 и Н2 и азота с С02. Результаты измерений приведены на рис. 4. - рис. 7. На их основании можно сделать вывод о применимости предлагаемого газоаналитического способа для определения С02 в диапазоне концентраций от -0 до 1%, СО в диапазоне -0-0,5%, Н2 в диапазоне -0-1,8% в синтетическом воздухе и СО2 в диапазоне -0-1% в азоте. Точность абсолютных измерений не превышает 2-3%, относительных 0,4%.

Далее в работе осуществлено моделирование процессов в разрядной камере газоаналитического датчика, работающего на азотных смесях. Для этого была составлена программа на языке Бейсик (версия С1-10). Модель не учитывала емкостную составляющую разрядного тока, обусловленную емкостью воздушного промежутка между металлической сеткой и электродом с диэлектрическим покрытием, и рскомбина-ппонный ток.

Выполнен расчет числа электронов в лавинах, скорости электронов, поля в разрядном промежутке и тока в нем как функций от времени. Результаты моделирования подтверждают, что разряд не переходит в стримерную стадию, так как число носителей в электронных лавинах -107. Они позволяют объяснить стабильность характеристик разряда и его ограничение на лавинной стадии перезарядкой электрода с диэлектрическим покрытием и как следствие этого ограничение поля на разрядном промежутке. Указывают на обоснованность предложенной аппроксимации для первого коэффициента ионизации Таунсенда газовых смесей.

(). о с

Рис.4. Зависимое« ь заряда переносимого ионным током для синтетического воздуха с добавками СО2 от их концентрации. Q в относительных единицах.

Q. о с.

'kl I I I I I I I I I

0.9 - ________

0,8___———_______

0,7 О/. 0,5

0 0.5 1.0 (',%

с.

Рис.5. Зависимость заряда переносимою ионным током для СШ1ГСП1ЧССКОГО воздуха с добавками ЬЬ от их концентрации, Q в относи 1 сльиых единицах.

Рис.6. Зависимость заряда переносимого ионным током для синтетического воздуха с добавками СО ог их концентрации, Q в относительных единицах. Q, o.e.

О 0.5 1 0 (•,%

Рис.7. Зависимость заряда переносимого ионным током для азота с добавками СО2 от их концентрации, (? в относительных единицах.

Рассмотрены физические пронесем в газоаналнгичсском датчике, работающем па азотных смесях. 11а рис. 8 приведена форма разрядного тока. Первая составляющая - емкостной гок (участок "аб"), определяемый емкостью воздушного зазора между дп 1лск|ричсский поверхностью и cciKoli. Дальше идет 1лск1роппый юк (участк • бвг"). вызванный лавинным размножением первичных постелей, гммитиронанных из металлической ссгки. Первый участок кривой тока отрицательной полярности ("|д") обусловлен емкооной счсшнлмюшсй п>ка, коюрац обращены hi сче1 дифференцировании среза нмпульси напряжении icnepaiopa. Второй учасюк oipimaicjii.Hiil* ihiiiii|iiiiH in ("игл") ргкомбимишнншмП inn. iipiiii'Kiiiiiiililll и ре iv hi. in И' перемете ипн электронов м направлении ссIкм под влиянием положительного заряда попои, п рекомбинации их с ионами. Концентрация элекгронон в разрядном промежутке п 'i ll)'' см '. СИ) гонрипшнгпне It,, Г"I Ом. ('опопаингпис iu"iiiniiiim заряда. inula дакинеш н дрейфовую камеру {_•>„ 1.9/10* K'ji со значенном рапюспт 1арядон. перенесенных электронным (треугольников "опт") и рекомбннаниоипым (треугольник "дел") токами. с учетм пропускания ccikii »(1,5. равным ()' ?.(IS 10 я |<и. ношотяп сделан, вынед о юм, чго он нракшчсскн полносм.ю определиекн положительными ионами, возникающими в импульсном, наносскундном, барьерном разряде. Импульс ионного тока приведен на рис. 9. Участок нарастания тока от нуля до максимальною значения соот негегвуег процессу вытягивания ионов из разрядной камеры в дрейфовую, прямолинейный участок - их дрейфу в направлении к коллектору, и наконец уменьшение тока определяется приходом ионного облака на коллектор. В процессе дрейфа ионное облако уширяется за счет кулоновского расталкивания. Концентрация ионов в дрейфовой камере N=2,6-1()'"см Ионный ток однозначно отражает процессы в барьерном разряде и сто использование в качестве регистрируемого параметра в га-зоаналишческом способе можно считать обоснованным.

И последнем разделе исследован режим работы тазоаналтггичсского датчика, обеспечивающий возможность качественного анализа т азовых смесей. Он реалигустея при удалении коллектора от ссгки и. как следствие, увеличение расстояния дрейфа ионов. И ион случае разные сорта ионов будут разбегаться за счет различной подвижности. чю повлияет на форму ионного тока. Иремя начала прихода попок на коллектор для азота /„ ~ 227 мкс. а для синтетического воздуха /„ - 200 мкс. Что объясняется наличием в синтетическом вогдухс ионов кислорода, подвижноеп> которых М'2.24 см2/Ц с. приходящих па коллектор раньше ионов aioia с подвижностью

М N "1.8 см'/Вс. Таким образом мы получили возможность контролирован, состав

анади шруемой среды. Полученный результат позволяет рекомендовать, использован, способ laionoio анализа с импульсной ионизацией в барьерном разряде совместно с существующими методами селекции ионов по поднижностям при атмосферном давлении (метод дрейфа ионов в периодическом и компенсирующих полях). 7т дает возможность разрабатывать приборы для качественного и количественного анализа мпот оком понеш пых т азовых смесей.

20

10

0 -10

0 20 40 60 80 100 120 г, не Рис. 8. Разрядный ток.

0,6 0,4

0,2

О Ю 20 30 40 50 КМКС Рис. 9. Ионный ток.

/, А в

п \

е ж

/.А

ОСМОННЫ1-: РЕЗУЛЬТАТЫ РАЬОТЫ и выводи

1. Получен объемный импульсный разряд п азоте и в воздухе при атмосферном давлении в системе электрод с диэлектрическим покрытием, выполненным из керамики с высоким значением диэлектрической проницаемости - лагунная ceiKa на фронте высоковольтного наносскундного импульса напряжения, подаваемою па электрод с диэлектрическим покрытием, без предварительной ионизации разрядкою нро-мсжу| ка.

2. Проведен анализ существующих газоаналнтическнх методов для рег истрации СО, СОг и Н2 в потдухс и азоте. Па основании которою сделан вывод об эффект нвпо-CIH использования для эшх цетей ионизационных датчиков и возможности поиска новых источников ионизации.

3. Выполнено исследование барьерного разряда для определения возможности его использования в качестве ионизирующею фактора. Обоснованна объемность разряда в воздухе при атмосферном давлении. Внесены изменения в систему уравнений описывающих наносскундный разряд между металлическими электродами, учитывающие перенос носителей и перезарядку электрода с диэлектрическим покрытием, что позволило использовать се для описания процессов в системе электрод с диэлектрическим покрытием - металлический электрод, при подаче на первый высоковольтного наносскундного импульса напряжения. Предложен механизм, обуславливающий влияние на характеристики разряда исследуемых газовых смесей, предполагающий ограничение разряда на стадии лавинного развития и аппроксимацию первого коэффициента ионизации для газовой смеси как сумму произведений отдельных компонент на их процентный состав.

4. Проведено математическое моделирование процессов в наносскундном разряде, в результате которого установлено принципиальное значение диэлектрическою иокрышя для чувствительности к составу анализируемых тазовых смесей. Гак как и pciyjii.iaic переноса электронов к дюлсктрику происходи! компенсация ноля и pni-рядном промежутке и как следствие этою ограничение pocia числа носителей в лавинах на стадии их размножения по экспонснгациалмюму закону.

5 Предложен способ i в юною иналтиа с импульсной ионизацией исследуемою газа в барьерном разряде для наносскундного диапазона.

6. lli.HKuiiicii >К1'!1сримсн!плм1ый образец i азоаштлн I ичсскою датчика нракш-чсски реализующий предложенный способ и аппарат нос обеспечение необходимое дня проведения на нем исследовании.

7. На основании экспериментальных результатов построена физическая модель процессов в да i чикс, работающем па aioic.

8. Определены оптимальные параметры работы датчика, реализующею способ с импульсной ионизацией исследуемой газовой смеси в барьерном разряде.

Выполнено исследование пповых смсссй на основании которого установлена возможность применения датчика для определения 11> в синтетическом воздухе в днана топе концентраций от ~0 до 1,8%, С'( )2 в диапазоне от ~0 до 1%, СО в диапаюне от -0 до 0.5% и С(в азоте в диапазоне 01 -0 до!%.

10. Исследован режим работы датчика, позволяющий контролировать состав исследуемой среды по форме импульсов ионного тока на основании различной под-вижпосш для ионов N2 и О,.

11. Рекомендуется совместить способ ионизации в барьерном разряде с существующими методами селекции ионов но подвижности, для получения прибора способною осуществлять качественный и количественный анализ сложных смесей на основании воздуха и азота.

Основные результаты рабош (нражены в следующих публикациях:

1. И. Н. Ьрыгкон. С. И. Зиснко. Г. |(). Новиков. 11лазмсппо-ионп(анионный кно-.пы.ппнчеекпн да пик // 11рпборы и техника жепернмента. - 1997. - №4. -С. 131-132.

2. I'. И. Знепко. 1 . К). Иоников. Фишчсскпс основы I а зоаналш пчеекпю дапи-ка с ионизацией исследуемой смеси в барьерном разряде // Тр.ин-та / М')И филиал в г.Смоленске - 1997. - №10. - С. 163-166.

3. И. В. Ерытков, С. И. Зиснко, Г. Ю. Новиков. Исследование плазменно-ионизационного метода газового анализа // Тр.ин-та / МЭИ филиал в г.Смоленске -1996. - №9. - С.308-310.

4. В. П. Брытков, С. И. Зиенко, Г. К). Новиков. Исследование барьерного разряда в импульсном режиме // Тр. ин-та / МЭИ филиал в г.Смоленске - 1995. - №8. -С.42-44. '

5. В. В. Крытков, Г\ Ю. Новиков. Электроника пикосекундных импульсных лазеров // Тр. ин-та / МЭИ филиал в ('.Смоленске - 1993. - №5. - С.38-46.

Ч1;"-1 Ш

Заказ /Ш

Гипотрофия МЭИ. Красноказарменная, 1.3.