автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Основы разработки, конструирования и расчета альфа-ионизационного преобразователя давления, работающего в области пониженных давлений

На правах рукописи

- ~ ~ г

. : О и а .

2 2 АПР Ьго

ЗЕНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕНТИНОВНА

ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА АЛЬФА-ИОНИЗАЦИОННОГО' ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В ОБЛАСТИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЙ.

Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1996

Работа выполнена на кафедре Электронные приборы Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ФИНАТЬЕВ Ю.П.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Макаров В.Н. кандидат физико-математических наук, доцент Головчанский Е.М.

Ведущая организация - Научно - производственная фирма

инженерной продукции ИНПРО

Защита диссертации состоится " № " иаьн_ 1996 г.

в аудитории в УГ часов оо минут на заседании Диссертационного Совета Д.053.16.13 Московского энергетического института ( технического университета ).

Отзывы ( в двух экземплярах, заверенные печатью ) просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " ^ " 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета к.т.н., доцент

И. Г.Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Разработка первичных преобразователей и исследование особенностей их работы в различных режимах представляют одну из важнейших задач современного промышленного производства. Получение информации о состоянии контролируемого объекта в полном объёме с высокой степенью надёжности и достоверности позволяет активно вмешиваться в управление технологическим процессом.добиваясь тем самым значительного повышения уровня автоматизации промышленного производства.

Существующие теоретические представления о работе альфа-ионизационного преобразователя в области пониженных давлений явно недостаточны и оказываются справедливыми в узких диапазонах введенных ограничений и упрощений:

dE/dX = const; L < R; T = const; I »• f(U).

Хотя представления о физических процессах, протекающих в объеме преобразователя давления, существенно упрощены, описание рабочих характеристик при различных условиях их эксплуатации вызывает значительные трудности. Не существует анализа работы альфа-ионизационного преобразователя в режимах детектирования температуры, влажности и т.д.. Поэтому расчет и проектирование конструкции альфа-ионизационного преобразователя, предназначенного для решения конкретной практической задачи, оказывается весьма приближенным и не отвечает всем требованиям современного промышленного производства. В связи с чем выше перечисленные проблемы, возникающие при расчете и конструировании альфа-ионизационных преобразователей, представляются в высокой степени актуальными, а их решение практически полностью удовлетворит существующие запросы промышленного производства и значительно расширит область их практического применения.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции альфа-ионизационного преобразователя, работающего в области пониженных давлений в широком интервале рабочих температур; исследование физических процессов, протекающих в рабочем объеме и определяющих' его рабочие и метрологические характеристики; создание математической модели, обеспечивающей надежную оценку основных конструктивных и метрологических параметров преобразователя; оценка возможности работы

предлагаемого преобразователя в составе комплекта электронной манометрической аппаратуры (КЭМА).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

1. Лналив имеющихся конструктивных рошений пльфа-ионизационных преобразователей давления и существующих представлений о физических процессах, протекающих в их рабочем объеме.

2. Исследование особенностей конструкции и работы однокамерного альфа-ионизационного преобразователя давления, а также способов расчета его рабочих и метрологических характеристик.

3. ИссЛ'-дошпи« работы альфа ионизационного преобразователи доъ-ления в режиме детектирования давления, влажности и температуры контролируемой газообразной среды.

4. Разработка конструкции альфа-ионизационного преобразователя давления, работающего в области пониженных давлений в широком интервале рабочих температур, с пониженным уровнем фонового тока и ослабленными флуктуациями рабочего тока. Исследование его рабочих и метрологических характеристик.

5. Разработка математической модели предлагаемой конструкции преобразователя, обеспечивающей надежную оценку его метрологических и рабочих параметров.

6. Исследование работы предлагаемого преобразователя в составе комплекта электронной манометрической аппаратуры как возможной области практического его применения.

Методы исследования. При решении задач исследования использовались методы физического эксперимента, теоретической и прикладной метрологии и численные методы анализа.

Достоверность и надежность полученных в работе экспериментальных и теоретических результатов определяется их сопоставлением и соответствием расчетных данных экспериментально полученным. А также определяется целым комплексом методических приемов, в которые входят: статистическая обработка результатов измерения и определение их статистических характеристик при доверительной вероятности 0,95; использование контрольно-задающего оборудования с высокими метрологическими характеристиками; контрольные измерения рабочих характеристик ИП на

специализированных стендах ЦАГИ им.Н.Е. Жуковского, имеющих специальное метрологическое обеспечение.

Научная новизна.

1. Проведено систематическое исследование конструктивных особенностей и современных представлений о работе альфа-ионизационных преобразователей в широкой области их практического применения. Установлено, что существующие теоретические представления справедливы только в области введенных ограничений и допущений.

2. Положив в основу уравнение потерь энергии Бете и Блоха с учетом аппроксимации Гейгера, в работе выполнен расчет энергии альфа-частицы, теряемой ею на произвольном участке пути, что позволило оценить влияние геометрических параметров преобразователя на вид его выходных характеристик.

3. Исследование работы однокамерного альфа-ионизационного преобразователя в режимах детектирования давления, температуры и влажности контролируемой газообразной среды (ГС) позволило не только определить чувствительность преобразователя к изменению оцениваемого параметра, но и установить степень влияния основных дестабилизирующих факторов на устойчивость его рабочих характеристик.

4. В работе предлагается принципиально новая конструкция альфа-ионизационного преобразователя давления (сс-ИПД) с расщепленным анодом , которая по своим конструктивным особенностям относится к многокамерным, сохраняя, в то же самое время, основные черты однокамерных. При этом, благодаря высокой прозрачности электродной системы, преобразователь обладает пониженным уровнем фонового тока и незначительными флуктуациями ионизационного тока.

5. Приведенные в работе соотношения, описывающие потери энергии альфа-частицами на произвольном участке пути, ■ и функциональные зависимости I (Р, N. и, Т); ц(Р,Т); «(Р,11) положены в основу математической модели преобразователя. Данная математическая модель позволила связать величину ионизационного тока с геометрическими параметрами преобразователя, получить исчерпывающую информацию о величине рабочего диапазона, чувствительности преобразователя и линейности его рабочей характеристики. Это решило проблему инженерного расчета такого вида преобразователей.

б. Высокая точность (±1%) и высокая стабильность рабочих характеристик обеспечивают пригодность преобразователей данного типа для контроля давления в аэродинамических трубах, что значительно расширяет область практического применения исследованных в работе альфа-ионизационных преобразователей давления.

Практическая ценность работы. На основании проведенного исследования процессов электропереноса в газообразных средах предложена принципиально новая модель альфа-ионизационного преобразователя давления, способного работать в области пониженных давлений (0.01 - 100) мм.рт.ст. в широком интервале рабочих температур с достаточно высокой точностью (±1%).

Предложенная в работе математическая модель такого преобразователя практически полностью решила проблему инженерного расчета таких преобразователей.

Тщательные многократные испытания опытной партии разработанных преобразователей в различных лабораториях научных центров России (ИПГ им.К.Федорова, ЦАГИ им.Е.Жуковского, СШЭИ) показали, что практически полное совпадение градуировочных параметров ( Сх, N1,6) всех поверяемых альфа-ионизационных преобразователей (в.пределах ±37.) указывает на незначительный разброс их метрологических характеристик, обеспечивающий стабильность инструментальной погрешности. При изготовлении партии таких преобразователей нет необходимости в индивидуальной тарировке отдельно взятого преобразователя, что значительно увеличивает технологичность изготовления таких преобразователей за счет исключения ряда технологических операций.

Кроме того, проведенные испытания показали не только принципиальную пригодность преобразователей такого типа для замены ПМИ-45 и ИМИ-47 в комплектах манометрической электронной аппаратуры, но и для контроля давления в аэродинамических трубах,что значительно расширяет область практического применения исследованных в работе сс-Щ.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Описание процесса электропереноса в слабоионизированных газах при заданных геометрических параметрах ионизационного преобразователя давления в рамках обобщенной математической модели разрядного промежутка.

2. Способы повышения чувствительности рабочих характеристик ионизационных преобразователей к изменению контролируемого параметра и расширению рабочего диапазона измеряемых давлений, в основе которых лежит неоднородность потерь энергии ос-частицей на длине её пробега.

3. Принципиально новая конструкция «-Щ, основной отличительной особенностью которого является наличие расщеплённого анода, что позволяет значительно снизить уровень фонового тока, уменьшить флуктуации ионизационного тока и обеспечить требуемую точность измерения контролируемого параметра.

4. Способы расчета ионизационного преобразователя, работающего в области пониженных давлений в основе которых лежит его математическая модель.

5. Результаты экспериментального исследования и математического моделирования рабочих характеристик преобразователя.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке комплекса навигационной аппаратуры управления аэростатом, что позволило повысить точность определения высотного положения объекта, а также результаты испытаний предложенных в работе преобразователей в ЦАГИ им.Жуковского показали принципиальную пригодность их для аэродинамических труб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XI Всесоюзной конференции "Динамика разреженных газов" (г.Ленинград 8-13 июля 1991 г.); на Международной конференции "Датчик - 93" (г.Барнаул 1993г.); на III Харьковской вакуумной конференции (г.Харьков 1993г.); на научном семинаре кафедры "Электронных приборов" МЭИ (г.Москва апрель 1994 г.)

Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертационной работы составляет 10 научных работ опубликованных в тезисах докладов трех научно-технических конференций, в сборниках научных трудов СФ МЭИ, а также в научно-технических отчетах кафедры измерительной техники ИМЭИ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста, иллюстрированного 46 рисунками, 24 таблицами, списка цитируемой литературы из 140 наименований и двух приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, связанная с уменьшением уровня фонового тока, флуктуации ионизационного тока,а также эффективностью сбора ионов в рабочем объёме ионизационного преобразователя и особенностью расчета рабочей характеристики;сформулированы цель и задачи работы; , показана научная новивна и практическая ценность результатов исследования; приведено краткое содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер, посвящена изложению и анализу литературных данных по существующим конструкциям альфатронов за последние десятилетия, приводится классификация их по конструктивным особенностям, из которых наглядно видно, что рассматриваемые преобразователи представляют собой систему электродов, помещенную в частично ионизованную ГС, отличающиеся количеством и формой электродов, геометрией расположения их в пространстве, видом и мощностью ионизатора.

Дается обзор теоретического описания работы таких преобразователей, где указывается на недостаточную полноту и завершенность теоретического описания работы альфатронов, обусловленные введением ограничений и предположений:

- ионизационная способность «-частиц не зависит от их координаты, т.е. ёЕ/ёх=соп51;

- ионизационная камера работает в режиме глубокого насыщения;

- линейный размер камеры ионизационного преобразователя (ИП) выбирается, исходя из соотношения К<1?, где И-длина пробега а-частицы; и др.

Также описываются проблемы электрометрии - измерения токов малой величины (менее 10"9А) и точностные параметры альфатронов,определяемые аппаратурной погрешностью, влиянием флуктуаций ионизационного тока и особенно заменой истиной зависимости I(р) на линейную часть характеристики 1(Р).

В конце главы сформулированы задачи дальнейшего исследования. Во второй главе рассматриваются современные представления о процессах электропереноса в частично ионизированных ГС, лежащие в основе работы и расчета ИП.

Проводикоси ГС представляет собой сланный динамический процесс, который в случае псхтзкий ионизационной камеры, Ихевкк в;ц: плоско-

У

го конденсатора, может быть описан системой дифференциальных уравнений типа:

f d dzm N - а П1П2 « -|ii - (ni E) - Di -

<

dx dx*

d d2n2

N - « П1П2 - Д2 - (П2 E) - Ü2 - (1)

<

dE

4 я q (ni - П2) = -

dx dx2

dx

dnl dn2 ] = ч [ Е (щ Щ + Д2 П2) - 01--02 - ].

dx dx

Здесь N - мощность ионизатора; пь пг - концентрации положительных и отрицательных зарядов; щ, дг - подвижности простейших электрических зарядов,01 и Ог - их коэффициенты диффузии; а^ - коэффициент рекомбинации заряженных частиц и величина их элементарного заряда; Е,з -напряжённость электрического поля и плотность ионизационного тока в разрядном промежутке.

В литературе существует большое количество различных эмпирических, полуэмпирических выражений, сконструированных многими авторами, в той или иной степени решающие эту систему уравнений. К ним относятся:

П1 = П9 ( N/01 )1/г; ]-ЯпЕ(щ- цг), I (б2 - 1 )1/2

— = - , (2)

1Н б2 агсЬгСб2 - 1) I = 1н С 1 - а/и ) и т.д., где б-параметр среды; а-экспериментально определяемый'коэффициент.

Но все они имеют свои недостатки, а именно, наличие в них произвольных констант, параметров,допущений, требуквдх предварительной оценки, что резко снижает область их практического применения.

Наиболее удачным решением этой системы является уравнение, связывающее основные параметры электропереноса: коэффициента рекомбина-

ции ионов се, их подвижность ц и мощность ионизатора N.

3 = N д <1 [1 - ехр(-д*Е / d |/ТГс<7] (3)

Значения перечисленных параметров оцениваются достаточно сложно и для определения их проводят специальные исследования.

Для расчета коэффициента рекомбинации а в воздухе с учетом влияния внешнего поля в некоторых работах используется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Он хоть не углубляет наших представлений о физической природе процессов рекомбинации, но обеспечивает получение достаточно точного значения коэффициента рекомбинации.

Величина мощности ионизатора N. определяет .уровень ионизационного тока в объёме ИП. В свою очередь мощность ионизатора определяется соотношением:

1 dE

N - — *- , (4)

е с1х

где е - удельная энергия образования одной пары ионов в оВ;

(1Е/с1х - потери энергии альфа-частицей на единице пути в зВ, которые определяются уравнением Бете и Блоха:

с!Е 4 я е4г12 2 гп V2

N Z In- , (5)

dX ш v2 I

где Е - энергия альфа-частицы; v и г\е - соответственно скорость и заряд её; m и е - масса и заряд электрона; N.Z.I - концентрация, атомный номер и средний потенциал ионизации атомов тормозящей среды.

Принято считать, что на начальных участках пробега а-частицы (L<<R), её ионизационная способность с некоторой погрешностью может быть принята постоянной, т.е. dE/dx=const. В результате ДЕ = const Е0 Р Дх (6)

Для более точного описания зависимости dE/dx=f(x) следует отказаться от условия L<<R и воспользоваться полным уравнением Бете и Блоха. В этом случае нахождение энергии теряемой «-частицей в объёме ИП сводится к интегрированию уравнения (5) в пределах от xi до хг

а

ДЕ(х) = -In bv2(x) dx. (7)

^Xl v2(x)

(8)

Используя аппроксимацию зависимости скорости движения альфа-частиц от пройденного расстояния в виде

у(х) = у0 (1 - Х/Ю1/П , п = 1,2,3,... интегрирование даёт систему уравнений для расчета р*2 а Р

1п Ьу02(1-х/Ю2/п^х.

ДЕ(х) = xi"

(9)

v02(l-x/R)2/n

Не трудно видеть, что зависимость ДЕ(х) полностью определяется видом функции ¥(х).

рУ2 dy 2 РУ2 In у

¥(х) =

In с

У1и

,2/п

П yiJ

,2/n

dy

(Ю)

Таким образом,использованные в работе соотношения (8-10) позволяют рассчитать величину энергии, теряемой «-частицами на произвольном участке траектории их движения, и тем самым определить уровень ионизационного тока при различных давлениях контролируемой ГС. Точность получаемых решений составляет порядка 10Х.

Такие параметры,как диапазон измеряемых давлений, линейность выходной характеристики, чувствительность и т.п.,определяются геометрическими размерами преобразователя. Исследование этого вопроса в работе проводилось с помощью математической модели разрядного промежутка. Для вычисления среднего' пробега <Дх> альфа-частиц в объёме ИП и теряемой ими при этом энергии <ДЕ> используется метод статистических испытаний, в предположении, что координаты и углы вылета альфа-частиц равномерно распределены в некоторых интервалах.

1 п 1 п

< Дх > =—ЕДх(1); < ДЕ > =—ЕДЕ(1). (11) п 1-1 п 1"п

При значениях п более 1000 точность результатов достигает 1%.

Т.о. изложенные выше теоретические представления" позволяют провести полный расчет ИП, определить основные его параметры:

- диапазон измеряемых давлений;

- чувствительность ИП к изменению давления;

- линейность рабочей характеристики;

- основные геометрические размеры преобразователя;

- гг -

- мощность радиоактивного элемента и др.. Третья глава посвящена исследованию работы однокамерного ИП в различных режимах детектирования (давления,температуры,влажности), расчету рабочих характеристик ИП с помощью его математической модели (ММ) и сопоставлению их с экспериментально полученными.

При исследовании работы преобразователя в режиме детектирования давления зависимости ионизационного тока от величины приложенного напряжения I(и) и от давления ГС I(Р) определялись с помощью ММ. Величина ионизационного тока находится по соотношению

1(и,Р) = Ы(Р)чс1[1 - ехр(-д(Р)*и/а МР)*«(Р) )] (12) где а*Р0*1?о

ДЕ(х) =-¥(х) , И(Р) = ДЕ(х)*А/г (13)

Vo2

Для облегчения расчетов представленные соотношения были заменены, аппроксимирующим их уравнением, впервые приведенного Пантюховым С.Т.

А*Е0 /X х2 х3

1Н = 0.8*д

+ 0.2*--0.2*-

(14)

I? И2 !?3 •

Далее в работе оценивается влияние температуры ГС на величину тока и на вид характеристик однокамерного ИП 1(Р),1(и), считая,что И(Т) = к[(1-х/Рт)1/э1п се2/3(1-х/Рт)-1п се2/3] (15) Р0 Ко Т

где Кг =-* — ,

Р То

длина пробега альфа-частицы при нормальных условиях; 1?т- длина пробега альфа-частицы в условиях рассматриваемого опыта. Так было показано,что при сильном охлаждении преобразователя, особенно при повышенных давлениях, камера может выйти из режима насыщения и потерять линейность своей рабочей характеристики.

Исследуя работу ИП в режиме детектирования влажнЬсти ГС в работе кратко излагаются механизмы изменения ионизационного тока с ростом влажности ГС. Эти механизмы основании на изменении поперечного сечения, взаимодействии ионов с молекулами ГС, изменении подвижности носителей электрического заряда и др. Но все они оказываются довольно сложными, обладают узким диапазоном детектирования и т.д.

Говоря о зависимости тока от влажности ГС, важно оценить величину изменения ионизационного тока преобразователя за счет изменения подвижности ионов с ростом влагосодержания ГС. С этой целью в работе используется уравнение Ланжевена

д - 13,876 / (16)

где М-масса иона;

й-среднее значение поляризуемости , которое находится как ОС = ( £ - 1 )/4 Я п, где е-диэлектрическая проницаемость влажного воздуха;

п-число поляризующихся молекул воздуха в единице объёма. Проведенные исследования показали, что подвижность элементарного иона с ростом относительной влажности ГС убывает практически по линейному закону. При изменении относительной влажности воздуха на 100% подвижность иона уменьшается всего на 10?..

Таким образом, описание влагометрических характеристик ИП с помощью усредненных параметров, характеризующих подвижность ионов во влажной среде, дает не только представление о механизме изменения ионизационного тока с ростом влагосодержания ГС, но и позволяет оценить устойчивость рабочих характеристик ИП к изменению влажности контролируемой среды.

Для экспериментального исследования рабочих характеристик ИЭД в, различных газообразных средах в широком диапазоне давлений и температур была разработана экспериментальная установка, с помощью которой проведено экспериментальное изучение зависимостей 1(Р) - рис.1, ци)-рис.2 и т.д.

го

ю

I(отн.ел ) //У _ ■ ^ N 4 3

4 / у 2 - - I

600

1000 1500

2000

Р itv.PT ст.

3»1р10А/см 3

---- г I

100 200 300 1ЯВ)

1.2,3 - Р - (200, 500, 1000) мк.рт.ст.

Рис.2.

Статистическая обработка результатов измерения давления с помощью однокамерного преобразователя показала, что:

- случайная погрешность отдельных результатов измерения составляет 2-3% при доверительной вероятности 0,95;

- среднее арифметическое значение случайной погрешности результатов измерений порядка 0,4% и не зависит от диапазона измерений;

- для обеспечения необходимого соотношения между систематической ошибкой и средним арифметическим значением случайной погрешности необходимо произвести около семи измерений.

Сопоставление теоретически полученных результатов с результатами экспериментального исследования однокамерного ИП говорит о хорошем их согласии не только в качественном,но и в количественном отношении.

В четвертой главе приводятся результаты исследования повышения чувствительности преобразователя к изменению контролируемого параметра ГС, расширения диапазона измеряемых давлений. Предлагается принципиально новая конструкция «-Щ, отличительной особенностью которой является повышенная чувствительность и значительно пониженный уровень фонового тока. Проводится расчет зависимости ионизационного тока от давления для ИП с несколькими рабочими объёмами. Оценено влияние геометрических параметров преобразователя на вид его рабочих характеристик, а также эффективность параметров разработанного й-Щ.

В работе было проведено исследование зависимости ионизационных потерь энергии й-частицами от давления и пройденного ими пути,причем, критерием чувствительности ионизационных потерь й-частицы к изменению давления на различных участках её траектории служит величина ¥(х,Р)

¥(х.Р) = [a/v02(l-xP/R0Po)bCln bv02(l-xP/R0Po)- 1] (17) Изменяя давление в пределах од- Таблица 1

ного рабочего диапазона, изменяется и чувствительность преобразователя, что не может не сказаться на линейность рабочей характеристики, а следовательно, на точностных параметрах.

Результаты расчета изменения относительной чувствительно-

N п/п Р мм.рт.ст ?(х,Р)/¥(х,Р=50)

L=1cm L=2cm L=3cm

1 50 1,000 1,000 1.000

2 100 1.018 1.039 1.061

3 150 1.038 1.082 1.131

4 200 1.059 1.128 1.210

5 250 1.080 1.179 1.300

6 300 1.103 1.234 1.410

сти внутри одного рабочего диапазона приведены в табл. 1., из которой видно, что при уменьшении расстояния, проходимого альфа-частицей в рабочем объёме преобразователя, стабильность работы и чувствительность значительно повышаются.

Конструкция разрабатываемого преобразователя должна обеспечивать:

- эффективность использования энергии «-излучения-,

- линейность рабочей характеристики;

- получение наибольшего объёма информации о давлении ГС;

- равномерности электрического поля в рабочем объёме ИП и др. Более полно этим требованиям отвечает, предложенная в работе, конструкция многоэлектродной ионизационной камеры с расщепленным анодом, расчетная схема которого приведена на рис.3.

пишппиип/пиппп/п

4

V \ XI / Из—

й—

Рис.3, где 1- источник альфа-излучения с цилиндрической излучающей поверхностью;

2 - расщепленный анод;

3 - коллектор; 4 - ме-4 таллический герметич-.

ный корпус.

/////////////////////////////// Такая конструкция ИП соединяет в себе как бы две ионизационные камеры, каждая из которых имеет рабочее расстояние В результате нестабильность чувствительности преобразователя к изменению давления внутри одного объёма удается свести к минимуму, т.к., потери энергии «-частицами на единице пути могут быть приняты постоянными.

Обе камеры работают практически параллельно на один общий коллектор, поэтому все «-частицы проходят в объёме ИП расстояние 2Ь, что увеличивает эффективность работы ионизационной камеры почти в 2 раза. Наличие заземленного металлического корпуса ИП позволяет организовать еще один вспомогательный объём с достаточно высокой напряженностью электрического поля. Он служит для собирания вторичных электронов выбиваемых из металлического корпуса преобразователя а-частицами.

Предлагаемая система двух рабочих и одного вспомогательного объемов в разработанном ИП обеспечивает повышенную чувствительность его

- № -

к изменению давления, позволяет значительно понизить уровень фонового тока и уменьшить флуктуации ионизационного тока, несущего основную информацию о плотности контролируемой ГС.

Расчет зависимости ионизационного тока от давления для предложенной конструкции выполняется с помощью ММ, в основу которой положенно уравнение Бете и Блоха и аппроксимация типа Гейгера для зависимости у(х). В результате величина тока насыщения может быть найдена из соотношения:

1н=(А/£)*ч*0.8*Ео*Хср./1?. (18)

Воспользовавшись моделированием пути пробега «-частицы в объёме преобразователя в работе удалось определить оптимальные размеры предлагаемой конструкции и влияние их на вид рабочих характеристик ИП. Результаты машинного эксперимента, приведенные в таблицах 2, 3 и рис. 4, 5 показывают, что зависимости 1(Р) при определенных значениях длины и радиуса ионизационной каморы теряот линойность своей рабочей характеристики. Таблица 2

6/2(см) 1/2(см) Хпр(см) ХСР(см) гз

А 1.5 1.5 2.12 1.69 »

В -"- 3.0 3.35 1.97 13

С -"- 4.0 4.27 1.99

0 -"- 5.0 5.22 2.17 ю

Е -"- 7.5 7.65 2.60

р 10.0 10.10 2.67 3

б -"- 15.0 15.08 3.15

Таблица 3

100 400

рис.4

МО мь| ,т гг

(1/2 (СМ) 1У2(см) Хпр(см) ХСр(СМ)

А 0.5 '5 5.025 1.043

В 1.0 5.099 1.829

С 1.5 _ ||_ 5.22 2.220

Б 2.0 _ н_ 5.385 2.824

Е 3.0 _ ||_ 5.831 3.863

Р 5.0 _ н_ 7.071 5.558

6 7.5 9.014 8.045

100 _ " 400 Рис.5

Таким образом рассмотренная ММ ИП позволяет не только оценить влияние геометрических параметров на рабочие характеристики, но и оценить величину рабочего диапазона давлений.

Конструкция разработанного сс-Щ и его экспериментальные рабочие характеристики представлены на рис.6 и рис.7.

Рис.6

ю

•I.»

7 - •' А А

*

Г Л Шз \ftfi 70В

т

г

»• ю'

»' 10' Рис.7

Исследуя метрологические параметры сс-ИПД было установленного:

- максимально возможная чувствительность преобразователя при нормальном давлении составила 5*Ю~12А/мм.рт.ст.;

- максимально возможная погрешность , с учетом внешних влияющих факторов (температуры ,влажности,химического состава ГС и т.д.), определяется, как

п

5мах = 50сн.+ 2 64, доп. I (19) 1-1

1о* ю' р.Па и составила не более 0,87М7., что почти на порядок лучше существующих вакууметров, работающих в этом же диапазоне давлений. В пятой главе рассматривается работа й-ИПД в составе комплекта электронной манометрической аппаратуры КЭМА, предназначенного для контроля давления атмосферы.

Здесь в основном представлены результаты по исследованию «-КЗМА,

отличающиеся от КЭМА заменой первичных преобразователей ПМИ-45, ПШ-47 на й-ИПД. В результате такой замены удается обеспечить следующие параметры электронной системы:

- диапазон измеряемых давлений 5-0,1 мм.рт.ст.;

- пределы изменения выходного напряжения 0-6 В;

- пределы изменения ионизационного тока 1*10"И-1*10"12А;

- погрешность ивмерения не хуже

Для подтверждения метрологических характеристик разработанного й-КЭМА, были проведены исследования его в специализированной лаборатории центрального аэрогидродинамического института имени проф.Н.Е.Жуковского (ЦАГИ).

Семь комплектов й-КЭМА были поставлены на испытания, которые проводились с помощью вакуумного градуировочного стенда ВГС в диапазонах давлений 0,5-5 мм.рт.ст.. В результате проведенных исследований удалось подтвердить линейность рабочих характеристик всех поверенных й-ионизационных преобразователей, при этом градуировочные коэффициенты совпадают в пределах ±3%, что указывает на незначительный разброс их метрологических характеристик, обеспечивая,тем самым, стабильность инструментальной погрешности.

Таблица 4 В результате при изготовле-

нии партии таких преобразователей нет необходимости в индивидуальной тарировке отдельно взятого преобразователя, что значительно увеличивает технологичность изготовления таких преобразователей за счет исключения ряда технологических операций.

В работе также приведены результаты многократных испытаний й -КЭШ (табл.4.), свидетельствующие о хорошей повторяемости и стабильности результатов.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

Диапазон давлений мм рт.ст с, мкм.рт. ст. /В 6,7. ' N1 Дата

0.8-5 1034 0.3 0.083 10.01.92

0.8-5 1034 0.5 0.134 13.01.92

0.8-5 1047 0.12 0.148 13.01.92

0.8-5.7 1018 0.3 0.075 10.01.92

0.9-5 1025 0.7 0.055 27.12.91

0.8-5 800 0.3 0.081 05.01.92

0 - 5 793 0.5 0.044 05.01.92

0-2.6 456 1.2 0.866 14.01.92

В приложениях приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы на промышленных предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа существующих конструктивных решений и теоретических представлений о работе альфатронов проведено экспериментальное и теоретическое исследование ионизационных способов измерения пониженных давлений, что позволило предложить принципиально новую конструкцию ос-ИЦД. Особенностью этой конструкции является наличие расщепленного анода в сочетании с двумя рабочими объёмами, имеющими общий коллектор, в результате чего удалось значительно снизить уровень фонового тока и заметно ослабить флуктуации ионизационного тока в рабочих объёмах преобразователя. Предложенный преобразователь отличается простотой конструкции, стабильностью рабочих и метрологических характеристик и слабой зависимостью потерь энергии альфа-частиц от пройденного расстояния в объёме преобразователя.

Разработанная математическая модель исследуемого преобразователя позволила провести анализ влияния геометрических параметров данного преобразователя на его рабочие и метрологические характеристики, а также оценить величину рабочего диапазона давлений.

Было установлено, что работая в диапазоне давлений 0,01-100 мм.рт.ст., предлагаемый в работе преобразователь, имеет максимальную чувствительность (5*10~12 А/мм.рт.ст.) и обеспечивает точность измерения контролируемого параметра порядка 1%, что на порядок лучше существующих вакууметров, работающих в этом же диапазоне давлений. .

Приведены результаты градуировок опытной серии образцов, разработанного альфа-ионизационного преобразователя, на вакуумном градуи-ровочном стенде (ВГС) в ЦАГИ им.Шуковского. Результаты градуировки показали, что точность практически всех экспериментальных преобразователей не хуже 17., причем наблюдается незначительный разброс их метрологических характеристик. Поэтому при иаготошшнии партии тжих на кууметров нет необходимости в индивидуальной подстройки отдельно взятого преобразователя.

Испытания показали принципиальную пригодность разработанного ск-ИПД для измерения давления в аэродинамических трубах, что значительно расширяет область их практического применения.

Результаты данной работы нашли применение при разработке комплекса навигационной аппаратуры управления аэростатом, что позволило повысить точность определения высотного положения объекта.

Также, полученные в диссертационной работе результаты нашли применение при создании аппаратуры контроля параметров верхних слоев атмосферы на Сафоновском заводе "ГИДРОМЕТПРИБОР".

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Чернышёв В.А., Демичев В.В., Зенова Е.В. Математическая модель альфа-ионизационного преобразователя давления // Тез.докл. Всесоюзной конф. по динамике разреженных газов. Л.,1991.- С.128.

2. Чернышёв В.А., Зенова Е.В. Оценка величины горизонтального барометрического градиента с помощью измерения скорости ветра // Сб.на-учн.тр./ СФ МЭИ.- 1992.- Вып.З.- С.193-195.

З.Чернышёв В.А., Зенова Е.В. Альфа-ионизационный преобразователь давления газообразных сред // Тез.докл. Международн.конф. "Датчик-93".-Б.- 1993.- С.98.

4. Чернышёв В.А., Зенова Е.В., Демичев В.В. Вакууметры на основе альфа-ионизационного преобразователя давления // Тез.докл. III Харьковской вакуумной конф.- Харьков,1993.- С.185.

5. Зенова Е.В. Математическая модель альфа-ионизационного преобразователя давления газов // Сб.научн.тр./СФ МЭИ.-Вып.б.-1994.- С.40-42.

6. Чернышёв В.А., Зенова Е.В., Демичев В.В. Ионизационный преобразователь давления газов // Сб.научн.тр./СФ МЭИ,- Вып.б,- 1994.-С.139-141.

7. Финатьев Ю.П., Зенова Е.В. Конструктивные особенности ионизационных преобразователей давления газообразных сред (альфатронов) // Сб.научн.тр./ СФ МЭИ.- 1995.- Вып.8.- С.245-247.

8. Чернышев В.А., Зенова Е.В. Ионизационные способы контроля параметров газообразных сред (альфа-ионизационный преобразователь давления)// Тез.докл. Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов.- Томск,1996,- С.247-248.

Подписано к печати Л— ¿>/v, /6 О

Печ. л. /,&!)' Тираж № Заказ firir

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.