Диссертация (1143140), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

С учетом соотношения120PIa, где P - падающая световая мощность, Sa - анодная чувствительность ФЭУ, пороговаяSaчувствительность P0 определяется из выражения: Sa  P0 212q( Sa  P0  I da )   Tint1(3.71)Решая квадратное уравнение относительно переменной Sa  P0 , получаем выражение дляпороговой чувствительности ФЭУ с интегратором:11q q TintTintP0 Sa21  2qI da TintSa(3.72)Если возможно пренебречь дробовыми шумами сигнального тока, выражениеупрощается:P0 1Sa2qI da Tint(3.73)На рис. 3-18 представлена зависимость пороговой чувствительности от времениинтегрирования без учета дробовых шумов фототока а) и с их учетом б).Рис. 3-18. Зависимость пороговой чувствительности ФЭУа) без учета дробовых шумов фототока и б) с учетом дробовых шумовДробовые шумы ФЭУ следует учитывать при временах интегрирования, меньшихдесятых долей секунды.1213.8 Сравнение пороговой чувствительности ФПУ на основе ФЭУ и фотодиода.Пороговая чувствительность фотоприемного устройства на основе фотодиода синтегратором при времени интегрирования 1 с, как представлено на рис.

3-16, составляетзначение P0 ФД  0.9 1014 Вт.В случае использования ФЭУ пороговая чувствительность ФПУ зависит от анодногонапряжения ФЭУ. Для расчета чувствительности ФПУ на ФЭУ в выражение P0 1Sa2qI da Tintнеобходимо для различных анодных напряжений подставлять значения S a ,  и I da изграфиков рис.

3-17. Полученная зависимость для времени интегрирования 1 с представленана рис. 3-19.Рис. 3-19. Пороговая чувствительность фотоинтегратора на ФЭУ.МинимальноезначениепороговойчувствительностисоставляетзначениеP0 ФЭУ  0.48 1015 Вт при анодном напряжении 700 В. С увеличением анодного напряженияснижается время наработки ФЭУ, поэтому целесообразно несколько уменьшить анодноенапряжение по сравнению с оптимальным.

Установленное значение анодного напряжения вфотоприемном устройстве ППУ базового детектора МоЯК составляет 600 В.Таким образом, реально достижимый выигрыш по чувствительности от использованияФЭУ по сравнению с фотоинтегратором на фотодиоде составляет величину всего в 18 – 30 раз,что полностью согласуется с [149].1223.9 Выводы по Главе 31.Чувствительность к световому потоку фотоприемных устройств оптико-электронныхсистем как с регистрацией текущего значения оптического сигнала, так и с накоплениемсигнала (фотоинтеграторы), может быть определена методом эквивалентных шумовыхсхем на основе временных представлений с использованием свертки автокорреляционнойфункции и импульсной характеристики цепи.2.Достижимые значения пороговой чувствительности фотоинтеграторов ППУ составляют~10-15 Вт при использовании фотоэлектронных умножителей и ~10-14 Вт прииспользовании фотодиодов.3.ИспользованиевсоставефотоинтегратораФЭУсовместноспрецизионныммалошумящим усилителем, а также большие времена интегрирования (порядка 1 с),позволяют существенным образом упростить выражения для расчета чувствительностифотоприемного устройства ППУ газоанализатора на основе эффекта проявления МоЯК.Однако такая ситуация реализуется не во всех случаях.

Во многих практическихпримененияхППУтребуютсяпозиционно-чувствительныедатчикиоптическогоизлучения, что определяет использование в них фотодиодов. Характерное времяизмерения достигает долей миллисекунд и меньше. В этом случае для расчетачувствительности ФПУ должны использоваться выражения приближений А), Б).

Вкачестве примера можно привести позиционно-чувствительный датчик проникающегорентгеновского излучения в ППУ рентгено-абсорбционных сепараторов. Времяинтегрирования в них определяет скорость движения конвейера с минералами и непревышает значения долей миллисекунд.Материалы Главы 3 опубликованы в работах автора [A1, A7, A12, A14, A15, A18, A20, A22].123Глава 4. Радиотехнические приемно-преобразующие устройства газоанализаторов наоснове эффекта проявления молекулярных ядер конденсацииВ Главе 4 развит комплексный подход к решению задачи учета фундаментальныхограничений, определяемых ППУ газоанализаторов, к которым относятся: а) предельнаячувствительность фотоприемного устройства ППУ газоанализатора и б) рассеяниеэлектромагнитных волн оптического диапазона (светорассеяние) аэрозольными частицами ивоздухом в фотометрируемом объеме аэрозольной камеры фотометра.

Чувствительностьопределяется внутренними шумами ППУ, светорассеяние определяет величину полезногосигнала в ППУ. Таким образом, обе эти величины определяют отношение сигнал/шум в ППУоптико-электронной системы газоанализаторов на основе эффекта проявления МоЯК.ППУ оптико-электронной системы газоанализатора на основе метода МоЯК включаетфотометр и блок управления, регистрации и обработки информации (УРОИ). ППУ иконденсационные устройства (КУСТ) газоанализатора объединяются термином «детекторМоЯК». В основе метода МоЯК лежит ряд физико-химических воздействий на непрерывныйпоток газа-носителя с определяемыми примесями, в результате которых размер частицполученного аэрозоля примерно в 1000 раз превышает размер исходной молекулы [A5].Рассеивающая способность частицы аэрозоля к падающему свету увеличивается на порядки,и частица аэрозоля, в центре которой находится молекула детектируемого вещества, можетбыть обнаружена по её светорассеянию в фотометре.Научно-техническая проблема конструирования ППУ газоанализатора на основепроявления МоЯК заключается в правильном выборе источника и угла освещенияаэрозольных частиц в фотометрируемом объеме, определении параметров формируемых вконденсационных устройствах аэрозольных частиц (радиуса, показателя преломления и др.),достижении максимальной чувствительности ФПУ газоанализатора при быстродействии,определяемом самим принципом проявления МоЯК.4.1 Фотометр ППУ газоанализатора на основе эффекта проявления МоЯКРазработанная конструкция фотометра ППУ газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК представлена на рис.

4-1. Фотометр выполнен по нефелометрическойсхеме, то есть в нем измеряется рассеянное оптическое излучение под углами, отличными отнулевого значения. Поток газа-носителя (воздуха) с аэрозольными частицами поступает вкамеру нефелометра через верхнее сопло 8, освещается световым потоком от излучателя(лазера, светодиода или лампы накаливания) через тубус 9. Рассеянное излучение попадает наколлимирующую линзу 12, распространяется по световоду 13 и детектируется фотоприемнымустройством (ФПУ), расположенным под углом 40° по отношению к падающему свету.

Для124защиты от попадания на детектор паразитных засветок от достаточно мощного источникасвета, фотоприемное устройство расположено в длинном тубусе 11, а напротив излучателя ифотоприемногоустройстварасположеныловушки4сосветопоглотителями5.Фотометрируемый объем внутри камеры фотометра составляет 2∙10-6 м3, что представляетсобойзначительнуювеличинупосравнениюсфотометрамисуществующихспектроанализаторов [150]. Выходной сигнал фотоприемного устройства фотометра - ток,изменяющийся пропорционально световому потоку в пределах от 1·10-15 до 1·10-7 А. Вфотометре на выходе ФПУ интегрирующего типа формируется электрический сигнал,пропорциональный концентрации детектируемого вещества.Рис. 4-1. Малогабаритный аэрозольный фотометр.1-сопло; 2- гайка; 3- сетка; 4- ловушка; 5-светопоглотитель; 6- корпус; 7- штуцер;8- конус; 9- тубус; 10- шторка; 11- тубус ФПУ; 12- линза; 13- световод;14- соединитель; 15- фотоприемное устройствоКонцентрация молекул аэрозоля связана с фототоком J=n·j, где J - фототок нефелометра,n - счетная концентрация (число частиц в единице объёма) аэрозольных частиц, полученныхна ядрах конденсации, см-3, j - фототок светорассеяния аэрозольных частиц с концентрацией1 см-3.

В свою очередь счетная концентрация частиц аэрозоля n связана со счетнойконцентрацией молекул примесей m через коэффициент потерь A  a1  a2  a3 , где A безразмерный коэффициент, численно равный доле всех молекул примеси, превращённых ваэрозольные частицы (или общий коэффициент проявления),a1- выход реакцииконвертирования, a2 - коэффициент доставки молекулярных ядер конденсации в зонупроявления, a3 - истинный коэффициент проявления, равный вероятности образованияаэрозольной частицы на ядре конденсации, достигшем зоны проявления. Таким образом,минимальная измеряемая счетная концентрация проявленных ядер конденсации nmin , см-3связана с минимальной измеряемой счетной концентрацией молекул примеси mmin , см-3125соотношением nmin  a1  a2  a3  mmin .

Достижимые значения коэффициентов a1  0.5 , a2  0.1 ,a3  1 .Для регистрации МоЯК необходимы столь высокие пересыщения проявляющеговещества, что при оптимальном режиме проявления МоЯК возникает фон спонтаннойнуклеации nсп. Процессы образования частиц аэрозоля в пересыщенном паре в результатеспонтанной нуклеации (фон) и инициированной нуклеации на ядрах конденсации имеютсхожий характер и связаны с преодолением энергетического барьера.

Скорость обоихпроцессов возрастает с ростом пересыщения, при этом максимальной величине отношениясигнала (т.е. концентрации аэрозольных частиц, выросших на ядрах конденсации) к фону (т.е.концентрации спонтанно образовавшихся аэрозольных частиц) соответствует некийоптимальный уровень пересыщения и фона спонтанной нуклеации. В работе [A9] показано,что nmin ≤ 6·102 см-3, а минимальная массовая концентрация примеси составляет ~ 10-13 мг/л,что существенно превосходит чувствительность всех известных хроматографическихдетекторов.В работе [151] исследования конденсационного укрупнения аэрозольных частицвыявили количественные закономерности этого процесса.

Характеристики

Список файлов диссертации