Гальванокінетичні перетворювачі

Гальванокінетичні перетворювачі грунтуються на вико­ристанні кінетичної енергії руху зарядженої частинки (елек­трона чи іона) в деякому замкнутому просторі. Для утво­рення потоку таких частинок використовують явища авто-, термо- та фотоелектронної емісій, а також ударної іоніза­ції та термоіонної емісії. Керування кінетичною енергією, інтенсивністю та траєкторією руху частинок здійснюється електростатичним та магнітним полями. Залежно від при­значення перетворювачів, приймачами електронних та іонних потоків можуть бути різноманітні пристрої, що реа­гують на інтенсивність цих потоків, лічильники або засоби спостереження (електронно-променевої трубки).

Гальванокінетичні перетворювачі можна поділити на безінерційні та інерційні. У перших траєкторія руху ча­стинок визначається лише їх зарядом, в других вона зале­жить від співвідношення між масою і зарядом частинок. Отже, керуючи траєкторією руху частинки та вимірюючи

параметри цієї траєкторії, можна знайти заряд і масу ча­стинки, а за інтенсивністю їх потоку — кількісний вміст в даній речовині. Ці принципи використовують також у перетворювачах для фізико-хімічного аналізу речовин — мас-спектрометрах.

Принцип дії мас-спектрометра полягає в тому, що атоми чи молекули досліджуваних речовин спочатку іонізують, потім іони прискорюють у електричному полі й змушують рухатись по різних траєкторіях, залежно від їх маси. Ос­новним перетворенням у мас-спектрометрі є розподіл іонів за масами з допомогою аналізатора мас. Принцип розподілу іонних пучків грунтується на тому, що в рівномірному по­перечному магнітному полі, перпендикулярному до напряму швидкості руху частинок, іони різних мас рухатимуться по колових траєкторіях з різними радіусами. Оскільки сили Лоренца і доцентрова однакові, то радіус траєкторії руху іона визначається як

де т — маса іона; v — його швидкість; е—заряд іона; В — індукція керуючого магнітного поля.

Швидкість іона визначається дією прискорюючої напруги U і дорівнює v = √2еи/т, тоді

Цей вираз —основна функція перетворення мас-спектро­метра.

Залежно від принципу розподілу іонів за масами, мас-спектрометри є з однорідним або неоднорідним магнітним полем, з розподілом іонів за часом польоту (часпрольотні) та радіочастотні. Перші два види мас-спектрометрів нази­вають статичними, інші —динамічними.

До складу мас-спектрометра входить також приймаль­ний пристрій, у якому вимірюють іонні струми окремих масових компонент. На приймач (колектор) іонів почер­гово скеровують іонні пучки всіх мас. Іонні струми, виміряні після відповідного підсилення, є мірою вмісту цих чи інших компонентів в досліджуваному зразку.

Атомні перетворювачі

Перетворювачі іонізуючого випро­мінювання. До цієї групи належать такі перетво­рювачі, в яких вихідна електрична величина функціонально-зв'язана з інтенсивністю іонізуючого випромінювання, їх застосовують для вимірювання потужності радіоактивних джерел випромінювання, забрудненості речовин радіо­активними препаратами, для вимірювань кількості та місця знаходження мічених атомів, а також для вимірю­вання неелектричних величин, функціонально зв'язаних з радіоактивним випромінюванням та його іонізуючою дією.

У вимірювальних перетворювачах використовуються різ­ні види іонізуючого випромінювання. Це а- β- та γ- промені, нейтронне та рентгенівське випромінювання. Джерелами таких випромінювань є природні та штучні радіоактивні ізотопи та рентгенівські трубки. Основними параметрами, що характеризують іонізуюче випромінювання, є актив­ність джерела, інтенсивність та доза випромінювання.

Радіоактивні а- і (3-частинки, а також у- та рентгенівські кванти характеризуються повною енергією випромінювання в мегаелектровольтах (МеВ). Кількість енергії, що прохо­дить за одиницю часу через перпендикулярну до напрямку потоку частинок поверхню, називають інтенсивністю ви­промінювання.

Приймачами іонізуючого випромінювання є іонізуючі камери, газорозрядні та сцинтиляційні лічильники. Прин­цип дії останніх грунтується на утворенні в деяких речови­нах під дією іонізуючого випромінювання слабких світло­вих спалахів-сцинтиляцій.

Перетворювачі іонізуючого випромінювання застосову­ють для вимірювання рівня рідини, товщини та покриття матеріалу, тиску газу, вакууму, густини речовин та інших величин.

Квантові перетворювачі грунтуються на використанні ядерних та електронних резонансних явищ, до яких належать ядерний магнітний резонанс (ЯМР),. електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) та ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР). Перші два види резонансу розглядали при вивченні вимірювальних перетворювачів магнітних величин, їх також застосовують і для вимірю­вань неелектричних величин, особливо при аналізі фізико-хімічного складу речовин.

Розглянемо явище ядерного квадрупольногорезонансу. Атомні ядра, в яких спін більший за ¹/₂, крім магнітного дипольного моменту, мають також електричний квадру-польний момент, який зумовлений відхиленням розподілу електричних зарядів ядер від сферичної симетрії. Такі ядра взаємодіють з електричним полем електронних оболо­нок молекул, тому виникає орієнтація ядерних спінів. Електрична квадрупольна взаємодія особливо сильна у кристалічних речовинах, у яких внутрішнє електричне поле утворює чітко виражені енергетичні рівні орієнтації ядер.

Якщо на зразок такого матеріалу подіяти високочастот­ним полем, частота якого дорівнює частоті переходів між енергетичними рівнями, то з коливального контура погли­натиметься високочастотна енергія. Методи спостереження квадрупольного резонансу такі самі, як і магнітного резонансу.

Частота квадрупольного резонансу визначається як

де Q_K—квадрупольний момент ядра; <р — градієнт внут­рішнього електричного поля молекули в місці перебу­вання ядра; е — заряд електрона; h — стала Планка.

Градієнт електричного поля молекул залежить від тем­ператури речовини, що зумовлює залежність частоти квад­рупольного резонансу від температури. Оскільки залеж­ність частоти квадрупольного резонансу від температури визначається тільки молекулярними властивостями речо­вин, то ця залежність незмінна для даної хімічної сполуки. На цьому принципі будують ЯКР-термометри.

Основною перевагою ЯКР-термометрів є високі чутли­вість, відтворюваність і стабільність функції перетворю­вання, а недоліком—значна нелінійність функції перетво­рення.

Для виготовлення ЯКР-перетворювачів температури найчастіше використовують хімічно чистий гранульований КСЮ₃, у якого сильно виявлений квадрупольний резонанс ядер хлору. Діапазон перетворюваних температур такого перетворювача дорівнює 10—300 К- Частота квадруполь­ного резонансу ядер СІ³⁵ в КС1О₃ при температурі 273 К /_](0 = 28 213 324 =± 10 Гц, чутливість —4,8 кГц/К, а по­хибка перетворення не перевищує ±O,002 K.