книги из ГПНТБ / Мяздриков О.Я. Дифференциальные методы гранулометрии

щается полпДисперсная система, подлежащая грануло­ метрическому анализу, и на электроды подается напря­ жение порядка нескольких киловольт. Частицы приходят в непрерывное движение, п от каждой частицы при ее разрядке на сопротивлении нагрузки Rn возникает им­ пульс напряжения. Эти импульсы подаются на усилитель 2 и после усиления на амплитудный одноканальный ана­ лизатор. Устанавливая постоянную ширину «окна» и ме­ няя порог дискриминации, получим дифференциальную кривую распределения амплитуд импульсов напряжения; регистрируя число импульсов при каждом значении по­ рога дискриминации в течение некоторого интервала времени, определим зависимость

квадратного корня из порога дискриминации. Это обяза­ тельно, т. к. радиус сферической частицы пропорционален

В рассматриваемом случае соответствующие зави­ симости, полученные для сферической модели, перено­ сятся на частицы произвольной формы. Это решение обосновывается тем, что площадь поверхности объем­ ного тела является функцией его измерений по трем координатам. Следовательно, импульсный метод харак­ теризует частицу в трех измерениях. За такую характе­ ризующую величину и может быть принят радиус г\ эк­ вивалентного шара.

90

В общем случае амплитудный анализ можно выпол­ нять при различных значениях коэффициентов усиления. Требуемое значение коэффициента усиления определя­ ется диапазоном размеров частиц в данной полидисперс­ ной системе и характеристиками амплитудного анализа­ тора.

В соответствии с принципом работы дифференциаль­ ного анализатора очевидно соотношение

ных величинах. Эта градуировка может быть осуществ­ лена экспериментально. Порядок такой градуировки очевиден и вытекает из формулы (164). Действительно, функциональное преобразование амплитуды сигнала в соответствии с выражением (164) приводит к линейной' шкале размеров, поэтому достаточно найти положение только одной точки на этой шкале, т. е. определить, ка­ кому порогу дискриминации будет соответствовать им­ пульсный сигнал от единичной сферической частицы данного известного радиуса. Изменение положения этой

при достаточно большом числе частиц в анализируемой пробе производить измерение при каждом пороге ди­ скриминации можно в течение одного и того же периода времени At. В противном случае оказывается необходи-

91

мым повторить результат анализа некоторое число раз, возвращая при этом проанализированные частицы в исходное положение.

Оценим величину нижнего порога регистрируемых значении электрического радиуса /'mmПри этой оценке

боте). Далее примем, что первым рабочим каналом яв­ ляется канал с уровнем дискриминации UR—5 В. При минимальной ширине «окна» 1 В дальнейшее снижение уровня дискриминации нецелесообразно ввиду опреде­

зультат удовлетворительно согласуется с экспериментом, в котором рассмотренная конструкция датчика позволи­ ла анализировать частицы от 50 мкм и выше. За счет усовершенствования электронной части схемы этот

носительной погрешности б,- преобразования размера в амплитуду импульса напряжения. Эксперименты пока­ зывают, что эта погрешность связана с колебанием зна­ чения г) для реальной частицы — частицы неправильной формы. Величина колебаний достигает 30—50%- Тогда на основании формулы (164) будем иметь

(166)

г— 2 1 1

откуда б , — ± (15-^-25) % • Такой результат более чем удовлетворителен, однако основным критерием должен служить нижний предел уверенно регистрируемых раз­ меров. Он, как указывалось, не превышает 50 мкм.

3. ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК

При достаточно больших скоростях макрозаряда применяют датчик, основанный на формировании вы­ ходного импульса без контакта частицы с измеритель-

92

ным электродом. В этом случае используется импульс уравнительного тока, который н возбуждает эквивалент­ ный контур R3C3 (см. рис. 23). Величина уравнительного тока, согласно формуле (127), пропорциональна произ­ ведению заряда частицы на ее скорость, которая при прочих равных условиях определяется отношением за­ ряда к массе. Следовательно, основным элементом лю­ бого устройства является элемент, позволяющий макси­ мально увеличить величину заряда Q. Известно, что для сферической частицы связь между ее зарядом Q и на­ пряженностью поля Е на ее поверхности определяется выражением-

эмиссией с поверхности частицы. Этому процессу будет

этим требованиям, однако по-видимому, наиболее совер­ шенным следует признать решение1 , найденное В. И. Бе­

полости, в которую помещаются частицы 5. Под действи­ ем разности потенциалов £/д частицы приходят в авто­ колебательный режим движения и в тороидальной по­ лости создается облако частиц. Постепенно эти частицы по каналу 6 поступают на острие заряжающего элект­ рода 4. Заряжающий электрод в виде вольфрамовой иглы пли сферы на ножке расположен в центре полу­ сферы. Из потока частиц, поступающих по каналу 6, отдельные частицы по каналу 7 попадают в область ус­

93

мости от поставленной задачи после ускорения частицы регистрируются одним пли двумя индукционными коль­ цами 9. Вариант с двумя индукционными кольцами по­

контактирует со сферой радиуса R, которая находится под потенциалом 0, и поэтому величина заряда Q пер­

нашел свое применение в некоторых специальных физи­ ческих исследованиях, в частности, при имитации пото­ ков микрометеоров. Действительно, если известна плот­ ность материала частиц р, то, определив эквивалентный

94

рость частицы. С помощью индукционного датчика мож­ но определить энергию частиц. В связи с этим необхо­ димо отметить, что полная энергия частицы складывает­ ся из кинетической энергии WK и потенциальной энергии Win электростатического поля частицы. Если частицы и заряжаются и ускоряются одной и той же разностью потенциалов U, то для WK и W„ получим:

1% от общей энергии частицы, поэтому ею в общем ба­ лансе можно пренебречь.

В заключение необходимо отметить, что отличитель­ ной особенностью импульсного метода является возмож­ ность осуществления анализа ряда параметров непосред­ ственно на траектории частицы. IT именно как метод для научных исследовании в области высокоскоростных ча­ стиц, он вряд ли имеет себе конкурентов.

Давая общую оценку импульсного метода преобразо­ вания размера в электрический сигнал, следует отметить невозможность его применения для размеров частиц ме­ нее 40 мкм; вариант с индукционными цилиндрами свя­ зан с весьма сложной аппаратурой. По-видимому, не велики возможности его дальнейшего усовершенствова­ ния. Так, в любом варианте конструкции устройства, в котором информация создается в результате контакт­ ной разрядки частиц, неизбежно возникновение микроискрении. Мнкропскреиие — это источник сигнала поме­ хи, который не может быть полностью исключен ни соз­ данием вакуума, ни введением в рабочий объем датчика газовой среды с повышенной электрической прочностью (шестифтористой серы или фреона даже при давлениях выше атмосферного). Существенно заметить, что если амплитуда полезного сигнала уменьшается пропорцио­ нально квадрату радиуса частицы, то сигнал шума это­ му закону не подчиняется и отношение сигнал/шум воз­ растает с уменьшением размера.

Ограничивающим фактором применения является и то, что импульсные усилители устойчивы до значений коэффициента усиления порядка 104. При больших зна­ чениях усилитель сам начинает шуметь. Правда, прини-

95

мая специальные меры, можно довести коэффициент усиления до 105 и более, но надо учитывать, что это ма­ лоэффективно, так как увеличение коэффициента усиле­ ния в пределах одного порядка обеспечивает понижение минимально регистрируемого размера всего в 3 раза.

Попыткой разрешить эти противоречия и избежать некоторых недостатков рассмотренного метода и явилась разработка импульсного метода с оптической развязкой.

Принцип оптической развязки предполагает преобразо­ вание информации о размере в световую вспышку, яр­ кость которой однозначно связана с размером регистри­ руемой частицы. Этот принцип позволяет значительно снизить влияние электромагнитной помехи и, что особен­ но важно, реализовать исключительные возможности фо­ тоэлектронных умножителей, для которых значение ко­ эффициента усиления по току достигает 109, а уровень собственных шумов достаточно мал. За счет специаль­ ных мер, например, охлаждения фотокатода, уровень собственных шумов может быть понижен еще на не­

няющегося электрического поля [40]. Эффект электро­ люминесценции отличен от эффекта электрофотолюми­ несценции, под которым понимают возникновение свечения в люминофоре при одновременном действии ультрафиолетового излучения и электрического поля.

Процесс электролюминесценции возможен как в кри­ сталле, так и в суспензии фосфора в каком-либо диэлек­ трике. В последнем случае получаем так называемый

96

электролюмпнесцентный конденсатор, схема которого приведена па рис. 27.

Электролюминесценция слоя люминофора является первичным эффектом. Закон зависимости яркости В электролюминесценции от приложенного напряжения U удовлетворительно описывается эмпирической формулой

Здесь a, b и U0 — постоянные, определяемые экспери­ ментально.

Точной теории, описывающей характер зависимости яркости В от величины приложенного напряжения, не существует. Некоторые стороны явления электролюми­ несценции объясняются достаточно удовлетворительно. Практически все теории исходят из следующей схемы возбуждения центров свечения в кристалле: ускоренный полем электрон и центр свечения — замедленный элект­ рон и возбужденный центр свечения.

В соответствии с представлениями классической тео­ рии электрон зоны проводимости приобретает необходи­ мую для возбуждения центров свечения энергию за счет ускорения внешним электрическим полем на длине свое­ го свободного пробега I. Энергию электрона, необходи­ мую для возбуждения центра свечения с глубиной hv, можно определить из соотношения

где /—-длина свободного пробега электрона;

е—заряд электрона; Е— напряженность электрического поля.

Вероятность прохождения электроном этого пути оп­ ределяется известной формулой статистической физики:

зависимости (171).

Если учесть, что длина свободного пробега примерно равна 1,8-10-6 см, а энергия кванта видимого света со­

димому, может быть объяснено наличием локальных об­ ластей или точек на поверхности кристалла фосфора, в которых напряженность электрического поля в несколько раз превышает ее среднее значение. Напряженность электрического • поля в этих локальных областях будет тем выше, чем больше значение диэлектрической прони­ цаемости фосфора в сравнении с диэлектрической про­ ницаемостью диэлектрика, в котором данный фосфор распределен.

Наибольшей чувствительностью к возбуждению пе­ ременным полем обладают фосфоры на основе сернисто­ го цинка с примесью окиси цинка. Данные по чувстви­ тельности такого фосфора в зависимости от процентного содержания окиси цинка приведены ниже:

98

Из этих данных следует, что чистая окись цинка зна­ чительно чувствительнее чистого сернистого цинка. Од­ нако яркость ее свечения незначительна.

Как интенсивность, так и цвет электролюминесцен­ ции зависят от технологии приготовления фосфора, до­ бавок активаторов и соактпваторов. Так, зеленое свече­

2- Ю - 2 моль - 1 . Эти данные показывают, что современная технология изготовления электролюминесцентных мате­ риалов позволяет получить спектральный состав излуче­ ния, хорошо согласующийся с максимумом спектраль­ ной чувствительности фотоэлектрических устройств и, в частности, фотоумножителей.

Установлено, что спектральные распределения элект­ ролюминесценции обладают тремя полосами излучения, относительная интенсивность которых определяет отте­

ты изменения электрического поля, причем зависимость от частоты для различных спектральных участков раз­ лична.

Известна аналитическая аппроксимация этой зависи­

а— коэффициент рекомбинации биполярного про­ цесса.

Выражение (176) получено из предположения, что све­ чение электролюминесценции возникает при рекомбпна-