книги из ГПНТБ / Рождественская Т.Б. Аппаратура для точного измерения больших сопротивлений, малых постоянных токов и методы ее поверки

6) погрешность воспроизведения значения выходного тока меры в указанном диапазоне не должна превышать ± 0 , 5 % ;

7)камеры должны иметь электростатический экран для защиты от внешних полей;

8)расстояние между электродами камеры должно соот­ ветствовать длине пробега частиц выбранного изотопа в'воз­ духе.

Часть перечисленных требований (пп. 7, 8) обеспечивает­ ся соответствующим конструктивным решением, а выполне­

разно иметь как набор мер, каждая из которых обеспечивает одно фиксированное значение выходного тока, так и регули­ руемые меры, в которых осуществлялись бы и дискретная, и плавная регулировки выходного тока [7]. Остановимся внача­ ле на мерах с фиксированным значением. В качестве радио­ активных веществ в них могут быть использованы плуто- ний-239, углерод-14, америций-241.

В пользу применения плутония-239 говорят следующие по­ ложения:

период полураспада плутония составляет 24400 лет, сле­ довательно, в течение срока службы меры уменьшение коли­ чества радиоактивного вещества не должно сказаться на ра­ боте меры;

плутоний излучает наиболее однородный по своим энерги­

в воздухе составляет приблизительно 4 см; кроме того, излу­ чение полностью поглощается тонким экраном;

а-излучатели из плутония-239 обладают высокой стабиль­ ностью своих характеристик [18].

К недостаткам мер, основанных на использовании плуто­ ния-239, относится необходимость применения сравнительно больших напряжений, прикладываемых к одному из электро­ дов для достижения режима насыщения.

Известно, что режим насыщения ионизационных камер может быть достигнут при различных напряжениях на высо­ ковольтном электроде и различных расстояниях между элект­ родами. При этом кривая начального участка вольт-амперной

109

характеристики имеет больший или меньший угол наклона относительно оси X. При использовании ионизационной ка­ меры только в режиме насыщения желательно достигать по­

оси X. Использование же начального участка вольт-амперной характеристики приводит к необходимости иметь малый угол

Учитывая сказанное выше, рассмотрим конструкцию ка­ меры, представляющую собой плоскопараллельный конден­ сатор с электродами в виде дисков, разнесенных на расстоя­ ние 4 см. Подобная конструкция позволяет получить линей­ ный начальный участок вольт-амперной характеристики в до­ статочно большом диапазоне, удобном для эксплуатации (до 40 В), а режим насыщения — при напряжении 550—600 В (рис. 41).

Поперечный разрез камеры изображен на рис. 42.

В наиболее ответственных местах в качестве изоляцион­ ного материала может быть использован полированный ян­ тарь. Описываемая мера имеет одно фиксированное значение выходного тока, равное 0,799-Ю- 1 0 А. Внутреннее сопротив­ ление ее составляет величину порядка 2-101 4 Ом. В области линейного участка характеристики мера тока имеет внутрен­ нее сопротивление порядка 101 2 Ом и значение выходного то­ ка 5 - Ю - 1 2 А или менее (в зависимости от приложенного к высоковольтному электроду напряжения) до 5- Ю - 1 1 А. В этой области определяющей будет стабильность поддержания на­ пряжения на высоковольтном электроде. При использовании трехступенчатого параметрического стабилизатора напряже­ ния на диодах Зеннера можно обеспечить погрешность поддер­ жания фиксированных напряжений не более ± 0 , 0 1 % .

К факторам, обусловливающим систематическую погреш­ ность меры, относятся:

плутония-239 это время составляет 24400 лет) ;

ПО

фон, создаваемый дополнительными частицами вследствие загрязнения материалов и космического излучения (0,05%) (78].

Следует отметить, что погрешность, обусловленная ста­ тическими флюктуациями излучаемых частиц, составляет значительную часть общей погрешности. Для того чтобы сгла-

Рнс. 41. Вольт-амперная характеристика меры с фиксированным выходным то­ ком, выполненной иа основе иониза­ ционной камеры

Рис. 42. Поперечный разрез меры с фиксирован­ ным выходным током, выполненной на основе ионизационной камеры:

/, 2, 5 — п о л и р о в а н н ы й я н т а р ь ; 3 — э л е к т р о д - к о л л е к т о р ;

дить флюктуации, параллельно выходу меры подключается емкость, значение которой выбирается из оптимальных сооб­ ражений. При этом надо учитывать два фактора: с одной сто­ роны, — уменьшение флюктуации выходного тока, с другой стороны, — увеличение постоянной времени выходной цепи меры, а следовательно, увеличение времени измерения. По­ грешность из-за флюктуации, указанная в табл. 14, получена

111

Т а б л и ц а 14

при использовании полистиролового конденсатора типа ПО номинальным значением 4700 пФ.

Учитывая приведенные выше погрешности и погрешность аттестации меры, можно сказать, что значение выходного то­ ка последней воспроизводится с погрешностью, не превышаю­ щей ± 0 , 5 % .

Рис. 43. График наблюдения за стабильностью выходного тока меры на основе ионизационной камеры

На рис. 43 представлен график наблюдения за описанной мерой. Из рисунка видно, что резкое изменение выходного то­ ка произошло в первый период (2—3 месяца) после изготов-

112

ления. В дальнейшем изменение значения тока не превыша­ ло указанной выше погрешности воспроизведения.

Описанный вариант меры воспроизводит некоторые фик­ сированные токи. Однако можно создать меру, в которой зна­ чение выходного тока регулировалось бы путем диафрагми­ рования пучка излучаемых частиц. Поперечный разрез меры, такого вида представлен на рис. 44.

Рис 44. Поперечный разрез меры с дискретной регули­ ровкой выходного тока, выполненной на основе иониза­ ционной камеры:

/ — в ы с о к о в о л ь т н ы й э л е к т р о д ; 2 — д и а ф р а г м а ; 3 — э л е к т р о д -

ко л л е к т о р

Вобоих приведенных вариантах мер тока металлический корпус служит одновременно электростатическим экраном, являющимся защитой от внешних помех, особенно ощутимых при измерении малых токов и больших сопротивлений.

выходного тока в несколько десятков раз. Однако такой спо­ соб имеет существенные недостатки:

невозможно осуществить плавную регулировку; в момент перемещения диафрагм изменяются усилия, при­

ложенные к изоляторам, что приводит к генерированию пара­ зитных токов изоляторов, которые ограничивают диапазон и точность воспроизведения выходного тока;

трудно осуществить герметизацию меры; не всегда возможен доступ к мере, особенно, если она яв­

лированного янтаря. Сопротивление изоляции стекла состав­

Рис. 45. Поперечный разрез меры с плавно регулируемым выходным током, выполненной на основе ионизационной камеры:

снятых для двух вариантов мер при различных заданных на­ пряжениях на диафрагме и изменяющихся напряжениях на электродах / и 5 (см. рис. 45).

Анализ полученных кривых показывает, что:

изменение напряжения на диафрагме (от —5 до +400 В) приводит к увеличению или уменьшению значения выходного тока приблизительно в 800 раз;

для фиксированного напряжения на диафрагме можно в пределах одной вольт-амперной характеристики (см. рис. 47), изменяя напряжение на высоковольтном электроде 5 (в обла­ сти 200—400 В), добиться плавного изменения выходного то­ ка без строгой стабилизации напряжения высоковольтного электрода;

все кривые, представленные на рис. 46, имеют участки, в которых выходной ток не зависит от изменения напряжения

114

=*зоов

Рис. 46. Вольт-амперная характеристика меры с плавно регулируемым выходным током (вариант «а»)

ид = 56В

0,16

ид=Щ6В

ОД

\1Д=Ю,1В

0,08

11Л=5,1В

Ѵд=),1В

Рис. 47. Вольт-амперная характеристика меры с плавно регулируемым выходным током (вариант «б»)

115.

на высоковольтном электроде, что соответствует режиму на­ сыщения.

Наиболее вероятное объяснение характера полученных кривых можно дать, если воспользоваться некоторыми сведе­ ниями из области электронной оптики. При наличии напря­ жений на электродах в рассматриваемой системе присутству­ ет аксиально-симметричное электрическое поле, т. е. вся си­ стема действует как электронная линза, собирающая или рас­ сеивающая, в зависимости от соотношения напряжений на электродах.

Изменение приложенных к электродам напряжений при­ водит к изменению конфигурации поля внутри камеры, в ре­ зультате чего меняются траектории полета ионов, образован­ ных в объеме камеры, а также положение точки пересечения траектории (фокуса) с осью линзы. В свою очередь переме­ щение фокуса по оси связано с величиной ионизационного тока следующим образом: в одном случае большая часть ча­ стиц пересекает силовые линии поля — ток возрастает, в дру­ гом случае движется по направлению линий поля, ионы ре- -комбинируют между собой — ток падает [17].

Описываемый вариант камеры аналогичен электростати­ ческой линзе — диафрагме с круглым отверстием в центре. Для того чтобы оценить, как рассеивающее или собирающее действие линзы влияет на величину выходного тока, необхо­ димо знать распределение потенциала вдоль оси системы.

В рассматриваемом варианте потенциал <D(z) на оси круг­ лого отверстия диафрагмы радиусом b при напряжении на ней, равном £/д, и при условии, что по обе стороны от диаф­ рагмы существует однородное поле напряженностью Е\ и Е2, я начало координат находится в центре отверстия, выражает­ ся формулой [22]:

1 + J f a r c t g i f b о

где z — текущая координата. Все выражение приведено в ци­ линдрической системе координат.

Известно также выражение [11], позволяющее определить траекторию r—f(z) заряженной частицы в произвольной точ­ ке аксиально-симметричного поля:

где Ф2 — потенциал на оси системы; z=a и z — координаты входа частицы в поле и текущая координата; Ф а — потенци­ ал электрода, испускающего частицы.

116

Из выражения (4.1) следует, что характер траектории ча­ стиц зависит от знака второй производной потенциала

dz2

Рис. 48. Семейство кривых, соответствующих вторым производным от потенциала на оси круглого отверстия линзы-диафрагмы

щая координата z (расстояние между высоковольтным элект­ родом и коллектором).

Анализ кривых, показанных на рис. 48, и сопоставление их- с кривой £/д = 56 В (см. рис. 47) показывает, что только в од­ ном случае (на высоковольтном электроде «+104 В», на ди­ афрагме « + 56 В», на электроде-коллекторе приблизительно «О В») вся система действует как рассеивающая линза. Приэтом большинство частиц пересекает линии поля и ток улав­ ливающего электрода растет. Максимальное значение тока па кривой (С/д =56 В) соответствует такому соотношению на­ пряжений на электродах, когда напряженности поля по обе стороны диафрагмы приблизительно равны: Е\ =3,84 В/мм;

117