научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОЧНОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОЧНОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 109-113

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 53.083

ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОЧНОЙ

ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ © 2014 г. В. Л. Будович, В. П. Ильин*

Бюро аналитического приборостроения "Хромдет-Экология" Россия, 121358, Москва, ул. Молодогвардейская, 61, стр. 20 E-mail: vitalibudovich@yandex.ru *Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 6 Поступила в редакцию 28.05.2013 г.

Описан метод измерения интенсивности ламп вакуумного ультрафиолета в диапазонах длин волн 105—147 нм и потоков 105—1015 фотонов/с. Для измерений применяется проточная ионизационная камера полного поглощения, работающая при атмосферном давлении. В качестве рабочей среды используется смесь паров ионизуемого легколетучего органического вещества, метана или кислорода, а также азота, с известной концентрацией компонентов. Величина потока определяется исходя из измеряемого ионизационного тока, квантового выхода ионизации и доли излучения, поглощаемой ионизуемым веществом.

DOI: 10.7868/S0032816214020049

Малогабаритные ламповые источники излучения в вакуумной ультрафиолетовой (в.у.ф.) области спектра уже несколько десятилетий используются в аналитической технике, в частности в приборах газового анализа с ионизационными детекторами [1]. Такие лампы получили название фотоионизационных. Наибольшее применение нашли фотоионизационные лампы криптонового наполнения, излучающие в в.у.ф.-области резонансные линии 116.5 нм (10.64 эВ) и 123.6 нм (10.02 эВ). Используются также лампы ксенонового наполнения, в основном излучающие линии 129.6 нм (9.56 эВ), 147.0 нм (8.44 эВ). Энергии фотонов и интенсивности ламп достаточно для ионизации большинства органических и неорганических веществ, а конструктивные характеристики этих источников позволяют их использовать как в стационарных, так и в переносных приборах. В ряде случаев применяются лампы, в которых используется излучение аргона и водорода.

Характеристики ионизационных детекторов в значительной степени определяются параметрами (интенсивностью, спектральным составом, стабильностью) потока в.у.ф.-излучения. В то же время величины потоков, создаваемых фотоионизационными лампами, могут существенно отличаться, даже для ламп одной партии. В частности, это может иметь место из-за различия коэффициентов пропускания материала окна. В процессе работы по разным причинам происходит уменьшение потока в.у.ф.-излучения, что может потребо-

вать очистки окна или замены лампы в приборе. Поэтому при практическом использовании фотоионизационных ламп важным является вопрос контроля интенсивности, в том числе ее абсолютной величины. Как ни странно, несмотря на значительный выпуск таких ламп (по нашим оценкам, несколько десятков тысяч в год), доступных устройств для измерения абсолютной интенсивности ламп на практике не имеется, хотя работы по выполнению таких измерений ведутся (см., например, статью [2]). Эти обстоятельства делают проблему измерения потока в.у.ф.-излучения весьма актуальной.

В работе [3] отмечалось, что наиболее пригодными для практических целей являются методики измерения потоков в.у.ф.-излучения с помощью ионизационных камер. Такие камеры имеют систему электродов, установленных в объеме, заполненном веществом, ионизуемым измеряемым в.у.ф.-излучением. Для измерения абсолютной интенсивности применяют двойные ионизационные камеры, а также камеры полного поглощения [4]. Следует, однако, отметить, что на практике двойные ионизационные камеры почти не используются из-за технических сложностей, а герметичные (закрытые) ионизационные камеры, в которые излучение вводится через окно, имеют существенные недостатки, в числе которых изменение пропускания окна и появление в камере продуктов фотолиза. Для устранения влияния этих факторов абсолютная интенсивность

110

БУДОВИЧ, ИЛЬИН

в.у.ф.-источников в работе [5] измерялась с помощью проточной ионизационной камеры полного поглощения, работающей при атмосферном давлении. Камера не имеет окна, а излучение вводится непосредственно в рабочую смесь. В качестве последней использовалась смесь инертного газа или азота с парами ионизуемых веществ, для которых известен квантовый выход на излучаемой длине волны. Концентрация ионизуемого вещества была достаточно высокой, для того чтобы все излучение поглощалось в объеме камеры. Величина потока в.у.ф.-излучения при этом вычислялась, как и для закрытой ионизационной камеры, по формуле Ф = //п, где /, электронов/с — ионизационный ток, а п — квантовый выход ионизации. Для практического применения важно, что камеры атмосферного давления можно использовать в лабораторных условиях.

Применение ионизационных камер полного поглощения, однако, ограничено областью линейности сигнала. Уже при поглощении потока квантов ~1012 фотонов/с и величине п ~ 0.1 ток в камере может достигать 10-8 А, т.е. камера будет работать в заведомо нелинейной области [6]. Несвободна от этого недостатка и камера, описанная в [5]. Это делает проблематичным измерение потоков фотоионизационных ламп, которые могут достигать, согласно [7], 1014 фотонов/с.

В настоящей работе описано применение проточной ионизационной камеры для измерения потоков с интенсивностью до 1015 фотонов/с, что позволяет измерять интенсивность в.у.ф.-ламп, используемых в фотоионизационных приборах.

Диапазон измерения расширен благодаря контролируемому уменьшению ионизационного тока путем введения в парогазовую смесь дополнительного газового компонента, поглощающего в.у.ф.-излучение, но не ионизуемого этим излучением.

Если поток фотонов с начальной интенсивностью 10 поглощается в среде, содержащей N поглощающих компонентов, то при выполнении закона Бугера—Ламберта—Бэра величина потока 1к, поглощаемого к-м компонентом, на интервале [0, х] выражается формулой

N

1к (х) = 10 ак (1 - е -х), а = У ак. (1)

а

Здесь ак = <зкпк, где стк — общее сечение поглощения к-го компонента, пк — концентрация к-го компонента.

Отсюда следует, что если ввести в смесь, содержащую ионизуемый компонент, дополнительный не ионизуемый, но поглощающий в.у.ф.-излуче-ние компонент, то при выполнении условия полного поглощения ионизационный ток уменьшится в Я раз:

r = Ст1п1 + СТ2n2 ^ ()

стп '

где индекс 1 относится к ионизуемому, а индекс 2 — к неионизуемому компоненту.

Варьируя концентрации ионизуемого и неио-низуемого компонентов, можно изменять величину R в широких пределах и проводить измерения в линейной области. При этом, однако, обязательным является выполнение условия

exp[-(niCTi + П2СТ2) r] << 1, (3)

где r — минимальное расстояние от излучающей поверхности до электродов или до стенок камеры. Отметим, что при введении дополнительного поглощающего неионизуемого компонента с сечением ионизации ~10-17 см2 и концентрацией ~1% об. выполнение условия (3) имеет место уже при величине r в несколько миллиметров. Поток квантов при наличии ослабления рассчитывается по формуле Ф = iR/ц.

При выборе веществ для составления смесей необходимо использовать легколетучие нетоксичные стабильные соединения, которые могут долго сохраняться в баллонах. Для всех компонентов должны быть известны сечения поглощения, а для ионизуемых — также и сечения фотоионизации. Желательно, чтобы квантовый выход ионизации для ионизуемых компонентов был одинаков во всем диапазоне в.у.ф.-излучения лампы. Предпочтительно также, чтобы поглощающий не-ионизуемый компонент представлял собой газ при нормальных условиях. Концентрации компонентов следует выбирать, исходя из величины R.

Основываясь на этих требованиях, для экспериментов в качестве ионизуемых компонентов были выбраны изобутилен и гексан, а в качестве поглощающих неионизуемых компонентов — метан и кислород. Нами использовались пять смесей, изготовленных на основе этих веществ. Смесь № 1: изобутилен (0.0052%); метан (1.02%); азот (остальное). Смесь № 2: изобутилен (0.00032%); метан (1.01%); азот (остальное). Смесь № 3: гексан (0.0001%); метан (1.01%); азот (остальное). Смесь № 4: изобутилен (0.0108%); воздух (остальное). В экспериментах использовалась также не содержащая поглощающих неионизуемых компонентов смесь № 5: изобутилен (0.3%); азот (остальное). Суммарное содержание посторонних веществ в смесях не превышало 0.01%, а относительная погрешность аттестации была не более 8%. Данные по сечениям ионизации и сечениям общего поглощения для ионизуемых компонентов были взяты из литературы и приведены в табл. 1.

Что касается поглощающих неионизуемых компонентов, то их сечения общего поглощения определялись опытным путем, несмотря на наличие данных в литературе. Причина состоит в том, что для метана эти данные значительно различаются [12], а сечение поглощения кислорода в об-

ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ 111

Таблица 1. Сечения общего поглощения ап и сечения ионизации а( компонентов смесей по литературным данным

Длина волны, нм

Вещество 116.5 123.6 129.6

а„ 1018 а, 1018 П ап, 1018 а, 1018 п ап, 1018 а, 1018

Изобутилен 48 [8] 10.5 [9] 0.22 44 [8] 10.5 [9] 0.24 34 [8] 7.0 [9]

Гексан 79.6 [10] 9.0 [11] 0.11 61.5 [10] - - 57.3 [10] -

ласти 115—130 нм изменяется в несколько раз на интервале 0.05 нм, соответствующем ширинам спектральных линии криптона и ксенона в в.у.ф.-области.

Экспериментальная часть работы включала измерения интегрального сечения поглощения метана и кислорода в области излучаемых линий и измерения интенсивности потоков в.у.ф.-излу-чения при использовании смесей разного состава и с различными значениями Я.

Все измерения выполнены на установке, аналогичной описанной в [5] и схематично изображенной на рис. 1. Из баллона 1 парогазовая смесь через регулятор расхода 2 и измеритель расхода 3 по трубопроводу 4 поступала через входной штуцер 5 в ионизационную камеру 6. Камера представляла собой расположенный в металлическом корпусе фторопластовый цилиндр с внутренним диаметром 30 мм, в котором находились два плоскопараллельных стальных электрода 7 шириной 20 мм и длиной 100 мм каждый, от

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»