DE2705184C2

DE2705184C2 - Schaltungsanordnung für einen Elektroneneinfangdetektor

Info

Publication number: DE2705184C2
Application number: DE2705184A
Authority: DE
Inventors: John Robert Antioch Calif. Felton; Russell Stanley Foster City Calif. Gutow jun.
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1976-02-26
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1986-03-27
Also published as: US4117332A; FR2342497B1; JPS52119271A; FR2342497A1; GB1521244A; DE2705184A1; CA1065063A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Elektroneneinfangdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (US-PS 3671740). Bei dieser bekannte-. Schaltungsanordnung ist ein Sägezahngenerator mit einem rückstellbaren Oszillator vorgesehen, dessen Ausgangssignal in der Komparatorschaltung mit dem Elektrometerausgangssignal verglichen wird. Der Ausgang dieses Sägezahngencrators besteht aus einer Spannung V, die eine inverse Sägezahnschwingung ist, die durch die Entladung eines Kondensators C erzeugt wird. Im Betrieb wird der Kondensator anfänglich auf das Potential V_r einer festen Bezugsspannung geladen. Der Kondensator wird dann mit einer Stromquelle /verbunden, so daß sich der Kondensator mit konstanter Rate entlädt Der Ausgang des Sägezahngenerators zu irgendeinem Zeitpunkt t ist V = V_r— It/C. Wenn Kauf einen Wert gleich der Ausgangsspannung des Elektrometerverstärkers fallt, sorgt der Komparator dafür, daß der Impulsgenerator arbeitet, und der Sägezahnkondensator wird wieder auf das Potential V_r geladen.

Die festen Werte von / und C in dieser Schaltung fixieren eine maximale Zeit, die dazu erforderlich ist, daß die Kondensatorspannung V vollständig auf Null abfällt. Diese maximale Abfallszeit legt die niedrigst zulässige Betriebsfrequenz/, des Impulsgenerators fest. Elektronisch ist es bei dieser Anordnung nicht möglich, daß der Impulsgenerator bei Frequenzen unterhalb von/, arbeitet Das ist ein erheblicher Nachteil, wenn die Schaltung mit einem Elektroneneinfangdetektor verbunden ist, der in Verbindung mit einem Gaschromatographen arbeitet. Der Grund dafür liegt darin, daß es weitgehend üblich ist, daß höhere Temperaturen innerhalb eines Gaschromatographen ein Einsickern von Verunreinigungsgasen in das Trägergas hervorrufen. Weiter ist es üblich, daß die Größe dieser Verunreinigung sich zeitlich ändert, während der Gaschromatograph dazu verwendet wird, Proben zu analysieren.

Die Sickerrate kann damit wachsen oder fallen. In jedem Falle reagiert der Elektroneneinfangdetektor und die Frequenzmodulationsimpulsschaltung üblicherweise mit einer variierenden Ausgangssignalgrundlinie entsprechend einer steigenden oder fallenden Impulsfrequenz.

Wenn die bekannte Schaltung verwendet wird, ist es üblich, manuell den Stromeingang für den Elektrometerverstärker nachzustellen, derart, daß der Impulsgenerator bei oder nahe der nisdrigsien Frequenz/, arbeitet, wenn nur Trägergas (keine Spitzen von elektronegativen Proben) durch den Elektroneneinfangdetektor hindurchtreten. Wegen der erwähnten variierenden Sickerrate ist es nicht unüblich, daß sich die Trägergasbedingungen innerhalb des Elektroneneinfangdetektors zeitlich ändern, manchmal in einer solchen Richtung, daß eine Impulsfrequenz noch niedriger als /„ gefordert wird. Das Ausgangssignal der Schaltung ist jedoch elektronisch gehindert, unter einen /_o entsprechenden Wert zu fallen, so daß dieses Ausgangssignal nicht mehr eine genaue Repräsentation der Ionisationsbedingungen bildet, die tatsächlich innerhalb des Elektroncneinfangdetektors existieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diese bekannte Schaltungsanordnung derart zu verbessern, daß die untere Schranke für die Impulsfrequenz aufgehoben wird. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteii des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Durch die Verwendung eines Integrators ist keine durch Schaltungskomponenten festgelegte untere Grenzfrequenz vorhanden, es ist vielmehr grundsätzlich möglich, daß sich die Impulsfrequenz von Null bis zum Kehrwert der Impulsbreite ändert, so daß auch driftende Elektroneneinfangdetektorsignale kontinuierlich überwacht werden können, unabhängig davon, ob 3ie in Richtung einer steigenden oder fallenden Impulsfrequenz driften.

Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden, in der ein elektrisches Schaltbild der I lauptclcmenlc einer lilcktronencinfangdetektorschaltung nach der Erfindung dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltung 10 mit den Grundelementen nach der Erfindung. Die Schaltung ist in Verbindung mit einer Elektroneneinfangzelle dargestellt, die schematisch bei 12 angedeutet ist. Die Schaltung ist nicht auf die Verwendung mit einer speziellen Art einer Elektroneneinfangzelle beschränkt, es kann jedoch für Zwecke der Beschreibung angenommen werden, daß es sich bei der Zefle 12 um eine solche handelt, wie sie in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin beschrieben und beansprucht ist. Die in dieser gleichzeitig eingereichten Anmeldung, jetzt DE-OS 2705185, beschriebene Detektorzelle ist vom sog. asymmetrischen Typ und weist zwei im axialen Abstand voneinander befindliche, allgemein zylindrische Elektroden auf, die schematisch als Kathode 14 und Anode 16 dargestellt sind. In der erwähnten Anmeldung sind gewisse genauere geometrische Beziehungen zwischen den Elektroden und den restlichen Elti'nenten der Zelle erläutert. Diese sind jedoch für die Zwecke der Erfindung nicht wesentlich, soweit sie im folgenden nicht erläutert werden; auch der relative Maßstab von Kathode 14 und Anode 16 soll durch die Zeichnung nicht angedeutet werden. Auch weitere Merkmale der Zelle 12 werden hier nicht beschrieben, wie die Strahlungsquelle, die Art der Gaseinführung, des Gasstroms oder dergl., da diese Elemente für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind.

Es ist jedoch zu erwähnen, daß die Art der Elektrodenanschlüsse so ist, daß sowohl die Kathode 14 als auch die Anode 16 elektrisch »schwimmen«, d. h., beide Elektroden sind gegen Erde isoliert und gegeneinander isoliert, ausgenommen selbstverständlich ein leitender Weg, der durch die Zelle ermöglicht ist. Bei der vorliegenden Anordnung ist ferner zu erwähnen, daß der Signaleingang für die Kathode 14 über die Anschlußleitung 18 erfolgt. Wie noch ersichtlich wird, wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung in Betracht gezogen, daß negativ gehend? Impulse an die Kathode 14 gelegt werden. Diese Impulse bewirken eine Repulsion der Elektronenladung in der Nähe der Kathode, woraufhin die Elektronen von der Anode aufgenommen werden, so daß der Elektronenstrom dann über Leitung 20 an einen Elektrometerverstärker 22 gegeben werden kann, der mit einem üblichen Rückkopplungswiderstand 30 versehen ist.

Eine Stromquelle 24, die vorzugsweise einstellbar ist, liefert einen Bezugsstrom Irj über einen Zweig 28 an Leitung 20, und damit in den Elektrometerverstärker 22. Der so dem Elektrometer 22 zugeführte Strom kann als Differenz zwischen dem Bezugsstrom und dem mittleren Zellenstrom betrachtet werden, d. h., die Größe (/«• ~ Ic), wobei /_c der mittlere Zellenstrom ist.

Der Ausgang des Elektrometerverstärkers 22, bei dem es sich um einen Gleichstrompegel handelt, wird über einen Widerstand 32 an einen Operationsverstärker 34 geliefert. Der Verstärker 34 definiert zusammen mit Widerstand 32 und einem Kondensator 36 einen Integrator 35, die Werte von Kondensator 36 und Widerstand 32 bestimmen die Zeitkonstante des Integrators. Ein Transistorschalter 38 ist parallel zum Kondensator 36 geschaltet, so daß dieser durch Betätigung ein Rückstellen des Integrators ermöglicht.

Der Ausgang vom Integrator 35 hat die bei 40 dareestellte SäEezahnform, wobei die Neigung des Sägezahns abhängig ist von der Größe des Elektrometerausgangssignals, das zum Integrator geliefert wird. Dieser sägezahnförmige Spannungsverlauf 40 kommt damit über Leitung 42 als ein Eingang an einen Komparator 44. Der andere Eingang des Komparators 44, d. h., auf Leitung 46, wird von einer festen Bezugsspannung V^ bei 48 geliefert. Der Komparator 44 arbeitet in der Weise, daß ein Komparatorausgangssignal auf Leitung 50 in dem Zeitpunkt erzeugt wird, wenn das Integratorsignal auf Leitung 42 gerade gleich der Größe der festen Bezugsspannung auf Leitung 46 ist Das Komparatorausgangssignal läuft auch über eine Leitung 52 zur Erregung des Transistorschalters 38, der dann den Kondensator 36 kurzschließt, um den Integrator 35 zurückzustellen.

Ersichtlich nimmt der Ausgang vom Komparator 44, d. h., auf Leitung 50, den Spannungsverlauf 54 an, der effektiv eine Reihe von Triggerimpulsen bildet. Diese Triggerimpulse werden einem Impulsgenerator 56 zugeführt, dessen Ausgang eine Ret>-s von negativ gehenden Impulsen ist, wie durch den Spannungsverlauf 60 illustriert. Dieser Ausgang, d. 'n., der vom Impulsgenerator 56, wird einerseits über Leitung 62 zur Kathode 14 der Zelle 12 geliefert, und andererseits srird der gepulste Ausgang einem Impulsmittler 64 zugeführt, der aus einem Operationsverstärker 66, einem Rückkopplungswiderstand 68, einem Widerstand 70 und einem Kondensator 72 besteht, der bei 74 mit Masse verbunden ist. Der Widerstand 70 und der Kondensator 72 arbeiten gemeinsam als RC-Fiiter für die zum Impulsmittler laufenden Impulse. Der Impulsmittler bildet effektiv einen Frequenzspannungswandler, wie bekannt, und der Ausgang 76 vom Mittler kann einem Schreiber zugeführt werden, auf einem Sichtgerät angezeigt werden oder dergl.

Mit Hilfe des Vorangegangenen ist die Betriebsweise der Schaltung ohne weiteres verständlich. Die Grundoperation ist die, daß die Frequenz der Impulse vom Impulsgenerator 56 so ist, daß der mittlere Zellenstrom Ic gleich dem mittleren Bezugsstrom /r^·gehalten wird. WeEJ beispielsweise angenommen wird, daß die Schaltung 10 bei der oben erwähnten Gaschromatographie angewandt wird, und daß die Mengen eines elektronegativen gasförmigen Materials in das Trägergas eintreten, das in die Zelle 12 eingeführt vird, neigt der Zellenstrom auf Leitung 20 dazu, zu sinken (d. h., die Zahl der verfügbaren Elektronen verringert sich, so daß die Größe |— /| kleiner wird), so daß das Eingangssignal für den Elektrometerverstärker 22 anfänglich eine ansteigende Kennlinie zeigt. Der Elektrometerausgang steigt seinerseits, und dadurch steigt die Neigung des Sägezahns 40. Das erhöht wieder die Triggerimpulsrate vom Komparator 44, so daß die Frequenz der negativ gehenden Impulse 60, die vom Impulsgenerator 56 erzeugt werden, steigt. Diese Impulse 60 wirken als Rückmeldung an der Kathode 14 und steigern den Elektronenstromfluß von der Zelle 12, d. h., die Anzahl der auf Anode 16 gesammelten Elektronen wird wieder hergestellt, so daß die liegelschleife wieder balanciert wird und die Stabilität wieder hergestellt wird.

Umgekehrt ergibt sich durch ähnliche Betrachtung der entstehenden Wirkungen ersichtlich, daß die Frequenz der Impulsrate 60 entsprechend fällt, wenn die Konzentration der elektronegativen Substanzen, die

tt in die Zelle 12 eingeführt werden, fällt. Die Frequenz kann theoretisch zu Null werden, wenn auch in der Praxis die Parameter der erfindungsgemäßen Schaltung vorzugsweise so gewählt werden, daß selbst bei sehr

niedrigen Konzentrationen von elektronegativen Materialien oder bei deren vollständigem Fehlen, eine Rate minimaler Frequenz erzeugt wird, um einen stabilen Rückkopplungsbetrieb durch die Schleife aufrechtzuerhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

20

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Elektrodeneinfangdetektor, bestehend aus einer Elektroneneinfangzeile mit zwei voneinander entfernten Elektroden und einer Einrichtung, mit der ein zu analysierendes Gas in die Zelle eingeführt wird, zum Anlegen von Polarisationsimpulsen an die Zelle und zur Ableitung eines Ausgangssignals, das die Konzentration einer Elektronen einfangenden Komponente im Gas anzeigt, mit einem Elektrometerverstärker, einer vorzugsweise einstellbaren Bezugsstromquelle, einer Einrichtung zur Kombination des Bezugsstroms mit dem Zellenstrom, der aufgrund der Polarisationsimpulse erzeugt wird, und zur Weiterleitung des kombinierten Stroms an den Elektrometerverstärker, um von diesem ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen dem Bezugs- und (lern Zellenstrom anzeigt, einer Komparatorschaitung, um einen Triggeriinpuis zu erzeugen, einem Impulsgenerator, der mit dem Komparator gekoppelt ist, um Impulse aufgrund der Triggerimpulse vom Komparator zu erzeugen, einer Einrichtung, mit der die Impulse vom Impulsgenerator in Rückmeldebeziehung zur Zelle verbunden werden, um ein gepulstes Polarisationspotential über den Elektroden entsprechend der Frequenz der Impulse zu erzeugen, und einer Impulsmittlereinrichtung, die mit dem Ausgang des Impulsgenerators verbundaj ist, um ein Ausgangsspannungssignal proportional der !,«npulsfrrquenz zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (35) so angeschlossen ist, daß er dar- Ausgangssignal vom Elektrometerverstärker (22) erhält und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine lineare Änderung der Spannung mit der Zeit darstellt, wobei die Rate der Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Zeit proportional der Größe des Elektrometerausgangssignals ist, daß die Komparatorschaltung (44) derart angeschlossen ist, daß das Ausgangssignal vom Integrator (35) mit einer festen Bezugsspannung (48) verglichen wird, daß der Triggerimpuls (54) erzeugt wird, sobald das Integratorsignal gleich der festen Bezugsspannung (48) ist, und daß eine Einrichtung (38) mit dem Komparatorausgang (50) verbunden (52) ist, um den Integrator (35) zurückzustellen, sobald ein Triggerimpuls (54) am Komparator (44) auftritt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14,16) gegen Erde (74) isoliert sind und daß die Impulse (60) vom Impulsgenerator (56) negativ gehende Impulse sind und an die Kathode (14) gelegt werden.