SU1262317A1

SU1262317A1 - Method of monitoring parameters of gas medium and device for effecting same

Info

Publication number: SU1262317A1
Application number: SU833606969A
Authority: SU
Inventors: Владимир Михайлович Колешко; Анатолий Владимирович Гулай; Валентина Иосифовна Лях
Original assignee: Институт электроники АН БССР
Priority date: 1983-06-17
Filing date: 1983-06-17
Publication date: 1986-10-07

Abstract

Изобретение относитс к приборостроению и позвол ет повысить точность контрол параметров газовой среды при пониженных давлени х. Высокочастотные колебани с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на подложке звукопровода 1 поверхностные акустические волны на частоте 10-50 ИГц, С преобразовател 3 выходной сигнал подаетс через усилитель 5 на индикаторный блок 6. В исследуемом газе создают электрический разр д между электродами 7 и 8. Одновременно с этим с преобразовател 3 вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, гце он сравниваетс с предыдущим сигналом. По разнице характеристик поверхностных акустических волн определ ют параметры исследуемой газовой среды. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил. 10The invention relates to instrumentation engineering and makes it possible to increase the accuracy of monitoring parameters of a gaseous medium at reduced pressures. High-frequency oscillations from the generator 4 feeds the transducer 2 surface acoustic waves and excites surface acoustic waves at a frequency of 10-50 IHz on the chute 1 substrate. The output signal C of the transducer 3 is fed through the amplifier 5 to the indicating unit 6. the electrodes 7 and 8. At the same time, the signal from the converter 3 again receives a signal through the amplifier 5 at the indicator unit 6, and is compared with the previous signal. The parameters of the gaseous medium under investigation are determined from the difference in the characteristics of the surface acoustic waves. 2 sec. f-ly, 2 zp f-ly, 1 tab. 2 Il. ten

Description

112 Изобретение относитс к приборостроению и может быть использовано дл контрол параметров газовых сред при проведении технологических процессов при пониженных давлени х. Цель изобретени - повышение точности контрол параметров газовой среды при пониженных давлени х. Способ заключаетс в .том, что при создании электрического разр да над поверхностью звукопровода в результате взаимодействи по зерхностной акустической волны с электронно-ионной компонентой тока разр да происхо дит сильное изменение характеристик указанных волн. Однако такое взаимодействие эффективно лишь в том случае , когда кинетическа энерги зар женных частиц W у поверхности звукопровода не Превышает значительно их энергию в электрическом потенциале поверхностной акустической волны ц , т.е. , где N - зар довое число Частицы; f - зар д электрона. При очень низких энерги х зар женных час тиц W 0,1 эВ, ввиду малости этой энергии взаимодействие неэффективно, и в то же врем частицы с высокими энерги ми W 10 эВ как бы не замечают неоднородный электростатический потенциал поверхностной акустической волны, поэтому взаимодействие ослаблено. Например, дл LiNbO. элек ростатический потенциал мВ-1В а энерги зар женных частиц в таком поле равна 0,16-4,8 эВ. При низком давлении, когда вли ние газового нагружени в отсутствие разр да на характеристики поверхностных акустических волн невелико, и при эффектив ном взаимодействии зар женных частиц с поверхностными акустическими волна ми в процессе разр да измер ема раз ница в параметрах указанных волн существенна , что позвол ет более точно судить о параметрах исследуемой газо вой среды. Изменение давлени исследуемой га зовой средь сильно вли ет на парамет ры разр да, в частности подвижность и концентраци носителей тока при разр де в интервале давлений 10 1 мм рт.ст. измен ютс приблизительн на два пор дка, что в свою очередь вли ет на акустоэлектронное взаимодействие в исследуемой системе и,, ка следствие, происходит изменение характеристик поверхностных акустичес72 ких волн, в данном способе предио-. гитеЛьнее создавать тлеющий разр д, поскольку дл таунсендовского (темнового ) разр да характерны очень малые токи разр да и слабое акустоэлектронное взаимодействие, а дл дугового разр да - слишком большие токи при высокой кинетической энергии зар женных частиц и высокие температуры, что приводит к интенсивному испарению вещества, из которого изготовлены электрод1л и подложка. Отсюда вытекает и наиболее приемлемый дл измерений диапазон исследуемых данным способом параметров газовой среды. Тлеюиулй разр д легко получить и поддерживать дл давлений пор дка 10 -10 мм рт .ст., так как при очень низком давлении ( мм рт.ст.) эмиссии электронов при бомбардировке катода положительными ионами недостаточно дл поддержани тока разр да, а при давлении вьте 10 мм рт.ст. тлеющий разр д, как правило, переходит в дуговой. Поэтому предлагаемый способ наиболее приемлем при давлении пор дка -10 мм рт.ст. О параметрах газовой среды можно судить и по разнице характеристик поверхностных акустических волн, измеренных при различных значени х тока разр да. Изменение тока разр да в исследуемой газовой среде приводит к изменению концентрации и кинетической энергии зар женных частиц в приповерхностном слое у звукопровода, поэтому дл каждого значени тока разр да характерно свое акустоэлектронное взаимодействие, и, следовательно , характеристики Поверхностных акустических волн на выходном преобразователе в зависимости от величины тока разр да разные. Значени тока разр да выбирают исход из типичных значений тока при тлеющем разр де . 10-10 А. При токах ниже 10 А процесс создани зар женных частиц в газе неустойчивый, разр д становитс несамосто тельньЕч, а при токах выше разр д переходит в дуговой, что нежелательно. Измен направление тока разр да и измер при этом характеристики поверхностных акустических волн по их разнице можно также судить о параметрах газовой среды. В этом случае измен етс направление дрейфа зар дов 3 ионизированном газе, причем могут б,ыть реализованы различные случаи.112 The invention relates to instrument engineering and can be used to control the parameters of gaseous media when carrying out technological processes at reduced pressures. The purpose of the invention is to improve the accuracy of monitoring parameters of the gas environment at low pressures. The method consists in the fact that when an electric discharge is created over the surface of the acoustic duct, as a result of the interaction of a surface acoustic wave with an electron-ion component of the discharge current, there is a strong change in the characteristics of these waves. However, such interaction is effective only in the case when the kinetic energy of the charged particles W at the surface of the duct does not significantly exceed their energy in the electrical potential of the surface acoustic wave c, i.e. where N is the charge number of the Particle; f is the electron charge. At very low energies of charged particles W 0.1 eV, due to the smallness of this energy, the interaction is inefficient, and at the same time, particles with high energies W 10 eV do not seem to notice the non-uniform electrostatic potential of the surface acoustic wave, therefore the interaction is weakened. For example, for LiNbO. The electrostatic potential of mV-1V and the energy of charged particles in such a field is 0.16–4.8 eV. At low pressure, when the effect of gas loading in the absence of discharge on the characteristics of surface acoustic waves is small, and with effective interaction of charged particles with surface acoustic waves during discharge, the measured difference in the parameters of these waves is significant, which allows more accurately judge the parameters of the studied gas environment. The change in pressure of the studied gas medium strongly influences the discharge parameters, in particular, the mobility and concentration of current carriers during discharge in the pressure interval 10 1 mm Hg. change in approximately two orders of magnitude, which in turn affects the acoustoelectronic interaction in the system under study and, as a result, the characteristics of the surface acoustic waves change, in this method of prediction. It is enough to create a glowing discharge, since for a Townsend (dark) discharge, very small discharge currents and weak acoustoelectronic interaction are characteristic, and for arc discharge, too high currents with high kinetic energy of charged particles and high temperatures, which leads to intensive evaporation substances from which the electrode1l and the substrate are made. This results in the most acceptable range for measurements of the parameters of the gaseous medium for measurements. The discharge is easily obtained and maintained for pressures of the order of 10 -10 mm Hg, since at a very low pressure (mm Hg) the emission of electrons when the cathode is bombarded with positive ions is not enough to maintain the discharge current, and at a pressure insert 10 mmHg Glowing discharge, as a rule, turns into an arc. Therefore, the proposed method is most suitable for pressures in the order of -10 mm Hg. The parameters of the gaseous medium can also be judged by the difference in the characteristics of surface acoustic waves measured at different values of the discharge current. A change in the discharge current in the gaseous medium under study leads to a change in the concentration and kinetic energy of the charged particles in the subsurface layer near the acoustic duct, therefore, for each value of the discharge current, its acoustoelectronic interaction is characteristic, and, consequently, the characteristics of Surface acoustic waves at the output transducer depend on The magnitude of the current is different. The discharge current values are chosen based on typical current values for a glow discharge. 10-10 A. At currents below 10 A, the process of creating charged particles in a gas is unstable, the discharge becomes non self-sustaining, and at currents above, the discharge turns into an arc, which is undesirable. Changing the direction of the discharge current and measuring the characteristics of surface acoustic waves from their difference can also be judged on the parameters of the gaseous medium. In this case, the direction of the drift of charge 3 of the ionized gas changes, and various cases can be realized.

т.е. дрейф может быть задан либо в направлени х, параллельных волновому вектору поверхностной волны qf, либо перпендикул рных к q, либо под некоторыми заданными углами к q, что вс кий раз измен ет услови акустоэлектронного взаимодействи у поверхности звукопровода. Например, если у поверхности звукопровода .расположе анод, то эффективное акустоэлектронное взаимодействие св зано с повьшенной концентрацией электронов, которы анод прит гивает из положительного столба при газовом разр де в процесс формировани пространственного зар д Если у поверхности звукопровода расположен катод, то лишь у вторичных электронов, выбиваемых ионами высоки энергий при бомбардировке катода, энерги соизмерима с их энергией в поле поверхностной акустической волны , и в данной области акустоэлектронное взаимодействие с ними менее эффективно, чем при обратной пол рности .those. The drift can be specified either in directions parallel to the wave vector of the surface wave qf, either perpendicular to q, or at certain given angles to q, which changes the conditions of acoustoelectronic interaction at the sound guide surface. For example, if an anode is located at the sound guide surface, the effective acoustoelectronic interaction is associated with an increased concentration of electrons that the anode draws from the positive column during the gas discharge into the formation of a spatial charge. If the cathode is located at the surface, then only secondary electrons produced by high-energy ions when a cathode is bombarded, the energy is commensurate with their energy in the field of a surface acoustic wave, and in this area the acoustoelectronic interaction Vying with them is less effective than with reverse polarity.

Предлагаемым способом можно производить контроль следующих параметров газовой среды: давлени , температуры , молекул рного веса, а дл одноатомных газов - атомного веса. В качестве измер емых характеристик поверхностных акустических волн используют затухание, фазовую и групповую скорости, амплитудно-частотные характеристики.The proposed method can control the following parameters of the gaseous medium: pressure, temperature, molecular weight, and for monatomic gases, atomic weight. The measured characteristics of surface acoustic waves are damping, phase and group velocities, and amplitude-frequency characteristics.

На г. 1 изображено устройство .дл осуществлени способа; на фиг.2экспериментальные данные.1 shows a device for carrying out the method; on Fig.2 experimental data.

Предлагаемое устройство состоит из звукопровода 1, преобразовател 2 и 3 поверхностных акустических волн, высокочастотного генератора 4, усилител 5, индикаторного блока 6, электродов 7 и 8 дл создани разр да, источника 9 разр да И блока 10 синхронизации . Генератор 4 подключен к входному преобразователю 2 поверхностных акустических волн, выходной преобразователь 3 поверхностных акустических волн соединен через усилитель 5 с индикаторным блоком 6. У поверхности звукопровода 1 расположены электроды 7 и 8, присоединенные к источнику 9 разр да. Блок 10 синхронизации подключен к источнику 9 разр да и индикаторному блоку 6.The proposed device consists of the acoustic duct 1, the transducer 2 and 3 of the surface acoustic waves, the high-frequency generator 4, the amplifier 5, the indicator unit 6, the electrodes 7 and 8 for creating a discharge, the source of the 9 discharge And the synchronization unit 10. The generator 4 is connected to the input transducer 2 surface acoustic waves, the output transducer 3 surface acoustic waves is connected via an amplifier 5 to the indicator unit 6. Electrodes 7 and 8 are located at the surface of the acoustic duct 1 and are connected to the discharge source 9. The synchronization unit 10 is connected to the source 9 bit and the indicator unit 6.

Устройство дл контрол параметро газовой среды работает следук цим образом.The device for controlling the parameter of the gaseous medium operates in the following manner.

Высокочастотные колебани с генератора 4 подают на преобразователь 2 поверхностных акустических волн и возбуждают на пьезоэлектрической подложке звукопровода 1, например, из YZ-ниобата лити , наход щейс в контакте с исследуемой газовой средой, поверхностные акустические волны на частоте 10-50 МГц. С преобразовател 3 поверхностных акустических волн выходной сигнал подаетс через усилитель 5 на индикаторный блок 6. Затем в исследуемом газе создают электрический разр д между электродом 7, выполненнь в виде металлической сетки прижатой к поверхности звукопровода 1 и электродом 8, выполненным в виде сплошной металлической пластины, расположенной на рассто нии 5-20 мм от электрода 7. На электроды 7 « 8 подают от источника 9 импульсы напр жени длительностью не менееt I/v (I - длина электродов вдоль направлени распространени поверхностных акустических волн; v -скорость распространени поверхностных акустических волн на подложке). 1 10-20 мм длительность импульсов напр жени должна быть пор дка 3-10 мкс. Одновременно с импульсом разр да с преобразовател 3 поверхностных акустических волн вновь поступает сигнал через усилитель 5 на индикаторный блок 6, где он сравниваетс с предыдущим сигналом . По разнице характеристик поверхностных акустических волн, например по разнице коэффициента затухани , определ ютс параметры исследуемой газовой среды, например давление, Блок 10 регулирует подачу импульсов напр жени на электроды и включение при этом индикаторного блока 6.High-frequency oscillations from the generator 4 are fed to the transducer 2 of surface acoustic waves and, on a piezoelectric substrate, excite a conduit 1, for example, from YZ niobate lithium, which is in contact with the gaseous medium, at 10-50 MHz. From the transducer 3 surface acoustic waves, the output signal is fed through amplifier 5 to the indicator unit 6. Then, in the test gas, an electric discharge is created between the electrode 7, made in the form of a metal grid pressed to the surface of the sound guide 1 and the electrode 8, made in the form of a solid metal plate, located at a distance of 5-20 mm from the electrode 7. On the electrodes 7 "8, voltage pulses of duration not less than I / v are supplied from the source 9 (I is the length of the electrodes along the propagation direction of the surface kusticheskih waves; v is the velocity of propagation of surface acoustic waves on the substrate). 10-20 mm duration of voltage pulses should be in the order of 3-10 microseconds. Simultaneously with the discharge pulse, the signal from the transducer 3 of the surface acoustic waves again receives a signal through the amplifier 5 at the indicator unit 6, where it is compared with the previous signal. The difference in the characteristics of the surface acoustic waves, for example, the difference in the attenuation coefficient, determines the parameters of the gaseous medium under study, for example pressure, Unit 10 controls the supply of voltage pulses to the electrodes and the indicator unit 6 is turned on.

Экспериментальные данные по кор рел ции между давлением волн на подложке из LiNbO на частоте 30 МГц приведены в таблице. На фиг. 2 показаны:The experimental data on the correlation between the pressure of waves on a LiNbO substrate at a frequency of 30 MHz are given in the table. FIG. 2 shown:

I- область практического использовани способа без разр да в газе;I - area of practical use of the method without discharge in gas;

II- область наиболее предпочтительного использовани предлагаемого способа с разр дом в газе; III - область максимальной погрешности контрол (погрешность контрол соизмеримаII is the area of the most preferred use of the proposed method with gas discharge; III - the region of the maximum control error (the control error is commensurate

Claims

with a controlled attenuation value), for example, without a discharge in the gas, the attenuation of surface acoustic waves oL and 10 dB / ISS corresponds to air pressure O, 1 and 1 mm Hg. Accuracy of control of the control, determined by the attenuation measurement error, is at least 30-50%. When an electric discharge is excited near the substrate (i.e., the counter head of the proposed method), the attenuation of surface acoustic waves increases to several units and can be measured with an accuracy of 2–5%. Therefore, the control accuracy is increased 5-10 times. Claim 1. A method of monitoring parameters of a gaseous medium, seized in that a piezoelectric sound duct excites surface acoustic waves and, when exposed to a gaseous medium, measures the characteristics of said waves, so that In order to increase the accuracy of control at low gas pressure, an electric discharge in the test gas with a duration of 1 1 / v is additionally created above the surface of the sound duct, where 1 is the length of the discharge electrodes along the direction of propagation acoustic signals; v is the speed of their propagation with the kinetic energy of charged particles at the surface of the acoustic duct, not exceeding their energy in the electrostatic potential of these waves and in the range of 0.1-10 eV, is measured

Without a discharge in gas 17b, the same characteristics of the waves in the process of gas discharge and the difference in the measured characteristics judge the parameters of the gas medium,

2. A method according to claim 1, characterized in that the measurement of the characteristics of the surface acoustic waves is carried out at several values of the discharge current within the limits and according to the difference in the characteristics of the surface acoustic waves, the parameters of the gaseous medium are judged. .

3. The method according to claim 1, wherein the measurements of the characteristics of surface acoustic waves are carried out at different directions of the discharge current and According to the difference in the characteristics of surface acoustic waves, the parameters of the gaseous medium are measured.

4. A device for monitoring parameters of a gaseous medium containing a piezoelectric acoustic duct, on which input and output transducers of surface acoustic waves are mounted, connected respectively to the output of the high-frequency generator and to the amplifier input, the output of which is connected to one input of the indicator unit, characterized in electrodes are inserted into it, located at the surface of the sound duct and connected to the outputs of the discharge source, and the synchronization unit, the outputs of which are connected to the input source Single discharge and to another input of the display unit.

With discharge in gas

P 1 mm Hg. I, 1 in Hg

, 4 dB / ISS (3%) 1, 1 dB / ISS (3%)

BUT

, 0 dB / ISS

W 0,8 hp

ot 1.4 dB / ISS

1 60 ml

, 6 dB / ISS

eV

SD 1.6 dB / ISS

Anode at

surface, 3 dB / ISS

Cathode

surface with 1.2 dB / ISS

sound system

, 1 dB / ISS

about (2.3 dB / ISS

S 0.9 dB / ISS

with 2.2 dB / ISS

about (0.7 dB / ISS

ot 1.5 dB / ISS