Методика импульсных измерений

     Существует  два экспериментальных приема исследования радиационной ЭП: импульсные методы и методы непрерывного воздействия облучения; последние для нас не представляют особого интереса и мы их рассматривать не будем. 

Методика  импульсных измерений 

      Упрощенный вариант блок-схемы установки для наблюдения импульса наведенной облучением ЭП приведена на рис. 1. Ее основой является электронно-лучевой агрегат, применяемый обычно для микросварки ЭЛА-50/5. Измерительная ячейка (рис. 1) помещена в рабочую   камеру ускорителя электронов, в которой поддерживается вакуум порядка (1-3)·10^-3 Па; этот вакуум обеспечивается   последовательно включенными форвакуумным   и диффузионным насосами. Назначение блоков 2,3,4 ясно из их названия: источник питания (2) электронной пушки (1) управляется (включается) с помощью модулятора (3). Последний выполняет роль усилителя мощности управляющего (запускающего) импульса, генерируемого блоком (4).  

Рис.1. Блок-схема установки для наблюдения радиационной ЭП в диэлектриках:

1 - электронная пушка; 2 - высоковольтный источник питания пушки; 3 - модулятор; 4 - задающий генератор  
(Г5-35); 5 - осциллограф (С1-486);  
6 - осциллограф (С1-15); 7 - диафрагма; 8 - заслонка, 9 - исследуемый образец диэлектрика с напыленными электродами; 10 - цилиндр Фарадея; 11- изоляторы; 12 - рабочая камера; 13 - источник постоянного тока, создающий напряжение на электродах образца 

Рис. 2. Измерительная ячейка установки для наблюдения радиационной ЭП: 1 - стальные контактные вкладыши; 2 - напыленные серебряные электроды; 3 - диэлектрический корпус ячейки; 4 - постоянные магниты; 5 – образец; 6 - цилиндр Фарадея; 7 – электро- механическая система, управляющая заслонкой;

                                             8; 9 - электрические вводы

     Последний дает также синхроимпульсы для запуска осциллографов (5) и (6), работающих в ждущих режимах.

     С помощью осциллографа (5) контролируют длительность и форму импульса пучка электронов, управляемого генератором (4). При этом ток электронов, протекая по сопротивлению R, создает на нем падение напряжения, прикладываемое ко входным клеммам осциллографа (5). Эта операция контроля за электронным пучком производится при закрытой заслонке (8), которая одновременно выполняет и роль электрода в цепи электронного пучка.

     Первый этап настраивания установки заканчивается получением требуемых параметров импульса электронного пучка. Затем дистанционно включают электромеханическое устройство (7) (рис.2), которое закрывает заслонку - электрод (8). Не включая источника питания (13) (рис.1), с помощью С_К и R_K компенсируют ток радиационной наводки (рис. 3).При этом выполняются следующие соотношения:

     После достижения полной компенсации включают источник питания (рис.1). Форма кривой наведенной ЭП наблюдается на экране осциллографа (6).

     Удельная  радиационная ЭП диэлектрика:

где - разность плотностей тока, протекающего черев образец при приложенном к нему постоянном напряжении, причем I_H(U₀) и I_H(0) - значения плотности тока при приложенном внешнем поле (U₀) и без него.

     Методика исследования РИЭ на переменном токе разработана специально для того случая, когда необходимо выяснить, какая составляющая полного тока образца (активная или реактивная) обратимо изменяется при его облучении. Блок-схема соответствующей измерительной установки приведена на рис.3.

      Исследуемый образец включен в  одно из плечей измерительного моста R_H R_K C_K C_ОБР. Этот мост питается от генератора синусоидального напряжения (1), с выходных клемм которого синусоидальное напряжение подается на второй вход осциллографа.  

Рис.3. Блок-схема установки для измерения РИЭ на переменном токе: 1 - генератор; 2 - двухлучевой осциллограф; 3 - дифференциальный усилитель напряжения разбаланса 
 

     Если  разбаланс моста носит чисто активный характер, то синусоидальные кривые напряжений обоих каналов будут иметь одну и ту же начальную фазу. В случае емкостного разбаланса кривая синусоидального напряжения первого канала (напряжение разбаланса) будет опережать напряжение второго (опорного) канала на 90°.

     Таким образом, можно судить о вкладах активной и реактивной составляющих в радиационно-индуцированный ток образца. 

     Эксперименты  по наблюдению заряженных частиц, генерируемых излучением в жидкой фазе, ограничиваются, как правило, хорошими жидкими диэлектриками. При этом целью экспериментов является определение времени, релаксации и длины свободного пробега носителей заряда, а также решение специфических задач; некоторые из этих вопросов рассматриваются ниже. 

Определение подвижности, времени  релаксации и длины свободного пробега  
квазисвободного электрона в жидких диэлектриках 

     В неполярных жидких диэлектриках возможно образование двух видов электронов проводимости: квазисвободных с подвижностью и локализованных электронов, у которых подвижность μ близка к подвижности ионов. При этом наблюдаемая или дрейфовая подвижность носителя тока

где  τ_р и τ_л - соответственно время релаксации электрона-носителя заряда из квазисвободного состояния в локализованное и время его жизни в этом состоянии. Поскольку в общем случае то из уравнения μ следует, что  τ_р << τ_л. Экспериментально установлено, что при комнатной температуре

     Обнаружение "проявлений" квазисвободного состояния электрона может быть осуществлено в экспериментах по кинетике тока проводимости, наведенного излучением; тогда ток электронной проводимости

I_e(t) = I_e^’(t) + I_e”(t)

складывается  из величины I_e^’(t), учитывающей вклад в полный ток электронов, существующих от момента их генерации до перехода в локализованное состояние, и слагаемого I_e” (t), обусловленного электронами, уже побывавшими в локализованном состоянии. При этом

где - скорость генерации электронов; μ_Е - средняя подвижность нетермализованных электронов; τ_Т - их время термализации.

     Уравнения (3 перечисленные выше) показывают, что определение искомого вклада I_e^’(t) в значение тока I_e(t) может быть выполнено путем выделения из общего тока составляющей, пропорциональной скорости генерации . При этом с целью увеличения относительного вклада I_e^’(t) в общую величину I_e(t) измерения следует проводить при температуре, близкой к температуре плавления, когда значение μ мало и, следовательно, вклад I_e”(t) невелик.

     Искомая подвижность носителей тока наведенной электропроводности 

где V - скорость дрейфа носителей тока; Е - напряженность электрического поля между электродами ячейки; τ_Н - длительность импульса радиации; d - расстояние между электродами; q - полный заряд, возникающий при облучении. Величина q может быть определена методами, известными из курcа ядерной физики.

     Ячейка  для измерения наведенной ЭП содержит три цилиндрических электрода d=10, 12 и 14 мм (рис. 4), расстояние между ними около 1 мм, а рабочая площадь 20 см². Измерительный электрод (1) расположен между внутренним "охранным" (2) электродом и внешним электродом (3), на который подается постоянное напряжение от источника тока (П).  «Охранный» электрод уменьшает погрешность измерений, возникающую вследствие накопления заряда, генерируемого прохождением через ячейку облучающих электронов.

     В случае жидкого гексана эксперимент и расчеты показывают, что подвижность носителя заряда μ≈0,8·10^-3 см²/В·с. Это значение μ примерно в 10 раз превышает подвижность ионов в гексане и может быть отнесено лишь к движению квазисвободного электрона. Для оценки его времени релаксации можно воспользоваться неравенством

которое следует  из анализа данных эксперимента. Это неравенство означает, что и . Из литературы известно, что подвижность квазисвободных электронов μ₀ =170 см²/В·с и μ_Е =150 см²/В·с  и, следовательно, τ_Т <2·10^-13 c, τ_p <10^-13 c.

     Согласно  теории подвижности электрона в неполярной жидкости длина свободного пробега  

где δ - сечение рассеяния электрона на молекулах вещества; η - плотность молекул в жидкости; ς - структурный фактор. Для гексана δ=2,6 нм, η=4,6·10²¹ см^-3, ς=8·10^-2 и, следовательно, l₁ = 8нм. Однако использование выражения, связывающего длину свободного пробега носителя заряда и его подвижность, l=μ_EmV/e, а также полученное выше значение μ_E, дает l₂=0,5нм. Столь большое различие l₁ и l₂ привело к необходимости постановки новых экспериментов. В одном из них, например, определялась длина свободного пробега квазисвободного электрона в жидком изооктане. Электроны   генерировались фотоионизацией молекул антрацена имлульсами рубинового лазера (λ = 347 нм). Поскольку эти электроны обладают высокой реакционной способностью и быстро захватываются ловушками, их освобождение из ловушек достигалось действием второй гармоники 
(λ= 694 нм) импульса того же лазера (рис.3), задержанной относительно первого импульса на 60 нс. Возникающие при этом квазисвободные электроны регистрировались как импульс фотопроводимости. Соответствующий сигнал снимается с сопротивления нагрузки R_H, усиливается и регистрируется на экране осциллографа (рис.4).

Рис.2. Блок-схема установки для измерения наведенной ЭП в жидких диэлектриках:

I - измеритель тока,

II – источник постоянного напряжения;

1 - измерительный (рабочий) электрод (пунктир), 2 – охранный электрод, 3 - внешний (вспомогательный) электрод

Рис. 3. Блок-схема установки для регистрации квазисвободных электронов по импульсу тока фотопроводимости: 1 – рубиновый лазер; 2 – плоскопараллельная стеклянная пластинка; 3 – зеркало; 4 – удвоитель частоты; 5 – диафрагма; 6 – измерительная ячейка; 7 – усилитель сигнала; 8 - осциллограф

Рис. 4. Зависимость фототока от времени при действии импульса (света) λ=347 нм (1) и при последовательном действии импульсов λ=347 нм и λ=694 нм (2) 
3 – форма импульсов второй гармонии (694 нм)

Прохождение импульсного тока через кондукто- и  диэлкометрическую  ячейку 

     В экспериментах по импульсному радиолизу  и флеш-фотолизу через электрическую измерительную ячейку; содержащую исследуемое вещество, протекает импульсный ток, форма которого и ее изменение во времени может дать ценную информацию о кинетике нарастания и спада количества первичных, промежуточных и конечных продуктов радиолиза. С импульсными токами и напряженнием мы встречаемся также и в других методах кинетических исследований: импульсной полярографии, люминесценции, фотопроводимости, фотодиэлектрического эффекта и ряде других. Поэтому необходимо рассмотреть некоторые закономерности прохождения импульсного тока через кондукто- и диэлкометрическую ячейки и воздействия на них импульсного напряжения.

     Под импульсом тока или напряжения обычно понимают их отклонение от заданного постоянного уровня U₀, (I₀), в частности от нулевого уровня (рис. 1).

Рис. 5. Видеоимпульсы различной формы а)прямоугольные, 
б) трапецеидальные, в) треугольные, г) экспоненциальные,  
д) прямоугольные двуполярные 

     В импульсной технике различают два  типа импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. В первом случае — это кратковременные изменения напряжения или тока в цепи постоянного тока (рис. 5) во втором – кратковременное изменение синусоидального напряжения или тока (рис. 6); различают также импульсы положительной, отрицательной полярности и двуполярные (рис. 5, соответственно а, г, д). Наиболее часто имеют дело с импульсами прямоугольной формы, при этом реальный прямоугольный импульс (рис. 7) характеризуется параметрами, указанными ниже.

Рис. 6 Радиоимпульсы

Рис. 7 Реальный прямоугольный радиоимпульс 
 

Кондуктометрические измерения в импульсном радиолизе 

     Для регистрации короткоживущих частиц, образующихся при импульсном радиолизе, в настоящее время используют следующие четыре метода: оптическую спектроскопию (включая люминесценцию), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), кондуктометрию (диэлкометрию) и полярографию. Остановимся подробнее на  кондуктометрических измерениях.

     Существуют  следующие кондукто-(диэлкометрические) методы детектирования короткоживущих частиц и возбужденных состояний вещества при постоянном напряжении на электродах ячейки (при постоянном токе, случай ω→0), на переменном токе, стробирования высоковольтными импульсами, СВЧ-регистрация.

     При детектировании на постоянном токе (ω→0) к электродам ячейки прикладывается постоянное напряжение U₀ (рис. 8). Изменение удельной ЭП, возникающее в растворе под действием импульса ионизирующего излучения, может быть описано уравнением:

в котором  обозначено ∆С_i(t) - изменение концентрации частиц сорта i, Z_i – их заряд, – эквивалентная проводимость, F – число Фарадея, μ_i -подвижность частиц, причем: 

( D - коэффициент диффузии, е - заряд электрона), ∆I- изменение тока через сопротивление нагрузки, R_H и α_c - константа ячейки (рис. 4).

Рис. 8. Схема кондуктометрической регистрации  
при постоянном напряжении в импульсном радиолизе:  
1 – С-ячейка, 2 – усилитель, 3 - осциллограф 

     Разрешающая способность установки (рис. 8) зависит от постоянной времени внешней цепи С-ячейки, т.е (С_э - эквивалентная емкость ячейки). Величина τ может быть оценена с помощью выражения:

из которого следует, что при наиболее часто  встречающихся значениях константы ячейки (α_с= 10 – 100 см) сопротивление нагрузки R_H должно составлять 100- 1000 Ом,

     Недостатки  схемы (рис. 8) обусловлены тремя факторами: поляризацией электродов, возникающей как следствие питания ячейки постоянным напряжением; электролизом, происходящим в силу той же причины и приводящим к значительному градиенту концентраций; паразитным зарядом, создаваемым в ячейке непосредственно зарядом ускоренных (облучающих) электронов, либо вторичных быстрых электронов, образующихся при γ-облучении.

Рис. 9 Блок-схема установки импульсного радиолиза  
с параллельным включением облучаемой (I) и «затемненной» (II) ячеек

     Влияние этого фактора может быть существенно  уменьшено, если в качестве ионизирующего импульса использовать тормозное рентгеновское излучение, генерируемое преобразователем — металлической пластинкой, облучаемой ускоренными электронами. Мешающее влияние паразитного заряда и электролитических факторов может быть также уменьшено с помощью специальной дифференциальной регистрирующей схемы (рис.9) и параллельным включением облучаемой (I) и "затемненной" (II) ячеек.

     При подаче положительного (отрицательного) импульса, следующего с некоторым опережением относительно облучения, через обе ячейки начинают протекать практически равные "темновые" токи, создающие на сопротивлениях нагрузок R_H^’ и R_H^” импульсы напряжения. Последние подаются на блок инверсии (2), с выхода которого они выходят уже в противофазе. После возникновения в облучаемой ячейке (I) тока наведенных лучом частиц на импульсе напряжения (I) образуется положительный (отрицательный) выброс, который после взаимного погашения противофазных импульсов на выходе сумматора (3), подается на вход усилителя (4) и далее на осциллограф (5). Запуск развертки осциллографа осуществляется импульсом, генерируемым блоком задержки (6).

     Если  облучаемая жидкость дает небольшой  импульс проводимости, то особенно важным бывает "собрать " на электродах все образовавшиеся заряженные частицы. С этой целью пользуются так называемым методом стробирования импульсами высокого напряжения, рис. 9.

     Сущность  метода стробирования состоит в  том, что к электродам (ЭЛ) ячейки (5) в определенные моменты времени, синхронизированные с импульсом ионизирующего напряжения, прикладываются высоковольтные импульсы от блока (3) высокого напряжения, питающего кондуктометрическую ячейку. Возникающий в ячейке ток является при этом суммой практически всех короткоживущих заряженных частиц. Их заряд измеряется дифференциальной детектирующей схемой и электрометром (6).

     Установка (рис.10) при надлежащей величине стробирующих импульсов позволяет определять абсолютные концетрации образующихся заряженных частиц и, следовательно, радиационно-химический выход. Кроме того, регулировкой с помощью блока (2) задержки строб-импульсов можно получить данные по кинетике радиационно-химических реакций заряженных частиц.

Рис.10. Блок-схема установки импульсного радиолиза с кондуктометрической дифференциальной ячейкой и стробированием наведенной проводимости импульсами высокого напряжения: 1 - ускоритель, 2 -блок задержки, 3 - генератор импульсов высокого напряжения, 4 -коллиматор, 5 - измерительная ячейка с электродами (ЭЛ), 6 — электрометр;  
7 - измерительный прибор 

     Особенностью  режима работы установок (рис. 8,9) является то обстоятельство, что питающее ячейку напряжение изменяется медленнее по сравнению с нарастанием и спадом электрической проводимости, наведенной облучением. Вместе с тем существуют установки с питанием ячеек переменным током (рис. 6,7). При этом ячейка включается в одно из плечей мостовой схемы. Сигнал наведенный облучением проводимости проявляется как разбаланс моста и может быть обнаружен после соответствующего усиления на экране осциллографа. Временное разрешение метода связано с рабочей частотой моста F соотношением (Гц). Этот метод позволяет проводить измерения всплесков наведенной проводимости в растворах со сравнительно большой начальной (фоновой) ЭП. Поскольку мосты переменного тока могут уверено работать до частоты F порядка 10⁷ Гц, рассматриваемый метод пригоден для исследования в микро- и миллисекундном диапазонах. При этом в микросекундном диапазоне возможным оказывается использование как контактных, так и бесконтактных ячеек.

     Интересной  и весьма чувствительной является схема (рис. 11), в которой кондуктометрические ячейки питаются высокочастотным напряжением (10 МГц). Эта установка позволяет работать в широком диапазоне временных разрешений 10^-6–1с. В ней также возможно использование как контактных, так и бесконтактных ячеек. 

Рис. 7. Блок-схема  установки импульсного радиолиза  с питанием кондуктометрических  ячеек радиочастотным напряжением: 1 - ускоритель, 2 и 4 - ВЧ фильтры,  
3 и 7 - усилители, 5 - синхронно-фазовый детектор, 6 - НЧ фильтр, 8 – осциллограф