Измерение концентрации легких, средних и тяжелых аэроионов

В п. 11.2 был рассмотрен примененный нами метод измерения плотности аэроионного потока на приемный экран, соединенный с землей через чувствительный гальванометр. Этот способ позволяет получать приближенные данные, достаточные для работ с электроэф флювиальным аэроионогенератором. Он может быть принят только как удовлетворительный индикатор.

В настоящее время существуют сравнительно хорошо изученные методы и сравнительно хорошо работающие приборы, которые могут быть применены для измерения объемной концентрации (числа) легких, средних и тяжелых аэроионов в естественных условиях. Как известно, еще в 1900 г. Зелени предложил метод аспирационного конденсатора, суть которого заключается в следующем.

Если через цилиндрический конденсатор, осевой электрод которого соединен с электрометром, протягивается исследуемый воздух с известной скоростью и если между электродом и внешней трубкой конденсатора имеется достаточная разность потенциалов, то все ионы

определенной массы, знака, противоположного знаку заряда электрода, задерживаются в конденсаторе, оседая на внутреннем электроде и отдавая ему свой заряд (рис. 39). Из потери заряда электрометром можно вычислить концентрацию или число зарядов в протягиваемом воздухе.

Эбертом в 1903 г. был сконструирован специальный прибор, который позволяет измерять число легких аэроионов в единице объема воздуха. Прибор Эберта носит название "счетчика ионов" (рис. 40). А.А. Сперанским была составлена инструкция к употреблению аспирационного прибора Эберта.

Основная часть прибора состоит из двунитного электрометра Вульфа, который имеет следующее устройство. В коробке натянуты две тонкие платиновые нити (диаметром около 0,005 мм). Нити прикреплены верхними концами к пластинке, изолированной от корпуса электрометра янтарем и соединенной с капсюлей, которая предназначена для укрепления внутреннего электрода цилиндрического конденсатора. Нижние концы нити прикреплены к тонкой кварцевой дужке, которая поддерживает их в слегка натянутом состоянии.

В коробку вставлен микроскоп, который может винтом передвигаться по салазкам в горизонтальном направлении. Микроскоп имеет муфту. Вращением ее наводят на нити. В окулярной системе вставлена шкала, по которой ведутся отсчеты расхождения нитей от нулевого деления влево и вправо. Окуляр ставится на ясную видимость делений шкалы. Третье отверстие коробки завинчено крышкой, В это отверстие вставляется стеклянный сосудик с натрием или хлористым кальцием. Такой же сосудик помещается в цилиндрическую коробку для осушения наружной части янтарного изолятора.

Вторая часть прибора (конденсатор) состоит из наружной трубки и металлического стержня, который вставляется или ввинчивается в капсюлю. На трубку надевается конический колпак для защиты от пыли, дождя, насекомых. Стержень конденсатора заряжается от столба Замбони через штифт, который нажимом пальца на эбонитовую или янтарную пуговку приводится в соприкосновение со стержнем. Прикосновением тем или другим полюсом Замбони к штифту заряд передается стержню.

Третья часть прибора состоит из турбины, вентилятор которой приводится в движение часовым механизмом, заводимым ручкой. Турбина соединена с конденсатором изогнутой трубкой того же диаметра, в нее вставлен небольшой анемометр, по которому судят о количестве пропущенного воздуха через конденсатор за определенное время.

При вентиляторе имеется тормоз и счетчик оборотов, на котором нанесены цифры. Выход цифр совершается через определенное число оборотов вентилятора и отмечается ударом звонка. Между турбиной и соединительной трубкой вставлена заслонка, поворачивая которую конденсатор соединяют с вентилятором или, наоборот, прекращают ток воздуха по конденсатору.

Четвертая часть прибора, вспомогательный конденсатор, состоит из наружной трубки и внутреннего стержня. Стержень конденсатора изолирован от наружной трубки янтарем и для опыта заряжается от батареи элементов.

Для производства наблюдений прибор устанавливают на горизон тальном столе и заземляют. Конденсатор собирают и дают ему заряд от столба Замбони. При измерении ионизации конденсатор по возможности желательно заряжать до одного и того же потенциала — до 200—250 В, при таком заряде нити разойдутся на 50—60 делений в обе стороны от нуля. Затем открывают заслонку, заводят турбину и пускают в ход вентилятор. Дают прибору "установиться", для чего необходимо пропустить один-два удара звонка турбины (2—3 мин). За это время записывают начальное положение стрелок анемометра и приготовляют нити к отсчету передвижением винта. В момент следующего удара звонка одновременно пускают в ход секундомер и анемометр и отсчитывают положения нитей.

При последнем ударе звонка — пятом, если начальный считать за нулевой, — одновременно закрывают заслонку и останавливают секундомер, делают отсчет по нитям и анемометру. Можно делать отсче ты через три звонка, если спадение нитей хорошо заметно.

Время от 0-го до 5-го звонка при нормальном ходе турбины составляет в среднем около 8,5 мин, но оно меняется в зависимости от завода турбины и температуры прибора.

После измерения концентрации аэроионов делают измерение нормального рассеяния электрометра, зависящего главным образом от недостаточной изоляции. Для этого оставляют на конденсаторе заряд того же знака (если нужно, подзаряжают конденсатор), останавливают турбину, сняв колпак, закрывают трубку конденсатора крышкой и при закрытой заслонке измеряют спадение нитей — потерю заряда — за время "пяти звонков", определенное по секундомеру,

Такие же измерения и за тот же промежуток времени производят при противоположном заряде конденсатора.

В сухую погоду потеря заряда от недостатка изоляции (собственный ход прибора) часто равна нулю, поэтому нет необходимости измерять ее после каждого наблюдения.

Результаты измерений числа аэроионов, производимых прибором Эберта, не совсем точны благодаря влиянию присутствия в воздухе, кроме легкоподвижных, также средних и тяжелых ионов. В неблагоприятных условиях ошибка может достигать десятков процентов измеряемой величины и полученные результаты тогда сомнительны. Для того чтобы устранить влияние медленных аэроионов, приходится производить добавочные измерения; при этом может быть употреблено несколько приемов. К обычным измерениям добавляется еще измерение потери заряда при работающем аспираторе под влиянием средних и медленных аэроионов. На прибор надевается дополнительный конденсатор, предназначенный для определения подвижности аэроионов, который заряжается с помощью батареи до потенциала не менее 40 В тем же знаком, каким заряжен главный конденсатор.

Для измерения числа средних и тяжелых аэроионов предложен ряд счетчиков, ничем принципиально от счетчика Эберта не отличающихся.

Воздух, содержащий средние и тяжелые ионы, пропускается через цилиндрический конденсатор, между обкладками которого имеет место электрическое поле. Аэроион, попавший вместе с потоком воздуха в конденсатор, подвержен действию двух сил: силы, с которой движущийся воздух увлекает его вдоль пластин конденсатора, и силы электрического поля. При определенных скоростях движения воздуха и величины напряжения электрического поля можно вычислить движение иона под действием указанных сил. Подбирая скорость движения воздуха в конденсаторе и напряжение поля, можно добиться того, что все аэроионы данной подвижности упадут на пластину конденсатора. Для этого, как известно, подвижность данной группы аэроионов должна находиться в определенной зависимости от размеров конденсатора, количества проходящего в секунду воздуха и максимальной разности потенциалов, при которой, совершается полное падение ионов на конденсатор.

Аппарат Линке и Израэля имеет ряд преимуществ перед другими приборами, применяемыми для измерения тяжелых аэроионов. Прежде всего он имеет в несколько раз меньшие размеры (удобен

для экспедиций) и значительную чувствительность. При разности потенциалов 200 В он дает возможность улавливать все аэроионы. Кроме того, этот аппарат имеет два конденсатора и соответственно этому два электрометра, так что воздух одновременно пропускается по двум путям и одновременно улавливаются как положительные, так и отрицательные аэроионы. Это дает возможность определять одновременно коэффициент униполярности. Кроме того, аппарат измеряет количество пропущенного воздуха и требует для производства всех измерений от 1 до 3 мин. Для уничтожения вредного влияния краевого эффекта конденсатора, благодаря которому часть легких аэроионов не попадает в измерительный конденсатор, во всасывающей трубке прибора установлен добавочный конденсатор. Он улавливает легкие аэроионы, прежде чем они попадут в основной измерительный конденсатор. Такое приспособление дает возможность более точного учета числа аэроионов.

Л.Н. Богоявленский сконструировал прибор для счета как легких, так и тяжелых аэроионов воздуха (рис. 41). По сравнению с другими приборами он имел некоторые преимущества. Время одного наблюдения у этого достаточно портативного и обладающего необходимой чувствительностью счетчика сокращено до 1,5 мин.

Измерение числа легких и тяжелых аэроионов производится следующим образом. При подсчете числа легких аэроионов применяется тонкий электрод и короткая труба, а также ток напряжением 100 В. Объем продуваемого воздуха поддерживается на определенном уровне, а именно около 200 см /с. В этих условиях тяжелые аэроионы, как обладающие большой массой, проскакивают сквозь трубу, ибо электрическое поле в ней не достаточно сильно, что бы их задержать. Легкие же ионы осаждаются на тонком электроде и отдают ему свой заряд.

Для подсчета тяжелых ионов применяется толстый электрод и дополнительная труба, а также ток напряжением равным 300 В. Объем воздуха поддерживается до 300 см /с.

Для измерения заряда сильно заряженной водяной пыли Л.Н. Богоявленским был построен специальный прибор, в котором учтена значительная концентрация зарядов и их малая подвижность. Внутри изолированной на эбоните металлической трубы помещен висящий на двух стержнях электрод, изолированный янтарем. К одному из стержней электрода присоединен заключенный в металлическую, с одной стороны застекленную и заземленную коробку стержень с тонким алюминиевым листочком, вблизи которого помещен небольшой диск, регулируемый с таким расчетом, чтобы алюминиевый листок касался его при достаточном отклонении. К трубе может быть присоединен один из полюсов выпрямителя, другой полюс которого присоединен к наружному предохранительному кожуху и к земле Вблизи от выходного отверстия трубы помещен центробежный вентилятор, приводимый в движение электродвигателем, частота вращения которого может регулироваться реостатом. Во входном отверстии трубы помещена изолированная с помощью эбонитового кольца трубка Вентури, присоединенная к двужидкостному микроманометру. Эти приспособления позволяют измерять с достаточной точностью количество воздуха, проходящего через трубку с электродом. Ионизированный воздух поступает сначала в отверстие трубки Вентури и затем в трубу с электродом, где под действием электрического поля, созданного напряжением в 300—400 В, поданного на трубу, отдает электрические заряды знака, одинакового со знаком потенциала трубы. Электрод накапли вает постепенно эти заряды, вследствие чего алюминиевый листок электрометра начинает отталкиваться от стержня и, касаясь, наконец, заземленного диска, отдает ему свой заряд и падает. Затем под влиянием дальнейшего потока начинается новое накопление заряда, новое отклонение и падение листочка. Время качания листочка можно измерить по секундомеру. Зная емкость электрода и количество пропущенного через тоубу воздуха, можно вычислить число элементарных зарядов в 1 см воздуха. Знак этих зарядов будет тот же, что и знак потенциала, поданного на трубу.

Помимо указанных счетчиков, получили некоторую известность разработанные М.Н. Герасимовой счетчики легких, средних и тяжелых аэроионов (рис. 42 и 43). В этих счетчиках частично устранены недостатки счетчиков Эберта, Богоявленского и других авторов. Одной из существенных ошибок при измерении числа аэроионов является предположение, что каждый аэроион несет один элементарный заряд. Если это справедливо для легких аэроионов, то неизвестно, справедливо ли оно для средних. Оно не вполне справедливо для тяжелых

аэроионов и вполне ошибочно для сверхтяжелых заряженных частиц.

Примерно теми же недостатками обладает и счетчик аэроионов П.И. Тверского, уже не говоря об упрощенном счетчике В.Ф. Литвинова. Аэроионный спектрометр Уэта (Институт Ка неги, Вашингтон) представляет собой громоздкий стационарный прибор. К сожалению,

до сих пор не разработаны портативные и универсальные счетчики аэроионов для изучения аэроионных спектров.

В недавнее время сконструирован "динамический счетчик". Этот

счетчик (рис. 44) уже оправдал себя и при работе электроэффлюви-альной люстры, ибо полученные им данные о числе аэроионов хорошо совпадают с теоретическими расчетами.

Сущность работы динамического электрометра состоит в следующем. Постоянное или медленно меняющееся напряжение, подаваемое на вход прибора, преобразуется путем модуляции входной емкости электрометра в переменное напряжение, амплитуда колебания которого пропорциональна входному напряжению. Полученное переменное напряжение тока усиливается, детектируется с помощью синхронного детектора и подается на стрелочный прибор. Электрометр имеет три диапазона чувствительности. Блок управления, смонтированный вместе с измерительным конденсатором, обеспечивает включение и выключение двигателя, коммутацию напряжений на конденсаторе и заземление электрометра. В качестве источников питания используются феррорезонансный стабилизатор и автотрансформатор.