Prace Nauowe nyuu Mazyn, Napędów i Pomiarów Elerycznych Nr 70 Poliechnii Wrocławiej Nr 70 Sudia i Maeriały Nr 34 204 Pior MADEJ* pamo przewornia, eleromeryczny przeworni ranimpedancyjny, peromeria ruchliwości jonów PASMO PRETWORNKA PRĄD NAPĘCE W SPEKTROMETR RUCHWOŚC JONÓW W Speromerii Ruchliwości Jonów oowany je czuły przeworni zbierający ładune jonów oiągających ońcową elerodę w omorze. Wyjściowy, napięciowy ygnał przewornia ma poać impulów o załcie zbliżonym do rójąa, o ampliudzie od dzieiąów pioamperów do pojedynczych nanoamperów i czaie rwania od 0,2 m do ilu m. arówno ampliuda, ja zał i momen pojawianie ię ych impulów ą podawą do idenyiacji rodzaju jonów dopływających do elerody. Przeworni zaem mui pracować w czaie rzeczywiym; jego pęla przężenia mui być rezyancyjna. ony je poziom błędu zera nieczułości przewornia, zależny od napięcia niezrównoważenia i prądu polaryzacji zaoowanego wzmacniacza operacyjnego oraz od zumów całego przewornia i omory, w órej jony zdążają do elerody zbiorczej. Celowe zaem je ograniczenie pama pracy przewornia aby zmniejzyć wpływ wymienionych czynniów; od dołu dolna częoliwość graniczna różna od zera oraz od góry górna częoliwość graniczna ja najmniejza. Ale jednocześnie nie można zanado zniezałcić ionych cech ygnału, np. jego zboczy. W opracowaniu przedawiono próbę ozacowania minimalnego pama pracy przewornia w oparciu o przyjęe z lieraury ryyczne warości czaów rwania impulów.. SPEKTROMETRA RUCHWOŚC JONÓW Speromeria ruchliwości jonów (ang. on Mobiliy Specromery, [2], [3], [5]) je jedną z meod oowanych w wyrywaniu śladowych zawarości ubancji, zczególnie niepożądanych, w ym zodliwych lub wręcz niebezpiecznych, ja m.in. naroyi, gazy bojowe czy maeriały wybuchowe. aada pracy peromeru ruchliwości jonów opiera ię na (ry. ): wprowadzeniu gazowej próbi badanej ubancji do peromeru, * Poliechnia Wrocława, Kaedra Mazyn, Napędów i Pomiarów Elerycznych, ul. Smoluchowiego 9, 50-372 Wrocław, e-mail: pior.madej@pwr.edu.pl
353 zjonizowaniu cząecze próbi, óre przezły przez półprzepuzczalną membranę, zazwyczaj za pomocą źródła promieniowania β, owarciu doępu do omory dryowej dla jonów oreślonej polaryzacji za pomocą impulu ona na iace, poddaniu jonów dwom iłom w omorze dryowej; jednej przypiezającej od pola elerycznego, drugiej hamującej od gazu obojęnego, płynącego przeciwnie do ruchu jonów, wychwyywaniu jonów za pomocą zbiorczej elerody, wzmacnianiu ygnału z elerody i przewarzaniu go na ygnał napięciowy impul o załcie zbliżonym do rójąa, analizie zału impulów, przede wzyim: momenów pojawiania ię, ampliud, czaów rwania impulów i ich zboczy, porównaniu z danymi z biblioe perogramów. Próba Membrana Źródło β Obzar jonizacji Źródło β Siaa Me alowe pierścienie K omora dry owa Jony Eleroda zbiorcza Przeworni i u Gaz nośny Gaz nośny Ry.. luracja idei pracy peromeru ruchliwości jonów Wymienione, analizowane paramery impulów zależą od may, ładunu i rozmiarów jonów, a więc od ich ruchliwości w omorze dryowej; ym amym ą charaeryyczne dla onrenego pierwiaa lub cząeczi związu chemicznego. Porównanie paramerów impulu z danymi zebranymi doąd, doępnymi w różnych bazach pozwala z dużym prawdopodobieńwem wyryć i zidenyiować obce ładnii np. w powierzu. Tego ypu peromery mają na yle niewielie rozmiary i zaporzebowanie na energię, że mogą być urządzeniami przenośnymi, o dużych możliwościach wyrywania niepożądanych i niebezpiecznych ubancji. Czułość ich może być nawe rzędu μg/m 3 czyli na poziomie ężenia cząeczowego 0 9 [3]. Ampliuda impulów prądowych ( A ry. 2, [2], [3]) je rzędu dzieiąe do ee pa, rzado pojedynczych na, cza rwania i zależy od czau owarcia omory i je rzędu od ee μ w peromerach o wyoiej czułości do pojedynczych m a czay narou n i opadania o średnio do ooło 45% czau i. W przypadu impulów niey-
354 merycznych może być o oune rzędu 0,25/0,65 i. ałócenia ograniczające czułość (przeunięcie i luuacje poziomu zerowego o ) oiągają poziom ilunau do iludzieięciu pa. a) b) c) 0,8 0,6 [na] d) 0,4 A 0,2 0,0 8,0 n o 8,5 9,0 9,5 i o [m] Ry. 2. Przyłady a) c) zału impulu prądowego na elerodzie zbiorczej oraz d) zdeiniowanie ionych wielości wraz z przyładowymi warościami 2. PRETWORNK TRANSMPEDANCYJNY W SPEKTROMETRE Jednym z ionych podzepołów, umożliwiających oiągnięcie wymaganej wyrywalności je przeworni i u połączony ze zbiorczą elerodą, zamieniający ygnał prądowy (zmiany ładunu w czaie) na ygnał napięciowy i równocześnie wzmacniający jego energię. Ta zdeiniowany poób przewarzania oznacza, że mui o być przeworni ranimpedancyjny (ry. 3, [4]). Wymagany wpółczynni przewarzania oiąga ię dużą warością rezyancji R w pęli przężenia (wraz z równoległą C worzą ) woół wzmacniacza operacyjnego WO o cechach eleromerycznych, j. o bardzo małym wejściowym prądzie polaryzacji i bardzo dużej impedancji wejściowej. Wierne odworzenie na wyjściu impulów ze zbiorczej elerody wymagałoby przewornia o częoliwościach granicznych; bardzo małej a najlepiej zerowej dolnej oraz dużej górnej. Jedna oznaczałoby o duże pamo częoliwościowe dla zumu nioczęoliwościowego różowego zczególnie uciążliwego w czułych uładach eleromerycznych oraz zumu białego. Eeem byłby wzro poziomu błędu zera o. Dlaego należy ograniczyć pamo do roządnego minimum, pozwalającego jezcze na wiarygodną idenyiację wyryej ubancji przy dobrej czułości.
355 i i WO C U o Ry. 3. Podawowa ruura przewornia ranimpedancyjnego, o celowo ograniczonych częoliwościach granicznych O dolnej częoliwości granicznej d uładu z ry. 3 decyduje czwórni na wyjściu z ondenaorem zeregowym C i impedancją obciążenia o ładowych R C. Naomia o górnej g, przy pełnieniu warunu T C >> () i 2 2πR C decyduje ała czaowa R C i oaecznie (ry. 4) ω d = 2π d =, R ( C + C ) S ω g = 2 π g =, (2) R C gdzie: ω d, ω g, d, g pulacje i częoliwości, dolna i górna, wg ryerium 3 db, T = BW pamo jednoowe wzmacniacza operacyjnego o wewnęrznej ompenacji częoliwościowej, czyli pamo wórnia, R, C równoległe ładnii impedancji w pęli, C i równoległy ładni w zaępczej impedancji i, obejmującej wzyie równoległe impedancje na wejściu uładu, C zeregowa pojemność na wyjściu, do eparacji ładowej ałej, R, C równoległe ładnii w impedancji obciążającej wyjście uładu. Moduł ranmiancji rośnie w zareie małych częoliwości (odcine na ry. 4) = jr ( ωr C ) do ω, (3) naępnie ma ałą warość między ω d i ω g ; je o właściwy, roboczy odcine 2 R C = przy C + C dalej maleje w empie 20 db/de powyżej ω g odcine 3 C = j przy ωc C + C d d, ω < ω < ω, (4) g g ω > ω, (5)
356 aż w ońcu przypieza malenie do 40 db/de na odcinu 4 2π T = ω 2 Ci C C + C 2π T przy ω >, (6) R C i Naępnie należy powiązać paramery impulów z właściwościami pamowymi przewornia ormułować waruni na częoliwości graniczne d i g. z [db] ϕ [ ] z R C C +C -90 +20dB/de ϕ 2-20dB/de -35-80 3-225 -270-40dB/de 4-35 -360 ω d = R (C +C ) ω g = R C 2π T R C i Ry. 4. Aproymacyjne charaeryyi częoliwościowe przewornia z ry. 3 3. WARUNK NA PASMO PRETWORNKA Dolna częoliwość graniczna przewornia ma wpływ na wierzchołi impulów, powodując ee zw. zwiu. Do analizy przyjęo, że wierzchołe modelowego impulu z ry. 2d anowi czaowo ooło 20% całego impulu i. Aby zniezałcenia powodowane zwiem nie przeroczyły 5% ampliudy A, powinien być pełniony warune, wyniający ze znanych z lieraury zależności, np. []: Δ Δ 0,25 π. (7) i A A 2 d = ωd < ln 0,2 i = A 0,2i A Decydujące w ym przypadu będą czay długich impulów. Na przyład gdy i = 5 m, maymalna częoliwość d obliczona z (7) powinna być mniejza od 8 Hz.
357 Mała warość górnej częoliwości granicznej powoduje zniezałcenia zboczy impulów i zwięza cza ich rwania. W puncie podano, że minimalny cza rwania zbocza n będzie anowił ooło 25% całego impulu i. Tzw. włany cza narou przewornia np, zdeiniowany dla idealnego ou jednoowego na wejściu, nie powinien być dłużzy niż ooło /3 czau zbocza przewarzanego impulu. apewni o zmianę czau zbocza nie więzą od 5%. Odpowiedni warune na częoliwość graniczą, wyprowadzony na podawie zależności podanych w [] ma poać 2,2 6,6 26 2π g = ωg > = (8) i dla róich impulów o i np. rzędu 0,5 m wymagana je górna częoliwość graniczna g więza od 8,3 Hz. np n i TERATURA [] GODENBERG.M., Teoria i obliczanie półprzewodniowych uładów impulowych, WNT, Warzawa 972, 40. [2] KOPCYNSK D., BAUMBACH J.J., RAHMANN S., Pea modeling or on Mobiliy Specromery meauremen, 20h European Signal Proceing Conerence, Buchare, Romania, Augu 27 3, 202, 80 805. [3] MAEJUK M., MERCYK J., Speromery ruchliwości jonów w zaoowaniu do wyrywania bojowych ubancji oycznych, Biuleyn WAT, vol. V, nr, Warzawa 2007, 59 77. [4] NAWROCK., Wzmacniacze operacyjne i przewornii pomiarowe, Oicyna Wydawnicza Poliechnii Wrocławiej, Wrocław 2008. [5] SKOWRON M. i in., ary meod analiycznych w badaniach oddechu dla celów diagnoyi medycznej, Rapor nr 2055/Ch, nyu Fizyi Jądrowej PAN, Kraów 202. BANDWDTH OF THE CURRENT VOTAGE CONVERTER N THE ON MOBTY SPECTROMETRY Decribed a mehod or he elecion o he converer requency band, which i ued o ampliy ignal rom chamber in he ion mobiliy pecromeer. Bandwidh hould no be broad becaue o he noie and bia curren, oe volage in he OpAmp. Awarded permiible error o ignal ampliude and lope o 5%. Preened ormula o calculae he requency limi o he converer.