Iooniloendur

Ioonloendur on mõõteseade, mida kasutatakse atmosfääri ioonide ehk aeroioonide uurimiseks. Vastavat meetodit nimetatakse aspiratsiooni- ehk läbivvoolumeetodiks. Lihtsaimad aspiratsioonimeetodil töötavad seadmed on integraalsed elektrijuhtivuse mõõtjad ja aeroioonide loendurid. Viimaseid nimetatakse ka Gerdieni riistadeks. Liikuvusjaotuse uurimiseks kasutatakse diferentsiaalseid loendureid. Aeroiooniks nimetatakse negatiivselt või positiivselt laetud õhu osakest. Aeroioon põhjustab õhu elektrijuhtivust ja ka erinevaid keemilisi reaktsioone. Maapinnalähedases õhus tekib umbes 50% aeroioonidest radooni ja tema tütarelementide lagunemisega kaasneva radioaktiivse kiirguse toimel. Mõne millisekundi jooksul ühineb tekkinud ioon kuni mõnekümne molekuliga ja tekkinud osakest nimetatakse klasteriooniks. Tema eluiga on paar minutit. Väiksem osa klasterioonidest hävib positiivse ja negatiivse aeroiooni kohtumisel, kuid enamik klasterioone haakub enne seda mõne õhus hõljuva aerosooliosakesega. Tekkinud kooslust nimetatakse aerosooliooniks. Algselt neutraalne aerosooli osake on nüüd laetud ja kuni 100-nanomeetrise läbimõõduga osakeste liikumine on tugevalt mõjutatud elektriväljadest. Aeroioone iseloomustatakse tavaliselt elektrilise liikuvusega k, mille SI-süsteemis ühikuks on m 2 V ⋅ s {\displaystyle {\frac {m^{2}}{V\cdot s}}} , mis näitab aeroiooni triivi keskmist kiirust ühikulises elektriväljas. Praktikas kasutatakse liikuvuse ühikuna c m 2 V ⋅ s {\displaystyle {\frac {cm^{2}}{V\cdot s}}} , kus V on volt. Klasterioonide liikuvus on kuni 3 c m 2 V ⋅ s {\displaystyle 3{\frac {cm^{2}}{V\cdot s}}} ning aerosoolioonide liikuvus võib olla kuni 10 000 korda väiksem. Järgnevad seadmed uurivadki aeroioone nende liikuvuse põhjal. Lihtsustatud integraalloendur koosneb kondensaatorist, pumbast, pingeallikast ning elektrivoolu mõõteseadmest. Pingeallikas tekitab kondensaatori pindade vahel elektrivälja, mis põhjustab ioonide sadenemist ühele või teisele pinnale sõltuvalt iooni laengu märgist. Pumbaga pumbatakse õhku läbi kondensaatori. Elektrivoolu mõõteseadmega mõõdetakse sadenevate ioonide põhjustatud elektrivoolu ühel kondensaatori pinnal (kollektoril). Kollektorile sadenevad täielikult aeroioonid, mille liikuvus on suurem teatud piirliikuvusest. Punase joonega näidatud ioonil on väga suur liikuvus ja ta sadestub kiiresti kollektorile. Sinise joonega on näidatud kõige väiksema liikuvusega ioon, mis veel kindlasti sadestub. Veel väiksema liikuvusega ioonide puhul kattele sadenemise tõenäosus ei ole 100%. Silindersümmeetrilise loenduri puhul saab näidata, et piirliikuvus on üheselt määratud kondensaatori mahtuvuse, elektripinge ja õhuvoolukiirusega. Aeroioonide sadestumise tõenäosust iseloomustab ülekandefunktsioon. 1 – integraalloenduri ülekandefunktsioon ideaaljuhul; 2 – reaalse instrumendi ülekandefunktsioon, mida mõjutavad ka ioonide difusioon ja õhuvoolu turbulents. Graafikul suureneb liikuvus vasakult paremale. Alt üles suureneb ioonide kollektorile sadestumise tõenäosus. Alates teatud liikuvusest k 1 {\displaystyle k_{1}} loendatakse kõik ioonid. Esimest järku diferentsiaalloendureid on kaht tüüpi. Esimest tüüpi diferentsiaalloenduril on mitmeosaline kondensaatoriplaat ehk elektrood ja teist tüüpi loendur jaotab ära sissetuleva õhuvoolu. Jagatud elektroodiga loenduril on kondensaatori koguv elektrood jagatud kaheks või enamaks elektriliselt isoleeritud osaks. Sellisel loenduril on kollektoriks tagumine elektrood. Joonis. Jagatud kollektoriga esimest järku diferentsiaalne ioonloendur ja tema ülekandefunktsioon. Katkendlik joon 1 tähistab eesmise elektroodi ülekandefunktsiooni ja joon 2 tähistab tagumise elektroodi ülekandefunktsiooni. Teist tüüpi esimest järku diferentsiaalloendurisse tõmmatakse lisaks mõõdetavale õhule ka ioone mittesisaldav puhas õhk (nn puhverõhk). Puhverõhk siseneb mõõtekondensaatorisse kollektorile lähemalt. Tänu sellele ei sadene kollektorile ioone, mis on teatud liikuvusest aeglasemad. Ülekandefunktsioon on sarnane integraalloenduri ülekandefunktsiooniga, aga tõus ei hakka mitte k = 0 {\displaystyle k=0} kohalt, vaid suuremalt väärtuselt. See tähendab k 0 {\displaystyle k_{0}} juures on funktsioon 0. k 1 {\displaystyle k_{1}} juures on funktsioon 1. k 0 < k 1 {\displaystyle k_{0}<k_{1}} vahel muutub funktsioon lineaarselt. Joonis. Puhverõhuga diferentsiaalloendur ja tema ülekandefunktsioon. Teist järku diferentsiaalloendur kasutab nii puhverõhku kui jagatud mõõteelektroodi. Üleval on toodud teist järku telgsümmeetrilise diferentsiaalse mõõtekondensaatoriga aeroioonide spektromeeter AIS. Uuritav õhk siseneb ülalt sisendisse, kus vajadusel toimub ka eelkonditsioneerimine. Eelkonditsioneerimisega saab seadet lülitada režiimi, kus midagi mõõdetavat läbi ei tule. Edasi siseneb õhk mõõtekondensaatorisse sisemise elektroodi vahetusse lähedusse. Elektrood hakkab aeroioone tõukama kollektorite poole. Kollektoritel on samal ajal tõmbav pinge. Suurema liikuvusega aeroioonid maanduvad juba esimeste elektroodile peale ning iga järgnev elektrood mõõdab eelmisest väiksema liikuvusega aeroiooni. Osa kondensaatorist läbi käinud õhk puhastatakse filtri abil ja saadetakse edasi puhverõhuna mõõtekondensaatorisse. Üleliigne osa väljub. Siin pildil on toodud sarnase põhimõttega diferentsiaalloenduri mõõtekondensaatori skeem. Ülevalt vasakust nurgast siseneb õhk ja paremas nurgas siseneb puhverõhk. Keskmine elektrood on erinevalt pingestatud sektsioonide kaupa selleks, et mõõta laiemat liikuvuse vahemikku. Mõõdetava polaarsusega ioonid langevad paremale kollektoritele ning vastupidise polaarsusega maandatakse vasakul. Paremal küljel olevad elektroodid loendavad neile peale langenuid ioone. Joonis. See ülekandefunktsioon iseloomustab kahe kollektoriga teist järku diferentsiaalloendurit. Vasakpoolsel pildil on ülekandefunktsioon, kus puhverõhu ja mõõdetava õhuvoolu suhe on väiksem kui kollektorite mahtuvuse suhe. Parempoolsel pildil on õhuvoolude suhe suurem kui kollektorite mahtuvuse suhe. Eelnevalt näidatud ülekandefunktsioonid kehtivad ainult rangelt ideaalsetes tingimustes. Praktiliselt on neid tingimusi võimatu täita ning ikkagi tekivad mingisugused süstemaatilised vead mõõtmistes. Neid vigu on võimalik tuvastada ja ka kvantitatiivselt hinnata, et saada täpsem tulemus. Vigade allikaid on kolme tüüpi. Esimest tüüpi vead on põhjustatud loenduris olevate seadmete mõõtemääramatusest. Loenduris sees on erinevad seadmed, mis mõõdavad pinget, voolutugevust ja õhuvoolu kiirust. Samuti ei ole toiteallikad täiesti stabiilsed. Need vead on igas masinas eraldi ning siin neid ei käsitleta. Teist tüüpi vead on välised. Ideaalsetes tingimustes on sisendõhk homogeenne ja ekvivalentne välise õhuga. Kuid kõrvalekaldeid sellele võivad tekitada välised elektriväljad. Siin alapeatükis tegeletakse kolmandat tüüpi vigadega, milleks on kõrvalekalded ideaalsetest tingimustest loenduri sees. Ääre-efekt tekib siis kui, elektriväli mõjutab kondensaatorisse sisenevaid ioone ja tekitab mõõtmisvigu. Ääre-efekti iseloom sõltub sellest, kuidas pingestatakse kollektori plaadid. Varem oli paljudes loendurites sisemine plaat kollektoriks. Kuid eeliste tõttu on tänapäeval välimine plaat kollektoriks. See vähendab seadme mõõtmeid ja mõõdetav liikuvuse vahemik on laiem. Ääre-efekti mõju väheneb, kui panna õhu sisendi ümber ja ka mõõtekondensaatori ümber maandus. See maandus hoiab ära suurema efekti tekkimise ja viga ei tule kvantitatiivselt märkimisväärne. Seda lahendust saab analüüsida kahest vaatevinklist. Esiteks, kuna sisend silinder ei ole arvestatud mõõtekondensaatori osana, siis siin ei eksisteeri kõrvalekaldeid ideaaltingimustest, mida tekitab ääre-efekt. Teisel juhul saame lugeda sisend silindri mõõtva kondensaatori osaks. Sellisel juhul on sisend silindrist „väljuv“ õhk see, mis jõuab mõõtvasse kondensaatorisse ning ta on samuti häireteta. Seisvas õhus moodustub ruumlaengukiht kondensaatori elektroodide vahetusse lähedusse. Pingestatud elektroodi pinnal see kiht võimendab elektrivälja tugevust ja hakkab mõjutama ioniseeritud õhku tugevamini, kuna indutseerib lisalaengu elektroodil. Ruumlaeng tekib siis kui pingestatud elektroodid eraldavad ära erinevad laengud. Need laengud tekitavadki ruumlaengu. Pildil on näidatud laengud niimoodi, et punane värv tähistab kondensaatoris elektroodide lähedal paiknevat ruumlaengu kihti. Vastavat laengut, mis mõjutab mõõtmistulemusi elektroodi läheduses, on võimalik arvutada Shockley-Ramo teoreemiga. Lisaks tuleb leida ka veel ruumlangu ruumala, mis sõltub põhiliselt õhuvoolu kiiruse jaotusest kondensaatoris. Lisaks veel tuleb arvestada ka õhu molekulide difusiooni. Ideaalsel juhul käsitletakse õhuvoolu kui ühes suunas liikuvat õhumassi. Tegelikud moodustuvad paljud lahknevad molekulid teistsuguseid trajektoore kui on üldisel õhu suunal. Mõõtmistulemusi ja õhuvoolu kiiruse valimist mõjutab enim turbulents. Eelnevalt eeldati, et õhuvool on enam-vähem kihilise iseloomuga. Kuid kui varieerida õhuvoolu kiirust, siis turbulents hakkab rohkem või vähem mõjutama tulemusi. Ja see on otsustava tähtsusega, kui valida õhuvoolu kiirust. Kuid kahjuks on turbulentsi mõju tulemustele kõige keerulisem ja ka kõige vähem uuritud. Eesti Vabariigi teaduspreemiad 2010, Tallinn: Eesti Teaduste Akadeemia, 2010. H.F. Tammet. The Aspiration Method for the Determination of Atmospheric-Ion Spectra, Jerusalem: Israel Program for Scientific Translations, 1970. A. Mirme, E. Tamm, G. Mordas, M. Vana, J. Uin, S. Mirme, T. Bernotas, L. Laakso, A. Hirsikko, M. Kulmala "A wide-range multi-channel air-ion spectrometer", Helsinki, 25. juuni 2007. Kasutatud 7. novembril 2014. S. Mirme "Mobility analysis", 11.03.2011. Kasutatud 7. novembril 2014.