空氣離子導電實驗

01 離子腔室

一、前言

在這本由 TOM Petruzzellis 多年以前寫的 鬼才們的電子傳感器實驗 一本書中，給出了很多有趣的電子傳感器實驗能夠放在封面上這個用于測量空氣離子腔室傳感器， ?應該是作者最為得意和感到神奇的一個裝置了。值得他夸耀的應該類揣手這個實驗所需要的材料非常便宜， 但效果卻很神奇通過簡單制作的金屬離子腔室， ?也就是在金屬罐中心固定一個金屬絲通過兩個互補達林頓小功率晶體管進行電流放大之后，驅(qū)動一個 100微安的電流表，之所以右邊還有對稱的電路，主要是為了補償因為溫度、濕度所帶來的漂移。

下面就簡單介紹一下手頭制作的離子室的制作。在面包板上簡單搭建的放大電路，看一下具體測量效果。通過這個測試， 也為后面高阻抗放大電路的設計做準備。下面就讓我們看一下這個既簡單， ? 又神奇的離子腔室放大電路的功能吧。

二、制作過程

1、離子室制作

這個利用金屬飲料罐制作的離子腔室是測量空氣中離子的傳感器，制作它使用兩個部件一個是這種鋁質(zhì)飲料罐。?另外一個是這種同軸電纜 BNC 接頭使用電鉆在金屬管底部打洞之后， ?將 BNC 固定在金屬管底部。在固定BNC 之前， 在其中引線中焊接一個鍍鋅金屬絲， 作為離子室的中心電極。

▲ 圖1.2.1 制作離子室的兩個部件

將BNC接頭固定在金屬管底部，內(nèi)部焊接一個金屬鐵絲，這是最后安裝后的效果。

2、放大電路

下面介紹一下放大電路，離子室內(nèi)產(chǎn)生的電流非常微弱， ?只有幾十個 fA 左右需要進行放大才行為了簡單起見， ? 這里只在面包板上搭建了其中一半的電路。使用到兩個 達林頓三極管的級聯(lián)， ?完成對于電流的放大兩個達林頓三極管的型號分別為 BC517, ?MPSA64。

在電路中的 NPN型達林頓三極管是 BC517， PNP型三極管是 MPSA64 這兩個三極管都非常容易購買到。BC517的 hFE 參數(shù)， 也就是電流放大倍數(shù)大約為 44000它的管腳分布從左到右分別為 C,B,E應用相同的測試設備，測試 MPSA64可以看大它的電流放大倍數(shù)大約為 41100左右，管腳分布正好與 BC517想法， 從左到右分別為 C,B,E。

在面包板上搭建電流放大電路在 PNP 達林頓三極管集電極上，并聯(lián)了一個 10微法電容，用來消除輸出電壓信號中 50Hz 的干擾信號。這個電路是原始電路左邊部分，?直接使用數(shù)字萬用表測量 R2 上的輸出電壓。?這里給出了電路各元器件的參數(shù)，其中信號濾波電容 C1 實際上可以不用施加，使用示波器觀察輸出電壓信號的時候， 增加這個電容可以使得輸出波形更加平穩(wěn)。

▲ 圖1.2.2 電流放大電路

利用BNC屏蔽線將離子室與測量電路連接起來，電路的工作電壓選擇 9V， ?這個電壓是經(jīng)過測試得到的。如果工作電壓太高， 上面放大電路容易飽和。太低， 則電路的放大倍數(shù)就會降低。將輸出電壓接入數(shù)字萬用表同時將信號接入示波器。可以看到此時， ?電路輸出電壓大約為 0.6V 左右。

三、電路測試

使用這種離子型煙霧傳感器來增加空氣中的離子其中核心部分具有弱放射性的 镅 241，?它發(fā)出的 alpha 射線可以使得空氣中產(chǎn)生大量的例子。這是將其核心放射性金屬片拆卸下來，在其上方空氣中會出現(xiàn)大量的離子 下面利用前面的離子腔室來測量一下它表面的離子電流。

將離子室放在放射源上面， ? 可以看到電路輸出電壓馬上就飽和了。然后隨著時間慢慢恢復手持放射源在離子室前面放置一會兒， ? 可以看到強烈的射線在離子室內(nèi)空氣里產(chǎn)生了大量的離子。從這個角度在看一遍。

▲ 圖1.3.1 利用離子源電離空氣

使用丁烷噴火槍噴射離子腔， ?可以看到電路輸出電壓瞬間飽和了。? 這說明在火焰周圍會產(chǎn)生大量的離子。這是小型的打火機， ?同樣也會使得空氣中的離子大大增加 煙霧可以降低空氣中的離子。

▲ 圖1.3.2 煙霧可以降低空氣離子數(shù)量

※ 總??結(jié) ※

本文討論了利用 兩個達林頓三極管放大空氣中離子電流的實驗，兩個晶體管分別是NPN型和PNP型達林頓三極管。利用金屬飲料罐做成了簡易的離子室測試了镅-241 放射源產(chǎn)生的空氣電離現(xiàn)象，利用這個裝置， ? 讓我們觀察到了空氣中離子導電的現(xiàn)象。

參考資料

[1]Download Electronics Sensors for the Evil Genius :54 Electrifying Projects: https://vdoc.pub/download/electronics-sensors-for-the-evil-genius-54-electrifying-projects-3glidmqop47g