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測定原理 - 選定時の注意点
現在主流となっている測定器の大部分は、下記の原理に基づいて設計されている。
 【1】エーベルト氏測定装置(Ebert's ion-counter
空気イオン測定器として初めて考案されたものである。


[Fig.1 エーベルトイオンカウンター概念図]


は導体の円筒で接地されている。は絶縁されており Aの軸に一致している。また、Bの一端はウルフ氏双線電位計と連結 している。空気は右下部のファンにより、単位時間当たりωの 吸引量で吸引される。

初めにBをV0の電位に帯電させて、空気をAとBの間に 通過させれば、BはBの帯電と逆符号のイオンを吸引して中和する。
t 時間吸引した後、電位がVtになったとする。

A、B、Eからなる静電容量をCとすると、Bによって中和された イオンは
C(Vt−V0

となる。

一個のイオンが持つ電気量をe として、 空気イオン量は単位体積あたりの個数で表すので 測定値 n は、

n = C(Vt−V0)/eω ・・・ 式@

となる。

上式@において、V0及びωを変化させることによって、 基本的には任意の移動度(運動度)を持つイオンの測定が可能と なる。

A−B間の電位を高くして、吸引する空気の流れを減少させて 測定すれば、小イオンと大イオンの和(n+N)が求められる。 よって小イオンnを測定して(n+N)から nを引けば、大イオン数Nが求められる。

なお、イオン測定装置としてはこの他に、 この原理を応用したゲルディエン法などがある。
 【2】ゲルディエン法(Gerdien condenser
上記エーベルト氏の原理を応用したものである。
現在、市販のイオン測定器の測定原理として主流となっている。
また、これを応用した平行平板型のものもある。


[Fig.2 ゲルディエン法の原理]


Fig.2 は二重同心円筒で、ファンによって空気を円筒内にの向きに流入させる。
ここで、それぞれ
ro = 外筒の内径
ri = 内筒の半径
L = 円筒の長さ
Φ = 単位時間当たりに円筒内を流れる空気の流量
V = 外筒に印加する電圧
である。

空気中に含まれているイオンは、円筒間の電界によって内筒面に流れ込む。 Vが正の時には正イオンを、負の時には負イオンを測定出来る。

例えば、仮に空気中のイオンがすべて等しい移動度を持っていたとして、 P点から入ったイオンがS点で内筒に捕捉されたとすると、 円筒内に入るイオンはすべて内筒に捕捉されることになる。

ところが、実際の大気中には様々な移動度を持ったイオンが存在する。 円筒の最終端部分、すなわちT点で捕捉されるイオンの 移動度を臨界移動度とよぶ。臨界移動度kc
kc =Φln(ro/ri=Φ
2πLV4πaV

ここで、 a =L
2πln(ro/ri
で与えられる。測定器の臨界移動度より大きな移動度を持つイオンは全て捕捉されるが、 小さい移動度のものは捕捉されずに外へ流れ去る(C)。Fig.2において、T点に到達する イオンがR点から入ってきたとすると(D)PR間を通過するイオンは逃げ去り、RQ間、 つまり斜線部の面を通過するイオンだけが内筒に捕捉される。この斜線部を 通過する流量φと入口の全面積を通過する流量Φとの比は、
φΦ = k/kc
となる(Misaki, 1960)。



[Fig.3 ゲルディエンコンデンサーの電圧・電流特性曲線
(三崎, 1976)]


簡単のために小イオンのみが存在する場合を考えると、
いま、流量を一定にしてこの装置の電圧電流特性をみると、 Fig.3のようになる。曲線が飽和に達するP点は、小イオンが すべて捕捉されていることを示しており、臨界移動度kcを 小イオンの最小移動度ksに等しくした点と考えてよい。 この場合の印加電圧は
Vs =Φ
4πaks
で与えられ、小イオンの濃度nsは、その飽和電流isから、
ns =is
(eは電荷素量)
で与えられる。

主に「大気電気学(北川信一郎 編著)」から引用。
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