ДВА ИНТЕРЕСНЫХ ПРИМЕРА

Задача 35

Для исследовательских целей нужно знать так называемую подвижность ионов в газах (скорость их направленного перемещения). Напряженность заданна, расстояние между электродами известно, нужно измерить время дрейфа ионов от электрода к электроду. Так и поступают. В фиксируемый момент времени вводят (у поверхности одного из электродов) ионы, а затем измеряют время их дрейфа под действием поля до другой точки (у другого электрода). Для определения подвижности ионов другого знака полярности меняются на противоположные.

Однажды потребовалось решить эту задачу при условии, что состав газа быстро (30 млс) меняется. Было и дополнительное требование: простота оборудования. Между тем с увеличением быстродействия появилась необходимость создать высоковольтные схемы синхронизации и запуска, на разработку которых нужно было затратить немало времени и сил.

Итак, за 30 млс нужно измерить продолжительность дрейфа ионов обоих знаков. Если проводить измерения последовательно, каждое из них придется выполнять максимум за 10-12 млс. Явно выгоднее проводить измерения одновременно. Задача так и была поставлена. Но проработка по оператору РВС, проведенная до анализа, заставила вернуться к принципу последовательных измерений. Мысленно увеличим размеры ионов: навстречу друг другу движутся противоположно заряженные теннисные шары. Еще увеличим размеры: на встречных курсах движутся противоположно заряженные планеты. Огромные заряды неизбежно вызовут взаимодействие планет. Но ведь подобное взаимодействие должно возникнуть и при сближении противоположно заряженных ионов! Оператор РВС заставил обратить внимание на обстоятельство, которое не было замечено при постановке задачи. Пришлось отказаться от принципа одновременного измерения подвижности ионов двух знаков. Пусть один ион пробежит дистанцию и мгновенно, без потерь времени сменится ионом другого знака. Мы избавляемся от помех, но, увы, проигрываем в дополнительном усложнении оборудования: нужно с величайшей точностью определить момент прибытия на «финиш» иона одного знака, чтобы тут же дать «старт» иону другого знака.

В задаче упомянуто шесть элементов: два электрода, два вида ионов, газ, электрическое поле. Что же взять в качестве конфликтующей пары? «Изделие» - ионы, инструмент - поле. Электроды остаются «вне игры» (как краскораспылитель в задаче 33 и камера в задаче 29).

Однако здесь мы впервые сталкиваемся с «электрической» спецификой задачи. Какой ион включить в конфликтующую пару - положительный или отрицательный? С отрицательного иона, когда он прибудет на «финиш», нужно будет «сдирать» лишние электроны, к положительному иону на финише придется «добавлять» недостающие электроны. В сущности та же ситуация, что и в задаче о краске: идти от «много», убирая избыток, или от «мало», добавляя то, чего недостает?

Когда задача 34 решалась впервые, взяли положительные ионы... и ни к чему не пришли. Потом взяли отрицательные ионы и получили новую идею. Сломать что-то (будь то дом, статуя, молекула или атом) легче, чем достроить - увы, таково правило. Хотя бы просто потому, что для постройки нужно привнести материал извне (его может не оказаться), а для разрушения дополнительного материала не нужно. «Увеличивать энтропию проще, чем уменьшать», - можно пользоваться и такой формулировкой.

Итак, конфликтующая пара «отрицательный ион - электрическое поле». Суть конфликта в том, что поле умеет гнать ион от электрода к электроду, но на «финише» поле без посторонней помощи не может заменить отрицательный ион положительным. На шаге 3.1 в качестве объекта возьмем поле (инструмент), тогда ИКР будет звучать так: «Поле само меняет знак отрицательного иона. сохраняя способность перемещать этот ион». Отчетливо видно ФП: «Поле должно ломать отрицательный ион, чтобы его нейтрализовать или превратить в положительный, и не должно ломать ион, чтобы он пробежал дистанцию». Столь же ясно просматривается и путь устранения ФП (шаг 4.1): разделение противоречивых свойств в пространстве.

На дистанции поле не должно ломать ионы, а у финиша поле должно быть иным - пусть ломает отрицательные ионы, пусть отбирает у них электроны (тогда из отрицательных ионов будут возникать положительные). Как это сделать? У нас уже была такая задача: в столбе воздуха не появлялись ионы (никто не изымал электроны у нейтральных молекул) при слабых полях (радиоволны) и происходила ионизация (шло изъятие электронов у нейтральных молекул) при появлении сильного поля (молния).

Итак, нужно неоднородное поле: у поверхности «финишного» электрода оно должно иметь местное усиление, своего рода «прибрежный риф», о который разобьется «ионный корабль», или гвоздь, на который натолкнется поднимающийся вверх воздушный шарик: натолкнется, лопнет... и пойдет вниз (уже в другом состоянии).

С точки зрения вепольного анализа модель задачи относится к классу 9: взаимодействуют поле и вещество, заменять эти элементы по условиям задачи нельзя (мы измеряем подвижность именно ионов и именно в электрическом поле); нужно обеспечить хорошее управление одним из элементов. Типовое вепольное преобразование: введение второго вещества, хорошо поддающегося управлению или превращающего поле П1 и П1. На «финишном» электроде должно быть вещество, которое превращает относительно слабое поле, общее для всей «дистанции», в местное сильное поле.

Итак, положительный электрод должен иметь «иглу» (или вообще только из иглы и состоять). Положительный потенциал надо подобрать так, чтобы напряженность у «иглы» была меньше начальной напряженности самостоятельного коронного разряда (такой разряд создал бы помехи), но больше критической напряженности, при которой распадаются отрицательные ионы. Вот, собственно, и все. В момент времени Т1, регистрируемый, например, с помощью электронного осциллографа, у внутренней поверхности отрицательного электрода создают сгусток отрицательных ионов, которые под действием поля начинают дрейфовать к положительному электроду. При подходе к нему ионы попадают в область сильного поля и там распадаются на электроды и нейтральные молекулы. Электроны ионизируют нейтральные молекулы газа, вызывая вспышку несамостоятельной положительной короны, в которой возникают положительные ионы.

Регистрируют момент времени Т2 образования этой вспышки, которая одновременно служит и индикатором поступления отрицательных ионов, и генератором положительных ионов, стартующих в момент времени Т2 в обратном направлении. Далее регистрируют момент времени Т3 прихода положительных ионов на отрицательный электрод и получают, таким образом, на одной осциллограмме три отметки времени, по которым определяют времена дрейфа отрицательных и положительных ионов.

Впрочем, это уже технические детали. Важно другое: решение такой задачи по АРИЗ не отличается от решения простых задач с банками, калькой или шлифовальным кругом. Лишь на самом последнем этапе - при переходе от физического решения к техническому - требуются специальные знания. Надо, например, знать, что распад отрицательных ионов может сопровождаться вспышкой. Пока это не отражено в таблице физических эффектов и явлений...
[1] [2]