RU2090987C1

RU2090987C1 - Nonsteady-state plasma probing device

Info

Publication number: RU2090987C1
Application number: RU95114970A
Authority: RU
Inventors: В.А. Котельников; Р.М. Кондратьев; Г.Ф. Кипаренко; В.М. Пигарин; М.В. Котельников
Original assignee: Московский государственный авиационный институт (технический университет); Котельников Вадим Алексеевич; Кондратьев Руслан Михайлович; Кипаренко Галина Федоровна; Пигарин Виктор Михайлович; Котельников Михаил Вадимович
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 1997-09-20

Abstract

FIELD: nonsteady-state measurements by means of probes on board space flying vehicles, checking medium around satellites, investigations in physics of plasma. SUBSTANCE: device has pulse generator incorporating master oscillator, isolating Schmitt flip-flops, pulse shaper, transistor switch, high-frequency isolating power transformer, as well as probe, power circuit, and measuring circuit. Probe and measuring circuit are connected to different poles of generator; pulse generator is supplied with power from isolating high-frequency transformer using distributed windings. EFFECT: improved measurement accuracy due to reduced effect of stray capacitances of measuring instrument on pulse waveform across probe. 2 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению в области экспериментальной физики и предназначено предпочтительно для нестационарных зондовых измерений на борту космических летательных аппаратов для контроля окружающей спутник среды, а также для исследований в области физики плазмы. The invention relates to instrumentation in the field of experimental physics and is preferably intended for non-stationary probe measurements on board spacecraft to control the environment surrounding the satellite, as well as for research in the field of plasma physics.

Известно устройство, используемое для получения прямоугольных импульсов для нестационарных зондовых измерений и определения с их помощью таких физических параметров плазмы, как температура ионов и время релаксации плазмы, не определяемых в стационарных зондовых измерениях. Это устройство является наиболее близким к данному техническому решению. Упомянутая схема содержит формирователь импульсов на лавинном транзисторе и транзисторный ключ. Недостатками схемы является кратковременное воздействие на плазму вследствие короткого импульса, формируемого данным устройством из-за использования линии задержки. Также отсутствует гальваническая и емкостная развязка цепей питания от "земли", при этом измерительное сопротивление может быть включено только в цепь выхода генератора /коллектор транзистора Т2/, вследствие чего емкость измерителя шунтирует сигнал, подаваемый на зонд. A device is known that is used to obtain rectangular pulses for non-stationary probe measurements and to determine with their help such physical plasma parameters as the ion temperature and plasma relaxation time that are not determined in stationary probe measurements. This device is the closest to this technical solution. The mentioned circuit contains a pulse shaper on an avalanche transistor and a transistor switch. The disadvantages of the scheme is a short-term effect on the plasma due to the short pulse generated by this device due to the use of the delay line. Also, there is no galvanic and capacitive isolation of the power supply circuits from the ground, while the measuring resistance can only be included in the generator output circuit / collector of transistor T2 /, as a result of which the meter capacitance shunts the signal supplied to the probe.

Цель настоящего изобретения увеличение точности измерений в нестационарной зондовой диагностике. The purpose of the present invention is to increase the accuracy of measurements in non-stationary probe diagnostics.

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее импульсный генератор, включающий формирователь импульсов и транзисторный ключ, снабжено задающим генератором на триггере Шмитта, развязывающими триггерами Шмитта, измерительной цепью, зондом и разделительным высокочастотным трансформатором, при этом выход задающего генератора связан с развязывающими триггерами, выход одного из которых связан с формирователем импульсов на триггере Шмитта, выход которого связан с транзисторным ключом, выход которого связан с зондом, а выход другого развязывающего триггера соединен с входом синхронизации осциллографа, при этом измерительная цепь и зонд подключены к разным полюсам импульсного генератора, поэтому выход импульсного генератора, связанный с зондом, не шунтируется емкостью измерителя /осциллографа/, а электропитание генератора развязано, т.к. осуществляется через разделительный высокочастотный трансформатор с разнесенными обмотками. This goal is achieved by the fact that the device containing the pulse generator, including a pulse shaper and a transistor switch, is equipped with a master oscillator on a Schmitt trigger, decoupling Schmitt triggers, a measuring circuit, a probe and an isolation high-frequency transformer, while the output of the master oscillator is connected with decoupling triggers, the output one of which is connected to a pulse shaper on a Schmitt trigger, the output of which is connected to a transistor switch, the output of which is connected to a probe, and the output is dr The decoupling trigger is connected to the synchronization input of the oscilloscope, while the measuring circuit and the probe are connected to different poles of the pulse generator, therefore, the output of the pulse generator associated with the probe is not bypassed by the capacity of the meter / oscilloscope /, and the generator power is decoupled, because carried out through a high-frequency isolation transformer with spaced windings.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для нестационарных зондовых измерений, на фиг. 2 схема питания и подключения устройства к зонду и измерителю. In FIG. 1 is a schematic diagram of a device for non-stationary probe measurements; FIG. 2 diagram of the power and connecting the device to the probe and meter.

Устройство содержит импульсный генератор 1, включающий задающий генератор /ЗГ/ 2 на триггере Шмитта, развязывающие триггеры Шмитта 3 и 4, формирователь импульсов 5 и транзисторный ключ 6. Вход развязывающих триггеров 3 и 4 соединен с выходом ЗГ. Выход триггера 3 формирователя сигнала запуска осциллографа подключается к входу синхронизации осциллографа. Выход развязывающего триггера 4 связан с входом формирователя импульсов на триггере Шмитта 5. Выход формирователя импульсов 5 подключен ко входу транзисторного ключа 6 на транзисторе КТ316, а коллектор транзистора КТ316 связан с зондом 8. Измеряемый сигнал поступает на осциллограф с внешнего пункта 7, через который генератор связан с "землей". Питание генератора развязано за счет использования высокочастотного разделительного трансформатора 9 с разнесенными обмотками, емкость между которыми незначительна. The device comprises a pulse generator 1, including a master oscillator / ЗГ / 2 on a Schmitt trigger, decoupling Schmitt triggers 3 and 4, a pulse shaper 5 and a transistor switch 6. The input of decoupling triggers 3 and 4 is connected to the output of the ЗГ. The output of trigger 3 of the oscilloscope trigger signal generator is connected to the oscilloscope synchronization input. The output of decoupling trigger 4 is connected to the input of the pulse former on Schmitt trigger 5. The output of the pulse former 5 is connected to the input of transistor switch 6 on the KT316 transistor, and the collector of the transistor KT316 is connected to the probe 8. The measured signal is fed to the oscilloscope from external point 7, through which the generator connected to the "earth". The generator power is isolated through the use of a high-frequency isolation transformer 9 with spaced windings, the capacitance between which is negligible.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор ЗГ на триггере Шмитта 2 выдает сигнал амплитудой -2,5 В на вход двух развязывающих триггеров Шмитта 3 и 4. Период повторения и длительность импульсов определяются параметрами R1 и C1-цепочки, входящей в ЗГ. С выхода развязывающего триггера 3 снимается сигнал для запуска горизонтальной развертки осциллографа. С триггера 4 через RC-цепочку сигнал подается на формирователь импульсов на триггере 5. Все 4 триггера Шмитта выполнены в виде микросхемы серии ТТЛ. The device operates as follows. The master generator of the ЗГ on the Schmitt trigger 2 gives a signal with an amplitude of -2.5 V to the input of two decoupling Schmitt triggers 3 and 4. The repetition period and the duration of the pulses are determined by the parameters R1 and C1-chain included in the ЗГ. From the output of the decoupling trigger 3, a signal is taken to start the horizontal sweep of the oscilloscope. From trigger 4, through an RC chain, the signal is supplied to a pulse former on trigger 5. All 4 Schmitt triggers are made in the form of a TTL series chip.

Триггер 5 формирует сигнал с коротким фронтом нарастания импульса порядка нескольких наносекунд. Сигнал через резистор R3 подается на базу транзистора КТ316, который выдает прямоугольный импульс. Короткий фронт импульса порядка нескольких наносекунд достигается за счет использования быстродействующих элементов триггеров Шмитта серии ТТЛ и высокочастотного ключевого транзистора КТ316 6. Максимальная амплитуда выходного сигнала с транзистора составляет -30 В. Малое время нарастания импульса достигается также за счет того, что паразитная емкость измерительной схемы не влияет на сигнал в цепи зонда, т.к. не шунтирует его. Trigger 5 generates a signal with a short pulse rise front of the order of several nanoseconds. The signal through the resistor R3 is fed to the base of the transistor KT316, which produces a rectangular pulse. A short pulse front of the order of a few nanoseconds is achieved through the use of high-speed elements of the Schmitt triggers of the TTL series and the high-frequency key transistor KT316 6. The maximum amplitude of the output signal from the transistor is -30 V. A short pulse rise time is also achieved due to the fact that the parasitic capacitance of the measuring circuit is not affects the signal in the probe circuit, as Don't bypass it.

Электропитание устройства /фиг. 2/ осуществляется через разделительный высокочастотный трансформатор 9 на ферритовом кольце с разнесенными обмотками. На первичную обмотку 10 подается напряжение от внешнего высокочастотного генератора. Обмотка 11, с которой снимается напряжение питания, имеет малую емкостную связь с первичной обмоткой трансформатора 10. Питание элементов схемы импульсного генератора идет от выпрямителя 12. Генератор с корпусом плазменной установки или космического летательного аппарата связан только через измерительное сопротивление /R5/, поэтому выход импульсного генератора, связанный с зондом, не шунтируется емкостью измерителя /осциллографа/, что позволяет выполнять измерения формы тока зонда с малой погрешностью. Power supply device / Fig. 2 / is carried out through a high-frequency isolation transformer 9 on a ferrite ring with spaced windings. The primary winding 10 is supplied with voltage from an external high-frequency generator. The winding 11, with which the supply voltage is removed, has a small capacitive connection with the primary winding of the transformer 10. The power supply to the elements of the pulse generator circuit comes from the rectifier 12. The generator with the casing of the plasma installation or spacecraft is connected only through the measuring resistance / R5 /, therefore, the pulse output the generator associated with the probe is not shunted by the capacitance of the meter / oscilloscope /, which allows measurements of the shape of the probe current with a small error.

Малый размер устройства /-2 см³/ позволяет помещать генератор рядом с зондом, вследствие чего паразитная емкость соединительных проводов практически не ухудшает фронта импульса в зондовой цепи.The small size of the device / -2 cm ³ / allows you to place the generator next to the probe, as a result of which the stray capacitance of the connecting wires practically does not worsen the pulse front in the probe circuit.

Устройство позволяет получить импульсы напряжения прямоугольной формы со временем нарастания фронта порядка нескольких наносекунд. Короткий фронт нарастания импульсов необходим из-за быстроменяющихся процессов в плазме. The device allows to obtain rectangular voltage pulses with a rise time of the front of the order of several nanoseconds. A short front of pulse growth is necessary due to rapidly changing processes in the plasma.

Измерительная часть выполняется низкоомной для уменьшения постоянной времени измерительной цепи, что приводит к уменьшению искажения формы сигнала на измерительном приборе. The measuring part is performed low-resistance to reduce the time constant of the measuring circuit, which reduces the distortion of the waveform on the measuring device.

Claims

A device for non-stationary probe plasma diagnostics containing a pulse generator, including a pulse shaper and a transistor switch, a probe, a measuring circuit and a probe power circuit, characterized in that it is equipped with a master oscillator on a Schmitt trigger, decoupling Schmitt triggers, an isolation high-frequency transformer, and the output the master oscillator is connected to decoupling triggers, the output of one of which is connected to a pulse shaper, the output of which is connected to a transistor switch, the output d which is associated with the probe, and the output of another flip-flop is connected to the input of the oscilloscope synchronization, the measuring circuit and the probe are connected to different poles of the pulse generator, and the pulse generator is connected to the power supply via an isolating high frequency transformer with separated windings.