RU2574721C1 - Способ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы - Google Patents
Способ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574721C1 RU2574721C1 RU2014142312/07A RU2014142312A RU2574721C1 RU 2574721 C1 RU2574721 C1 RU 2574721C1 RU 2014142312/07 A RU2014142312/07 A RU 2014142312/07A RU 2014142312 A RU2014142312 A RU 2014142312A RU 2574721 C1 RU2574721 C1 RU 2574721C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- probes
- probe
- current
- voltage
- Prior art date
Links
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 title claims abstract description 60
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 title claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 4
- 230000001151 other effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000036470 plasma concentration Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики неоднородного слоя плазмы, контроля параметров плазмы в технологических установках, в исследованиях по моделированию плазмы ионосферы. Способ включает следующие операции: устанавливают в плазму по крайней мере два идентичных зонда, при этом расстояние между зондами выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов; осуществляют зондирование плазмы путем одновременного приложения одинакового импульса напряжения ко всем зондам; с помощью устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, регистрируют ток; зарегистрированные сигналы передают на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов; по полученным результатам определяют пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния. Технический результат - повышение точности определения состояния плазмы путем определения пространственно-временного распределения ее параметров в одном импульсе плазмы. 5 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения электронных токов с целью определения пространственно-временного распределения концентрации заряженных частиц и может быть использовано для диагностики неоднородного слоя плазмы, контроля параметров плазмы в технологических установках.
Из существующего уровня техники известны способы и устройства измерения электронной концентрации плазменных образований с помощью электрического зонда Ленгмюра [1-6], основанные на активном зондировании исследуемой плазмы током малой интенсивности. Суть способа заключается в том, что в плазму помещают металлический проводник (далее - зонд) различной формы - плоской, цилиндрической или сферической. С помощью внешнего источника напряжения задают потенциал зонда относительно одного из инициирующих разряд электродов (чаще всего находящегося под нулевым потенциалом). Регистрируют зависимость тока зонда от подаваемого на него потенциала, т.е. снимают зондовую вольт-амперную характеристику (ΒΑΧ), по которой судят о концентрации электронов плазмы.
Недостатком данного типа устройств является то, что ток зонда регистрируется для неустановившегося режима, что приводит к погрешности в определении вольт-амперных характеристик, а следовательно, и в вычислениях концентрации и температуры плазмы.
Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению являются способ и устройство по патенту RU 2503158, опубл. 27.12.2013, Бюл. №36.
Способ включает установку зонда в плазму, приложение к зонду дискретных ступенчатых импульсов напряжения, регистрацию вольт-амперной характеристики, измеряют потенциал пространства плазмы, напряжение каждой последующей ступени в импульсе задают большим по сравнению с предыдущей, ступени формируют с временными интервалами между ними, во время которых потенциал на зонде устанавливают равным потенциалу пространства плазмы. При этом длительность каждой ступени и интервалы времени между ними устанавливают не менее времени восстановления квазинейтральности плазмы. Устройство для зондовой диагностики плазмы содержит источник питания, зонд, генератор дискретных ступенчатых импульсов напряжения и блок измерения, генератор запускающих импульсов, соединенный с генератором дискретных ступенчатых импульсов. Генератор дискретных ступенчатых импульсов состоит из блока коммутации, источников постоянной ЭДС и микропроцессора, управляющего блоком коммутации, а блок измерения включает набор переключаемых резисторов.
Известный способ не позволяет определить распределение концентрации плазмы. Это было бы возможно осуществить путем перемещения по объему плазменного образования одного двухэлектродного зонда, подключенного к генератору ступенчатых напряжений. Такой подход находит свое применение в случае плазмы стационарного газового разряда либо импульсного разряда с высокой повторяемостью параметров. В случае изменений условий среды и соответственно параметров плазмы либо в случае возникновения неповторяемых условий применение указанного способа приведет к потере информации и искажению результатов измерений. Аналогичный результат возможен в случае возникновения в плазме процессов, приводящих к изменению параметров плазменного образованию по объему. Такой эффект возможен, например, в результате взаимодействия электромагнитных волн с магнитоактивной плазмой, возбуждением высокоэнергетичных возмущений в плазме. Кроме того, перемещение зонда от импульса к импульсу не обеспечивает воспроизводимости начальных условий эксперимента, что обусловлено возмущением зондом плазмы. В то же время применение для измерения распределения параметров плазмы множества двухэлектродных зондов, подключенных к осциллографам, затруднительно, т.к. имеет место электрическая изолированность зондовой цепи, что подразумевает использование значительного количества применяемого оборудования.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в измерении пространственно-временного распределения магнитоактивных плазменных образований различной геометрии в широком диапазоне исследуемых параметров за один импульс.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения состояния плазмы путем определения пространственно-временного распределения ее параметров в одном импульсе плазмы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе зондовой диагностики магнитоактивной плазмы, включающем установку двухэлектродного зонда в плазму, приложение к зонду ступенчатого импульса напряжения, регистрацию тока с последующим построением вольт-амперной характеристики и определением концентрации электронов в области установки зонда, которая отражает состояние плазмы в данной области, дополнительно устанавливают в плазму по крайней мере еще один зонд, идентичный первому, при этом расстояние между зондами выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов, осуществляют зондирование плазмы путем одновременного приложения одинакового импульса напряжения ко всем зондам и с помощью устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, регистрируют ток, затем зарегистрированные сигналы передают на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов, по полученным результатам определяют пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния.
Установка в плазму по крайней мере еще одного зонда, идентичного первому, позволяет регистрировать распределение параметров плазмы.
Выбор расстояния между зондами из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов необходим для того, чтобы избежать искажения результатов измерений.
Приложение к дополнительному зонду импульсов напряжения одновременно с приложением импульсов напряжения к первому зонду позволяет проводить снятие вольт-амперных характеристик одновременно для всех зондов.
Применение устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, позволяет выполнить требования, предъявляемые к регистрирующей аппаратуре, работающей в сильных электромагнитных полях, к оцифровке сигнала, обеспечить точность измерений от разных зондов при относительно низкой стоимости.
Передача сигналов на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов позволяет использовать программное обеспечение, позволяющее определить и визуализировать пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния. Знание картины распределения плотности плазмы позволяет определить, например, область возникновения ее неустойчивости, моделировать процессы, контролировать однородность плотности в плазменных устройствах и т.д.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором в виде блок-схемы изображена система определения распределения концентрации электронов в магнитоактивной плазме, где:
1 - формируемая магнитоактивная плазма;
2 - двухэлектродный зонд;
3 - регистратор зондовых токов;
4 - генератор дискретных импульсов напряжения;
5 - ПК.
Регистратор зондовых токов представляет собой устройство, блок-схема которого представлена на фиг. 2, где:
6 - усилитель сигналов;
7 - низкочастотный фильтр,
8 - микроконтроллер.
На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема эксперимента.
На фиг. 4 представлена фотография двойного электрического зонда, где:
9 - электроды двухэлектродного зонда,
10 - капилляр.
На фиг. 5 представлено аксиальное распределение плотности электронов.
Заявляемый способ можно пояснить с помощью изображенной на фиг. 1 блок-схемы, выполненной на основе регистратора зондовых токов (фиг. 2). Блок-схема включает шесть зондов, каждый из которых подключен к генератору напряжений ступенчатой формы и регистратору зондовых токов, снабженному автономным источником питания, в качестве которого используют аккумулятор 6,5 В, емкостью 4,5 А·ч. Зонды размещены относительно друг друга на расстоянии 1 м.
Регистратор (фиг. 2) содержит операционный усилитель, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, средства изоляции от сети переменного напряжения. Зонд (фиг. 4) представляет собой систему из двух идентичных цилиндрических вольфрамовых электродов 28 Ш0,15 мм с длиной неизолированной части 10 мм. Каждый электрод помещен в стеклянный капилляр-держатель 29 с наружным диаметром 1,5 мм. Электроды зонда расположены на расстоянии 3 мм друг от друга. Согласно [6] такая геометрия двойного зонда позволяет проводить корректные измерения.
В качестве примера работы предлагаемого изобретения может служить исследование динамики изменения аксиального распределения концентрации плазменного столба 1. Столб плазмы 1 формировался на экспериментальном стенде (фиг. 3) с помощью низковольтного дугового разряда в Ar при давлении 5·10-4 Торр в магнитном поле индукцией 60 мТл. Для данных значений индукции магнитного поля и давления плазма является частично замагниченной, в которой электроны являются замагниченными, а ионы - нет.
Шесть генераторов ступенчатых напряжений 4 формируют на шести зондах 2 напряжение соответствующей формы. Длительность импульса напряжения может варьироваться в зависимости от экспериментальных условий. Далее, сигнал с двухэлектродного зонда 2 поступает в усилительный каскад 6, в котором установлен операционный усилитель AD 620 и блок резисторов, обеспечивающий изменение коэффициента усиления. Для того чтобы избавиться от влияния усиленных высокочастотных составляющих сигнала, которые не несут информационной нагрузки, используется фильтр нижних частот 7. Далее сигнал поступает на микроконтроллер 8 ATmega128. Полученные измерения записываются в память микроконтроллера 8 и затем передаются посредством интерфейса RS-485 на персональный компьютер 5. Изоляция регистратора 3 от внешних потенциалов осуществляется следующим образом. Импульс, запускающий системы, имеет гальваническую развязку с помощью оптрона TLP 759. Гальваническая развязка интерфейса RS-485 обеспечивается микросхемой ADM 2483.
Сигналы с регистраторов 3 передают на персональный компьютер 5 для обработки и построения вольт-амперных характеристик, по которым определяют параметры плазмы в области установки конкретного зонда 2 и пространственно-временное распределение параметров плазмы 1.
Из фиг. 5 видно, что распределение плотности электронов по длине плазменного столба носит убывающий характер. В течение разряда распределение плотности плазмы 1 по длине практически не изменяется. Максимальное значение концентрации - 1,3·1010 см-3 наблюдается на расстоянии 1 м от катода. Минимальное значение концентрации составляет 0,25·10 см-3 для расстояния 6 м от катода. Полученные данные были использованы для проведения расчетно-теоретических исследований и уточнения физических моделей.
Источники информации
[1] Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969, 292 с.
[2] Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996, 240 с.
[3] Б.В. Алексеев, В.А. Котельников. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988, 240 с.
[4] Методы исследования плазмы // Спектроскопия, лазеры, зонды. / Под редакцией В. Лохте-Хольтгревена, перевод с англ. под редакцией С.Ю. Лукьянова. М.: Издательство «Мир», 1971, 552 с.
[5] Патент RU 2351101 «Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах», опубликовано: 27.03.2009. Бюл. №36.
[6] Ю.М. Каган, В.И. Перель // Журн. техн. физ. Т. 35. 1965. С. 2069-2075.
Claims (1)
- Способ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы, включающий установку двухэлектродного зонда в плазму, приложение к зонду ступенчатого импульса напряжения, регистрацию тока с последующим построением вольт-амперной характеристики и определением концентрации электронов в области установки зонда, которая отражает состояние плазмы в данной области, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают в плазму по крайней мере еще один зонд, идентичный первому, при этом расстояние между зондами выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга областей возмущения от установки зондов, осуществляют зондирование плазмы путем одновременного приложения одинакового импульса напряжения ко всем зондам и с помощью устройств регистрации, к которым подключают соответствующие зонды независимо друг от друга и которые работают от автономных источников питания и снабжены средствами изоляции от сети переменного напряжения, регистрируют ток, затем зарегистрированные сигналы передают на персональный компьютер для обработки и построения вольт-амперных характеристик с определением концентрации электронов в областях установки зондов, по полученным результатам определяют пространственно-временное распределение параметров плазмы и динамизм ее состояния.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2574721C1 true RU2574721C1 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2351101C1 (ru) * | 2007-09-04 | 2009-03-27 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах |
US20110309823A1 (en) * | 2010-05-05 | 2011-12-22 | Ysi Incorporated | Replaceable Probe Head Having An Operational Amplifier |
RU2503158C1 (ru) * | 2012-08-01 | 2013-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2351101C1 (ru) * | 2007-09-04 | 2009-03-27 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах |
US20110309823A1 (en) * | 2010-05-05 | 2011-12-22 | Ysi Incorporated | Replaceable Probe Head Having An Operational Amplifier |
RU2503158C1 (ru) * | 2012-08-01 | 2013-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ зондовой диагностики плазмы и устройство для его осуществления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Colburn et al. | Lifting the lid on the potentiostat: a beginner's guide to understanding electrochemical circuitry and practical operation | |
EP3179256A1 (en) | Non-contact ac voltage measurement device | |
CN103460058B (zh) | 通过电流的两个不同值无接触地确定对象的电势的方法以及设备 | |
Ilkhechi et al. | Generation of acoustic phase-resolved partial discharge patterns by utilizing UHF signals | |
EP3567383B1 (en) | Multi-sensor scanner configuration for non-contact voltage measurement devices | |
EP3567384B1 (en) | Multi-sensor configuration for non-contact voltage measurement devices | |
EP3567394B1 (en) | Position dependent non-contact voltage and current measurement | |
JP2017062122A (ja) | 磁界検出装置 | |
CN110062888A (zh) | 用于测量气流速度的装置和方法 | |
JP5864721B2 (ja) | オブジェクトの電位を非接触で求めるための装置およびクランプメータ | |
US20140015540A1 (en) | Method for Ascertaining at least one Malfunction of a Conductive Conductivity Sensor | |
JP4653158B2 (ja) | LiMCAのための電極構造 | |
Xu et al. | Loss current studies of partial discharge activity | |
US10151609B2 (en) | Magnetic inductive flow measurement device and method with reduced electrochemical interference voltage | |
RU2574721C1 (ru) | Способ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы | |
CN112180177A (zh) | 一种融合实测数据的工频电磁场评估方法及系统 | |
US4251775A (en) | Ion flux density probe | |
WO2017008172A1 (en) | A method and device for determining the wear of a carbon ceramic brake disc in a vehicle by impedance measurements | |
Gataullin | High Voltage Electrical Insulators Diagnostics by Partial Discharges Characteristics | |
Li et al. | Influence of wave propagation process on measurement of corona current | |
Wotzka | Mathematical description of acoustic emission signals generated by partial discharges | |
RU2471198C1 (ru) | Способ определения контактной разности потенциалов и устройство для его осуществления | |
Stević et al. | Modeling and sensing of electrochemical processes upon dirac potentiostatic excitation of capacitive charging/discharging | |
Yinfei et al. | Experimental investigation on the influence of AC voltage on positive corona current pulses from DC conductor parallel with AC conductor | |
JP2019184544A (ja) | 電磁流量計の変換器、電磁流量計、及び流量演算方法 |