RU2616853C1 - Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме - Google Patents
Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616853C1 RU2616853C1 RU2015149021A RU2015149021A RU2616853C1 RU 2616853 C1 RU2616853 C1 RU 2616853C1 RU 2015149021 A RU2015149021 A RU 2015149021A RU 2015149021 A RU2015149021 A RU 2015149021A RU 2616853 C1 RU2616853 C1 RU 2616853C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- electrodes
- electrode
- insulating substrate
- wedge
- Prior art date
Links
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 title description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000301493 Exora Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к космической технике, а именно к диагностическому оборудованию, и может быть использовано для измерения концентрации электронов в плазме ударной волны спускаемого космического аппарата. Технический результат: датчик включает изолирующую подложку, закрепленные на изолирующей подложке и расположенные друг напротив друга теплозащитные элементы, внутри которых установлены электроды. Теплозащитные элементы имеют клиновидную форму и выполнены таким образом, что одна из сторон каждого электрода открыта для контакта с плазмой, а открытые стороны электродов расположены параллельно и обращены навстречу друг к другу. Каждый электрод расположен в противолежащей по отношению к остроугольной части клиновидного теплозащитного элемента, которая обращена острым углом кнаружи и навстречу потоку плазмы. Под изолирующей подложкой установлен интерметаллический магнит на основе неодима, обладающий высокой магнитной индукцией ~0,8-1,2 Тл, ориентированный таким образом, что магнитное поле направлено параллельно плоскостям открытых сторон электродов и перпендикулярно потоку плазмы. 2 ил.
Description
Изобретение относится к космической технике, а именно к диагностическому оборудованию, и может быть использовано для измерения концентрации электронов в плазме ударной волны спускаемого космического аппарата.
Известны различные способы измерения концентрации электронов в плазме, например зонд Ленгмюра, СВЧ-диагностика, и т.д. [1-5]. Однако высокая температура в окрестности спускаемого аппарата, большие перегрузки и значения давления торможения, а также возможность наличия твердых элементов обшивки накладывают ограничения на выбор датчика среди возможных вариантов. Датчик должен быть прост, надежен, выдерживать высокие температуры и попадание твердых частиц от элементов обшивки. Кроме того, датчик должен быть работоспособен в течение достаточно длительного времени ~10 сек, а это весьма непросто для скоростей полета 4-6 км в секунду. Работоспособность датчиков должна быть обеспечена для высот от 80 км до поверхности земли. А это означает, что полет осуществляется в различных физических условиях и при сильно различающихся температурно-силовых нагрузках. Так как на определенных высотах на траектории полета аппарата концентрация электронов имеет шумовой случайный характер, то желательно, чтобы датчик давал некий интегральный результат, осредненный в некоторой локальной зоне пространства, например в области расположения антенны.
Из уровня техники известно также зондовое устройство для измерения параметров плазмы, обеспечивающее увеличение диапазона измерений концентрации заряженных частиц до четырех и более порядков [6]. Известное зондовое устройство для измерения параметров плазмы содержит зондовый блок, выход которого подключен к операционному усилителю-преобразователю, в цепи обратной связи которого имеются переключаемые мультиплексором резисторы, введен блок анализа выходного сигнала, выполненный на двух операционных усилителях и логической схеме на элементах ИЛИ-НЕ, управляющий режимом работы счетчика импульсов, на вход которого также поступает счетный сигнал от генератора тактовых импульсов, а выходы соединены с управляющими входами мультиплексора.
К недостаткам известного зондового устройства следует отнести невозможность работы устройства при измерении параметров плазмы в ударной волне, образующейся при спуске аппарата с орбиты, т.к. высокая температура в окрестности спускаемого аппарата, большие перегрузки и значения давления торможения, а также возможность наличия твердых элементов обшивки выводят зондовый блок устройства прототипа из строя.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является плоский зонд для исследования плазмы [7], содержащий электрод и изолятор.
Однако конструктивное исполнение упомянутого зонда также неспособно обеспечить его работоспособность при измерении параметров плазмы в ударной волне, образующейся при спуске аппарата с орбиты.
Задачей изобретения является создание датчика для измерения концентрации электронов в плазме ударной волны, образующейся при входе спускаемого аппарата в атмосферу.
Технический результат заключается в обеспечении работоспособности датчика в упомянутых условиях в течение достаточно длительного времени за счет конструктивного исполнения его элементов и достигается тем, что датчик для измерения концентрации электронов в плазме, включающий два электрода и изолирующую подложку, дополнительно содержит закрепленные на изолирующей подложке и расположенные друг напротив друга теплозащитные элементы, внутри которых установлены упомянутые электроды, при этом теплозащитные элементы имеют клиновидную форму и выполнены таким образом, что одна из сторон каждого электрода открыта для контакта с плазмой, а открытые стороны электродов расположены параллельно и обращены навстречу друг к другу, причем каждый электрод расположен в противолежащей по отношению к остроугольной части клиновидного теплозащитного элемента, которая обращена острым углом кнаружи и навстречу потоку плазмы, а под изолирующей подложкой установлен интерметаллический магнит на основе неодима, обладающий высокой магнитной индукцией ~0,8-1,2 Тл, ориентированный таким образом, что магнитное поле направлено параллельно плоскостям открытых сторон электродов и перпендикулярно потоку плазмы.
Существенность отличий предлагаемого датчика для измерения концентрации электронов в плазме заключается в следующем.
За счет предложенного исполнения теплозащитного элемента в виде клина, остроугольная часть которого направлена кнаружи устройства и навстречу потоку плазмы, обеспечивается работоспособность датчика, т.к. высокоскоростной поток плазмы оказывает наибольшее воздействие на его переднюю часть, в то время как электроды расположены в противолежащей ей задней части, являющейся наиболее удаленной от подвергаемой воздействию плазмы. При этом острый угол клиновидного теплозащитного элемента вносит минимальное возмущение в поток плазмы, уменьшая погрешность измерений.
Кроме того, установленный под изолирующей подложкой интерметаллический магнит на основе неодима, обладающий высокой магнитной индукцией ~0,8-1,2 Тл, ориентированный таким образом, что магнитное поле направлено параллельно плоскостям открытых сторон электродов и перпендикулярно потоку плазмы, создает сильное магнитное поле, обеспечивающее необходимую амплитуду сигнала, измеряемого за счет эффекта Холла.
Сущность изобретения и пример его осуществления поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение датчика, вид сверху, а на фиг. 2 представлена электрическая схема его подключения.
Датчик для измерения концентрации электронов в плазме содержит два электрода 1, каждый из которых выполнен из графита или любого другого известного материала, по своим термическим и механическим свойствам сходного с керамикой, и помещен внутрь теплозащитного элемента 2; интерметаллический магнит 3 на основе неодима, обладающий высокой магнитной индукцией ~0,8-1,2 Тл, установлен под изолирующей подложкой 4, защищающей его от воздействия потока высокотемпературной плазмы, и ориентирован так, что магнитное поле (схематически обозначено на фиг. 1) направлено параллельно плоскостям открытых сторон электродов 1 и перпендикулярно потоку плазмы. Теплозащитные элементы 2, закрепленные друг напротив друга на изолирующей подложке 4, имеют клиновидную форму и выполнены таким образом, что одна из сторон каждого электрода 1 открыта для контакта с плазмой, а открытые стороны электродов 1 расположены параллельно и обращены навстречу друг к другу, причем каждый электрод расположен в противолежащей по отношению к остроугольной части клиновидного теплозащитного элемента 2, которая обращена своим острым углом кнаружи датчика и навстречу потоку плазмы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Электроды подключат к бортовому компьютеру, параллельно к электродам подключается шунтовое сопротивление Rш с помощь ключа К.
Высокоскоростной поток плазмы вблизи спускаемого аппарата протекает между двумя электродами 1, защищенными посредством клиновидных теплозащитных элементов 2, имея с ними электрический контакт. Магнитное поле, пересекающее поток плазмы, воздействует на электроны плазмы силой Лоренца (т.н. эффект Холла), и возникает электрический ток, перпендикулярный потоку плазмы. Величина этого тока зависит от скорости плазмы и от концентрации электронов. Ток снимается с плазмы с помощью электродов 1 и измеряется в бортовом компьютере. С помощью ключа К периодически подключается и отключается шунтовое сопротивление Rш для измерения напряжения и тока попеременно. Измерение напряжения необходимо для установления текущей скорости потока (напряжение пропорционально скорости плазмы и равно V=Blv, где В - магнитная индукция, l - расстояние между электродами, v - скорость потока плазмы). Путем получения данных о напряжении и холловском токе в бортовом компьютере вычисляется концентрация электронов.
Источники информации
1. Патент US 5339039 A "Langmuir probe system for radio frequency excited plasma processing system", МПК H01J 37/32, опубл. 1992 г.
2. Авторское свидетельство SU 434811 на изобретение "Способ определения концентрации электронов в газовой лазерной плазме", G01J 9/02, опубл. 1979 г.
3. Авторское свидетельство SU 425229 на изобретение "Метод измерения концентрации электронов в плазме", G01J 3/32, опубл. 1974 г.
4. В. Лохте-Хольтгревен. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. Перевод с англ. под ред. С.Ю. Лукьянова. М.: Мир, 1971 г.
5. Заявка CN 104244555 "Langmuir emitting probe for plasma space potential diagnosing", МПК H05H 1/00, опубл. 2014 г.
6. Патент РФ №2008761 на изобретение "Зондовое устройство для измерения параметров плазмы", МПК Н05Н 1/00, G01R 1/06, опубл. 1994 г.
7. Презентация "Научно-исследовательская практика", Томск, 2014 г., Серикбаев Б.С., - [Электронный ресурс]. Режим доступа http://player.myshared.ru/899766/. Дата обращения 06.11.2015 г.
Claims (1)
- Датчик для измерения концентрации электронов в плазме, включающий два электрода и изолирующую подложку, отличающийся тем, что содержит закрепленные на изолирующей подложке и расположенные друг напротив друга теплозащитные элементы, внутри которых установлены электроды, при этом теплозащитные элементы имеют клиновидную форму и выполнены таким образом, что одна из сторон каждого электрода открыта для контакта с плазмой, открытые стороны электродов расположены параллельно и обращены навстречу друг к другу, причем каждый электрод расположен в противолежащей по отношению к остроугольной части клиновидного теплозащитного элемента, которая обращена острым углом кнаружи и навстречу потоку плазмы, а под изолирующей подложкой установлен интерметаллический магнит на основе неодима, обладающий высокой магнитной индукцией 0,8-1,2 Тл, ориентированный таким образом, что магнитное поле направлено параллельно плоскостям открытых сторон электродов и перпендикулярно потоку плазмы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015149021A RU2616853C1 (ru) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015149021A RU2616853C1 (ru) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2616853C1 true RU2616853C1 (ru) | 2017-04-18 |
Family
ID=58642501
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015149021A RU2616853C1 (ru) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2616853C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU199934A1 (ru) * | В. В. Мериакри Институт радиотехники , электроники СССР | УСТРОЙСТВО дл ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В СТОЛБЕ ПЛАЗМЫ | ||
RU2008761C1 (ru) * | 1992-04-28 | 1994-02-28 | Руслан Михайлович Кондратьев | Зондовое устройство для измерения параметров плазмы |
US5339039A (en) * | 1992-09-29 | 1994-08-16 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Langmuir probe system for radio frequency excited plasma processing system |
JPH0855697A (ja) * | 1994-08-12 | 1996-02-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ラングミュア・プローブ |
RU2317659C1 (ru) * | 2006-08-14 | 2008-02-20 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах |
US20120283973A1 (en) * | 2011-05-05 | 2012-11-08 | Imec | Plasma probe and method for plasma diagnostics |
-
2015
- 2015-11-16 RU RU2015149021A patent/RU2616853C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU199934A1 (ru) * | В. В. Мериакри Институт радиотехники , электроники СССР | УСТРОЙСТВО дл ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В СТОЛБЕ ПЛАЗМЫ | ||
RU2008761C1 (ru) * | 1992-04-28 | 1994-02-28 | Руслан Михайлович Кондратьев | Зондовое устройство для измерения параметров плазмы |
US5339039A (en) * | 1992-09-29 | 1994-08-16 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Langmuir probe system for radio frequency excited plasma processing system |
JPH0855697A (ja) * | 1994-08-12 | 1996-02-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ラングミュア・プローブ |
RU2317659C1 (ru) * | 2006-08-14 | 2008-02-20 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | Способ определения концентрации электронов в плазменных устройствах |
US20120283973A1 (en) * | 2011-05-05 | 2012-11-08 | Imec | Plasma probe and method for plasma diagnostics |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
A. * |
JP 8055697 A, 27.02.1996 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Amatucci et al. | Plasma response to strongly sheared flow | |
JP7257313B2 (ja) | 航空機用システム | |
US11035705B2 (en) | Device and method for measuring a gas flow speed | |
RU2616853C1 (ru) | Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме | |
Kil et al. | Measurements and analysis of the acoustic signals produced by partial discharges in insulation oil | |
Shang et al. | Hypersonic experimental facility for magnetoaerodynamic interactions | |
JP6422012B2 (ja) | 磁気検出装置 | |
Ďuran et al. | Measurements of magnetic field fluctuations using an array of Hall detectors on the TEXTOR tokamak | |
Matlis et al. | High-Bandwidth plasma sensor suite for high-speed high-enthalpy measurements | |
Cristofolini et al. | Experimental investigation on the MHD interaction around a sharp cone in an ionized argon flow | |
Wang et al. | Spectral analysis of boundary-layer transition on a heated flat plate | |
CN110243536B (zh) | 一种等离子体压力传感器及压力传感系统 | |
Heinselman et al. | On the frequency of Langmuir waves in the ionosphere | |
Stelmashuk et al. | Sensors for in-flight lightning detection on aircraft | |
JP2018096833A (ja) | 大気電界検出装置 | |
Golovchanskaya et al. | The range of Alfvénic turbulence scales in the topside auroral ionosphere | |
Haw et al. | A survey of thermocouple anomalies: mechanisms, interpretation, and mitigation | |
Haw | Electromagnetic Thermocouple (TC) Anomaly Mechanisms During Atmospheric Entry | |
Pernica et al. | Sensing Plasma Jet Electromagnetic Signals | |
Hoshino et al. | Development of a loop-type partial discharge sensor embedded in insulation material of a 245 kV-class GIS | |
Mir et al. | Gain characteristics of a 100 μm thick Gas Electron Multiplier (GEM) | |
David et al. | An isotropic sensor for the measurement of low frequency electric and magnetic fields | |
Stenzel et al. | Laboratory experiments on magnetic field line reconnection | |
RU2574721C1 (ru) | Способ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы | |
Hanzelka et al. | Methods for the measurement and ultra-low-frequency evaluation of geomagnetic and ionospheric changes |