СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ЗАПАЯННЫХ РАЗРЯДНЫХ КАМЕРАХ ПЛАЗМЕННОГО ФОКУСА
METHOD OF GAS PRESSURE MEASUREMENT IN SOLDERED DISCHARGE CHAMBERS OF PLASMA FOCUS

Изобретение относится к способам измерения низких давлений газа в газоразрядных камерах, в которых образуется плазменный фокус (ПФ) - нецилиндрический Z-пинч, токовая оболочка которого имеет форму типа воронки.
Изобретение может быть использовано в таких областях, как мощная импульсная электрофизика, физика плазмы, где необходимы измерения давления рабочего газа в газоразрядных камерах плазменного фокуса в диапазоне 1-50 мм рт.ст.
Общеизвестен способ определения давления газа низкого давления (от 1 до 750 мм рт.ст.) с использованием мембранного манометра [Г.Л.Эшбар. Практические сведения по вакуумной технике. Получение и измерение низких давлений. М.-Л. Энергия. 1966. С.90], заключающийся в том, что давление определяется используя градуировочную зависимость деформации мембраны от разности давлений газа в объемах, разделяемых мембраной. Однако данный способ требует введения в конструкцию камеры плазменного фокуса дополнительного конструктивного элемента - манометра.
Недостатком способа является то, что введение в конструкцию камеры манометра не всегда возможно, а кроме того, введение манометра отрицательно повлияет на работу камеры ПФ из-за появления дополнительной поверхности, выделяющей примесные газы в запаянный объем камеры ПФ.
Известен способ определения давления в объеме, основанный на определении интенсивности теплообмена между нагреваемым элементом и газом [Патент РФ №2036448, МПК G01L 21/10, G01L 21/12, 27.05. 1995]. Через элемент пропускают электрический ток, измеряют зависимость температуры разогрева элемента от рассеиваемой мощности и по градуировочной зависимости определяют давление газа.
Недостатком способа является то, что использование такого способа определения давления в камерах ПФ требует введения дополнительного элемента, которое усложняет конструкцию камеры ПФ.
Известен способ определения давления в разрядных лампах, включающий размещение на центральной части лампы внешних электродов, зажигание разряда между этими электродами и определение давления по графику зависимости напряжения зажигания разряда от давления газа, отличающийся тем, что сначала возбуждают два вспомогательных низкочастотных поперечных разряда при фиксированной величине тока разряда на частоте [Заявка на изобретение РФ №2001103664, кл. H01J9/42, опубликовано 10.02.2003].
Недостатком способа является невозможность его применения к камерам ПФ, т.к. камера имеет проводящий металлический корпус (внешние электроды не создают в камере электрическое поле); можно использовать электроды самой камеры, но разряд будет зажигаться по поверхности изолятора камеры, тем самым изменяя поверхность изолятора, что отрицательно скажется на работе камеры ПФ. Также данный способ требует использования дополнительного источника питания и диагностирующей аппаратуры.
Прототипом изобретения является способ измерения давления смеси дейтерия-трития в запаянных камерах плазменного фокуса (Д.И. Юрков, А.К. Дулатов, Б.Д. Лемешко и др. Контроль работоспособности камер ПФ с помощью ионизационного тока. Сборник научных трудов Научная сессия МИФИ-2005. Том 8. Стр.63), заключающийся в измерении давления по графику градуировочной зависимости ионизационного тока от давления. Если рабочий газ содержит радиоактивный тритий, то в объеме идет ионизация газа, обусловленная бета-распадом трития, и при подаче напряжения на электроды камеры возникает ионизационный ток, измеряя который можно судить о составе и давлении газа в объеме камеры. Методика измерения ионизационного тока заключается в следующем: на камеру подается напряжение (0÷300 В) и снимается вольтамперная характеристика. По полученным значениям определяется область, в которой ионизационный ток постоянен. По градуировочной зависимости определяется давление газа в камерах ПФ.
Недостатком прототипа является то, что этот способ невозможно применять в случае наполнения камеры ПФ нерадиоактивным газом в связи с отсутствием ионизационного тока.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность измерения давления как радиоактивного, так и нерадиоактивного рабочего газа в запаянной камере ПФ.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения давления газа в запаянных разрядных камерах плазменного фокуса на электроды разрядной камеры плазменного фокуса подают высокое напряжение, измеряют контролируемый параметр камеры плазменного фокуса, а давление газа определяют, используя градуировочный график зависимости давления от контролируемого параметра для данного типа разрядной камеры плазменного фокуса, высокое напряжение подают с емкостного накопителя, на осциллограмме разрядного тока, протекающего через разрядную камеру плазменного фокуса, в качестве контролируемого параметра измеряют интервал времени от момента начала роста тока до его резкого падения - время особенности, и по полученному значению интервала времени, используя градуировочный график зависимости давления газа от времени особенности при подаваемом напряжении для данного типа разрядной камеры плазменного фокуса, определяют давление газа.
Способ заключается в том, что давление газа в разрядной камере определяется по полученному ранее градуировочному графику зависимости давления от времени особенности (интервала времени с момента начала роста тока в разрядном контуре до появления резкого падения тока на осциллограмме разрядного тока) при заданном зарядном напряжении, полученному для используемого газа на данной камере плазменного фокуса.
Электрическая схема генератора нейтронов на камере плазменного фокуса, с помощью которой реализуется указанный способ, представлена на Фиг.1. Камера, в которой формируется разряд типа плазменный фокус 3, состоит из двух коаксиально расположенных металлических электродов: внутренний электрод 1 является анодом, а внешний электрод 2 - катодом. Анод 1 и катод 2 герметично соединены с изолятором 4. Камера плазменного фокуса соединяется с малоиндуктивным генератором тока, который содержит емкостной накопитель 5 и один или несколько высоковольтных коммутаторов 6 (на Фиг.1 изображен один высоковольтный коммутатор), высоковольтный источник 7 для зарядки емкостного накопителя и систему управления 8 высоковольтными коммутаторами.
Для подачи высокого напряжения (свыше 1 кВ) на электроды камеры ПФ осуществляется зарядка емкостного накопителя 5 высоковольтным источником 7 до зарядного напряжения U, с системы управления 8 подается запускной импульс на коммутатор 6. В результате происходит пробой межэлектродного промежутка камеры ПФ по поверхности изолятора 4 и образуется токовая оболочка. Под действием электродинамических сил оболочка отрывается от поверхности изолятора и начинает движение вдоль электродов к оси камеры, где образуется плотный сгусток высокотемпературной плазмы - плазменный фокус 3, при этом на осциллограмме разрядного тока наблюдается резкое падение тока.
oc
Характерная осциллограмма разрядного тока представлена на Фиг.2, на которой показано резкое падение тока - особенность, а также время особенности t.
oc
Чем больше давление газа в камере ПФ, тем медленнее движется токовая оболочка и, как следствие, при увеличении давления газа в разрядной камере, формирование плазменного фокуса и появление особенности на кривой разрядного тока наступает в более поздний момент. Время особенности t зависит от давления газа, параметров источника тока, геометрии камеры ПФ и зарядного напряжения емкостного накопителя генератора.
oc
На Фиг.3 показан принцип построения градуированного графика. Для заданного зарядного напряжения U, меняя давление газа P, путем перенаполнения незапаянной камеры ПФ, получают график зависимости давления газа P от времени особенности t, который является градуировочным графиком и в дальнейшем используется для определения давления внутри отпаянной камеры.
изм
oc
изм
oc
изм
На Фиг.4 показано определение неизвестного давления Р по времени особенности t. Для определения неизвестного давления газа Р в камере ПФ проводятся следующие операции. Осуществляется подача высокого напряжения U на электроды камеры ПФ. Регистрируется осциллограмма разрядного тока, по которой определяется время особенности t. Используя полученный ранее для данного типа камеры ПФ градуировочный график, определяется искомое давление Р.
Рассматриваемый способ предназначен для измерения давления в рамках диапазона рабочих давлений камеры ПФ от одного до пятидесяти мм рт.ст.
Таким образом, предлагаемый способ дает возможность измерить давление как радиоактивного, так и нерадиоактивного рабочего газа в запаянной камере ПФ без использования дополнительного оборудования и без введения изменений в конструкцию камеры ПФ.