СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD FOR DETERMINING THE MAGNETIC FIELD DISTRIBUTION

Заявленное изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения распределения магнитного поля в заданной области пространства (в частности, рабочих камерах высокоэнергетических установок).
Известен способ определения распределения магнитного поля в области рабочего пространства планарного магнетрона (см. «Анализ магнитной системы планарного магнетронного источника с помощью магнитного сканера», Сборник трудов XXVIII Международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике», «Наноинженерия», 2016, стр. 163-166 [1]). В известном способе используют датчик Холла, который перемещают вдоль поверхности магнетрона на определенном расстоянии от нее. Сначала датчик фиксирует составляющую индукции магнитного поля, перпендикулярную плоскости магнетрона. Затем датчик поворачивают в два других положения для фиксирования планарных составляющих индукции магнитного поля.
2
Основной недостаток известного способа заключается в том, что датчик Холла проявляет низкую надежность в экстремальных условиях (высокая температура, большая плотность энергии). Так, например, воздействие на такой датчик высокотемпературной плазмы может привести к его выходу из строя, как вследствие физического разрушения, так и в результате изменения характеристик (см. статью Глазырина И.В. и др. «Измерение магнитных полей в плазме сжимающихся лайнеров при потоках мощности ~1 ТВт/см», ВАНТ, сер. «Термоядерный синтез», 2009, вып.2, стр. 70 [2]).
Кроме этого, с помощью одного перемещаемого датчика можно исследовать только неизменные во времени магнитные поля. Быстроизменяющиеся магнитные поля (за время от наносекунд до микросекунд) исследовать одним перемещаемым датчиком не представляется возможным.
Известен способ определения распределения магнитного поля в вакуумной камере токамака КТМ, включающий фиксирование картины распределения магнитного поля (см. статью Скакова М.К. и др. «Экспериментальное определение магнитных полей в вакуумной камере токамака КТМ на основе матрицы датчиков Холла», ВАНТ, сер. «Термоядерный синтез», 2015, т.38, вып.4, стр. 41-50 [3]). В известном способе используют матрицу из 36 датчиков Холла.
Недостатки известного способа заключаются в уже описанной выше низкой надежности датчиков Холла в экстремальных условиях, а также в достаточной сложности монтажа матрицы таких датчиков в рабочем пространстве экспериментальной установки (в частности, если эксперимент будет проходить внутри вакуумной камеры, для каждого датчика нужно будет делать вакуумный ввод для сигнальных проводов, что значительно осложнит эксперимент). Кроме этого, разрушение датчиков Холла в результате воздействия на них агрессивной среды, например, мощных плазменных потоков, приводящее к необходимости их демонтажа и замены, вызывает дополнительные сложности при использовании их в камерах с постоянным рабочим давлением, в частности, необходимость в создании специального шлюзового элемента (см. статью Митрофанова К.Н. и др. «Исследование особенностей тонкой структуры ТПО и магнитных полей в приосевой области установки PF-1000», «Физика плазмы», 2014, т.40, №8, стр. 721-737 [4]).
Следует отметить, что в [4] предлагается использование вместо датчиков Холла иных датчиков (представляющих собой миниатюрные, в несколько витков, катушки), что, тем не менее, не решает проблему выхода их из строя.
Известный из [3] способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа определения распределения магнитного поля в заданной области пространства, имеющего широкие возможности применения при относительной простоте использования.
При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности определения распределения магнитного поля в любой заданной области пространства, включая рабочие камеры высокоэнергетических установок, в том числе, те, в которых создается агрессивная среда и/или предъявляются повышенные требования к рабочим режимам таких установок, без необходимости внесения существенных изменений в их конструктивные решения.
Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа определения распределения магнитного поля в заданной области пространства, в котором:
- в заданной области пространства размещают мишень, изготовленную из магнитного материала,
- нагревают поверхность упомянутой мишени до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление упомянутого материала,
- осуществляют ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени, в результате которого происходит вылет частиц упомянутого материала и их оседание на поверхности упомянутой мишени, и
- фиксируют картину распределения частиц упомянутого материала на поверхности упомянутой мишени, соответствующую картине распределения магнитного поля в заданной области пространства.
Источник упомянутого нагрева и/или источник упомянутого ударного воздействия могут быть как изначально размещенными в заданной области пространства (например, входить в состав высокоэнергетической установки), так и размещаться в нем в связи с необходимостью обеспечить нагрев и/или ударное воздействие.
В одном из частных вариантов, в качестве источника упомянутого нагрева, а также источника упомянутого ударного воздействия используют установку плазменного фокуса, при этом упомянутую мишень размещают в разрядной камере упомянутой установки на заданном расстоянии от ее анода и воздействуют на поверхность упомянутой мишени одиночным плазменным импульсом или серией таких импульсов.
В другом частном варианте, в качестве источника упомянутого нагрева, а также источника упомянутого ударного воздействия используют лазерную установку, при этом упомянутую мишень размещают на заданном расстоянии от выходного окна упомянутой установки и воздействуют на поверхность упомянутой мишени одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют с помощью индуктора.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют с помощью токового контура, расположенного в непосредственной близости от поверхности упомянутой мишени с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени осуществляют посредством пропускания электрического тока через упомянутую мишень.
В еще одном частном варианте, упомянутое ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени осуществляют посредством механического удара в центр упомянутой мишени со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют механический ударник.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пьезоэлемент, расположенный на поверхности упомянутой мишени со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц упомянутого материала.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пулю или снаряд.
В еще одном частном варианте, в качестве источника механического удара используют пучок частиц.
В еще одном частном варианте, упомянутый нагрев поверхности упомянутой мишени и упомянутое ударное воздействие на нагретую поверхность упомянутой мишени осуществляют пучком заряженных частиц.
На фиг.1 показана схема реализации заявленного способа, согласно одному из частных вариантов (в установке плазменного фокуса ПФ-5, ФИАН).
На фиг.2 показана схема реализации заявленного способа, согласно другому частному варианту (в лазерной установке).
На фиг.3а и 3b показана схема реализации нагрева, согласно еще одному частному варианту (индукционный нагрев).
На фиг.4 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев посредством пропускания электрического тока через мишень и ударное воздействие посредством механического ударника).
На фиг.5 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев с помощью токового контура и ударное воздействие посредством пьезоэлемента).
На фиг.6 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (посредством механического ударника).
На фиг.7 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (посредством пьезоэлемента).
На фиг.8 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (с помощью пули или снаряда).
На фиг.9 показана схема реализации ударного воздействия, согласно еще одному частному варианту (с помощью пучка частиц).
На фиг.10 показана схема реализации заявленного способа, согласно еще одному частному варианту (нагрев и ударное воздействие с помощью пучка заряженных частиц).
На фиг.11 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из Fe в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 25 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
На фиг.12 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из Fe в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 50 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
На фиг.13 показана картина распределения частиц расплавленного материала по поверхности мишени из Al в результате воздействия импульсов азотной плазмы на расстоянии от анода до мишени, равном 25 мм, при заряде конденсаторной батареи до 18 кВ на установке ПФ-5.
Фиг.14 и 15 демонстрируют возможность одновременного использования пучка заряженных частиц с механическим ударником (фиг.14) и одновременного использования пучка заряженных частиц с пьезоэлементом (фиг.15).
Установка плазменного фокуса, показанная на фиг.1, представляет собой один из вариантов Z-пинчевого плазменного устройства и состоит из двух коаксиальных медных электродов (анода 1 и катода 2), разделенных между собой цилиндрическим керамическим изолятором 3, и конденсаторной батареи 4. Анод 1 и катод 2 размещены в разрядной камере 5, заполняемой рабочим газом до давления в несколько мм рт.ст. Энергия, накопленная в конденсаторной батарее 4, поступает на анод 1 через управляемый разрядник 6.
После подачи напряжения происходит электрический пробой вдоль поверхности изолятора 3, приводящий к образованию токово-плазменной оболочки (далее - ТПО), которая под действием пондеромоторных сил сначала отрывается от поверхности изолятора 3, а затем происходит ее движение в межэлектродном пространстве в направлении торцов анода 1 и катода 2.
После выхода на торцы анода 1 и катода 2 ТПО начинает двигаться в радиальном направлении к вертикальной оси установки, при этом ТПО приобретает форму конуса с вершиной, направленной к аноду 1 (см. поз.7 на фиг.1). Благодаря конической форме ТПО, в процессе ее сжатия на вертикальной оси формируется кумулятивный поток плотной высокотемпературной плазмы.
Известно, что в установках плазменного фокуса возникают магнитные поля. Например, в статье Крауза В.И и др. «Магнитозондовые исследования токовой оболочки на установке ПФ-3», «Физика плазмы», 2010, стр. 997-1012 [5], описано исследование динамики ТПО во время разряда на установке ПФ-3 с помощью магнитных зондов, расположенных на различном расстоянии от оси установки и от анода. Магнитные зонды начинали фиксировать магнитное поле, образованное ТПО, при ее приближении к ним.
Для реализации заявленного способа мишень 8, преимущественно, с плоской или полусферической поверхностью (что обеспечивает наглядную картину распределения магнитного поля), изготовленную из магнитного материала (сплава на основе железа или любого иного материала, проявляющего магнитные свойства) размещают в разрядной камере 5 на заданном (определяемом задачей эксперимента) расстоянии от анода 1.
Как следствие воздействия на поверхность мишени 8 одиночным плазменным импульсом или серией таких импульсов (см. поз.9 на фиг.1), происходит нагрев поверхности мишени 8 до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление материала, из которого изготовлена мишень 8. В частности, в установке ПФ-5 во время эксперимента поверхность мишени 8 может нагреться до температуры более 3000°С.
В результате происходит вылет частиц материала, из которого изготовлена мишень 8, и их оседание на поверхности мишени 8. Далее фиксируют картину распределения частиц материала на поверхности мишени 8, соответствующую картине распределения магнитного поля в разрядной камере 5.
В варианте реализации способа, показанном на фиг.2, мишень 8 размещают на заданном (определяемом задачей эксперимента) расстоянии от выходного окна 10 лазерной установки 11 и воздействуют на поверхность мишени 8 одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов (см. поз.12 на фиг.2).
Известно, что вблизи облученной лазерным излучением мишени возникают магнитные поля с направлением, параллельным плоскости мишени (см. статью Yu.S. Kas'yanov, G.S. Sarkisov «Spatial-temporal measurement of magnetic fields in laser-produced plasmas», Journal of Russian Laser Research, Vol.15, №3, 1994, pp.265-282, или обзор J. A. Stamper «Review on spontaneous magnetic fields in laser-produced plasmas: Phenomena and measurements», Laser and Particle Beams, Vol.9, №4, pp.841-862).
Как следствие воздействия на поверхность мишени 8 одиночным лазерным импульсом или серией таких импульсов 12, происходит нагрев поверхности мишени 8 до температуры, при которой происходит, по меньшей мере, частичное расплавление материала, из которого изготовлена мишень 8.
В результате происходит вылет частиц материала, из которого изготовлена мишень 8, и их оседание на поверхности мишени 8. Далее, аналогично, фиксируют картину распределения частиц материала на поверхности мишени 8, соответствующую картине распределения магнитного поля в области пространства перед мишенью 8.
В варианте реализации способа, показанном на фиг.3, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют посредством индукционного нагрева. Как показано на фиг.3а, мишень 8 помещают внутрь индуктора 13 (катушка с токовыми витками), нагревают переменным током, после чего индуктор 13 желательно выключить, чтобы создаваемые им магнитные поля не вносили ошибок в исследуемые магнитные поля заданной области пространства, а также убрать в сторону, чтобы поверхность мишени 8 не закрывалась токовыми витками индуктора 13 (см. фиг.3b). После чего нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством механического ударника (более подробно описано со ссылкой на фиг.6).
В варианте реализации способа, показанном на фиг.4, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют посредством пропускания электрического тока через мишень 8 с помощью проводников (например, промышленных проводов) 14. После нагрева нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством механического ударника (более подробно описано со ссылкой на фиг.6).
В варианте реализации способа, показанном на фиг.5, нагрев поверхности мишени 8 осуществляют с помощью токового контура 15, расположенного с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8. Питание к токовому контуру 15 подается по проводникам 16. Токовый контур, в частности, может быть изготовлен из вольфрамовой нити (температура плавления 3422°С). Температура плавления материала контура 15 должна быть выше температуры плавления материала мишени 8. Допустимо также использовать в качестве токовых контуров 15 электронагреватели, аналогичные тем, что используются в электропечах сопротивления, например, из дисилицида молибдена (температура плавления 1300-1500°С), карборундовые или силитовые (температура плавления до 1300°С). Выбор подходящего материала токового контура 15 будет зависеть от выбранного материала мишени 8 (а именно, от его температуры плавления). В общем случае, токовый контур 15, расположенный с той же стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8, не вносит существенного искажения в картину распределения исследуемого магнитного поля. Однако в случае, когда необходимо получить максимально достоверную картину распределения, можно убирать токовый контур 15 в сторону от мишени 8 после наступления момента начала расплавления ее поверхности. После нагрева нужно осуществить ударное воздействие на мишень 8, например, посредством пьезоэлемента (более подробно описано со ссылкой на фиг.7).
В вариантах реализации ударного воздействия, показанном на фиг.4-9, ударное воздействие на нагретую поверхность мишени 8 осуществляют посредством механического удара в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8. В частности, как показано на фиг.6, в качестве источника механического удара можно использовать механический ударник 16. Двигатель 17, запитанный, например, от промышленной сети с помощью проводников 18, передвигает поршень 19, который через воздушную прослойку 20, в свою очередь, передвигает ударник 16, который ударяет по металлическому проводнику (концентратору) 21 ударной волны. Металлический проводник (концентратор) 21 ударной волны закрепляют в корпусе 22 с помощью держателя 23 проводника (концентратора) 21 ударной волны. Ударная волна передается через концентратор 21 в центр мишени 8 и затем от центра распространяется к периферии мишени 8 (принцип работы, как в отбойном молотке). Можно синхронизировать момент начала плавления поверхности мишени 8 с моментом удара (одного), но также можно создавать постоянно периодические удары (как в отбойном молотке).
В качестве источника механического удара также можно использовать пьезоэлемент 24, установленный на поверхности мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг.7). При подаче на пьезоэлемент 24 напряжения по проводникам 25, он изгибается, тем самым создавая ударную волну в мишени 8, которая распространяется от центра к периферии.
В качестве источника механического удара также можно использовать пулю или снаряд 26, попадающий в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг.8). Механизм ускорения пули или снаряда 26 не показан, можно использовать любой из известных механизмов (например, пистолетный механизм). Стрелкой (поз.27) показано направление движения пули или снаряда 26. Пуля или снаряд 26, при попадании по мишени 8, создает в ней ударную волну, распространяющуюся от центра к периферии.
В качестве источника механического удара также можно использовать пучок частиц 28 (в частности, дроби), попадающий в центр мишени 8 со стороны, обратной стороне, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8 (см. фиг.9). Механизм ускорения пучка частиц 28 не показан, можно использовать любой из известных механизмов (например, пистолетный механизм). Стрелкой (поз.29) показано направление движения пучка частиц 28. Пучок частиц 28, при попадании по мишени 8, создает в ней ударную волну, распространяющуюся от центра к периферии.
Наряду с перечисленными выше способами нагрева поверхности мишени 8, на фиг.10 представлен еще один, а именно, с помощью пучка заряженных частиц 30. Стрелкой (поз.31) показано направление движения пучка заряженных частиц 30. Пучок заряженных частиц 30, при попадании по мишени 8, нагревает ее поверхность. Достоинством такого метода нагрева является возможность направления пучка заряженных частиц 30 под углом (т.е. не только перпендикулярно) к поверхности мишени 8.
При перпендикулярном падении пучка заряженных частиц 30 на поверхность мишени 8 с его помощью можно осуществить как нагрев, так и ударное воздействие на нагретую поверхность мишени 8. В данном случае пучок заряженных частиц 30 должен находиться со стороны, с которой наблюдается оседание частиц материала мишени 8.
Подтверждением возможности осуществления предлагаемого способа служат экспериментальные результаты, полученные на установке ПФ-5. Был проведен анализ полученных экспериментальных данных в результате облучения плоских мишеней 8 из Fe, Cu и Al на различных расстояниях (~25 и ~50 мм) от анода 1 ПФ-5 плазменными импульсами. В качестве рабочего газа использовался азот. Конденсаторная батарея 4 заряжалась до 18 кВ.
На поверхности мишени 8 из Fe (ферромагнетик) имела место ориентация мелких частиц (капель) расплавленного металла вдоль линий магнитного поля, которая связана с токовыми филаментами, формирующими ТПО при ее схождении над анодом 1 ПФ-5 (см. фиг.1). При близком (-25 мм) расположении мишени 8 из Fe линии магнитного поля от токовых филаментов проникают в металл и ориентируют капли металла.
В результате для Fe наблюдается картина искривления условных линий разлета капель расплавленного металла вблизи края зоны воздействия плазмы (см. фиг.11). При удалении мишени из Fe на большее расстояние (~50 мм) наблюдаемая картина исчезает (см. фиг.12), что связано с ослаблением магнитного поля от токовых филаментов на таком расстоянии и, как следствие, недостаточностью величины магнитной индукции для поворота капель расплавленного металла на поверхности мишени 8.
Для Al (парамагнетик) по всей зоне воздействия плазмы на поверхности мишени 8 сохраняется картина прямолинейного распределения капель расплавленного металла (см. фиг.13). Для Cu (диамагнетик) имеет место картина, похожая на Al (не показана).
Стоит отметить, что процесс разряда в ПФ-5 имеет периодический характер синусоидальной формы с изменением знака потенциала на аноде 1 с «+» на «-». На фиг.1 изображены направления токов и магнитных полей от них в тот временной период, когда на аноде «+». Именно периодическое изменение направления тока и, соответственно меняющее свое направление магнитное поле, способствует тому, что мы наблюдаем поворот капель расплавленного металла (в случае Fe) на фиг.11 как по часовой стрелке, так и против нее.
Теоретически и экспериментально ранее было доказано, что жидкий металл способен отвечать на воздействия внешнего магнитного поля (см., в частности, работу Michael Conrath «Dynamics of Liquid Metal Drops Influenced by Electromagnetic Fields», 2007, стр. 32-56 [6]). В упомянутой работе показано, что диск расплавленного металла может принимать различные фиксированные геометрические формы в зависимости от параметров воздействующего на него магнитного поля. В частности, в работе было исследовано изменение формы диска расплавленного металла в зависимости от величины тока в индукторе, создающем внешнее магнитное поле, и частоты внешнего магнитного поля, и показано, что изначально имеющий круглую форму диск расплавленного металла с увеличением тока индуктора и частоты внешнего магнитного поля изменяет свою форму сначала на однолепестковую, потом на двух-, трех- и четырех-лепестковую, а при дальнейшем повышении параметров капля распадается на две и более отдельные капли, также имеющие форму из различного количества лепестков.
В условиях отсутствия составляющей магнитного поля, параллельной плоскости мишени 8, или недостаточной величине этой составляющей (как в случае отдаления мишени 8 на большое расстояние от ТПО, изображенном на фиг.12), на картине распределения частиц (капель) расплавленного магнитного материала не будет наблюдаться поворота капель (как на фиг.11). Картина распределения капель расплавленного магнитного материала будет демонстрировать прямолинейное распределение капель от центра мишени 8 к ее периферии (как на фиг.13).
В подобном случае для реализации заявленного способа необходимо использовать мишень 8 с поверхностью криволинейной формы, в частности, полусферической поверхностью, либо изменить расположение мишени 8 в заданной области пространства.
Предложенный способ отличается простым использованием и позволяет, имея эталонную картину распределения частиц расплавленного магнитного материала на поверхности мишени при наличии в заданной области пространства магнитного поля с известными параметрами, сравнивать ее с картинами, полученными в заранее не определенных условиях. Таким образом, предложенный способ позволяет с высокой степенью достоверности определить наличие либо отсутствие составляющих магнитного поля в заданной области пространства. Кроме этого, предложенный способ позволяет с достаточной точностью определить параметры магнитного поля без необходимости использования сложных (и зачастую неприменимых в экстремальных экспериментальных условиях) электронных средств для измерения и регистрации составляющих магнитного поля.