Датчик на основе эффекта Холла для измерения концентрации электронов в плазме
HALL EFFECT-BASED SENSOR FOR MEASURING ELECTRON CONCENTRATION IN PLASMA

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.
ш
Электроды подключат к бортовому компьютеру, параллельно к электродам подключается шунтовое сопротивление R с помощь ключа К.
ш
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 R 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.