ДАТЧИК ВАКУУМА
VACUUM SENSOR

Изобретение относится к измерительной и космической технике и может быть использовано для контроля герметичности космических аппаратов (КА) и орбитальных станций (ОПС). Особенно целесообразно использование датчика для обнаружения утечки воздуха из отсеков Международной космической станции (МКС) [1].
При длительной эксплуатации космических аппаратов (КА) существует вероятность сквозного пробоя элементов конструкции частицами искусственного и естественного происхождения, а также образования трещин в результате различного рода напряжений и динамических нагрузок на конструкцию, вследствие чего происходит разгерметизация КА, которая на поверхности КА обнаруживается с использованием датчиков вакуума.
Обнаружение утечек воздуха из КА представляет значительные трудности в связи с тем, что поверхность КА достаточно велика и к тому же значительная часть поверхности покрыта электровакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ). Обнаружение места утечки газа из КА проводится на фоне газовыделения конструкционных материалов наружных элементов, установленных на поверхности КА, являющихся основным источником помех для различных методов регистрации места утечки газа. В [1-9] изложены методы и устройства для обнаружения места утечки воздуха из герметичных объемов [10] и из модуля КА [1]. В учебнике для студентов вузов «Вакуумная техника» [9] изложены методы и устройства для обнаружения места утечки воздуха из герметичных объемов, которые также являются аналогами заявляемого изобретения.
Датчиками вакуума можно обнаружить большинство источников утечек из отверстий диаметром 1-0,5 мм на расстояниях в 0,5-1 м от датчика в зависимости от уровня помех. Более крупные источники утечек можно обнаружить на расстояниях до 5 м от вакуумного датчика. Для всех типов датчиков вакуума существенным является наличие помех, обусловленных газовыделением элементов конструкции на поверхности КА, которые резко ограничивают зону чувствительности, так как потоки от малых (до 0,1 мм) и средних (0,1-0,5 мм) каналов разгерметизации перекрываются шумовыми потоками уже на расстоянии 0,5-1,5 м от датчика.
-6
-2
Пространство между поверхностью ОПС и ЭВТИ изолировано от внешней среды. Поэтому при нарушении герметичности основного корпуса ОПС в пространстве между ЭВТИ и корпусом начинает распространяться воздух. Давление в этой полости начинает возрастать. Если в данном пространстве разместить электроразрядные датчики течи, то такие датчики будут регистрировать фронт прохождения и повышение давления кабинного воздуха корпуса ОПС в различных точках поверхности ОПС под ЭВТИ. При нарушении целостности корпуса ОПС, выпуске и движении воздуха в полости между корпусом ОПС и ЭВТИ повышение давления с наибольшей вероятностью должно происходить в диапазоне 10-10 мм рт.ст. Путем обработки данных по моментам прохождения фронтов давления в различных точках поверхности ОПС можно определить ориентировочные координаты места течи.
-6
-2
Одним из наиболее чувствительных методов обнаружения повышения давления в этом диапазоне являются ионизационные методы. При реализации этих методов в датчиках организуются различные типы разрядных процессов. При давлениях ~(10-10) мм рт.ст. для выявления факта повышения давления наиболее рационально использовать ионизационный датчик, в котором используется разряд в скрещенных магнитном и электрических полях. В пространстве между электродами датчика будет реализовываться кольцевой электрический тлеющий разряд с замкнутым дрейфом электронов.
Принцип действия магниторазрядных преобразователей вакуумных датчиков основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления и подробно изложен в [9].
Вакуумные датчики, использующие магнитные преобразователи давления в электрический ток, являются более близкими аналогами заявляемого вакуумного датчика и подробно изложены в [9]. Используемые в этих преобразователях электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного при высоком вакууме газового разряда, бывают нескольких видов, которые описаны на страницах 149 и 151 в [9], являются аналогами заявляемого технического решения и представлены в материалах заявки данного изобретения на фиг.1 на позициях а, б, в. При их анализе было установлено, что прототипом заявляемого изобретения может стать датчик вакуума на основе магнетронного преобразователя (фиг.1б), в котором катоды соединены между собой центральным стержнем.
Датчик вакуума на основе магнетронного преобразователя на фиг.1б в [9] содержит коаксиальные цилиндрический анод, дисковые катоды, соединенные центральным стержнем, и магнитный преобразователь для преобразования давления в электрический ток между электродами в скрещенных электрическом и магнитном полях и выбран в качестве прототипа заявляемого технического решения, так как магнитная система в этом преобразователе выполнена на основе постоянного магнита.
Недостатком прототипа на основе известных магнетронных вакуумных датчиков является избыточный вес и габариты, что неприемлемо для космической измерительной аппаратуры.
Задачей изобретения является снижение веса и габаритов датчика вакуума.
Для решения задачи изобретения в датчик вакуума, содержащий корпус, коаксиальный цилиндрический анод, дисковые катоды, соединенные центральным стержнем, и магнитную систему, эта магнитная система составлена из двух дисковых постоянных магнитов, которые вместе с коаксиальный цилиндрическим анодом и дисковыми катодами размещены в корпусе датчика с отверстиями, коаксиальный цилиндрический анод также выполнен с отверстиями, и отверстия в корпусе датчика расположены выше отверстий в корпусе коаксиального цилиндрического анода, а внутри коаксиального цилиндрического анода на дисковых катодах расположены дисковые постоянные магниты, и каждая пара дисковых катодов и дисковых магнитов скреплена между собой и закреплена внутри цилиндрического анода диэлектрическими держателями.
Пример конструктивного варианта решения задачи изобретения иллюстрируют чертежи на фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлены электронные системы магнитных преобразователей (см. также [9], с.149):
а) - ячейка Пеннинга;
б) - магнетронная;
в) - инверсно-магнетронная, где показаны катоды (п.1) и аноды (п.2).
На фиг.2 приведена функциональная схема заявленного изобретения, где показаны:
1 - дисковые катоды, соединенные между собой центральным стержнем;
2 - коаксиальный цилиндрический анод;
3 - дисковые постоянные магниты;
4 - диэлектрические защитные держатели сопряженных пар дисковых катодов и дисковых постоянных магнитов внутри цилиндрического анода;
5 - отверстия в металлическом цилиндрическом корпусе датчика вакуума;
6 - отверстия и в цилиндрическом корпусе коаксиального анода;
7 - диэлектрический защитный отсек в корпусе датчика вакуума 8 для подсоединения (на схеме не показано) высоковольтного потенциала на анод и низковольтного потенциала на дисковые катоды датчика вакуума.
Заявленный датчик вакуума в условиях функционирования размещается на элементе поверхности МКС в вакуумной среде, с которой датчик связан через отверстия 5 в корпусе датчика 8 и отверстия 6 в цилиндрическом корпусе анода 2. Разнесение отверстий в указанных элементах датчика по высоте позволяет исключить отрицательное помеховое влияние ионизованной компоненты окружающей вакуумный датчик космической среды на поверхности станции на развитие разрядного процесса, протекающего в измерительной ячейке чувствительного элемента датчика. Внутри датчика в объеме между цилиндрическим анодом 2 и дисковыми катодами 1 с наложенными на катоды дисковыми постоянными магнитами 3 создается постоянное однородное продольное магнитное поле, магнитами 3 создается постоянное однородное продольное магнитное поле, поперечное радиальному электрическому полю внутри цилиндрического анода 2, которое возбуждается при подаче на анод высокого (~2,5 кВ) напряжения через высоковольтный ввод в диэлектрической защитной нише 7 (на фиг.2 не показан).
Сравнение конструктивной схемы заявляемого вакуумного датчика на фиг.2 и конструктивной схемы прототипа - магнетронного преобразователя на рис.6.11 (см. [9], с.150) показывает, что масса дисковых катодов 1 с наложенными на катоды дисковыми постоянными магнитами 3, размещенными внутри - коаксиального цилиндрического анода 2 в несколько сот раз меньше массы, создающей магнитное поле обмотки, намотанной поверху стеклянного корпуса магнетронного преобразователя на рис.6.11 (см. [9], с.150). Кроме того, стеклянный корпус прототипа не позволяет без утраты прочности произвольно проделывать отверстия в корпусе для исключения отрицательного помехового влияния ионизованной компоненты окружающей вакуумный датчик космической среды на поверхности станции на развитие разрядного процесса, протекающего в измерительной ячейке чувствительного элемента датчика внутри датчика в объеме между цилиндрическим анодом 2 и дисковыми катодами 1 с наложенными на катоды дисковыми постоянными магнитами 3, где создается постоянное однородное продольное магнитное поле.
крит
Магнитная индукция В выбирается больше критического значения, препятствующего непосредственному попаданию электрона на анод, соответствующего значению В<В=0,1 Тл. При соударении с молекулой электрон теряет часть энергии на ее ионизацию и перемещается в радиальном направлении к аноду. В связи с тем, что радиальная скорость электрона значительно меньше тангенциальной скорости, при низких давлениях в разрядном промежутке образуется отрицательный объемный заряд.
Положительные ионы, образовавшиеся в результате столкновения с электронами, движутся к катоду. Так как их масса значительно больше, чем у электрона, их траектория в магнитном поле не искривляется до соударения с катодом, из которого они выбивают вторичные электроны, ток которых пропорционален ионному току.
Верхний предел измерения давления связан с ограничением максимального разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим измерительный прибор от возникновения дугового разряда. Для циасширения верхнего предела измерения следует уменьшить анодное напряжение и размеры разрядного промежутка. Обычно верхний предел измерения находится в области давлений 1-0,1 мм рт.ст.
Результаты исследования потенциала зажигания самостоятельного электрического разряда с замкнутым дрейфом электронов при коаксиальной геометрии электродов в однородном магнитном поле представлены в работах [11, 12, 13]. В работе [12] приведено выражение таунсендовского коэффициента ионизации  в поперечном магнитном поле при учете только ионизационных столкновений электронов с атомами. Предполагалось, что каждое столкновение электрона с атомом при энергии электрона, превосходящей энергию ионизации атома, приводит к его ионизации. В работе [13], где не все столкновения электронов с атомами полагались ионизационными, учтено влияние на коэффициент ионизации упруго рассеянных электронов.
Выражение, определяющее  получено в приближении постоянной длины свободного пробега электрона. Данное выражение имеет вид
где Е - напряженность электрического поля;
В - индукция магнитного поля;
i
V - потенциал ионизации атома;
η - отношение заряда электрона к его массе;
g - множитель, больший единицы, характеризующий вероятность  ионизации электрона при столкновении с атомом.
-2
-6
Как известно, в диапазоне давлений 5-5·10 мм рт.ст. согласно закону Пашена находится минимум напряжения, необходимого для возникновения разрядного процесса. Он составляет ~300÷400 В. При наличии в составе разрядного промежутка магнитного поля диапазон давлений увеличивается до 10 мм рт.ст.
Основным параметром магниторазрядного датчика является нижний предел давления, при котором в нем еще зажигается разряд. Этот предел определяется величинами индукции магнитного поля и напряженностью электрического поля в полости датчика. При заданном значении индукции магнитного поля необходимая величина напряженности электрического поля для различных предельных значений давлений будет различная.
В результате исследований выбрана наиболее оптимальная конструктивная компоновка датчика, его магнитная и электрическая схема. Определены оптимальные величины высоковольтных напряжений и токов, обеспечивающих магниторазрядный процесс внутри датчика в заданном диапазоне давления.
-2
-6
Конструктивные размеры макетного образца магниторазрядного датчика, полученные по результатам отработки и экспериментальных исследований, являются следующими: 41×48×70 мм. Масса двухканального бортового магнитного вакуумметра составляет 2 кг и на порядок (в 10 раз) меньше массы известных магнитных вакуумметров. Имеется возможность дальнейшего уменьшения веса и габаритных размеров разработанного вакуумного датчика. Созданный макетный образец магнитного вакуумметра и высоковольтного преобразователя к нему могут обеспечивать контроль околообъектовой среды на поверхности МКС диапазоне 10÷10 мм рт.ст.
Известные магнитные вакуумметры не предназначены для использования на борту КА и по массе на порядок (в 10 раз) превышают разработанный бортовой магнитный вакуумметр (см., например, в [9] на с.304 магнитный вакуумметр ВМБ-3 имеет массу 19 кг).
Источники информации
1. Н.М.Пушкин, В.Н.Четвериков, Э.М.Юлдашев. Способ определения места течи из отсека КА и устройство его осуществления. Патент РФ №2160438 от 10.12.2000 г.
2. Липняк Л.В., Ольшанский В.А., Щербаков Э.В. Патент №2112946 РФ // БИ 1998. №15. С.123.
3. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Бобин Д.Г. Патент №2189074 РФ // БИ 2002. №25. С.51.
4. Ананьин АЛ., Занин А.Н., Семкин Н.Д. // Измер. техника. 2001. №4. С.29.
5. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Бобин Д.Г., Занин А.Н. Ц Метрология. 2000. № 8. С.32.
6. Семкин Н.Д., Юсупов Г.Я., Бочкарев В.А., Семенчук С.М. Патент №1691905 РФ // БИ 1998. №32. С.76.
7. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Патент 2122257 РФ // БИ 1998. №32. С.57.
8. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Ротов С.В. // Измер. техника. 1999. №8. С.3.
9. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М. «Высшая школа», 1990 г., с.149.
10. Г.М.Гурвич. Способ контроля герметичности полых изделий. Описание к изобретению А.С. №1610353, кл. G01M 3/26. Опубл. 30.11.1990 г. Бюл. изобретений №44.
11. Б.С.Данилин, В.К.Сырчин. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982 г.
12. R.Haefer-Acta Physica Austriaca, 1953 г., Bd.7, s.52.
13. P.A.Redhrad Townsend Disharge in a Coaxial Diode with Axial Magnetic Field. - Can. J.Phys., 1958 г., v.36, №3, p.225.