УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ
DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF WEAK MAGNETIC FIELD IN LOW-TEMPERATURE MAGNETOACTIVE PLASMA

Изобретение относится к области физики плазмы, газового разряда, радиоэлектроники и т.д. и может быть использовано для измерения параметров слабых магнитных полей и МГД-волн в низкотемпературной магнитоактивной плазме.
Из предшествующего уровня техники известен индуктивный магнитный зонд для измерения слабых магнитных полей в плазме [1]. Зонд представляет собой двухсекционную катушку, помещаемую в плазму. Выводы секций катушки подключаются к дифференциальному усилителю, выход которого в свою очередь соединяется с осциллографом.
Недостатком устройства является невозможность единовременного измерения нескольких компонент магнитного поля в точке расположения зонда.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для измерения параметров слабого магнитного поля в низкотемпературной магнитоактивной плазме, содержащее высокочастотный магнитный зонд [2]. Зонд состоит из миниатюрного пластикового кубического каркаса, на котором в трех ортогональных плоскостях размещены двухсекционные обмотки. Секции намотаны на каркас витой парой в один слой в одном направлении намотки. Выводы каждой обмотки соединяются с отдельным дифференциальным усилителем. Все дифференциальные усилители подключены к многоканальному регистратору напряжения и к источнику питания.
При формировании плазмы посредством газового разряда в цепях питания усилителей индуцируются интенсивные высокочастотные помехи, которые передаются на вход регистратора напряжения и тем самым ухудшают качество измерения полезных сигналов. Также электростатические плазменные шумы, наведенные на секциях обмоток магнитного зонда, полностью взаимно не уничтожаются в дифференциальных усилителях и потому оказывают негативное влияние на результаты измерения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для точечного измерения амплитудно-временных характеристик Х-, Y- и Z-компонент слабого магнитного поля в плазме с меньшей погрешностью.
Техническим результатом предложенного изобретения является уменьшение погрешности измерения характеристик переменного магнитного поля за счет снижения в измерительном контуре паразитных сигналов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения параметров слабого магнитного поля в низкотемпературной магнитоактивной плазме, содержащем высокочастотный магнитный зонд в виде трех двухсекционных обмоток, выполненных витой парой, размещенных ортогонально на немагнитном кубическом каркасе, причем секции каждой обмотки подключены к своему дифференциальному усилителю, все дифференциальные усилители подключены к многоканальному регистратору напряжения и к источнику питания, новым является то, что источник питания усилителей гальванически развязан с сетью переменного напряжения, а каждая секция обмотки состоит из четного количества слоев с одинаковым числом витков и с односторонним направлением намотки, при этом нечетные слои намотаны в одну сторону по оси обмотки, а четные - в обратном направлении.
Использование гальванически развязанного с электросетью источника питания усилителей позволяет избавиться от проникновения в измерительные цепи через цепи питания усилителей высокочастотных электростатических шумов, наводимых в близлежащих проводах электросети при формировании плазмы посредством сильноточного газового разряда, и, соответственно, уменьшить погрешность измерения параметров слабого магнитного поля.
Намотка секций магнитного зонда четным количеством слоев с одинаковым числом витков и с односторонним направлением намотки (по часовой либо против часовой стрелке), при этом нечетные слои намотаны в одну сторону по оси обмотки, а четные - в обратном направлении, позволяет получать на выводах секций обмоток сигналы с меньшими плазменными электростатическими шумами и, как следствие, уменьшить погрешность измерения параметров магнитного поля за счет того, что наводимые на слоях секций обмоток полезные индуктивные компоненты суммируются, а паразитные компоненты электростатического поля, направленного вдоль осей обмоток, взаимно уничтожаются.
На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, где 1 - двухсекционные обмотки, 2 - источник питания усилителей, 3 - дифференциальные усилители, 4 - многоканальный регистратор напряжения, 5 - понижающий трехобмоточный трансформатор, 6 - диодные мосты, 7 - широкополосные высокочастотные усилители.
На Фиг. 2 приведена схема намотки одной секции магнитного зонда устройства. Жирной линией показан первый (нечетный) слой, тонкой линией - второй (четный).
На Фиг. 3 приведена осциллограмма тока в витке возбуждения колебаний слабого магнитного поля в магнитоактивной плазме.
На Фиг. 4 представлена осциллограмма сигнала, зарегистрированного с помощью устройства.
Устройство для измерения параметров слабого магнитного поля в низкотемпературной магнитоактивной плазме (Фиг. 1) содержит высокочастотный магнитный зонд в виде трех двухсекционных обмоток 1, выполненных витой парой, размещенных ортогонально на немагнитном кубическом каркасе, причем секции каждой обмотки 1 подключены к своему дифференциальному усилителю 3 через согласующие резисторы, все дифференциальные усилители подключены к многоканальному регистратору напряжения 4 и к источнику питания 2. Каждая секция обмотки 1 состоит из четного количества слоев с одинаковым числом витков и с односторонним направлением намотки, при этом нечетные слои намотаны в одну сторону по оси обмотки, а четные - в обратном направлении. На Фиг. 2 показана одна секция, предназначенная для измерения Z-компоненты магнитного поля, намотанная в два слоя с одинаковым числом витков по часовой стрелке, причем нижний слой намотан против направления векторов В и Е, а верхний - по направлению векторов В и Е. Каждый дифференциальный усилитель собран из трех одинаковых широкополосных высокочастотных усилителей 7 по стандартной схеме измерительного усилителя, выполненного на трех операционных усилителях [3]. Выводы дифференциальных усилителей 3 соединяются с входами многоканального регистратора напряжения 4. Запитка дифференциальных усилителей 3 осуществляется от двуполярного источника питания 2, гальванически развязанного с сетью переменного напряжения. Источник 2 выполнен на основе маломощного сетевого понижающего трансформатора 5 с тремя обмотками и двух диодных мостов 6. Низковольтные обмотки трансформатора 5 присоединены к входам мостов 6. К выходам мостов 6 присоединены высокоомные сопротивления и сглаживающие конденсаторы. Выводы конденсаторов являются выходными клеммами источника питания 2, причем их общая точка является точкой с нулевым потенциалом, т.е. схемной «землей».
3
Устройство работает следующим образом. Магнитный зонд помещается в плазменный столб внутри вакуумной камеры таким образом, чтобы плоскости обмоток 1 были перпендикулярны X-, Y- и Z-компонентам измеряемого магнитного поля. Каркас выполнен из фторопласта и имеет размер 2,5×2,5×2,5 мм. Намотка выполнена медным проводом марки ПЭВТЛК-ОС в лаковой изоляции с диаметром 0,1 мм. С целью дополнительной изоляции от плазмы обмотки покрыты тонким слоем эпоксидной смолы. Каркас крепится к вакуумной камере посредством стеклянного стержня диаметром 3 мм.
Измеряемое переменное магнитное поле наводит на отдельной секции обмотки ЭДС, величина которой определяется выражением:
где ε - ЭДС на выводах секции обмотки;
2
S=6,25 мм - площадь одного витка секции обмотки;
N=4 - число витков в секции обмотки;
dB - изменение индукции измеряемого магнитного поля;
dt - время изменения магнитного поля.
Электростатические осевые компоненты напряжения, наводимые на слоях секции, из-за встречной намотки слоев вдоль их оси противоположно направлены и потому взаимно уничтожаются.
Наведенные на обмотках сигналы транслируются с помощью витых пар внутри вакуумной камеры и коаксиальных кабелей снаружи камеры на входы соответствующих внешних дифференциальных усилителей 3. Каждый дифференциальный усилитель собран из трех широкополосных высокочастотных усилителей 7 (AD829JN) и имеет коэффициент усиления k=100. Питание отдельного дифференциального усилителя осуществляется от двуполярного источника постоянного напряжения 2, выполненного на основе маломощного трансформатора 5 (ТПГ-1-2×9 В) с одной первичной и двумя идентичными вторичными обмотками. Трансформатор понижает сетевое напряжение до необходимого уровня, а также обеспечивает гальваническую развязку схемы питания усилителя от внешней электросети. Переменное напряжение вторичных обмоток выпрямляется с помощью диодных мостов 6 (W06M) и затем сглаживается парами электролитических конденсаторов (1000 мкФ, 35 В), причем одна вторичная обмотка обеспечивает положительную полярность источника, а другая - отрицательную. Средняя точка источника является схемной «землей», относительно которой измеряются сигналы.
С выходов дифференциальных усилителей усиленные сигналы поступают на входы многоканального регистратора 4. В качестве регистратора 4 используется четырехканальный цифровой осциллограф, в каждый канал которого встроен подключаемый фильтр с полосой пропускания 20 МГц. Искомое магнитное поле находится посредством интегрирования сигналов регистратора с последующим делением на величину -2kSN.
3
12
-3
-4
В примере конкретного исполнения на предприятии ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» при проведении экспериментов в столбе низкотемпературной магнитоактивной гелиевой плазмы длинной 6 м и объемом ≈1 м для измерения параметров МГД-волн одновременно использованы пять заявляемых устройств. Столб плазмы нарабатывался ВаО-термокатодом. Концентрация плазмы в столбе составляла ~10 см при давлении газа в вакуумной камере 5⋅10 Тор. Индукция внешнего осевого магнитного поля составляла 95 мТл. В конце столба плазмы располагался виток с током диаметром 4 см, возбуждающий МГД-волны в замагниченной плазме. Магнитные зонды устройств располагались на оси плазменного столба на расстояниях 0,5 м друг от друга. С помощью этих устройств были зарегистрированы МГД-волны в плазменном столбе и определены их амплитудные и временные характеристики. В частности, при импульсе тока в витке в виде полусинусоиды длительностью 2,1 мкс и амплитудой 70 А (Фиг. 3) на устройстве, отдаленном от витка с током на 0,5 м, зарегистрирован сигнал в виде затухающей синусоиды (Фиг. 4), характеризующий МГД-волну в плазме.
Источники информации:
[1] Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Москва, 1972, с. 314-329.
[2] Е.Т Everson, P. Pribyl, C.G. Constantin, A. Zylstra, D. Schaeffer, N.L. Kugland, and C. Niemann., Design, construction, and calibration of a three-axis, high-frequency magnetic probe (B-dot probe) as a diagnostic for exploding plasmas. Rev. Sci. Instrum. 80, 113505 (2009).
[3] Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005., с. 118-120.