УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к устройствам измерения амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов, и может быть использована для решения широкого круга задач таких, как измерение напряженности электрических и магнитных полей, мощных плазменных излучателей, в частности излучающих в ВУФ области и др.
2)
В настоящее время растет интерес к разработке мощных источников излучения, что связано с необходимостью моделирования природных и техногенных явлений в верхних слоях атмосферы, сопровождающихся особо интенсивным свечением, например при падении крупных метеоритов. Активно развиваются и современные оптические технологии, в частности, коротковолновая фотолитография. Мощные плазменные излучатели с температурой более 20 кК используются в материаловедческих задачах для определения световой стойкости материалов и изделий. Как известно, основная доля энергии теплового излучения при таких температурах приходится на вакуумную ультрафиолетовую (ВУФ) область спектра, в том числе за границей пропускания окон из фтористого магния (MgF. В газах, жидкостях и твердых телах при ВУФ облучении активно идут процессы электронного возбуждения, диссоциации и ионизации вещества. Контроль и измерение основных параметров мощного плазменного открытого источника ВУФ излучения (напряженности электрического и магнитного полей, тока разряда, интенсивности ВУФ) как правило, связано с необходимостью преодоления мешающего влияния паразитных связей и наводок на электронное оборудование, требующих особых мер безопасности при работе с сильноточными электрическими пробоями как в отношении дорогостоящей аппаратуры, так и, особенно, в отношении обслуживающего персонала.
Под амплитудно-временными характеристиками импульсных сигналов мы понимаем: электрический ток, электрические и магнитные поля, излучение и ударные волны.
Известно устройство для измерения потерь энергии ВУФ излучения горячей плазмы [С.Côte and A.W.DeSilva Rev. Sci. Instrum. 67 (12) 1996 p.4146-4149.], содержащее измерительный преобразователь в виде пироприемника с подключенным к нему операционным усилителем, которые соединялись коаксиальным кабелем с регистрирующей аппаратурой, размещенной вне сильноточной установки в экранированной комнате. Измерительный преобразователь в этой установке был защищен от наводок соединенным с его приемной площадкой экраном с отверстием для ввода излучения. Низкое исходное давление газа и магнитное удержание плазмы в центре объема снижало вероятность газового пробоя у стенки и обеспечивало изоляцию приемника от воздействия плазмы. Экран преобразователя заземлялся через внешнюю оплетку коаксиального кабеля и экранированную комнату.
При неколлимированном освещении такая схема измерений становилась неработоспособной из-за больших наводок. Для решения этой задачи авторы использовали токовый трансформатор с операционным усилителем. Однако, эти элементы вносят дополнительные погрешности в измерения. Установка работает только при специфических условиях, а использование отдельной экранированной комнаты делает ее очень громоздкой.
Известно устройство для измерения магнитного поля, выбранное нами в качестве прототипа [Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М. Мир. 1972. с 328-329], содержащее измерительный преобразователь в виде катушки индуктивности, защищенный слоем изоляции от воздействия электрического потенциала. Для защиты от наводок, обусловленных случайными магнитными полями цепи питания, выводы катушки, как можно более короткие, плотно скручены и подсоединены через коаксиальный кабель с двойной оплеткой к осциллографу, расположенному в экранируемой и заземленной комнате. Внешний экран коаксиального кабеля соединяет экранированную комнату с электростатическим экраном преобразователя. Отмечается, что кабель и вся система должны быть заземлены только в одной тщательно выбранной точке, чтобы избежать индуктивных наводок на петли, образованные заземляющими проводниками. Использование экранированной и заземленной комнаты требует надежной изоляции регистрирующего оборудования от измерительного преобразователя, если по природе измеряемой величины он должен иметь электрический контакт с токоведущими частями установки или плазмой. Неоднозначность выбора точки заземления вызвана тем, что в цепи питания переменного тока также есть заземленный силовой провод, который за счет емкостной связи с корпусом блока регистрации, а следовательно и с заземлением экранированной комнаты может образовать петлю.
Нами предложено помехоустойчивое устройство для измерения амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов, обеспечивающее безопасную работу персоналу и оборудованию. Устройство компактно.
Такой эффект достигнут нами, когда в устройстве для измерения амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов, включающем измерительный преобразователь с корпусом, соединенный коаксиальным кабелем с внешним экраном с экранированным приборным отсеком с размещенным в нем блоком обработки сигналов из осциллографа и источника питания, новым является то, что устройство размещено на изолирующем основании, корпус измерительного преобразователя выполнен экранирующим, источник питания выполнен автономным с инвертором, одна из фаз которого соединена с одним из выводов источника постоянного напряжения и с корпусами инвертора и осциллографа, а через последний - с оплеткой коаксиального кабеля и с приемной поверхностью измерительного преобразователя, которая, в свою очередь, последовательно соединена с корпусом измерительного преобразователя, внешним экраном коаксиального кабеля и корпусом приборного отсека, при этом жила коаксиального кабеля своими выводами соединена с сигнальной поверхностью измерительного преобразователя и входом осциллографа.
Подходы к решению задачи выполнения автономного источника питания с преобразованием постоянного напряжения в переменное известны.
Способы конструирования измерительных преобразователей известны.
На Фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, где измерительный преобразователь с приемной поверхностью 1 и сигнальной поверхностью 1, его экранирующий корпус 2, коаксиальный кабель с жилой 3, оплеткой 4, внешним экраном 5, приборный отсек 6, блок обработки сигналов с осциллографом 7, источником питания из аккумуляторной батареи 8 и инвертором 9.
СС - эквипотенциальная группа проводов; V - провод фазового напряжения; L - провод постоянного напряжения.
На фиг.2 представлено заявленное устройство с коллимированным освещением (по примеру 1 конкретного исполнения), где измерительный преобразователь в виде пироприемника с приемной поверхностью 1, капиллярный излучатель 10, соединительная вакуумная камера 11, диафрагма 12 камеры 13 поглощения, сменный кристаллический фильтр 14, приемный фланец 15 коллимационной камеры.
- газообмен или откачка.
На фиг.3 показано устройство для измерения энергии излучения при широкоформатном освещении измерительного пиропреобразователя, размещенного на фланце вакуумной камеры стенда ВУФ источника, где магнитоплазменный компрессор 16 с излучающей струей 17, вакуумная разрядная камера 18 с фланцем 19.
2
2
На Фиг.4 представлены осциллограммы облученности измерительного пиропреобразователя коллимированным излучением капиллярного разряда в области пропускания газовых фильтров, где время - t, мкс, разность потенциалов на обкладках пироприемника - U, вольт, а - кривая газовых фильтров: Аr, Не, вакуума; b - кривая газового фильтра Хе; с - кривая кристаллического фильтра MgF; d - кривая кристаллического фильтра SiO.
На Фиг.5 представлены осциллограммы облученности измерительного пиропреобразователя в вакууме плазменной струей магнитоплазменного компрессора при зарядных напряжениях накопителя, где время - t; разность потенциалов на обкладках пироприемника - U; е - 5 кВ, f - 10 кВ, g - 12 кВ.
Устройство работает следующим образом.
Работа заявленной полезной модели рассмотрена на примере устройства для измерения излучательных характеристик импульсной плазмы капиллярного разряда с испаряемой стенкой (КРИС) в ВУФ области спектра (см. фиг.1, 2). В качестве измерительного преобразователя для измерений этих характеристик использовался пироприемник. Подходы к реализации КРИС и пиропреобразователя известны. Приемная поверхность 1 пиропреобразователя, принцип работы которого известен, подключалась вместе с его экранированным корпусом 2 к соединительному фланцу вакуумной камеры ВУФ источника излучения. Пиропреобразователь, жилу 3 кабеля вместе с ее внешним экраном 5 и приборным отсеком 6 располагают на изолированном основании. После включений автономного питания 8-9 и осциллографа 7 блока регистрации устанавливают необходимые ждущий режим временной развертки и ее скорость, полярность запуска, чувствительность вертикального усиления. Включают высоковольтное питание источника света, производится инициирование разряда путем подачи высоковольтного поджигающего импульса, переходящего в сильноточный, за счет чего создается яркая импульсная плазма. Ее излучение поглощается приемной поверхностью 1 пиропреобразователя, в результате чего изменяется потенциал сигнальной поверхности 1′ относительно приемной 1. Вместе с тем известно, что создание плазмы сопровождается генерацией наводок от высоковольтного поджигающего импульса, сильноточных разрядных цепей, возможного электрического контакта приемной площадки пиропреобразователя со струями токонесущей плазмы. Преимущество заявленной модели заключается в том, что наводка одинаково и одновременно меняет потенциал наружных элементов устройства, таких как приемная площадка 1, корпус преобразователя 2 и отсек 6, внешний экран 5; а также внутренних, таких как внешний экран 5 коаксиального кабеля, соединенный конструктивно через заземляющий контакт сетевой вилки осциллографа 7 блока регистрации с эквипотенциальной группой контактов СС автономного блока питания 8, 9. При этом наводка не меняет разность потенциалов на контактах как пироприемника 1, 1′, так и цепи питания блока регистрации СС, V и СС, L и не участвует в формировании сигнала.
Компактность экранированного бокса создает возможность его беспрепятственного перемещения, что позволяет приблизить регистрирующую аппаратуру к пироэлектрическому калориметру, значительно сократив длину линии связи и повысив, тем самым, полезный сигнал и помехозащищенность.
Использование свойства неселективности пиропреобразователя при измерении интегральной интенсивности излучения КРИС в полосе пропускания кварцевого фильтра, в которой источник излучения аттестован по яркости, позволяет измерить коэффициент чувствительности пиропреобразователя, а с помощью его - яркость излучения в более коротковолновых зонах спектра вне зоны аттестации источника.
Таким образом, в заявленном устройстве приборный отсек не заземлен и имеет потенциал пространства в точке измерения; один из проводов питания постоянного и/или переменного тока, корпус экранированного приборного отсека, оплетка и внешний экран кабеля, экранирующий корпус измерительного преобразователя и один из его сигнальных выводов эквипотенциальны; точка соединения оплетки и внешнего экрана и одного из выводов измерительного преобразователя находится на его экранирующем корпусе.
Пример 1 конкретного исполнения (см. фиг.1, 2).
В нашей организации изготовлен макет устройства для измерения излучательных характеристик импульсной плазмы капиллярного разряда с испаряемой стенкой (КРИС) в ВУФ области спектра. В использованном варианте он реализуется путем пропускания П-образного импульса тока силой 10 кА и длительностью 25 мкс через отверстие диаметром 3,5 мм и длинной 30 мм в пластине из полиформальдегида. Разряд происходит в парах материала стенки капилляра, разогревает их и обеспечивает излучение торца капилляра как абсолютно черного тела с температурой 37000 К в течении плоской части импульса тока. При этом вводимая в капилляр энергия отводится плазменными струями, истекающими в осевом направлении через его открытые торцы. Известно, что поглощение в струе существенно уменьшает температуру излучения в области длин волн короче 160 нм и длиннее 800 нм. Однако внутри этого интервала длин волн она остается постоянной и равной 37000 К, поэтому такой излучатель используется для измерений абсолютных интенсивностей излучения, яркостных температур высокотемпературных объектов, определения чувствительности приемников излучения.
В качестве измерительного преобразователя использовали пиропреобразователь, выполненный в виде таблетки из цирконата-титаната свинца с торцами 1 и 1′ покрытыми золотой чернью, диаметром 20 мм и толщиной 10 мм, и электрической емкостью 400 пФ. Основой линии соединения являлся коаксиальный кабель длинной 1 м, защищенный внешним экраном 5, соединенный как с корпусом 2 преобразователя, так и приборным отсеком 6. Регистрирующая аппаратура была размещена в малогабаритном (35×25×50 см) экранированном приборном отсеке 6, выполненном из стали толщиной 3,5 мм. Там же размещены элементы автономного источника питания: аккумуляторная батарея 6СТ-57 емкостью 57 А/час и инвертор A301-300-F3, преобразующий постоянное напряжение 12 В в переменное 220 В для питания блока регистрации - осциллографа TDS-1002. Время работы батареи без подзарядки - 38 часов при использовании одного осциллографа. Дополнительного охлаждения не требовалось, поскольку потребляемая мощность составляет всего 20 Вт. Экранированный бокс с регистрирующей аппаратурой был беспрепятственно приближен к пироэлектрическому преобразователю, значительно сократив длину линии связи и повысив, тем самым, полезный сигнал и помехозащищенность.
Использование свойства неселективности пиропреобразователя при измерении интегральной интенсивности излучения КРИС в полосе пропускания кварцевого фильтра, в которой источник излучения аттестован по яркости, позволяет измерить коэффициент чувствительности пиропреобразователя, а с помощью его - яркость излучения в более коротковолновых зонах спектра вне зоны аттестации источника. Для этой цели был изготовлен коллимированный калориметр, схема подключения которого к плазменному излучателю приведена на фиг.2. Блок питания КРИС «Импульс-5» подключается посредством высоковольтного кабеля к пластмассовому капилляру 10 источника излучения, расположенному в соединительной вакуумной камере 11, откачиваемой до давления 1 Па. Блок формировал высоковольтный поджигающий импульс амплитудой 40 кВ и, следующий за ним. П-образный силой тока 10 кА и длительностью 25 мкс, который обеспечивал интенсивное излучение торца капилляра. Излучение равномерно светящейся центральной части торца выделялось диафрагмой 12 калориметра и поступало в камеру поглощения 13, откуда, после взаимодействия с газовым или кристаллическим фильтром 14, попадало на поверхность 1 пиропреобразователя, который вместе со своим корпусом крепился на приемном фланце 15 коллимационной камеры.
6
6
2
6
2
-3
2
-2
2
2
Известно, что спектральное пропускание используемого газового фильтра (Не, Аr, Xe) имеет ступенчатый характер с границей, определяемой его потенциалом ионизации, соответственно: 50,4; 78,7 и 102,2 нм. Ограничение спектра излучения источника обеспечивалось при давлении газа в камере поглощения 100 Па. Пропускание кристаллических фильтров было определено в видимой и ультрафиолетовой областях спектра на спектрофотометре СФ-26, а в ВУФ с помощью вакуумного монохроматора ВМ-4. Измерения показали, что спектральный коэффициент пропускания кварцевого окна на длине волны 165 нм двукратно уменьшается по сравнению с максимальным значением в видимой области и имеет коротковолновую границу 157 нм. Интенсивность излучения капилляра в полосе пропускания этого окна толщиной 1,5 мм определялась численным интегрированием по спектру абсолютно черного тела при температуре 37000 К и составила 0,76·10 Вт/ср. Коэффициент пропускания окна из фтористого магния толщиной 2 мм двукратно уменьшается на длине волны 145 нм и имеет коротковолновую границу 115 нм. Расчетное значение интенсивности излучения капилляра в полосе пропускания окна - 0,92·10 Вт/смср. При этом можно пренебречь влиянием ИК поглощения в струе на расчеты, так как его доля составляет менее 1% от суммарной интенсивности излучения. Приведенные на фиг.4 осциллограммы пироэлектрических измерений энергии излучения капиллярного разряда в областях пропускания кристаллических и газовых фильтров имеют времена нарастания близкие к длительности плоской части импульса тока (25 мкс), длительность регистрации ограничена приходом акустического возмущения на 75-й микросекунде (заброс осциллограммы). Использование фильтров с более коротковолновой границей пропускания SiO, MgF и Хе (фиг.4а, b, с) приводит к закономерному возрастанию сигнала, однако, наличие или отсутствие Не или Аr фильтра не меняет амплитуды сигнала (фиг.4,d). Известно, что при длине волны меньше 140 нм интенсивность сплошного излучения капиллярного разряда, а следовательно и его яркостная температура, резко падают вследствие экранировки излучения в факеле разряда. Радиационная температура факела (25500 К) и длинноволновая граница поглощения в нем излучения торца капилляра (150 нм) определены по осциллограммам (фиг.4а, с, d) с учетом известного свойства пропорциональности интенсивности излучения импульсного источника тангенсу угла наклона осциллограммы сигнала пиропреобразователя (ΔU/Δt) и соответствуют ранее выявленным фактам экранировки. Результаты осциллографирования позволяют оценить энергетическую чувствительность (α) пиропреобразователя на основании известных: нтенсивности излучения капиллярного разряда в полосе пропускания кварцевого фильтра (I=0,76·10 Вт/смср), площади диафрагменного отверстия 12 (S=8·10 см), телесного угла, в котором источник освещает пиропреобразователь (Ω=0,41·10 ср), тангенса угла наклона осциллограммы на участке линейного роста сигнала (ΔU/Δt≈240 В/с):
α=I·S·Ω·Δt/ΔU=0,11 Дж/В
Пример 2.
max
Разработанная и изготовленная полезная модель была также применена для измерения облученности стенки вакуумной камеры открытым стендовым излучателем в условиях широкоугольного БУФ облучения (фиг.3). Источником излучения служила создаваемая коаксиальным магнитоплазменным компрессором (МПК) 16 высокоскоростная токонесущая плазменная струя 17 диаметром ~1 см, с длиной яркой зоны ~10 см и яркостной температурой ~20 кК. МПК располагался в откачиваемой вакуумной камере 18 диаметром 50 см. Электрическое питание разряда осуществлялось от конденсаторной батареи со следующими параметрами: С=250 мкф, U=25 кВ, I=550 кА, длительность первого полупериода импульса тока 32 мкс. Пиропреобразователь вместе со своим корпусом 2 крепился на фланце 19 вакуумной камеры 18 на удалении 30 см от плазменной струи. На Фиг.5 (e, f, g) представлены осциллограммы облученности поверхности 1 пиропреобразователя, создаваемой плазменной струей при различных зарядных напряжениях накопителя (5, 10 и 12 кВ). Они имеют характерное нарастание с максимальной крутизной в первом полупериоде импульса тока. С увеличением вводимой энергии возрастает облученность стенок камеры, увеличивается амплитуда и сокращается время прихода на пироэлектрик акустического возмущения в виде модуляции полезного сигнала. Сравнение сигналов облученности ранее аттестованного термопарного калориметра и пиропреобразователя, облученных одновременно на воздухе за кварцевым окном вакуумной камеры 18, позволяет независимо оценить энергетическую чувствительность α=0,14Дж/В пиропреобразователя, которая почти совпала (с точностью 20%) с ранее выполненными измерениями. Все эти данные указывают на высокую эффективность защиты измерительной и регистрирующей аппаратуры от мощных электромагнитных наводок с помощью разработанной полезной модели даже в тяжелых условиях широкоугольного ВУФ облучения.