Магнитные зонды и методика измерений

       За последние годы было разработано много новых методов измерения параметров плазмы без ее возмущения. Однако таких методов, пригодных для измерения магнитных полей в сложных системах, содержащих и магнитное поле и плазму, по-видимому, пока не существует.

       Необходимость измерений магнитных полей обусловлена тем, что пространственное положение плазмы относительно удерживающей ее системы сил (как правило, магнитного поля) имеет решающее значение в самых различных случаях практического использования ионизованного вещества.

         При заданных обычных соотношениях баланса импульсов часто оказывается возможным по распределению магнитных полей определять пространственное положение плазмы, плотность ее тепловой энергии и стабильность конфигурации. Для этого необходимо, однако, чтобы плазма в исследуемой системе достаточно сильно воздействовала на магнитное поле. Другой предельный случай – когда магнитное поле целиком обусловлено токами плазмы (например, самостягивающиеся разряды и плазменные ускорители) – идеален для применения прямого магнитного зондирования.

    Зондовая методика определения параметров плазмы является наиболее распространенной и хорошо изучаемой областью диагностики.

    Основным инструментом зондовых измерений является зонд, который обычно вводится в область исследования плазмы.

В настоящее время существуют два вида зондов: электрические и магнитные.

    К достоинствам зондовой диагностики относятся простота конструкций и измерительной аппаратуры, возможность определения локальных параметров плазмы. Основными недостатком зондовой методики является наличие внешних возмущений, вносимых в плазму, которые отражаются на точности измерений параметров.

Магнитные зонды по своей природе могут применяться только в нестационарных импульсных системах. Однако это обстоятельство не является серьезным ограничением, так как стационарных систем, в которых распределение поля в значительной степени определялось бы токами плазмы, реально не существует. Несмотря на трудности, возникающие при зондовых измерениях в горячей замагниченной плазме, этот метод сохраняет свое значение среди контактных способов диагностики благодаря получению обширной информации о параметрах исследуемых объектов.

I. Магнитные зонды и методика измерения напряженности поля.

Появление в арсенале экспериментальных исследований магнитных зондов связано с необходимостью измерения характеристик магнитного поля.

    Магнитный датчик- это катушка малых размеров, намотанная тонким проводом и расположенная у закрепленного конца изолированной защитной трубки.

  Рассмотрим методику определения параметров плазмы с помощью схемы, изображенной на рис.7

Ось катушки ориентируется перпендикулярно или параллельно оси трубки в зависимости от того, какая составляющая магнитного поля измерялась.

Рисунок 7 Схема магнитного зондирования плазмы.

       Зонд вводится в разрядную камеру через специальное вакуумное уплотнение, позволяющее вдвигать и выдвигать зонд, а в отдельных случаях передвигать его вдоль системы или поворачивать вокруг оси. Это обеспечивает доступ в любую точку трехмерной области. Так как сигнал, индуцируемый в катушке, пропорционален , то в измерительной цепи предусматривается интегрирование сигнала перед его подачей на приемно-регистрирующую аппаратуру. Это операция производится с помощью RC - цепочки.

Напряжение на выходе интегратора равно               (12),

где U_i - напряжение на входе цепочки. Если постоянная RC больше времени интегрирования, то напряжение U₀ мало по сравнению с U_i и величина RCU₀ дает хорошее приближение интеграла U_i. Так как напряжение сигнала на катушке равно

                              ,                       (13)

то сигнал на выходе интегратора равен

 В,                                 (14)

Оптимально зонд должен обладать следующими основными качествами: высокой чувствительностью, обеспечивающей значительное превышение полезного сигнала над уровнем электрических шумов, сопровождающих импульсные разряды;

1. достаточно хорошей частотной характеристикой, чтобы регистрировать наиболее быстрые изменения поля в системе;

2. производимое зондом возмущение плазмы должно быть минимально, т.е. зонды должны быть, возможно, меньших размеров.

Но перечисленные условия противоречивы. Пример: чувствительность зонда пропорциональна произведению числа витков на площадь отдельного витка катушки, т.е.

                                          (15)

Исходя из требования получения максимального выходного сигнала при минимальной индуктивности, кажется разумным характеризовать качество зонда отношением этих величин, т.е. катушка должна иметь, возможно, больший размер при наименьшем числе витков, что несовместно. Один их путей решения задачи состоит в увеличении сопротивления R₀. Его можно использовать лишь в том случае, когда описанные выше требования к зонду нельзя удовлетворить другим способом, так как при этом требуется располагать или осциллограф, или вспомогательный преобразователь импеданса рядом с зондом (т.е. когда частота паразитных колебаний слишком высокая).

В обратном случае, когда R₀ стремится к нулю, тогда ток в катушке пропорционален теперь напряженности самого внешнего поля B. В этом случае в контур включают шунт с малым сопротивлением, напряжение на шунте будет меняться пропорционально В и необходимость в интегрировании сигнала отпадает.

В идеальном случае магнитный зонд должен быть чувствителен только к магнитным полям, и совершенно не воспринимать электрические поля. Простейший способ этого избежать поместить зонд в электростатический экран. Другой способ борьбы с электростатическими помехами состоит в использовании в качестве зонда балансной катушки.

Регистрация сигналов с зондов обычно производится с помощью электронных осциллографов. Интегрированный сигнал с зонда отклоняет луч по вертикали, так что на экране получается изображение кривой B(t), характерной для данного положения датчика в системе.

   При проведении конкретного эксперимента производится последовательное фотографирование осциллограмм B(t) для положений зонда. В результате получается семейство кривых, соответствующих различным точкам исследуемой области. Если исследуемая система симметрична, как, например, в случае линейного типа, то необходимую информацию можно получить путем перемещения зонда только по радиусу. Измеряя по осциллограмме, соответствующих различным точкам исследуемой области , значения В для одной и той же точки развертки, можно построить кривую B(r) для любого момента времени. Из анализа кривой B(r) можно определить другие параметры плазмы. По значению B для различных моментов времени и в различных точках пространства можно определить локальные значения давления плазмы.   

Мы поможем в написании ваших работ!