ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 4, с. 159-165
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 621.384.62
ИМИТАЦИЯ МИКРОМЕТЕОРИТОВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ
© 2009 г. Н. Д. Семкин, К. Е. Воронов, А. В. Пияков, И. В. Пияков
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева
Россия, 443086, Самара, Московское ш., 34 Поступила в редакцию 03.02.2009 г.
Приведены результаты экспериментов с многопараметрическим детектором высокоскоростных пылевых частиц, состоящим из индукционного (цилиндр Фарадея), ионизационного и фотоэлектрического датчиков. Описанное устройство позволяет моделировать микрометеориты в широком диапазоне масс и скоростей путем измерения вторичных эффектов при соударении частиц с преградой. Эксперименты по регистрации высокоскоростных пылевых частиц выполнены с помощью электродинамического ускорителя с эффективным ускоряющим напряжением ~650 кВ.
РДСБ: 87.65.+у
ВВЕДЕНИЕ
Последние два десятилетия характеризуются созданием космических аппаратов (к.а.) с продолжительностью функционирования более 10 лет в условиях воздействия микрометеоритов и частиц космического мусора, плотность потока которого неуклонно увеличивается. В связи с этим разработчикам к.а. потребовалась информация о поведении материалов открытых элементов конструкций к.а. в течение длительного времени эксплуатации их в космических условиях.
Для имитации процессов взаимодействия высокоскоростных частиц с материалами используются ускорители различных типов [1-3]. Для контроля воспроизводимости результатов экспериментов необходимо было научиться измерять параметры ускоряемых частиц. Эта задача решается, если ускоряемые частицы несут на себе электрический заряд (электростатические и электродинамические установки), однако при измерении параметров нейтральных высокоскоростных частиц возникают трудности, особенно если частицы имеют малые размеры. Регистрация таких частиц возможна путем измерения вторичных эффектов, возникающих при соударении их с преградой. В данной статье описан многопараметрический детектор высокоскоростных пылевых частиц и приведены результаты экспериментов по оценке их параметров.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для изучения процессов высокоскоростного взаимодействия твердых частиц с различными материалами, а также деградации элементов конструкций к.а. разработаны детектор и методика
проведения экспериментов с применением электродинамического ускорителя [4]. Конструктивно детектор представляет собой устройство, состоящее из трех датчиков различного типа: индукционного, ионизационного и фотоэлектрического. Структурная схема детектора приведена на рис. 1, а его внешний вид показан на рис. 2.
На входе детектора установлена заземленная экранирующая сетка (ЭС) для защиты индукционного и ионизационного датчиков от наводок, источником которых является электродинамический контур ускорителя.
Индукционный датчик состоит из двух колец Фарадея, отстоящих друг от друга на 100 мм. Между кольцами Фарадея помещен экранирующий цилиндр (ЭЦ) длиной 60 мм, который обеспечивает лучшее разделение импульсов на выходе Х1 индукционного датчика. Коэффициент усиления зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ) равен 1000.
Приемник ионизационного датчика выполнен в виде двухфазной сетки с коэффициентом прозрачности 0.95. Один из проводников сетки заземлен. На другой проводник через фильтр с преобразователя П1 подается собирающее напряжение -(100-250) В. Сигнал со второго проводника через разделительный конденсатор поступает на вход усилителя Уь коэффициент усиления которого составляет 500, а входное сопротивление - 30 МОм.
В качестве мишени использовались кварцевое оптическое стекло и тантал. Мишень расположена в 12 мм от приемника ионизационного датчика.
Непосредственно за мишенью устанавливается ФЭУ-86. Питание ф.э.у. и его усилителя осуществляется преобразователем П2. Высоковольтное напряжение для ф.э.у. изменяется в пределах 800-
Рис. 1. Структурная схема многопараметрического датчика высокоскоростных частиц. АБ1, АБ2 - аккумуляторные батареи; ЗЧУ- зарядочувствительный усилитель; - усилитель ионизационного датчика; У2 - усилитель сигнала с ф.э.у.; П, П2 - преобразователи; ЭС - экранирующая сетка; ЭЦ - экранирующий цилиндр; КФ1, КФ2 - кольца Фара-дея; ЙД - ионизационный датчик; С - конденсатор 1 мкФ х 250 В; ф.э.у. - фотоэлектронный умножитель.
Кольца Фарадея Экранирующая
сетка
Экранирующий цилиндр
Ионизационный датчик
,Ф.э.у.
Усилитель ф.э.у. (У2)
Мишень Усилитель ионизационного
датчика (У1)
Рис. 2. Внешний вид многопараметрического детектора высокоскоростных частиц.
1500 В. Коэффициент усиления усилителя У2 равен 50.
При пролете через индукционный датчик частица наводит на оба кольца Фарадея потенциал, пропорциональный заряду частицы. Затем частица проходит через двухфазную сетку приемника ионизационного датчика и ударяется о мишень, создавая тем самым поток ионов. Разность потенциалов между мишенью и сеткой ионизационного датчика создает электрическое поле, собирающее эти ионы на сетку, а амплитуда импульса прямо пропорциональна количеству ионов. При соударении частицы с мишенью из оптического стекла наблюдается вспышка, которая регистрируется ф.э.у.
Для экспериментального исследования работы детектора использовался электродинамический ускоритель с эффективным ускоряющим напряжением ~650 кВ [4]. Частицы в нем ускоря-
ются по одиночке, частота их следования регулируется и составляет в рабочем режиме примерно 1 частица/с. К входящей в состав ускорителя э.в.м. была подключена двухканальная осцилло-графическая приставка УеПешап РСБ-500, которая позволяет записывать входные сигналы. Специально разработанное программное обеспечение для УеПешап РСБ-500 позволяет записывать на жесткий диск компьютера осциллограммы с привязкой ко времени внутренних часов э.в.м. Так как программное обеспечение электродинамического ускорителя записывает момент времени пролета для каждой частицы по этим же часам, то можно легко сопоставить данные с ускорителя и с осциллографической приставки. Блок-схема экспериментального стенда приведена на рис. 3.
На рис. 3 приведена упрощенная структурная схема электродинамического ускорителя. Остав-
ик
Рис. 3. Схема экспериментального стенда. ИЛ1-ИЛ3 - измерительные линейки; У - усилитель; ФИ - формирователь импульса; ЛР - лазерная развязка; ВУ- высоковольтный усилитель; ВГ- высоковольтный генератор; БМК - блок микроконтроллера; УеПешап РСБ-500 - осциллографическая приставка; ИК - исследовательская камера; МД - многопараметрический датчик; ЛЭСУ, ЛЭДУ - линейные электростатический и электродинамический ускорители соответственно.
лены только те узлы, которые дают представление о поставленном эксперименте и необходимы для понимания обработки полученных данных. Более подробное описание ускорителя приведено в [4].
В первом эксперименте к входам осциллогра-фической приставки были подключены выходы Х1 и Х2 многопараметрического детектора. Сигнал с выхода Х1 использовался в качестве запускающего импульса, по которому сигнал с выхода Х2 записывался в память э.в.м. Осциллограммы напряжений на выходах Х1 и Х2 детектора приведены на рис. 4.
Сигнал, поступающий на первый канал осцил-лографической приставки, который соединен с выходом Х1 детектора, записывается в память э.в.м. и представляет собой пару колоколообраз-ных импульсов, возникающих при пролете частицы внутри первого и второго колец Фарадея. Сигнал, поступающий на второй канал приставки, который соединен с выходом Х2 детектора, также записывается в память э.в.м. и представляет собой последовательность двух импульсов: короткого и более длинного. Первый короткий импульс возникает вследствие наводимого на сетку заряда во время пролета частицы через приемник. Второй импульс, называемый ионным импульсом, более широкий. Он возникает вследствие попадания на сетку заряженных ионов, образующихся при ударе частицы о мишень.
По сигналам с выхода зарядочувствительного усилителя (осциллограмма 1 на рис. 4) определяется скорость частицы. Подробная методика определения параметров частиц, ускоряемых в электродинамическом ускорителе, изложена в [4, 5].
Суммарный заряд ионов, возникших вследствие удара частицы о мишень, пропорционален площади под ионным импульсом:
0+ = 11 (г) ¿г = К-1 и(г) ¿г =
0 ВХ 0
N 2
= 4- Xи [1 ](т [1+1 ] -т [1 ]),
К «V ^
(1)
где 0+ - суммарный заряд ионов; Квх - входное сопротивление усилителя; и(г) - зависимость напряжения на сетке ионизационного датчика от времени; и[(] - значение напряжения на сетке ионизационного датчика в момент времени Т[/]; N1 -номер отсчета, соответствующий началу ионного
У 1
гКА
\ык1 1п
V * КУИШ А л лЛлл1р
Ыу
Рис. 4. Осциллограммы с выходов Х1 (1) и Х2 (2) многопараметрического детектора. Масштаб по вертикали 50 мВ/деление, по горизонтали - 50 мкс/деление.
2
aN млл^
гГ
г
/ 1 л
/ V 1
\1
Рис. 5. Осциллограммы с выходов Xi (1) и X- (2) многопараметрического детектора. Масштаб по вертикали: 1 - 50 мВ/деление, 2 - 500 мВ/деление; по горизонтали - 50 мкс/деление.
импульса, N - соответствующий его концу; т -длительность ионного импульса.
Так как при постановке эксперимента данные записываются в э.в.м. в виде массивов: номер измерения от 0 до 4095, время измерения (за ноль принимается время первого измерения), напряжение на входе осциллографической приставки, то наиболее просто вычислить интеграл численным способом, например методом левых прямоугольников.
По известным скоростям частицы до и после линейного электростатического ускорителя определяется удельный заряд частиц [4, 5]:
Q v2- V2 _ (L/ А T2)2- (L/ А T1)2
m
2 U 0
2 U 0
(2)
m =
2 CUAU 0
(L/АT2)2- (L/АT1)2'
(4)
Массу частицы можно определить и не прибегая к измерению амплитуды с колец Фарадея. Как показано в работе [4], вероятное значение плот-
ности поверхностной напряженности электрического поля на поверхности частицы составляет Еп = 2 • 109 В/
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.