ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения электронных и ионных токов с целью определения температуры, функции распределения и концентрации заряженных частиц и может быть использовано в зондовой диагностике, в первую очередь, космической плазмы.

Известен измеритель тока заряженных частиц [1] . Он содержит зонд в виде проводящего коллектора (К) и охранного электрода (ОХЭ), измерительный электрометрический усилитель (ИУ), первый вход которого соединен с К, дифференциальный усилитель (ДУ), первый вход которого соединен с выходом и второй - с вторым входом ИУ и ОХЭ, а выход является выходом измерителя, и генератор развертывающего напряжения (ГРН), включенный между вторым ИУ и корпусом. Потенциал К относительно корпуса благодаря практическому совпадению потенциалов обоих входов ИУ равен развертывающему напряжению. При размещении измерителя на космическом аппарате (КА) корпус измерителя соединяется с корпусом аппарата, который имеет значительно большую поверхность, чем К, и выполняет по отношению к нему роль опорного электрода. Измеряя ток коллектора при изменении развертывающего напряжения в некотором диапазоне его значений, положительных и отрицательных, получают вольт-амперную характеристику (ВАХ), которая служит для определения названных выше параметров плазмы.

Недостатком измерителя [1] является отсутствие защиты от негативного влияния на его работу изменений потенциала корпуса КА в процессе полета за счет приобретения им дополнительного заряда. Причины этого явления весьма многообразны. В частности, к ним относится работа на борту КА электронных и ионных пушек. При этом инжекция в окружающую плазму потока электронов вызывает положительный заряд корпуса, а инжекция положительных ионов - отрицательный. В результате развертывающее напряжение сдвигается в ту или другую сторону по отношению к своему первоначальному положению на оси потенциалов. Эти сдвиги могут не только приближаться к обычным предельным значениям положительного или отрицательного напряжения развертки, но и заметно превышать их по абсолютной величине. Вследствие этого вместо требуемой части ВАХ измеритель будет определять в пределе только электронную или ионную ее ветвь, что приведет к существенной потере информации с соответствующей области плазмы и, следовательно, к снижению пространственно-временной разрешающей способности измерителя. Единственная возможность преодоления этого недостатка состоит в значительном расширении диапазона развертывающего напряжения, что связано с приблизительно таким же увеличением напряжения питания измерителя, а следовательно, его габаритов и массы и определенным усложнением других узлов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является измеритель тока заряженных частиц [2] . Он содержит зонд в виде проводящего коллектора и охранного электрода ИУ, первый вход которого соединен с коллектором, ДУ, первый вход которого соединен с выходом ИУ, а выход является выходом измерителя, неинвертирующий сумматор (С), первый вход которого соединен с вторым входом ДУ, а выход - с вторым входом ИУ и охранным электродом, ГРН, включенный между первым входом С и корпусом, и блок управления разверткой (БУР), вход которого соединен с выходом ДУ и выход - с вторым входом С. Данный измеритель работает в общих чертах подобно устройству [1] . Но, благодаря сумматору и БУР, соединенным с другими узлами описанным образом, производится отслеживание упомянутого сдвига развертывающего напряжения, вызванного изменением потенциала корпуса КА, и его автоматическая компенсация. Для этого БУР определяет текущее значение потенциала коллектора, при котором измеряемый ток переходит через нуль, и вырабатывает соответствующее управляющее напряжение. Оно алгебраически суммируется в С с напряжением ГРН, так что средняя точка диапазона развертывающего напряжения, которое действует на коллектор, всегда оказывается на оси потенциалов в положении, обеспечивающем снятие требуемой части ВАХ.

Однако и устройство [2] не исключает потери информации об исследуемой плазме и связанного с этим снижения его пространственно-временного разрешения. Указанная компенсация осуществляется дискретно: один полупериод развертывающего напряжения затрачивается на формирование управляющего напряжения, и лишь второй используется для измерений. И, хотя эти полупериоды относительно малы, высокая скорость КА делает данный недостаток весьма существенным. Положение усугубляется тем, что в случае скачкообразного изменения потенциала корпуса КА формирование управляющего напряжения требует еще большего времени, связанного с переходом в режим поиска нуля измеряемого тока. Данный режим, кроме того, сопровождается расширением в несколько раз диапазона развертывающего напряжения, что осуществляется путем изменения коэффициента передачи С и требует соответствующей величины питающего напряжения. Еще одним недостатком рассматриваемого устройства является его сложность, связанная прежде всего, со сложностью БУР. Это обстоятельство отрицательно сказывается на надежности измерителя и его габаритно-массовых характеристиках.

Целью изобретения является повышение пространственно-временной разрешающей способности измерителя тока заряженных частиц при одновременном его упрощении.

Цель достигается тем, что в измерителе, содержащем первый зонд из коллектора и охранного электрода, измерительный электрометрический усилитель, первый вход которого соединен с коллектором, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а выход является выходом измерителя, неинвертирующий сумматор, первый вход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, а выход - с вторым входом измерительного усилителя и охранным электродом, генератор развертывающего напряжения, включенный между первым входом сумматора и корпусом, и блок управления разверткой, выход которого соединен с вторым входом сумматора, содержит второй зонд, идентичный первому, и электрометрический повторитель (П), вход которого соединен с коллектором второго зонда, а выход - с охранным электродом второго зонда и с вторым входом сумматора.

Выполнение БУР из второго зонда, идентичного первому, и повторителя и его соединение с другими узлами описанным образом позволяет осуществлять непрерывную компенсацию сдвига средней точки развертывающего напряжения, вызванного изменением заряда корпуса КА и, следовательно, его потенциала по отношению к потенциалу плазмы. Благодаря идентичности выполнения обоих зондов в любой момент времени совпадают их плавающие потенциалы и разности между ними и потенциалом корпуса КА. Компенсирующее напряжение с выхода БУР, равное такой разности для коллектора второго зонда, за счет сумматора постоянно включается в напряжение, действующее на втором входе ИУ и коллектора первого зонда. В результате упомянутый сдвиг компенсируется и не оказывает негативного влияния на пространственно-временное разрешение измерителя. Средства для формирования компенсирующего напряжения, даже с учетом наличия второго зонда, значительно проще средств, создающих управляющее напряжение в устройстве-прототипе [2] . Последние сложны не только из-за большого числа функциональных узлов, образующих БУР, но и из-за упомянутой необходимости регулирования коэффициента передачи сумматора в зависимости от режима работы. Поэтому заявляемое решение существенно проще прототипа.

При поиске по патентной и научно-технической литературе авторы не обнаружили решений, содержащих предлагаемую совокупность существенных признаков. Признаки, отражающие наличие двух идентичных друг другу коллекторов, формально совпадают с признаками так называемого тройного зонда. Однако они проявляют в составе заявляемого решения новые свойства. Действительно, если в тройном зонде второй К предназначен для создания опорного потенциала, относительно которого устанавливается потенциал первого коллектора, служащего для измерения тока заряженных частиц, то в предлагаемом устройстве он выполняет функцию источника компенсирующего сигнала. При этом в измерительном устройстве, содержащем тройной зонд, потенциал второго коллектора относительно корпуса КА специально регулируется до получения нулевого значения его тока, а в заявляемом решении он устанавливается равным плавающему автоматически за счет высокого входного сопротивления повторителя. Таким образом, предлагаемый измеритель тока обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 и 2 представлены структурные схемы соответственно известного и предлагаемого измерителей; на фиг. 3 - ВАХ коллектора первого зонда.

На схемах указаны: зонд 1, коллектор 2, охранный электрод 3, ИУ 4, ДУ 5, сумматор 6, ГРН 7, БУР 8, второй зонд 9, коллектор 10 второго зонда 9, охранный электрод 11 зонда 9, повторитель 12 напряжения.

На фиг. 3 обозначены: I - ток К 2; ϕ - потенциал К 2; ϕ_o - плавающий потенциал; ϕ_п- потенциал плазмы; ± U_p - предельные значения развертывающего напряжения; Δϕ - сдвиг потенциала за счет зарядки корпуса КА в процессе полета. В соответствии с принятой практикой область электронных токов изображена не ниже (как следовало бы сделать в соответствии со знаком 1), а выше абсциссы.

Предлагаемый измеритель тока заряженных частиц (фиг. 2) содержит зонд 1 в виде К 2, ОХЭ 3, ИУ 4, ДУ 5, С 6, ГРН 7 и БУР 8, содержащий, в свою очередь, зонд 9 в виде К 10, ОХЭ 11 и П12. Первый вход ИУ 4 соединен с К 2, второй - с выходом С6 и выход - с первым входом ДУ 5. Второй вход ДУ 5 соединен с первым входом С 6, а его выход является выходом измерителя. ГРН 7 включен между корпусом и первым входом С 6. Вход П 12 соединен с К 10 зонда 9, а выход - с ОХЭ 11 зонда 9 и вторым входом С 6.

Работает предлагаемый измеритель в общих чертах подобно известному устройству. Так же, как и в последнем, в нем осуществляется автоматическая нейтрализация влияния зарядки корпуса КА в процессе полета. Для лучшего уяснения этого рассмотрим ВАХ на фиг. 3. Она совпадает с ВАХ коллекора в устройстве [1] при отсуствии дополнительного заряда на корпусе КА и дополнительной разности поенциалов между К и корпусом. Изменение развертывающего напряжения от -U_p до +U_p изменяет потенциал коллектора от ϕ_o -U_p до ϕ_o +U_p. При этом снимаются значения токов, относящиеся к наиболее важной в информативном отношении области аб ВАХ. Но при возникновении дополнительной разности потенциалов Δϕ диапазон изменений потенциала коллектора смещается на такую же величину. На фиг. 3 отражен случай ϕ_o < 0, когда середине развертки соответствует на абсциссе точка ϕ_o-Δϕ, а ее границам - точки ϕ_o-Δϕ -U_p и ϕ_o-Δϕ +U_p. При этом измеритель [1] снимает область а'б' ВАХ. Дополнительный участок ионной ветви а'а интереса не представляет, а потеря участка бб' на электронной ветви, включая излом при ϕ= ϕ_п, весьма существенна. Аналогичным образом, при Δϕ > 0 могут быть потеряны вся ионная ветвь и часть электронной, что никак не восполняется дополнительным участком ВАХ справа от точки б. Для автоматической нейтрализации описанного влияния Δϕ в предлагаемом измерителе и устройстве-прототипе [2] в потенциал коллектора 2 с помощью сумматора 6 вводится слагаемое, равное - Δϕ. Оно формируется в БУР 8 (фиг. 1 и 2), причем в предлагаемом измерителе непосредственно используется то обстоятельство, что разности потенциалов между корпусом КА и К 2, К 9 из-за идентичности обоих коллекторов совпадают в любой момент времени. Повторитель 12 служит для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала - Δϕ, которым является К 10, с относительно низким сопротивлением второго входа С 6. В результате при любой Δϕ снимается именно требуемая часть аб ВАХ. Однако, как указывалось выше, в прототипе, в силу особенностей его схемы и функционирования, компенсация Δϕ осуществляется только дискретно, что неизбежно сопровождается потерей части информации об исследуемой области плазмы и, следовательно, снижением пространственно-временного разрешения. В предлагаемом измерителе аналогичная компенсация выполняется непрерывно - за счет непрерывной подачи соответствующего сигнала с К 10 через П 12 на второй вход С 6.

Данный результат достигается при одновременном упрощении предлагаемого измерителя. В первую очередь это связано со значительно меньшей сложностью БУР 8 (фиг. 2) по сравнению с БУР 8 (фиг. 1). Действительно, если первый состоит только из зонда и повторителя, то второй согласно [2] содержит генератор тактовой последовательности импульсов, компаратор, счетчик импульсов, два цифроаналоговых преобразователя, четыре цифровых фиксатора и ряд других логических элементов меньшей степени интеграции. Кроме того, как указывалось выше, С 6 в схеме фиг. 1 сложнее аналогичного узла в схеме фиг. 2, из-за необходимости изменять его коэффициент передачи в зависимости от режима работы измерителя.

Таким образом, заявляемое решение обладает более высоким пространственно-временным разрешением, чем устройство-прототип, и одновременно проще него.

Реализация предлагаемого измерителя, в целом, проще реализации измерителя [2] . Одноименные узлы и элементы схем фиг. 1 и 2 могут совпадать, исключая сумматор 6, который в схеме фиг. 2 проще. Идентичность зондов 1 и 9 заключается в совпадении их конструкций и применяемых в них материалов. Кроме того, первый и второй зонды необходимо размещать по возможности ближе друг к другу, чтобы они находились в одной и той же области плазмы, но не ближе нескольких радиусов Дебая во избежание их взаимного влияния (расстояние приблизительно в три-пять раз превышающее дебаевский радиус, составляющий 3-4 мм на высотах от 100 до 400 км в ионосфере Земли). Оба зонда 1 и 9 удобнее разместить на общем кронштейне. Повторитель 12 для снижения влияния помех от другой аппаратуры лучше расположить в непосредственной близости от К 10. Выполнить его можно на операционном усилителе, аналогичном использованному в ИУ 4. Подобно измерителям [1,2] заявляемое решение способно функционировать в режимах непрерывной и импульсной развертки. Так же, как и в этих устройствах коллекторы могут быть не только сферическими (что условно отражено на фиг. 2 и 1), но и цилиндрическими, планарными или другой формы.

Для иллюстрации выигрыша в пространственно-временном разрешении за счет применения предлагаемого измерителя рассмотрим конкретный пример. Будем полагать, что, как и для варианта известного устройства, описанного в [2] , период развертывающего напряжения составляет 0,7 с, т. е. снятие ВАХ занимает 0,35 с. При этом в известном измерителе промежутки между такими измерителями могут доходить до приблизительно 1,05 с, а в предлагаемом они следуют друг за другом непрерывно. При обычной скорости полета исследовательской ракеты до 1-2 км/с указанный временной промежуток выразится в потере информации о плазме, на участке траектории 1,5-3 км, что, как правило, недопустимо. Еще большие потери будут иметь место при размещении известного устройства на искусственном спутнике Земли, имеющем линейную скорость не менее 6 км/с. Разрешающая способность заявляемого решения в два-три раза выше, поскольку ограничивается лишь временем, требующимся на одно измерение ВАХ. (56) 1. Холмс Д. С. и Шушевич И. П. Универсальный плазменный зонд. Приборы для научных исследований, 1975, N 5, с. 96-103.

2. Холмс Д. С. и Шушевич И. П. Система автоматической коррекции диапазона развертки зонда Лэнгмюра Приборы для научных исследований, 1981, N 3, с. 49-54.

Использование: измерительная техника, предназначено для измерения электронных и ионных токов и может быть использовано в зондовой диагностики, в первую очередь, космической плазмы. Измеритель содержит первый зонд в виде проводящего коллектора и охранного электрода, измерительный электрометрический усилитель, дифференциальный усилитель, неинвертирующий сумматор, генератор развертывающего напряжения и блок управления разверткой, содержащий второй зонд в виде коллектора и охранного электрода, идентичный первому зонду, и электрометрический повторитель. Первый вход усилителя соединен с коллектором, второй вход - с охранным электродом и выходом сумматора, а выход - с первым входом усилителя. Второй вход усилителя соединен с первым входом сумматора и выходом генератора, а его выход является выходом измерителя. Вход повторителя соединен с коллектором и выход, являющийся выходом блока, с вторым входом сумматора и охранным электродом. Выполнение блока управления разверткой из второго зонда, идентичного первому, и повторителя, соединенных между собою и сумматором указанным образом, обеспечивает непрерывную компенсацию сдвига развертывающего напряжения, вызванного изменением потенциала опорного электрода, из-за зарядки корпуса космического аппарата. Этим достигается повышение пространственно-временной разрешающей способности измерителя и его упрощение. 3 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий первый зонд, состоящий из коллектора и охранного электрода, измерительный электрометрический усилитель, первый вход которого соединен с коллектором первого зонда, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а выход является выходом измерителя, неинвертирующий сумматор, первый вход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, а выход - с вторым входом измерительного электрометрического усилителя и с охранным электродом первого зонда, генератор развертывающего напряжения, включенный между корпусом и первым входом сумматора, и блок управления разверткой, выход которого соединен с вторым входом неинвертирующего сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем повышения пространственно-временной разрешающей способности, блок управления разверткой содержит второй зонд, идентичный первому, и электрометрический повторитель, вход которого соединен с коллектором второго зонда, а выход - с охранным электродом второго зонда и вторым входом неинвертирующего сумматора.