УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01R29/08 G01R33/02 

Изобретение относится к газоразрядной электроизмерительной технике и может быть, в частности, использовано для получения объективных данных при осуществлении биолокации.

Известно устройство для определения микроволнового импульсного излучения высокой мощности, которое может быть использовано для установления факта облучения объекта указанным излучением, в результате чего возможно повреждение объекта. Устройство включает пластину из проводящего материала, в которой выполнены одна или более щелей. Щели заполнены воздухом или другим диэлектриком. Если пластина подвергается импульсному излучению, возникает увеличение напряженности электромагнитного поля в щелях. Если напряженность этого поля превосходит электрическую прочность диэлектрика в щели, происходит разряд в форме пробоя через щель. Вспышка света, сопутствующая разряду, фиксируется на пленке, WO 9836286.

Недостатком данного технического решения является низкая чувствительность по амплитуде электромагнитного поля (ЭМП), поскольку для осуществления разряда необходима весьма высокая напряженность ЭМП, т.к. обе стороны щели имеют одинаковый исходный потенциал. Таким образом, ЭМП умеренной интенсивности не фиксируется. Кроме того, имеет место низкая чувствительность по углу падения электромагнитной волны. При отклонении этого угла от перпендикуляра относительно продольной оси щелей чувствительность устройства падает до нуля.

Следует также указать, что устройство только фиксирует факт наличия или отсутствия ЭМП и не позволяет определить количественные характеристики поля.

Более чувствительным является устройство для измерения напряженности электромагнитного поля, содержащее газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком. Оба электрода имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально. Цилиндры заглушены с одной стороны и размещены заглушенными сторонами наружу внутри герметичного диэлектрического баллона, причем соотношение диаметров цилиндров находится в пределах 0,2≤d/D≤0,5, где d и D - диаметры соответственно внутреннего и внешнего электродов, SU 1335902 А1.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Благодаря цилиндрической форме электродов разряд возбуждается волной, падающей в пределах 360°, момент пробоя точно фиксируется по величине тока. Однако разряд в узком зазоре между цилиндрами возникает при выполнении условия:

U_{приложенного поля}>U_пробоя,

при этом U_пробоя=E·d,

где Е - напряженность поля, d - ширина зазора.

Для увеличения чувствительности поля необходимо, таким образом, уменьшать величину зазора, однако при значительном уменьшении зазора возникает реальная возможность замыкания. Чувствительность известного устройства недостаточна, т.к. ограничена геометрической формой электродов и минимально допустимой величиной зазора между ними.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения чувствительности устройства.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройстве для измерения напряженности поля электромагнитного излучения, содержащем газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком, причем один из электродов выполнен цилиндрическим, другой электрод выполнен в виде диска, вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода перпендикулярна плоскости диска, при этом отношение диаметра «d» цилиндрического электрода к диаметру «D» электрода, выполненного в виде диска, находится в пределах 0,01≤d/D≤0,3; вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода может проходить через центр электрода, выполненного в виде диска; электроды могут быть подключены к источнику электрического напряжения; источником электрического напряжения может являться генератор электрических импульсов; в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения может быть включен емкостной элемент; емкостной элемент может представлять собой пару антенна - заземление.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный технический результат. Напряженность поля вблизи края цилиндра характеризуется коэффициентом усиления поля порядка 100 по сравнению с периферической поверхностью электрода, выполненной в виде диска. Происходит так называемый скользящий разряд, то есть электрический разряд, который развивается по поверхности раздела двух сред, одна из которых - газообразный диэлектрик, а другая - диэлектрик или полупроводник с конденсированной (твердой или жидкой) фазой. Скользящий разряд возникает при быстроменяющемся напряжении на поверхности тонкослойного диэлектрика, когда другая его сторона покрыта токопроводящим слоем, при резко неравномерном электрическом поле, причем за счет малой толщины диэлектрика в головке скользящего разряда в процессе его развития поддерживается высокая напряженность электрического поля.

Напряженность электрического поля (имеющего у поверхности диэлектрической пластины радиальную конфигурацию) будет наибольшей вблизи цилиндрического электрода, и, когда она достигнет в этой области критического значения, при котором электроны на длине свободного пробега набирают энергию, достаточную для ударной ионизации газовых частиц, в приповерхностном газовом слое возникнут электронные лавины. Однако эти лавины будут распространяться не в свободном объеме газа, а по поверхности диэлектрика, двигаясь в сторону стержневого электрода. Электроны лавин, развивающихся по поверхности этого электрода, будут оставлять на диэлектрике разрядные каналы с локализованным в них положительным зарядом. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, будет суммироваться с внешним полем, что вызовет появление новых подобных лавин, которые, однако, будут развиваться теперь в сторону образовавшихся ранее каналов. В результате этого процесса на поверхности диэлектрика будет создаваться постепенно разветвляющаяся сеть из таких каналов до тех пор, пока электрическое поле на периферии этого зарядового образования не станет меньше критического.

Развитие скользящего разряда требует на 2-3 порядка меньших напряженностей поля по сравнению с разрядом между двумя параллельными или соосными поверхностями, что существенно повышает чувствительность устройства.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - продольный разрез устройства в схематическом виде, электроды подключены к источнику напряжения (п.1, 2, 3 формулы изобретения);

на фиг.2 - то же, в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения включен емкостной элемент, представляющий собой пару антенна - заземление.

Устройство включает электроды 1 и 2, электрод 1 выполнен цилиндрическим, в конкретном примере из титана, что обеспечивает его стойкость в условиях газового разряда. Возможно выполнение электрода 1 из вольфрама, ниобия и др. Диаметр электрода 1 в конкретном примере составляет 10 мм. Электрод 2 выполнен в виде диска, представляющего собой стальную пластину, на верхнюю поверхность которой посредством анодирования нанесено покрытие. Электрод 2 может быть выполнен из любого металлического конструкционного материала, его диаметр - 80 мм. Между электродами 1 и 2 находится газоразрядная камера 3, заполненная диэлектриком, разделяющим электроды. В данном примере в качестве диэлектрика использован слой 4 вакуумной резины толщиной 3 мм. Возможно применение других диэлектриков, в том числе и воздуха. Вертикальная ось 5 симметрии цилиндрического электрода 1 перпендикулярна плоскости электрода 2, выполненного в виде диска. Отношение диаметра «d» цилиндрического электрода 1 к диаметру «D» электрода, выполненного в виде диска, находится в пределах 0,01≤d/D≤0,3.

Указанное соотношение диаметров определяется следующими обстоятельствами. Диаметр «d» электрода 1 может составлять 2-60 мм. При «d»<2 мм начинают влиять эффекты неоднородности края цилиндра, что приводит к перераспределению напряженности поля за счет краевых эффектов на неоднородностях. Увеличение «d» более чем 60 мм целесообразно по конструктивным и технико-экономическим соображениям. Диаметр «D» электрода 2 обусловлен конструктивным удобством и составляет 30-200 мм. Из условий развития разряда при давлении воздуха, равном атмосферному и ниже, от края верхнего электрода до края нижнего должно оставаться пространство размером не менее 20 мм. Это определяется следующим соотношением, определяющим связь между длиной скользящего разряда, удельной поверхностной емкостью, амплитудой и крутизной приложенного напряжения:

L=k·C²·U₀ ⁵·V^0,25,

где С - удельная поверхностная емкость; 2 см < L < 10 см - длина скользящего разряда; U₀ - приложенное напряжение; V - скорость нарастания напряжения; k - коэффициент, равный 21·10¹³ для положительной и 13·10¹³ для отрицательной полярности, зависящий от материала диэлектрика и формы воздействующего напряжения; на значение констант и, следовательно, на характеристики разрядных фигур влияют также крутизна переднего фронта и длительность импульса напряжения.

Вертикальная ось 5 симметрии цилиндрического электрода 1 проходит через центр электрода 2, что обеспечивает радиальную однородность поля, отсутствие выделенных направлений при регистрации ЭМП.

При большой напряженности ЭМП устройство способно регистрировать ЭМП без подключения электродов к источнику электрического напряжения, однако с подключением к такому источнику чувствительность устройства значительно возрастает. Это объясняется тем, что наличие внешнего напряжения позволяет подать на электроды потенциал, близкий к порогу пробоя, но меньший его на некоторую величину. Внешнее ЭМП относительно небольшой амплитуды, складываясь с потенциалом источника напряжения, вызывает пробой. В конкретном примере электроды 1 и 2 подключены к генератору 6 электрических импульсов. Использован генератор импульсов «Корона» с амплитудой 10-20 кВ, длительностью 10 мкс, скважностью 1000 Гц, подающихся пачками длительностью 0,5 с, выпускаемый ЗАО «Кирлионикс Технолоджиз Интернейшнл» (Санкт-Петербург).

В линию подключения электрода 1 к генератору 6 включен емкостной элемент, представляющий в данном примере пару, состоящую из антенны 7 и заземления 8.

Включение емкостного элемента позволяет отфильтровать высокочастотные составляющие полезного сигнала и избавиться от помех, связанных с ЭМП промышленных частот, при этом емкостной элемент в виде антенна - заземление позволяет возбудить в электрической цепи электромагнитные колебания, определяемые резонансной частотой контура антенна - заземление, что позволяет настраиваться на ЭМП различного частотного диапазона. Это повышает избирательность устройства.

Работает устройство следующим образом.

При увеличении напряженности ЭМП между электродами 1 и 2 выше напряжения пробоя вдоль поверхности диэлектрика 4 развивается газовый разряд лавинного типа.

Свечение и/или ток разряда регистрируют соответствующим стандартным измерительным прибором. Измеренное значение позволяет судить о величине напряженности ЭМП.

Использование источника внешнего напряжения (в частности, генератора 6) позволяет установить напряжение между электродами 1 и 2 вблизи значения напряжения пробоя, что обусловливает возникновение пробоя и развитие газового разряда при относительно небольшой амплитуде внешнего ЭМП; для получения разрядных фигур на электроды можно подать серию биполярных импульсов напряжения. В этом случае при каждом из них возникает соответствующая фаза разряда, и окончательная картина представляет собой суперпозицию изображений от положительного и отрицательного разрядов (с учетом искажения электрического поля положительным поверхностным зарядом, оставшимся после предыдущих разрядов). Это дополнительно повышает чувствительность устройства, которая, по меньшей мере, в два раза превышает чувствительность прототипа.

Для реализации устройства использованы известные комплектующие элементы и конструкционные материалы, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к газоразрядной электроизмерительной технике и может быть, в частности, использовано для получения объективных данных при осуществлении биолокации. Устройство для измерения напряженности поля электромагнитного излучения содержит газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком, причем один из электродов выполнен цилиндрическим, другой электрод выполнен в виде диска, вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода перпендикулярна плоскости диска, при этом отношение диаметра d цилиндрического электрода к диаметру D электрода, выполненного в виде диска, находится в пределах 0,01≤d/D≤0,3; вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода может проходить через центр электрода, выполненного в виде диска; электроды могут быть подключены к источнику электрического напряжения; источником электрического напряжения может являться генератор электрических импульсов; в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения может быть включен емкостной элемент; емкостной элемент может представлять собой пару антенна - заземление. Технический результат: повышение чувствительности устройства. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения напряженности поля электромагнитного излучения, содержащее газоразрядную камеру, образованную между электродами, разделенными диэлектриком, причем один из электродов выполнен цилиндрическим, отличающееся тем, что другой электрод выполнен в виде диска, вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода перпендикулярна плоскости диска, при этом отношение диаметра d цилиндрического электрода к диаметру D электрода, выполненного в виде диска, находится в пределах 0,01≤d/D≤0,3.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальная ось симметрии цилиндрического электрода проходит через центр электрода, выполненного в виде диска.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды подключены к источнику электрического напряжения.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источником электрического напряжения является генератор электрических импульсов.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в линию подключения цилиндрического электрода к источнику напряжения включен емкостной элемент.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что емкостной элемент представляет собой пару антенна-заземление.