СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЗООБРАЗНОЙ ПОЛОСТИ ЖИДКОТРИТИЕВОЙ МИШЕНИ Российский патент 2024 года по МПК G01F17/00 G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быль использовано для определения и контроля объема и геометрических параметров (толщины, радиуса кривизны и т.п.) полости криогенной мишени, заполненной жидким тритием и подсоединенной к калиброванной емкости через капилляр, в процессе охлаждения самой мишени до криогенных температур. Данные параметры мишени необходимы для корректного расчета сечений ядерных реакций при облучении мишени пучком частиц из ускорителя.

Известен способ измерения объема емкостей, основанный на перепуске газа в испытуемую емкость из калиброванной емкости с известным объемом, давлением и температурой газа. Известный способ, основанный на уравнении состояния газа, недостаточно подходит для расчета объема мишени, так как требует точного измерения распределения и изменения температуры в газе/жидкости внутри изменяющегося объема мишени, что практически невозможно из-за ее конструкции, которая представляет собой закрытую линзообразную полость, заключенную между двумя металлическими мембранами, жестко зафиксированными по окружности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения объема сосудов путем подсоединения дополнительной емкости (Авторское свидетельство №431402, с приоритетом от 17.04.1972. МПК: G01F 17/00, опубл. 10.12.1974). К испытуемому сосуду подсоединяют емкость переменного объема с регистратором давления, изменяют ее объем и по величинам изменения объема и давления определяют объем испытуемого сосуда. По аналогии здесь в качестве емкости переменного объема можно рассматривать мишень, а в качестве испытуемого объема - калиброванную емкость. При этом по изменению давления определяется изменение объема мишени.

Недостатком рассмотренного аналогичного способа является то, что вместо определения самого объема мишени измеряется его изменение (разность начального и конечного объемов). Предложенный способ не учитывает изменение температуры мишени и определен в изотермических условиях, что не позволяет таким способом корректно вычислить переменный объем криогенной мишени. Кроме того, в реальности присутствие в полости мишени процесса фазового перехода газ-жидкость усложняет расчет из-за необходимости учета плотности жидкой фазы трития, являющейся функцией температуры и давления. Требования безопасности работы с тритием приводят к необходимости заключения конструкции мишени в закрытый вакуумируемый корпус, который дополнительно размещается в вакуумной камере, что ведет к отсутствию возможности размещения какого-либо оборудования для внешнего контроля формы мишени.

Применение перечисленных выше известных способов измерения объемов на основе уравнений состояния газа/жидкости осложняется еще и тем, что фактические величины объемов (вместимости) калиброванной емкости и мишени отличаются почти на три порядка. Поэтому совокупность погрешностей измерений температуры газа/жидкости и вместимостей емкостей и коммуникаций системы приводит к появлению расчетной погрешности для величины объема мишени, соизмеримой с самой величиной объема криогенной мишени, что является недостаточным даже для качественного измерения объема и геометрических параметров полости жидкотритиевой мишени, требуемых для эксперимента.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа определения в режиме реального времени геометрии изменяющегося объема мишени при криогенных температурах, образованного полостью между двумя внутренними металлическими мембранами, которая находится в вакуумируемом защитном корпусе, по измерению давления газа/жидкости в мишени, связанной с калиброванным объемом.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего способа, заключается в следующем:

- не требуется прямого/косвенного измерения температуры газа/жидкости (трития) внутри мишени и измерений вместимости калиброванной емкости и промежуточных коммуникаций;

- отсутствует влияние фазового перехода газ-жидкость;

- снижение погрешности определения толщины и объема полости мишени.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ определения объема и геометрических параметров линзообразной полости жидкотритиевой мишени, образованной объемом между двумя металлическими мембранами, зафиксированными по окружности, и находящейся в вакуумируемом объеме. Измеряют давление газа или жидкости в калиброванной емкости, сообщающейся с объемом мишени, в котором изменяемые от давления объем и геометрия сегментов полости мишени определяют по расчету максимального растяжения металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны.

Описанный технический результат достигается за счет особенностей конструкции мишени, изменяющийся объем которой определяется только упругой деформацией двух плоских мембран, жестко зафиксированных по окружности и образующих рабочую полость мишени. При односторонней равномерной нагрузке на поверхность мембраны (за счет давления газа/жидкости внутри полости) вся поверхность мембраны прогибается в направлении нагрузки и приобретает геометрическую форму поверхности сегмента сферы, соответствующей минимальной затрате энергии. Так как упругая деформация определяется только модулем упругости материала мембраны, который имеет слабую зависимость от температуры (разница для комнатной и криогенной температур у нержавеющей стали не более 3%), то для расчета растяжения мембраны не требуется прямого/косвенного измерения температуры газа/жидкости (трития) внутри мишени и измерений вместимости калиброванной емкости и промежуточных коммуникаций.

Так как давление на мембрану мишени будет передаваться из газовой среды через жидкую фазу без потерь, то, следовательно, будет отсутствовать влияние фазового перехода газ-жидкость. Данное условие будет выполняться всегда, поскольку капилляр, соединяющий калиброванную емкость с мишенью, находится при температурах близких к комнатной, что гарантирует отсутствие жидкой фазы трития внутри капилляра.

Так как функция толщины мишени от давления имеет степенную зависимость с показателем 1/3, то при давлениях, превышающих определенные критические значения, погрешности измерения давления приведут к снижению погрешности измерения толщины. Например, при погрешности датчика 0,1% от максимальной шкалы измерения (0,16 МПа), относительная погрешность измерения толщины мишени будет меньше 1% при давлении выше 0,01 МПа. Поскольку тройная точка для трития заметно превышает эти значения, то относительные погрешности измерения толщины мишени для жидкой фазы всегда будут меньше 1% и основная погрешность будет определяться погрешностью измерения величины d₀, соответствующей исходному расстоянию между мембранами.

На чертеже схематически показана конструкция мишени, образованная двумя металлическими мембранами, где l - толщина мембраны; а - радиус мембраны; h_max - максимальное растяжение (стрела прогиба) мембраны; d₀ - конструктивная высота между мембранами; d_max - максимальная толщина мишени; R - радиус кривизны растянутой мембраны.

Способ осуществляется следующим образом:

Переменный объем самой мишени связывается с растяжением плоской металлической мембраны с зафиксированными по окружности краями при воздействии избыточного (относительно внешних условий) давления газа/жидкости (при односторонней равномерной нагрузке на всю рабочую поверхность мембраны). Таким образом, объем мишени можно представить как сумму исходного цилиндрического объема между двумя мембранами (при отсутствии воздействия изнутри избыточного давления) и объемов сегментов, образованных в результате прогиба двух мембран при наличии воздействия избыточным давлением: V_м=V_мск+2V_сегм.

В предположении сферической геометрии формы сегмента его объем можно выразить известным выражением:

где h_max - максимальное растяжение (стрела прогиба) мембраны. На основании теории упругой деформации можно вычислить максимальное растяжение h_max мембраны, которое рассчитывается по формуле, взятой из справочной литературы (Ю.Н. Работнов. Механика деформируемого твердого тела. С. 413):

где Е - модуль упругости материала мембраны; l - толщина мембраны; а - радиус мембраны; р - давление в мишени. Максимальная толщина d_max - мишени (на оси симметрии) при текущем значении давления р будет соответствовать исходной толщине d₀ (конструктивной высоте) между мембранами и удвоенному растяжению:

При этом радиус кривизны мембраны R, определяющий форму мишени, связан с параметрами а и h_max следующим известным геометрическим соотношением:

Следует отметить, что в рассматриваемой системе, состоящей из калиброванной емкости, соединенной капилляром с криогенной мишенью, давление газа/жидкости в объеме мишени при криогенных температурах будет соответствовать давлению газа в калиброванной емкости с измерителем давления при нормальных условиях, так как эти объемы являются сообщающимися. Влияние температуры мишени на модуль упругости материала мембраны пренебрежимо мало, поэтому для расчета максимальной толщины мишени можно рассматривать значение модуля Е как константу.

Предложенный способ был проверен на образце мишени с определенными габаритными размерами (а=12,5 мм, l=8 мкм, d₀=0,4 мм) при заполнении ее дейтерием. При подаче избыточного давления газа 0,1 МПа в образец мишени (при комнатной температуре), растяжение мембраны по представленному расчету составило ~0,75 мм, что соответствовало практическому измерению, которое лежало в диапазоне 0,7-0,8 мм.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения объема и геометрических параметров полости жидкотритиевой мишени, подсоединенной к калиброванной емкости через капилляр, в процессе криогенного охлаждения самой мишени. Заявляется способ определения объема и геометрических параметров линзообразной полости жидкотритиевой мишени, образованной объемом между двумя металлическими мембранами, зафиксированными по окружности, и находящейся в вакуумируемом объеме. Измеряют давление газа или жидкости в калиброванной емкости, сообщающейся с объемом мишени, в которой изменяемые от давления объем и геометрия сегментов полости мишени определяют по расчету максимального растяжения металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего способа, заключается в следующем: не требуется прямого/косвенного измерения температуры газа/жидкости (трития) внутри мишени и измерений вместимости калиброванной емкости и промежуточных коммуникаций; отсутствует влияние фазового перехода газ-жидкость; снижается погрешность измерения толщины и объема полости мишени. 1 ил.

Способ определения объема и геометрических параметров линзообразной полости жидкотритиевой мишени, образованной объемом между двумя металлическими мембранами, зафиксированными по окружности, и находящейся в вакуумируемом объеме, заключающийся в том, что измеряют давление газа или жидкости в калиброванной емкости, сообщающейся с объемом мишени, в котором изменяемые от давления объем и геометрия сегментов полости мишени определяют по расчету максимального растяжения металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны.