СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ КРИОГЕННОЙ МИШЕНИ ИЗОТОПАМИ ВОДОРОДА Российский патент 2025 года по МПК G01L23/00 G01F17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, к исследованиям быстропротекающих процессов, и может быть использовано для заполнения объемов замкнутых герметизированных полостей в различных сложных системах, используемых в вакуумной технике, в частности, для заполнение жидким тритием полости криогенной мишени методом перепуска при определении объема и геометрических параметров полости.

Уровень техники

Известен способ заполнения объема емкостей, основанный на измерении объема емкости при перепуске газа в испытуемую емкость из калиброванной емкости с известным объемом, давлением и температурой газа. Данный способ позволяет на основе уравнений состояния рассчитать количество газа, которое вышло из первого калиброванного объема (патенты: RU2679476, публик. 29.01.2018, RU2680159, публик.18.02.2019). Зная количество газа, которое попало в переменный объем криогенной мишени, и, помножив его на плотность жидкости при текущей температуре емкости, можно получить объем жидкой фазы.

Известные из уровня техники способы определения степени заполнения объемов имеют определенные трудности, связанные с появлением сравнительно больших погрешностей, которые возникают при определении объемов, входящих в состав сложных вакуумных систем, особенно проблемными в практическом аспекте являются измерения, проводимые со свободными объемами у конструкций с относительно малыми вместимостями. Известные способы не учитывают изменение эффективной температуры, например, мишени, связанное с изменением эффективной теплопроводности емкости за счет заполнения жидкостью объема мишени, что не позволяет корректно задать значение плотности жидкости как функции температуры, так как температура мишени является управляемым параметром и измеряется в определенной точке конструкции мишени. Давление же в системе всегда реагирует на изменения эффективной температуры жидкости в мишени и может быть использовано для расчета искомых величин.

Из уровня техники также известен способ заполнения криогенной мишени изотопами водорода (статья В.М. Изгородин и др., ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» «Криогенная мишень для ЛТС и ее проблемы создания»//book.sarov.ru), выбранный в качестве прототипа. Способ включает следующие этапы. Размещают вертикально капсулу в криостате, осуществляют выход на заданную температуру и ее поддержание с помощью контроллера. Подают теплообменный газ в бокс. Заранее определяют требуемое количество заполняемой смеси путем определения величины заполняемого объема. Заполнение капсулы (объема мишени) смесью изотопов водорода на основе гидрида металла в заранее определенном необходимом количестве при температуре 21-23К осуществляют методом перегонки через микрокапилляр из калиброванной емкости, с известным объемом, давлением и температурой газа, снижают температуру с заданной скоростью, задаваемую с помощью программы контроллера (1 К за 3-4 минуты), осуществляют проведение процедуры выравнивания криослоя по одномерным оценкам скорости выравнивания в соответствии с тепловыделением, далее осуществляют медленное охлаждение и на заключительном этапе оттаивания, осуществляют остановку заполнения при состоянии 0,999 от полного таяния, которое контролируют в режиме реального времени.

Недостаток прототипа также связан с отсутствием учета изменения эффективной температуры мишени, связанной с изменением эффективной теплопроводности емкости.

Техническим результатом изобретения является расширение эксплуатационных возможностей способа путем обеспечения полного заполнения объема мишеней разных объемов и конструкций.

Раскрытие сущности изобретения

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе заполнения криогенной мишени изотопами водорода, основанный на методе постепенной перегонки через микрокапилляр, соединяющий объем вертикально установленной мишени с калиброванной емкостью с известным объемом, определенным предварительно под контролем в режиме реального времени степени заполнения, новым является то, что контроль степени заполнения жидкостью при криогенных температурах переменного объема мишени осуществляют путем измерения давления газа в калиброванной емкости и определяют как отношение объема жидкой фазы, рассчитанной через плотность жидкости как функции равновесного давления, к объему мишени, рассчитанному по равновесному давлению через максимальное растяжение металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны, при этом окончание заполнения жидкостью объема мишени фиксируют по скачку давления, связанному с капиллярным эффектом.

Осуществление контроля степени заполнения жидкостью при криогенных температурах переменного объема мишени путем измерения давления газа в калиброванной емкости позволяет устранить расчет объема в зависимости от температуры мишени, истинную величину которой точно в опыте не определить. Кроме того это дает возможность получения калибровочной шкалы для конкретной конструкции мишени и ее корректировки по точке резкого повышения давления при достижении границы фаз входа в капилляр. При этом основная зависимость степени заполнения определяется плотностью жидкой фазы определенной среды (тритий, дейтерий или смесь) вдоль границы раздела «газ-жидкость» фазовой T-P-диаграммы состояния, которая является табулированной и фундаментальной величиной.

Фиксация окончания заполнения жидкостью объема мишени фиксируют по скачку давления, связанному с капиллярным эффектом обеспечивает требуемую точность заполнения, т.к. при заполнении уровень жидкости, как граница межфазового раздела, поднимается вплоть до самого верха, где находится капилляр. Когда граница раздела фаз подходит к капилляру, вместо выхода на стационарное значение, после постепенного снижения давления из-за конденсации газа в жидкость, происходит резкое увеличение давления, связанное с капиллярным эффектом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена зависимость степени заполнения мишени жидкой фазой, на фиг. 2 - резкое увеличение давления, связанное с капиллярным эффектом.

Осуществление изобретения

В качестве примера конкретного выполнения, поясняющего заявляемый способ, можно рассмотреть систему, состоящую 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 E как константу. 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_M=V_исх+2⋅V_сегм.

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

V_сегм = 1/6⋅π⋅h_max⋅(3⋅a²+h_max²),

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. Стр. 413.):

где E - 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:

R=(a²+h_max²)/(2⋅h_max).

При габаритах мишени (a=12,5 мм, l=8мкм, d₀=0,4 мм) и 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. Благодаря вертикальному расположению мишени, полость между двумя мембранами заполняется жидкостью постепенно и между газом и жидкостью существует равновесие, которое определяется однозначной функцией межфазовой границы (см. фазовая диаграмма T=T(P)), то есть плотность жидкости в равновесном состоянии можно однозначно представить как функцию равновесного давления P, используя известные табличные данные [P.Clark Souers. Hydrogen Properties for Fusion Energy. 1986]. Тогда степень заполнения мишени жидкостью можно определить как однозначную функцию от давления (фиг.1):

где T_c - температура газа в калиброванной емкости V_c; R - газовая постоянная; ρ_ж(P) - плотность среды (трития и/или дейтерия) в жидкой фазе при давлении P на границе раздела фаз [P.Clark Souers. Hydrogen Properties for Fusion Energy. 1986].

Кроме того, при заполнении уровень жидкости, как граница межфазового раздела, поднимается вплоть до самого верха, где находится капилляр. Когда граница раздела фаз подходит к капилляру, вместо выхода на стационарное значение, после постепенного снижения давления из-за конденсации газа в жидкость, происходит резкое увеличение давления, связанное с капиллярным эффектом (фиг.2).

Преимуществом использования выражения степени заполнения мишени как функции от давления газа в сообщающейся через капилляр емкости, является не только отсутствие зависимости от температуры мишени, истинную величину которой точно в опыте не определить, но и возможность получения калибровочной шкалы для конкретной конструкции мишени и ее корректировки по точке резкого повышения давления при достижении границы фаз входа в капилляр. При этом основная зависимость степени заполнения определяется плотностью жидкой фазы определенной среды (тритий, дейтерий или смесь) вдоль границы раздела «газ-жидкость» фазовой T-P-диаграммы состояния, которая является табулированной и фундаментальной величиной.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для заполнения объемов замкнутых герметизированных полостей в различных сложных системах, используемых в вакуумной технике, исследованиях быстропротекающих процессов и т.д., в частности, для заполнение жидким тритием полости криогенной мишени. Способ основан на методе постепенной перегонки через микрокапилляр, соединяющий объем вертикально установленной мишени с калиброванной емкостью с известным объемом, определенным предварительно под контролем в режиме реального времени степени заполнения. Степень заполнения жидкостью при криогенных температурах переменного объема мишени осуществляют путем измерения давления газа в калиброванной емкости и определяют как отношение объема жидкой фазы, рассчитанной через плотность жидкости как функции равновесного давления, к объему мишени, рассчитанному по равновесному давлению через максимальное растяжение металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны. При этом окончание заполнения жидкостью объема мишени фиксируют по скачку давления, связанному с капиллярным эффектом. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей способа. 2 ил.

Способ заполнения криогенной мишени изотопами водорода, основанный на методе постепенной перегонки через микрокапилляр, соединяющий объем вертикально установленной мишени с калиброванной емкостью с известным объемом, определенным предварительно под контролем в режиме реального времени степени заполнения, отличающийся тем, что степень заполнения жидкостью при криогенных температурах переменного объема мишени осуществляют путем измерения давления газа в калиброванной емкости и определяют как отношение объема жидкой фазы, рассчитанной через плотность жидкости как функции равновесного давления, к объему мишени, рассчитанному по равновесному давлению через максимальное растяжение металлической мембраны с фиксированной толщиной, радиусом и модулем упругости материала мембраны, при этом окончание заполнения жидкостью объема мишени фиксируют по скачку давления, связанному с капиллярным эффектом.