Проекты

Индуктивный датчик для измерения импульсных токов с амплитудными значениями порядка 1-2кА

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Микроэлектроника
Авторы работы: ГБОУ «Школа № 1747»
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Компактная плазменная электрофизическая установка на основе эффекта гиромагнитного авторезонанса требует создания импульсных магнитных полей с индукцией порядка десятых долей тесла и характерными временами порядка сотен микросекунд. Микроволновая плазма, получаемая в этой установке, в первую очередь представляет интерес в качестве источника жёсткого рентгеновского излучения, который можно применять для дефектоскопии массивных конструкций и в качестве источника релятивистских частиц.

Для генерации импульсного магнитного поля используется источник импульсного тока с ёмкостным накопителем энергии. Ток этого источника пропускается через катушки. Но измерение магнитного поля, генерируемое этим током, является проблематичным.

Цель

Изготовить и протестировать индуктивный датчик для измерения импульсных токов с амплитудными значениями порядка 1–2 кА и характерными длительностями порядка сотен мкс.

Задачи

1. Ознакомление с плазменным ускорителем и основными требованиями к созданию импульсного магнитного поля.

2. Изучение рынка датчиков для измерения импульсных магнитных полей.

3. Изучение законов Фарадея и Био-Савара-Лапласа и эффекта Холла.

4. Изучение устройства индуктивного датчика.

5. Сравнение датчика Холла и индуктивного датчика.

6. Ознакомление с методами программного и аппаратного интегрирования.

7. Намотка катушки датчика.

8. Тестирование готового датчика.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Генератор импульсного тока с ёмкостным накопителем
  • Индуктивный датчик
  • Тестовая катушка
  • Опорный датчик Холла CSLA2EN
  • Осциллограф Tektronix TDS-2024

Описание

Для работы с плазменным ускорителем необходим генератор импульсного тока (ГИТ). Ток, генерируемый ГИТ, пропускается через катушки и образует магнитное поле, необходимое для реализации режима ускорения частиц плазмы. Магнитное поле необходимо контролировать, а для этого нужно его измерить. Если поместить датчик в вакуумную камеру, то он будет уничтожен в результате образования плазмы. Если поместить датчик между пробкотроном и катушкой, это приведёт к значительной погрешности показаний датчика вследствие сильной пространственной неоднородности генерируемых полей. Для измерения магнитного поля можно использовать датчик Холла, действующий на эффекте Холла, но у датчика есть существенный недостаток: при токах свыше 1 кА происходит насыщение магнитопровода, и датчик не будет давать показания выше этого значения. Поэтому было решено использовать индуктивный датчик, называемый иначе поясом Роговского, работающий на принципе закона Фарадея.

По закону Фарадея, электродвижущая сила (ЭДС) индукции, возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна производной магнитного поля, пронизывающего этот контур. Для оперативного управления установкой необходимо иметь информацию о величине магнитного поля в реальном времени. Для этого надо либо проводить численное интегрирование в реальном времени, либо использовать аппаратное интегрирование. После изучения численного и аппаратного интегрирования перешли к созданию самого датчика. В качестве основы для датчика были использованы изолятор и внутренняя жила радиочастотного коаксиального провода диаметром 8 мм. Обмотка индуктивного датчика выполнена медным проводом диаметром 0,24 мм и имеет 834 витка. После формирования тороидальной обмотки она была помещена в жёсткий корпус и закреплена изолентой.

Поскольку для проведения измерения с рабочими катушками ускорителя необходимо размонтировать вакуумную камеру ускорителя, измерения проводились на тестовой катушке, идентичной рабочим катушкам ускорителя.

Результаты работы/выводы

В результате проделанной работы создан индуктивный датчик тока, обеспечивающий измерение импульсного тока и его производной, показавший удовлетворительное соответствие опорному датчику Холла при токах до 1 кА. Проведены эксперименты при токах свыше 1 кА.

Перспективы использования результатов работы

На основе полученных результатов можно усовершенствовать конструкцию датчика для получения большей чувствительности, а также доработать схему аппаратного интегрирования.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РУДН