Имитатор взрывных источников излучения на основе четырехканального капиллярного разряда

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана Кафедра «Плазменные энергетические установки» (Э-8).

Дипломная работа.

«Имитатор взрывных источников излучения на основе четырехканального капиллярного разряда».

Студента группы Э8-Д1 Кисарова А.П..

Преподаватель: Доцент Камруков А.С.

Москва, 2011.

РЕФЕРАТ.

В работе 105 страниц, 71 рисунок, 12 таблиц.

ИМИТАТОР АКТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ, ВЗРЫВНОЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ, КАПИЛЛЯРНЫЙ РАЗРЯД, ПЛАЗМЕННО-ВИХРЕВОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Объектом исследований являются физические процессы, протекающие в импульсном генераторе плазмы, предназначенном для имитации взрывных источников активных импульсных оптических помех.

Цель работы — разработка конструкции стенда на основе четырехканального импульсного генератора плазмы для имитации взрывного источника излучения, экспериментальное исследование и теоретический расчет термодинамических, электротехнических и газодинамических характеристик капиллярного разряда, термодинамических и газодинамических параметров истекающей плазменной струи.

• 1.

  Введение

  5

• 2. Разработка конструкции имитатора и составных элементов 7
• 2.1 Конструкция многоканального капиллярного генератора плазмы 7
• 2.2 Управляемый разрядник 10
• 2.3 Конструкция многоканального имитатора взрывного источника излучения 11
• 2.4 Электрическая схема питания и управления имитатором 13
• 2.5 Математическая модель имитатора 17
• 3. Разработка экспериментального стенда 25
• 3.1 Оборудование для определения электротехнических характеристик имитатора 25
• 3.2 Спектрально-диагностическое оборудование 28
• 3.3 Высокоскоростная видеокамера 30
• 3.4 Оборудование для СВЧ-диагностики имитатора 32
• 3.5 Цифровой осциллограф 32
• 3.6 Скоростная фото/видеокамера 33
• 3.7 Схема экспериментального стенда 34
• 4. Методика обработки экспериментальных данных 36
• 4.1 Измерение электротехнических параметров 36
• 4.2 Съемка скоростной видеокамерой 38
• 4.3 Спектральные характеристики излучения 42
• 4.4 СВЧ-свойства плазменного образования 47
• 4.5 Расчет погрешностей 49
• 5. Результаты экспериментального исследования имитатора 52
• 5.1 Электротехнические характеристики имитатора 52
• 5.2 Газодинамические характеристики одноканального имитатора 58
• 5.3 Спектрально-энергетические характеристики одноканального имитатора 68
• 5.4 СВЧ-свойства одноканального имитатора 73
• 5.5 Газодинамические характеристики многоканального имитатора 74
• 5.6 Спектрально-энергетические характеристики 80
• многоканального имитатора 80
• 6.

  Заключение

  88

• 7. Список использованной литературы 90

1. ВВЕДЕНИЕ.

имитатор одноканальный электротехнический газодинамический.

Современное развитие вооружения и военной техники характеризуется интенсивным применением оптико-электронных элементов, имеющих высокую уязвимость к действию электромагнитного излучения. В качестве перспективных средств оптико-электронного противодействия исследуются боеприпасы оптического действия (БОД), являющиеся источником сверхмощного некогерентного оптического излучения. В качестве первичной энергии БОД используется химическая энергия конденсированных взрывчатых веществ, источником излучения является высокотемпературная плотная плазма.

Для детального исследования работы БОД целесообразно применять многоразовые имитаторы, позволяющие значительно снизить стоимость НИОКР по созданию оптимальных типов БОД. Для имитации работы взрывного источника излучения необходимо создать импульсный поток высокоэнтальпийной плазмы, имеющий схожие газодинамические и спектрально-яркостные характеристики. Одним из источников, удовлетворяющего данным требованиям, является капиллярный генератор плазмы, использующий капиллярные разряды на основе электровзрыва металлического проводника.

Экспериментальное исследование капиллярного имитатора показало схожесть газодинамических и спектрально-яркостных характеристик со взрывными источниками излучения. В имитаторе, как и в БОД, в результате взрыва образуется поток высокотемпературной плазмы, формирующий тороидальное плазменно-вихревое образование. Сравнение динамики сил излучения представлено на рисунке 1.1.

Для решения вопросов масштабирования энергетических характеристик одноканальных взрывных источников излучения предлагается разработать и экспериментально исследовать четырехканальную конструкцию стендового имитатора. Детальная отработка процессов взаимодействия плазменных струй каждого из каналов, поиск оптимальных масс рабочего тела, и оптимальной конфигурации генератора, позволят эффективно масштабировать взрывные источники излучения.

Рис. 1.1 Сравнение регистрируемой спектральной силы излучения 1000 нм взрывного источника (пунктирная) и имитатора (сплошная).

Исходные данные.

Тип источника плазмы: капиллярный разряд с электровзрывом проводника Режим работы: импульсный Количество каналов: 4.

Расстояние между каналами: 20 мм.

Диаметр капилляра: 10 мм Длина капилляра: 55 мм Рабочее вещество: алюминий.

Напряжение: 5 кВ Полная запасаемая энергия: 10 кДж Запасаемая энергия на один канал: 2,5 кДж.

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИМИТАТОРА И СОСТАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Разрабатываемый имитатор должен моделировать крупнокалиберный взрывной источник с большим количеством одновременно срабатывающих кумулятивных снарядов. Данный стенд должен иметь возможность регулировки энергии, вкладываемой в каждый из каналов.

2.1 Конструкция многоканального капиллярного генератора плазмы.

Рис. 2.1. Имитатор взрывных источников излучения.

Конструкция:.

Конструкция многоканального имитатора основана на одноканальном имитаторе и представляет четыре капиллярных канала, объединенных в единый корпус.

Имитатор состоит из корпуса (6), диэлектрического основания (5) и вставки (2), которые в сборе с четырьмя металлическими втулками (3) и диэлектрическими вставками (4) образуют капиллярные каналы, по краям которых расположены электроды — анод-стержень (1) и катод-крышка (7). Между диэлектрическим основанием (5) и вставкой (2) располагается прокладка (8), предназначенная для амортизации ударных нагрузок в канале. Разряд формируется между стальным анодом-стержнем (1) и стальным катодом-крышкой (7) внутри сменной диэлектрической вставки (4) в парах взорвавшейся от протекающего тока алюминиевой фольги (9). Размеры канала мм. Первоначально фольга сворачивается в виде цилиндра и устанавливается внутри вставки, гальванически связывая электроды разрядной системы. Таким образом, при данном способе организации разряда химический состав истекающей плазменной струи определяется главным образом материалом фольги. Диэлектрическая мягкая вставка (4) обеспечивает электроизоляцию стенки, а металлическая втулка (3) — механическую прочность.

Согласно проведенным расчетам в и экспериментальным исследованиям одноканального имитатора, применяемая конструкция хорошо выдерживает давление и температуру в канале. Замена диэлектрической вставки (4) происходит через 30−50 запусков имитатора.

Принцип действия:.

В процессе ударно-волнового торможения сверхзвуковой струи плотной высокотемпературной плазмы, истекающей из канала имитатора в окружающее пространство, формируется самоорганизованная плазменно-вихревая структура, являющаяся источником некогерентного излучения (рис. 2.2).В отличие от взрывных источников, формирование плотной высокотемпературной плазмы в канале реализуется не активацией взрывчатого вещества, а электрическим взрывом металлического проводника (алюминиевой фольги) и последующим вводом энергии, запасенной в конденсаторной батарее, в образованную металлическую плазму.

Рис. 2.2 Процесс образования плазменно-вихревой структуры.

Порядок сборки:.

Четыре анода (1) вставляются в отверстия диэлектрическое основание (5) и фиксируются шайбой (13) и гайкой (11). На анод (1) надеваются прокладка (8), вставка (2) и корпус (6). Далее в отверстия корпуса (6) вставляются металлические втулки (3) и диэлектрические вставки (4). Собранная конструкция зажимается крышкой (7) и фиксируется тремя болтами (10,12,14).

Имитатор крышкой (7) с помощью 4 винтов (крепится к стальной плите, являющейся общим катодом для всех четырёх генераторов плазмы.

Питание:.

Минус подводится к стальной плите, к которой крепится крышка (7). Стальная плита заземлена. Плюс подводится через воздушный управляемый разрядник к аноду-стержню при помощи хомутов.

2.2 Управляемый разрядник.

Рис. 2.3. Воздушный управляемый разрядник.

Спроектированный разрядник является воздушным тригатроном.

При подаче на поджигающий электрод импульса напряжения (кВ, энергия Дж) промежуток между полусферическими электродами (8) и (9) пробивается, и разрядник срабатывает. Разрядный промежуток регулируется с помощью паза в уголках (3). Рейка перемещается в крепежных рейках (5).

Порядок сборки:

Электрод (8) продевается в отверстие уголка (3), на него надевается наконечник кабеля, идущего к плазмотрону (1), шайбы, а затем всё это затягивается гайкой. Аналогично соединяются электрод (9), уголок (3) и шина (4), идущая к батарее конденсаторов. При этом к шине припаивается один из контактов от поджигающего устройства. Другой контакт подводится внутри электрода (9): на провод надевается гайка и резиновое кольцо, затем провод пропускается внутрь электрода (9) до тех пор, пока его оголённый конец не дойдёт до края отверстия в электроде, после этого гайка затягивается и кольцо фиксирует провод.

Для защиты соседних разрядников от влияния друг на друга, каждый из них помещается в кожух (2), который прижимается двумя арками (6), прикрепляемых к столу четырьмя винтами.

2.3 Конструкция многоканального имитатора взрывного источника излучения.

Рис. 2.4. Установка для имитации, вид сверху.

Общий вид разработанного имитатора показан на рис. 2.5 (вид спереди) и рис. 2.4 (вид сверху). Габаритные размеры имитатора: 950×780×432 мм. Для удобства транспортировки имитатор имеет колёса и ручки.

Импульсный генератор плазмы (1) закреплен в плите (10), являющейся общим катодом. Плита крепится к несущей раме (6) (рис. 2.3) тремя уголками (16). Управляемые воздушные разрядники (2), катушки поджига (3) и платы (10) закреплены на текстолитовой столешнице, закреплённой на сварной раме (6).

Конденсаторные батареи (5) помещены в сварную раму (6). Каналы импульсного генератора плазмы подсоединены к разрядникам кабелями (17). Подключение разрядников и плиты к батареям конденсаторов осуществляется медными шинами. Поджигающий импульс передаётся проводами (18). Зарядка конденсаторов идёт по кабелям от внешнего источника питания.

Рис. 2.5. Установка для имитации, вид спереди.

2.4 Электрическая схема питания и управления имитатором.

Электрическая схема состоит из четырёх одинаковых контуров питания и управления каждым каналом имитатора (рис. 2.6).

Рис. 2.6 Принципиальная электрическая схема.

На рисунке 2.7. представлена детальная электрическая схема. Конденсаторная батарея К1 состоит из 2 параллельно соединённых конденсаторов К 41И-7, имеющих ёмкость 100 мкФ и максимальное рабочее напряжение 5 кВ. Зарядка батарей всех плазмотронов осуществляется от одного блока питания.

Диод Д1 предотвращает обратную разрядку батареи, а диод Д2 отсекает отрицательную полуволну тока, чтобы при смене полярности ток не проходил через блок питания. Генерация управляющих импульсов, позволяющих задавать частоту срабатывания разрядников и ширину импульсов, осуществляется блоком управления поджигом (ЦАП). Управляющие импульсы имеют стандартную величину 5 В.

Рис. 2.7 Электрическая схема питания имитатора.

На переднем фронте управляющего импульса тиристор Т1 открывается, и по первичной обмотке импульсного трансформатора ИТр1 начинает течь большой ток, т.к. сопротивление контура мало. Питание осуществляется от источника постоянного напряжения 12 В. На заднем фронте импульса происходит закрытие тиристора. В результате размыкания цепи в первичной обмотке ИТр1 возникает большая ЭДС самоиндукции, а во вторичной — мощный высоковольтный поджигающий импульс, пробивающий разрядник РУ1. Изменяя длительность управляющего импульса, можно варьировать напряжение поджига (до 25 кВ). Для того, чтобы ЭДС самоиндукции не вызвало пробой тиристора, параллельно ему включён стабилитрон Ст1, шунтирующий тиристор при подъёме напряжения выше 300 В.

Отношение числа витков вторичной и первичной обмоток составляет .

Зарядка всех конденсаторных батарей осуществляется от одного блока питания (рис. 2.8).

Рис. 2.8 Схема блока питания.

Блок питается от внешней сети 220 В, 50Гц. После замыкания ключа К1 «Высокое напряжение» загорается лампочка Л1 «Зарядка». Ток течёт через ЛАТР (лабораторный трансформатор), с помощью него можно варьировать выходное напряжение от 0 до 250 В. Затем ток проходит через первичную обмотку трансформатора Тр1. С его вторичной обмотки ток идёт на диодный мост, образованный диодами. Через шунты (15 кОм), (2 кОм) ток поступает на конденсаторную батарею. Напряжение снимается с помощью киловольтметра, последовательно с ним установлено сопротивление (1,6 кОм). При замыкании ключа К2 «Сброс», происходит разряд конденсаторной батареи на шунт (380 Ом).

Блок позволяет заряжать конденсаторы до 5000 В.

Коэффициент трансформации Тр1 .

Характеристики зарядного устройства.

При напряжении зарядки В и ёмкости конденсаторной батареи Ф:

Запасаемая энергия.

Дж.

Заряд батареи.

Кл.

Ограничение по току определяется максимальным током высоковольтных диодов (мА).

Тогда минимальное время зарядки одной конденсаторной батареи:

с.

А время зарядки всех четырёх батарей имитатора:

с.

Мощность зарядного блока:

Вт.

Из-за потерь на сопротивлении электрический КПД зарядных устройств составляет %, поэтому потребляемая из сети мощность:

Вт.

Контроль процесса ведётся по встроенным в блок питания киловольтметру и миллиамперметру. Регулирование тока зарядки осуществляется регулятором ЛАТРа.

2.5 Математическая модель имитатора.

Математическая модель, описывающая основные энергетические, термои газодинамические свойства капиллярного источника плазменных вихрей разобраны в. В данной курсовой работе рассмотрены лишь основные положения математической модели и приведены результаты рассчитанных данных.

В основе расчета электротехнического расчета капилляра лежит решение уравнения контура эквивалентной схемы (рис 2.8.).

Рис. 2.9. Электротехнический (б)) контур

Считая капилляр некоторым эффективным постоянным сопротивлением, которое определяет электрическую энергию, вложенную в плазменную нагрузку.

.

Тогда электрическая мощность, вкладываемая в плазму.

Далее считается энергетический баланс в канале капилляра по модели капилляра с испаряющимися стенками с рядом допущений:

1) канал разряда излучает как абсолютно чёрное тело с температурой плазмы, т. е. значение интегрального по спектру коэффициента черноты близко к единице;

2) температура плазмы по сечению канала разряда постоянна;

3) вводимая в канал разряда электрическая мощность уносится в основном струями горячей плазмы при температуре канала. Унос мощности теплопроводностью в стенки и излучением с торца пренебрежимо мал;

4) атомный состав плазмы соответствует химическому составу металлической фольги на стенках;

5) рассмотрение ведётся с позиций газовой динамики без учёта влияния магнитных сил.

Тогда энергетический баланс в разряде:

.

из которого рассчитывается температура в канале:

.

Считая, что течение плазмы адиабатическое и на выходе из капилляра скорость истечения равна местной скорости звука, аппроксимируя термодинамические функции в канале [3], в результате преобразования адиабатических газодинамических формул получим функцию плотности от вкладываемой мощности в канал :

В результате нескольких итераций определяются значения плотности, давления, температуры и скорости звука в критическом сечении канала капилляра (таблица 2.1−2.2).

Таблица 2.1.

Таблица 2.2.

Рис. 2.10. Зависимость электрического тока в контуре от времени Рис. 2.11. Зависимость мощности на нагрузке от времени Рис. 2.12. Структура истекающего потока.

Первичная стадия расширения плазмы капиллярного разряда соответствует модели истечения от внезапно включенного источника с решением для типичного случая,. Схема распределения потоков в данной модели представлена на рисунке 2.11.

Рис. 2.13. Схема течения в модели внезапно включённого источника.

е — ударная волна в окружающем газе; i — контактная поверхность; s — ударная волна в газе источника.

Движение контактной поверхности определяется из закона сохранения импульса. Согласно теории тонкого сжатого слоя считается, что на начальном этапе расширения масса газа, сосредоточенного в сжатом слое, движется в среднем со скоростью. Поскольку течение сверхзвуковое () и толщина сжатого слоя мала, воздействием давления за счёт уширения трубок тока на движение газа можно пренебречь. Кроме того, можно пренебречь и противодавлением, т.к. при торможение истекающего газа будет происходить в основном за счёт вовлечения в движение вытесненного окружающего газа. С учётом этого уравнение сохранения импульса запишется в виде.

.

где ` - обозначает размерную переменную, и соответственно масса плазмы и газа в областях и .

Из закона сохранения импульса находятся законы движения контактных границ. Внутри каждой из областей распределение термодинамических функций можно приближённо описать изоэнтропическими формулами [5].

;;

.

Результаты решения данных уравнений представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3.

Рис. 2.14. Временная развёртка движения ударной волны в плазме (), контактной границы (), ударной волны в воздухе () на оси струи.

При истечении осесимметричных импульсных струй из многоканального блока между ними происходит «боковое» взаимодействие, приводящее к образованию сложной пространственной структуры течения. Наряду с возникновением ударно-волновой структуры течения на начальном участке имеет место взаимодействие головных частей импульсных струй, приводящее к образованию составной импульсной струи. Определяющую роль в процессе взаимодействия головных частей играют вихревые структуры.

Как отмечено в [6], на начальном участке струй, истекающих из четырехканального блока, возникает две области течения — область взаимодействия и область суммарной струи. Течение газа в области взаимодействия имеет трехмерный характер, и возникают значительные уширения струи в плоскости взаимодействия. Сравнение границы струй для четырехканального блока и одиночной эквивалентной струи показывает заметное отличие их размеров в плоскости взаимодействия.

В разрабатываемом генераторе оптических помех расстояние между осями каналов составляло 40 мм. Сложность процесса взаимодействия сверхзвуковых струй не позволяет аналитически описать его, поэтому расчет параметров истечения плазмы принимался верным до момента взаимодействия ударных волн в воздухе: мм.

3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА.

Экспериментальный стенд включает в себя многоканальный имитатор и набор диагностической аппаратуры. Стенд разработан на основе имеющегося оборудования и предназначен для экспериментального определения характеристик имитатора.

3.1 Оборудование для определения электротехнических характеристик имитатора.

В качестве оборудования для определения электротехнических характеристик имитатора применяются пояс Роговского и частотно-компенсированный делитель напряжения.

3.1.1 Пояс Роговского.

Пояс Роговского представляет собой длинный замкнутый соленоид произвольной формы с равномерной намоткой. Так как пояс Роговского регистрирует производную тока, то для ее интегрирования была применена RC цепочка (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Пояс Роговского. с интегрирующей RC-цепочкой.

По сравнению с шунтами пояс Роговского не увеличивает затухание в разрядном контуре и индуктивность контура. Недостатком пояса является погрешность измерения, обусловленная погрешностью интегрирования э.д.с. (М — величина взаимной индуктивности пояса и разрядного контура, i (t) — разрядный ток), индуцированной в обмотке пояса и RC-цепочкой.

Пояс Роговского может исказить реальную картину и привести к значительным ошибкам, если большое отверстие тора, по площади значительно превышающее площади отдельных витков, пронизывают токи, создаваемые не тем током, который подлежит измерению. Чтобы избежать этого, один конец провода, образующего пояс Роговского, пропускают под витками к началу пояса. При такой конфигурации пояса магнитный поток, пересекающий отверстие тора пояса Роговского, оказывается не охваченным измерительной цепью.

Характерное время импульса тока, составляющее с, должно быть на порядок меньше чем постоянная времени интегрирующего контура:

с.

при этом должны выполняться условия:

Тогда параметры интегрирующей цепочки:

кОм мФ Для защиты пояса от помех используется тороидальный экран со сплошным кольцевым разрезом, параллельным его главной плоскости и обеспечивающим проникновение поля внутрь него. Для уменьшения эффектов возмущения поля сделан ещё один сплошной разрез экрана параллельный полю B.

3.1.2 Частотно-компенсированный делитель напряжения.

Делитель напряжения — устройство для пропорционального уменьшения постоянного или переменного напряжения. Для снижения влияния паразитных емкостей (на низких частотах) и входных емкостей низковольтного оборудования (которое обычно подключается с помощью экранированного кабеля) применяют емкостно-омический делитель напряжения (рис 3.2.).

Рис 3.2. Частотно-компенсированный делитель напряжения Чтобы коэффициент деления не зависел от частоты, требуется выполнение условия. Тогда коэффициент деления составит:

Для измерений используется щуп-делитель ДНВ (производитель НИИКИ ОЭП) с параметрами:

кВ МОм пФ.

3.2 Спектрально-диагностическое оборудование.

Для регистрация спектрально-яркостных характеристик имитатора преняется автоматизированный измерительно-диагностический комплекс «СПЕКТР-01К». Он содержит один канал оптической синхронизации и 5 независимых измерительных каналов, 4 из которых обладают узкими спектральными характеристиками в диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного (ИК) участков спектра, а 5-й измерительный канал обладает равномерной спектральной характеристикой чувствительности в диапазоне от УФ до среднего ИК диапазона и регистрирует интегральную энергию излучения.

Приемник УФ излучения сделан на базе вакуумного фотоэлемента Ф-29 со светофильтром УФС-1(3 мм) и регистрирует излучение в области 250…290 нм (на полувысоте) с центром на длине волны 270 нм.

Приемник видимого излучения в синей области спектра сделан на основе кремниевого фотодиода ФД-263 со светофильтрами СС15 (2,2 мм) и СЗС22 (3 мм) и регистрирует излучение в области 380…480 нм (на полувысоте) с центром на длине волны 430 нм.

Приемник видимого излучения в зеленой области спектра (области максимальной чувствительности глаза) сделан на основе кремниевого фотодиода ФД-263 со светофильтрами ЖС-18 (3,2 мм) и СЗС-21 (2 мм) и регистрирует излучение в области 505…605 нм (на полувысоте) с центром на длине волны 555 нм.

Приемник ближнего ИК излучения сделан на основе кремниевого фотодиода ФД-263 со светофильтром ИКС-6 (3,2 мм) и регистрирует излучение в области 940…1080 нм (на полувысоте) с центром на длине волны 1000 нм.

Приемник интегрального спектра сделан на основе пироэлектрической керамики ЦТС-19 со специальным покрытием и регистрирует излучение в полосе прозрачности атмосферного воздуха (л>186 нм) (спектральный аналог абсолютно черного тела).

Измерительные каналы УФ, видимой (синей и зеленой) и ближней ИК спектральных областей снабжены трехкаскадными усилителями, обеспечивающими коэффициент усиления 10 и 500 при временном разрешении менее 0,1 мкс и максимальном уровне шумов не более 0,05 В. Диапазон линейности регистрируемых сигналов — до 12 В. Таким образом, суммарный коэффициент усиления входного сигнала может составлять 5000. При этом разрешающая способность приемников ухудшается не более чем до 0,3 мкс.

Синхронизация с дополнительной регистрирующей аппаратурой (например, осциллографами) осуществляется по сигналу с 6-го (синхронизирующего) оптического канала, собранного на базе кремниевого фотодиода ФД-263 без фильтров с аналогичным трехкаскадным усилителем.

Абсолютная калибровка измерительных каналов УФ и видимой спектральных областей осуществлялась по эталону ЭВ-45 (абсолютно черное тело в спектральном диапазоне 200…550 нм с температурой 41 000 К), канала в ближней ИК спектральной области по светоизмерительной лампе СИС 107−1500 (цветовая температура 2860 К, сила света 1468 кд, свидетельство Госстандарта России о поверке № 448/6 742 от 18.01.2002 г.). Калибровка канала интегрального спектра проводилась по стандартизованному измерителю энергии импульсного излучениякалориметру ИМО-2.

Результатом калибровки являлся коэффициент пропорциональности между напряжением с фотоприемника (в В) и спектральной облученностью в плоскости входного зрачка фотоприемника Е_л (в Вт/см²нм для спектральных приемников и в Дж/см² для интегрального приемника).

Таблица 3.1. Основные технические характеристики комплекса.

3.3 Высокоскоростная видеокамера.

Камера высокоскоростной съемки «ВидеоСпринт» научно производственной компании Видеоскан предназначена для регистрации быстропротекающих процессов с частотой от 500 до 50 000 кадров/сек (и больше) (рисунок 3.5). Дополнительный затвор «NanoStage» к камере обеспечивает возможность съемки с наносекундными выдержками. Встроенный в затвор ФЭУ позволяет снимать с низкой яркостью.

Технические характеристики камеры:

— монохромное или цветное исполнение камеры;

— время записи — до 8,04 сек записи на максимальной частоте (при объеме памяти 6 Гбайт);

— время записи — до 8,04 сек записи на максимальной частоте (при объеме памяти 6 Гбайт);

— доступен волоконно-оптический интерфейс от камеры к компьютеру, длина кабеля — от 10 метров до 15 км;

— экспозиция — от 2 мкс до 33 мс;

— размер светочувствительной области — 15,3×12,3 мм, диагональ 19,7 мм;

— размер пикселя — 12×12мкм;

— максимальное разрешение от 1280×1024 (при частоте кадров 488) до 1280×1 при частоте кадров 250 000.

— разрядность АЦП — 10 бит;

— разрядность видеофайлов, записываемых стандартным ПО — 8 бит;

— возможно оснащение камеры электронно-оптическим модулем (только в монохромном исполнении), для реализации экспозиций от 10 нс до 10 мкс;

— доступные схемы съёмки и синхронизации:

— продолжительность видеозаписи — непрерывная или ограниченная по времени (количеству кадров);

— событие начала съемки: непрерывный ввод, программное (с клавиатуры), аппаратное (импульс внешней синхронизации);

— событие остановки съемки: программное (с клавиатуры), аппаратное (импульс внешней синхронизации), по окончанию заданного времени записи.

3.4 Оборудование для СВЧ-диагностики имитатора.

Для СВЧ-диагностики применяется приемник-передатчик с коническими антеннами (угол раскрытия антенны 10°), рассчитанный на работу на длине волны мм (100 ГГц). К передатчику подключается СВЧ-генератор с возможностью варьирования длительности и амплитуды импульсов.

3.5 Цифровой осциллограф.

Для регистрации сигналов применяются цифровые осциллографы Testek TDS-1002B.

Таблица 3.2. Технические характеристики осциллографа Testek TDS-1002B.

3.6 Скоростная фото/видеокамера.

Для скоростной съемки истечения плазмы дополнительно применяется скоростная фото/видеокамера CASIO EXILIM EX-F1 (рис 3.6.). В отличие от «Видеоспринт», данная камера позволяет проводить съемку цветных видео. Съемка проводилась в режиме 600 кадров/сек.

Параметры камеры:

? Датчик изображения — CMOS 1/1.8 дюйма.

? Число эффективных пикселей — 6.0 миллионов.

? Объектив — 12-кратный 36−432мм/2.7−4.6 (в 35 мм эквиваленте).

? Размер фотоизображения — до 2816×2112.

? Размер видео — 1920×1080 (60 кадров/с), 1280×720 / 640×480 (30 кадров/с), 512×384 (300 кадров/с), 432×192 (600 кадров/с), 336×96 (1200 кадров/с).

? Вспышка — встроенная (10.4 метров), внешняя (X-контакт).

? Светочувствительность — ISO 100 — 1600.

? Выдержка — 60−1/40 000с, ручная.

? Вес — 671 г.

? Размеры — 127.7×79.6×130.1мм.

3.7 Схема экспериментального стенда.

Экспериментальный стенд состоит из имитатора, подключенного к блоку питания через управляемый разрядник. Блок питания состоит из источника питания и блока конденсаторных батарей. Разрядник управляется от блока поджига. Для регистрации падения напряжения на имитаторе устанавливается делитель напряжения (1), тока в контуре — пояс Роговского (2). Данные с делителя напряжения (1) и пояса Роговского (2) записываются на цифровые осциллографы (9). Для видеорегистрации процесса используются скоростные камеры (3) и (6), снимающие процесс соответственно с боковой и с фронтальной плоскости. Управление и запись данных со скоростных видеокамер осуществляется на ПК (5). Для регистрации спектрально-яркостных характеристик применяется диагностический комплекс «СПЕКТР-01К» (8), записывающий информацию на цифровые осциллографы (9). Для СВЧ-диагностики применяются боковой СВЧ-источник-приемник (4) с уголковым отражателем (7) и фронтальный СВЧ-источник-приемник (10). Имитатор и диагностическая аппаратура синхронизованы по внешнему TTL импульсу. Для цветной съемки процесса истечения плазмы применяется скоростная фото/видеокамера (11). Запуск экспериментального стенда осуществляется включением генератора импульса, генерирующим единичный TTL импульс с параметрами мкс, В.

Рис. 3.7. Схема экспериментального стенда.

4. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

В данном разделе приведена методика обработки полученных в результате экспериментов данных и получение дополнительных характеристик имитатора на их основе.

4.1 Измерение электротехнических параметров.

Частотно-компенсированный делитель подключается к двум точкам в электрической схеме имитатора, измеряя падение напряжения между ними. Для измеряемого контура (частота тока в контуре <10 кГц) коэффициент деления принимается постоянным, тогда:

где — измеряемое падение напряжения, В;

— напряжение, отображаемое на осциллографе, В;

Рис. 4.1. Пример осциллограммы тока и напряжения на короткозамкнутом контуре.

Для измерения тока в цепи применяется предварительно откалиброванный пояс Роговского с интегрирующей цепочкой, поскольку коэффициент преобразования в поясе сильно зависит от характеристик контура. Пояс Роговского измеряет величину ЭДС, возникающую в его контуре, а пересчетный коэффициет измеряется в [А/В].

Калибровка пояса Роговского осуществляется на короткозамкнутом контуре. Зная энергию, запасаемую в конденсаторной батарее, Дж:

.

где — емкость конденсаторных батарей, мкФ;

— начальный заряд конденсаторной батареи (дополнительно контролируется делителем напряжения), кВ;

Тогда измерив ЭДС пояса Роговского от тока в цепи и напряжение на конденсаторной батарее (рис. 4.1), можно записать:

.

откуда найдем пересчетный коэффициент пояса Роговского, [А/В]:

Зная пересчетный коэффициент, определяем реальное значение тока в контуре:

.

Мощность на измеряемом участке цепи:

Электрическая энергия, вложенная в измеряемый участок цепи:

4.2 Съемка скоростной видеокамерой.

Съемка скоростной видеокамерой предназначена для измерения скорости истечения плазмы из канала капилляра, скорости расширения плазмы, линейных размеров плазменного образования, а также для оценки яркостной температуры плазмы. Съемка осуществляется без дополнительного затвора с наносекундной выдержкой. Управление параметрами скоростной видеокамеры осуществляется при помощи ПК.

Вследствие широкого яркостного диапазона плазмы (яркостная температура от 2 до 20 кК), ограниченного динамическим диапазоном матрицы камеры, съемка проводится в трех временных интервалах истечения плазмы, имеющих характерные яркостные диапазоны, в заданных скоростных режимах:

1. 0−100 мкс (10 000 кадров/сек).

2. 0−2 мс (10 000 кадров/сек).

3. 0−10 мс (500 кадров/сек).

Для выделения узкого спектрального диапазона съемки, а также защиты объектива от капель расплавленного алюминия, перед объективом устанавливается светофильтр ЗС-2. Яркость снимков уменьшается настройкой лепестковой диафрагмы объектива, увеличивающей глубину резкости объектива. Для дополнительного уменьшения яркости снимка изменяется время экспозиции кадра.

Полученные видеоданные (формат AVI), обрабатываются и кадрируются в ПО VirtualDub. В полученных фотографиях (формат JPEG) при помощи ПО Adobe Photoshop настраивается уровень контрастности и проводятся измерения в относительной величине — пиксель. При помощи калибровочного коэффициента результаты измерений переводятся в физическую величину — миллиметр.

Методика измерения:

а) фронтальная съемка.

Рис. 4.2. Измерение геометрических размеров плазменного образования при фронтальной съемке 500−10 000 кадров/сек.

Средний размер образования:

пикс.

Реальный средний размер образования, мм:

где коэффициент масштабирования, учитывающий приближение вихря к камере, мм/пикс;

— реальный линейный размер объекта, мм;

— линейный размер объекта на изображении, пикс.

— начальное расстояние до объекта, мм;

— текущее расстояние до объекта, определяемое по торцевой видеосъемке, мм;

При съемке 100 000 кадров/сек. вследствие малой ширины развертки, измерение геометрических размеров проводилась по измененной методике:

Тогда реальный средний размер образования, мм:

Измерение скорости движения границы плазмы в заданном направлении:

.

где — скорость движения границы плазмы в заданном направлении в заданный момент времени, мм/мкс;

— изменение положения границы плазмы между двумя соседними кадрами в заданном направлении, пикс;

— кадровый период, мкс.

б) боковая съемка Реальное расстояние от плазмотрона до переднего фронта образования, мм:

Рис. 4.4. Измерение расстояния до переднего фронта плазменного образования при торцевой съемке Для определения яркостной температуры плазмы в определенной точке (пикселе) перед камерой устанавливается набор светофильтров, вырезающих узкий пучок света с длиной волны л±?л. С помощью специального ПО рассчитывается относительная яркость пикселя:

.

где H — яркость пикселя, бит.

Для калибровки зависимости яркости объекта от относительной яркости пикселя используется специальная калибровочная лампа с известными параметрами. Данная характеристика КМОП-матрицы аппроксимируется линейной зависимостью:

где — соответственно яркость калибровочной лампы на длине волны л и относительная яркость лампы, — яркость плазменного образования.

По соотношению относительных яркостей, полученному из уравнения Планка находится яркостная температура T_л на данной длине волны:

4.3 Спектральные характеристики излучения.

Сигнал с фотоприемника спектрального комлекса «Спектр-01К» записывается на цифровой осциллограф в виде напряжения. По амплитудному значению сигнала с фотоприемника U_л, В определяется спектральная облученность в плоскости входного зрачка приемника , Вт/нм см²:

где ,Вт/нм см² В— калибровочный коэффициент для фотодатчика;

Таблица 4.1 — Калибровочные коэффициенты «Спектра -01K».

Измеряемое излучение условно делится на 2 стадии: «быстрая» (t < 200 мкс) и «медленная» (t > 200 мкс). Такое деление связано с различными механизмами излучения плазмы, более подробно описанными в экспериментальной части. Вследствие низкой температуры плазменного образования в «медленной» стадии процесса, регистрация «медленной» стадии проводится только на двух длинах волн: нм, нм. Осциллограммы излучения представлены на рисунках 4.5−4.6.

Рис. 4.5. Спектральная облученность в «быстрой» стадии на длинах волн: а) 270, 430 нм; б) 555, 1000 нм Рис. 4.5. Спектральная облученность в «медленной» стадии на длинах волн 555 и 1000 нм По полученному значению спектральной облученности , Вт/нм см² и известному расстоянию до источника излучения , определяемому по данным торцевой видеосъемки, рассчитывается спектральная сила излучения.

, Вт/нм ср:

По известной площади источника излучения в проекции, перпендикулярной направлению регистрации излучения , см², определяется спектральная яркость B_л, Вт/(нм ср см²):

По спектральной яркости источника рассчитывается его яркостная температура ,°К:

Цветовая температура плазмы Т_col определялась по отношению измеренных значений спектральных сил излучения на двух длинах волн л₁ и л₂.

.

Для абсолютно черного тела и для «серых» тел, у которых степень черноты не зависит от длины волны, цветовая температура совпадает с истинной. Для плазменных объектов цветовые температуры, как правило, превышают эффективные (радиационные) температуры.

В быстрой стадии процесса t < 200 мкс мгновенная мощность рассчитывается как линейно интерполированный интеграл силы света в регистрируемом диапазоне длин волн Дл? 200…1100 нм, Вт/ср:

В медленной стадии процесса к моменту времени t > 200 мs, «СПЕКТР-01К» улавливает излучение только двух длин волн: нм, нм, при этом яркостная и эффективная температура плазменного вихря практически сравниваются.

Это позволяет рассчитывать мгновенную мощность излучения по измерениям цветовой температуры и эффективного размера тела свечения, определяемого из спектральных измерений в видимой и ближней ИК областях спектра:

; .

Здесь — постоянная Стефана-Больцмана; - спектральная сила излучения плазмы на длине волны; - спектральная яркость абсолютно черного тела с температурой на длине волны; - текущая площадь проекции тела свечения.

Тогда радиационная энергия, излучаемая плазменным образованием в регистрируемом диапазоне длин волн, в единичном телесном угле Дж/ср:

.

Оценочный телесный угол, в который излучает плазменный вихрь, составляет. Тогда полная энергия излучения составит, Дж:

4.4 СВЧ-свойства плазменного образования.

СВЧ-источник-приемник подключается к генератору импульсов для модуляции исходящего сигнала и к цифровому осциллографу для записи принимаемого антенной сигнала.

Для измерения собственного излучения генератор импульсов выключается, а излучающая антенна заглушается для уменьшения количества шумов. В результате на осциллограф записывается значение СВЧ-излучения.

Рис. 4.6. Собственное СВЧ-излучение плазменного вихря У изучаемого в данной курсовой работе плазменного образования собственного СВЧ-излучения не обнаружена (рис 4.2.), поэтому методика обработки полученного сигнала не приводится.

Для анализа отражающих свойств плазмы, антеной СВЧ-источника излучается модулируемый сигнал (рис 4.3.).

Рис. 4.7. Модулируемый сигнал В результате двойного прохождения модулируемого сигнала через плазму, по полученным осциллограммам анализируется время и эффективность отражения сигнала. На приведенной осциллограмме (рис 4.4.) сигнал полностью рассеивается на плазме на время .

Рис. 4.8. Принимаемый СВЧ-сигнал после двойного прохождения плазменного образования Подскок луча на осциллографе объясняется воздействием ударной волны на приемную антенну. Для оценки эффективности прямого отражения СВЧ-сигнала:

.

гдеамплитуда модулируемого сигнала, В;

— амплитуда принимаемого сигнала, В.

4.5 Расчет погрешностей.

Приведены результаты расчета прямых и косвенных погрешностей измеряемых параметров, описанных в предыдущих частях. Процесс расчета погрешностей не приводится, поскольку он основан на стандартизированной методике расчета зависимых и независимых математических ожиданий. Начальные погрешности взяты из технического описания диагностической аппаратуры. Погрешность временной развертки осциллографа не учитывается, так как составляет ~0,1%.

Необходимо учитывать, что приведенные погрешности являются максимальными. Так расчетная погрешность энергии излучения составляет 61%, однако максимальный разброс экспериментальных данных по энергии излучения составил не более 15%.

4.5.1 Погрешности измерения электротехнических характеристик.

Таблица 4.2.

4.5.2 Погрешности измерения скоростной видеокамерой.

Таблица 4.3.

4.5.3 Погрешности измерения спектрально-яркостных характеристик.

Таблица 4.4.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИМИТАТОРА.

Для оценки полученных экспериментальных данных многоканального имитатора проводится их сравнение с многоканальным взрывным источником излучения и одноканальным имитатором, конструкция которого описана в. Поскольку экспериментальные данные по одноканальному имитатору ранее не были опубликованы, то они приводятся в данной дипломной работе. Исследования проводятся по спектарльно-энергетическим и газодинамическим параметрам формируемого плазменно-вихревого образования.

Следует отметить что результаты разделов 5.1−5.3 приведены без подробного описания, поскольку рассмотрение и структурирование основных зависимостей не являлось целью данной дипломной работы. Подробный анализ будет приведен в дипломной работе моего коллеги Степанчикова П. А. В данной же дипломной работе произведена попытка сравнения и интерпертации результатов, полученных для многоканального имитатора.

5.1 Электротехнические характеристики имитатора.

Поскольку питание каждого из каналов четырехканального имитатора осуществляется раздельно, то данные для одноканального имитатора справедливы и для многоканального. Последующие данные приведены для одноканального имитатора.

Электрический контур одного канала имитатора имеет следующие характеристики:

ёмкость батареи конденсаторов, мкФ200.

собственное сопротивление, мОм5,0 — 6,0.

(определяется током, т.к. в контуре присутствует тригатрон).

собственная индуктивность, мкГн0,73.

напряжение зарядки, кВ5.

запасаемая энергия, кДж2,5.

полупериод тока в режиме короткого замыкания, мкс 38.

Исследования были проведены для широкого диапазона масс фольги: от 10 до 400 мг с шагом 10 мг. Таким образом, удельная запасаемая энергия на единицу массы изменялась от 8 до 320 Дж/мг.

Характерная осциллограмма производной тока и напряжения, полученная для канала имитатора, показана на рис. 5.1 а. Результат её обработки — на рис. 5.1 б. Масса фольги 150 мг. Видно, что момент взрыва фольги явно отражается резким скачком напряжения и изломом производной тока. Причём по мере увеличения массы взрыв наступает позднее, а реакция напряжения и производной тока на него ослабевает.

Далее представлены результаты исследований, проведённых на лабораторном стенде. Cделанные выводы в полной мере справедливы и для имитатора если на упомянутые значения масс сделать поправку, равную .

а) б).

Рис. 5.1 а — осциллограмма производной тока (1) и напряжения (2); б — зависимость тока (черная) и напряжения (серая) от времени. Масса фольги 150 мг. Напряжение зарядки 5 кВ, запасаемая энергия 2,5 кДж.

Рис. 5.2 Зависимость тока (черная) и напряжения (серая) на плазмотроне от времени для масс 50 (а), 200 (б) и 350 мг (в). Напряжение зарядки 4 кВ, запасаемая энергия 3,2 кДж.

Соотношение начальных скачков напряжения и производной тока даёт исходную индуктивность плазмотрона:

мкГн.

Это значительно меньше, чем собственная индуктивность контура (0,65 мкГн). В то же время активное сопротивление нагрузки на первой стадии составляет не менее 50% (5 мОм) от общего, а на второй — более 80% (>30 мОм). Следовательно, полезную нагрузку можно считать практически чисто омической.

Фольга, установленная в канал плазмотрона имеет вид коаксиального провода, совпадающего по размерам с капилляром. Поэтому и после взрыва внешний размер области протекания тока не изменяется, а следовательно, индуктивность нагрузки в течение обеих стадий остаётся приблизительно равной нГн.

Зависимости выделяющейся в плазмотроне мощности и энергии для трёх масс 50, 200 и 350 мг, представлены на рис. 5.2 а и б, соответственно. Пунктиром отмечен уровень энергии, пошедшей на взрыв фольги (энергия взрыва).

Видно, что мощность в момент взрыва превышает 100 МВт, а в среднем по первому полупериоду — более 50 МВт, сокращаясь по мере увеличения массы алюминия. Во втором полупериоде она, напротив, возрастает до 10−15 МВт с увеличением массы.

Более явно изменения в характере энерговклада проявляются на зависимостях поглощаемой энергии от времени (рис. 5.2,б) Видно, что эффективность энерговклада максимальна при средних массах, а при малых и больших — ниже.