способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы

Классы МПК:G01N23/02 путем пропускания излучений через материал 
G01K13/00 Термометры специального назначения
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-07-23
публикация патента:

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы, причем в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 B, а на другую - переменное напряжение - меандр амплитудой ±15 B и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы. Технический результат - упрощение конструкции и повышение надежности измерения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

Формула изобретения

1. Способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы, отличающийся тем, что в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 В, а на другую - переменное напряжение - меандр, амплитудой ±15 В и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диапазон измерения электронной температуры термоядерной плазмы регулируют подбором толщины и материала фильтра, при этом для измерения температуры в диапазоне 0.5-5 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 10-12 мкм, а для измерения температуры в диапазоне 5-20 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 17-20 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе, для исследований физики космической плазмы, для исследований рентгеновского излучения от различных источников, при разработке диагностических приборов для управляемого термоядерного синтеза.

Известен способ измерения функции электронной температуры плазмы методом фильтров, описанный в работе Jahoda, F.C., Little, Е.М., Quinn, W.E., Sawyer, G.A., Stratton, T.F. Phys. Rev., v.119, p.843, 1960.

Недостатком известного способа является то, что в нем используются по крайней мере два измерительных канала, имеющих два детектора и два усилительных устройства. В настоящее время для усиления сигнала обычно применяются полупроводниковые усилители. Применение таких усилителей вблизи термоядерного устройства, которое является источником мощного нейтронного и гамма излучения, исключено из-за того, что такое излучение выводит полупроводниковые элементы из строя за очень короткое время. Еще одним недостатком известного способа является то, что измерительная аппаратура обоих каналов должна иметь строго одинаковые характеристики.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ, использованный для измерения электронной температуры плазмы, описан в работе V. Weinzettl, V. Piffl, J. Badalec, Electron Temperature Measurement on the CASTOR Tokamak by the Absorber-foil Method, serwer.ipp.cas.cz/~vwei/work/foil.pdf. В описанном методе для детектирования сигналов применялись или два поверхностно-барьерных диода или два каналтрона, входы в которые закрывались AL или Be фильтрами разной толщины. Возможность использования каналтронов на термоядерных установках весьма проблематична.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе для регистрации рентгеновского излучения из плазмы применяются два измерительных канала конструктивно размещенных в одном детекторе, состоящем из двух одинаковых Низковольтных Ионизационных Камер (НИК) (Ю.В. Готт, М.М. Степаненко, Низковольтная ионизационная камера для установки ИТЭР, Приборы и техника эксперимента, № 2, стр.117, 2009), на входе одной из которых устанавливается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм, отличия, в частности, состоят в том, что аноды обеих камер соединены между собой, что позволяет использовать один усилитель сигнала. Величина сигнала такого детектора достаточна для его транспортировки за биологическую защиту термоядерной установки. Кроме того, малое рабочее напряжение НИК позволяет использовать описанную в упомянутой выше работе систему компенсации наводок.

Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности измерения электронной температуры плазмы в термоядерном реакторе за счет использования для регистрации рентгеновского излучения термоядерной установки двух Низковольтных Ионизационных Камер, на входе одной из которых помещается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм и аноды которых соединены между собой.

Указанный технический результат обеспечен предложенной совокупностью существенных признаков.

Способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы,

при этом

в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 В, а на другую - переменное напряжение - меандр, амплитудой ±15 В и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы,

причем

диапазон измерения электронной температуры термоядерной плазмы регулируют подбором толщины и материала фильтра, при этом для измерения температуры в диапазоне 0.5-5 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 10-12 мкм., а для измерения температуры в диапазоне 5-20 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 17-20 мкм.

Для достижения технического результата в способе измерения электронной температуры термоядерной плазмы изготавливается детектор, принципиальная схема которого изображена на Фиг.1. На входе НИК-2 размещается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм. Толщина фильтра зависит от измеряемой температуры и, вообще говоря, подбирается опытным путем.

Внешний вид детектора представлен на Фиг.2.

/Женское кольцо помещено на рисунке в качестве «масштабирующего» элемента./

Каждая из НИК имеет несколько плоских электродов, установленных на расстоянии 3 мм друг от друга. Диаметр детектора - 60 мм и его длина - 65 мм. Аноды обеих НИК соединены между собой.

Вольт-амперная характеристика каждой из НИК приведена на Фиг.3. Как видно из этого рисунка, вольт-амперная характеристика симметрична относительно знака приложенного потенциала, что является принципиальным для описываемого метода. Режим «плато» достигается при потенциале, превышающем 10-15 В.

Предлагаемый метод фильтров основан на том факте, что отношение сигналов с двух детекторов просматривающих плазму вдоль одной и той же хорды в том случае, когда вход в один из детекторов закрыт фильтром, зависит, в основном, от максимальной температуры плазмы на данной хорде. Величина этой температуры может быть определена из сравнения экспериментальных и теоретических данных. Обычно такой метод применяется для определения электронных температур превышающих несколько сот электронвольт.

В данном методе на одну из НИК подается потенциал +15 В, а на другую-меандр ±15 В с импульсами длительностью 10-20 мс.

Если на обеих НИК потенциал одного знака, то анодный ток равен сумме токов с обеих НИК (НИК-1 (I1=I) и НИК-2 (I 2=способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 I)

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

где способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 - коэффициент пропускания фильтра.

Коэффициент пропускания фильтра определяется из соотношений (1) и (2)

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

Для калибровки прибора было использовано излучение рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом. Рабочий потенциал на трубке изменялся от 5 до 50 кВ.

Функция распределения по энергиям в потоке фотонов из трубки, падающих на вход детектора, имеет вид

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

где U0 - потенциал на трубке, способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063 Ве=exp(µBedBe) - поглощение излучения в бериллиевом окне трубки, µВе линейный коэффициент поглощения в Be, dBe - толщина окна. Если толщина Al фильтра составляет dAl и расстояние между детектором и трубкой составляет dAir, то сигнал с НИК-1 будет пропорционален величине

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

А сигнал с НИК-2

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

где feff - эффективность регистрации рентгеновских квантов, µAir è µAl - линейные коэффициенты поглощения в воздухе и Al.

Величины пропускания для dAl=20 µm и dAl=40 µm представлены на Фиг.4. На этом рисунке точки - экспериментальные значения, а кривые рассчитаны для

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

Функция распределения по энергия рентгеновского излучения плазмы, попадающего на вход детектора имеет вид

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

Обычно, рентгеновское излучение плазмы попадает на детектор через Be окно толщиной d и расстояние между окном и детектором составляет dA. В этом случае, сигнал с НИК-2 после Al будет пропорционален величине

способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, патент № 2502063

Используя приведенные соотношения можно определить зависимость температуры плазмы от линейного коэффициента поглощения. Это соотношение изображено на Фиг.5. Из этого рисунка видно, что если температура плазмы составляет 1.5 кэВ, то через Al фильтр толщиной 10 мкм проходит 36% излучения, а через 20 мкм - 19%. Расстояние от выхода из установки до детектора 10 см.

Так как, энергетический спектр фотонов из трубки и плазмы различаются, то при измерениях на плазменной установке нужно измерить значение feff in situ. Для этого нужно провести измерения в одном и том же режиме работы установки с фильтрами различной толщины и определить эту величину.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2502063

patent-2502063.pdf

Класс G01N23/02 путем пропускания излучений через материал 

способ измерения поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов -  патент 2524042 (27.07.2014)
экран-преобразователь излучений -  патент 2503973 (10.01.2014)
способ диагностики полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур -  патент 2498277 (10.11.2013)
способ определения количественного состава композиционных материалов -  патент 2436074 (10.12.2011)
система обнаружения и идентификации взрывчатых веществ на входе в здание -  патент 2436073 (10.12.2011)
устройство для создания высокого давления и высокой температуры -  патент 2421273 (20.06.2011)
способ определения параметра киральности искусственных киральных сред -  патент 2418292 (10.05.2011)
способ (варианты) и система досмотра объекта -  патент 2418291 (10.05.2011)
радиационный способ бесконтактного контроля технологических параметров -  патент 2415403 (27.03.2011)
способ определения концентрации серы в нефти и нефтепродуктах -  патент 2367933 (20.09.2009)

Класс G01K13/00 Термометры специального назначения

датчик температуры для измерения температуры тела -  патент 2525568 (20.08.2014)
устройство для измерения температуры газовых потоков -  патент 2522838 (20.07.2014)
устройство для измерения температуры и уровня продукта -  патент 2521752 (10.07.2014)
датчик измерения температуры нулевого теплового потока -  патент 2521734 (10.07.2014)
термозонд для измерения вертикального распределения температуры воды -  патент 2513635 (20.04.2014)
антенна-аппликатор и устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта путем одновременного неинвазивного измерения яркостной температуры внутренних тканей на разных глубинах -  патент 2510236 (27.03.2014)
способ и система для корректировки сигнала измерения температуры -  патент 2509991 (20.03.2014)
термостатический патрон с управлением от одной рукоятки и водоразборный кран-смеситель, имеющий в своем составе такой патрон -  патент 2507557 (20.02.2014)
способ и система для оценивания температуры потока в турбореактивном двигателе -  патент 2507489 (20.02.2014)
температурный датчик, способ изготовления и соответствующий способ сборки -  патент 2500994 (10.12.2013)
Наверх