авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П.КОНСТАНТИНОВА На правах ...»

-- [ Страница 2 ] --

Одновременно с тренировкой самой камеры прогревался и откачивался охранный объём, что позволяло обезгазить детали элементов охлаждения и нагрева камеры и обеспечить в рабочих условиях вакуум 10 -6 мбар., необходимый для подачи высокого напряжения на катод и сетку камеры.

2.3 Система измерения и стабилизации температуры.

Система измерения и стабилизации температуры, как и сама камера, пережила два по коления [33]. Если сама камера, как мишень, не претерпела существенных изменений, то сис темы управления изменились кардинально. Первые эксперименты на пучке в ЛИЯФ были выполнены с применением первых, появившихся тогда микропроцессоров. Заключительные эксперименты в PSI, спустя 10 лет, были выполнены с применением всего арсенала совре менных средств управления. Системы описаны последовательно.

2.3.1 Микропроцессорная система измерения и стабилизации температуры.

Для контроля и измерения температуры газа в камере была создана автоматизированная система регулирования температуры, управляемая микропроцессором КР-580 [34]. Камера оснащена двумя платиновыми термометрами сопротивления (ТСП) открытого типа (Рис. 23), один из которых расположен непосредственно в рабочем газе камеры, а другой – в самой массивной ее части, на крышке камеры. Для дополнительного контроля абсолютного значе ния температуры в камере помещен конденсационный термометр с датчиком давления. Его можно поочередно заполнять газами с разными температурами конденсации и получать аб солютную привязку в нескольких точках температурной шкалы.

Обозначения на Рис. 23: БУК- блок управления клапанами;

УМ- усилитель мощности;

БРУС- блок ручного управления системой;

ИТ, ИУ- источник тока и измерительный усили тель;

ЦАП- цифроаналоговый преобразователь;

ГСБ- расходомер;

ФВН- форвакуумный на сос, В1 – В17 – вакуумные и газовые вентили.

Рис. 23. Блок-схема криогенной установки и микропроцессорной системы управления темпе ратурой газа в ионизационной камере Для контроля относительного изменения температуры в камере помещен датчик давле ния с электрическим съёмом показаний, информация с которого может быть использована для коррекции значения температуры при обработке. Датчиком давления оснащен танк и со суд Дьюара, из которого происходит подача азота или гелия. Сигналы со всех датчиков дав ления и ТСП через измерительный усилитель подаются на электронный коммутатор, управ ляемый микропроцессором. Коммутатор последовательно выводит сигналы на цифровой вольтметр, показания которого считываются микропроцессором. Микропроцессор програм мируется на языке высокого уровня.

В микропроцессорной системе программно реализованы 4 основных задачи: сбор ин формации с датчиков температуры и давления, преобразование величины сигналов с датчи ков в единицы температуры или давления, обеспечение постоянства расхода криогенной жидкости, протекающей через систему, трехступенчатое регулирование температуры КИК.

В системе возможны следующие режимы работы: стабилизация давления, плавное из менение, а также прерывание потока хладагента. Ориентируясь на показания датчика давле ния, микропроцессор может изменять или поддерживать постоянное давление в танке или сосуде Дьюара. Однако этот режим используется только для поддержания постоянного дав ления в системе охлаждения, поскольку скорость потока хладагента меняется слишком мед ленно. Основным режимом является режим дискретного включения-выключения микропро цессором потока хладагента через электромагнитные клапаны на выходном газовом пульте.

Клапаны позволяют, кроме того, менять и саму величину этого потока изменением выходно го сечения магистрали. Клапаны управляют потоком газообразного хладагента, что упрощает регулировку и повышает ее точность (1 литр жидкости соответствует 643 литрам газа для азота и 703 литрам для гелия при нормальных условиях, следовательно, регулировка потока криожидкости может быть очень тонкой). Естественная теплопередача к камере сильно зави сит от температуры: 0 Вт при 293 К, 5 Вт при 40 К и 6.5 Вт при 400 К. В режиме стабилиза ции суммарная подводимая к камере тепловая мощность, очевидно, должна быть равна нулю.

Это достигается постоянным незначительным превышением средней мощности теплоотвода над мощностью естественного теплоподвода при данной температуре. Разница между вели чинами теплоотвода и теплоподвода компенсируется мощностью, подводимой нагревателем.

Нагреватель подключён через усилитель мощности к цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП), управляемому микропроцессором.

На Рис. 23 показана блок-схема микропроцессорной системы измерения и стабилизации температуры КИК в диапазоне от 30 К до 400 К. В режиме стабилизации выбранного значе ния температуры (Т0) заложено удержание температуры камеры в пределах ±0.1 К. В этом температурном интервале одновременно действуют три алгоритма управления охладителем и нагревателем, определяющие не только средние значения подводимой и отводимой мощно стей, но и моменты включения и выключения нагревателя с учетом производной температу ры по времени.

Первый из них – алгоритм пропорционального регулирования мощности нагревателя, исходя из показаний датчика температуры внутри камеры. Этот алгоритм предусматривает переключение режима нагревателя при переходе температуры через заданную точку Т0. При этом нагреватель включается на большую мощность Рmax при уменьшении температуры и на меньшую Pmin при ее возрастании. Сами величины Рmax и Рmin изменяются в зависимости от величины отклонения температуры за границы области T0 ±0.1 K.

Второй алгоритм – градиентное регулирование мощности нагревателя, исходя из тем пературы газа. Он работает внутри интервала температур T0± 0.1 К. Согласно этому алгорит му, мощность нагревателя переключается при изменении знака производной температуры по времени:

T 0 возрастающей;

Р=Pmin -для (2) t T 0 убывающей.

Р=Pmax -для (3) t Внутри области T0± 0.1 К второй алгоритм имеет приоритет над первым, поэтому ре ально первый алгоритм работает только при выходе температуры газа в камере за пределы интервала ±0.1 K.

Третий алгоритм – градиентное регулирование потока криожидкости (азот), исходя из температуры крышки камеры. Согласно этому алгоритму, жидкий азот подается в теплооб менники только при возрастании температуры камеры. При охлаждении гелием использова ние такого алгоритма оказалось затруднено быстрым нагревом магистрали при прерывании потока гелия.

Зависимость температуры газа в камере от времени контролировалась, кроме того, по ленте самописца. На Рис. 24 показана температурная кривая при работе вблизи 50 К, демон стрирующая достигнутый уровень стабилизации, лучше чем 0.2 К. Характерный расход жид кого азота в режиме стабилизации около 1 л/час, жидкого гелия – от 5 до 10 л/час. Расход в режиме охлаждения – до 3 л/час жидкого азота и до 10 л/час жидкого гелия. Расход гелия впоследствии был существенно уменьшен при улучшении конструкции сифона между каме рой и сосудом Дьюара.

Рис. 24. Зависимость температуры газа камеры от времени после перехода камеры на новую температуру стабилизации (копия ленты самописца).

2.3.2 PC модульная система измерения и стабилизации температуры.

Характерной особенностью следующего поколения системы измерения и стабилизации температуры криогенной ионизационной камеры стало использование только жидкого гелия для охлаждения камеры, так как первое поколение экспериментов определило, что наиболее интересные физические явления лежат при температурах ниже 80 К. Блок-схема системы изображена на Рис. 25. Дополнительным элементом, отличающим новую систему, является пара электронных вентилей, позволяющих плавно регулировать поток хладагента. Теперь для системы стабилизации применяется двойное PID регулирование:

· контур регулирования с малой постоянной времени – независимая стабилизация температуры верхнего фланца и низа камеры – наиболее массивных частей камеры;

· контур регулирования с большой постоянной времени – стабилизация потока хлада гента с его постепенным уменьшением.

ТМН ФВН РРГ7- ВЗ НАГРЕВАТЕЛЬ ГЕЛИЕВЫЙ РРГ7 2 КОЛЛЕКТОР G ДД ЭМК ТО ГУ PT КИК ЭМК He PT He ТО2 bar ВАКУУМНАЯ КАМЕРА Рис. 25. Блок-схема системы охлаждения КИК ГУ – непрерывный сверхпроводящий уровнемер;

ЭМК1 и ЭМК2- вентили стабилизации избы точного давления в сосуде Дьюара;

ДД – электронный датчик давления в сосуде Дьюара;

ВЗ, ТМН и ФВН – вакуумная заслонка, турбомолекулярный насос и форвакуумный насос;

РРГ и РРГ72 - непрерывные электронные вентили регулировки потока хладагента;

НАГРЕВА ТЕЛЬ – нагрев хладагента до комнатной температуры. ТО1- теплообменник верхнего фланца, ТО2- теплообменник нижнего фланца. PТ1001, PT1002- соответственно верхний и нижний платиновые термометры.

Алгоритм стабилизации следующий:

· При начальном переходе от одной температуры стабилизации к другой задается большой поток хладоагента, позволяющий быстро изменять температуру. Большой поток задается даже, если необходимо повысить температуру.

· По закону PID с независимым регулированием температуры верха и низа камеры температура камеры выводится на заданную. Закон регулирования:

t T A W = A1 (T - T0 ) + A t Dt t -Dt (T - T0 ) dt, + (4) где А1, А2, А3 и Dt параметры регулирования, зависящие как от теплоёмкости, тепло вой связи, потока хладагента и т.д., так и от температуры стабилизации.

· После достижения режима стабилизации начинает работать алгоритм изменения по тока хладагента Q. В режиме стабилизации измеряется средняя мощность, необхо димая для стабилизации температуры. Задача контура управления потоком хлада гента зафиксировать эту мощность на маленьком W0 (но не нулевом) уровне. Прак тически мы оставляем дополнительную электрическую мощность для стабилизации температуры не более 0.5 Вт:

t W B Q = B1 (W - W0 ) + B2 + 3 (W - W0 )dt, (5) t Dt1 t -Dt где B1, B2, B3 и Dt1 – параметры регулирования контура регулирования потока.

И интегралы, и производные берутся численно без интерполяции функции. Т.е., если Ti – последовательные измеряемые величины температуры с шагом по времени Dt, то инте грал:

t i 1 (T - T0 )dt = (Tk - T0 ), (6) Dt i -int Dt Dt t - Dt int Dt Dt Производная в простейшем случае:

T 1 i i - N - Tk - Tk, = (7) t NDt i - N i - 2 N - где N – параметр усреднения производной. Параметр Dt фиксирован для установки. Это дис кретность времени измерения температур. В нашем случае он составляет 0.5 с.

Только после достижения процесса стабилизации, т.е.

if "i i0 Ti - T0 DTcapture (8) начинается расчет средней мощности нагревателей, необходимой для стабилизации темпера туры.

1i Wl, W= (9) K i-K где K – параметр усреднения. При этом важно, чтобы KDt составляло несколько периодов собственных тепловых колебаний системы в режиме стабилизации.

Рис. 26. Блок-схема системы управления термодинамическими параметрами криогенной ио низационной камеры (второе поколение) Если процесс стабилизации температуры камеры после перехода к новой температуре стабилизации занимает 15-20 минут, то режим оптимизации расхода жидкого гелия занимает около двух часов. Среднее время набора статистики на одной точке 40-50 часов.

Таким образом, решается задача как быстрого выхода на температуру стабилизации, так и существенного сокращения потребления жидкого гелия, что особенно важно при длитель ной, круглосуточной работе в условиях ускорителей.

Электроника системы управления для второго поколения эксперимента претерпела су щественные изменения. При использовании описанной электронной системы автоматизации КИК обнаружился существенный недостаток: плохие “земли” (между заземлением экспери ментального и измерительного зала напряжение достигало 100В, кроме того, относительно “земли” экспериментального зала на измерительных магистралях была масса электромагнит ных помех.) Длина измерительных магистралей достигает десятков метров. Несмотря на бо лее высокий уровень организации электрики в PSI эта проблема свойственна всем ускорите лям. Было признано целесообразным использование гальванической развязки сигналов меж ду первичными преобразователями аналоговой информации и приёмниками-измерителями, находящимися на значительном удалении. Остро встал вопрос с выбором аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Цифровые вольтметры отечественного производства имели низкую наработку на отказ, гарантировали заявленную точность только в пределах 8 часовой непре рывной работы. И эта точность была уже на пределе наших требований. Возможности приоб ретения вольтметра нужного качества зарубежного производства у нас не было. Кроме того, для гальванической развязки наиболее удобны АЦП распределённого типа, т.е. первая стадия преобразования аналог-частота (ПНЧ) может быть легко соединена с помощью гальваниче ской развязки с преобразователем частота - цифровой код. Именно с этой целью в качестве первичного преобразователя аналогового сигнала была выбрана дешёвая микросхема ADFC32 фирмы Analog Devices. Блок-схема новой системы управления изображена на Рис.

26.

0. 0. 0. Чувствительность [Ом/К] 0. 0. 0. 0. 0. 0 50 100 150 200 250 300 Температура [K] Рис. 27. Чувствительность 100-омного платинового термометра при различных температурах (индивидуальная калибровка) Система построена на электронной плате, вставляемой в PC. Плата содержит парал лельные порты, состоящие из 3-х двунаправленных 8-разрядных регистров, и 16 разрядные таймеры. В системе реализована полная гальваническая развязка экспериментальной уста новки, расположенной на пучке, от измерительной системы. Платиновые термометры и дат чик давления питаются от прецизионного источника тока. Полученный сигнал усиливается до величины верхнего предела преобразования ПНЧ измерительным усилителем. Параметры усилителя улучшены за счёт отбора прецизионных операционных усилителей АА725 с наи меньшим температурным дрейфом напряжения смещения, а также применением предвари тельно отобранных прецизионных резисторов С2-29В. В результате этой деятельности дрейф был снижен с 5 до 2мкВ/град, а коэффициент ослабления синфазного сигнала увеличен с 100дБ до 118дБ. В системе все аналоговые сигналы с датчиков температуры, давления и т.п.

на преобразователе напряжение-частота (ПНЧ) превращаются в гальванически развязанный частотный сигнал уровня ТТЛ. Коэффициент усиления и коэффициент преобразования ПНЧ подбираются так, чтобы верхняя граница частоты не превышала 65535 (16-разрядный счет чик) импульсов за время набора (0.2-0.3 с), и это соответствовало максимальной рабочей температуре КИК. Для формирования аналоговых сигналов управления (нагреватели, регуля торы потока хладагента) используется широтно-импульсная модуляция гальванически развя занных токовых сигналов, которые интегрируются, масштабируются и превращаются в ана логовый сигнал, нужной амплитуды. Токовые сигналы обеспечивают работу на длинные ли нии и лучшую помехозащищенность по сравнению с передачей сигналов через амплитуду напряжения. С использованием 16-разрядных таймеров нам удалось добиться не менее 13 битного разрешения всех сигналов. Для температурной информации со 100 Ом платинового термометра, это соответствовало 100 Ом/2 13=0.01 Ом разрешения. Чувствительность для 100-омных платиновых термометров, использовавшихся в системе приводится на Рис. 27.

При температурах вплоть до 25 К разрешение превышает более чем в 10 раз точность, что вполне достаточно для дискретного алгоритма регулирования.

PC модуль в параллельной кодировке передает все термодинамические параметры сис темы на один из входных регистров системы сбора физической информации с детекторов.

Все данные поступают в общий файл физической информации и используются при обработ ке.

2.4 Метрологическое обеспечение температурных измерений.

Выбору окончательной структуры схемы температурных измерений предшествовал анализ достоинств и недостатков разных реализаций. Основными критериями была цена, время измерения и необходимая точность измерений. Линейность всего измерительного тракта системы определялась по схеме, представленной на Рис. 28.

ВОЛЬТМЕТР ЧАСТОТОМЕР Щ31 ШИНА ПК Ч3- ПНЧ МАГАЗИН ТАЙМЕР + КР1108ПП СОПРОТИВЛЕНИЙ К580ВИ - (ADFC32) Р Рис. 28. Схема установки по проверке линейности измерительного тракта Стабильность источника тока исследовалась ранее. На интересующем нас токе 1мА стабильность за 8 часов была не хуже 0.005%. Линейность измерительного усилителя опре делялась с помощью магазина сопротивлений Р327 с классом точности 0.01 и вольтметра Щ31 с классом точности 0.005. При изменении сопротивления моста в интервале от до150 Ом и изменении температуры окружающей среды за время калибровки 20±2 С нели нейность усилителя составила не более 0.012%. Интервал 2-150 Ом соответствует для 100 омного платинового датчика интересующему нас интервалу температур 30-400 К.

Частотомер, измеряющий частоту на выходе ПНЧ, позволяет определить нелинейность всего преобразовательного тракта и прокалибровать по этим данным программно-аппаратное значение сопротивления магазина сопротивлений. Общий бюджет погрешностей измери тельного тракта в интервале температур окружающей среды 20±2С составил 0.026%.

Для оценки влияния изменения температуры окружающей среды вся плата аналоговой измерительной части помещалась в самодельный термостат с аналоговым регулятором тем пературы. Термостат представлял собой алюминиевый корпус, оклеенный снаружи пенопла стом. В качестве эталонного датчика сопротивления использовался прецизионный резистор типа С5-60 – 100±0.01% Ом с ТКС 2ppm/С. Максимальное изменение частоты в интервале 18-30 C составило 12 Гц на уровне примерно 48000Гц, что составляет максимальную темпе ратурную погрешность ± 0.025%.

Кроме того, предварительный отбор по температурному влиянию на параметры интере сующих нас компонент проходили операционные усилители АА725 (на их базе построены дифференциальные измерительные усилители тракта) и ПНЧ типа КР1108ПП1, позднее ПНЧ типа ADFC32.

Суммарная погрешность измерительного тракта в итоге составила ±0.051%. Если отне сти данную погрешность ко всему рабочему диапазону температур » 300К, то абсолютная ошибка измерения температуры составит 0.15К что неприемлемо с точки зрения техническо го задания. Поэтому температурный диапазон в 400К разбит на два поддиапазона, первый 2580К и второй 80400К. В первом поддиапазоне датчик температуры питается током 2мА, во втором – 1мА. Кроме того, для использования полного динамического диапазона системы ПНЧ-Таймер в каждом поддиапазоне используется разный коэффициент усиления усилителя.

В этом случае абсолютная ошибка измерения температуры для первого поддиапазона состав ляет 0.08К, для второго – 0.07К. Оба параметра переключаются автоматически при достиже нии границы поддиапазона. Оптоэлектронная развязка дополнительных погрешностей (в ви де помех) не вносит, т.к. излучающие светодиоды опторазвязки питаются в токовом режиме (открытый коллектор). В результате всех проведённых мероприятий мы смогли гарантиро вать работу измерительного тракта с точностью хорошего цифрового вольтметра (на 1994г), но уже с учётом решения проблем с “плохими землями” и высоким уровнем помех на уско рительных комплексах.

ВОЛЬТМЕТР ЧАСТОТОМЕР Щ31 ШИНА ПК Ч3- ПНЧ ТАЙМЕР РЕЗИСТОР + КР1108ПП С5-60-100 Ом К580ВИ - (ADFC32) ТЕРМОСТАТ Нагреватель Датчик температуры Аналоговый терморегулятор Рис. 29. Схема установки по измерению температурной стабильности измерительного тракта В газе и на крышке первого варианта КИК установлены 25-омные платиновые термо метры сопротивления, позволяющие измерять температуру в диапазоне от 40 К до 500 К.

Верхняя граница здесь определяется термостойкостью материалов датчика, а нижняя – воз растанием ошибки измерения вследствие уменьшения зависимости сопротивления датчика от температуры.

Платиновые датчики калибруются и контролируются при помощи конденсационного термометра, обеспечивающего точность измерения температуры 0.1 К в следующих интерва лах температур: от 27 до 44 К – при заполнении неоном, от 78 до 126 К – при заполнении азотом, от 88 до 150 К – при заполнении аргоном.

Следует отметить, что в области ниже 50 К, вследствие возрастания погрешности пока заний платинового термометра, конденсационный термометр является главным источником информации об абсолютном значении температуры газа в КИК. Стабилизация температуры при этом производится, исходя из показаний датчика давления конденсационного термомет ра. Точность стабилизации ±0.1 К при 40 К и ±0.2 К при 30 К.

Исходно платиновые термометры сопротивления калибровались по давлению насы щенных паров различных газов [35]. Были созданы две установки для калибровки: на темпе ратуры выше “азотных” и на “гелиевые” температуры. Блок-схема установки представлена на Рис. 30. Основу установки составляет калибровочный объём, в который помещаются термо метры. Полная независимость сопротивления платиновых термометров от давления до очень высоких давлений позволила нам размещать эти датчики непосредственно в объёме с эталон ным газом. Резервный объём заполнялся газом до предельно допустимого давления элек тронного манометра ИПД (40 бар.) при “теплом” калибровочном объёме. Объём резервного сосуда таков, чтобы при полном ожижении (отвердевании) газа объём жидкой или твердой фазы не превышал калибровочного объёма. Далее, в азотном или гелиевом криостате калибровочный объём охлаждается до температуры ниже тройной точки газа. Затем из криостата удаляется криожидкость, и калибровочный объём медленно (10 К/час) отогревается. Микропроцессорное устройство параллельно измеряет давление в калибровочном сосуде и сопротивление датчиков. По известному давлению насыщенных па ров находится температура, которая приписывается данному сопротивлению.

Резервный объём электронный Ne, Ar, N2, CH съём электронный съём Платиновые термометры в калибровочном объёме Рис. 30. Схема установки для калибровки термометров сопротивления по давлению насы щенных паров Особый интерес представляет получение в такой измерительной схеме реперных точек на Ne, Ar, Xe, Cr, N2, CH4. Идея измерительной схемы следующая: газ в калибровочном объ ёме охлаждается ниже тройной точки соответствующего газа, затем осуществляется квази статический отогрев калибровочного объёма. Постоянно ведется контроль только сопротив ления датчиков. При достижении тройной точки рост температуры, а, следовательно, и со противления датчиков прекращается – происходит уменьшение объёма твердой фазы и теп лота плавления компенсирует внешний теплоподвод. Следовательно, на графике сопротивле ния датчика, как функции времени, будет “плато” до тех пор, пока не исчезнет вся твердая фаза (Рис. 31). Температура тройной точки для используемых газов известна с точностью лучше, чем 0.01 К. Приводится пример для тройной точки аргона (Т = 83.78 К). Таким обра зом, можно сказать, что RPt25=5.712±0.005 Ом соответствует 83.78±0.01 К. При чувствитель ности 25-омного платинового термометра в этой области около 0.1 Ом/К можно констатиро вать погрешность реперной точки не хуже ±0.05 К. С учетом калибровки по давлению насы щенных паров и реперным точкам, при известной зависимости сопротивления от температу ры для платиновых термометров, мы можем гарантировать абсолютную точность измерений температуры в диапазоне 30 К- 300 К не хуже ±0.1 К.

6, 6, 6, 5, Сопротивление [Ом] 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 0 20 40 60 80 100 время [мин.] Рис. 31. Зависимость сопротивления 25-омного платинового термометра от времени при про хождении тройной точки Во втором поколении криогенной ионизационной камеры из-за усиления требований к чистоте газа такие внутренние элементы, как конденсационный термометр и платиновый термометр внутри камеры, были исключены. Поэтому, для проверки калибровки датчиков температуры и всей преобразующей электроники была проведена калибровка датчиков, рас положенных на верхнем фланце и на донышке камеры, непосредственно в камере. В одном из экспериментов камера была заполнена сверхчистым равновесным дейтерием. При одновре менном считывании давления в камере (электронный датчик давления класса 0.1%) и темпе ратуры в режиме стабилизации (точность стабилизации ±0.1 К) можно построить P-T – диа грамму для дейтерия. Если камера захолаживается, то сначала работает формула:

P = kn, (10) T где k- постоянная Больцмана, а n-плотность в камере. В первом приближении мы работаем в режиме постоянной плотности (внешний объём газа, газа при другой температуре, пренебре жимо мал по сравнению с объёмом газа в камере). Численные значения не важны, важен лишь закон изменения давления с температурой. При пересечении этой линией кривой дав ления насыщенных паров равновесного дейтерия, зависимость Р от Т должна резко сменить свой характер, так как дейтерий в камере начнет сжижаться и Р станет зависеть от Т строго определенным образом. На Рис. 32 приводится экспериментальная зависимость Р-Т для рав новесного дейтерия в КИК.

4. 4. Газ 4. Жидкость 4. Давление [бар] 3. 3. 3. 3.2 Давление в КИК Кривая давления насыщенных паров 3. равновесного D 2. 27 28 29 30 31 Температура [K] Рис. 32. Давление в криогенной ионизационной камере как функция температуры при пере сечении кривой давления насыщенных паров равновесного дейтерия 2.5 Регистрация событий катализа.

Принципы работы электроники и кодирования информации в экспериментах с криоген ной ионизационной камерой (КИК) были те же, что в предыдущих измерениях. Существен ное отличие состоит в увеличении чувствительного объёма КИК, достигнутого увеличением суммарной площади анодов, как уже упоминалось выше. Для того, чтобы не ухудшить энер гетическое разрешение, зависящее от ёмкости "анод-земля", количество анодов было увели чено до шести. Соответственно изменились алгоритмы и критерии отбора событий.

После триггерного сигнала, вырабатываемого на основе сигналов сцинтилляционных счетчиков, и свидетельствующего о том, что могла произойти остановка мюона в ионизаци онной камере, в окне длительностью 15 мкс, шестью спектрометрическими независимыми каналами обрабатываются сигналы со всех анодов КИК. Электронная система позволяла ре гистрировать до четырех сигналов с каждого анода. Это импульс от электронов ионизации, произведенных мюонами и заряженными продуктами синтеза. Кроме того, могут быть и шу мовые срабатывания. Пороги срабатывания дискриминаторов в спектрометрических каналах устанавливались на уровне, дающем шумовые загрузки около 100 шт/с.

Тем же триггерным сигналом запускались преобразователи "время-код" для измерения времен начала и конца каждого импульса. Таким образом, зарегистрированное событие со держит информацию об энергии, времени начала и конца каждого из сигналов на каждом аноде КИК. Заметим, что это времена не действительного появления сигналов, а моменты, в которые дрейфующие между катодом и сеткой электроны ионизации достигли сетки.

При анализе события основным являлся вопрос: где, на каком из шести анодов остано вился мюон (или остановка была вне анодов). Сигналы от актов катализа возникают как на аноде, на котором остановился мюон, а также и на соседних, благодаря длиннопробежным продуктам синтеза – протонам. Поэтому выбирается из всех электродов тот, на котором было наибольшее количество сигналов. В дальнейшем везде под электродами будем иметь в виду аноды. Если таких анодов больше, чем один, то из них выбирается последний. Этот электрод будем называть главным, с главной последовательностью сигналов. Предполагается при этом, что первый сигнал из этой последовательности вызван остановившимся мюоном, а по следующие – продуктами последовательных актов синтеза.

Если остановка мюона действительно произошла над главным электродом, то не долж но быть сигналов на следующем за ним по номеру (направлению движения мюона) электро де, совпадающих по времени с первым сигналом главной серии. Сигналы от протонов, имеющих пробег около 8 мм, могут появиться на следующем электроде, но таких событий менее 0.5%. На предыдущем электроде должен быть сигнал, близкий по времени к первому сигналу на главном, вызванный тем же мюоном. При использовании таких критериев совпа дений и антисовпадений выделялись остановки только на четырех электродах из шести;

со второго по пятый и, следовательно, использовалось только 2/3 чувствительного объёма, но это казалось оправданным благодаря резкому уменьшению доли фоновых событий.

2.6 Результаты.

Созданная установка позволила провести уникальные по точности измерения парамет ров мезокаталитического синтеза. Измерены абсолютные значения скорости dmd-синтеза. как функции температуры. Результаты измерений [36] и сравнение с существующими на сего дняшний день измерениями представлены на Рис. 33.

Наиболее полные и наиболее точные измерения на сегодняшний день получены именно в наших экспериментах. На Рис. 34 приводятся уникальные по точности измерения скоро стей переворота спина в md-атоме l3/2®1/2 в сравнении с другими многочисленными измере ниями. Систематические исследования переворота спина, вызванного различными механиз мами в различных газах и смесях, приводятся в [37]. Исследования d3He ядерного мезоката литического синтеза приводятся в работах [38], [39].

Температура Рис. 33. Температурная зависимость скоростей dmd-синтеза для обоих сверхтонких уровней F md-атома Температура Рис. 34. Скорости переворота спина в md атоме в дейтерии как функция температуры 3 Разработка измерительных средств на основе проволочного де тектора.

3.1 Монитор теплового потока.

В теплообменниках (охладителях, нагревателях) криогенных и газовых систем часто необходимо знать температурный профиль сечения газового или жидкостного потока и поле скоростей потока в том же сечении. В частности, большое значение такие измерения приоб рели в последнее время в связи с развитием электронных устройств с высокой плотностью элементов с тепловыделением, где контроль температурного режима приобретает первосте пенную роль, и он, по сути, определяет предельную плотность размещения элементов и, сле довательно, габариты и предельные параметры устройств.

Известны устройства для измерения профиля температуры в жидких и газообразных средах, содержащие несколько точечных датчиков, перемещая которые можно получить профили температурного поля по ряду координат и, следовательно, снять топографию темпе ратурного поля [40], [41], [42]. Однако, следует отметить, что такая методика измерения то пографии температурного поля возможна:

1. при неизменном, установившемся температурном режиме;

2. в случаях, когда изменение температуры достаточно медленно по сравнению с ин тервалом времени, требующимся для перемещения точечных датчиков температуры по всей линии измеряемого профиля температурного поля среды.

Для сокращения времени измерения температурного профиля применяют проводные преобразователи с локальными термодатчиками. Такие датчики позволяют быстро измерять среднюю температуру в нескольких интервалах вдоль профиля жгута, содержащего локаль ные термопреобразователи [43], [44], [45]. Однако, эти устройства содержат довольно слож ную аппаратуру для восстановления профиля температуры, а для снятия топографии темпе ратурного поля требуют размещения множества жгутов с локальными термопреобразовате лями. Кроме того, размещение множества таких термопреобразователей искажает как темпе ратурное поле, так и поле скоростей газового или жидкостного потока и существенно умень шает проходное сечение.

Наиболее удачным является метод измерения температуры в [46], но в работе измеря ются лишь средние по каждой координате значения температуры без восстановления полного температурного профиля.

Ниже описывается прибор [56], созданный нами специально для решения перечислен ных задач. Прибор для измерения топографии температурного поля и поля скоростей в сече нии газового потока представляет собой рамку из стеклотекстолита, на которой расположены распределенные термопреобразователи - вольфрамовые проволоки диаметром 0.02 мм. На рамке прямоугольной формы располагаются 26 проволок параллельных одной стороне рамки и 13 проволок параллельных другой стороне. Размеры рамки соответствуют габаритам иссле дуемого газового потока – поток воздуха в крейте электроники FASTBUS. Максимальное число станций в крейте – 26, этим определялось количество проволок по одной координате.

Размеры рамки в данном конкретном случае составляют 430x410 и не уменьшают проходного сечения. На стеклотекстолитовой рамке, используемой также в качестве печатной платы, монтируются:

1. измерительный усилитель, подключаемый к потенциальным концам проволок с помощью коммутатора;

2. два управляемых от ЭВМ источника тока;

3. 40-канальные коммутаторы для подачи тока на нужную проволоку и подключе ния измерительного усилителя и цифрового вольтметра для измерения падения на пряжения на данной проволоке.

Падение напряжения на проволоках монитора в случае малого тока (тока, не изменяю щего температуру нити) пропорционально температуре обдувающего газа, а в случае боль шого тока (тока, разогревающего нить) является функцией скорости потока обдувающего га за. На этом принципе построено измерение профиля температур и профиля скоростей потока газа. Полный профиль восстанавливается с помощью математической обработки на персо нальном компьютере. В режиме термоанемометра в поток газа вносится дополнительная мощность Q = R ·I2 30Ом (80·10-3 А)2 0.2 Вт, что, естественно, не изменяет температуру потока. В режиме измерения поля температур в поток вносится не более 0.002 Вт дополни тельной мощности.

3.1.1 Измерительная схема монитора Измерительная схема монитора тепловых потоков изображена на Рис. 35. Проволоки монитора через коммутатор последовательно подключаются к источнику тока. Величина тока связана с режимом работы монитора и устанавливается программно с IBM PC через модуль интерфейса КОП [47]. Падение напряжения на проволоках монитора усиливается измери тельным усилителем и через коммутатор подается на цифровой вольтметр. Величина падения напряжения передается модулем интерфейса КОП в IBM PC. Переключение каналов комму татора осуществляется подачей импульса на счетный вход счётчика коммутатора. В монито ре тепловых потоков предусмотрена автокалибровка измерительных каналов. При включении или сбросе коммутатора к вольтметру подключается образцовый резистор. Величина тока через проволоки монитора переключается IBM PC через модуль интерфейса КОП и управ ляемый источник тока.

R ПК N 12 3 4 N+K N+ МОДУЛЬ КОП (GPIB) КОММУТАТОР + ИСТОЧНИК ЦИФРОВОЙ ТОКА ВОЛЬТМЕТР Рис. 35. Измерительная схема монитора тепловых потоков 3.1.2 Математическая обработка Рассмотрим для примера монитор тепловых потоков, состоящий из ортогонально рас положенных проволок (Рис. 36). Т.к. дискретность разрешения температуры не может быть выше дискретности координатной сетки, то, не ограничивая общности, каждому узлу коор динатной сетки можно приписать температуру Tij ( 1 i N, 1 j K, где N, К - количество проволок монитора по осям X и Y), считая ее средней в прямоугольнике с центром в узле и сторонами, равными шагам сетки по осям X и У.

Lx Rx Rx Rx Rx Rx Ly Rxi RxN TIJ [FIJ] Ry1 Ry2 Ryj Ryk Vxi ( Vyj) Ryij Y=Ly/N Rxij + Rxi ( Ryj ) X=Lx/K Imin ( Imax ) Рис. 36. Схема монитора и условные обозначения, используемые в тексте Сопротивление участков проволоки ( Rxij и Ryij ), попадающих в данный прямоугольник, равны, соответственно:

Rxij = R0 xij (1 + a xiTij ) (1) Ryij = R0 yij (1 + a yiTij ), (2) a - сопротивление данного участка проволоки при нулевой температуре, a xi, yj R0 xij R0 yij где, температурные коэффициенты сопротивления (считаем, что температурный коэффициент сопротивления постоянен по всей длине i-ой или j-ой проволоки, натянутой по оси X или Y).

Если предположить, что сечение проволоки постоянно по всей ее длине и шаг координатной сетки также постоянен, то сопротивления участков проволоки при нулевой температуре мож но преобразовать:

R0 xij = R0 xi / K (3) R0 yij = R0 yj / N (4) где R0 xi, R0 yj - сопротивления проволок i, j по осям X, Y при нулевой температуре.

Исходными для восстановления температуры в системе являются сопротивления про волок:

Rxi = Rxij (5) J Ryj = Ryij (6) I где Rxi, RyJ - сопротивления проволок i, j по осям X, Y.

Подставляя (1), (2) в (5), (6), с использованием (З), (4), имеем систему уравнений:

R0 xi a xi Tij Rxi = R0 xi + (7) K j R0 yj a yj Tij Ryj = R0 yj + (8) N i Система уравнений недоопределена относительно Tij, т.к. число уравнений N+K, а чис ло неизвестных – N·K. Для решения системы необходимо сделать физические предположения о структуре теплового потока, уменьшающие число неизвестных. Наиболее естественным является предположение, что симметрия потока совпадает с симметрией координатной сетки и искомая величина Tij представляется в виде:

Tij = Ai B j (9) Ai, B j - новые переменные, которые вводятся для решения системы. Физический смысл разделения переменных по координатным осям в предположении независимости Х-ой и У-ой компонент температурного поля и поля скоростей потока. Тогда уравнения (7), (8), с учетом (9), преобразуются в систему:

R0 xi a xi Ai B j Rxi = R0 xi + K (10) j R0 yj a yj B j Ai Ryj = R0 yj + N (11) i Системы нелинейных уравнений (10), (11) нормально определены относительно Ai, B j и решаются любыми известными способами. В качестве одного из возможных методов реше ния – итерационный метод. Задавая начальный набор Ai из (11), получаем набор Bi :

N ( Ryj - R0 yj ) Bj = R0 yj a yj Ai (12) i Из (10) имеем :

K ( Rxi - R0 xi ) Ai = R0 xi a xi B j (13) j Итерационный процесс из (12), (13) можно представить как x xi Ai (k ) ( k +1) = A i x y i j (14) j где K ( Rxi - R0 xi ) x xi = R0 xi a xi (15) N ( Ryj - R0 yj ) x yj = R0 yj a yj, (16) (k ) A а итерация. Для оценки сходимости итерационного процесса рассмотрим -k i разность:

® ( k +1) ® ( m +1) = ( ( Ai ( k +1) - Ai ( m+1) ) 2 )1/ 2 = * -A A (17) ® (k ) - вектор с проекциями Ai ( k ) С учетом (14)-(16) имеем :

где A ( x xi 2 )1/ ( ( As ( k ) -As ( m ) ) 2 )1/ 2 = ** *= i abs( x y j ) b (18) j где s=1……N.

®(k ) ® (m ) ** = L A -A Тогда, (19) где K ( (( Rxi / R0 xi - 1) / a xi ) 2 )1/ L= i N abs ( (Ryj / R0 yj - 1) / a yj )). (20) j Достаточным условием для сходимости итерационного процесса является соотношение:

0 L 1. (21) Для оценки величины L введем среднюю температуру T и среднюю температуру нити Txi :

T = ( ( Ryj / R0 yj - 1) / a yj ) / K (22) j Txi = ( Rxi / R0 xi - 1) / a xi (23) Тогда ( Txi 2 )1/ Txi max L= i N T N 1/ 2 T, (24) где Txi - максимальная средняя температура вдоль одной из Х-ых проволок. Условие (21) на лагает ограничение на рельефность поля температур и связывает величину максимально возможной рельефности с числом проволок. Рельефность поля температур, т.е. отношение максимальной температуры к средней, не должна превышать квадратного корня из числа проволок. Естественно, в данном утверждении учитывается условие сходимости итераций для B j, аналогичное (24). Итерационный процесс сходится за 10-15 циклов к набору Ai и B j, определяющих Tij с точностью 0.001 К (это итерационная, а не реальная точность измерения температуры).

Найденное таким образом поле средних (в прямоугольниках на узлах) температур по зволяет построить непрерывное распределение T ( x, y ) экстраполяционными методиками, так, чтобы обеспечивалась непрерывность функции T ( x, y ) и производных T ( x, y ) / x, T ( x, y) / y на границах прямоугольников и Dx X ij + Tij = T ( x, y ) dx. (25) Dx Dx X ij Dy Yij + Tij = T ( x, y ) dy Dy Dy Yij (26) lim (T ( xij, y )) = lim (T ( x, yij )) Y ®Yij X ® X ij (27) где ( xij, yij )-координаты i,j -узла сетки, Dx, Dy - шаг сетки. Проволоки монитора тепловых по токов подключаются к источнику тока величиной I. Сигнал с проволоки через усилитель с коэффициентом усиления Ку поступает на вольтметр. Следовательно, величина сопротивле ния проволоки:

Vxi Rxi = I Kу (28) Vyj Ryj = I Kу, (29) где Vxi и V yj - величины напряжений, измеряемых вольтметром через коммутатор со всех проволок монитора. Для автокалибровки всего измерительного канала перед набором Vxi и Vyj происходит измерение сигнала с образцового резистора, установленного на нулевой ка нал коммутатора.

V0 = R0 I KУ (30) где R0 - величина эталонного резистора, а V0 - падение напряжения, измеряемое на нулевом канале коммутатора. Зная R0 и измеряя V0, можно получить произведение I K у для исполь зования в (28), (29).

Режим работы монитора, – измерение поля температур или измерение распределения скоростей газового потока, – определяется величиной тока, вводимого в проволоки монито ра. I min - ток для измерения поля температур, I max - ток для измерения распределения скоро стей потока. I min не изменяет температуру проволок монитора, и набор Tij ( I min ) дает распре деления температур в газовом потоке. I max приводит к значительному (до 10 градусов) пере греву проволок монитора и температура проволок определяется величиной теплоотвода. Ве личина теплоотвода от проволок является, прежде всего, функцией скорости потока газа. В общем случае, скорость потока газа F можно представить как F = F ( DT, T, I max ), (31) где Т - температура воздуха, обдувающего нить, а DT - превышение температуры нити над I max.

температурой окружающей среды при определенном Вид зависимости F = F ( DT, T, I max ) определяется экспериментально. Так же, как и с полем температур, вводим среднюю в прямоугольнике величину скорости потока Fij. Тогда Fij = F (Tij ( I max ) - Tij (I min / Tij ( I min ) I max ). (32) В достаточно широком интервале температур можно считать, что F = F ( DT, I max ). (33) Тогда, измеряя последовательно Rxi ( I min ), Rxi ( I max ), R yj ( I min ), R yj ( I max ) и вводя пере менные:

DRxi = Rxi (I max ) - Rxi ( I min ) (34.1) DRyj = Ryj ( I max ) - Ryj ( I min ) (34.2) DTij = Tij ( I max ) - Rij ( I min ) (34.3) DRxij = Rxij ( I max ) - Rxij ( I min ) (34.4) DRyij = Ryij ( I max ) - Ryij ( I min ), (34.5) имеем, по аналогии с (1) … (13) для итерационного процесса N DRyj Dj = R0 yj a yj Ci (35) i K DRxi Ci = R0 xi a xi D j, (36) j где Ci и D j – переменные (по аналогии с Ai, B j ), такие, что DTij = Ci D j (37) Сходимость итерационного процесса примерно такая же, как и с полем температур. То гда для средней скорости потока в прямоугольнике:

Fij = F ( DTij, I max ) (38) Алгоритм измерений представлен на Рис. 37 и состоит из поочерёдного подключения проволок монитора к источнику тока и усилителю сигнала с помощью электронного комму татора. Ток через проволоки монитора переключается с I min на I max и обратно.

инициализация системы память РС установка I min чтение вольтметра V0 ( I min ) установка I max чтение вольтметра V0 ( I max ) установка I max установка I min Vxi ( I min ) чтение вольтметра Vtj ( I max ) установка I max Vxi ( I min ) Vtj ( I max ) чтение вольтметра выход из цикла после N+K+ обработка данных Рис. 37. Алгоритм измерений монитора теплового потока.

Существенным элементом алгоритма и свободным параметром в нем является время между включением тока и измерением падения напряжения на соответствующей проволоке.

Это время, естественно, зависит от величины тока и для I min, составляет примерно 0.3 с, а для I max, 2 с. Величины временных задержек между включением тока и измерением падения напряжения определяются экспериментально. При необходимости измерения мгновенной картины поля скоростей потока и поля температур, следует использовать постоянную подачу тока в проволоки монитора. Тогда суммарная дополнительная мощность, вносимая в поток в режиме измерения поля температур: Q min @ ( N + K ) R( I min ) 2 @ 40 0.002 = 0.08 Вт. Дополни тельная мощность в режиме термоанемометра при постоянной подаче тока во все проволоки монитора: Q max @ ( N + K ) R( I max ) 2 @ 40 0.2 Вт = 8Вт, что в ряде случаев может внести до полнительные погрешности.

Прибор калибровался с помощью промышленного термоанемометра ТА-8М. В резуль тате погрешность измерения температуры в узлах проволочной решётки не превышает 2% в диапазоне температур 0 600. Прибор в режиме термоанемометра позволяет измерять ско рость воздушного потока от 0.1 до 5м/с с погрешностью ± 10%.

3.1.3 Заключение Задачи исследования поля температур и поля скоростей газового или жидкостного по тока возникают в различных экспериментальных или технологических установках. Особен ности данного прибора:

1. малое гидродинамическое сопротивление;

2. возможность измерения мгновенного профиля температур или скоростей потока;

3. возможность исследования распределения температур или скоростей потока на лю бой поверхности (цилиндрическая, сферическая, любая криволинейная);

4. отсутствие подвижных элементов;

5. использование в качестве распределенных датчиков температуры любых проволок, имеющих достаточно большой температурный коэффициент сопротивления (вольф рам, молибден, платина, никель и др.).

Все это позволяет использовать прибор [56] в различных сферах технологических и производственных процессов для исследования характеристик теплообменников тепловых станций и контуров охлаждения ядерных реакторов, любых процессов, связанных с потоками жидкости и газа.

Кроме того, нами была предпринята успешная попытка использования описанного мо нитора для исследования профиля атомарного и молекулярного пучка в источнике поляризо ванных атомов водорода и дейтерия на ускорителе COSY (Юлих, Германия) 3.2 Монитор атомарного пучка водорода/дейтерия.

3.2.1 Методика измерений Профиль атомарного пучка в области его формирования является одной из основных характеристик источника поляризованных атомов водорода (дейтерия). Ниже описана мето дика измерений профиля атомарного пучка, измерительное оборудование и представлены ре зультаты измерений.

Традиционный метод измерения профиля водородного атомарного пучка основан на использовании квадрупольного масс спектрометра (к.м.с.), в котором атомы проходят сквозь спектрометр и пересекаются внутренним электронным пучком [48]. К.м.с. располагается на двухкоординатном столе, что позволяет перемещать его в плоскости, перпендикулярной пуч ку.

Непрямой метод измерения профиля пучка связан с использованием компрессионной трубки [49] и основан на измерении давления в объёме с компрессионной трубкой. Прямой атомарный пучок проходит через длинную трубку с маленьким диаметром без взаимодейст вия со стенками (атомы движутся параллельно оси трубки). Но обратный поток из объёма ог раничен проводимостью компрессионной трубки. Таким образом, давление в объёме связано с потоком атомов и параметрами компрессионной трубки. Если есть возможность переме щать компрессионную трубку в плоскости, перпендикулярной пучку, то можно измерять профиль пучка. Специальная процедура калибровки позволяет измерять абсолютный поток на входе в компрессионную трубку [50].

Оба метода хорошо известны и тщательно исследованы в большом количестве работ.

Главные ограничения этих методов: разрушение пучка измерительным прибором, механиче ская сложность двухкоординатного перемещения в вакууме, высокие требования к вакууму при измерениях с к.м.с..

Двухкоординатный резистивный детектор атомарного пучка позволяет преодолеть эти ограничения. Работа прибора основана на изменении сопротивления тонкой проволоки в по токе атомарного водорода (дейтерия). Атомы водорода нагревают поверхность из-за поверх ностной рекомбинации в молекулы, в результате изменяется температура проволоки и, соот ветственно, ее сопротивление (Рис. 38). Таким образом, сопротивление проволоки несет в се бе информацию о величине потока. Если организовать двумерную сетку проволок, то можно восстанавливать профиль атомарного пучка.

Сопротивление проволоки, Ом молекулярный водород атомарный водород вакуум 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1. Ток, мА Рис. 38. Сопротивление 5-микронной проволоки как функция тока в хорошем вакууме, в потоке молекулярного водорода (0.5 1016 молекул/см2 с) и в потоке атомарного водорода (1 10 16 атомов/см2 с) Хорошо известно, что коэффициент прилипания для атомарного водорода достаточно велик [51] и не зависит от угла атаки и скорости атомов (до 10000 м/с). Попытки измерения тепла рекомбинации на источниках атомарного водорода с помощью проволочного детектора проводились различными группами, но без успеха и без публикации результатов [52]. Глав ная проблема состоит в чрезвычайно низкой плотности выделяемого тепла, которую необхо димо измерить. Характерная плотность атомарного потока ~ 1016 атомов/см2 ·с. Для такого потока плотность выделения тепла при рекомбинации атомов на поверхности составляет 0.004 Вт/см2. Применение математической модели [53] позволило определить интервал под ходящих диаметров проволок. Для проволоки из W–Re-сплава возможный диаметр составил 5±2 мкм. На качественном уровне такой узкий интервал связан с увеличением теплоотвода через проволоку с ростом диаметра и увеличением излучения тепла с уменьшением диаметра.

Оба эти процесса снижают температуру проволоки, и, следовательно, чувствительность ее как детектора атомов. При изготовлении монитора использовалась проволока компании Luma Metal [54].

Математическая модель нагрева проволоки вследствие рекомбинации атомарного водо рода на ее поверхности строилась в предположении однородного параллельного атомарного пучка, падающего на проволоку с круглым сечением, длина которой много больше диаметра.

В результате получено нелинейное стационарное дифференциальное уравнение второго по рядка:

I 2 [r 0 + r 0 a r (T - T0 )] C s E dQ( x, y ) - pse d (T 4 - T04 ) + 2T T al 2 S - 2 = +, 1 + a l (T - T0 ) x S (l0 + l0 a l (T - T0 ) ) x где x – координата вдоль проволоки, yп – координата проволоки, Q(x,yп) – плотность потока атомарного водорода, d – диаметр проволоки, Cs – коэффициент прилипания атомов водорода к поверхности, Eрек – энергия рекомбинации пары атомов, s - константа Больцмана, e - ко эффициент отражения, T0 - температура вакуумной камеры или температура равновесного теплового излучения, в котором находится проволока, I – ток через проволоку.

Теплопроводность проволоки:

l(T ) = l 0 + l 0 a l (T - T0 ), где a l - температурный коэффициент теплопроводности и l 0 - теплопроводность при тем пературе T0.

Удельное сопротивление проволоки:


r(T ) = r 0 + r 0 a r (T - T0 ), где a r – температурный коэффициент удельного сопротивления и r 0 – удельное сопротив ление при температуре T0.

L L Граничные условия для полученного уравнения: T - 0 = T 0 = T0. Сопротивление 2 проволоки при этом выражается через температуру как:

L0 L r 2 r(x )dx = S L 0 (1 - a r T0 ) + L T(x )dx.

R= S L -0 - 2 Для выявления качественных закономерностей было найдено, в рамках упрощающих предположений, аналитическое решение, которое вполне можно использовать для малых по токов атомарного водорода. На основании аналитических вычислений были установлены границы параметров для проволок. Кроме того, его можно использовать как начальное при ближение для численного решения дифференциального уравнения. При этом скорость схо димости численного решения увеличивается в десятки раз.

3.2.2 Регистрация потока атомарного водорода.

Нелинейное дифференциальное уравнение для проволоки численно решается с помо щью различных методов, но сама проволока описывается рядом параметров, одни из которых доступны прямому измерению, другие нет. Оказалось, что параметры, доступные прямому измерению для тонкой проволоки (5 мкм), сильно отличаются от табличных для данного ма териала. Это объясняется существенным влиянием поверхностного слоя и сложным составом проволоки (вольфрам, рений и 0.5 мкм золота на поверхности).

Проволоку описывают следующие параметры: температурный коэффициент сопротив ления a r, допускающий прямое измерение (были проведены измерения сопротивления куска проволоки в муфельной печи до 800 С);

диаметр поволоки d, допускает прямое измерение с помощью микроскопа;

теплопроводность l ;

коэффициент отражения e.

Два последних параметра не допускают прямых измерений. Их можно получить из за висимости сопротивления проволоки от тока в хорошем (10-7 мбар) вакууме. Параметры теп лопроводности и коэффициента отражения просто подгоняются для совпадения расчетного сопротивления и измеренного.

На Рис. 39 приводится зависимость сопротивления проволоки в вакууме, в потоке моле кулярного водорода и в потоке атомарного водорода. Эти измерения подтверждают чувстви тельность метода именно к атомарному водороду. Поток молекулярного водорода, создаю щий примерно те же вакуумные условия для проволоки, не приводит к изменению сопротив ления. Отметим, что ухудшение вакуумных условий может только уменьшать сопротивление (принцип работы большого числа вакуумметров). Эффект от атомарного водорода увеличи вает сопротивление проволоки почти вдвое (при малых токах), что доступно для измерения практически любыми вольтметрами (соответствует изменению напряжения 90–150 мВ).

Данные к.м.с., относительные единицы Сопротивление проволоки, Ом 1 0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24: Время Рис. 39. Измерение сопротивления проволоки в потоке атомарного водорода и параллельное измерение того же потока квадрупольным масс-спектрометром Стабильность во времени измерялась параллельно с данными от квадрупольного масс спектрометра (Рис. 39). Для обеспечения воспроизводимости измерений была разработана специальная методика очистки проволоки, поскольку ее поверхность играет решающую роль при измерениях. Оказалось, что после прокаливания проволоки в потоке атомарного водоро да до температуры 900 С воспроизводимость результатов становится лучше 1%. При боль ших температурах золото начнет испаряться с поверхности проволоки.

Таким образом, из выражения для сопротивления проволоки можно определить инте грал проекции плотности потока на данную проволоку. Для измерения профиля пучка был разработан двухкоординатный монитор, содержащий два слоя проволок (16 на 16) на разных сторонах стальной рамки [55]. На рамку с помощью аралдита (двухкомпонентный клей, со вместимый со сверхвысоким вакуумом) наклеена каптоновая изоляция с медными площад ками. Покрытая золотом W–Re-проволока толщиной 5 мкм припаивалась и проклеивалась на этой рамке (технология пропорциональных камер). Особенностью технологии является рабо та с тонкой (5 мкм) проволокой – необходимое натяжение при монтаже не более 1.5 г. Мони тор выполнен по технологии устройств, помещаемых в сверхвысокий вакуум.

Провод Провод Канал1 Канал 32 канальный АЦП Коммутатор LTC Ит1 Ит Микропроцессор 16 бит. ЦАП AT89S Дешифратор Адрес Триггерный адреса и блок суб. адреса Сигнал записи Шина КАМАК Запись Регистр Данные (8 бит) 0.... 3 х 8 байт Регистр 3 х 8 байт Чтение Буфер с тремя 0..... состояниями Сигнал чтения Рис. 40. Функциональная схема модуля КАМАК-привода проволочного детектора Для работы с монитором была разработана специальная плата для персональной ЭВМ, содержащая 32 управляемых источника тока и 32-канальный аналоговый коммутатор. Сигна лы с проволок после коммутации измерялись цифровым вольтметром компании Keithley. Для использования монитора потока на поляризованном источнике в эксперименте HERMES (DESY, Гамбург) разработан модуль КАМАК на базе микроконтроллера Atmel 89S8252.

Функциональная схема модуля-привода проволочного детектора приведена на Рис. 40.

Программа, написанная для микропроцессора с использованием Avocet C51, обеспечи вает измерение сопротивлений проволочек и обмен данными с контроллером КАМАК. Для отладки алгоритмов работы прибор оснащен последовательным интерфейсом RS-232. После установки требуемого тока во всех проволочках с помощью 32 управляемых источников тока аналоговый сигнал с проволочки проходит через коммутатор Burr-Brown MPC506, усилива ется и оцифровывается 24 разрядным а.ц.п. LTC2410 компании Linear Technology. Примене ние а.ц.п. с высокой разрядностью позволяет достичь хорошей точности измерений. Для за щиты прибора от сбоев программного обеспечения использована схема автоматического сброса (“Watch-dog”) LTC1232. Быстродействие прибора определяется временем термализа ции проволоки при включении потока атомарного водорода, которое составляет 0.3 секунды, и периодом считывания сигналов со всех проволок (5 секунд).

Прибор предназначен для относительных измерений плотности потока. Пространствен ное разрешение и погрешность восстановления плотности потока – связанные величины, так как в процессе расчета двумерной картины потока участвует весь ансамбль проволок. Отно сительная погрешность складывается из измерительной погрешности (0.2 %) и погрешности восстановления плотности потока (4-6 % для 32 проволочного прибора с шагом проволок мм). Абсолютные измерения плотности потока имеют значительно большую погрешность из за плохого знания коэффициента прилипания атомарного водорода к поверхности (погреш ность 30-40%) и зависимости этого коэффициента от способа нанесения и обработки поверх ности.

3.2.3 Восстановление профиля потока атомарного водорода Пусть {R a,i }i =1..16 - сопротивления проволок в различных плоскостях (x,y) и с различны a =x, y ми порядковыми номерами. Достаточно легко найти центр пучка, что весьма важно для про водки пучков. Можно определить R x,i - R 0 x,i R y,i - R 0 y,i 16 x0 = xi y0 = yi,, R 0 x,i R 0 y,i i =1 i = где {R 0 a,i }i =1..16 – сопротивление соответствующей проволоки при отсутствии атомарного пуч a = x, y ка.

Устранить разброс сопротивлений для проволок не удается (он составляет ~ 5%), по этому для каждой проволоки используются индивидуальные параметры.

Относительную интенсивность пучка можно характеризовать как Ra,i - R0 a,i X=.

R0 a,i a= x, y i = Размер пучка можно оценить, если сделать предположение о цилиндрической симмет рии, но это уже не так однозначно и связано с моделью пучка [56]. При этом задается опреде ленная модель пучка (например, двумерное распределение Гауса). Она содержит ряд пара метров, которые необходимо определить. Задав начальное значение параметров, вычисляют сопротивление проволок, численно решая дифференциальное уравнение [57]. Далее парамет ры модели пучка варьируются с минимизацией среднеквадратичного отклонения расчетных сопротивлений от измеренных. На Рис. 41 приводится восстановленный профиль потока ато марного водорода [58].

потока, отн. ед.

1. 0. Интенсивнос ть 0. -0. -1. 10 м y, м 30 x, м м Рис. 41. Профиль потока атомарного водорода во второй камере поляризованного источника.

Двухкоординатный детектор потока атомарного водорода продемонстрировал надеж ную и устойчивую работу [59]. Прежде всего, он удобен в качестве прибора, который, не раз рушая пучок, в режиме реального времени контролирует интенсивность и геометрические размеры пучка. К настоящему времени отработана как методика производства самих детек торов, так и разработано несколько вариантов электроники для считывания информации. В настоящий момент используются платы для персонального компьютера, а также модуль КАМАК на базе микропроцессора.

3.3 Непрерывный проволочный уровнемер Существуют измерители уровня криогенных жидкостей, работающие на различных фи зических принципах: ёмкостные, по разности давлений (с использованием дифференциально го манометра), ультразвуковые, оптические, сверхпроводящие (для гелия) и дискретные по лупроводниковые или интерметаллические, использующие принцип перегрева. Достоинства и недостатки каждого типа уровнемеров известны. Остановимся на анализе недостатков уровнемеров каждого типа. На показания ёмкостных уровнемеров сильное влияние оказывает конденсация паров воды внутри уровнемера, т.к. диэлектрическая проницаемость льда в раз превышает диэлектрическую проницаемость таких сжиженных газов, как азот, водород, гелий. По сравнению с проницаемостью газовой фазы эта разница составляет несколько по рядков. Уровнемеры, работа которых основана на принципе измерения давления столба жид кости, требуют отвода трубки от самого низа резервуара с жидким газом. Это достаточно сложная в конструктивном смысле процедура. Ультразвуковые уровнемеры практически не работоспособны в случае столба паро-жидкостной смеси над поверхностью жидкости, на пример, при заполнении криостата. Они имеют недопустимо большую погрешность при из мерении уровней лёгких газов, таких как водород, дейтерий. Оптические уровнемеры в ещё большей степени, нежели ультразвуковые, требуют ровной поверхности криогенной жидко сти, что на практике бывает редко. Сверхпроводящие непрерывные уровнемеры пока что пригодны только для измерения уровня жидкого гелия. Для других, более высокотемпера турных криогенных жидкостей будут пригодны тонкие проводники из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, когда будет создана технология их производства. Недостатком дискретных датчиков является ограниченная информация о действительном положении уровня жидкости. Работа этих датчиков основана на разном теплоотводе от перегретого дат чика в жидкой и газообразной фазе. Для работы такого уровнемера требуется источник ста бильного тока и АЦП.


Рис. 42. Схема проволочного уровнемера.

1- электрические клеммы герметичного разъёма, 2-отверстия связи с газовой частью объёма, 3-чувствительный элемент (20мкм вольфрамовая проволока), 4-проводник от нижнего конца уровнемера, 5-рассеиватель конвекционного потока, 6-тонкостенная трубка из нерж. стали, 7 фиксирующая диэлектрическая шайба, 8-эл. контакт чувствительного элемента с проводни ком, 9-уровень жидкости.

Нами создан непрерывный уровнемер, в котором использован этот принцип. Наклады вается серьёзное ограничение – температура газовой части среды, в которой находится чув ствительная часть уровнемера, не должна сильно отличаться от температуры жидкости. При этом, так как измеряемой величиной является сопротивление проводника, то проволока должна иметь высокий температурный коэффициент сопротивления. Для уровнемеров ис пользовались золоченые проволоки из вольфрама, легированного рением. Схема непрерыв ного проволочного уровнемера приведена на Рис. 42. На Рис. 43 представлена функциональ ная схема включения проволочного уровнемера.

АЦП Микропроцессор Рис. 43. Схема включения непрерывного проволочного уровнемера Рассмотрим проволоку с высоким удельным сопротивлением, расположенную в сосуде, частично заполненном жидким азотом. Длина проволоки – L;

введем переменную x [0, L ], часть проволоки x x0 находится в жидкости, остальная в газовой фазе. В замкнутом сосуде, полностью расположенном в вакууме, мы можем допустить отсутствие градиента температу ры в газе над криогенной жидкостью. Считаем, что и жидкость, и газ в сосуде находятся при температуре Т0. В этих условиях можно записать одномерное стационарное дифференциаль ное уравнение для распределения температуры вдоль проволоки как:

d dT l = -F S dx dx где l – теплопроводность материала проволоки [Вт/(м К)], S -площадь сечения проволоки. В общем случае, l зависит от температуры и не зависит от х (проволока однородна по длине).

Пусть F [Вт/м] – линейная плотность теплового потока. F зависит от х и Т. F положительна, если тепло поступает на проволоку. Граничные условия для T (x) : T (0) = T ( L) = T0 объясня ются тем, что концы проволоки зафиксированы на массивные объекты, которые заведомо имеют температуру окружающей среды. Так как диапазон распределения температур вдоль проволоки не превышает десятков градусов, мы можем пренебречь температурной зависимо стью теплопроводности от температуры 2T Sl = -F x Проволока нагревается электрическим током. Если I - электрический ток сквозь про волоку, то r (T ) I Felectr (T ) =, S где р – удельное сопротивление материала проволоки [Ом·м]. В простейшем случае мы мо жем использовать линейное приближение r (T ) = r0 + r0 a r (T - T0 ), где a r – температурный коэффициент удельного сопротивления и r 0 – удельное сопротив ление при температуре T0. Для тонких проволок удобнее пользоваться погонным сопротив лением:

rr rl = S Нагретая проволока отдает тепло в окружающую среду, тем самым охлаждаясь. В усло виях небольшого превышения температуры проволоки над температурой среды, процесс теп лоотдачи можно линеаризовать.

Fhex = -ep d (T - T0 ), где e – коэффициент теплообмена [Вт/м2К]. Из-за того, что коэффициент теплоотдачи в жидкости много больше коэффициента теплоотдачи в газе, мы можем принять допущение о полной термализации проволоки в жидкости. Т.е. вся часть проволоки, которая находится в жидкости, имеет температуру T0.Таким образом, задача сводится к дифференциальному уравнению 2T Sl = - rl 0 + rl 0 a r (T - T0 ) I 2 + e p d (T - T0 ), x где x [ 0, x0 ], а граничные условия определены как T (0) = T ( x0 ) = T 2T Sl = - rl 0 I 2 + (ep d - rl 0 I 2a r ) (T - T0 ), x r I 2 ep d - rl 0 I a r 2T = - l0 + (T - T0 ).

Sl Sl x Если ввести обозначения ep d - rl 0 I 2 a r rl 0 I 2 a a=,b=, x = T - T0 -, Sl Sl b то уравнение можно записать в виде 2x = b x.

x Тогда решение будет x ( x) = C1 ch( b x) + C2 sh( b x).

Переходя к распределению температур вдоль проволоки, получаем a ( ) ( ) T ( x ) = T0 + b x + C2 sh bx + C1ch b Подставляем граничные условия для нахождения свободных коэффициентов:

a a T ( 0 ) = T0 + C1 = T0 C1 = b b aa ( ) ( ) T ( x0 ) = T0 + b x0 + C2 sh b x0 = T - ch bb aa ( ) ( ) - ch b x a 1 - ch b x bb C2 = =- ( ) ( ) b sh b x sh b x Таким образом, ( ) a 1 - ch b x aa ( ) T ( x ) = T0 + - ch b x - bx = sh ( ) bb b sh b x ( ) sh b x 1 - ch a ( ) ( ) bx bx = T0 + 1 - ch ( ) b b x sh Рассчитаем сопротивление проволоки, как функцию x0.

L L R = rl ( x)dx = ( rl 0 + rl 0a r [T ( x) - T0 ]) dx = 0 L = (1 - a r T0 ) rl 0 L + rl 0a r T ( x) dx Используя однородность температуры проволоки в жидкости, имеем xo R ( x0 ) = (1 - a p To ) rlo L + rloa p To ( L - x) + rloa p T ( x)dx = xo = rlo L - rloa p To xo + rloa p T ( x)dx Рассчитаем интеграл от температуры:

( ) 1 - ch b x x0 x T + a 1 - ch b x - ( ) ( ) dx = T ( x)dx = 0 b sh b x ( ) sh b x 0 ( ) x 1 - ch b x a ( ) ( ) sh b x dx = = T0 x0 + 1 - ch b x ( ) b 0 sh b x ( ) 1 1 - ch b x (( )) ( ) x0 = sh b x0 - ch b x0 - x0 a ( ) = T0 x0 + b b sh b x b 0 )( )) = a a ( ( 2 b x0 - 1 - ch b x = T0 x0 + x0 - sh b ( ) b sh b x ( sh ( )) = a a ) ( ) ( b x0 - 1 + 2ch b x0 - ch2 b x = T0 x0 + x0 - b ( ) b sh b x ( ) 2a ch b x0 - a = T0 x0 + x0 - ( ) b b 3 sh b x Окончательно:

( ) 2a ch b x0 - a R ( x0 ) = (1 - a p To ) rlo L + rloa p To ( L - x) + rloa p T0 x0 + x0 - 2 = ( ) b sh b x b ( ) 2 ch b x0 - a = rlo L - rloa p x0 ( ) b b sh b x Зависимость сопротивления от уровня жидкости в сосуде распадается на две части – линейную и нелинейную (комбинация гиперболических синусов – косинусов). Интуитивно понятно, что в предельном переходе, при стремлении диаметра проволоки к нулю, когда про волока полностью принимает температуру окружающей среды в жидкости и равномерно пе регревается на постоянную величину в газе, остается только линейная часть. Однако, умень шению диаметра проволоки препятствует сложность работы с тонкими проволоками, их ма лая механическая прочность. Экспериментальным путем выбрана проволока диаметром 20 мкм, которая и была использована для изготовления непрерывных уровнемеров жидкого азота. Эти уровнемеры успешно использовались в эксперименте MuCAP [60] для установки сверхвысокой очистки водорода CHUPS [68], [69] (см. главу 4). Калибровочная кривая для непрерывного азотного уровнемера установки CHUPS приведена на Рис. 44.

Level, % 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5. Levelmeter signal, V Рис. 44. Калибровочная кривая непрерывного азотного проволочного уровнемера установки CHUPS.

4 Автоматизация системы сверхвысокой очистки водорода В рамках эксперимента MuCAP [55] в Институте Пауля Шеррера (Филлиген, Швейца рия) проходит изучение захвата мюона протоном (µ-захвата). Основной целью эксперимента является прецизионное измерение скорости µ-захвата (c) с точностью не хуже 1%, что на порядок превышает имеющиеся мировые результаты.

Для изучения процесса µ-захвата используется время-проекционная камера (Time Projection Chamber, TPC). Камера помещена в цилиндрический объем из алюминия, запол ненный особо чистым водородом с массовой концентрацией молекул HD не более 2·10 – (протием) при давлении 10 атм.

Чрезвычайно высокая чистота используемого газа является одним из основных условий осуществления эксперимента. Недопустимо превышение заданного содержания не только дейтерия, но и прочих примесей — азота, кислорода, воды, летучих органических соедине ний. Для проведения измерений на предполагаемом уровне точности суммарная концентра ция этих веществ, во всяком случае, не должна превышать 1·10–7, желательный же уровень чистоты составляет 1·10 –8.

Обычной практикой при работе с особо чистым водородом является использование палладиевых фильтров. Их применение позволяет добиться весьма высокой (до 1·10–9) степе ни очистки. Однако при работе TPC разнообразные примеси непрерывно поступают в объем камеры из ее стенок, изоляции проводов, микроскопических течей в уплотнениях. Скорость накопления загрязнений такова, что невозможно обеспечить требуемую чистоту в течение всего сеанса даже при условии начального заполнения камеры через палладиевый фильтр.

Соответственно, требуется непрерывная циркуляция водорода через систему очистки. При этом стабильность давления внутри TPC должна быть не хуже 0,5 %.

Для решения этих задач — обеспечения заданной чистоты водорода и его стабильного давления в течение всего сеанса — была создана установка CHUPS (Circulation Hydrogen Ultrahigh Purification System), система сверхвысокой очистки водорода в режиме циркуляции [68], [69].

4.1 Схема установки и описание ее работы Основными частями установки являются компрессор, блок очистки и система управле ния. Назначение компрессора – обеспечивать непрерывную циркуляцию водорода через блок очистки со скоростью, достаточной для поддержания заданной чистоты газа в TPC. По прин ципу действия компрессор является криосорбционным насосом. Выбор такой конструкции обусловлен следующими достоинствами криосорбционных насосов:

· высокая надежность, обусловленная простотой заложенного в основу принципа и отсутствием движущихся частей;

· высокая чистота, отсутствие источников дополнительных загрязнений (воды, масла и т.п.) внутри насоса;

· достаточно большой диапазон регулирования величины расхода водорода.

Работа криосорбционного насоса основана на способности специального вещества (ад сорбента) поглощать (адсорбировать) значительное количество газа (в данном случае водо рода) при низких температурах, и отдавать (десорбировать) его при последующем отогреве [61]. В данном случае в качестве адсорбента, используется активированный уголь. Охлажде ние его производится жидким азотом (температура кипения при нормальном давлении около 78 К), отогрев – электрическими нагревателями.

Работа блока очистки основана на преобладающем (по сравнению с основным компо нентом, водородом) поглощении примесей (азота, кислорода, воды) в адсорбционном фильт ре [62]. В качестве наполнителя адсорбционного фильтра применен синтетический цеолит.

Для усиления степени поглощения примесей так же, как и в случае компрессора, использует ся охлаждение адсорбента жидким азотом. Использование универсального по отношению к компонентам примесей адсорбционного метода гарантирует высокую степень очистки по са мому широкому кругу веществ.

Система управления состоит из микропроцессорного блока управления, набора датчи ков и устройств (дистанционно управляемых клапанов, контроллеров расхода и нагревате лей) и управляющего компьютера (PC).

Микропроцессорный блок управления служит для организации работы системы в авто матическом режиме. Он осуществляет чтение сигналов датчиков температуры, давления, за паса жидкого азота и производит все процедуры управления нижнего уровня. Работа блока управления контролируется оператором с помощью PC посредством специально разработан ного программного обеспечения.

4.1.1 Адсорбционный компрессор Упрощенная блок-схема газовых линий и управляющих элементов установки приведена на Рис. 45. В качестве адсорбента для компрессора используется высокоэффективный акти вированный уголь RB фирмы Norit [63]. Он помещен в цилиндрические адсорберы (колонки).

Компрессор имеет три таких элемента, обозначенных на схеме как С1–3. Каждая колонка снабжена трубчатым спиральным теплообменником и электрическим нагревателем (H1–3).

Температура колонок измеряется с помощью датчиков TT1–3, которые представляют собой платиновые термометры сопротивления типа PT–100, закрепленные на стенке теплообменни ка.

Цикл работы колонки состоит из стадии охлаждения и стадии нагрева. На стадии охла ждения жидкий азот из бака LNT1 под действием избыточного давления поступает в тепло обменник, где, выкипая, охлаждает находящийся в колонке адсорбент. Избыточное давление внутри бака создается за счет естественного испарения азота. Величина этого давления в процессе работы не превышает 0,3 атм, что обеспечивается обратным клапаном CV7, через который излишний газ сбрасывается в атмосферу.

Внутри теплообменников испаряется значительное (в нормальном режиме работы — полное) количество азота. Затем, отходящий из теплообменников азот окончательно газифи цируется и подогревается до комнатной температуры в нагревателе H4 (термолизаторе). Это необходимо для обеспечения нормальных условий для работы контроллеров расхода азота MFC1–3 (тип контроллера — GFC37, производитель — Aalborg [64]). Назначением этих кон троллеров (они расположены на азотных магистралях после термолизатора H4) является ре гулирование подачи азота на охлаждение колонок. Конструкция системы такова, что каждой колонке соответствует собственный контроллер, что позволяет управлять охлаждением коло нок независимо.

В процессе эксплуатации установки была добавлена возможность работы без избыточ ного давления в баке, с откачкой выходных линий контроллеров расхода. Это позволило улучшить охлаждение колонок компрессора и понизить нижний предел температуры.

Рис. 45. Упрощенная схема установки. Обозначения потоков:

H2 — водород, N2 — азот, жидкий или газифицированный.

Рабочий диапазон контроллеров составляет 0–20 л/мин, реальный же расход газообраз ного азота для одной колонки не превышает 15–17 л/мин, что обусловлено большим гидрав лическим сопротивлением азотных линий. Отработанный газообразный азот сбрасывается в атмосферу или откачивается спиральным насосом. В результате охлаждения адсорбционная емкость адсорбента возрастает, и он интенсивно поглощает водород. Давление внутри колон ки падает по сравнению с давлением в общей всасывающей линии компрессора. При возник новении перепада давления более 0.1 атм открывается впускной обратный клапан (на схеме СV4-6), и водород из всасывающей линии компрессора поступает в колонку.

Охлаждение длится в течение заданного времени tc, за которое адсорбент достигает не которой нижней температуры Tl, после чего соответствующий контроллер перекрывает поток азота через теплообменник, и включается электрический нагреватель. Колонка переходит в стадию нагрева. На этой стадии адсорбент внутри колонки нагревается в течение некоторого времени th, за которое он достигает температуры Th. В результате повышения температуры адсорбента из него происходит интенсивная десорбция (выделение) водорода, и давление внутри колонки возрастает. По достижении достаточного перепада давления на соответст вующем выпускном клапане (на схеме — СV1–3) он открывается, и водород поступает в на гнетательную линию компрессора.

Как следует из описанного принципа действия, каждая колонка является периодически действующим устройством. Объединенные в блоке три колонки со смещенными относитель но друг друга температурными фазами обеспечивают пульсирующий, но практически непре рывный поток водорода в системе (Рис. 46).

Средняя величина расхода водорода, побуждаемого колонкой, определяется параметра ми цикла: температурами Tl и Th, временами tc и th, расходом азота на охлаждение fc и мощ ностью W, затрачиваемой на нагрев. Ввиду технологического разброса теплофизические па раметры колонок могут отличаться. Особенно могут быть существенными различия в скоро сти охлаждения. Для компенсации этой разницы каждой колонке подбираются собственные значения fc и W. Заданные величины tc, th, Tl и Th для всех колонок при этом одинаковы.

Column Column Column Температура, К 0:00:00 1:00:00 2:00:00 3:00:00 4:00:00 5:00:00 6:00: Время Рис. 46. Диаграмма изменения температуры в колонках в процессе работы системы при сред нем расходе водорода 1.5 л/мин Такой подход позволяет выровнять формы кривых охлаждения и отогрева для всех ко лонок и в результате добиться большей равномерности расхода по времени. Кроме этого, для сглаживания пульсаций потока и создания запаса водорода, необходимого для реализации алгоритма стабилизации давления в TPC, в установку включены буферный объем BV. Он ус тановлен на нагнетательной линии компрессора. Впоследствии, в системе был установлен дополнительный буферный объем на выходе из детектора TPC, а также дополнительный кон троллер расхода на водородной линии между детектором и вторым буферным объемом. Это позволило повысить стабильность давления, и, что наиболее существенно для нормальной работы детектора, снизить пульсации потока водорода (см. раздел 4.2.4).

4.1.2 Блок очистки и фильтры Блок очистки имеет два адсорбционных фильтра: A1 и A2 (Рис. 45). Они помещены в емкость с жидким азотом LNT2. Жидкий азот так же, как и в случае компрессора, использо ван для охлаждения адсорбента и повышения эффективности его работы. В качестве адсор бента использован цеолит Siliporite G5L86 фирмы CECA [65]. В процессе циркуляции газ, загрязненный в детекторе, подвергается очистке дважды. Сначала он проходит предвари тельную стадию в фильтре A1, поступая из TPC в компрессор. После этого происходит окон чательная очистка в фильтре A2, установленном на нагнетательной линии компрессора перед буферным объемом BV.

Тарельчатые механические фильтры предназначены для защиты газовой арматуры ус тановки от попадания пылевидных продуктов разрушения адсорбентов. Они расположены на всех входных и выходных линиях колонок компрессора (F1–6) и адсорберов блока очистки (F7–10). Фильтрующие мембраны этих устройств выполнены из пористой нержавеющей ста ли со средним диаметром пор 10 мкм (фильтры компрессора) либо 2 мкм (фильтры блока очистки), что обеспечивает задержку как угольной, так и цеолитной пыли.

4.1.3 Дистанционно управляемые клапаны Система имеет три дистанционно управляемых нормально закрытых электропневмати ческих клапана (Рис. 45, SV1-3;

тип клапана – SS-6BK-MM, производитель – Swagelok [66]).

Их открытие и закрытие производится по сигналу блока управления, привод исполнительно го механизма – посредством сжатого воздуха из общей магистрали экспериментального зала.

В зависимости от конфигурации этих клапанов система может работать в режиме нормаль ной циркуляции через TPC, либо в режиме «холостого хода», когда водород циркулирует только по байпасной линии между компрессором и блоком очистки.

В первом случае водород из буферного объема направляется через контроллер расхода MFC4 в детектор (клапаны SV1 и SV3 открыты, SV2 закрыт). Во втором случае газ направля ется в байпасную линию в обход TPC (клапаны SV1 и SV3 закрыты, байпасный клапан SV открыт). Наличие байпасной линии дает возможность временного отключения TPC от уста новки без прекращения циркуляции водорода через блок очистки.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.