ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ЧАСТЬ 2 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.328:681.785.6:681.786.4 DOI: 10.25206/1813-8225-2022-181-78-88

Е. В. ЛЕУН

АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ЧАСТЬ 2

В этой части статьи продолжается обсуждение вопросов построения струй-но-капельных оптических измерительных систем (СКОИС) для контроля напряженности электрического поля. Рассматриваются возможности повышения разрешающей способности. Представлен вариант интерференционной СКОИС, использующей триангуляционные стробоскопические измерения смещений заряженных движущихся капель при помощи импульсного акустоопти-ческого интерферометра поперечных смещений лазерного луча. Обсуждаются возможности повышения соотношения заряд/масса заряженных капель, особенности применения в качестве жидкостей жидких металлов и их двух-и трехкомпонентных сплавов, использования неоднородных капель в виде полых, пустотелых микросфер, подобных мыльным пузырям и/или на основе пористого (дисперсного) материала.

Ключевые слова: капельный поток, электростатический заряд, напряженность электрического поля, стробоскоп, триангуляционные измерения, акустоопти-ческий модулятор, интерферометр перемещений.

Введение. Измерения напряженности электрического поля (НЭП) Е используются во многих отраслях промышленности, в частности, ракетно-космической и атомной, в электро- и радиотехнике, приборостроении и других. Измерениям НЭП посвящено много научных публикаций [1—6], и активность таких исследований обусловлена бурным развитием микро-, оптоэлектроники и других технологий, осуществленных на стыке разных направлений технической физики.

Одно из таких направлений связано с развитием струйно-капельных технологий [7—12], а именно со струйно-капельными оптическими измерительными системами (СКОИС) [13—15]. Возможность их использования для задач контроля НЭП Е впервые показана в 2021 году [15]. В основе принципа действия СКОИС НЭП лежат две идеи:

1) создание направленного потока заряженных капель, являющихся объектом, телом, траектория движения которых смещается на Д1см от воздействия НЭП Е, как в кинескопе телевизора;

2) использование капель в качестве криволинейных отражателей для стробоскопического оптического измерителя этих смещений.

В [13] были представлены СКОИС НЭП с измерителем смещений капель на основе матричного регистратора и ее основные функциональные зависимости с оценкой разрешающей способности НЭП. Однако в этой работе не нашли отражение вопросы повышения разрешаю-

щей способности СКОИС для измерения НЭП. Во-первых, за счет реализации оптического измерителя на основе более точных интерференционных методов и средств измерений смещений, в частности, импульсного акустооптического (АО) интерферометра смещений лазерного луча (далее — интерференционный измеритель) [16]. Во-вторых, за счет повышения соотношения за-

Ч

ряд/масса заряженных капель —^^ разными

т кап

способами, например, использования в качестве жидкостей жидких металлов или их сплавов, реализацией капель неоднородными в виде пористой структуры и/или полыми, пустотелыми в виде микросферы, подобных мыльным пузырям. Эти вопросы в открытой печати ранее не рассматривались, и данная работанаправлена на восполнение этого недостатка.

1. Повышение разрешающей способности за счет совершенствования оптическогоизмери-теля. Для измерения НЭП вдоль одной координаты на основе электрокаплеструйного генератора и импульсного интерференционного измерителя смещений капель разработана интерференционная СКОИС, основанная на использовании интерференционного измерителя, состав, принцип действия и особенности работы которой рассмотрены далее.

1.1. Состав и принцип действия СКОИС для измерения НЭП. Разработанная СКОИС НЭП изображена на рис. 1а, на котором обозначены генератор капель 1, струя, состоящая из нерас-

а)

б)

Рис. 1. Схемы интерференционных измерений НЭП: общая измерительная схема (а), схема интерференционного измерителя смещений капли (б)

павшейся части струи 2 и капельного потока 3, зарядное устройство (устройство сообщения униполярного заряда каплям) 4, импульсный интерференционный измеритель смещений капель (далее — интерференционный измеритель) 5. Конструктивно при использовании специальных жидкостей, например, расплавов химически активных или высокотемпературных металлов СКОИС НЭП может быть реализован внутри герметичного канала, в том числе оптически прозрачного и/или со специальной оснасткой. Однако для повышения наглядности это не показано на рис. 1а.

Под действием постоянного давления и дополнительного возмущения, создаваемого моногармоническим (с высокой спектральной чистотой) сигналом иг(£) из генератора капель 1 через сопло в режиме вынужденного капиллярного распада вытекает жидкая струя. Она состоит из нераспавшейся части струи 2 и потока движущихся капель 3 диаметром не более 1 — 1,5 мм с высокими монодисперсностью (малым разбросом размеров) и когерентностью (малым разбросом интервалов между каплями).

В процессе отделения от струи каждая капля заряжается от зарядного устройства 4 до значения дкап. Заряженная движущаяся капля, пролетая через измерительный участок I , отклоня-

11 -1 тм

ется на значение, соответствующее действию НЭП.

В соответствии с результатами расчетов смещений движущейся капли Д1кп, проведенных в [10, 11], и по аналогии с электрическим полем, созданным двумя плоскопараллельными отклоняющими пластинами длиной 10 [10], формирующим измерительный участок 10 = 1иш, при условии пренебрежения влиянием поля заряда этой кап-

и

где I

длина измерительного участка, Уа

ли имеем Е =

и можем записать:

1п

ди =

Чк

2v 2

• е..

(1)

т„

капли.

Синхронно с полетом капли в определенные моменты времени цикла измерения капля им-пульсно освещается лазерным потоком, формируя соответствующий отраженный поток. При нулевой НЭП Е =0 положение отраженного

-1 изм 1

потока можно считать опорным, а при измерении ненулевой НЭП, когда Еизм^0, он приобретает смещение угловое и линейное Д, по результатам измерения которого можно определить смещение капли Д1кап. Так реализуются стробоскопические измерения смещений отраженного потока и смещения капли интерференционным измерителем 5.

1.2. Состав и принцип действия интерференционного измерителя.

Для измерения отклонений движения капель используется высокочувствительный интерференционный измеритель 5, представляющий собой, по сути, лазерный импульсный интерферометр перемещений Маха — Цендера с двумя плечами, разработанный для высокоточных измерений поперечных смещений лазерного потока в задаче контроля отклонений от прямолинейности [16]. Его схема показана на рис. 1б, на котором обозначены импульсный лазер 6, светоделители 7 и 13, капля 8, оптическая схема 9, АО модулятор 10, фотоприемник 11, бегущий АО импульс 12.

Принцип действия основан на импульсном измерении фазового сдвига световых волн, возникающего из-за смещений центра АО взаимодействия вследствие поперечных перемещений отраженного лазерного луча Д101пр от смещений капли Д1К111... В ней используется дифракции света в режиме Брэгга на коротком цуге ультразвуковых волн, «окне дифракции», пробегающем через АО модулятор 10, а физические аспекты подобных режимов работы ЛИС рассмотрены в [16].

Во время действия импульса света потоки проходят следующими маршрутами:

дкап и mкап — скорость движения, заряд и масса

I 1 I

м

— в опорном плече: А ^ В (светоделитель 13) ^ ^ фотоприемник 11;

— в измерительном плече: А ^ С (отражатель) ^ О (поверхность капли) ^ Е (оптическая схема 9) ^ Б (АО модулятор 10) ^ В (светоделитель 13) ^ фотоприемник 11.

Пространственное совмещение опорного и измерительного потоков в светоделителе 13 во время действия импульса света приводит к их интерференции и формированию импульсного измерительного сигнала на выходе фотоприемника 11.

Смнщения капли Д1см приводят к изменению угла отражения, преобразуемые оптической схемой 9 в поперечные смещения лазерного луча с прохождением оптического потока в измерительном =лече по следующему маршруту: О (поверхность ка пли) ^ Е' ^ Б' ^ В ^ фотоприемник 11. Как показано с [16], фазовый сдвиг, вызванный поперечныме смнщениями лазерного луча, можно записать с помощью выражения:

Дф(ДПу) =

ТыАП„

Я

• :д®ь = К

ТыАП„

Я

(2)

АП

Аф

2ы • К,,

Я .

(3)

ДМ = к ДО

(4)

Рис. 2. Интерференционный сигнал, полученный в лазерном импульсном интерферометреперемещений во время действия импульса света придифракции на коротком цуге в АО модуляторе; взято из [17]

1.4. Разрешающая способность интерференционной СКОИС НЭП. Расчеты показывают, что для водяной капли диаметрпм d =1 мм= 10_3 м с максимально возможным зарядос, исключающим не дробление, 224,5 пКл = 224,540-12 Кл до-

стигаетес соотношение

0,43 • 10 Кл/кг.

где кь АПд©ь — «угловое» тесэффоциент.

Тогда выраженик для расчета смещения оптического потока Д1 от езмеренного фазовыгп

отр 1 1

сдвига Дл мождо Е^<шис=ть в виде:

До стигаемая е настоящее время на практике разрешающая способность (пороговое смещение) поперечных смещений может составить Д1 = Х/135 = 0,»05 мим = 510-9 м при Х =

пор 1

= 0,63 мем [1н].

На рис. 2 показан интерфертнционный сигнал импулиснь— фтзо=ыы измпрений, формируемый фотоприемником 11 (рис. 1б) интерференционного измерителя 5 при дифракции оптического потока на бегуще— модулиров—нном импульсе в АО модулятор ее 10 [17].

1.3. Расчет смещения капли на оснофе учета линейного смещения о/рсженного луча. Данный подход основан на фокусировании лптического потока после оптической системы 9, фокус которого ра ст о=ожен н а се ре дине АО мо дулятора 10, совпади: с ценярмм АО стасмодействия. Смещения капли Д1см в итоге приводят к смещениям фокуса, позволяя при определенных соотнопнниях оптических по=аметро воптической систамы 9 и режима АО дифракции света связать его с пороговым смещенсем ре—истсируемым интерференционным измернтслен т, и иссользо-вать следуюзц ее выраженип:

При движе нии такой капли со скоростью Укап = = 1 е/с через измерительный участок длиной 1 =5 см = 0,05 м при минимальном значении

изм 1

Д1см=100 мкм и использовании матричного реги-стратдра разрешающая способность (минимально обнапужив»емый уровень) НЭП соответствует 0,014 В/м [15].

Оценим знатыдие этого парамедра для ин-терфрфедцио=ного иосдриле=я, представленного выше. Используя °асчет смещения капли Д1см на основе учена линеЕн=ге смещения отраженного луча, погла=но формуое (4), при условии клс =1 можно записаты ДI = Д1 . Подставляя это в пре-

см пор ^ 1

образованное еыраженне (1Т, полнчим искомое уравнение .л— расдпап иороеа чувст^сте-сипсти СКОиС НЭП:

2»

г7 _ оап

езп »2

■ • АП,

2с2,

• АП„

)5)

Как и в фаботе [15], ,апе1 дсьь—ейших расчетов применяются следующие исходные данные: у =1 м/с, 1 =5 см = 0,05 м, Д1 =ЫА = 540-9 м.

кап изм ' см пор

Р ха:п

Значение отношентя получено на осно-

и

оас

ве фирмуле/ Рэлея [8, 10, 11] для капли воды (плотность веды у= • С0Р моем— дсаметром 0.кап = = 1 мм = 10о3м с максимафмно втыможным саря-дом, исключающим ее дро бление с учетом того, ЛрТ Ф

что 6=8,8540-

элегарическая постоянная

(диэлектрическая прлницапмость вакуума), а а — коэффициент поверхностного натяжения жидко -сти (для воды а = 0,072 Н/=):

Ркет — Ндас* = е/0ЫИМфЫМК ■

(6)

где клс — коэффициент лснейного смеще ния.

Данный подход, связквая керемещення капли Д1см, и является более простым и будет использован в дальнейшем для оценки порога чувствительности СКОИС НЭП.

Согласно эт=с фо=муме, получаем пначение макссезпльного заряда <Спап капли ззколм^! 01 мм: а =224,5 пКл = 224,54-~е Кл: С ^сче=ом сыги, что

* кап ^

массу капси можно еы разить че рез ее плотность р и объем шара V :

кап

= Нфшп = у™Сс/6 , за-

т

т

Н

80

пишем формулу две соотношеит заряд/масса

т„

6л/8г„

у 6J0oHr „ш):

Чкап _ V 0 к

'3

кап

м„.

Р0ек,

50,5 • 10"

(7)

а) б)

Рис. 3. Особенности капель: полые капли, их зарождение и развитие (а), структура пористой капли (б)

Тогда в соответствии с уравнеои-ем (7) мо жн о ощше долит р соотношение заря д/массв капли в оды 01 мм:

6У п

6 • ННВ,5 • 10"

Кл

вно,о • - 0"6 — .

кг

Мкап оо • р> • d°an • -ООО • (-0-3 И, согласво формуле (5), в итоге яолучаем искомое значение разрешающеу спо со бности СКОИС НЭП на основе интд0фяренционного изме мителяо

Е и Н • -н

8зи 0,05н • ВН0,^^-0"6

• 51 • -0"

9,3

иВ

м

(8)

E в .

-

-

-

-

и и и и

8зи пол пор иат

• А/

Ик.

(9)

мВ/м 18,00

Полученное значение в дальнейшем может быть угочнену .для всех партметртв интерференционного измерителя 5, но уже сейчас позволяет оценить уровень данной СКОИС НЭП и исполь-зоватьсе в качестве т.н. опорного значения для сравнения с аналогичными параметрами других измерительных систем.

2. Повышиние пазрешающей нпособности при измен унии п ар ам етров капель к-ппельн ого потока. В соответст ки и с уравнениямм (1) и (7) повышение разрешающей способности возможно также и за счет следующих мер:

1) изменением параметров СКОИС, а именно увеличением qкaп, уменьшением v размера (радиус г , ьиамотз й ) и массы пшель m ;

^ -1 кап ^ 1 кап кап

2) выбором материала с максимальным соот-

КЬЛ кап

ношением заряд-масса -;

Н кап

3) изменением структуры капли и перехода от использования уельной ойнородной капли к неоднороднон а именпо полой, пустотелой капли в виде микроыферы, подобной мыльному пузырю (рир. 3 а 3;

4) реализацияй пористой, диспп]ьсной, пенной структурой материала (рис.Зб). Подробнее особенности использоуания пеноматериалов буг дут раснмотрена I! следующоа алторских публикациях.

С учетом этого вопражение (1) можно записать в оиде

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 13 1,4 1,? "»""•

Рис. 4. Зависимость разрешающей способности Eрс от изменения диаметра капли в диапазоне от 0,7 до 1,5 мм

2.1 Измеикние парам етров СКОИС. Увели-

И кап

чение соотношения заряд-масса

м„

и, соот-

ветственно, повышение разрешающей способности Epc ограничено максимальным зарядоют уапли, определяемьш шезможностью ее дробления согласно уравнению (6) или эффективностью зррядноро еостройства. В связи с этим необходимо рассмотреть возможности изменений разрешающей способности Eрс от изменения диаметра капли. Это кделано на примере ис-пользовамип воды. Нп рис. 4 показана зависимость разрешающей способности Ерс от изие-нения диаметра кашляв-ды (qмах=224,5•10-12 Кл, а = 0,07е Н/м, р=1000 кг/м) в диапазоне от 0,7 до 1,5 мм. Эта зависимость носитпочти линейный хараитер со значение- 9,33 мВ/м для капли 0Г мм.

1.2. Выбор материала с возможностью максимального соотношения заряд-масса. Как следпее пз уравнений (5) и (7) 1нлдфирcиpованного диаметра К0шли, когда d = const, знамения E и

1 кап пор

И кап Ш

з-висгт от соотношения ~.

соотн- шен- я

Р

Поэтому и ]целью пииатка минимума E нужно рассчитать и сравнить значения соотношения

ш И кап

и

.2

для разных материалов, веществ

где k , k , k — коэффициенты полости ми-

пол пор мат ^ ^

кросфеь2 , пористости и материала, используемые для СКОИС НЭП с повышением разрешающей способности. Рассмотрим возможности повышения разрешающей способности СКОИС НЭП более подробно.

и сплавов. Далее проанализировано использование в качестве материала капель разных веществ: жидкостей, стекол, пластмасс, металлов, их двух- и трехкомпонентных сплавов и рассчитаны значения порога чувствительности E .

-

-н

2

9

5?

•3 и

со со со со 0 со (ОТ (ОТ (ОТ 6

сч со от ю с^ ^

СП сч сч сч со со со со

СОи 1 1 1 1 со 1 1 1

^ н

И

£ 1

о а

2 2

а

О ^

я в

о а

з

(От ю 1 (ОТ 6 со со ^ 5

сч сч 0 (ОТ сч ^ 0 (ОТ

^ со со со сч ^^ с^ с^ сч

о < и — о сз о" о~ о~

2 о) ^

2 и

8 ^

а

щ и

а л

о <

а «

Ен &

О й

<

>а ^ я

и £ ¿3

¡3 & со сч 1 со ^ 6 6 со 5

ю ^ от с^ а^

2 "2 сч сч СП СП со с^^ СП

Н'0 2 1 ^ 2 2 6 6 6 6 со

сч 1 1 1 1 1 1 1 1

иа в

§

2 Н

а й

О И

я

< ^

>а ^ ~ а

3 Е« 2

5 & " со сч 1 со ^ 6 6 со 5

ю ^ от с^ со

2 "Э сч сч СП СП со с^^ СП

Н>Н 2 1 ^ 2 2 6 6 6 6 со

У!* сч 1 1 1 1 1 1 1 1

и й а«

ЕЭ *

Э - о со 6 0 0 0 5 5 0 0

о СП 1 ^ ^ 1 1

Й со со" ^ч" со" со" СП (£3

и 55 Й 2 сч ю со со 0 ^ 6

ю ю ^ ^ ^ 6 5 со

Я 3 Ен 2 Н ^ <3 * 1000 1260 0 сч (От 0 о со 0 о со 2500 1150 1050 0 о ^ 0 о (ОТ

С ¿.

2

о ^

и & ^

а£ н * е- и и ОП_ сч (О 2 ^ 2 со со

а'—'а (О со 2 2 со со 2

* щ а &аа о о о о о о с^ с^

0 0

^а«

П0О

ОЙЕн Й и

а

н

Вещество/ материал Вода Глицерин Оливковое масло Керосин Спирт Стекло Оргстекло Полистирол Полиэтилен лен и п о & п и л о П

2 - сч со ю (О со (ОТ о

мВ/м

35,00

30,00 25,00 20,00 15.00 10.00 5,00 ■

в, да

1

Ю Номер материала I таблицы 1

Рис. 5. Зависимость разрешающей способности Ерс

для разным материалов (номера материалов соответствуют строкам табл. 1)

о -———————-——————-

П Ыа К Са Мг Сб А1 Ва ве й 8п Мп Ге СЛ Со Си №в<,1неств°

Рис. 6. Зависимость разрешающей способности Ерс для разных веществ (металов и полупроводников) с плотностью до 10000 кг/м3 и температурой плавления до 1600 °С

2.2.1. Анализ соотношений заряд/масса капли для капли жидкостей, стекол и пластмасс. В табл. 1 приведены физические характеристики и расчетные значения соотношения заряд/

Ч кап

масса и порога чувствительности E для

т пор ^

кап

капли 01 мм из следующих сред: вода, глицерин, оливковое масло, керосин, спирт, стекло, оргстекло, полистирол, полиэтилен, полипропилен. На рис. 5 изображена зависимость разрешающей способности Брс нумерация материалов по осиабсцисссоответствуетнумерации строк в табл. 1. Как видно на рис. 5,при использовании полиэтилена (номер 9) имеется возможность достичь разрешающей способности меньше, чем у воды,непревышая обоими значения 10 мВ/м. Таким образом, использование полиэтилена и воды наиболее перспективно для использования в СКОИС НЭП.

2.2.2. Анализ соотношений заряд/масса для капли жидких металлов и полупроводников. В табл.2 приведены физические характеристики и расчетные значения соотношения заряд/

Ч кап

масса - и разрешающей способности Б

т рс

кап

для капли 01 мм из металлови полупроводников с плотностью до 10000 кг/м3 и температурой плавления до 1600 °С: литий (Ы), натрий (Ыа), калий (К), кальций (Са), магний (Мд), цезий

Таблица 2

Физические характеристики металлов с плотностью до 10000 кг/м3 и температурой плавления до 1600 °С, отношение заряд/масса д/т для капли 01 мм

№ Металл Температура плавления Т , С Поверхностное натяжение (в жидком состоянии) о, Н/м Плотность р, кг/м3 Масса капли ol мм, Ю-9 кг Максимальный расчетный заряд д. Ю-12 Кл Максимально возможный заряд* д (для капли о1 мм), Ю-12 Кл Отношение максимально возможного заряда к массе (для капли ol мм), g/m, 10 3 Кл/кг Порог чувствительности Епор, мБ/м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Литий (Ы) 179 0,400 539 281,90 528,6 400* 1,419 2,82

2 Натрий (Иа) 97,8 0,205 986 515,68 378,4 378,42 0,734 5,45

3 Калий (К) 63,6 0,110 862 450,83 277,2 277,2 0,615 6,51

4 Кальций (Са) 842 0,340 1550 810,65 487,3 400* 0,493 8,11

5 Магний (Мд) 650 0,550 1740 910,02 619,8 400* 0,440 9,10

6 Цезий (Ск) 28,4 0,070 1900 993,70 221,1 221,13 0,223 17,98

7 Кремний (51) 1414 0,730 2328 1217,54 714,1 400* 0,329 12,18

8 Алюминий (А1) 660 0,875 2700 1412,10 781,8 400* 0,283 14,12

9 Барий (Ба) 727 0,220 3500 1830,50 392,0 392,02 0,214 18,68

10 Германий (Се) 937 0,600 5350 2798,05 647,4 400* 0,143 27,98

11 Галлий (Са) 30 0,720 5910 3090,93 709,2 400* 0,129 30,91

12 Цинк (Тп) 906 0,820 7133 3730,56 756,8 400* 0,107 37,31

13 Олово(5п) 232 0,550 7290 3812,67 619,8 400* 0,105 38,13

14 Марганец (Мп) 1244 1,100 7440 3891,12 876,6 400* 0,103 38,91

15 Железо (Ге) 1539 1,800 7870 4116,01 1121,3 400* 0,097 41,16

16 Кадмий (Сс1) 320 0,630 8640 4518,72 663,4 400* 0,089 45.19

17 Кобальт (Со) 1494 1,840 8700 4550,10 1133,7 400* 0,088 45,50

18 Медь (Си) 1084 1,100 8940 4675,62 876,6 400* 0,086 46,76

19 Никель (№) 1455 1,750 9900 5177,70 1105,6 400* 0,077 51,78

Примечание: * — взято значение максимально возможного реализуемого заряда, равного 400 пКл [8]

00 со

1ЯИЭ10И0 И |Я<Ю9И<Ш Э1ЯНЯУЭ1И<1ЭИ£И-ОННОИПУИ<ЮФНИ и BHJOVOdiaW '3HH30di00d09HdU

zzaz CU8U> îN яинюэа И1ЯНЬЛУН ииюио

00 ■р»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (181) 2022

Таблица 3

Физические характеристики сплавов металлов с плотностью до 10000 кг/м3 и температурой плавления до 1600 °С, отношение заряд/масса для капли 01 мм

№ Химическая формула сплава Температура измерения тизх, С Поверхностное натяжение (в жидком состоянии) о, Н/м Плот-ть р, кг/м3 Масса капли ol мм, мкг Максимальный расчетный заряд g, пКл Максимальный возможный заряд g, пКл Отношение возможн. макс, заряда к массе (с1кап= 1,0 мм) надо разделить на 1000, g/m Епор> мБ/м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Двухкомпонентные (бинарные) сплавы

1 Li-Na 223 0,260 762,5 398,79 426,2 400* 1,003 3,99

2 Li-Sn 350 0,430 3915,0 2047,55 548,1 400* 0,195 20,48

3 Na-K 100 0,120 924 483,25 289,5 289,5 0,599 6,68

4 Na-Rb 100 0,100 1259 658,46 264,3 264,3 0,401 9,97

5 Na-Cs 100 0,080 1443 754,69 236,4 236,4 0,313 12,77

6 K-Rb 100 0,105 1200 627,60 270,8 270,8 0,432 9,27

7 K-Cs 100 0,075 1381 722,26 228,9 228,9 0,317 12,62

8 Al-In 700 0,500 5005 2617,62 591,0 400* 0,153 26,18

9 Al-Zn 700 0,740 4920 2573,16 719,0 400* 0,155 25,73

10 Al-Sn 700 0,525 4995 2612,39 605,6 400* 0,153 26,12

11 Sn-Si 1500 0,250 4810 2515,63 417,9 400* 0,159 25,16

12 In-Pb 300 0,525 9330 4879,59 605,6 400* 0,082 48,80

13 In-Sb 650 0,445 7000 3661,00 557,5 400* 0,109 36,61

14 Sn-Pb 347 0,545 9320 4874,36 617,0 400* 0,082 48,74

15 Cu-Ce 650 0,630 7850 4105,55 663,4 400* 0,097 41,06

Трехкомпонентные сплавы

16 Na-Cs-K 100 0,090 1250 653,75 250,7 250,7 0,384 10,43

17 Na-K-Rb 50 0,085 1130 590,99 243,7 243,7 0,412 9,70

18 Na-Cs-Rb 50 0,077 1475 771,43 231,9 231,9 0,301 13,30

19 Al-In-Sn 700 0,575 5770 3017,71 633,8 400* 0,133 30,18

Примечание: * — взято значение максимально возможного реализуемого заряда, равного 400 пКл [8]

(Сб), кремний (81), алюминий (А1), барий (Ва), германий ^е), галлий ^а), цинк (Zn), олово(Sn), марганец (Мп), железо (Ре), кадмий (Cd), кобальт (Со), медь (Си), никель (N1). Зависимость разрешающей способности Ерс для этих химических веществ приведена на рис. 6.

Особенность расчетов для вышеупомянутых металлов и полупроводников заключается в том, что на данном уровне технологий максимальный возможный заряд капли не превышает 400 пКл [8]. Поэтому при превышении расчетного значения заряда капли дтп, обусловленным ее дроблением (колонка 7), тем не менее за основу для

Ц кап

дальнейших расчетов

пк

и разрешающей спо-

собности Ерс берется заряд 400 пКл (колонка 8). Такой прием актуален прииспользовании лития, кальция, магния, кремния, алюминия, германия, галлия, цинка, олова, марганца, железа, кадмия, кобальта, меди и никеля. Также принято допущение, что плотность твердого состояния металла примерно равна его жидкому состоянию: ртв» ртв.

Таким образом, как следует из расчетных данных, приведенных в табл. 2, при использовании в СКОИС НЭП капли 01мм из лития, натрия, калия, кальция и магния значения разрешающей способности Е составляют 2,82, 5,45,

, рс

6,51, 8,11, 9,10 мВ/м, т.е. меньше, чем у воды, не превышая значения 10 мВ/м. Как видно, применение лития позволяет достичь рекордной разрешающей способности Ерс.

2.2.3. Анализ соотношений заряд/масса для капли жидких сплавов металлов. Одной из целей сбора и анализа данных для сплавов является поиск нелинейных зависимостей коэффициентов поверхностного натяжения а от соотношений

1 спл

концентрации сплавов, использование которых позволило найти наибольшее значение соотно-

Ц кап

шения заряд-масса - и разрешающей спо-

ткап

собности Ерс в соответствии с выражением (7). Особый научный интерес представляют сплавы из металлов щелочной группы с плотностью меньше воды, т.е. литий, натрий, калий.

2.2.3.1. Анализ соотношений заряд/масса для капли из двухкомпонентных (бинарных) сплавов металлов. В табл. 3 (строки 2—15) приведены физические характеристики и расчетные значе-

Ц кап

ния соотношения заряд/масса и разреша-

ющей способности Ерс для капли 01 мм из жидких двухкомпонентных сплавов: лития-натрия (Li-Na), лития-олова (Li-Sn), натрия-калия (Na-K), натрия-рубидия (Na-Rb), натрия-цезия (Na-Cs), калия-рубидия (K-Rb), калия-цезия (К-Cs), алюминия-индия (Al-In), алюминия-цинка (Al-Zn), алюминия-олова (Al-Sn), олова-кремния (Sn-Si), индия-свинца (In-Pb), индия-ниобия (In-Sb), олова-свинца (Sn-Pb), меди-церия (Cu-Ce) [18 — 22]. Зависимость разрешающей способности Ерс для этих сплавов приведена на рис. 7.

Интересной особенностью обладает оло-вянно-свинцовый сплав с нелинейной, близкой с колебательной затухающей зависимостью поверхностного натяжения а от концентрации олова и свинца (рис. 8) [19]. Графики построены на основе результатов исследований двух разных коллективов. Данные для графиков 1, 2 получены первым коллективом при температуре 520 К и 620 К соответственно, а данные для графика 3 — вторым коллективом при 520 К [19]. Тем не менее такой нелинейный характер не позволяет достичь высокой разрешающей способности Е . рс

Таким образом, как следует из расчетных данных, приведенных в табл. 3 (строки 2—15), при использовании в СКОИС НЭП капли 01 мм из жидких сплавов лития-натрия, натрия-калия, натрия-рубидия достигается максимальная разрешающая способность Ерс, составляя 3,99; 6,68; 9,97; 9,27 мВ/м соответственно.

2.2.3.2. Анализ соотношений заряд/масса для капли жидких трехкомпонентных сплавов металлов. В табл. 3 (строки 16—19) приведены физические характеристики и расчетные значения

q кап

соотношения заряд/масса - и порога чув-

m ка п

ствительности Епор для капли 01 мм из жидких трехкомпонентных сплавов: натрий-цезий-калий (Na-Cs-K), натрий-калий-рубидий (Na-K-Rb), натрий-цезий-рубидий (Na-Cs-Rb), алюминий-индий-олово (Al-In-Sn) [23]. Зависимость разрешающей способности Ерс для этихсплавов приведена на рис. 9. Как следует из полученных данных, максимальные значения разрешающей способности Ерс составляют 9,7 и 10,43 мВ/мдля сплавов натрий-калий-рубидий и натрий-цезий-калий соответственно. Эти значения приближаются к таковой для воды — 9,33 мВ/м, показывая их высокую перспективность.

i-Na Li-Sn Na-K Na-Rb Na-Cs K-Rb K-Cs Al-In Al-Zn Al-Sn Sn-Si In-Pb In-Sb Sn-Pb Cu-Ce

Рис.7.Зависимостьразрешающей способности Ерс от составов двухкомпонентных (бинарных) сплавов

Рис. 8. Зависимости поверхностного натяжения оловянно-свинцового (Бп-РЬ) сплава от концентрации свинца (РЬ) [19]

Т7

мВ/м 33,00

28,00

23,00

18,00

13,00

8,00

/ /Вода

/

Иа-Сз-К Ыа-К-ЯЬ Ж-С5-КЬ А1-1д-Кп ФсХавГ

Рис. 9. Зависимость разрешающей способности Ерс от составов трехкомпонентных сплавов: натрий-цезий-калий (Na-Cs-K), натрий-калий-рубидий (№-К^Ь), натрий-цезий-рубидий (Na-Cs-RЬ), алюминий-индий-олово (Л1-1п-Бп)

Поверхностное натяжение, согласно современному подходу в физике, является частью внутренней энергии.

Поэтому можно предположить, что максимальное значение заряда микросферы будет определяться максимальным зарядом внешней сферы, ограниченным поверхностным натяжением исходной капли, без учета заряда внутренней сферы, связанного поверхностным натяжением «внутренней» отсутствующей капли:

Ч мс Ч внеш Ч внут

2ее00^ВНеШ -А/ЧЛ(ЬХ е V2¡¡0Ь {I^внеш ,

3

внутр

(10)

где й и й

^ внеш внутр

внешний и внутренний диаметр капли.

Мае су п ¡лых к а цель. (« мыль н ых пузырей», микросфер, пустотел-во шара) утожно опреде-лить анало гичн е:

Ч,„ е т„

Р--

4. I X

ка еТ

( н

= Р • УшП2 - Р • (капТ -т

4. I Хв

-Р

е ^Ч 6 V

3

внеш

2

(ц)

тг,

С учето м эт ого от нош е нин зарядо к м а2се ——

для микросферы монкне знписать в виде выражения

Чу—

ч,„

ЧЧ8—-^ЩнШ - ^Х1утр ) ) ' то ^ь

(х3 -т3

\ внош внутр

ТОд/880 ь VХЧнеш -"\/Х

3

внутр

X3 - X3

внеш внутр

•И, (12)

где Ь' м ожно пр-хя ть как размерный параметр

_3

микросферы, м 2, записывая

Усош

Ь'е

3

'внутр

Х внеш Х внутр

(13)

Рис. 10. Зависимости размерного параметра микросферы (полой капли) Гмс от толщины стенки 1

2.3. Изменение структуры капли за счет перехода от цельной однородной капли к неоднородной. Расчет эффективности повышения разрешающей способности Брс СКОИС НЭП при переходе от цельной однородной капли к неоднородной проведем следующим образом.

На рис. 10 изображены графики зависимостей размерного параметра микросферы Ь'мс от толщины стенки I (для значений от 0,02 до 0,1 мм с шагом 0,1 мм), равной разнице внешнего (для значений от 1 до 1,5 мм с шагом 0,1 мм) и внутреннего диаметров:

I =й - й .

ст внеш внутр

(14)

Как видно, рассчитанные значения размерного параметра микросферы Ь' ус имеют небольшую линейную зависимость от I .

ст

3

Р

Заключение.

1. Реализация СКОИС НЭП на основе интерференционного измерителя при использовании движущихся со скоростью 1 м/с заряженных до максимального значения капель воды 01 мм позволяет достичь порога чувствительности на уровне «9,3 мВ/м.

2. При использовании в СКОИС НЭП таких материалов, как вода, глицерин, оливковое масло, керосин, спирт, стекло, оргстекло, полистирол, полиэтилен, полипропилен самыми перспективными являются полиэтилен и вода, обеспечивая достижение порога чувствительности Е менее 10 мВ/м.

пор

3. При использовании в СКОИС НЭП жидких лития, натрия, калия, кальция и магния значения разрешающей способности Ерс составляют 2,82; 5,45; 6,51; 8,11; 9,10 мВ/м, т.е. меньше, чем у воды, не превышая значения 10 мВ/м. Как видно, применение лития позволяет достичь рекордной разрешающей способности Ерс.

4. При использовании в СКОИС НЭП в качестве жидкостей двухкомпонентных сплавов: лития-натрия (Li-Na), лития-олова (Li-Sn), натрия-калия (Na-K), натрия-рубидия (Na-Rb), натрия-цезия (Na-Cs), калия-рубидия (K-Rb), калия-цезия (К-Cs), алюминия-индия (Al-In), алюминия-цинка (Al-Zn), алюминия-олова (Al-Sn), олова-кремния (Sn-Si), индия-свинца (In-Pb), индия-ниобия (In-Sb), олова-свинца (Sn-Pb), меди-церия (Cu-Ce) капли 01 мм лучшими являются сплавы лития-натрия, натрия-калия и натрия-рубидия. Максимальная разрешающая способность Ерс для них достигает значений мВ/м соответственно. Эти значения лучше разрешающей способности при использовании в СКОИС НЭП воды — 9,33 мВ/м.

5. При использовании в качестве жидкостей в СКОИС НЭП жидких расплавов трехкомпо-нентных сплавов: натрий-цезий-калий (Na-Cs-K), натрий-калий-рубидий Na-K-Rb, натрий-цезий-рубидий Na-Cs-Rb, алюминий-индий-олово AI-In-Sт максимальная разрешающая способность Ерс составляет 9,7 и 10,42 мВ/м для первого и второго сплавов соответственно, почти приближаясь к таковой для воды — 9,33 мВ/м.

6. Как показывают представленные выше результаты исследований, СКОИС обладают существенным достоинством, демонстрируя высокую разрешающую способность измерений НЭП Е, особенно, при использовании расплавов щелочных металлов: лития, натрия, калия, кальция и магния.

Библиографический список

1. Глуховеря Е. Г., Бирюков С. В. Датчики напряженности электрического поля на новых физических эффектах и явлениях // Актуальные проблемы современной науки: материалы IX Регионал. науч.-практ. конф. с меж-дунар. участием. Омск, 2020. С. 47 — 50.

2. Пат. 2734578 Российская Федерация, МП К G01R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля повышенной точности / Бирюков С. В., Глуховеря Е. Г. № 2020118102; заявл. 02.06.20; опубл. 20.10.20. Бюл. № 29.

3. Пат. 2539130 Российская Федерация, МПК G01R 31/00, G01R 29/12. Волоконно-оптическое устройство

для измерения напряженности электрического поля / Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Аксарин С. М. № 2013136095, заявл. 31.07.13; опубл. 10.01.15. Бюл. № 1.

4. Long Z., Li W. Implementation method of impulse electric field measurement system based on Wlan. AU patent; published June 10th, 2021.

5. Долматов Т. В., Букин В. В., Сахаров К. Ю., Сухов А. В., Гарнов С. В., Терехин В. А. Сверхширокополосный электрооптический преобразователь напряженности импульсного электрического поля // Измерительная техника. 2014. № 10. С. 42-45.

6. Колмогорова С. С. Развитие теории и практики изотропных измерений электростатического поля на основе динамических преобразователей: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2012. 168 с.

7. Виноходов А. Ю., Кошелев К. Н., Кривцун В. М. [и др.]. Формирование мелкодисперсной жидкометалличе-ской мишени под действием лазерных импульсов фемто-и пикосекундной длительности для лазерного плазменного источника в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне // Квантовая электроника. 2016. Т. 46, № 1. С. 23-28.

8. Нагорный B. C., Колодяжный Д. Ю. Электрока-плеструйные форсуночные модули авиационных двигателей: моногр. Санкт-Петербург: Политех-пресс, 2020. 791 с.

9. Ankudinov V. B., Marukhin Y. A., Ogorodnikov V. P., Ryzhkov V. A. Technology for production of monodisperse spherical granules // Metallurgist. 2019. Vol. 63, № 5-6. С. 651-657. DOI: 10.1007/s11015-019-00871-2.

10. Левченко Ю. А. Управляемый метод электрокапле-струйного нанесения технологических жидкостей на химические нити: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 1999. 194 с.

11. Безруков В. И. Научно-технические основы и аппаратное обеспечение автоматизированной электрока-плеструйной маркировки изделий: дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2003. 563 с.

12. Пщелко Н. С. Электрофизические методы нераз-рушающего контроля и формирования металлодиэлектри-ческих структур: дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2011. 372 с.

13. Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: принцип и режимы работы, возможности и основные характеристики // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 189-195. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-189-195.

14. Леун Е. В., Чередов А. И., Сергеев Д. В., Сысоев В. К. К вопросам построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 86-93. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-16786-93.

15. Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем измерений напряженности электрического поля. Часть 1 // Омский научный вестник. 2021. № 4 (178). С. 83-90. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-17883-90.

16. Леун Е. В. Совершенствование методов и средств контроля отклонений от прямолинейности на основе акустооптических гетеродинных лазерных измерительных систем // Омский научный вестник. 2019. № 4 (166). С. 71-77. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-166-71-77.

17. Румянцев А. А. Акустооптические датчики волнового фронта световой волны: дис. ... канд. физ.-мат. наук. СПб, 1994. 168 с.

18. Валеева Э. Э. Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов: дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2007. 161 с.

19. Чочаева А. М. Поверхностное натяжение сплавов металлических систем с участием свинца, лития и алюминия: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2003. 177 с.

20. Понежев М. Х. Поверхностные свойства некоторых жидкометаллических систем на основе меди, алюминия: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 1998. 115 с.

21. Куршев О. И. Плотность, поверхностное натяжение и работа выхода электрона легкоплавких металлов и сплавов: дис. ... канд. физ.-мат. наук, Нальчик, 2005. 164 с.

22. Афаунова Л. Х. Теплофизические и поверхностные свойства лития и сплавов литий-натрий, натрий-калий: дис. ... канд. физ.-мат. наук. 2013. 156 с.

23. Мальсургенова Ф. М. Плотность, поверхностное натяжение и адсорбция компонентов сплавов тройной системы натрий-калий-цезий: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2013. 150 с.

ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки. SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru

Для цитирования

Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем измерений напряженности электрического поля. Часть 2 // Омский научный вестник. 2022. № 1 (181). С. 78-88. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-18178-88.

Статья поступила в редакцию 20.01.2022 г. © Е. В. Леун