Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом

Предложен способ измерения электрических полей. В способе используют электронно-оптический муаровый эффект, возникающий при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используется теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля. Муаровая картина от электрического поля фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера. Техническим результатом является повышение точности и оперативности измерения напряженности электрических полей. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике измерений переменных и постоянных электрических полей и может быть использовано в приборах, где используются статические или изменяющиеся во времени электрические заряды.

Известен способ измерения напряженности электрического поля [см. Патент №2010249 (РФ), кл. G01R 29/12, 1994 г.], где контроль электрических полей осуществляют путем периодического воздействия на защищенный неподвижным экранирующим электродом измерительный электрод электростатического поля, периодического экспонирования и экранирования, считывания сигнала с измерительного электрода, его усиления и регистрации. Разность потенциалов измеряют между внешней поверхностью экранирующего электрода и измерительным электродом и подключают к экранирующему электроду источник постоянного тока с ЭДС, большей значения измеряемого потенциала поля до момента равенства нулю указанной разности потенциалов.

Основными недостатками данного способа измерения напряженности электрического поля является недостаточная точность и оперативность измерений из-за местных искажений поля, отсутствие визуализации распространения и распределения электрического поля, а также невозможность работать с переменными электрическими полями.

Известен способ измерения напряженности электрического поля [см. Патент №2190233 (РФ), кл. G01R 29/08, Б.И. №27, Ч.2, 2002 г.], заключающийся в помещении в исследуемое пространство одновременно N пар одинаковых проводящих чувствительных элементов, входящих в общий датчик, симметрировании наружной поверхности датчика относительно координатных плоскостей с расположением центров наружных поверхностей чувствительных элементов попарно на N равномерно расположенных осях выбранной многокоординатной системы координат симметрично относительно ее начала, нахождение составляющих вектора напряженности электрического поля по каждой паре чувствительных элементов как разности потоков вектора напряженности электрического поля, при этом конфигурацию и размер поверхностей чувствительных элементов выбирают из расчета равенства между собой векторов напряженности поля заряженного датчика с учетом отсутствия мешающих полей, а получаемые с каждой пары чувствительных элементов сигналы поочередно опрашивают и фиксируют, затем выделяют из них максимальное значение, измеряя которое находят модуль вектора напряженности электрического поля.

Основными недостатками данного способа измерения напряженности электрического поля является недостаточная точность и оперативность измерений из-за местных искажений поля, отсутствие визуализации распространения и распределения электрического поля, а также конструктивная сложность при непосредственном измерении максимальной напряженности.

За прототип принят способ измерения магнитных полей электронно-оптическим методом [см. Патент №2292053 (РФ), кл. G01R 33/02, Б.И. №2, 2007 г.], включающий использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного магнитным полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, причем о величине напряженности магнитного поля судят по величине искажения, обусловленного отклонением пучка электронов в измеряемом магнитном поле силой Лоренца, в качестве неискаженного изображения сетки используют теневое изображение сетки на экране электронографа, полученное в отсутствие измеряемого магнитного поля, а наложение упомянутых изображений осуществляют путем последовательного экспонирования на одну и ту же фотопластинку искаженного и неискаженного изображений сетки.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение точности и оперативности измерения напряженности электрических полей, а также их максимальных значений по топографической картине распределения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающем использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, в отличие от прототипа, используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.

Сущность предлагаемого способа поясняется на электронно-оптической схеме наблюдения полей фиг.1, расчетной схеме движения в однородном поперечном поле фиг.2, электронно-оптическом муаре электрического поля плоского конденсатора фиг.3.

Сущность предлагаемого способа заключается в измерении напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающим использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, при этом используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.

Эксперименты по получению муаровых картин однородного электростатического поля проводились на электронографе ЭГ-100А.

Однородное электростатическое поле создавалось между двумя параллельными плоскостями, заряженными разноименно (модель плоского конденсатора). Электронно-оптическая схема наблюдения полей представлена на фиг.1, где 1 - электронная пушка; 2 - фокусирующая магнитная линза; 3 - металлическая сетка 0,1×0,1 мм; 4 - источник поля (конденсатор); 5 - фотопластинки; А - проекционное изображение сетки; Б - проекционное изображение сетки при включенном источнике; А+Б - наблюдение муара в результате наложения двух изображений.

Эталонное изображение сетки получается в результате теневой электронно-оптической проекции. Конус лучей оказывается разбитым на отдельные пучки, сечения которых определяются геометрией ячеек сетки и геометрией съемки. Данные условия эксперимента позволяют получать на экране четырехкратное увеличение сетки 0,4×0,4 мм.

Рассмотрим движение электронов в однородном поперечном электрическом поле напряженностью Е. Расчетная схема движения электронов в однородном поперечном поле Е представлена на фиг.2, где l - длина пластин конденсатора; d - расстояние между пластинами; L - расстояние от середины конденсатора до экрана; ν - скорость электрона на входе в поле Е; r_y - смещение электрона на выходе из поля Е; - наблюдаемое на экране смещение электрона.

На выходе из поля Е электрон будет иметь ускорение, вызванное электрическим полем:

При этом скорость по оси y определяется из выражения:

Угол отклонения электрона на выходе находится из соотношения составляющих скоростей по оси x и y:

где ν_x=ν - скорость, с которой электрон входит в поле на его верхней границе.

Для принятого в эксперименте ускоряющего напряжения на электронной пушке 40 кВ скорость электрона составит:

Отклонение электрона на выходе из поля Е выражается следующим уравнением:

Покинув поле протяженностью l, электрон движется по касательной к траектории в точке А(x; y), лежащей на нижней границе поля. Достигнув экрана электронографа, расположенного на расстоянии (L-l/2) от нижней границы поля, частица сместится на величину, определяемую следующим выражением:

Подставляя выражения (4), (5) в уравнение (6), получим:

где е=1,6·10^-19 Кл - заряд электрона; m_e=9,1·10^-31 кг - масса электрона; l - протяженность электрического поля; L=0,7 м - расстояние от середины конденсатора до экрана; ν - скорость электрона на входе в электрическое поле (формула 4).

Для условий съемки, принятых в эксперименте (l=0,04 м, L=0,7 м, ν=1,2·10⁸ м/с), получим расчетную зависимость, связывающую величину отклонения электронного пучка от вызвавшего его электрического поля напряженностью Е:

Результаты эксперимента обрабатывались с помощью оптического микроскопа с увеличением 100×. Электронно-оптический муар электрического поля плоского конденсатора представлен на фиг.3.

Величина смещения пучка находится следующим образом:

где k - размер эталонного изображения сетки; n - размер изображения сетки вдоль линий напряженности электрического поля.

Например, при отклонении электронного пучка на м напряженность электрического поля составит 365,6 В/м.

Существующие методы электрического моделирования непригодны при анализе полей малой протяженности, так как размеры чувствительного элемента измерительного устройства не позволяют проводить достаточно точные измерения в небольших объемах. Непосредственное измерение нормальной составляющей напряженности поля у края модели с помощью зондов не позволяет достигнуть точных результатов из-за местных искажений поля.

Таким образом, предлагаемый способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом в отличие от известных технических решений позволяет повысить точность и оперативность измерений за счет увеличения разрешающей способности цифровой системы.

Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом, включающий использование электронно-оптического муарового эффекта, возникающего при наложении искаженного полем теневого изображения сетки на экране электронографа на неискаженное изображение сетки, в качестве которого используют теневое изображение сетки в отсутствие измеряемого поля, отличающийся тем, что используют электрическое поле, муаровая картина от которого фиксируется видеокамерой с последующей иллюстрацией изображения на мониторе персонального компьютера.