Курсовик Измерение переменного магнитного поля в установке по получению плазмы с помощью катушки индуктивности, тестирование катушки.

Все графики, расчеты и формулы представлены в работе.
Преподаватель оценил работу на 5.


Оглавление

1)Введение. Теоретическая часть
а) Поле соленоида
б) Переходные процессы в RLC контуре
2)Эксперимент
а) Измерительная катушка
б)Результаты
3)Заключение. Список литературы.

все формулы в документе в виде картинок. ...

из работы:

"Выбор параметров катушки осуществлялся из соображений величины ЭДС, которое будет получено на осциллографе (не по-русски и не на осциллографе, а на АЦП). Так как удобными параметрами для расчетов были величины порядка 0,1-1 В, количество витков подбиралось для приближения результатов к этим параметрам. Зная приблизительное значение поля, количество витков в катушке должно было быть порядка 10-20 ."

"Для калибровки катушки, ее поместили в геометрический центр известного многослойного соленоида, диаметр которого в несколько раз превосходит характерные размеры калибруемого образца. Таким образом, было выбрано наиболее однородное поле для измерения. К известной катушке подсоединяется контур, приведенный на Рис. 8 (ниже)"

Измерение магнитного поля имеет огромное значение в физике. Практически, во всех отраслях этой науки ученые сталкиваются с электромагнитными явлениями. Например, в физике плазмы. Для людей, изучение плазмы позволит изучить устройство мира, а также получить новые способы получения энергии. По температуре плазма может варьироваться от сотых долей до нескольких тысяч эВ. На сегодняшний день нет материалов, способных выдерживать такие температуры. Поэтому плазму удерживают «на весу». Через горячую плазму пропускают электрический ток, и с помощью сильных магнитных полей под действием силы Ампера, удерживают плазму в подвешенном состоянии. Следовательно, необходимо точно знать значение магнитных полей.

Теоретическая часть

Поле соленоида

Для удержания плазмы в ловушке открытого типа необ ходимо сильное продольное магнитное поле. Гофрированное магнитное поле в ГОЛ-3 создается системой катушек, питаемых конденсаторными батареями. Для его измерения можно поместить в установку измерительную катушку индуктивности..

п.), вследствие чего напряжение на всех ее участках изменится. Изменения в тех или иных частях электрического контура можно представить в виде коммутации. Переходный процесс определяется как переход между энергетическими состояниями системы до и после коммутации. Рассмотрим переходный процесс в цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности, емкости и сопротивления. Рис. 4. RLC контур.Ut=URt+1C0TItdt+LdIdt (2.1)Формула (2.1) – основное уравнение RLC контуров.Можно записать дифференциальное уравнение изменения заряда на конденсатореq+ RLq+1LCq=0 (2.2)q= q0eiωtХарактерное времяτ=LC Для частоты:ω2-RLiω-1LC=0 (2.3)ω ~ 1LCЭксперимент Рис. 5. 3D – макет много пробочной ловушки ГОЛ3.Эксперимент проводился в Институте Ядерной Физики им. Будкера, на Гофрированной Открытой Ловушке (ГОЛ-3). Установка ГОЛ-3 состоит из трех частей: ускорителя У-2, основного соленоида и выходного узла. Электроны в ускорителе получают энергию порядка 1 МэВ. Созданный мощный (до 50 кА) релятивисткий пучок сжимается и инжектируется в основной соленоид, где в дейтериевой плазме с плотностью n = 1014 ÷ 1016 частиц в кубическом сантиметре вследствие развития микротурбулентности пучок теряет до 40% своей энергии, передавая её электронам плазмы. Темп нагрева очень высокий – за 3–4 мкс плазменные электроны нагреваются вплоть до температуры T порядка 5 кэВ, что является мировым рекордом для открытых ловушек. После окончания инжекции пучка (12 мкс) теплопроводность становится классической и электроны быстро остывают. Конфигурация магнитного поля в ГОЛ-3 представлена на Рис.6. Красным отмечены силовые линииРис. 6. Конфигурация магнитного поля в трубе с пробкотронами в ГОЛ-3.Основной 12-метровый соленоид состоит из 55 пробкотронов длиной 22 см . Пробкотрон – один из видов плазменных ловушек, создает продольное магнитное поле. Имеет вид трубки внутри соленоидальной катушки. Плотность обмотки трубки на торцах выше, чем посередине. Частицы заряженной плазмы двигаются по направлению силовых линий, отражаясь от областей более сильного поля – пробок.Рис. 7. Гофрированное магнитное поле многопробочной ловушки.Максимальное и минимальное поле в пробкотроне ГОЛ-3 : Bmax=4,8 Тл. Минимальное поле: Bmin=3,2 Тл. Отсюда пробочное отношение:R= BmaxBmin=1,5 В выходном узле магнитное поле расширяется и его величина уменьшается на один-два порядка. Заряженные частицы плазмы двигаются вдоль силовых линий магнитного поля, тогда магнитный поток через сечение плазмы сохраняется. Известно, что диаметр плазменного столба в сильном поле порядка 4 см, а в расширителе – порядка 50 см, тогда оценим величину магнитного поля в расширителе:Bрасшир.=Bсильн.п.∙Sсильн.п.Sрасшир.=4,8Тл∙3,14∙4∙10-4м23,14∙6,25∙10-2м2≅3∙10-2Тл Измерительная катушкаВыбор параметровВыбор параметров катушки осуществлялся из соображений величины ЭДС, которое будет получено на осциллографе (не по-русски и не на осциллографе, а на АЦП). Так как удобными параметрами для расчетов были величины порядка 0,1-1 В, количество витков подбиралось для приближения результатов к этим параметрам. Зная приблизительное значение поля, количество витков в катушке должно было быть порядка 10-20 . Мы изготовили катушку с 16 витками. Индуктивность измерительной катушки 6,2∙10-7Гн.Калибровка: описание стендаДля калибровки катушки, ее поместили в геометрический центр известного многослойного соленоида, диаметр которого в несколько раз превосходит характерные размеры калибруемого образца. Таким образом, было выбрано наиболее однородное поле для измерения. К известной катушке подсоединяется контур, приведенный на Рис. 8 (ниже)После замыкания ключа в данном L C R контуре происходит переходный процесс, основа которого – энергия заряженных конденсаторов переходит в энергию магнитного поля катушки. Характерное время разрядки ≈30мс.Рис. 8. Схема цепи со стендовой катушкой.Где L0 , L1 – индуктивность известной и измеряемой катушек соответственно, R0 сопротивление шунта, С0 емкость единичного конденсатора из конденсаторной батарее. Индуктивность соленоида находится, какL= μ0μrseN2le (3.1)где — магнитная постоянная — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты) — площадь сечения сердечника — длина средней линии сердечника — число витков Результаты•Калибровка.