2
С ОДЕРЖАНИЕ
Введение...............................................5
Вместо предисловия............................................5
Фундаментальные основы количественной спектроскопии плазмы . 9 Основные цели исследования...................................11
Часть I. Исследование потоков сильноионизованной плазмы атмосферного давления в плазмотронах с расширяющимся
анодным каналом..............................................17
Глава I. Автоматизированная установка для исследования высокоэнтальпийных плазменных потоков........................17
1.1. Описание исследуемых плазмотронов с расширяющимся каналом-анодом.............................................18
1.2. Описание системы автоматизированной регистрации спектров...................................................24
1.3. Система скоростной визуализации движущейся плазмы 30
1.4. Спектры излучения плазмы Аг и в различных областях плазменной струи.............................................33
Выводы по главе 1..........................................45
Глава II. Автоматизированная система обработки спектров излучения плазмы........................................... 46
2.1. Система обработки спектрометрической информации SPEC_.MCD.100................................................46
2.2. Программы анализа контуров спектральных линий..........51
2.3. Программа преобразования Абеля хордовых распределений
интенсивностей к радиальным..................................64
2.4. Определение параметров плазмы..........................68
Выводы по главе II.........................................71
Глава III. Анализ состояния плазмы аргона и азота в разряде..................................................72
3.1. Анализ режима течения плазмы............................72
3.2. Баланс энергии электронов и роль излучения в балансе энергии дуги.........................................................79
3.3. О роли ВУФ- излучения в исследуемой плазме..............84
3.4. Термодинамическое состояние.............................95
3.5. Равновесный состав плазмы аргона и азота. Учет наличия паров меди в прианодной области азотной плазменной струи...........98
Выводы по главе III.......................................110
Глава IV. Параметры электронной компоненты и их пространственные распределения..........................112
з
4.1. Концентрация электронов плазмы..........................112
4.2. Анализ энергетического распределения возбужденных частиц с целью определения электронной температуры. Учет оптической толщины. Рекомендации по методам определения Тс..............115
4.3. Связь между локальными параметрами плазмы и излучением...................................................126
4.4. Результаты измерения радиальных распределений параметров в различных зонах высокоэнтальпийной плазменной струи. Влияние тока дуги и расхода газа на параметры плазмы.................134
4.5. Пространственные распределения пе и Тс в исследуемых плазменных потоках. Влияние на них тока дуги и расхода газа.........................................................139
Выводы по главе IV.........................................144
Глава V. Прикатодная область дуги в сильноточных плазмотронах с расширяющимся каналом как высокостабильный источник квазистационарной сильноионизованной плазмы 145
5.1. Анализ стабильности и воспроизводимости свойств плазмы в прилегающей к катоду области положительного столба дуги 146
5.2. Статистическая обработка массивов данных и достигаемая точность определения вероятностей переходов и констант штарковского уширения линий Аг 1, II, 111, N I, II, III......152
5.3. Фрагменты базы данных по излучательным свойствам и спектральным характеристикам сильноионизованной плазмы аргона и азота......................................................161
5.4. Заключение к главе V....................................170
Часть И. Особенности излучательных свойств и характера неравновесности плазмы инертных, молекулярных газов и их
смесей.....................................................174
Глава VI. Особенности молекулярных спектров излучения высокоэнтальпийных потоков азотной плазмы в плазмотроне 174
6.1. Эволюция молекулярных спектров плазмы вдоль струи 176
6.2. Обнаружение и экспериментальный анализ “возмущений” молекулярного спектра в области полосы ( 0,0 ) Г системы иона N2+..........................................................184
6.3. Анализ причин наблюдаемых неоднородностей...............188
Выводы по главе VI...........................................196
Глава VII. Исследование характера неравновесности в потоке
релаксирующий азотной плазмы атмосферного давления...........197
7.1. Вращательная и колебательная температуры в релаксирующей струе азотной плазм ы........................................197
4
7.2. Результаты спектроскопических измерений и калориметрии плазменной струи.............................................207
7.3. Анализ процессов релаксации азотной плазмы. Характер неравновесности плазмы в зоне релаксации.....................213
7.4. Заключение к главе VII..................................221
Глава VIII. О роли малой примеси водорода в кинетике неравновесной и нестационарной плазмы инертных газов.........223
8.1. Заряженные частицы в плазме инертных 1изов с примесью Н2...........................................................225
8.2. Возбужденные частицы....................................227
8.3. Критерии малого влияния примеси Н2......................230
8.4. Квазистационарная пучковая плазма и другие типы плазмы....232
8.5. Плазма, образуемая наносекундным электронным пучком.......................................................235
8.6. О применимости метода " водородного термометра "........238
Выводы по главе VIII.........................................241
Заключение. Основные результаты работы................243
Литература............................................249
5
Введение
1. Вместо предисловия .
Многоцветность окружающего нас мира и «белый» цвет основного природного источника света - Солнца привели Исаака Ньютона, величайшего естествоиспытателя второго тысячелетия, к его знаменитым опытам с оптическими призмами [1]. Пропустив солнечный свет через небольшое круглое отверстие в ставнях окна в темную комнату и направив его на призму, он наблюдал создаваемый призмой спектр на расположенном на пути света экране. Многоцветная картина, широкая в своей цветовой перспективе и относительно узкая в поперечном направлении, надолго захватила его сознание: только в 1672 году Ньютон опубликовал результаты своих наблюдений, начатых в 1666 году. Основоположник корпускулярной теории света, он в ходе этих первых в человеческой истории обстоятельных спектральных опытов обнаружил, что вторая призма, помещенная вслед за первой, не разворачивает далее пучок света в спектр, а может «свернуть» цветную картину в исходную белую. Так было доказано, что существование спектра является свойством не призмы, а белого света [2].
После великолепных работ Ньютона, явившихся провозвестником спектрального анализа и астрофизики, понадобилось еще почти полтора века, чтобы возникли технические основы спектрального анализа.
Вильям Волластон, известный английский химик (1766 - 1829гг.) [3], был первым, кто обнаружил в солнечном спектре несколько линий, впоследствии получивших название фраунгоферовых (см. ниже). Еще до научного сообщения о первом в истории наблюдении дискретного спектра (1802) Волластон изобретает способ приготовления ковкой платины для тиглей (1800), что позволяет ему вскоре открыть палладий (1803) и родий (1804). В 1822 году Волластон выделил в металлическом виде титан, - и может считаться праотцом современного самолетостроения.
Еще одна фигура, обеспечившая прогресс спектроскопии, - сын бедного мюнхенского стекольщика Иозеф Фраунгофер (1787 - 1826гг.) [4]. В 20 лет
6
поступив на работу в физико-оптическую мастерскую, благодаря своей талантливости, трудолюбию и знаниям Фраунгофер вскоре встал во главе мастерской, а впоследствии и ее владельцем. В 1814 году он публикует работу о дискретных линиях солнечного спектра (впоследствии получивших его имя). А некоторое время спустя, размышляя над иными возможностями применения уже широко распространенных и изготовляемых в его мастерской телескопов, делает важнейшее для спектроскопистов открытие. Измерения Ньютона были довольно грубыми, поскольку источником света для него служило круглое отверстие. Идея Волластона использовать в качестве источника щель, параллельную ребру призмы, была колоссальным шагом вперед. Фраунгофер понял, что для дальнейшего улучшения качества спектра необходимо, с одной стороны, поместить призму в параллельный пучок света, а с другой - получить сфокусированное изображение входной щели на выходном экране [2].
Так родилась принципиальная схема призменного спектрографа. Этот же гениальный оптик является по существу изобретателем и другого типа спектральных приборов - дифракционных. В научном мемуаре [Dcnksch. München. Acad., v.VIII, 1821 - 1822 гг] Фраунгофер описал работу оптической дифракционной сетки (решетки), позволяющей определять длину световых волн. Преимуществами решетки перед призмой являются неизменность дисперсии при постоянстве шага решетки, а также, как выяснилось впоследствии, значительное расширение спектрального диапазона решеток, работающих в отраженном, а не в проходящем, как призмы, свете.
Блестящие открытия Волластона и Фраунгофера в начале XIX века позволили двум немецким профессорам Бунзену и Кирхгофу в 1859 году превратить спектральный анализ в экспериментальную науку [5]. Закон Кирхгофа и горелка Бунзена - это г лубоко чтимые всеми спектроскопистами раритеты. Терпение и талант позволили этим ученым и их последователям заложить основы количественной спектроскопии излучающих и поглощающих объектов и за короткий период открыть ряд новых элементов: цезий и рубидий (1860 г.), таллий (1862 г.), индий (1863 г.), галлий (1875 г.) и др.
7
Накапливаемые исследователями данные по спектрам испускания требовали установления закономерностей в распределении линий. Первая такая закономерность была установлена Бальмсром в 1885 году для большой группы линий водорода [5]:
X = А п2 / (п2 - 4) (1)
Если в качестве п подставлять целые числа от 3 до 15 и подобрать константу А = 3647,2, то очень точно получаются длины волн 13 линий водородного спектра, известных нам как линии серии Бальмера*.
Мощным толчком в установлении спектральных закономерностей сложных атомов должна была послужить открытая в 1871 г. [6| Д.И. Менделееевым Периодическая система элементов.
Сам Д.И. Менделеев, редактор химико-технического и фабрично-заводского отдела цитируемого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, озаглавив свою статью в XXIII томе (1898 г., стр. 311-323) «Периодическая законность химических элементов», пишет: «Он (периодический закон) рисуется ныне в виде новой, отчасти только раскрытой, глубокой тайны природы, в которой нам дана возможность постигать законы, но очень мало возможности постигать истинную причину этих законов...Словом, широкая приложимость периодического закона, при отсутствии понимания его причины, - есть один из указателей того, что он очень нов и глубоко проникает в природу химических явлений, и я, как русский, горжусь тем, что участвовал в его установлении».
Далее других продвинулся в анализе спектральных закономерностей элементов Ридберг [5]: он разделил исследованные элементы на 5 групп: 1) Ьі, На, К, ЛЬ, Сб; 2) Си, Ag; 3) Са, Бг; 4) Ъа, Сб; 5) А1, Іп, Т1 и установил, что в каждой группе по мере возрастания атомного веса серии (побочные) передвиг аются к красному концу спектра, а при переходе от одной группы к следующей серии передвигаются к фиолетовому концу спектра.
Нам привычней спектр Бальмера в единицах частоты:
V = Я» ( 1/ 22 — 1/ п2), где - постоянная Ридберга.
8
Однако, физические закономерности линейчатых спектров начали раскрываться лишь после гениального открытия датчанином Нильсом Бором дискретной структуры энергетического спектра атома водорода [7]. Два постулата Бора вобрали в себя модель планетарного строения атома, предложенную Резерфордом, и идею Планка о квантовании энергии излучения. В результате возникло представление о стационарных энергетических состояниях атомов и о частоте электромагнитного излучения при переходе атома с одной стационарной орбиты на другую. Эти постулаты, в дальнейшем обоснованные квантовой механикой, и легли в основу теории атомных и молекулярных спектров, являющейся питательной средой для современной спектроскопии.
Конечно, к названным ученым, внесшим определяющий вклад в становление спектрального анализа, необходимо причислить и итальянца Г. Галилея, изобретшего телескоп (1608 г.), и датского астронома О. Рёмера, первым измерившего скорость света по затмению спутников Юпитера, и открывшего явление дифракции (1815 г.) выдающегося физика Аугуста Френеля.
2. Фундаментальные основы количественной спектроскопии плазмы
После успехов, достигнутых физиками в начале XX века в понимании строения атомов, и создания основ квантовой механики усилиями Де Бройля, Дирака, Паули, Планка, Гейзенберга, Иоффе, имелись вес предпосылки для развития теории атомных спектров [9-13]. Понимание важности исследования и использования ионизованной, а потому и токопроводящей газовой среды породило две важных и родственных области современной физики - физику газового разряда [14-19] и физику плазмы [20-28].
Поэтому можно считать, что количественная спектроскопия плазмы -экспериментальная научно-техническая дисциплина, обеспечивающая проверку научных представлений, развиваемых теорией строения атомов (и молекул), квантовой механикой, физикой низко- и высокотемпературной плазмы. Поскольку источником информации для спектроскопии плазмы выступают ее излучательные (и поглощательные) свойства, особое место среди научных основ
9
спектроскопии занимает теория переноса излучения. В развитие последней внесли определяющий вклад такие выдающиеся физики, как А.Митчел и М. Земанский [29], С. Чандрасекхар [30], В.В. Соболев [31], Л.М. Биберман [32,28], Т. Холстейн [33], Я.Б. Зельдович [24].
В практическом плане эффективное использование спектральных методов диагностики, как правило, требует легального представления об основных механизмах излучения исследуемой среды, о совокупности столкновительных и излучательных процессов, протекающих в ней и приводящих к реализации того или иного стационарного или нестационарного состояния плазмы. Для автора диссертации основными источниками этих знаний служили многие приводимые в ссылках источники [10-12, 19, 25, 28 ]. С одной стороны, спектральные исследования плазмы предполагают наличие источника плазмы. Автору работы за почти 40-летний период исследований довелось создавать и исследовать такие плазменные объекты, как свободная электрическая дуга [34-36], мощные стационарные СВЧ-разряды [37-39] , короткоимпульсная плазма, создаваемая пучком быстрых (Е ~ 100-200 КэВ) электронов [40,41], плазма сильноточного электродугового разряда с вихревой стабилизацией [42-48]. Исследование подобного набора плазменных объектов имеют за своими плечами многие физики-исследователи, посвятившие себя плазменной науке, получившей колоссальный толчок в своем развитии благодаря первым успехам космонавтики и управляемого термоядерного синтеза в конце 50-х годов прошедшего века.
С другой стороны, представления атомной физики, теории атомных и молекулярных спектров и теории переноса излучения необходимо было преломить через задачи практической спектроскопии плазмы, состоящие в определении параметров и свойств этой плазмы по ее излучательным и поглощательным характеристикам. И поколению исследователей, к которому принадлежу я, очень повезло, поскольку оно получило в свое распоряжение первоклассные путеводители по вопросам создания и исследования плазмы. С благодарностью следует назвать работы В. Финкельнбурга и Г. Меккера [49], С.Э. Фриша [10], И.И. Собельмана [11], В.Л. Грановского [17, 21], Я.Ь.
10
Зельдовича и Ю.П. Райзера [16,24], сборник под редакцией Лохте-Хольтіревена [50], монографии Л.М. Бибермана и Э.И. Асиновского с учениками [28,51] и многих других.
Спектроскопии плазмы, как отдельной научно-технической дисциплине, посвящены специальные монографии [9,52-55] и периодические издания. Сегодняшние достижения спектроскопии плазмы во многом определяет ее сопряжение с квантовой электроникой; когерентная спектроскопия, лазерная диагностика, КЛРС-спсктроскогшя - новые высокоэффективные направления развития плазменной диагностики [58-59].
Но и оставаясь в рамках классической эмиссионной спектроскопии плазмы можно эффективно и достаточно точно исследовать параметры и характеристики самых разнообразных равновесных и неравновесных состояний низкотемпературной плазмы.
3. Основные цели иследовании Предметом исследования является низкотемпературная плазма с полным давлением порядка атмосферного, создаваемая как в сильноточных плазмоіронах, так и в генераторах пучковой плазмы. При всем разнообразии методов и средств диагностики таких плазм наиболее распространенными, обоснованными и достоверными остаются методы спектральной диагностики. И одной из важнейших причин этого (помимо бесконтактности, т.е. отсутствия возмущающего действия на плазму) является чрезвычайно основательный научный фундамент спектроскопии плазмы, схематично обозначенный в предыдущем параграфе. В общем случае таким фундаментом является либо модель локального термодинамическою ( ЛТР ) равновесия [28, 50], либо анализ спектров в совокупности с детальным анализом протекающих в плазме кинетических процессов [ 28, 60, 61 ].
Основными задачами спектрального исследования являются:
1. Получение достоверного и по возможности хорошо воспроизводимого спектра излучения исследуемого источника плазмы с
11
максимально достижимым спектральным разрешением в широком диапазоне длин волн.
2. Расшифровка спектра, т.е. отождествление составляющих его объектов с известными или прогнозируемыми компонентами: спектральными линиями атомов или ионов разной кратности, молекулярных полос молекул или молекулярных ионов, непрерывным излучением различной природы и т.д.
3. Переход от относительных интенсивностей излучения плазмы к абсолютным ее значениям при помощи надежных эталонов яркости или стандартов интенсивности.
Эти три задачи являются обязательными, общими и достаточно хрестоматийными, и мы на них останавливаться не будем, при необходимости ссылаясь на классические источники или собственные конкретные работы.
4. Определение основных параметров плазмы. Применительно к неравновесной и пространственно неоднородной атомарной плазме это означает независимое определение пространственного распределения температуры и концентрации электронов, температуры тяжелых частиц (для двухтемпературной плазмы), концентрации нейтралов и ионов разной кратности. Для плазмы с молекулярной компонентой к этим параметрам добавляются температуры, характеризующие распределение молекул и молекулярных ионов по колебательным (Ту) и вращательным (Тг) степеням свободы.
5. Детальная информация о спектральном составе излучения плазмы, подкрепленная знанием электронных параметров, позволяет решить задачу о характере взаимодействия между компонентами плазмы, т.е. проанализировать ударно-радиационную кинетику исследуемой плазмы и сделать выводы о ее термодинамическом состоянии. С другой стороны, исследованное в широком спектральном интервале излучение плазмы с пространственным разрешением дает представление о роли излучения в локальном и общем балансе энергии рассматриваемого источника.
12
6. При условии высокой стабильности и воспроизводимости плазменного источника он может быть использован для получения важнейших спектральных характеристик исследуемых атомов, ионов и молекул, таких, как вероятности оптических переходов (или силы осцилляторов) атомных и ионных линий, константы уширения спектральных линий и т.д.
Исследование посвящено решению следующих задач.
1. Модификация технологических плазмотронов с вихревой газовой стабилизацией и самоустанавливающейся длиной дуги [62] для проведения спектральных, калориметрических измерений и скоростной визуализации электрических дуг и плазменных потоков и создание соответствующего автоматизированного измерительного комплекса.
2. Разработка и создание компьютерных программ для выполнения автоматизированной обработки больших массивов данных по спектрам излучения плазмы, в том числе и для моделирования ровибронных спектров молекулярного иона Ы2'.
3. Анализ термодинамического состояния исследуемой электродуговой и релаксирующсй плазмы с целью обоснования и выбора методов ее спектральной диагностики.
4. Изучение экспериментальных спектров излучения
сильноионизованной плазмы аргона и азота и обоснование наиболее точных методов спектрального определения концентрации электронов, температуры электронов и вращательной температуры.
5. Исследование влияния на пространственные распределения параметров плазмы тока дуги и расхода рабочего газа. Установление роли излучения в балансе и переносе энергии в исследуемых генераторах сильноионизованной плазмы.
6. Анализ метрологических возможностей электродуговой плазмы в зоне максимальных энерговкладов для получения данных по излучательным свойствам и спектральным характеристикам сильноионизованной плазмы аргона и азота.
13
7. Экспериментальное изучение свойств и характера неравновесноети в релаксирующей высокоскоростной азотной плазменной струе и установление основных протекающих в ней плазмохимических процессов.
8. Теоретический анализ влияния примесного водорода на кинетику процессов в неравновесной и нестационарной плазме инертных газов и определение условий, при которых это влияние несущественно. Экспериментальная проверка результатов такого анализа в
короткоимиульсной пучковой плазме.
Если шсстидесятые-семидесятые годы XX века отмечены выдающимися достижениями в области теоретического и экспериментального изучения физики низкотемпературной плазмы, то последняя четверть ушедшего века - это время стремительного развития наукоемких плазменных технологий, опирающегося на живой опыт и накопленные знания предшественников. Создание высокоэффективных мощных и сверхмощных генераторов низкотемпературной плазмы открыло дорогу таким важнейшим промышленным технологиям, как плазмохимическое получение связанного азота и ацетилена, плазменная экстрактивная металлургия, плазменная обработка поверхностей металлов, плазменные технологии получения высококачественных порошкообразных материалов, термохимическая конверсия химически опасных веществ и многие другие [63, 64]. Большой прогресс достигнут и в области плазменных источников света: создание и промышленное внедрение
микроволновых ламп на основе серы с уникальными цветовыми характеристиками и эффективностью [65], успехи в освоении излучателей на основе кластерной плазмы [66] и др.
В большинстве упомянутых применений плазмы помимо очевидного преимущества плазменных технологий, заключающегося в их высокой удельной производительности (высокие температуры Т и скорости протекания реакций к ~ ехр ( - Ес/Т ), где Еа - энергия активизации), реализуется возможность высокоэффективных селективных плазменных превращений. Прогрессу в исследовании неравновесных плазмохимических систем, как ключевой
14
проблеме прикладной плазмохимии, способствовали выдающиеся работы школы Льва Соломоновича Полака [67-70]. В настоящее время эти проблемы являются стержневыми на таких Международных форумах, как Конференции но явлениям в ионизованных газах, Конгрессы по плазмохимии, газовому разряду. Первая часть работы посвящена экспериментальному исследованию высокоэнтальпийиых потоков плазмы аргона и азота, создаваемых в разработанных в ОИВТ РАН плазмотронах, уже нашедших интересные и эффективные применения [ 71,72 ]. Важнейшее место в этом исследовании принадлежит количественной спектроскопии плазмы.
В современных мощных плазмотронах, к которым относится и исследуемый нами, осуществляется прокачка больших количеств газа через канал с электрической дугой [73, 74]; при этом может реализоваться, в зависимости от условий, как ламинарный, так и турбулентный режим течения плазмы [73, 75]. Моделирование течения электродуговой плазмы, особенно в коротких каналах сложной геометрии, нуждается в привлечении
экспериментальной и 11формаци и.
В плазмотроне исследуемого типа нет установившегося участка течения, для которого выполнены численные расчеты течения плазмы в цилиндрических протяженных каналах [73,75]. Совместный учет в расчетных моделях таких
важных факторов, как расширение канала, наличие тангенциальной
составляющей скорости стабилизирующего газового потока, протекание тока на анод поперек этого потока, как нам известно, не осуществлялся. Поэтому одной из задач настоящего исследования является анализ характера течения плазмы и ее энергообмена со стабилизирующим сс вихревым газовым потоком и холодной стенкой канала, являющегося одновременно анодом дуги.
Благодаря компьютеризации научных исследований появилась возможность существенно повысить скорость сбора и обработки спектроскопической информации. Использование таких систем для
исследования стационарных плазменных источников атмосферного давления с температурой 20 - 30 кК позволило расширить наши представления о плазме
15
аргона и азота в этой не очень хорошо экспериментально изученной температурной области, соответствующей началу двукратной ионизации аргона и азота.
Для удобства изложения работа разделенаа на 2 части и 8 глав. В Главе 1 описывается созданная автором с коллегами [43, 76] комплексная
экспериментальная установка, включающая в свой состав несколько типов исследовательских плазмотронов, автоматизированную систему сбора спектральных данных, позволяющую с высоким пространственным и спектральным разрешением исследовать высокоэнтальпийные плазменные струи аргона и азота, а также системы скоростной визуализации плазмы и калориметрирования основных элементов плазмот рона [46, 48].
Использование математизированных систем статистической обработки больших массивов спектроскопической информации позволяет значительно повысить точность получаемых результатов. Глава II содержит описание пр01раммы SPEC_MCD.10G для компьютерного анализа спектроскопической информации. Она включает в себя программный анализ контуров спектральных линий. Развитые в главе методы позволяют анализировать спектральные характеристики сложных мультиплетов с переналоженными линиями, прежде недоступными для спектроскопических применений. Она содержит также описание программ получения пространственных распределений параметров плазмы.
В III главе выполнен анализ состояний плазмы Аг и N2 в исследуемых сильноточных разрядах: термодинамическое состояние и состав плазмы, механизмы отклонения от равновесия, роль излучения в энергетическом балансе. В ней рассмотрены, в частности, такие важнейшие вопросы, как механизм объемной ионизации переходного слоя «плазма - стенка анода» и выполнимость условий ЛТР в области энерговклада дуги.
В главе IV выполнен анализ энергетического распределения возбужденных частиц ( атомов и ионов разной кратности ) с цслыо определения электронной температуры плазмы, а также предложены и обоснованы точные и надежные
16
методы определения электронных параметров силыюионизованной плазмы, опирающиеся на статистическую обработку массивов спектроскопических данных. Здесь же приводятся результаты измерения радиальных распределений параметров в различных зонах высокоэнтальпийной плазменной струи.
Анализу возможностей сильноточной дуги с вихревой стабилизацией как высококачественного измерительного объекта посвящена глава V. В ней экспериментально устанавливается высокая стабильность и воспроизводимость ее излучательных и иных характеристик. В ее заключении приводятся фрагменты создаваемой базы данных по спектральной излучательной способности, а также вероятностям переходов Aki и константам Шгарковекого уширения wd сотен линий атомов, ионов и двукратных ионов аргона и азота.
II часть диссертации посвящена особенностям и неравновесным свойствам молекулярной плазмы и плазмы с молекулярными добавками. В главе VI рассмотрены особенности молекулярных проявлений в спектрах излучения высокоэнтальпийных потоков азотной плазмы. Детально проанализированы спектры излучения N2 и N2\ проведено моделирование электронно-колебательно—вращательных спектров Г системы иона N2\ с цслыо определения вращательной и колебательной температуры азотной плазмы. Исследованы аномалии в спектре излучения иона М2+ в зоне энерговклада.
В Главе VII проанализирована кинетика рождения и гибели основных активных частиц в исследуемой плазме и установлен характер иеравновесности в релаксирующей плазме азота, обеспечивающей се высокую плазмохимическую активность.
В Главе VIII выполнен анализ влияния малой примеси водорода на параметры неравновесной плазмы инертных газов для случая большого отрыва электронной температуры от газовой и установлены границы применимости метода «водородного термометра» в плазме с холодным инертным газом.
17
Глава I. Автоматизированная система для исследования высокоэнтальпийных плазменных струй
Исследование эмиссионных спектров высокотемпературных, высокоскоростных струй атомарной / молекулярной плазмы представляет исключительные возможности в изучении плазмохимических реакций и процессов и получении уникальной спектроскопической информации. При движении с около- и, тем более, сверхзвуковыми скоростями осуществляется пространственная «развертка» временного хода большинства протекающих в плазменной струе кинетических процессов, причем каждая стадия оказывается как бы «замороженной» в наблюдаемой области плазмы и может анализироваться сколь угодно долго. В свою очередь, отличие в составе и параметрах плазмы в разные моменты ее эволюции приводит к кардинальному отличию и спектрального состава излучения, испускаемого различными участками струи. Получаемые при этом эмиссионные спектры струи обнаруживает удивительное богатство излучаемых в широком спектральном интервале атомарных линий, линий атомарных ионов различной кратности и электронно-колебательных полос нейтральных молекул и молекулярных ионов, открывая тем самым широкую перспективу применения эффективных методов оптической диагностики плазмы. Извлекаемые из спектральных измерений параметры и состав плазмы струи в различных ее сечениях создают основу для исследования кинетики формирования заряженных и возбужденных компонент и, как следствие, более глубокого понимания механизмов взаимодействия плазменных струй с поверхностью твердого тела. С другой стороны, получаемая в эксперименте обширная информация чисто спектроскопическою характера позволяет уточнить или определить впервые важнейшие спектральные характеристики, такие, как вероятности радиационных переходов, ширину линий, штарковские константы и т.д., и на этой основе создать или дополнить уже имеющиеся базы данных по спектроскопии сильно нагретых газов.
18
Целью работы поэтому является получение и детальное исследование спектров излучения околозвуковых струй электроду го вой плазмы аргона и азота атмосферного давления в ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн в различных сечениях плазменной струи при изменении тока дуги и расходов рабочего газа в широких пределах. На основе полученных спектров определяются параметры электронной компоненты плазмы Аг и Ы2 и выполняется оценка температур колебательного и вращательного распределений молекул и молекулярных ионов азота в излучающих электронно-возбужденных состояниях.
1.1. Описание исследуемых плазмотронов с расширяющимся каналом-анодом.
Стремление к созданию высокоэффективных технологических плазмотронов и получению высокоэнтальпийных плазменных потоков привело авторов [62] к конструкции генератора плазмы с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом, являющимся анодом электрической дуги. Важнейшими особенностями такой геометрии являются обеспечение высоких расходных характеристик, эффективность нагрева рабочей среды и малость тепловых потерь в водоохлаждаемую поверхность анода [ 62 ].
Плазмотроны данного типа отличаются способностью генерации высокоэнтальпийных плазменных потоков с большим расходом рабочего вещества, при незначительной длине дуги (20 - 40 мм) и высоком коэффициенте полезного действия. Поскольку максимальная температура плазмы в таких генераторах с характерным диаметром входного отверстия анода 3 - 7 мм превышает 2 эВ [43, 46], а среднемассовая температура на выходе составляет 4000 - 6000 К при расходе газа 1 - 5 г/с, эти плазмотроны находят широкие технологические применения [71, 72].
Их важное практическое значение и побудило нас провести детальное физическое исследование плазмы в различных областях плазменной струи, начиная от прикагодной области электрического разряда с удельными энерговкладами ~ 50-100 кВт/см3 и заканчивая зоной релаксации плазмы на
19
расстояниях более 50 мм от анода вниз но потоку. Эффективности преобразования энергии электрического поля в дуге в тепловую энергию плазменного потока способствует используемая в плазмотронах данного типа вихревая стабилизация струи, обеспечиваемая тангенциальной подачей плазмообразующего газа. При таком способе организации разряда снижаются конвективные и кондуктивные потери в охлаждаемую стенку расширяющегося канала - анода и на первый план выступают лучистые потери энергии, роль которых, как известно [19,51,73], возрастает с повышением температуры плазмы. По этой причине первостепенное значение приобретает детальное исследование спектрального состава излучения плазмы и абсолютных значений его интенсивности.
Для осуществления таких исследований было разработано несколько модификаций исследовательских плазмотронов, обеспечивающих возможность спектральной диагностики и скоростной визуализации плазмы, при сохранении геометрии плазмообразующей зоны технологических генераторов плазмы [62,76].
Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования
20
физических процессов, происходящих в плазмотроне, приведена на рис. 1.1.
Водоохлаждаемый канал установлен на раме в подшипниках скольжения для обеспечения возможности поступательного перемещения плазмотрона вдоль своей оси. Подшипники скольжения выполнены из капролона, что позволяет получить достаточно хорошую их антифрикционность и износостойкость и электрически изолировать плазмотрон от рамы.
В качестве плазмообразующих газов в установке используются аргон и азот. Газ подается в плазмотрон из баллона через газовый редуктор , элекгроконтактный клапан, игольчатый вентиль , суживающее устройство и второй игольчатый вентиль . К суживающему устройству присоединены манометр и дифманометр , выдающие информацию соответственно о давлении газа и перепаде давления.
вода
4
3 10
И
5
Рис 1.2. Разрез плазмотрона с секционированным анодом
Основными частями плазмотрона первого типа ( см. рис. 1.2 и фотографию плазмотрона на рис. 1.4 ) являются торцовый катод 1, выполненный из прутка торированного или лантанированного вольфрама, медная межэлектродная вставка 2 и анод. Анод в данной конструкции состоит из примыкающего к
21
катодному узлу первого анода с расширяющимся внутренним канатом и второго анода 3 с цилиндрическим каналом. Диаметр выходного сечения внутреннего канала первого анода равен диаметру внутреннего канала второю анода и составляет величину 26 мм. Межэлектродная вставка и первый анод образуют расширяющийся внутренний канал, угол раскрытия которого в данных экспериментах составляет величину 12 градусов. Первый анод конструктивно выполнен в виде пакета , набранного из отделных секций 4. Каждая секция выполнена водоохлаждаемой, имеет впаянные трубки 5 и 6 подвода и отвода воды и свой токоподвод . Секции соединены в пакет через выполненные из электроизолирующего материала (капролона) кольцевые проставки 7. В процессе сборки плазмотрона секции центрируются на специальной конической оправке и с помощью керамической шайбы 8 стягиваются четырьмя шпильками 9 с гайками.
Благодаря тому, что четыре кольцевые проставки со стороны катода выполнены разрезными, а первая секция имеет специальный паз, удалось получить оптически прозрачную конструкцию - с каждой стороны плазмотрона получились окна ( всего пять) длиной 20 мм и шириной 1 мм. Для обеспечения необходимой герметичности плазмотрона полученные окна закрыты кварцевыми стеклами 10 и прижимаются к анодным секциям рамками 11 через эластичные прокладки. Катодный узел помещен в клееном корпусе, одна из проставок ( 12 ) которого выполнена из керамики и изолирует тем самым катод от межэлектродной вставки. Корпус имеет каналы для подвода и отвода воды и подачи газа. Фиксация прутка вольфрама в корпусе осуществляется с помощью цанги 13.
Поскольку в технологических устройствах особое значение имеют ресурс работы плазмотрона и химическая чистота используемой плазмы, второй тип исследовательского плазмотрона был выполнен со сплошным медным охлаждаемым анодом и двумя оптическими окнами в его боковой ( также конической ) поверхности. Разрез его схематически представлен на рис. 1.3.
Особый интерес при исследовании плазмотронов представляет
Рис 1.3. Разрез плазмотрона с соплом ( 2 ) и сплошным анодом ( 3 )
прианодная область разряда. Наблюдение этой зоны, особенно в плазмотронах, канал которых является одновременно и анодом дугового разряда, представляет затруднения. Для исследования приаиодной зоны с использованием спектральной аппаратуры и средств скоростной визуализации был сконструирован и изготовлен плазмотрон с системой продольно-поперечного окна наблюдений. Такая конструкция плазмотрона, анод которого выполнен из отдельных водоохлаждаемых шайб, обеспечивает наблюдение структуры плазменного потока во всех трех его зонах: прикатодной области разряда, прианодном участке дуги и зоне бестоковой рекомбинирующей плазмы.
Вольт-амнерные характеристики плазмотронов описанных типов в области исследуемых токов 100-600 А являются возрастающими, что обеспечивает их устойчивую работу. На рис. 1.4 и 1.5 показаны фотографии
23
Рис. 1.4. Общий вид экспериментального стенда
Рис. 1.5. Вид плазмотрона с секционированным анодом
24
фрагмента экспериментального стенда и вид плазмотрона с секционированным анодом.
В измерительный комплекс установки входили также система калориметрирования тепловых потоков, отводимых от плазмы всеми водоохлаждаемыми элементами плазмотрона, а также система измерения токов на каждую из секций секционированного анода.
1.2. Система автоматизированной регистрации спектров.
Для решения задачи но количественной спектроскопии стационарной плазмы, генерируемой описанными выше сильноточными плазмотронами с ресурсом работы в несколько часов, была создана комплексная система автоматизированной регистрации спектров излучения, базирующаяся на доступной и недорогой, главным образом, отечественной элементной базе.
Описание системы автоматизированной регистрации спектров излучения [48].
Система спектральных измерений, схематически представленная на рис.
1.6, включает в себя две подсистемы. Первая подсистема состоит из малогабаритного светосильного монохроматора МДР -41, блока управления, обеспечивающего сканирование с заданной скоростью и контроль за текущей длиной волны, фотоэлектронного умножителя ФЭУ - 100, блока питания для ФЭУ, электронной платы, преобразующей протокол 1^-232 в платы АЦП Ь-1250, вставленной в компьютер, и программного обеспечения. Рабочий диапазон длин волн ограничивается областью чувствительности фотокатода ФЭУ - 100 и составляет 200 - 830 нм. Вторая подсистема состоит из дифракционного спектрографа ДФС-452 и многоканального оптического анализатора спектров МОАС-2. МОАС-2 включает в себя две фотоголовки с фотодиодными ПЗС линейками ТозйіЬа ТІХ81250А и интерфейсную плату, вставленную в один из сериальных портов компьютера. Фотоголовки закреплены на пластине, которая устанавливается на место кассеты спектрографа. Фотоголовки соединены кабелем с интерфейсной платой. Для работы с системой МОАС-2 используется специальная программа.
- Київ+380960830922