Физические процессы в электроимпульсных системах генерации газоплазменных потоков и объемных газовых разрядов

Содержание
Введение..............................................................
Глава 1. Динамика импульсных потоков и ускорение микрочастиц в электротермических ускорителях с различной структурой разрядного узла и ствола..............................................................
1.1. Ускорение и нагрев микрочастиц порошковых материалов в газоплазменном потоке электротермического ускорителя...............
1.1.1. Физические модели динамики ускорения и нагрева микрочастиц газоплазменным потоком...............................
1.1.2. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в плазменной части потока..........................................
1.1.3. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в области ударно-сжатого газа потока.......................................
1.2. Методы формирования области ударно-сжатого газа для ускорения микрочастиц порошковых материалов..................................
1.2.1 Формирование области ударно-сжатого газа в электротермическом ускорителе с классической структурой разрядного узла..................................................
1.2.2. Метод пространственно-временного профилирования энерговыделения в разрядном узле электротермического ускорителя для управления процессами формирования потоков и ускорения микрочастиц......................................................
1.2.3. Формирование области ударно-сжатого газа в ускорителе с профилированной геометрией ствола................................
1.3. Динамика потоков и микрочастиц в пространстве между срезом ствола и подложкой.................................................
1.4. Особенности динамики ускорения и нагрева сгустка микрочастиц с конечной длиной области инжекции и неоднородным гранулометрическим составом порошкового материала..................
7
21
22
22
31
34
40
41
43
51
55
62
2
Глава 2. Экспериментальные макеты импульсных электротермических ускорителей............................................................66
2.1. Структура экспериментальных установок, конструктивное исполнение ускорительных узлов электротермических ускорителей......66
2.2. Цепи импульсного электропитания экспериментальных электротермических ускорителей.....................................74
2.3. Электрические и энергетические характеристики разрядных узлов экспериментальных электротермических ускорителей...................80
Глава 3. Экспериментальные исследования процессов формирования газоплазменных импульсных потоков и динамики ускорения микрочастиц в электротермическом ускорителе........................................87
3.1. Структура и кинетические характеристики высокоскоростных импульсных газоплазменных потоков в электротермическом ускорителе.........................................................87
3.1.1. Экспериментальное оборудование и измерительные методики.... 87
3.1.2. Визуализация структуры газоплазменных потоков электротермического ускорителя...............................91
3.1.3. Исследования динамических характеристик газоплазменных потоков электротермического ускорителя.......................96
3.2. Исследования динамики ускорения микрочастиц в
электротермическом ускорителе.......................................106
3.2.1. Методики визуализации ускоренных микрочастиц..............106
3.2.2. Исследования динамики ускорения микрочастиц порошковых материалов.....................................................107
3.3. Исследования температуры газоплазменных потоков в электротермическом ускорителе...................................1 1 1
Глава 4. Исследования электроэрозиоппых и абляционных процессов в разрядном узле электротермического ускорителя..........................115
4.1. Исследования электроэрозионных процессов в разрядном узле ускорителя.........................................................116
4.2. Исследования влияния структуры электродной системы разрядных узлов на динамические характеристики потоков.......................123
4.3. Динамика абляционных процессов диэлектрических стенок разрядного промежутка электротермического ускорителя...............126
4.3.1. Тепловое излучение аргоновой плазмы импульсного газоплазменного потока.........................................126
4.3.2. Теплопроводностная модель абляции диэлектрических стенок разрядного промежутка..........................................132
4.3.3. Анализ динамики абляционных процессов диэлектрических стенок разрядного промежутка...................................135
4.3.4. Экспериментальные исследования абляционного износа керамических втулок разрядного промежутка......................138
4.4. Использование микрочастиц теплового барьера для снижения абляционного износа стенок разрядного узла электротермического ускорителя...........................................................140
Глава 5. Экспериментальные исследования ресурсных характеристик и теплового режима работы разрядных узлов импульсного электротермического ускорителя для адаптации к промышленным условиям эксплуатации..................................................143
5.1. Ресурсные испытания разрядных узлов с различными схемами импульсного электропитания...........................................143
5.2. Возможности оптимизации геометрических размеров разрядного узла и конфигурации ствола с целью повышения эффективности установки............................................................148
5.3. Анализ тепловых процессов в элементах конструкции ускорителя 155
4
Глава 6. Экспериментальные исследования по электротермическому нанесению порошковых покрытий.........................................163
6.1. Оценка параметров системы питания электротермического ускорителя и исследование режимов нанесения покрытий..............163
6.2. Экспериментальное нанесение порошковых покрытий и исследования их свойств...........................................173
Глава 7. Определение оптимальных условий и экспериментальное оборудование для генерации низкотемпературной плазмы импульснопериодического диффузного разряда при атмосферных условиях............179
7.1. Анализ режимов генерации газовых диффузных разрядов для эффективной наработки активных продуктов плазмохимических реакций, оценка параметров систем импульсного электропитания 179
7.2. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов системы электропитания экспериментальных установок для исследований диффузных разрядов............................................... 192
7.3. Электродные системы, газоразрядные камеры и измерительное оборудование экспериментальных установок для исследований диффузных разрядов................................................199
Глава 8. Экспериментальные исследования импульсно-периодических диффузных разрядов в электродных системах с резко неоднородным распределением электрических полей....................................204
8.1. Исследования диффузных разрядов в воздушной среде при низком вакууме в условиях резко неоднородного распределения электрических полей...............................................................205
8.2. Генерация диффузных разрядов в условиях низкого вакуума при воздействии импульсов напряжения с фронтами длительностью
менее 10*8 с........................................................211
8.3. Исследования диффузных разрядов в резко неоднородных электрических полях при давлениях воздуха близких к атмосферному 218
Глава 9. Исследование импульсно-периодических диффузных разрядов атмосферного давления в электродных системах с плазменным катодом..225
9.1. Анализ распределения электрических полей в электродных системах для возбуждения поверхностного барьерного и диффузного газового разрядов.................................................225
9.2. Исследования импульсно-периодических диффузных разрядов и динамики наработки активных продуктов плазмохимических реакций в системе электродов с плазменным катодом при атмосферных условиях... 229
Заключение............................................................245
Список использованной литературы......................................249
6
Введение
Устройства мощной импульсной энергетики и электроники находят широкое применение в научных исследованиях, промышленности и медицине. Одним из таких применений является использование газоразрядной плазмы, генерируемой мощными импульсными разрядами при давлениях близких или равных атмосферному.
В качестве примера можно отметить использование высокоскоростных газоплазменных потоков, формируемых в разрядных узлах импульсных электротермических ускорителей, для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения высококачественных покрытий на поверхности различных деталей и изделий. По своим потенциальным возможностям нанесение покрытий с помощью электротермических ускорителей обладает рядом принципиальных преимуществ перед традиционными газотермическими методами, реализуемыми в плазмотронах, детонационных и HVOF (High Velocity Oxygen-Fuel) установках [1-23].
Электротермические ускорители позволяют по сравнению аналогами достичь существенно более высоких скоростей микрочастиц; осуществлять независимую регулировку скорости и температуры нагрева микрочастиц; наносить покрытия в контролируемой по составу и давлению среде, в том числе в атмосферных условиях, а также в среде инертных газов. Обладая относительно малыми габаритами, электротермические ускорители допускают широкую перестройку режимов работы и могут относительно просто адаптироваться к технологическим условиям нанесения покрытий, в них используется электрическая энергия, которая экологически чище и безопаснее горючих газов.
Высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку, реализуемые в установке, являются одним из наиболее важных факторов влияющих на качество покрытий: покрытия получаются более плотными, твердыми и однородными, имеют более низкую пористость, более высокую адгезию и когезию. В этой связи электротермические ускорители обладают потенциальными возможностями создавать покрытия со значениями адгезии свыше 100 МПа и пористости
7
- менее 1 %. Высокие скорости микрочастиц позволяют получать высококачественные покрытия при больших углах наклона напыления, а также снижают требования к предварительной обработке подложки, что расширяет диапазон применения такой технологии. Температуры ускоряющих потоков позволяют доводить до плавления практически любой порошковый материал.
Установка может использоваться для нанесения комплексных покрытий, можно создавать “слоеные” или комбинированные покрытия. Установка способна наносить покрытия из мелкодисперсных порошков (1 мкм и менее), которые в последнее время привлекают к себе повышенное внимание. Малые размеры пятен на подложке (1-2 мм), которые способна реализовать установка, позволяют создавать точечные покрытия, весьма актуальные в ряде приложений. Малые размеры ускорительного блока позволяют размещать его в робототехнических устройствах.
Отмеченные преимущества электротермического ускорителя, используемого в качестве установки для нанесения покрытий, дают возможность реализовать с его помощью покрытия с уникальными свойствами, недоступные другим способам.
Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце 1970-х годов [24-26]. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсотроны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами [27-29]. Установки характеризовались весьма большими разрядными токами, достигающими 400-600 кА [30-32], а также обладали низкой электрической эффективностью, что практически исключало их использование в частотном режиме. Появившиеся позднее разработки [33] продемонстрировали принципиальную возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.
Новые результаты в развитии работ по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получе-
8
ны в начале 1990-х годов [34-46]. Разработанные физические модели электротермического ускорителя позволили провести анализ динамики потоков, а также ускорения и нагрева микрочастиц [47-55]. Был исследован ряд параметров этих ускорителей, проведены эксперименты по нанесению покрытий.
Основным результатом данных работ явилась показанная возможность создания установки, основанной на ускорении микрочастиц в плазменном потоке, формируемом в электротермическом ускорителе. Вместе с тем выявленные недостатки метода ускорения в плазменном потоке, в частности, быс трый неконтролируемый нагрева микрочастиц вплоть до температуры испарения, определили необходимость выбора нового способа ускорения, который должен обеспечивать условия ускорения микрочастиц до высоких скоростей с сохранением контроля их теплового состояния. Подобная задача предполагает решение целого ряда проблем, связанных с исследованием структуры и измерением параметров формируемых потоков, исследованием динамики ускорения микрочастиц в стволе ускорителя и их распространения в пространстве между срезом ствола и подложкой. Решение данных проблем позволит приступить к проработке элементов прототипа промышленного образца установки.
Вместе с тем работа в промышленных условиях накладывает ряд серьезных требований, связанных с необходимостью бесперебойной работы установки в течение заданного цикла технологического процесса, увеличением срока службы её узлов, снижением энергетических затрат при её работе. Эти требования тесно связаны между собой. Так, например, снижение энергопотребления установки при условии сохранения эффективности ускорения микрочастиц порошковых материалов приводит не только к удешевлению её эксплуатации, но и к уменьшению эрозионных, абляционных и тепловых нагрузок на элементы разрядного узла, ускорительного тракта и других элементов конструкции.
Центральным узлом установки, в значительной степени определяющим сё работу, является разрядный узел, который может содержать один или несколько разрядных промежутков. Именно здесь посредством импульсного электрического разряда выделяется запасенная в первичных накопителях энергия. В
этой связи представляется весьма важным определение таких геометрических конфигураций и размеров элементов разрядных узлов, которые минимизируют последствия мощного импульсно-периодического энерговыделения в их объеме. Кроме этого необходим детальный анализ тепловых процессов в элементах конструкции установки в условиях частотного режима работы.
Следует отметить, что результаты работ, полученные в МИФИ по ускорению микрочастиц в импульсном газоплазменном потоке, были использованы при разработке установки по нанесению покрытий на основе рельсотронного электродинамического ускорителя [56]. Среди работ, посвященных данной проблеме, можно также отметить результаты исследований по ускорению больших масс порошковых материалов (единицы грамм) в импульсных электротермических ускорителях [57].
В качестве еще одной области использования газоразрядной плазмы, генерируемой в мощных импульсных разрядах, можно выделить возможность создания на ее основе эффективных методов стерилизации объектов различного назначения, обеззараживания загрязненной среды, очистки индустриальных выбросов и выхлопных газов и т.д. [58-82].
В настоящее время широкий спектр инструментов и материалов медицинского назначения, изделий микроэлектроники, искусственные экосистемы (космические станции, замкнутые биотехнические системы длительного функционирования) остро нуждаются в надёжных и эффективных методах стерилизационной обработки и обеззараживания. Как показывают исследования, наиболее перспективной в этом смысле является возможность использования неравновесной низкотемпературной воздушной плазмы при давлениях, близких или равных атмосферному. Это связано с тем, что в отличие от традиционно используемых методов стерилизации (обработка сухим горячим воздухом, перегретым паром высокого давления, химически активными вещес твами) технологии на основе низкотемпературной воздушной плазмы обладают принципиальными преимуществами.
10
Особо следует отметить низкую температуру обработки изделий, реализуемые с помощью методов плазменной стерилизации и обеззараживания, что дает возможность обрабатывать различные термочувствительные материалы. Большинство активных продуктов плазмохимических реакций довольно быстро разлагается, практически не оставляя опасных побочных продуктов реакций, в случае же необходимости может быть организована циркуляция активной газовой среды по замкнутому контуру. В отличие от стерилизующих устройств на основе ускорителей заряженных частиц плазменные стерилизационные установки не являются источниками радиационной опасности, не требуют специальных помещений и высококвалифицированного обслуживающего персонала. Их отличает экологическая безопасность, низкое энергопотребление и малая стоимость.
Плазма газового разряда содержит широкий спектр агентов стерилизации: заряженные частицы, высоковозбужденные нейтралы, активные продукты плазмохимических реакций, ультрафиолетовое и, в ряде режимов, рентгеновское излучения. Этим определяется высокая эффективность плазменной стерилизации и малое время, требуемое для обработки изделий.
В последние годы происходит бурное внедрение методов наработки активных продуктов плазмохимических реакций газоразрядной плазмы в различных медицинских приложениях. Недавно возник и прочно вошел в практику термин «плазменная медицина». Изучаются возможности использования газовых разрядов различных типов, таких как тлеющий, барьерный, скользящий, коронный и дуговой разряды [58-72]. Особое место занимают работы, в которых исследуется неравновесная плазма тлеющего разряда атмосферного давления [73-80]. К настоящему времени создан целый ряд плазменных установок, используемых в экспериментах по стерилизации, для генерации озона, с целью обработки промышленных выбросов и т.д. Эксплуатация этих установок подтверждает их высокую эффективность при решении поставленных задач.
Каждому из типов разрядов характерны специфические особенности их зажигания и условия наработки различных плазменных компонент, опреде-
11
ляющие, в конечном счете, возможности практического применения. В коронных разрядах активные плазменные процессы локализованы в области горения разряда с малым эффективным объемом, в результате чего скорости наработки плазменных компонент оказываются достаточно низкими для многих приложений. Дуговые разряды обладают большой плотностью энергии и относительно высокими температурами, что может приводить к повреждению обрабатываемых объектов. К недостаткам поверхностных (скользящих) разрядов относятся локализация активных плазменных процессов в тонком приповерхностном слое и относительно высокая поверхностная температура. Основная доля излучения разряда лежит в коротковолновом спектральном диапазоне, в котором эффективность фотодиссоциации молекул в объеме окружающего газа невелика.
Широкое распространение получили установки, использующие объемный барьерный разряд атмосферного давления. Эксперименты показывают, что этот тип разряда чувствителен к качественному составу и влажности газовой среды, поэтому для получения стабильных характеристик зачастую требуется предварительная подготовка газа, а в ряде случаев используются относительно дорогие смеси на основе гелия. Подобные ограничения характерны тлеющему разряду атмосферного давления, для устойчивого зажигания которого необходимо принятие мер для контроля состояния исходной газовой смеси, а также стабилизация параметров системы электропитания.
В этой связи особую актуальность приобретают исследования по генерации низкотемпературной плазмы объемных диффузных разрядов в воздушных атмосферных условиях. При возбуждении разряда на атмосферном воздухе снимается необходимость применения каких-либо средств откачки, что способствует упрощению конструкции установок и снижению их стоимости.
Совместно с РФЯЦ ВНИИЭФ в НИЯУ МИФИ на кафедре «Электротехника» на протяжении последних нескольких лет были развернуты исследования по данной проблеме. Полученные результаты указывают на высокую эффективность наработки агентов стерилизации благодаря объемному характеру плазменных процессов в диффузном разряде. Проведены успешные экспери-
12
менты по деструкции плазмой импульсно-периодического диффузного атмосферного разряда органических загрязнителей воздуха, в том числе таких стойких как четыреххлористый углерод и бензол, а также эксперименты по инактивации микробиологических культур.
Для эффективной наработки агентов стерилизации в диффузном разряде требуется оптимизация параметров генератора, таких как амплитуда импульсов напряжения, их длительность, длительность фронтов, частота следования импульсов. Несмотря на многочисленные попытки использования низкотемпературной газоразрядной плазмы для различных технологических целей, обоснованного анализа для выбора параметров системы импульсного электропитания разряда не проводилось. В этой связи представляется весьма актуальным проведение подобного анализа. Для разработки экспериментальных образцов стерилизаторов с целью их практического применения необходимо провести широкий круг исследований, в том числе по созданию систем импульсного электропитания с заданными параметрами, выбору и оптимизации электродных систем, условиям возбуждения импульсно-периодического диффузного разряда, определению его структуры и характеристик.
Цели диссертации.
К основным целям работы относятся теоретические и экспериментальные исследования физических процессов формирования и распространения высокоскоростных газоплазменных потоков в электротермических ускорителях для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целыо нанесения покрытий на поверхности изделий, а также исследованию процессов генерации низкотемпературной плазмы импульсно-периодического диффузного разряда атмосферного давления для создания эффективной технологии стерилизационной обработки и обеззараживания различных объектов.
Научная новизна:
1. Впервые показано, что ускорение микрочастиц порошковых материалов до высоких скоростей при сохранении жесткого контроля режима их нагрева
13
может быть проведено в области ударно-сжатого газа импульсного газоплазменного потока электротермического ускорителя.
2. Предложены новые способы формирования области ударно-сжатого газа на основе пространственно-временного профилирования ударной волны с использованием мультиразрядных схем разрядного узла электротермического ускорителя, а также с использованием профилированной геометрии ствола.
3. Получены новые данные о влиянии газодинамических процессов за срезом ствола электротермического ускорителя на скорость и температуру микрочастиц. Определены условия оптимизации расстояния от среза ствола до подложки, позволяющие избежать потери скорости микрочастиц и сохранить их тепловое состояние.
4. Впервые проведены расчеты и экспериментальные исследования динамического расслоения сгустка микрочастиц в электротермическом ускорителе, связанного с неоднородным гранулометрическим составом порошкового материала и конечными размерами области инжекции. Определены предельные значения массы навески инжектированного порошкового материала, при превышении которых происходят снижение скорости и деформации фронта ударной волны.
5. Разработаны физические модели процессов абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка под действием теплового излучения плазмы разряда в электротермическом ускорителе. Теоретически и экспериментально показано, что аблирующие слои проникают вглубь керамических изоляторов на глубину, не превышающую 1 мкм, а сам износ для рассматриваемых уровней запасенной энергии (~1 кДж) составляет около 1 мг/имп.
6. Впервые показано, что ресурс и энергетическая эффективность электротермического ускорителя могут быть значительно повышены при оптимизации геометрии разрядного узла, наилучшими ресурсными характеристиками обладает двухразрядная схема ускорителя с внешним ключевым элементом. Для снижения абляционного износа диэлектрических втулок предложено использо-
14
вать эффект теплового барьера, реализуемого путем инжекции в разрядный промежуток порции микрочастиц порошкового материала.
7. На основании физического моделирования плазмохимических процессов выработаны основные требования к параметрам систем импульсного электропитания диффузного разряда в воздушной среде атмосферного давления для эффективной наработки плазменных агентов стерилизации. Предельная величина напряженности электрического поля составляет 40-45 кВ/см при длительности импульсов 30-50 не. Однородность пространственной структуры разряда повышается при воздействии импульсов напряжения с короткими фронтами (/ф<10'8с).
8. Экспериментально определены условия генерации диффузных разрядов в электродных системах с резко неоднородным распределением электрических полей в диапазоне давлений воздуха от 10 до 760 Topp. Показано, что комбинированная система электропитания разряда на основе источников постоянного и импульсного напряжения способствует увеличению энергии разряда и улучшению равномерности его объемной структуры.
9. Проведены исследования диффузных объемных разрядов в воздухе атмосферного давления при использовании электродных систем с плазменным катодом, в которых синхронно возбуждаются два типа разрядов: диэлектрический барьерный разряд в решетчатом электроде на диэлектрической поверхности и диффузный разряд с объемной структурой. Экспериментально показана высокая эффективность наработки активных продуктов плазмохимических реакций в режиме объемного горения диффузных разрядов.
Практическая ценность.
Полученные в работе результаты позволяют создать на основе импульсного электротермического ускорителя прототип промышленной установки по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая по своим потенциальным возможностям обладает существенными преимуществами перед аналогами - установками газотермического напыления. Использование разрядных узлов с
15
мультиразрядной структурой и профилированной геометрией ствола позволяет осуществлять практически независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном их размеров и плотностей порошкового материала до высоких значений скоростей. Электротермический ускоритель допускает проведение перестройки режимов его работы и может адаптироваться к различным технологическим и производственным процессам. Все это позволяет создавать условия для напыления покрытий с уникальными характеристиками.
Результаты исследований режимов генерации и характеристик импульснопериодических диффузных разрядов, возбуждаемых в воздухе при атмосферных условиях, позволяют создать новые технологии стерилизации и обеззараживания с высокой эффективностью и малым временем обработки объектов. Стерилизационные плазменные установки на этой основе обладают высоким потенциалом для их внедрения в медицинских учреждениях, замкнутых биотехнических системах длительного функционирования и т.д. Эффективность плазменных стерилизаторов обусловлена широким спектром агентов стерилизации. Низкотемпературный характер плазмы разряда позволяет стерилизовать термочувствительные материалы, которые широко используются в различных областях науки и техники.
Основные результаты диссертационной работы используются в исследованиях, направленных на разработку, создание и практическое применение импульсных электрофизических установок и их элементов, которые проводятся в ФГУП ВНИИА (г. Москва), ФГУП ГНЦ РФ ТРИНИТИ (г. Троицк), ФГУП ВЭИ (г. Москва). Представленные в работе импульсные электротермические ускорители, а также результаты моделирования динамики газоплазменных потоков и ускорения микрочастиц порошковых материалов в электротермических ускорителях используются при проведении научно-исследовательских работ в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на факультете «Автоматика и электроника» Национального Исследовательского Ядерного Университета «МИФИ».
16
Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись в рамках федеральных целевых программ “Интеграция”, “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России’', аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы". Часть работ была поддержана Российским Фондом Фундаментальных исследований (гранты 99-01-00315, 01-01-00533, 03-01-00707, 04-01-08004, 05-01-08111, 06-08-00593), а также Международным Научно-Техническим Центром (проекты 470-96, 3131-06).
На защиту выносится
1. Способ ускорения микрочастиц порошковых материалов областью ударносжатого газа, формируемой в головной части импульсного газоплазменного потока в электротермическом ускорителе.
2. Результаты анализа ускорения и нагрева микрочастиц в плазменной и ударно-сжатой областях импульсных потоков в аргоновой и воздушной средах.
3. Результаты физического моделирования динамики потоков и микрочастиц, анализа способов формирования области ударно-сжатого газа.
4. Результаты экспериментальных исследований структуры и характеристик газоплазменных потоков, динамики ускорения микрочастиц в электротермических ускорителях с различной конфигурацией разрядных узлов и геометрией каналов ускорения.
5. Результаты исследований эрозионных и абляционных процессов в разрядных узлах, теплового режима их работы, оптимизации геометрии разрядных узлов для повышения эффективности и ресурса электротермического ускорителя.
6. Результаты физического моделирования динамики компонентного состава газоразрядной плазмы и наработки продуктов плазмохимических процессов диффузного разряда.
7. Результаты экспериментальных исследований процессов генерации и характеристик диффузных разрядов в электродных системах с резко неоднородным распределением электрических полей в условиях низкого вакуума (разреженной газовой среде) и при атмосферном давлении.
17
8. Результаты исследований импульсно-периодических диффузных разрядов и динамики наработки активных продуктов плазмохимических реакций в электродных системах с плазменным катодом в воздушной среде при атмосферных условиях.
По мнению автора, эти положения можно квалифицировать, как решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, по исследованию физических процессов в электроимпульсных системах генерации газоплазменных потоков и объемных газовых разрядов для технологических применений.
Достоверность научных результатов подтверждается всесторонним анализом теоретических допущений, использованных при создании физических моделей, сравнением результатов моделирования и экспериментальных измерений параметров исследуемых явлений, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик, апробацией предложенных методов и методик при решении прак тических задач.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях:
- 6-th European Symposium on electromagnetic launch technology. Hague, Netherlands, May 1997;
- 9-th Electromagnetic Launch Symposium. Edinburgh, Scotland, UK, May 1998;
- 10-th Electromagnetic Launch Symposium San Francisco, USA, May 2000;
- 11-th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Saint Louis, France, May 2002;
- 12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Snowbird, Utah, USA, May 2004;
- 13-th Electromagnetic Launch Symposium EML-06. Potsdam, Germany, May 2006;
18
- 11-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-97), Baltimore, Maryland, June 1997;
- 12-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-99). Monterey, California USA. June 1999;
- 14-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2003), Dallas, Texas, USA, June 2003;
- 15-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2005), Monterey, California, June 2005;
- 16-th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2007), Albuquerque, New Mexico, June 2007;
- 1-st Euro-Asian Pulsed Power Conference (EAPPC’06), Chengdu, China, September 2006;
- 26-th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS99). June 1999 Monterey California USA;
- 6-th International Conference on the Science of Hard Materials (ICSHM-6), Lanza-
rote, Spain, March 1998;
- 1-st International Symposium on Nonthermal Medical/Biological Treatments Using Electromagnetic Fields and Ionized Gases (ElectroMed99), Norfolk, VA, April 1999;
- XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информа-
ции систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2002)», Судак, Украина, Май 2002 г.;
- XV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2003)», Судак, Украина, Май 2003 г.;
- XVI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информа-
ции систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2004)», Судак, Украина, Май 2004 г.;
- XIX Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Украина, сентябрь 2005г.;
19
- Международная конференция «Профилактика, диагностика и лечение инфек-
ционных болезней, общих для людей и животных». Ульяновск, Россия, 2006г.;
- Научные конференции МИФИ. Москва, Россия, 1998-2009 г.г.
Публикации.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 32 работах, в том числе в 11 статьях в рецензируемых журналах, по тематике работы получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 216 источников.
Общий объем работы - 266 страниц, из них 224 страниц основного текста, 171 рисунок, 8 таблиц.
20
Глава 1. Динамика импульсных потоков и ускорение микрочастиц в электротермических ускорителях с различной структурой разрядного узла
и ствола
Высокоскоростной газоплазменный поток, формируемый в стволе электротермического ускорителя в результате импульсного сильноточного разряда, может использоваться для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью напыления покрытий. Способ напыления покрытий с помощью электротермического ускорителя обладает рядом потенциальных преимуществ перед другими газотермическими способами. Для реализации этих преимуществ предложен метод ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа, следующей за головной ударной волной. Данная область обладает относительно низкой температурой по сравнению с плазменной частью потока, что позволяет контролировать температуру нагрева микрочастиц и не допускать их перегрева.
Рис.1. Структура импульсного электротермического ускорителя: 1 - разрядный промежуток; 2 - газоплазменный поток; 3 - дозатор порошковых материалов; 4 - покрытие; 5 - емкостные накопители энергии
Необходимые параметры области ударно-сжатого газа (плотность, температура и пространственная протяженность) могут быть обеспечены соответствующим выбором параметров системы импульсного электропитания, конфигурации разрядного узла и геометрии ствола ускорителя. Для расширения функциональных возможностей ускорителя его разрядный узел строится по мульти-разрядной схеме, содержащей несколько разнесенных в пространстве разряд-
21
ных промежутков. Канал ствола специальным образом профилируется для возбуждения газодинамических процессов, приводящих к увеличению объема вовлекаемого в движение газа. Пространственно-временное профилирование ударно-волновых течений позволяет сформировать область ударно-сжатог о газа, обеспечивающую эффективное ускорение микрочастиц.
На рис.1 представлена обобщенная структура импульсного электротермического ускорителя для напыления покрытий с двумя разрядными промежутками, разнесенными вдоль ствола, и системой импульсного электропитания на основе емкостных накопителей энергии С| иС2.
Анализ процессов формирования высокоскоростных газоплазменных потоков в стволе электротермического ускорителя и динамики ускорения микрочастиц проводился с использованием разработанных в МИФИ физических моделей [34, 83-85].
1.1. Ускорение и нагрев микрочастиц порошковых материалов в газоплазменном потоке электротермического ускорителя
1.1.1. Физические модели динамики ускорения и нагрева микрочастиц
газоплазменным потоком
В процессе развития сильноточного разряда генерируется ударная волна, распространяющаяся но стволу и вовлекающая в движение находящийся в нем газ, вслед за которым следует поток плазмы, образованный в результате истечения газа из разрядного промежутка и нагретый током импульсног о разряда. В него включаются также продукты абляции диэлектрика разрядного промежутка и эрозии электродов. Плазменную часть потока можно считать квазистацио-иарной, подразумевая под этим достаточно медленное изменение ее плотности, давления и температуры вдоль продольной координаты канала ускорения по сравнению с характерными временами процессов.
22
Область Область распространения
энерговыделения потоков и ускорения
микрочастиц
Рис.2. Геометрическая структура модели электротермического ускорителя с одной областью энерговыделения (разрядный промежуток).
На рис.2 представлена геометрическая структура модели электротермического ускорителя с одним разрядным промежутком [83, 84]. Внутренний объем ускорителя содержит две разделенные в пространстве области: область энерго-выделения (разрядный промежуток) 0 <х < /р; область распространения потоков и ускорения микрочастиц д:>/р (ствол). Система уравнении, описывающая процессы в разрядном промежутке и стволе ускорителя, имеет следующий вид:
др) __ 2 <7,7* д/у г у + ё'
а
2
ор
б/ дх
д()
где
дЕ д б/ дх
+ --[(£ + Р)о] =
0 <хй1
а
“ Оош»
Х>/
Е — е +
ри
(1-1)
= ч %
Здесь р, о, Р9 Т— плотность, скорость, давление и температура плазмы, е
- удельная внутренняя энергия плазмы, Е{ - сила турбулентного трения,у = //5 (/
- разрядный ток через плазму, 6” - площадь поперечного сечения разрядной области), а, - константа Стефана Больцмана, <г - внутренняя энергия аблирующе-
го материала, у - энтальпия материала стенок канала ускорения,
Ф
к
- измене-
иие массы газа в разрядном промежутке за счет абляции материала стенок [83], г - радиус разрядной области и ствола ускорителя, <2<>и1 — энергия излучения плазмы, уходящая в стенки разрядного промежутка и ствола ускорителя. Уравнение состояния Р = Р(р,Т), значения внутренней энергии е(р,Т), проводимости о(р,Т), теплопроводности %(р,Т)9 и вязкости плазмы брались из термоди-
намических таблиц, полученных в [86] для многокомпонентной воздушной плазмы.
Сила турбулентного трения , приведенная к единице объема, вычислялась согласно аппроксимациям экспериментальных данных для труб круглого сечения, представленных в работах [87-89]:
где (1Ь - диаметр канала, Cf (И.е) - коэффициент турбулентного трения, зависящий от числа Рейнольдса И-с = \х1ь ц.
Сила, действующая на одну микрочастицу порошка со стороны потока, записывается как
(із)
где ар — диаметр микрочастицы, ир — ее скорость, ^(Кс) — коэффициент сопротивления микрочастицы [87] (в данном случае 11е = |и- ър<4р/т\).
Уравнение теплообмена между потоком плазмы и микрочастицей порошка можно записать в следующем виде [33]:
где Тр, пгр,8г —температура, масса и площадь поверхности микрочастиц, ср—
теплоемкость материала микрочастиц, с/ — тепловой поток через поверхность газ-микрочастица.
Система уравнений замыкается уравнениями движения микрочастиц и уравнениями Кирхгофа для разрядного контура системы электропитания ускорителя. Разрядный контур содержит емкостной накопитель энергии, эквивалентное сопротивление разрядного промежутка, паразитные сопротивление и индуктивность цепи, кроме этого предусмотрена возможность моделирования срабатывания управляемого ключевого элемента (коммутатора). Разработанные численные модели дают возможность рассмотрения нескольких областей энер-говыдсления, причем области могут накладываться друг на друга, а также быть
(1.2)
(1.4)
24