2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................5
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ЭМИТИРУЮЩИЙ КАТОД - ПРИКАТОДНАЯ ПЛАЗМА» 10
1.1. Описание экспериментальной установки: «плазматрон с
расширяющимся каналом».............................................10
1.2. Система спектрального анализа на базе дифракционного спектрографа ДФС - 452 и системы МОАС - 2..........................16
1.3. Система спектрального анализа на базе дифракционного спектрографа ДФС-452 и системы АпсЗог..............................19
1.3.1. Аппаратная функция матричной системы (теоретическое введение)................................................21
1.3.2. Оценки величин уширсния линий источника для анализа аппаратной функции.......................................23
1.3.3. Анализ экспериментальных данных по изучению аппаратной функции системы...............................................24
1.4. Определение абсолютной спектральной интенсивности излучения плазмы.............................................................27
1.5. Проверка линейности характеристик регистрирующей аппаратуры.........................................................30
1.6. Система визуализации процессов на базе высокоскоростной цветной камеры УЭ-БАБТ (ВидеоСпринт)...............................35
2. РЕЗУЛЬТАТЫ СКОРОСТНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ (СВ) ПРИКАТОДНОЙ ОБЛАСТИ СИЛЬНОТОЧНЫХ ДУГ...............................38
2.1. Наблюдаемые явления и процессы на поверхности - катода в сильноточной дуге..................................................39
2.2. Ресурсные испытания катодов..............................73
2.2.1. Визуализация при ресурсных
испытаниях....................................................73
3
2.2.2. Программа определения расхода материала катода по раскадровкам ресурсных испытаний и её результаты..............78
2.2.3. Жидкофазные образования на катоде......................81
2.3. Полный ток дуги и плотность тока на катоде....................84
2.3.1. Процессы переноса заряда...............................84
2.3.1.1. Полный ток, идущий через поверхность катода.......84
2.3.1.2. Ток ионов.........................................86
2.3.1.3. Ток обратных электронов, идущих из плазмы на поверхность катода...........................................87
2.3.1.4. Эмиссия электронов с поверхности катода в результате воздействия высоких температур и электрического поля.......89
2.3.1.5. Экспериментальные значения плотности тока........91
2.4. Выводы ко второй главе........................................93
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИК АТ ОДНОЙ ПЛАЗМЫ МЕТОДАМИ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ............................................95
3.1. Результаты спектральных исследований с использованием ПЗС линеек..................................................................95
3.2. Матричная спектроскопия - средство для определения локальных параметров неоднородной плазмы без модельных допущений.................101
3.2.1. Алгоритм анализа матричных спектров....................101
3.2.2. Процедура обработки данных и критерии выбора спектральных диапазонов с целью получения локальных контуров линий для измерения локальных концентраций электронов..............105
3.2.3. Адаптация программы ЗресМСЭЛОО к задаче нахождения локальных контуров спектральных линий........................110
3.2.4. Описание методики измерения концентрации пе(г) и температуры Те(г) электронов по восстановленным локальным контурам линий N1 и N11...............................................114
3.2.4.1. Анализ экспериментальных зависимостей п{*(г).....122
4
3.2.4.2. Временные и пространственные масштабы установления параметров плазмы...........................124
3.2.4.3. Заключительные замечания......................126
3.3. О наблюдении линий WI и WII в прикатодных областях плазмы.............................................................128
3.3.1. Равновесный состав плазмы аргона и азота с примесью
вольфрама.....................................................132
3.3.2. Расчет доли вольфрама в прикатодной плазме..........135
3.4. Выводы к третьей главе...................................139
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СКОРОСТНОЙ ВИДЕОКАМЕРЫ В КАЧЕСТВЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МИКРОПИРОМЕТРА.....................................................141
4.1. Методические основы микропирометрии с помощью высокоскоростной цветной камеры VS - FAST («ВидеоСпринт»)..........141
4.2. Апробирование высокоскоростной камеры «ВидеоСпринт» в нестационарном тсплофизическом эксперименте........................146
4.2.1. Вводные замечания...................................146
4.2.2. Условия эксперимента и его результаты...............147
4.3. Исследование температурных распределений на поверхности катода.............................................................155
4.3.1. Особенности исследования полей температур катода 155
4.3.2. Температурные распределения на поверхности вольфрамового катода.....................................160
4.3.3. Оценка погрешности определения температуры поверхности
катода........................................................167
4.4 Выводы к четвёртой главе.................................168
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................... 169
ЛИТЕРАТУРА........................................................171
5
ВВЕДЕНИЕ.
В настоящее время плазматроны различных типов находят широкое научно-техническое и промышленное применение. Например, как источники низкотемпературной плазмы их используют в металлургии, при плазменном упрочнении поверхностей металлов, в процессах плазменного напыления материалов и получения мелкодисперсных порошков, для резки металлов и др. [1-10]. В плазмохимии для создания необходимых условий протекания химических реакций используются плазмохимические камеры с одним и более источниками плазмы [11-13]. В связи с широким применением плазматронов широк и диапазон предъявляемых к ним требований. В некоторых случаях необходим большой энерговклад - до сотен киловатт и больше, или длительная работа на умеренных токах порядка сотен ампер.
I
Длительная работа плазматрона напрямую связана с ресурсом работы отдельных его элементов [14-22].
Одним из ресурсоёмких элементов конструкции является термоэмиссионный катод, основным его преимуществом является возможность получения при определенных условиях рекордно малых величин удельной эрозии материала катода (10'12 - 10"13 кг/Кл).
Работа направлена на изучение процессов, происходящих на поверхности вольфрамового катода, и основных механизмов уноса материала катода в сильноточной азотной и аргоновой дугах, а также выработка по результатам исследований рекомендаций по увеличению ресурса вольфрамового катода в сильноточных дугах.
Другим существенным вопросом является вопрос о параметрах плазмы, достигаемых в плазматронах. В настоящей работе развиваются методы экспериментального исследования параметров плазмы прикатодной области сильноточного дугового разряда в плазматроне с использованием 20 -спектроскопии. Демонстрируются результаты прямого измерения локальных значений пе и Те сильноионизованной азотной плазмы.
6
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование области взаимодействия «эмитирующий катод - сильноионизованная движущаяся прикатодная плазма». Именно эта область интересна для исследования параметров плазмы, так как она определяет полную и удельную электрическую мощность, степень и эффективность нагрева плазмы, ресурс работы плазматрона [23]. На основе технологического плазматрона ОИВТ РАН [24] была создана группа исследовательских плазматронов с секционированным и сплошным каналами выходного электрода, с оптическими окнами для наблюдения катода и прикатодной плазмы и области горения дуги.
В качестве основных диагностических средств исследования применялись высокоскоростные цветные и монохроматические видеокамеры, а также система спектральных измерений, в состав которой вошли дифракционный спектрограф ДФС - 452 и фотоприёмные устройства двух типов: ПЗС линейки или охлаждаемая ПЗС матрица.
В представленной работе решаются следующие задачи:
• разработка системы оптических и спектральных исследований области взаимодействия «кагод-прикатодная плазма» в сильноточной электрической дуге в составе высокоскоростных видеокамер и дифракционного спектрографа с ПЗС матрицей;
• выполнение скоростной визуализации поверхности вольфрамового термоэмиссионного катода и прилегающей к нему плазмы аргона и
л
азота с плотностями тока 10-50 кА/см ;
• получение результатов по величине эрозии катода и исследование её механизмов в ходе ресурсных испытаний катода из спечённого вольфрама;
• развитие методических основ использования высокоскоростной камеры в качестве микропирометра с высоким пространственным и временным разрешением;
7
• разработка методов 2D — спектроскопии плазмы с использованием восстановленных из поперечных наблюдений локальных контуров спектральных линий;
• разработка методики и получение результатов прямого измерения локальных значений пе и Тс сильноионизованной азотной плазмы, основанного на получении локальных контуров спектральных линий N1 и N11 в результате абелевских преобразований 2D спектров при их ПЗС регистрации;
• развитие новых возможностей использования высокоскоростных видеокамер применительно к нестационарному эксперименту по омическому и лазерному нагреву образцов с целью определения их теплофизических свойств.
Работа, собственно, и посвящена решению этих задач применительно к названным плазменным и теплофизическим объектам, представляющим общенаучный и (или) практический интерес, и состоит из введения, четырёх глав, заключения.
I
В первой главе даётся описание исследуемого плазматрона, автоматизированной системы регистрации спектров и системы скоростной визуализации плазменного шнура. Приводятся калибровочные характеристики для системы спектроскопических ПЗС линеек, способы калибровки и эталонирования спектроскопической матрицы. Предложен метод абсолютной калибровки получаемых спектров с помощью ленточной вольфрамовой лампы с известной истинной температурой, основанный на применении дискретного набора экранов для моделирования геометрии сложного смотрового отверстия в сопле плазматрона. Рассматривается вопрос о пространственном разрешении и временных характеристиках высокоскоростной камеры, применяемой для наблюдения за поверхностью катода.
Во второй главе рассматриваются основные процессы, наблюдаемые на поверхности работающего термоэмиссионного катода. С помощью средств
8
высокоскоростной диагностики, а именно высокоскоростной цветной камеры УЭ-БАЗТ (ВидеоСпринт) с кадровой частотой 3500 кадров/с, временным разрешением одного кадра 2 мкс и пространственным разрешением не хуже 30 мкм, были проведены серии ресурсных испытаний катода, выполненного из нескольких модификаций спеченного вольфрама.
Основные результаты высокоскоростной визуализации позволили систематизировать основные явления и процессы, наблюдаемые на поверхности вольфрамового катода.
Наблюдение за поверхностью катода во время ресурсных испытаний позволило оценить как скорость эрозии материала катода, так и её изменение в процессе ресурсных двухчасовых испытаний.
Глава завершается приведением оценки величины напряжённости электрического поля в плазме на кончике вольфрамового катода, токов термоэлектронной эмиссии с учётом эффекта Шоттки.
В третьей главе представлены результаты спектроскопии прикатодной плазмы с использованием ПЗС линеек и матриц.
Результатом исследования прикатодной плазмы с использованием ПЗС линеек являются полученные распределения концентрации электронов на оси плазменного шнура вдоль продольной координаты пе (г=0^), и распределение температуры электронов Те (г= 0,г) по продольной координате, для различных рабочих токов плазматрона.
Исследование прикатодной плазмы с помощью ПЗС матрицы позволило, не используя Саха - больцмановское приближение, получать локальные параметры неоднородной плазмы.
Представляются результаты разработки программного комплекса, позволяющего производить не только отождествление исследуемого спектра с базой табличных данных о спектральных линиях [25,26], но и для выбранной группы линий производить их абелевское преобразование для получения из хордового распределения интенсивности линии радиальное
9
распределение её интенсивности. Разработанный алгоритм также может применяться для построения преобразования Абеля для континуума.
В четвёртой главе приводятся алгоритм и методика превращения высокоскоростной камеры в высокоскоростной микропирометр с хорошим пространственным и временным разрешением. Приводятся основные допущения и математический аппарат для разработанного программного преобразования картин светимости поверхности вольфрамового катода, получаемых с помощью высокоскоростной камеры VS - FAST, в картины полей истинной или яркостной температуры. В основе метода - сравнение спектральных интенсивностей излучения поверхности вольфрамового катода и эталонного источника с известной истинной температурой.
10
1. Экспериментальный комплекс для исследования системы «эмитирующий катод — ирикатодная плазма»
1.1. Описание плазматрона с расширяющимся анодным каналом.
Плазматрон с расширяющимся анодным каналом и вихревой стабилизацией дуги постоянного тока [24] создает при токе 200-500 А сильноионизованную плазму азота с осевыми значениями температуры 25-35 кК. Соответствующие температуры в аргоновой дуге ниже на -2000-
Плазматроны данного типа отличаются способностью генерации высокоэнтальпийных плазменных потоков с большими расходами рабочего газа, при незначительной длине дуги (20 - 30 мм) и высоком коэффициенте полезного действия. В нашем случае расход рабочего газа менялся в пределах 1+3 г/с, согласно исследованию [27] ламинарный режим течения плазмы в пркатодной области, обеспечивающий наилучшие условия для скоростной визуализации прикатодной области дуги, обеспечивается в диапазонах расходов газа 1+2 г/с. При большем расходе газа наблюдается турбулизация течения [28]. Исследовался главным образом плазматрон с односекционным расширяющимся анодом.
Основными частями плазматрона являются катод, состоящий из вольфрамового наконечника и медной обоймы, медная межэлектродная вставка, выполняющая функцию сопла, и медный анод.
Катод, выполненный из лантанированного вольфрамового прутка диаметром 3-8 мм, запрессованного и впаянного в массивную медную водоохлаждаемую обойму, заканчивается конусом с углом при вершине 80-90° (рис. 1.1.1)
5000 К
Рис. 1.1.1. Катод
и
Наблюдение за областью взаимодействия «приэлектродная плазма -вольфрамовый катод» осуществлялось через отверстия в сопле плазматрона Два смотровых отверстия в сопле имели форму эллипса с осями 2.5 и 1.5 мм, при этом большая ось была ориентирована вдоль продольной оси Ъ плазматрона (см. рис. 1.1.2) с диаметром «горла» сопла 4 мм. Для обеспечения необходимой герметичности плазматрона, отверстия для наблюдений закрыты кварцевыми окнами. Во избежание попадания материала эрозии катода на окно, предусмотрен слабый поддув рабочего газа в смотровые отверстия.
Рис. 1.1.2. Схематический разрез сопла плазматрона
Анод выполнен в виде расширяющегося конического канала. Он водоохлаждаемый, имеет впаянные трубки подвода и отвода воды и токоподвод. Катодный узел помещен в корпус и изолирован от межэлектродной вставки. Корпус имеет каналы для подвода и отвода воды и подачи газа.
12
Поскольку в технологических устройствах особое значение имеют ресурс работы плазматрона и химическая чистота используемой плазмы, плазматрон для описываемого цикла исследований был выполнен со сплошным медным охлаждаемым анодом. Фотография и схематический разрез плазматрона представлены на рис. 1.1.3.
Рис. 1.1.3. Фотография и схематическое изображение плазматрона:
1 - вольфрамовый катод; 2 - Сопло со смотровыми отвсрстиями;3 - водоохлаждаемый анод
Зажигание дуги производится в два этапа: вначале с помощью осциллятора зажигается дуга между катодом и соплом, затем дуга растягивается вдуваемым газом до анода и зажигается основная дуга. После чего осциллятор отключается.
;у
13
Отработавшие газы поступают в охлаждаемый коллектор, после чего удаляются в атмосферу.
Одной из важнейших характеристик разряда в плазматроне является вольтамперная характеристика (ВАХ) разряда. Особенности схемы плазматрона определяют и характер его ВАХ [29,30].
Падающий характер ВАХ для плазматрона с продольным потоком газа и самоустанавливающейся длиной дуги влечет за собой жесткие требования к источнику электрического питания для обеспечения стабильного горения дуги. К тому же, в случае падения напряжения дуги с увеличением тока мощность дуги увеличивается гораздо медленнее, чем ток, в то время как ресурс плазматрона во многом определяется величиной тока. Все это говорит в пользу возрастающей вольтамперной характеристики.
В плазматроне имеет место сильная неоднородность теплофизических и электрофизических параметров. Искривленные линии электрического тока на турбулентном участке создают неоднородное магнитное поле. При этом столб такой дуги может быть неустойчивым [30].
Расширяющийся канал может обеспечить распределение электрического тока по поверхности выходного электрода и, соответственно, магнитного поля тока, способствующие повышению устойчивости положительного столба в разрядном промежутке. При этом длина дуги уменьшается, тепловые потоки в стенки становятся более равномерными. В расширяющемся канале при относительно больших скоростях холодного газа дуговой столб вблизи анодной привязки дуги может занимать значительную часть поперечного сечения. Прохождение тока в этом случае возможно посредством коротких дуг между анодом и электропроводным ядром потока. Значительное уменьшение локальной плотности тока и удельного теплового потока на анод должны способствовать уменьшению эрозии выходного электрода
14
На рис. 1.1.4 показаны ВАХ исследуемого генератора азотной плазмы, при различных расходах газа. Видно, что ВАХ имеет слабо выраженный возрастающий характер.
Рис. 1.1.4. Вольтамперная характеристика плазматрона для различных расходов газа.
Рабочий газ азот
Еще одной особенностью ВАХ, приведенных на этом рисунке, является расширение (по сравнению с дугами в цилиндрических каналах) зоны устойчивого горения разряда в область малых токов, 1<100 А.
На рисунке 1.1.5 представлена схема экспериментальной установки и комплекса используемой диагностической аппаратуры.
Г»
==* I) к-а 3,0 г/с
и к-а 3,0 г/с (Повтор)
■ ••и к-а 2,0 г/с (Повтор)
и к-а 4,0 г/с
нк и к-а 5.0 г/с
15
6 / 4 А- J 1
£3 'Д ІІ
!и
~ =І = £
IX
,dJll и
л\
10
Рис. 1.1.5. Экспериментальная установка и диагностическая аппаратура.
1. - плазматрон; 1.1 - катод плазматрона; 1.2 - сопло со смотровыми отверстиями;
1.3 - секционированный анод плазматрона; 1.4 - Вольфрамовый (W) наконечник катода;
1.5 - окна для наблюдения в мсжсекционных промежутках; 1.6 - торцевое смотровое окно.
2. - Спектрограф ДФС-452; 2.1 - фотоголовка с ПЗС матрицей или с ГІЗС линейками;
3 - Высокоскоростная цветная CMOS видеокамера VS-FAST (ВидеоСпринт);
4 - высокоскоростная черно-белая CCD видеокамера SensiCAM QE; 5 - Высокоскоростная черно-белая CCD видеокамера VS-249; 6 - Линза; 7 - экранирующий элемент; 8 - Пример получаемых видеоизображений с высокоскоростных камер 3.5; 9-Пример визуализации плазменной струи камерой 4; 10 - Примеры получаемых данных с диагностических фотоголовок 2.1
Mil
- Київ+380960830922