2
ОГЛАВЛЕ НИЕ
стр.
Введение 5
§1.1. Анализ работ по получению и исследованию ионизованного газа в различных средах. 19
§ 1.2. О механизмах аккумуляции энергии. 36
§1.3. Генераторы низкотемпературной плазмы и импульсные накопители энергии. 41
ГЛАВА II МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ПРОВЕДЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ.
§2.1. Комплекс устройств для получения автономных
долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. Устройства электропитания. 46
§2.2. Устройства коммутации комплекса. 60
§2.3. Генераторы электрических импульсов. 71
§2.4. Генераторы автономных долгоживущих плазменных
образований (плазменные пушки). 75
§2.5. Аппаратура проведения измерений и оценка их погрешности. 85
ГЛАВА III РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ДОЛГОЖИВУЩИХ ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ
§3.1. Определение статистических закономерностей, влияющих на процессы самоорганизации долгоживущих плазменных образований. 107 §3.2. Энергетические характеристики разряда при формировании долгоживущих плазменных образований. 120
§3.3. Влияние энергетических характеристик на время жизни долгоживущих плазменных образований. 139
3
§3.4. Методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. 148
ГЛАВА IV О ВОЗМОЖНОСТИ АККУМУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ В ОБЪЁМЕ ДОЛГОЖИВУЩЕГО ПЛАЗМЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
§4.1. Определение длительности излучения частиц конденсированной дисперсной фазы. 153
§4.2. Рефракционный механизм аккумуляции электромагнитной энергии в объёме автономного долгоживущего плазменного образования. 158
§4.3. Определение диапазона длин волн, для которых возможна рефракция световых лучей в объёме долгоживущего плазменного образования. 170
§4.4. Экспериментальные результаты, подтверждающие факт накопления электромагнитной энергии в объёме долгоживущего плазменного образования. 183
§4.5. Рефракция на границе: долгоживущее плазменное образование -атмосфера. 193
ГЛАВА V АНАЛИЗ ИЗЛУЧЕНИЯ АВТОНОМНОГО ДОЛГОЖИВУЩЕГО ПЛАЗМЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
§5.1. Регистрация излучения автономного долгоживущего плазменного образования. 196
§5.2. Исследование внутренней структуры автономного долгоживущего плазменного образования. 202
§5.3. Определение формы излучающей поверхности автономного долгоживущего плазменного образования. 206
§5.4. Воздействие теплового излучения долгоживущего плазменного образования на поверхность. 209
4
§5.5. Генерация электромагнитного излучения автономного
долгоживущего плазменного образования. 213
§5.6. Автономные долгоживущие плазменные образования и
среднестатистическая шаровая молния. 215
Результаты и выводы. 219
Список литературы 222
Приложение I 245
Приложение 11 251
Приложение III 254
Приложение IV 255
Приложение V 256
Приложение VI 257
Приложение VII 258
Приложение VIII 260
Приложение IX 261
5
ВВЕДЕНИЕ
Исследования многих научных коллективов направлены на разработку физических принципов построения источников энергии, способных аккумулировать электромагнитную энергию. Материалом, способным аккумулировать энергию электромагнитного поля может служить плазма. При атмосферном давлении преобладают потери энергии электронами при упругих соударениях. С дальнейшим ростом давления по мере разогрева газа увеличивается доля нерезонансного излучения, в силу этого разряды при высоких давлениях являются интенсивными источниками света.
В предлагаемой работе ставится и решается проблема по созданию и изучению свойств мощного источника оптического излучения открытого типа, способного излучать после прекращения подвода энергии извне длительное (секунды) время. Кроме этого решается проблема выяснения условий аккумуляции электромагнитной энергии, хранения её и транспортировки в нужном направлении на необходимые расстояния.
В качестве объекта исследований были выбраны автономные долгоживущие образования получаемые в свободной атмосфере и способные существовать без подвода энергии извне значительное время (секунды). Получение долгоживущих плазменных образований, как в установках, так и в свободной атмосфере представляет собой большой научный и прикладной интерес для многих исследований. Такие свойства термической электродуговой плазмы, как большая концентрация энергии в единице объёма, высокая температура, определяющая большие скорости теплового воздействия на тела, помещённые в плазму, обеспечивающая высокие скорости химических реакций между компонентами плазмы, позволяют создать принципиально новые эффективные технологические процессы и оборудование, характеризующееся экономичностью с точки зрения материалоёмкости и энергоёмкости, а также экологической чистотой.
6
Плазменная техника и технология - это одна из тех отраслей
промышленности, где интересы производства и прикладных исследований
наиболее тесным образом переплетаются с фундаментальной наукой. Без понимания и достоверного описания физических процессов, происходящих в термической низкотемпературной плазме, определяемых как многообразием взаимодействий компонент плазмы, так и многофакторностью внешних воздействий, невозможны ни создание эффективно работающих плазмотронов, ни их рациональное
использование. Это фундаментальные исследования плазмы; холодного ядерного синтеза; задачи плазмохимии; исследования каналов молниевых разрядов и управления атмосферными явлениями. Результаты
теоретических и натурных исследований, кинетики образования и развития плазменных образований в натурных условиях с плотностями энергии сопоставимыми со среднестатистическими плотностями энергии, характерными для природных молниевых разрядов, имеют фундаментальное и прикладное значение для следующих областей знаний: физика плазмы, плазмохимия и в новых технологиях получения порошков с заданной дисперсностью из тугоплавких материалов, в разработке методов создания беззеркальных накопителей энергии для сверхмощных лазеров.
Известно, что тороидальные вихри являются единственной конфигурацией, обеспечивающей устойчивость низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении. Тороидальные вихри обладают целым рядом специфических свойств. В частности, это вихревое движение, замкнутое само на себя и, поэтому, обладающее высокой степенью обособленности от окружающей среды, что позволяет добиться высокой адиабатичности плазменного образования после прекращения подвода электрической энергии.
Работа является экспериментальной. Эксперименты проводились на научно-исследовательском полигоне кафедры общей и прикладной физики
Владимирского государственного университета на уникальной установке с рекордными для натурных исследований плотностями энергии, которая не имеет аналогов.
Для решения указанной проблемы ставилось несколько задач. Это прямое получение в сильноточных разрядах самоорганизующихся сгустков неидеальной плазмы с большим временем жизни и высоким произведением концентрации частиц на температуру, проведение экспериментальных исследований физики процессов в этих сгустках, а также синтезирование их теоретических моделей.
Поставленная задача решается при экспериментальном получении автономных долгоживущих образований в виде тороидальных плазменных вихрей при сильноточном разряде на металлической подложке в свободной атмосфере, которые затем самоорганизуются в сгусток, по форме близкой к шару с временем жизни в несколько секунд. Такие устойчивые образования из пылевой плазмы обладают целым рядом своеобразных, специфических свойств, исследование которых позволит в дальнейшем решить ряд как фундаментальных, так и прикладных проблем.
Цель работы состояла в разработке методики получения при сильноточном разряде самоорганизующихся плазменных образований, способных длительное время (секунды) существовать в свободной атмосфере без подвода электрической энергии и исследовании их свойств.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие экспериментальные задачи:
- определения статистических закономерностей оптического излучения, влияющц& на процессы высвечивания электроразрядной плазмы;
- определения энергетических характеристик разряда необходимы^ для формирования автономных ДПО;
- исследования влияния энергетических параметров на время жизни автономных ДПО;
- отработки методики получения автономных ДПО в свободной атмосфере;
- исследования механизма аккумуляции электромагнитной энергии в объёме автономного ДПО;
экспериментального доказательства факда накопления электромагнитной энергии;
проведения экспериментальных наблюдений рефракции
оптического излучения;
- проведения регистрации оптического излучения автономного ДПО;
- определения формы излучающей поверхности в разных диапазонах длин волн;
- исследования внутренней структуры автономного ДПО.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
- определены пороговые параметры электрического импульса для формирования ДПО при сильноточном разряде;
- определены оптимальные характеристики электрического импульса, при которых возможна гарантированная генерация долгоживущего плазменного образования;
- экспериментально исследованы функциональные зависимости таких электрических и временных параметров плазменного образования, как количество электричества, прошедшего через разрядный промежуток плазменной пушки; подводимая электрическая энергия; максимальный ток в цепи разряда; наличие паузы тока; длительность переднего фронта импульса тока; глубина паузы тока; крутизна переднего фронта импульса тока; максимальное напряжение в опыте; напряжение потухания (напряжение на момент окончания импульса тока); крутизна заднего фронта напряжения; длительность до напряжения потухания; длительность импульса тока; длительность послесвечения ДПО по фотометру №1; время, в течении которого фотометр №1 находился в состоянии насыщения; длительность послесвечения ДПО по фотометру №2; время, в течении
9
которого фотометр №2 находился в состоянии насыщения; длительность послесвечения по спектрографу; время, в течении которого спектрограф находился в состоянии насыщения; наличие увеличения (“всплеска”) светимости; промежуток времени от окончания импульса тока до увеличения светимости; длительность увеличения светимости зарегистрированного фотометром №1; длительность увеличения светимости, зарегистрированного фотометром №2; относительная интенсивность излучения ДПО первого «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №1; относительная интенсивность излучения ДПО второго «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №1; относительная интенсивность излучения ДПО первого «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №2; относительная интенсивность излучения ДПО второго «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №2;
- на основе экспериментальных данных разработана методика получения при сильноточном разряде самоорганизующихся плазменных образований в свободной атмосфере;
- развит рефракционный механизм аккумуляции энергии в объёме плазменного образования;
- экспериментально подтверждён факт накопления электромагнитной энергии в объёме плазменного образования.
- впервые выявлена и исследована внутренняя структура автономного плазменного образования.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные экспериментальные результаты существенно расширяют фундаментальные представления о физических процессах в сильноточных разрядах существенные для концентрации электромагнитной энергии в объёме долгоживущего плазменного образования и её транспортировки в свободной атмосфере.
На защиту выносятся:
10
- методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере;
- экспериментальная реализация автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере;
- экспериментальный анализ закономерностей увеличения времени жизни автономного плазменного образования, по сравнению с неорганизованной плазмой газового разряда;
- экспериментальное исследование параметров автономного плазменного образования;
экспериментальное доказательство факта накопления электромагнитной энергии в объёме плазменного образования;
- исследование внутренней структуры автономного долгоживущего плазменного образования.
Содержание работы.
В первой главе проведён анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию импульсных разрядов. В первом параграфе проводится обзор работ по получению и исследованию ионизованного газа в различных средах (инертные газы, водород, вода, воздух и др.). Определены физические параметры этих разрядов: температура,
концентрация электронов, степень неидеальности, а также электрические параметры: максимальная сила тока и вкладываемая электрическая энергия.
Из этих разрядов выделен класс импульсных разрядов, которые приводят к формированию долгоживущих светящихся образований. Время жизни таких образований превышает время рекомбинации электронов с ионами. Действительно, многие теоретические и экспериментальные работы доказывают возможность физической реализации плазменного образования, способного существовать в свободной атмосфере длительное время (до 1 - 1,5 с) без подвода энергии извне. На основе литературных источников и данных других исследователей представлены зависимости
11
удельной энергии и времени жизни от диаметра, радиусы и времена жизни искусственных сферических светящихся образований, полученные различными экспериментальными методами. На основании рассмотренных литературных данных определено направление исследований по получению самоорганизующихся плазменных образований и выявлено, что результаты опубликованных работ не позволяют выявить основные факторы, влияющие на процессы самоорганизации и время жизни.
Во-втором параграфе рассмотрены механизмы, с помощью которых возможна аккумуляция энергии в ограниченном объёме. Определено, что наиболее перспективным механизмом накопления энергии является энергия электромагнитного поля. Однако, следует отметить, что процессы запаса энергии в объёме плазменного образования могут осуществляться несколькими способами, которые взаимно дополняют друг друга. Причём один из способов накопления, на данном этапе формирования, является основным.
В третьем параграфе рассмотрены описанные в литературе генераторы низкотемпературной плазмы, способные сформировать долгоживущее плазменное образование. Отмечено, что при генерации плазменного образования оно принимает вполне определённую квазисферическую форму. Источником питания в подавляющем числе экспериментов являлись конденсаторные батареи. Однако модельные эксперименты по получению тороидальных вихрей с помощью ящика Вуда показали, что длительность импульса электрической энергии должна составлять примерно 70 мс. Поэтому наиболее перспективными являются накопители энергии, способные генерировать электрические импульсы большой длительности (70 - 100 мс). К ним можно отнести взрывомагнитные генераторы и индуктивные накопители энергии.
Во второй главе рассматривается методика и аппаратура проведения исследований по получению сильноионизованного газа содержащего полидисперсный аэрозоль в виде автономного долгоживущего плазменного
12
образования. Первый параграф посвящён рассмотрению работы комплекса устройств для получения и исследования плазменных образований. Он состоит из четырёх основных частей: устройств электропитания, коммутации, генерации и регистрации параметров получаемых образований. Приведена схема установки, схема электропитания комплекса, а также фотографии устройств электропитания и их технические характеристики.
Во втором параграфе рассмотрены устройства коммутации силовых и измерительных цепей комплекса. Рассмотрение этих устройств связано с тем, что накапливаемая электрическая энергия составляет порядка 500 кДж при токе питания 30 ООО А. Это накладывает определённые требования к эксплуатации коммутирующих устройств. Следует отметить, что некоторые из них являются оригинальными. В содержании параграфа отражены технические данные этих устройств: токи коммутации, временные и скоростные параметры включения и отключения. Это связано с тем, что при больших электрических и тепловых нагрузках возможен их выход из строя. Они определяют в целом работу установки, её термическую стойкость и возможность получения электрических импульсов большой мощности с требуемой формой и длительностью.
В третьем параграфе рассматриваются принципы работы генераторов электрических импульсов, которые использовались ранее и используются в настоящее время. На основе большого количества экспериментов был сделан вывод, что наилучшим образом для генерации электрических импульсов подходит индуктивный накопитель энергии. Приводится принцип работы и его конструкция.
В четвёртом параграфе рассматриваются генераторы автономных долгоживущих плазменных образований (плазменные пушки), которые использовались ранее и используются в настоящее время. Рассматриваются физические принципы построения плазменных пушек, с помощью которых были достигнуты наилучшие результаты. При экспериментальной
13
отработке конструкции плазменной пушки было определено, что она должна, во-первых, быть выполнена из немагнитных материалов, а, во-вторых, расположение токоподводов к рабочему промежутку быть таким, чтобы обеспечить конфигурацию магнитного поля, способствующего формированию плазменного образования. Конструкции плазменных пушек представлены на схемах и фотографиях.
В пятом параграфе рассмотрена аппаратура, которая использовалась при проведении исследований, её технические характеристики, а также приведены данные по погрешностям измерений. В качестве примера приведена отсканированная копия характерной осциллограммы одного из опытов. На ней приведены реализации физических процессов происходящих при формировании автономного долгоживущего
плазменного образования. Рассмотрены приборы и устройства, с помощью которых исследовались параметры плазменных образований, их описание и расположение во время проведения экспериментов.
В третьей главе рассматривается методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере.
Содержанием первого параграфа является определение физических величин, влияющих на процессы самоорганизации и длительность
существования плазменного образования. В результате обработки массива экспериментальных данных с помощью корреляционного анализа был выявлен ряд параметров, которые существенно влияют на время жизни плазменного образования. Причём они могут быть взаимосвязаны между собой определённым образом. Результаты проведённого анализа показали, что с длительностью послесвечения наилучшим образом коррелируют следующие электрические параметры разряда: длительность импульса тока, длительность переднего фронта импульса, максимальное значение падения напряжения и некоторые другие.
Во втором параграфе рассматриваются электрические
характеристики разряда, влияющие на время жизни ДПО. Определено, что
14
форма импульса тока качественно должна соответствовать импульсу тока линейной молнии. Приведены сравнительные (время послесвечения в одном опыте 1,95 с, а в другом - 0,29 с) зависимости силы тока, падения напряжения на разрядном промежутке, мгновенной электрической мощности и электропроводности от времени.
В третьем параграфе определено влияние энергетических характеристик разряда на время жизни ДПО. Приведены сравнительные кинетические вольтамперные характеристики разряда в опытах с различными временами жизни. Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость времени послесвечения от максимальной силы тока, подводимой электрической энергии и электрической мощности являются нелинейными. На этом основании можно сделать вывод, что физические процессы, проходящие при формировании автономного плазменного образования, носят пороговый характер. Анализ зависимостей скоростей изменения падения напряжения и силы тока от времени различен для опытов с разной длительностью послесвечения. Показано, что для получения плазменного образования с большим временем послесвечения необходимо согласование скоростей и силы тока и падения напряжения.
В четвёртом параграфе приведена методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в атмосфере. Указаны условия при которых происходит гарантированное получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере с временем жизни до 2 с.
В четвёртой главе рассматривается возможность аккумуляции электромагнитной энергии в объёме ДПО.
В первом параграфе приводится оценка времени жизни ДПО в предположении, что длительное послесвечение есть результат теплового излучения частиц конденсированной фазы (КДФ). Показано, что действительно, аномальное время жизни можно объяснить тепловым излучением частиц КДФ, если предположить, что их диаметр больше 10
15
мкм. Однако в опытах по осаждению частиц КДФ на стекло обнаружено, что большая часть вещества представлена частицами с размером 0,1 мкм, т.е. налицо расхождение модели остывающего ансамбля частиц КДФ с экспериментом. Поэтому необходим поиск иных механизмов, объясняющих аномальное послесвечение ДПО.
Во втором параграфе рассматривается рефракционный механизм аккумуляции электромагнитной энергии в объёме ДПО. На основании того, что плазменное образование можно представить в виде элемента осесимметричной затопленной струи, распределение температур которой по радиусу является колоколообразным. Вследствие термической ионизации при таком распределении температуры в ДПО относительно тора возникает радиальный градиент концентрации свободных электронов, направленный к его центру. Электромагнитные волны в результате рефракции отклоняются в сторону центра тора и перенос энергии происходит по замкнутым траекториям (световым кольцам). Совокупность световых колец будет образовывать замкнутую область, в том числе и шарообразной формы, аккумулирующую энергию электромагнитного поля. Приведены расчётные зависимости распределения концентрации свободных электронов по радиусу для однократно и двукратно ионизованных атомов азота, кислорода, алюминия, калия и т.д. Данная многокомпонентная система представляет полидисперсный аэрозоль, способный аккумулировать электромагнитную энергию.
В третьем параграфе определён диапазон длин волн, которые могут испытывать рефракцию в объёме ДПО. Приведены результаты лазерного зондирования плазменного образования. Опыты по зондированию показали, что отклонение луча в объёме ДПО может происходить в разных направлениях. Поэтому плазменное образование можно разделить на слои в зависимости от знака градиента.
В четвёртом параграфе приводятся экспериментальные результаты, подтверждающие факт накопления электромагнитной энергии. Приведены
16
расчёты и эксперименты по наблюдению поляризации излучения ДПО. Приводится видеокадры регистрации видеокамерой параллельного отрезка луча диаметром 8,5 мм. Этот экспериментальный факт можно рассматривать в качестве доказательства высвечивания накопленной энергии при распаде.
В пятом параграфе предлагаются результаты наблюдения рефракции на границе: ДПО - атмосфера. Опыты показывают, что в результате рефракции наблюдается искажение линий сетки. Величина отклонения составляет около 5 см и позволяет оценить градиент концентрации электронов.
В пятой главе приведён анализ излучения ДПО в разных диапазонах длин волн. В первом параграфе рассмотрена регистрация оптического излучения на разных этапах формирования и развития, а также физические процессы происходящие в эти моменты времени: во время подвода электрической энергии к диафрагме; при выходе из области плазменной пушки и сформировавшийся объект. Приведены как фотографии, так и кадры видеосъёмки.
Во втором параграфе проведён компьютерный анализ сформировавшегося ДПО в одном из опытов, в результате которого получена его внутренняя структура. На ней можно выделить три основные области-структуры: выраженная центральная — «ядро», внешняя -«оболочка». Замыкает обе области более развитая длинноволновая жёлтая область, характерным свойством которой является наличие резких внешних границ, организующих сферическую область ДПО. Выделенные области-структуры, исходя из постоянства цвета, имеют одинаковую температуру.
В третьем параграфе на основе фотоизображения ДПО решается задача определения формы поверхностей ДПО в разных диапазонах длин волн видимого излучения. Представлены результаты компьютерного анализа изображения излучающей поверхности в красной, зелёной и синей
17
области спектра. На изображениях видно, что форма излучающей поверхности изменяется в зависимости от диапазона длин волн.
В четвёртом и пятом параграфах рассматриваются некоторые результаты теплового удара и генерации электромагнитного излучения автономным ДПО. Например, при воздействии на поверхность тугоплавких материалов (ситалл и т.п.) в результате теплового удара происходит разрушение и оплавление поверхности материала. Степень оплавления является функцией радиуса подложки. Приведены параметры, и результат воздействия теплового удара на поверхность стекла, отражённый на фотографии.
В шестом параграфе приводятся результаты сравнения параметров долгоживущих плазменных образований с параметрами среднестатистической шаровой молнии. Показано, что параметры полученных плазменных образований укладываются в диапазон разброса параметров естественных шаровых молний. Приведены результаты сравнения. Сделан вывод о том, что полученные автономные ДПО можно рассматривать как лабораторный аналог шаровой молнии.
Часть результатов получена при выполнении технических заданий по федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» («Интеграция») следующим научно-исследовательским работам учебнонаучного центра ВлГУ «Физика нестационарных процессов», проведённых совместно с Институтом общей физики им. Л.М. Прохорова в 1997-2004 годах: проект №144 в части 2.1. «Учебно-научный центр на основе интеграции ВлГУ и ИОФ РАН с целью углубления фундаментального образования и уровня полигонных исследований глобальных явлений в атмосфере с участием студентов и аспирантов» и в части 5.1. «Развитие фундаментальных исследований глобальных явлений в атмосфере на основе интеграции научно-исследовательского полигона кафедры общей и прикладной физики Владимирского государственного университета и
18
теоретического отдела Института общей физики РАН»; проект №Б0001 по направлению 1.1. «Осуществление совместных фундаментальных, поисковых и прикладных исследований на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей научных организаций и вузов Российской Федерации» в части «Совместных фундаментальных исследований по экспериментальному выявлению условий самоорганизации в тороидальных плазменных вихрях в свободной атмосфере» и по направлению 1.1. «Совместные фундаментальные исследования связей нестационарных высокоэнергетических глобальных природных процессов и локальных явлений со сверхвысокими плотностями энергии с электромагнитным полем на основе комплексного использования уникального полигона ВлГУ, кадровых возможностей теоретического отдела ИОФ РАН и преподавательского состава ВлГУ».
На различных этапах исследования, в постановке некоторых конкретных задач, проведении экспериментов и обсуждении результатов принимали участие Кунин В.Н., Кондаков В.П., Галкин А.Ф., Дорожков В.В., Кузнецов A.A., Плешивцев B.C. При обработке результатов экспериментов, проведении расчётов и обсуждении результатов принимали участие Мельникова Т.В.(параграф 3.1. и 4.2.), Галкин А.Ф. (параграф 4.1.и 4.3), Кондаков В.П. (параграф 4.4.). На решение некоторых вопросов и объяснения физических процессов оказали влияние сотрудники теоретического отдела Института общей физики РАН им. А.М. Прохорова Рухадзе A.A. и Игнатов А.М.
Особую благодарность автор выражает профессору Кунину В.Н., активное участие которого при выборе общего направления исследований, монтаже установки, подготовки и проведении экспериментов сделало возможным выполнение настоящей работы.
19
ГЛАВА I АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ.
§1.1. Анализ работ по получению и исследованию ионизованного газа в различных средах.
История развития электрических разрядов имеет многовековую историю. Особое место среди этих исследований занимает получение низкотемпературной плазмы в различных средах. В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется как в электрических разрядах в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), так и в процессах горения и взрыва [1,2].
За последние 50 лет исследования электрических разрядов вышли на качественно новый уровень, который определился в связи с работами в области управляемого термоядерного синтеза [3] и решением различных теоретических и прикладных задач плазмохимии [4].
В связи с разработкой мощных высокотемпературных эталонных источников излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах в 60-е и 70-е годы прошлого века широким фронтом прошли исследования импульсных разрядов, как у нас, так и зарубежом. Большое внимание исследователей было уделено капиллярным разрядам в трубках диаметром от 0,7 мм до 70 мм и длиной до 200 мм. Рабочей средой выступали инертные газы (ксенон, аргон и др.), водород, вода и др. Следует отметить, что эти разряды проводились при высоком давлении. Как правило, оно составляло от 20 до 200 атмосфер и выше. К исследуемым параметрам разряда следует отнести температуру, концентрацию свободных электронов, световую мощность излучения, в том числе в динамике и др. Наиболее широкие исследования капиллярного разряда были проведены сотрудниками группы
Таблица 1.1.1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ
Работы Давление. Р. атм Темпера тупа. Т 10і. К Концентрация электронов. Пс 10" СМ'* Степень не-идеальности Максимальная сила тока. кА (напряжение, к») Время разряда. МКС Максимальная вкладываемая, мощность, МВт (энергия. кДж) Рабочее вещество Геометрии, размеры, мм /-длина; О - диаметр.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Алиханов с сотр. 196715.61 300 200 1 0.001 300 50-100 (50) водород /-150
Бакеев, РопинскиП. 1970171 1-20 10-20 1-2 0.15 1.2 (0.4) 10-100 0.5 ксенон 07
Андреев с сотр.. 1970 18| 12-20 10 0.18 7 500 8(1.3) ксенон /-150.04-14 или сечение 8x8
Скоренек с сотр.. 1971 191 - 45 1000 0.4 200 200 16 водород /-30.0 0.7
Гросс с сотр.. 1971(101 200 300 20 0.05 15(3) 10-80 45 продукты КРИС /-50.0 2
Митин с сотр. 1972 ММ 1600 30 200 0.35 45 (0.36) -1000 16 аргон /-4-60
Антонов. 1972(121 700 100 20-40 0.1 350(1.8) 200 300(24) водород /-15-30,0 5-6
Продолжение таблицы 1.1.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Огурцова* Полмошснск иЛ с сотр.. 1965(13, 14. Л] . 200- 500 30-100 100 0.1-0.25 до 250(4) 200- 1000 1000 продукты КРИС /-до 200, 0 10-70
Мартин. 1060 Г161 10 000 30 500 0.45 85 (25) 8 390 вода 0 3-5
Робинсон, 1967(171 (3-120) 10} 35 1500-101)00 (9000 атм) 0.5-1 250420) -3 500 вода / - ІІЄСК. ММ
Окунь. 1969(181 Ю-- ю4 10-30 100 0.3 30(7) 5-30 210 вода 1-120
Кулик с сотр., 1972(19. 201 1000 7-20 10 0.3 (0.5) 5000 0,16 исзнГі /-20. 0 0.7-2
22
Огурцовой H.H. и Подмошенского И.В. В таблице 1.1.1. приведены сравнительные данные экспериментальных исследований импульсных разрядов в различных средах.
При исследованиях импульсных разрядов [251-253] выявились исследования, в которых ионизованный газ мог самоорганизовываться в определённые структуры (в виде шара, тора, и т.п.) и полученное образование обладало относительно большим временем существования (миллисекунды и более). В этом случае как правило многие исследователи получение таких структур связывают с решением проблемы шаровой молнии (11IM), т.к. многие параметры и свойства получаемых образований совпадают с параметрами среднестатистической ШМ. Кроме того, решение такой проблемы как получение ШМ в лабораторных условиях представляет собой интерес для исследователя. В связи с этим интерпретацию полученных результатов они пытаются связать с решением этой проблемы. Поэтому при анализе подобных работ мы постараемся провести анализ их свойств и параметров как физических объектов.
Теоретическое и экспериментальное исследование долгоживущих плазменных образований в различных средах насчитывает достаточно большую историю. Библиография по этому вопросу, подготовленная в 1992 году Григорьевым А.И. и Дунаевой Т.Н. [21] насчитывает 693 наименования. К первым экспериментам по получению плазменных сгустков, в частности, во влажном воздухе, можно отнести опыты Планте и Вебера 120-летней давности [22].
В исследованиях плазмы особняком стоят исследования, направленные на получение плазменных сгустков. В книгах и статьях они имеют рагличные названия, т.к. авторы стараются вложить в них свой физический смысл. Это плазмоиды, светящиеся образования, долгоживущие плазменные
23
образования (ДПО), локализованные СВЧ-разряды, энергоёмкие плазменные образования и некоторые другие. Однако за кажущимся разнообразием названий в основе лежит физический принцип локализации энергии в ограниченном объёме.
К классическим исследованиям по получению светящихся образований следует отнести несколько работ. Это, прежде всего, работа проведённая в 1955 году Капицей П.Л. [23], где ионизованная масса газа сферической формы получается при ВЧ-разряде. Однако получаемое образование существует ровно столько, сколько времени происходит подвод энергии. Работа 1977 года выполненная Андриановым А.М. и Синицыным В.И. посвящена исследованию долгоживущего плазменного образования (ДПО), полученного при эрозионном разряде [24]. В ней представлены результаты исследования ДПО в виде плазменного вихря способного существовать в свободной атмосфере до 100 мс.
За последние десятилетия было опубликовано достаточно много теоретических и экспериментальных работ [25, 26] посвящённых проблемам долгоживущих плазменных образований. Результаты некоторых из этих работ представлены в таблице 1.1.2.
Рассмотрим более подробно последние описанные в литературе на основе анализа наблюдений, экспериментов и моделей методы и средства для получения долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. В качестве основного критерия выберем «время жизни» (длительность послесвечения) плазменного образования без подвода энергии извне.
В работе [58] авторы рассматривают свойства шаровых плазмоидов, возникающих после электрического разряда во влажном воздухе. Экспериментальная установка состоит из конденсаторной батареи ёмкостью
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ДОЛГОЖИВУЩИХ ОБРАЗОВАНИЙ
Таблица 1.1.2.
Авторы Фор- ма Длительность послесвечения. мс Скорость лмпкення. м/с Концентрация электронов. cm'j Температура, К Давлепие, атм Подводимая энергия, кДж Рабочая среда
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Теоретический расчет
Алаиакян Ю.Р. (27.28 ] тор 10 ООО 10 6 10° T.atfO1 эВ 1 - •
Власов А.Н. (29. 30| тор 4 000 - - 2 104 1 ш дейтерий
Игнатович В.К. [ЗЦ тор - 10’ - - 1 100 воздух
ЭлектроразрилиыК метол получения
Анлрнанои А.М. Сишшыи В.И. 124] тор 80-100 15-20 - 34 800 1.31 ИГ* 2,6-50 воздух
шар
JI учанов A.A. с сотр.[32] тор 30-50 20-30 (4-6) Ю12 11 600 1.31 10" 5-7 воздух
шар 10-15 1.31 ioJ
Александров А.Ф. Тимофеев А.Б. с сотр. [33-37] тор 100 - 10,л (6-7)10J 0.3-3 100 ксенон + ВОЗДУХ
Гольдберг М.М. с сотр. [38] шар 10*- 10" десятки 1 15 алюм. диафр.+ воздух
Голубничий П.И. с сотр. [39] шар 2-5 1-10 • 2 • 30 10° вода
Авраменко А.Ф. С сотр. |40-43] шар 10 50-80 5 10,ь 1 ioJ 1 50 10J 250 10° ВОЗД}'Х
- Киев+380960830922