|
|
|
|
Получение и спектральное исследование сильно ионизованной неравновесной плазмы гелия атмосферного давления (по материалам кандидатской диссертации)
Докладчик(и): Кавыршин Д. (ОИВТ РАН), научный руководитель Чиннов В.Ф. Дата, время проведения: 19 декабря 2016 (пн), 15: 00 Адрес: Ижорская 13 стр.2, Л1, к.224 Объектом исследования в данной работе является сильноточный разряд в гелии. Данный вид разряда обладает широким набором необычных свойств, резко отличающих его от большинства плазменных объектов, в которых неравновесность проявляется не столь ярко, и делающих гелиевую плазму крайне сложным для исследования объектом ввиду необходимости больших энерговкладов для ее получения и неприменимости равновесных приближений для ее описания. Для решения задачи определения ключевых параметров этой плазмы, таких как концентрация и температура электронов, температура тяжелых частиц, был разработан и создан диагностический плазмотрон, позволяющий генерировать и исследовать плазму стационарного разряда в гелии атмосферного давления с силой тока дуги 100-400A, стабилизированную холодной стенкой. Разработана и применена система импульсного «подогрева» стационарного разряда, позволяющая поднимать силу тока дуги до 4.5 кА без повреждения конструкций плазмотрона. Создана диагностическая система, обеспечивающая регистрацию распределения интенсивности излучения плазмы как по длинам волн, так и по радиусу разряда. Также диагностический комплекс включал в себя средства электрических измерений и предусматривал возможность скоростной видеосъемки плазменного объекта. Было экспериментально исследовано состояние гелиевой плазмы атмосферного давления при ее стационарном и квазистационарном нагреве в электрическом поле с напряженностью около 20 В/см и с удельным энерговкладом 100-1000 кВт/см3. Исследованы излучательные свойства такой плазмы в диапазоне длин волн 200-1100 нм и на основе полученных спектральных данных определены температура электронов, коэффициенты тепло- и электропроводности и построены их радиальные распределения. Из анализа уширений спектральных линий была определена температура тяжелых частиц и концентрация электронов, при этом был проведен критический анализ литературных данных о константах Штарк-эффекта, некоторые из которых были уточнены. Была проанализирована экспериментально полученная картина заселенностей возбужденных уровней и подтвержден факт наличия в гелиевой плазме атмосферного давления неравновесности ионизационного типа. При этом высоколежащие возбужденные состояния HeI оказываются недозаселены, основное состояние - перезаселено, а концентрация электронов близка к равновесным значениям. Ввиду установленных экспериментально отклонений плазмы от состояния ЛТР (равновесия) был выполнен программный расчет состава электродуговой плазмы гелия на основе столкновительно-радиационной модели с учетом потерь частиц из системы за счет амбиполярной диффузии, возбуждения не только атомов HeI, но и однократных ионов HeII и отказом от использования неприменимых в данном случае Саха-Больцмановских соотношений. Вычисленное значение концентрации электронов для температуры электронов 2 эВ оказалась почти вдвое меньше равновесного. Однако с ростом температуры и, как следствие, скорости ионизации, рассчитанная концентрация электронов стремится к равновесному и близкому к нему экспериментально определенному значению. Экспериментальное измерение Те при высоких степенях ионизации гелия оказывается возможным благодаря появлению ионных линий излучения в доступной для регистрации области спектра. Соотношение между интенсивностями атомных и ионных линий служит основой спектрального метода измерения Те, не уступающего по точности методам диагностики равновесной плазмы. В стационарном режиме горения температура электронов, определенная по этому методу, составила 2.9-3.1 эВ. При импульсном подогреве электронов стационарного дугового разряда рост Те составил около 0.5 эВ. Установлена сильная пространственная неоднородность данной плазмы, проявляющаяся в 5-кратном спаде концентрации электронов и интенсивности ионных линий на расстоянии всего 1 мм от оси разряда. Этот факт подтверждает наличие мощного диффузионного потока зарядов на стенки канала, благодаря которому плазма выходит из состояния ЛТР. |