WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
138 Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/014.pdf Влияние инициируемых CO2 лазером газодинамических процессов на характеристики объемного самостоятельного разряда в газовых смесях на основе SF6 Белевцев А.А. (1), Казанцев С.Ю. (kazan@kapella.gpi.ru) (2), Кононов И.Г. (2), Фирсов К.Н. (2) (1) Институт Теплофизики Экстремальных Состояний, Объединенный Институт Высоких Температур РАН, (2) Институт Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН 1. Введение Интерес к изучению объемного самостоятельного разряда (ОСР) среднего давления в SF6 и его смесях с различными донорами водорода и дейтерия в значительной мере стимулируется прогрессом в развитии мощных нецепных электроразрядных химических HF(DF) лазеров, где эти газы служат исходными компонентами для создания активных сред [1-3]. В настоящее время ОСР реализован в нецепных HF(DF) лазерах с объемами активной среды в несколько десятков литров [4]. Однако теоретические представления об основных механизмах инициирования и поддержания такого разряда нуждаются в существенном развитии.

Главной отличительной особенностью ОСР в смесях, содержащих SF6, является то, что он развивается в форме самоинициирующегося объемного разряда, то есть объемного разряда без предварительной ионизации среды [5]. Возможность существования этой формы ОСР в сильно электроотрицательных газах определяется эффектом ограничения плотности тока в диффузных каналах, прорастающих из катодных пятен в направлении анода и формирующих при своем перекрытии однородный по промежутку объемный разряд [4, 5]. Однако, вопрос об относительной роли различных механизмов ограничения плотности тока в диффузном канале (диссоциация SF6 и других компонентов смеси, электрон-ионная рекомбинация, прилипание электронов к колебательно возбужденным молекулам SF6 [6]) остается не вполне ясным. При этом менее всего понятна роль колебательного возбуждения в SF6.

В [7] нами для изучения влияния процесса прилипания электронов к колебательно возбужденному SF6 на характеристики ОСР в SF6 и смесях SF6 с C2H6 разрядный промежуток перед приложением к нему высоковольтного импульса облучался импульсным СО2-лазером. Это позволяло получить высокую степень заселения колебательных состояний молекулы SF6, недостижимую в условиях электрического разряда в отсутствие облучения, когда на возбуждение колебаний в SF6 идет не более 2% электрической энергии, вводимой в газоразрядную плазму [8]. Было установлено, что увеличение потерь электронов на прилипание из-за возбуждения колебательных состояний SF6 лазером приводит, в зависимости от соотношения парциальных давлений компонентов смеси SF6:C2H6, введенной в газ световой энергии и временной задержки между импульсами лазера и разрядного напряжения, к значительному, до 30%, росту напряжения горения ОСР. Как следствие данного эффекта, при установке в лазерном пучке различных диафрагм и экранов наблюдается перемещение ОСР в зону тени, создаваемой экраном, где прилипание электронов а, соответственно, и напряжение горения разряда меньше, чем в облучаемой зоне. Таким образом изменение поперечного Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/014.pdf профиля пучка СО2-лазера, облучающего разрядный промежуток, позволяет формировать структуру зоны горения ОСР в SF6 и смесях на его основе.

В экспериментах [7] плотность энергии лазерного излучения, поглощаемого SF6 в области развития ОСР, достигала 6 Джатм-1см-3. Как показывают оценки, при таких энерговкладах в колебательные степени свободы молекулы SF6 температура газа, нагревающегося в процессе V-T релаксации, может превысить 1000 К, что в результате должно приводить к возникновению заметных газодинамических возмущений среды. В частности, поскольку плотность газа в зоне облучения за время лазерного импульса остается практически неизменной, подобный скачок температуры влечет за собой соответствующий перепад давлений и может вызывать формирование ударной волны на границе зоны облучения. Естественно ожидать, что это должно отразиться на структуре ОСР, зажигаемого после воздействия на промежуток лазерного импульса. Однако в [7] влияния инициируемых лазером газодинамических возмущений на развитие ОСР отмечено не было. Причина, можно полагать, состоит в том, что изменение структуры ОСР в предварительно облученном промежутке исследовалось в [7] при слишком малых временных задержках между высоковольтным и лазерным импульсами, не превышающих длительности последнего. Вследствие этого к моменту зажигания ОСР либо в тепло переходила лишь часть вводимой в газ энергии излучения лазера, либо возникшее в результате температурного скачка ударно-волновое возмущение не успевало существенно перераспределить плотность газа в промежутке и тем самым заметно проявиться в структуре разряда.

В настоящей работе исследуется развитие ОСР в смесях SF6 с этаном и гелием, предварительно облучаемых импульсным СО2-лазером, при варьировании времен задержки и парциальных давлений компонентов смеси в широком диапазоне. Рассмотрен процесс формирования ударных волн на границе раздела зон облучаемого и холодного газа и дано его количественное описание. Проведено сопоставление рассчитанных и измеренных значений скорости распространения ударных волн в исследуемых смесях.

Анализируется наблюдаемая феноменология развития ОСР при наличии ударноволнового возмущения.

2. Экспериментальная установка и методика эксперимента Схема экспериментальной установки и методика эксперимента в настоящей работе были аналогичны описанным в [7, 9]. ОСР зажигался в смесях газов SF6:C2H6:He с парциальными давлениями компонентов PSF =15, PC H6 =3 и PHe =030 тор, предварительно 6 облучаемых импульсом ТЕА СО2-лазера на линии Р20 полосы 10.6 мкм. Использование С2Н6 в смеси обусловлено необходимостью стабилизации ОСР, устойчивость которого снижается при облучении промежутка лазером [7]. Гелий добавлялся в смеси для ускорения процесса V-T релаксации SF6. Пространственно однородный лазерный пучок с полными поперечными размерами 50х60 мм вводился в разрядную камеру через окно из BaF2. Плотность энергии лазерного излучения, поглощаемого SF6 в зоне развития разряда, составляла Wa=0.10.13 Джcм-3. Методика измерения поглощаемой SF6 лазерной энергии подробно описана в [9, 10].

ОСР зажигался в геометрии разрядного промежутка игла (катод) – цилиндр мм (анод). Игла была направлена перпендикулярно оси цилиндра, в свою очередь перпендикулярной направлению вводимого в разрядную камеру лазерного луча. Игла в данной серии экспериментов имитировалась отрезком медного провода 1.5 мм в полиэтиленовой изоляции, диаметр провода вместе с изоляцией составлял 8 мм. Изоляция не позволяла разряду развиваться с боковой поверхности катода при том, что на его торцевой поверхности при такой малой площади могло загораться не более одного катодного пятна. Межэлектродное расстояние составляло 43 мм. Использование цилиндрического анода в данном случае более предпочтительно, чем плоского, поскольку Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/014.pdf это позволяет уменьшить размер области, занимаемой ОСР в направлении оптической оси (1 см вблизи анода), и свести к минимуму влияние неравномерности распределения поглощаемой SF6 энергии лазерного излучения по расстоянию в данном направлении на развитие и структуру разряда. ОСР формировался при разряде на промежуток конденсатора с емкостью 2.5 нФ, заряжаемого до напряжения 24 кВ. Полная длительность разрядного тока в необлученном промежутке составляла dis275 нс.

Plas, Ud, отн. ед. Импульс напряжения Ulas подавался на промежуток с варьируемой временной Ulas задержкой =040 мкс по отношению к Plas лазерному импульсу Рlas. Для удобства восприятия дальнейшего материала на рис.приведены осциллограммы Рlas и Ulas. Из рис.1. видно, что Plas имеет стандартную для ТЕА СО2-лазеров форму, его полная длительность составляет las 3 мкс. Следует также обратить внимание на то, что временная задержка между лазерным и -0 0.5 1 1.5 разрядным импульсами отсчитывается от t, мкс начала переднего фронта лазерного импульса.

Для контроля изменения структуры Рис. 1. Осциллограммы напряжения на ОСР под влиянием облучения газа лазером плазме ОСР Ulas и лазерного импульса разрядный промежуток фотографировался Plas.

цифровым фотоаппаратом через окно разрядной камеры, противоположное входному окну. Профиль облучения промежутка задавался диафрагмой D и экраном S, изображенными на рис. 2а и 2б, соответственно, и устанавливаемыми перед входным окном.

Облучаемая зона Облучаемая Облучаемая зона зона 37 мм 10 мм S D б) в) а) Рис. 2: a, б - диафрагма D и экран S, соответственно, используемые в экспериментах для задания профиля лазерного пучка; в)- фотография ОСР в необлучаемом промежутке.

На рис.2в приведена фотография ОСР, развивающегося в необлучаемом промежутке. Как видно из этого рисунка, в отсутствие облучения ОСР имеет типичную для данной геометрии форму: его поперечный размер увеличивается в направлении катод-анод, достигая у анода величины 29 мм. В случае, когда перед входным окном разрядной камеры устанавливается диафрагма D с размерами 50х35 мм, лазерный пучок полностью перекрывает область разрядного промежутка, в которой ОСР горит в отсутствие лазерного облучения газа. При установке в лазерном пучке экрана S облучается весь промежуток за исключением полоски шириной 10 мм в его центральной части. Обратим внимание на то, что и в том и в другом случаях размер облучаемой зоны в направлении катод-анод превышает межэлектродное расстояние. В процессе эксперимента снимались также осциллограммы напряжения и тока ОСР при каждом значении времени задержки и в отсутствие воздействия на промежуток лазерного импульса.

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/014.pdf 3. Результаты экспериментов На рис.3 приведены фотографии ОСР в смеси SF6:C2H6:He=5:1:5, снятые при разных значениях при облучении разрядного промежутка через диафрагму D. Из этого рисунка видно, что предварительное облучение приводит к существенному изменению характера ОСР. Даже при =1 мкс, когда лазерная энергия введена в газ еще не полностью, поперечный размер разряда у анода заметно больше, чем в необлучаемом промежутке, разряд как бы стремится выйти из зоны облучения (см. для сравнения рис.2).

Наблюдается также характерная для ОСР в колебательно возбужденном SF6 нитевидная структура [7, 9].

При =3 мкс на границах зоны облучения появляются узкие, ярко светящиеся каналы («усы»), яркость которых растет с увеличением при одновременном снижении яркости ОСР в зоне облучения.

При 9 мкс разряд полностью =1 мкс =3 мкс =5 мкс выходит из зоны облучения, огибая ее по границам даже у катода, где линии тока становятся практически перпендикулярными центральной силовой линии электростатического поля, отвечающего геометрии =9 мкс =13 мкс =22 мкс разрядного промежутка. Внешне Рис. 3. Фотографии ОСР в смеси SF6:C2H6:He=5:1:эта картина напоминает картину при разных. Облучение через диафрагму D. Wa=0.развития скользящего разряда по Джсм-3 при >3 мкс..

поверхности твердого диэлектрика, внесенного в промежуток. Поверхностью, по которой «скользит» в данном случае разряд, служит граница зоны облучения газа. Следует заметить, что «усы» на границе зоны облучения, несмотря на их относительно большую яркость, имеют диффузный характер. Это подтверждается осциллограммами напряжения и тока, имеющими типичный для объемных разрядов вид даже при больших значениях.

Фотографии, приведенные на рис.3, указывают на перераспределение плотности тока по промежутку и уход разряда из зоны облучения на ее границы при больших. Длина линий тока при этом существенно превышает минимальное межэлектродное расстояние.

Следовательно, можно полагать, что в данном случае разряд («усы»), по крайней мере, частично, развивается в разреженном газе. Появление же области разрежения может быть связано с образованием и движением ударной волны из-за температурного скачка на границе зоны облучения. Для подтверждения этого предположения нами снимались фотографии ОСР в разных смесях при задании профиля лазерного пучка экраном S.

На рис.4 и рис.5 приведены фотографии ОСР для разных, снятые, соответственно, в смесях SF6:C2H6=5:1 и SF6:C2H6:He=5:1:10 при профилировании лазерного пучка экраном S. Видно, что при =12 мкс ОСР горит лишь в области тени, создаваемой экраном, в виде практически прямоугольной полосы (за исключением прикатодной зоны).

В отличие от разряда в колебательно возбужденном газе он имеет отчетливо выраженный диффузный характер, нитевидная структура отсутствует. С увеличением ширина диффузной полосы уменьшается, и вблизи границы зоны облучения, так же, как и на рис.3, появляются ярко светящиеся «усы», отделенные от начального диффузного разряда узкими темными полосами. Нужно отметить, что в смесях, содержащих Не, «усы» Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/014.pdf формируются при меньшем значении, чем в смеси без гелия. При дальнейшем увеличении ширина диффузной полосы и яркость ее свечения уменьшаются при одновременном росте яркости свечения «усов» и расширении занимаемой ими зоны. При 9 мкс для смеси SF6:C2H6 и 7мкс для смеси SF6:C2H6:He диффузная полоса на фотографиях становится неразличимой, ток разряда полностью перетекает в «усы».

=1 мкс =3 мкс =4 мкс =7 мкс =9 мкс Рис. 4. Фотографии ОСР в смеси SF6:C2H6=5:1 при разных. В лазерном пучке установлен экран S. Wa=0.11 Джсм-3 при >3 мкс.

Как и в описанном выше случае (см. рис.3.), эта форма разряда, несмотря на большую яркость его свечения, имеет объемный характер, о чем свидетельствуют осциллограммы разрядных характеристик. Отметим, что =1 мкс =3 мкс =5 мкс =7 мкс по зависимости поперечного Рис. 5. Фотографии ОСР в смеси SF6:C2H6:He =5:1:10, размера диффузной полосы полученные при тех же условиях облучения, что и на на рис.4 и рис.5 от можно рис.измерить скорость ударной волны.

4. Обсуждение результатов 4.1. Термодинамические параметры газа в зоне облучения Процесс релаксации поглощенной молекулами SF6 энергии лазерного излучения подробно обсуждался нами в [10]. Было, в частности, показано, что характерные величины времен внутримодового VV и межмодового VV обмена колебательной энергией в SF6 при парциальном давлении PSF =15 Torr не превышают 70 нс. В приближении теории “теплового взрыва” оценивалось также время установления равновесия между колебательными и поступательными степенями свободы в результате V-T релаксации. При этом использовалась рекомендованная в [11] зависимость характерного времени V-T релаксации от температуры газа Tg:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.