WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 3 04;12 Получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере © Л.В. Фуров Владимирский государственный университет, 600000 Владимир, Россия e-mail: golovn@vpti.vladimir.ru (Поступило в Редакцию 23 октября 2003 г. В окончательной редакции 16 июня 2004 г.) Приведены результаты экспериментов по получению автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атомосфере с временем жизни до 2 s в видимом диапазоне длин волн. Дано описание экспериментальной установки и результатов наблюдений в виде осциллограмм и фотографий. Определены энергетические условия их гарантированного получения.

Введение В подавляющем числе экспериментов в качестве источника энергии использовались конденсаторные батаИсследования долгоживущих плазменных образова- реи (например, в работе [14] емкость изменялась от ний (ДПО) связывают прежде всего с решением про- 650 µF до 5 mF и запасаемая электрическая энергия блемы шаровой молнии (ШМ). В этом направлении от 50 до 200 J, а в работе [15] — 216 µF и 100 kJ теоретические и экспериментальные исследования име- соответственно), время электрического импульса котоют солидную историю, которая хорошо отражена в рых составляет микросекунды. Это приводит к тому, работах [1–12]. что за такой короткий промежуток времени подвода электрической энергии к разряду ДПО не успевает Исследование автономных долгоживущих плазменных сорганизоваться в устойчивую структуру и распадается, образований, удаленных как от стенок разрядной кане сформировавшись окончательно.

меры, так и от источников энергии, представляется В настоящей работе ставилась задача получить ДПО с актуальным для понимания природы шаровой молнии, временем послесвечения до 2 s, с использованием индуиспытания устройств грозозащиты; плазмохимии, создакуционного накопителя энергии (время электрического ния импульсных источников мощного оптического излуимпульса составляет 100 ms) и значительным запасом чения открытого типа, аккумуляции и транспортировки электрической энергии (около 500 kJ) в свободной атэлектромагнитной энергии.

мосфере (т. е. при атмосферном давлении). При этом не В сборнике статей [13] представлены результаты эксиспользуются различные присадки к разрядной плазме, периментальных работ ответственных авторов, в коза исключением материала эрозии электродов.

торых некоторые отдельные свойства природной ШМ (форма и размер, цвет, скорость движения, время жизни, распад) удалось полностью или частично повторить в Установка для получения ДПО лаборатории. Способы получения ДПО различны. Это эрозионный разряд [14,15], капиллярный разряд [16,17], Комплекс устройств для получения и исследования сверхвысокочастотный разряд и его модификации [18] и ДПО состоит из четырех основных частей: устройств др. Так как природные ШМ наблюдаются в свободной энергопитания, коммутации, генерации и регистраатмосфере, то большинство экспериментов проводилось ции параметров долгоживущих плазменных образовапри атмосферном давлении, где рабочей средой является ний [12,22,23]. Структурная схема установки представатмосферный воздух.

лена на рис. 1. Питание накопительной индуктивности Особенно перспективными являются эксприменты, в осуществляется от блока из девяти выпрямителей типа которых в качестве рабочей среды используется воздух ВАКГ-12 / 6-3200, соединенных параллельно. Основные с насыщенными водяными парами, потому что такая си- технические данные агрегата: напряжение питающей туация наиболее точно моделирует естественные усло- сети 380 ± 38 V, частота питающей сети 50 Hz, номивия рождения ШМ. В результате эрозионного разряда нальная мощность на выходе 38.4 kW, номинальный могут быть получены светящиеся образования диамет- выпрямленный ток 3200 A, номинальное выпрямленное ром 7-19 cm и временем жизни 0.5-1s [19,20]. Как напряжение: режим I —12 V, режим II — 6 V. Накоплепоказывают эксперименты, время жизни ДПО зависит ние электрической энергии осуществляется с помощью от целого ряда факторов: от размера и геометриче- индуктивного накопителя (запасаемая энергия при тоской формы центрального электрода, напряжения между ке питания 30 00 A около 500 kJ, общий вес 40 00 kg).

электродами, величины и длительности импульса тока, Силовые цепи питания коммутируются выключателями температуры и электропроводности воды, нанесенной на МГГ-10-УЗ (номинальный ток отключения 45 kA, собэлектрод [21]. ственное время включения 0.4 s, время отключения до Получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере на формирование ДПО магнитного поля, создаваемого токоподводом 6, он располагается ниже области разрядного промежутка, а к токоподводу 5 импульс тока подводится по направляющим 7. Все элементы конструкции выполнены из немагнитных материалов и крепятся на стойке 8. Эксперименты показали, что при использовании магнитных материалов не происходит формирования устойчивого ДПО. Это выражается прежде всего в том, что время послесвечения составляет деРис. 1. Структурная схема установки: 1 — блок из сятые доли секунды. Конструкция устройства отличается выпрямителей ВАКГ-12 / 6-3200, 2 — выключатель МГГ-10-УЗ, компактностью и позволяет регулировать размеры ДПО 3 — выключатель ВМГ-10, 4 — плазменная пушка, 5 — за счет изменения внутреннего диаметра D кольцевого программный механизм, 6 — измерительно-регистрирующая токоподвода от 60 до 150 mm.

аппаратура, 7 — шунт 75ШСМУЗ, L0 — накопительная Параметры работы установки и параметры ДПО сининдуктивность.

хронно записывались на фотобумагу УФ-67-135 светочувствительного осциллографа К-115. В качестве примера на рис. 3 приведена характерная осциллограмма силы погасания дуги 0.14 s) и ВМГ-10. Генерация ДПО осуще- тока I, падения напряжения U и потока излучения P в ствляется с помощью плазменной пушки, выполненной оптическом диапазоне длин волн, зарегистрированная на полностью из немагнитных материалов. светолучевом осциллографе К-115. Ток в цепи разряда Установка работает следующим образом. При замыкании выключателя 2 типа МГГ-10-УЗ накопительная индуктивность L0 = 6.5 · 10-4 H подключается к блоку выпрямителей 1. После накопления в индуктивности магнитной энергии срабатывает выключатель 3 типа ВМГ-10, который соединяет накопитель с нагрузкой (плазменной пушкой). Через 0.07 s размыкается выключатель 2, и экстраток размыкания используется как рабочий ток для взрыва диафрагмы, установленной в плазменной пушке. Промежуток времени в 0.07 s выбран так, что, с одной стороны, диафрагма еще не успевает сгореть при напряжении питания 4 V, а с другой стороны, в выключателе 2 образуется достаточно надежный контакт. Управление выключателями, выпрямителями и измерительно-регистрирующей аппаратурой 6 Рис. 2. Плазменная пушка: 1 — центральный токоподвод; 2 — кольцевой токоподвод; 3 — диэлектрическая подложка; 4 — осуществляется программным механизмом 5. Шунт проводящая диафрагма; 5,6 — токоподвод; 7 — направляющие предназначен для измерения силы тока в цепи разряда.

стойки; 8 —стойка.

Важнейшей частью установки является устройство для получения и формирования ДПО (плазменная пушка), которое позволяет получать в свободной атмосфере автономные ДПО с временем послесвечения до 2 s в видимом диапазоне длин волн. Конструкция устройства генерации ДПО в свободной атмосфере представлена на рис. 2. Инициатором разряда является проводящая диафрагма 4 в форме круга диаметром 100 mm, составленная из 7 слоев алюминиевой фольги, каждый из которых имеет толщину 8 µm. Такое количество слоев, как показали эксперименты, является оптимальным.

Диафрагма располагается на диэлектрической подложке 3 (текстолит, плексиглас, картон и др.) и прижимается к ней кольцевым токоподводом 2, выполненным из немагнитного материала (нержавеющая сталь, латунь).

В центр диафрагмы устанавливается токоподвод 1 из скрученных проволочек диаметром 1.0-2.4 mm, количество которых в зависимости от условий опыта может изменяться от 2 до 8. Другой конец проволочек крепится Рис. 3. Характерные зависимости силы тока I, падения по кругу на токоподвод 6. С целью уменьшения влияния напряжения U и потока излучения P от времени.

7 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 100 Л.В. Фуров регистрировался на осциллографе косвенным методом по падению напряжения на шунте 75ШСМУЗ. Падение напряжения на разрядном промежутке измерялось прямым методом между аксиальным и кольцевым токоподводами, включая падение напряжения на приэлектродных слоях. При регистрации падения напряжения и силы тока в цепи разряда в светолучевом осциллографе использовались гальванометры МО14-1200, погрешность которых составляет 5%. Для снятия оптических характеристик ДПО использовался фотометр типа AIEЦ2-С с вакуумным фотоэлементом типа Ф-2. При уровне относительной чувствительности фотокатода 50% диапазон принимаемых длин волн от 320 до 600 nm. Специально поставленные эксперименты показали, что постоянная времени фотометра составляет не более 5 ms.

Эксперимент Результат экспериментальной реализации автономного долгоживущего плазменного образования представлен на рис. 4, 5. Фотосъемка проводилась вручную на цветную пленку „Кодак-400“ фотоаппаратом „Зенит ЕТ“ с объективом МИР-1В (диафрагма 8, выдержка 1 / 125 s) Рис. 5. Долгоживущее плазменное образование в момент завершения формирования.

с расстояния 4 m в затемненной лаборатории в момент завершения формирования ДПО. На фотографии, в самом низу, видны элементы плазменной пушки, а ДПО имеет грибообразную форму (рис. 4) (на момент формирования), затем самопроизвольно трансформируется в шар (рис. 5) диаметром 35-40 cm. Следует отметить, что на фотографиях представлены разные опыты. Шар частично находится за стойкой с измерительной аппаратурой. Расстояние от плазменной пушки до центра шара около 70 cm на момент съемки 1 s после завершения подвода энергии. В данном опыте сила тока составляла 10.2 kA, длительность импульса тока 100 ms.

Рассмотрение физических процессов по объяснению причин длительного свечения наблюдаемых ДПО является предметом отдельного исследования. Однако следует отметить, что фотометрические измерения величины излучаемой энергии показали, что суммарная радиационная энергия высвечивания ДПО за время его жизни превышает полную расчетную энергию, состоящую из тепловой энергии частиц, энергии ионизации и энергии фазовых переходов в конденсированной дисперсной фазе. В зависимости от услоий эксперимента высвечиваемая энергия составляет от 1.6 ± 0.7 до 10.8 ± 4.4 kJ. Следовательно, часть энергии запасается, например, электромагнитным полем, т. е. автономное ДПО является беззеркальной ловушкой фотонов. Этот вывод подтверждается тем, что в определенной доле экспериментов (10%) перед разрушением ДПО его светимость возрастает („бугорок светимости“ на рис. 3), Рис. 4. Долгоживущее плазменное образование в момент формирования. что необъяснимо с позиций остывающей плазмы.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере Эксперименты показывают, что существуют некото- [6] Имянитов И.М., Тихий Д.И. За гранью законов науки. М.:

Атомиздат, 1980. 191 с.

рые пороговые значения параметров или условий опыта, [7] Сингер С. Природа шаровой молнии. Пер. с англ. М.: Мир, начиная с которых происходит самоорганизация ДПО, и 1973. 239 с.

оно живет в свободной атмосфере значительное время.

[8] Ohtsuki Y.-H., Ofuruton H., Kondo N. et al. // Proc. 5th Intern.

Обработка экспериментальных данных показала, что Sump. on Ball Lightning. Tsugawa-Town, 1997. P. 167.

зависимость времени послесвечения от энергии разряда, [9] Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния. М.: Мир, как и для силы тока, нелинейная [19]. В качестве первого 1983. 288 с.

приближения была выбрана линейная зависимость, кото[10] Bychkov V.L., Bychkov A.V., Stadnik S.A. // Physica Scripta.

рая строилась методом наименьших квадратов. Следует 1996. Vol. 53. P. 749.

отметить, что пересечение этой линии с осью абсцисс, [11] Григорьев А.И., Григорьева И.Д., Ширяева С.О. // Химия т. е. при времени жизни, равном нулю, энергия окаплазмы. 1992. № 17. С. 218–249.

зывается равной 40 kJ, что соответствует параметрам [12] Кунин В.Н. Шаровая молния на экспериментальном полигоне. Владимир: гос. ун-т, 2000. 84 с.

разряда при силе тока 10.4 kA. Однако следует признать, [13] Шаровая молния в лаборатории. Сб. статей / Под ред.

что такое построение зависимости времени жизни от Р.Ф. Авраменко, В.Л. Бычкова, А.И. Климова, О.А. Синэнергии не имеет достаточного обоснования, критерий кевича. М.: Химия, 1994. 256 с.

более сложен и в настоящее время еще не обнаружен.

[14] Авраменко Р.Ф., Николаева В.И., Поскачеева Л.П. // Сб.

Установленную статистическую связь между временем статей / Под ред. Р.Ф. Авраменко и др. М.: Химия, 1994.

жизни ДПО и подводимой электрической энергией можС. 15–56.

но рассматривать как умеренную (коэффициент корреля[15] Александров А.Ф., Бахгат Ю., Скворцов М.Г. и др. // ции 0.32 при значимости 2 = 0.1). Это говорит о том, ЖТФ. 1986. Т. 56. Вып. 12. С. 2392–2396.

что эта связь определяется более сложной комбинацией [16] Кирко Д.Л., Самончев П.В., Мартынов А.А. // Письма в параметров, поиск которой необходимо продолжить.

ЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 10. С. 78–81.

[17] Бычков В.Л., Бычков А.В., Тимофеев А.Б. // ЖТФ. 2004.

Т. 74. Вып. 1. С. 128–133.

Выводы [18] Шибков В.М., Александров А.Ф., Кузовников А.А. // Сб.

статей / Под ред. Р.Ф. Авраменко и др. М.: Химия, 1994.

Проведены эксперименты по получению автономных С. 136–150.

долгоживущих плазменных образований с плотностя[19] Егоров А.И., Степанов С.И. // ЖТФ. 2002. Т. 72. Вып. 12.

ми энергии, сопоставимыми со среднестатистическими С. 102–104.

плотностями энергии, характерными для природных ша- [20] Егоров А.И., Степанов С.И. Препринт ПИЯФ РАН.

№ 2558/2004. Гатчина, 2004. 18 с.

ровых молний. Расчет плотности энергии автономных [21] Шабанов Г.Д. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 4. С. 81– ДПО с диаметром 30 cm и запасаемой энергией 10 kJ 86.

составляет 0.7cm-3, что согласуется с анализом дан[22] Кунин В.Н., Фуров Л.В. // Изв. вузов. Физика. 1990. № 6.

ных, проведенным Дж. Барри [9], о плотностях энергии С. 119–121.

ШМ. Шаровая молния — явление с относительно малой [23] Фуров Л.В. // Материалы XII научной конф. ученых Украплотностью энергии; она составляет по порядку величиины, России, Белоруссии. Прикладные задачи математики ны 1 J cm-3, а изменения значений охватывают диапазон и механики. Севастополь: СевНТУ, 2003. С. 57–61.

2 · 10-3-2 · 102 Jcm-3.

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.