WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 8 Краткие сообщения 04;12 Локальные параметры плазмы и интегральные характеристики магнитогазодинамического канала в ионизационно неустойчивой плазме © Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, Т.А. Лапушкина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 16 июля 1999 г.) В эксперименте исследовалось развитие ионизационной неустойчивости в модели дискового фарадеевского МГД канала, сопряженного с ударной трубой, в чистом инертном газе (ксеноне) без щелочной присадки.

Определена связь локальных параметров ионизационно неустойчивой плазмы с интегральными характеристиками в неравновесных МГД каналах. Изучен механизм усиления возмущений и увеличения эффективной проводимости. Делается вывод о том, что основная причина этого явления заключается в особенностях трехчастичной рекомбинации инертных газов.

Работа направлена на то, чтобы на основе изучения ции значения эффективной проводимости концентрации структуры неоднородностей и измерения локальных па- электронов и их флуктуации увеличиваются.

раметров плазмы построить некую непротиворечивую Исследования показали, что степень расслоения элекфизическую модель, объясняющую обнаруженное авто- тронной температуры Te и температуры тяжелого комрами явление повышения эффективной проводимости понента плазмы Tg достигает Te/Tg = 4. Если при плазмы при развитии ионизационной неустойчивости в B = 0 плазма рекомбинирующая > eq, то при чистых инертных газах.

селективном нагреве электронов в индуцированном элекОписание экспериментальной установки приводится трическом поле степень ионизации оказывается меньше в [1,2]. Она состоит из ударной трубы с дисковым равновесных значений как в начальном состоянии, так МГД каналом диаметром 0.32 m и высотой 0.01 m. Мак- и во флуктуациях, т. е. в случае МГД взаимодействия симальная величина магнитной индукции 1.4 T. Экспе- плазма ионизуемая < eq. Степень ионизации газа римент проводился в Xe при числе Маха падающей достаточно велика > 10-4, так что распределение ударной волны 6.9 и начальном давлении 26 Torr. Параэлектронов по скоростям можно считать максвелловметры плазмы на входе в дисковый канал: r = 0.04 m, ским. Состояние плазмы характеризуется тем, что по u0 = 1.27 · 103 m/s, 0 = 0.45 kg/m3, Ta0 = 2600 K, мере увеличения степени ионизации газа с ростом магTe0 = 3100 K, 0 = 2.6 · 10-4, M = 2.45. В дисконитного поля изменяется соотношение между частотами вом канале индуцируется кальцевой фарадеевский ток и передачи импульса при столкновении с нейтралами ea и радиальное поле Холла. Канал работал или в режиме при столкновении с ионами ei короткозамкнутого фарадеевского канала или в него помещалась узкая вставка в виде сектора с тремя пара- ea = naceQea, ei = neceQei.

ми электродов, к которым подключалось сопротивление Здесь na, ne — концентрация атомов и ионов соотнагрузки. При этом значения коэффициента нагрузки ветственно, ce — средняя интегральная скорость элекнаходились в диапазоне 0 < k < 0.2.

тронов, Qea и Qei — соответственно осредненные по Методы определения газодинамического поля темаксвелловской функции сечения передачи импульса при чения, методы измерения эффективной проводимости столкновениях с атомами и при кулоновских столкновеплазмы, параметра Холла, концентрации и температуры электронов, регистрации светящихся неоднород- ниях. В условиях эксперимента 0.2

отличительным признаком плазмы инертных газов являОсновные результаты предыдущих исследований [1–3], используемые в данной работе, заключаются в следую- ются сравнительно низкие значения коэффициента рещем. При B > Bcr эффективная проводимость плазмы, комбинации, что обусловлено особенностями структуры средняя концентрация электронов и величина флуктуа- энергетических уровней. Так, при Te = 8000 K для ции концентрации электронов возрастают при движении щелочных металлов Kr = 5 · 10-39 m6/s, для инертных объема плазмы вдоль канала. С ростом магнитной индук- газов Kr = 5 · 10-41 m6/s.

126 Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, Т.А. Лапушкина тронов соответствуют области с пониженной концентрацией. Также изменяются локальные значения проводимости: в областях с большей концентрацией электронов проводимость газа больше. Изменения параметра Холла находятся в противофазе с изменением проводимости.

Это обусловлено, тем что при этих условиях велика роль кулоновских столкновений и частота передачи импульса растет при увеличении концентрации электронов. Приведенные зависимости служат для определения средних величин Te, ne,,. Однако они еще не дают представления о том, как положительные и отрицательные флуктуации относительно средних величин соотносятся с флуктуациями по отношению к начальным, невозмущенным параметрам плазмы. Т. е. следует выяснить, какова роль положительных и отрицательных возмущений в раскачке колебаний.

Неоднородности имеют определенную ориентацию в пространстве. Она была определена с помощью покадровой киносъемки собственного свечения [2]. Оказалось, что светящиеся неоднородности имеют форму спиц, наклоненных примерно на 20% к азимутальному направлению. Скорость их распространения по порядку величины равна скорости потока, т. е. они как бы вморожены в поток. По мере распространения яркость свечения отдельных спиц возрастает. В среднем на длине канала одновременно существует около двух спиц. Они возникают с определенной скважностью. Эти светящиеся неоднородности для объема плазмы, находящейся на радиусах, значительно больших, чем начальный радиус, в первом приближении можно представить в виде полос в прямоугольной системе координат (рис. 2). В дисковой геометрии направлению y соответствует направление, направлению x — направление r. На рис. 2 показана Рис. 1. Изменение со временем измеренных значений тем- система координат, направление основных векторов j пературы и концентрации электронов и расчетных значений и E0, значения начального тока и напряженности элекпроводимости и параметра Холла (B = 1T, r = 0.09 m). трического поля в плазме, tg =, — угол между направлением тока и нормалью к плоскости слоя /2 < <. Обозначим приращения основных параметров плазмы как j = j - j0, = - 0, На рис. 1 приведен типичный пример того, как при возникновении ионизационной неустойчивости изменяются со временем локальные параметры плазмы, регистрируемые в фиксированной точке канала (в данном случае при r = 0.09 m). Непосредственно в эксперименте были измерены значения температуры и концентрации электронов. Значения проводимости и параметра Холла были рассчитаны с помощью приведенных значений Te и ne и известных значений концентрации атомов (при B = 0 na = 1024 m-3). На зависимостях Te(t) и ne(t) выделяются крупномасштабные неоднородности длительностью 20-50 µs. Эти неоднородности обусловлены плазменными процессами. Более высокочастотные колебания периодом меньше 5 µs могут быть связаны с шумами фотоумножителей. Поэтому в дальнейшем будут анализироваться только крупномасштабные колебания. Обращает на себя внимание то, что областям с повышенной температурой электронов соответствуют области с повышенной концентрацией электронов и, Рис. 2. Схема флуктуаций тока и поля при ионизационной наоборот, областям с пониженной температурой элек- неустойчивости.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Локальные параметры плазмы и интегральные характеристики магнитогазодинамического канала... Рис. 3. Пояснение механизма усиления положительных возмущений концентрации электронов.

= - 0, Te = Te - Te0, n e = ne - ne0, где индексом 0 начальным значением вследствие медленного механизма обозначены значения параметров в окружающей невоз- трехчастичной рекомбинации в инертных газах харакмущенной среде. Можно показать [6,7], что в случае терное время рекомбинации в условиях эксперимента безграничной плазмы флуктуации тока и напряженности порядка 10-1 s. Соответственно в области A возрастет электрического поля связаны с флуктуациями проводи- проводимость, в то время как в области B она остаетмости и параметра Холла следующим образом: ся практически без изменений. Приращения параметра Холла могут быть противоположны приращениям, как показано на рис. 3, a. Положительное приращение и j = J0 sin - cos + J0 cos, (1) отрицательное приводят к усилению флуктуационного тока в области A, который складывается с начальным 1 + 0 J±E = - J0 cos + sin + 0 cos, (2) током, что приводит к большему джоулеву нагреву, 0 0 увеличению температуры электронов и увеличению кон(знак ” + ” — при совпадении направления векторов E центрации. Таким образом, положительные возмущения и k, знак ” - ” — при противоположных направлениях).

Te и ne приводят к усилению возмущений, в то время Отсюда следует, что к усилению флуктуационного как отрицательные не имеют перспектив на развитие.

тока в направлении j0 и напряженности электриче- Предположим, произошла отрицательная флуктуация ne.

ского поля приводят положительные флуктуации и Она приведет к уменьшению проводимости и в соответотрицательные. На рис. 3 условно показаны воз- ствии с формулой (1) к уменьшению тока, уменьшению мущения основных параметров плазмы вдоль нормали джоулева нагрева, уменьшению Te, но дальнейшего сник наблюдаемым неоднородностям. Цифрами обозначены жения ne не произойдет.

некоторые безразмерные расстояния вдоль по нормали, За время t1 - t2 объем плазмы A, занимавший посоответствующие обозначения на рис. 2. Проследим ложение 1-2, переместился вдоль по каналу и занял за судьбой положительных и отрицательных флуктуаций положение 3-4 (рис. 3, b). За это время в нем продолконцентрации и температуры электронов. Пусть в не- жали развиваться положительные возмущения Te, ne, который момент времени t1 произошла флуктуация Te, и отрицательные. А на месте 1-2 за это время успела показанная на рис. 3, a. В области с повышенной возникнуть новая флуктуация.

температурой электронов (A), согласно закону кинети- В ограниченном объеме картина флуктуационных токи ионизации [8], возрастает концентрация электронов, ков будет существенно другой по сравнению с рис. 2.

характерное время ионизации при этих условиях около В [6,7] представлены расчетные распределения токов 1 - 5 · 10-5 s. В области с пониженной температу- в фарадеевском канале с идеально секционированными рой (B) она практически не уменьшится по сравнению с электродами. Они показывают, что фарадеевский ток Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 128 Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, Т.А. Лапушкина по линиям равной концентрации электронов замыкается в основном через электроды и частично замыкается внутри плазмы. Все это влияет на величину эффективной проводимости и эффективного параметра Холла. В условиях данного эксперимента эффективная проводимость eff и эффективный параметр Холла eff определяется следующим образом:

eff = j /(uB), eff = Er /(uB), (3), (4) j — плотность азимутального тока при коэффициенте нагрузки k 0.

Данные по eff и eff являются по существу интегральными характеристиками МГД канала.

На рис. 4 показаны значения средних и эффективных проводимостей при различных значениях магнитного Рис. 5. Сравнение средних и эффективных значений параметра Холла: — средние значения, — эффективные.

поля. При B < Bcr эти значения совпадают. С ростом магнитной индукции значения и eff возрастают. Это обусловлено тем, что вследствие селективного нагрева электронов возрастают значения 0, а при развитии данном эксперименте = eff, характеризуются тем, ионизационной неустойчивости возрастают положительчто неоднородности в виде спиц наклонены к азимуные возмущения. При наиболее высоких значениях тальному направлению под небольшим углом, неустойполя эффективная проводимость оказывается несколько чивость развивается при небольших значениях 2-1, ниже, чем средняя eff/ = 0.7, что обусловлено уровень флуктуаций параметра Холла достигает 40%, частичным замыканием в плазме флуктуационных токов.

частота передачи импульса сложным образом зависит от На рис. 5 представлены значения средних и эффек- параметров плазмы.

тивных параметров Холла. Уменьшение этих величин Таким образом, в результате работы установлена связь при росте магнитной индукации связано с тем, что с между локальными параметрами плазмы и интегральростом поля увеличивается концентрация электронов, ными характеристиками МГД канала. Вскрыт механизм что приводит к увеличению роли кулоновских столкно- усиления возмущений и увеличения эффективной прововений и увеличению средней частоты передачи импульса. димости в ионизационно неустойчивой плазме инертных Поэтому параметр Холла падает как в окружающем газов. Показано, что основная причина этого явления заключается в особенностях трехчастичной рекомбинации пространстве, так и в неоднородностях. Значения и инертных газов.

eff, как видно из рис. 5, практически совпадают друг с другом. Теоретически [7] это может происходить, когда направление неоднородностей оказывается близким к Список литературы направлению начального тока. Условия, при которых в [1] Васильева Р.В., Генкин А.Л., Горячев В.Л. и др. Низкотемпературная плазма инертных газов с неравновесной ионизацией и МГД генераторы. Санкт-Петербург: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 1991. С. 206.

[2] Лапушкина Т.А., Васильева Р.В., Ерофеев А.В., Зуев А.Д. // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 12. С. 12–15.

[3] Васильева Р.В., Ерофеев А.В., Миршанов Д.Н., Алексеева Т.А. // ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 7. С. 27–33.

[4] Лапушкина Т.А., Дьяконова Е.А., Васильева Р.В. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 2. С. 58–62.

[5] Erofeev A.V., Vasil’eva R.V., Zuev A.D. et al. // 12th Intern. Conf.

on MHD Electrical Power Generation. Japan, 1996. Vol. 1.

P. 74–82.

[6] Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

[7] Вулис Л.А., Генкин А.Л., Фоменко Б.А. Теория и расчет магнитогазодинамических течений в каналах. М.: Атомиздат, 1971. 384 с.

[8] Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика Рис. 4. Значения средней и эффективной проводимости при неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, различных величинах магнитной индукции: — значения, 1982. 376 с.

— значения eff.




© 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.