WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 11 03;04;12 Эксперименты по инжекции пылевых струй в плазму © Д.В. Вялых, А.Е. Дубинов, И.Л. Львов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607190 Саров, Нижегородская область, Россия e-mail: dubinov@ntc.vniief.ru (Поступило в Редакцию 18 февраля 2004 г.) Разработана методика проведения экспериментов по изучению инжекции пылевых струй в воздушную плазму тлеющего разряда. Проведены измерения скорости и времени пролета пылевых струй при разных начальных условиях. Показано, что при пролете частиц вдоль и поперек разряда появляется неустойчивость самосжатия, которая приводит к появлению агломерации и кластеризации частиц в плазме.

В экспериментах с запыленной плазмой важным явля- инжекции частиц сквозь иглу под действием силы грается вопрос о том, как частицы конденсированной фазы витации приводит к определенным проблемам: частицы вещества (пылинки) попадают в объем, занимаемый размером 40 µm и менее имеют между собой заметное плазмой. Во-первых, частицы могут или вырастать из сцепление и забивают канал иглы. Поэтому было регазовой фазы при плазменно-химических взаимодействи- шено так изменить схему эксперимента (рис. 1), чтобы ях [1] и конденсации в распадающейся плазме [2], или с использованием уже разработанного игольчатого инпопадать в плазму в результате эрозии электродов [3] и жектора можно было инжектировать частицы меньшего изоляторов [4]. Во-вторых, они могут быть инжектиро- размера. Для этого было сделано следующее: инжектор ваны в плазму с помощью специальных устройств. частиц на основе медицинского шприца расположили Были проанализированы известные из литературы горизонтально так, чтобы конец иглы входил в малое различные способы инжекции частиц в плазму и со- отверстие катода, но оставался заподлицо с поверхответствующие виды инжекторов, среди которых ме- ностью катода, обращенной к разрядному промежутку.

ханически встряхиваемый сетчатый контейнер частиц, При этом инжекция частиц осуществлялась горизонустановленный вверху камеры [5,6]; вибрирующая мем- тально вдоль оси тлеющего разряда постоянного тока.

брана (использовался динамик громкоговорителя), уста- Косой срез, имеющийся у медицинских игл, был отрезан.

новленная на дне камеры и подбрасывающая частицы [7]; Внутрь шприца был введен искровой газоразрядный вращающийся внутри камеры барабан с лопастями с го- промежуток, подключенный к генератору БИНГ-5 [12] ризонтальной осью, поднимающий частицы наверх [8,9]. высоковольтных импульсов амплитудой 10 kV и длительПервые два способа были опробованы нами экспери- ностью фронта 5 ns. Таким образом, при возникновении ментально. Было установлено, что перечисленные спо- импульсного искрового разряда внутри шприца создавасобы и устройства не удовлетворяют условиям локальности и прецизионности инжекции, так как начальные координаты и компоненты скорости, с которыми пылинки попадают в плазму, имеют значительные разбросы.

Поэтому нами недавно была предложена концепция прецизионного игольчатого инжектора пылинок в плазму, разработана его конструкция, а последующие эксперименты подтвердили его высокие эксплуатационные качества. С его помощью были проведены эксперименты по вертикальной инжекции частиц вниз со скоростью их свободного падения поперек разрядного тока на пролетной базе 10 cm, в которых было обнаружено рассеяние пылинок коллективными колебаниями плазмы [10]. Эти эксперименты проводились с частицами, имеющими размер (60 ± 5) µm. С помощью игольчатого инжектора было также реализовано управляемое ориентирование удлиненных пылинок диаметром 100 µm и Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — соединяющая шина; 2 — длиной 3 mm [11].

положительный электрод, подключенный к выходу генератора Ожидалось, что использование частиц с меньшим БИНГ-5; 3 —подставка; 4 — инжектор пылинок; 5 —игла;

размером может привести к тому, что будут обнару6 — обзорное стекло; 7 — фотоприемник; 8 —катод; 9 — жены новые эффекты, которые незаметны с тяжелыми мишень; 10 —анод; 11 — изолятор; 12 — электрод; 13 — частицами. Однако оказалось, что техника вертикальной частицы; 14 —ствол иглы; 15 — лазер; 16 — пылевая струя.

128 Д.В. Вялых, А.Е. Дубинов, И.Л. Львов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир фотоприемника типа FD-256, сигналы с которых синхронно подавались на цифровой двухканальный осциллограф типа Tectronics TDS-3052B. В отсутствие преграды на пути лазерных лучей осциллографы прописывали постоянное смещение. При прохождении пылевой струи сквозь лазерные лучи происходило кратковременное затенение фотоприемников, что можно фиксировать на осциллограммах в виде импульсов падения напряжения.

Подобная схема регистрации макрочастиц в плазме, но с помощью одного лазерного луча, была применена в [3].

На рис. 2 представлены типичные осциллограммы пары импульсов затенения, когда инжекция осуществлялась при атмосферном давлении и в отсутствие разряда.

Скорость фронта пылевой струи была оценена нами как Рис. 2. Осциллограммы импульсов затенения лазерных лучей, 10 ± 1.5m/s (здесь и далее усреднение по результатам полученных при давлении P = 750 Torr в отсутствие разряда 10 импульсов). Такие же эксперименты в отсутствие (стрелки здесь и ниже показывают момент срабатывания разряда при давлении воздуха 1 Torr дали скорость наносекундного искрового разряда).

фронта пылевой струи 0.15 ± 0.02 m/s (рис. 3). Столь различные значения скорости пылевой струи при разных давлениях объясняются просто: интенсивность ударной лась ударная волна, выстреливающая пылинки из канала иглы. Подобный способ инжекции одиночных частиц в плазму описан в [13], а данный искровой источник ударного давления при давлениях 1 Torr и ниже был опробован нами в [14].

Была разработана технология заполнения канала иглы примерно одинаковыми порциями частиц (около 104 частиц). Вкратце эта технология заключается в погружении иглы на определенную глубину в емкость с частицами и в последующем проталкивании порции от конца к основанию иглы с помощью специального шомпола, имеющего диаметр, почти совпадающий с диаметром канала иглы.

Заряженный таким образом инжектор помещался в газоразрядную камеру (длина межэлектродного промежутка 450 mm, поперечное сечение камеры и электро- Рис. 3. Осциллограммы импульсов затенения лазерных лучей, полученные при давлении P = 1 Torr в отсутствие разряда.

ды — квадраты со стороной 100 mm), юстировался, а затем происходила подготовка камеры к зажиганию тлеющего разряда. После установления необходимого режима горения стационарного разряда с помощью зондовой методики определялись параметры плазмы, а затем осуществлялась инжекция пылевых частиц. Ниже приведены результаты экспериментов, когда использовались диэлектрические частицы (карбид кремния) размером (20 ± 5 µm), игла с диаметром канала 200 µm и длиной 50 mm; длина порции пыли в канале иглы составляла 7 mm, а плазмообразующим газом был воздух при давлении 1 Torr.

Первая серия экспериментов была направлена на измерение скорости пылевых струй. Для этого нами была применена следующая методика измерений. На расстоянии 5 и 15 mm от среза иглы предполагаемую трассу пылевой струи пересекали два лазерных Рис. 4. Осциллограммы пары импульсов затенения лазерлуча диаметром 3 mm, созданные полупроводниковыми ных лучей, полученные при следующих условиях: давление лазерами, непрерывно излучающими в красном свете P = 1 Torr, разрядный ток I = 0.1 A, концентрация электро( = 680 nm), мощность излучения была 3 mW. На пронов в плазме ne = 2.6 · 106 cm-3, электронная температура тивоположной стороне трассы были установлены два Te = 5eV.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Эксперименты по инжекции пылевых струй в плазму Рис. 5. Отпечатки пылевых струй при P = 1Torr (a–e); I = 0 (a), 0.05 (b), 0.1 (c), 0.15 (d), 0.25 µA (e).

9 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 130 Д.В. Вялых, А.Е. Дубинов, И.Л. Львов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир волны искрового разряда существенно уменьшается с механизмами рассеяния пылинок на многочисленных уменьшением давления газа. Но длина струи ( 1cm) плазменных осцилляциях.

в обоих случаях сохранялась примерно одинаковой на Анализ отпечатков (рис. 5) позволил также обнарупролетной базе измерений, что чуть больше первона- жить, что в поперечном сечении пылевой струи также чальной длины порции пыли в канале иглы при зарядке. наблюдаются процессы агломерации и кластеризации На рис. 4 представлены типичные осциллограммы частиц. Здесь можно определить и характерные поперечзатемнения, когда инжекция производилась в плазму ные размеры пылевых агломератов — десятые и сотые тлеющего разряда при разрядном токе 0.1 A (получен- доли миллиметров, так что агломераты содержат по ные с помощью зондовых измерений концентрация элек- меньшей мере от нескольких десятков до нескольких сотен пылинок.

тронов — 2.6 · 106 cm-3 и электронная температура — Обнаруженная агломерация и кластеризация частиц 5eV). Оказалось, что скорость фронта пылевой струи в плазме являются прямым экспериментальным наблюв плазме равна 0.5 ± 0.8 ms, что заметно выше, чем дением притяжения одноименно заряженных пылинок, в неионизованном газе того же давления. Сравнение ранее обнаруженная лишь на их одномерных и двумеросциллограмм рис. 4 и 5 показывает, что длительность ных моделях [17]. Ранее агломерация и кластеризация импульсов затенения в них примерно одинакова. Это частиц конденсированной фазы наблюдались с частиговорит о том, что пылевая струя в плазме целиком цами нанометровых размеров (например, при росте испытывает ускорение на некотором участке своего частиц кремния из газовой фазы в аргон-силановой пути, а не расплывается в продольном направлении.

плазме [18]), а кластеризация инжектированных частиц Оценки показывают, что за ускорение заряженных пыразмером более 10 µm в плазме, по нашим сведениям, линок может быть ответственно электрическое поле в наблюдалась в наших исследованиях впервые.

прикатодном слое. Обращает также на себя внимание Итак, в данной работе разработана методика изучения то, что осциллограммы затенения в плазме стали более инжекции пылевых струй в плазму тлеющего разряда изрезанными. Это говорит о том, что в направлении постоянного тока, измерена скорость фронта пылевых своего движения в струе развивается неустойчивость, струй в плазме, которая оказалась несколько выше, чем приводящая к агломерации и кластеризации частиц. Поу струи в неионизованном газе, обнаружены продольная видимому, это — неустойчивость самосжатия, описани поперечная агломерация и кластеризация частиц в ная в [15,16] и связанная с притяжением пылинок, плазме, что является прямым экспериментальным накоторое обнаружено нами в экспериментах [17] ранее.

блюдением притяжения одноименно заряженных пылиВзяв среднюю длительность микропиков на вершине нок.

осциллограмм рис. 4, можно оценить, что продольный размер пылевых агломератов составляет десятые доли Работа выполнена в рамках научного гранта миллиметра и менее.

NWO-047.016.020.

Вторая серия экспериментов была связана с изучением поперечной структуры пылевой струи. Для этого на Список литературы расстоянии 35 mm от среза иглы (т. е. на расстоянии, превышающем продольную длину струи) устанавлива[1] Garrity M., Peterson T.W., O’Hanlon J.F. // J. Vac. Sci.

лась мишень размером 37 37 mm, представляющая Technol. 1996. Vol. 14A. N 2. P. 550–557.

собой тонкую пленку с клеевым слоем, обращенным [2] Смирнов Б.М. // ТВТ. 1993. Т. 31. № 2. С. 176–180.

навстречу струе (использовался скотч бытового назна[3] Jenkins J.E., Chatterton P.A. // J. Phys. D. 1977. Vol. 10. N 3.

чения фирмы „Rusi Star“). После получения отпечатка P. L17–L24.

пленка с наклеенными частицами плотно без складок [4] Бычков В.Л., Гридин А.Ю., Климов А.И. // ТВТ. 1994. Т. 32.

приклеивалась к предметному стеклу фирмы „Star Frost“ № 2. С. 190–194.

и маркировалась, после чего приобретала возможность [5] Fortov V.E., Nefedov A.P., Torchinsky V.M. et al. // Phys. Lett.

длительного хранения до обработки. Типичное увеличе- A. 1997. Vol. 229. N 5. P. 317–322.

[6] Misconi N.Y. // Laser. Particle Beams. 1996. Vol. 14. N 3.

ние изображения отпечатка пылевой струи, движущейся P. 501–510.

в неионизованном воздухе при давлении 1 Torr, полу[7] Shoji T., Fujigaya M., Tomita H. // Physica Scripta. 2001.

ченное регистрацией оптическим сканером с разрешеVol. T89. P. 41–44.

нием 1200 dpi, показано на рис. 5, a. Форма отпечатка — [8] Xu W., D’Angelo N., Merlino R.L. // J. Geophys. Res. 1993.

почти круг с равномерным распределением частиц со Vol. 98. N A5. P. 7843–7847.

слегка спадающей концентрацией частиц от центра к [9] Barkan A., D’Angelo N., Merlino R.L. // Phys. Rev. Lett. 1994.

периферии.

Vol. 73. N 23. P. 3093–3098.

Отпечатки струй в плазме при давлении 1 Torr при [10] Булычев С.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С. и др. // ПМТФ.

различных значениях тока тлеющего разряда показаны 2001. Т 42. № 6. С. 19–26.

на рис. 5, b–e. Легко видеть, что размер отпечатков струй [11] Булычев С.В., Дубинов А.Е., Кудасов Ю.Б. и др. // Письма в плазме чуть больше, чем на рис. 5, a, а их форма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 15. С. 45–48.

осталась близкой к круговой. Увеличение размеров [12] Kudasov B.G., Pavlov S.S., Tananakin V.A. et al. // Proc. IEEE отпечатков в плазме по сравнению с газом одинаково11th Intern. Pulsed Power Conf. Baltimore (Maryland, USA), го давления связано, по-видимому, с дополнительными 1997. P. 1572–1574.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Эксперименты по инжекции пылевых струй в плазму [13] Асаналиев М.К., Жеенбаев Ж.Ж., Самсонов М.А., Энгельшт В.С. // Физ. и хим. обраб. матер. 1978. № 3.

С. 65–71.

[14] Dubinov A.E., Sadovoy S.A., Selemir V.D. // Shock Waves.

2000. Vol. 10. N 1. P. 73–76.

[15] Цытович В.Н., Резендес Д. // Физика плазмы. 2000. Т. 24.

№1. С. 71–82.

[16] Дубинов А.Е., Селемир Д.В., Шайдулин В.Ш. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 17. С. 84–89.

[17] Дубинов А.Е., Жданов В.С., Игнатов А.М. и др. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 13. С. 73–80.

[18] Buss R.J., Babu S.V. // J. Vac. Sci. Technol. 1996. Vol. 14A.

N 2. P. 577–581.




© 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.