WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 11 04;12 Исследование процессов формирования плазмы сильноточного разряда в парах металла © М.А. Красноголовец Институт физики высоких эенргий и ядерной физики, Национальный научный центр, Харьковский физико-технический институт, 310108 Харьков, Украина (Поступило в Редакцию 10 ноября 1998 г.) Исследован метод преобразования энергии емкостного накопителя в энергию сильноточного газового разряда в парах алюминия. Изучены пространственные и временные характеристики плазмы газового разряда.

Определены электронная температура, концентрация заряженных частиц и проводимость плазмы.

Введение При подаче на поджигающий электрод короткого импульса высокого напряжения с амплитудой u = 2·104 Vи Высокотемпературная плазмы находит широкое придлительностью = 2-3·10-6 s между электродами и по менение в технологических процессах, связанных с издиэлектрической шайбе. Возникающий разряд бежит по менением состава и свойством поверхности материстволу плазменной пушки и в конце пути ”выстреливает” ала: плавка, закалка, сварка. Создание новых коммув разрядную камеру сгусток ионизированного газа, тем тирующих устройств, плазменных усилителей и генесамым ослабляя электрическую прочность разрядного раторов, высокоинтенсивных источников света немыпромежутка, что способствует развитию импульсного слимо без применения высокотемпературной плазмы дугового разряда между электродами. Энергия, наков качестве активной среды когерентного излучения. В пленная батареей конденсаторов, вкладывается в плазму, работе приведены результаты экспериментальных иснагреваяя ее до высоких температур. При рекомбинаследований некоторых параметров плазмы, образуюции плазма излучает в широком диапазоне длин волн.

щейся при развитии сильноточного газового разряда Длительная эксплуатация установки показала надежную в парах алюминия.

работу такой системы запуска.

Исследования проведены на установке, предназначенСинхронизация работы установки с диагностической ной для изучения процессов рекомбинирующей плазмы в аппаратурой осуществляется с помощью импульсного парах металла. Основными узлами установки являются разрядная камера, вакуумый пост, устройство управле- генератора Г-5-15. Генератор запускает ждущие разния моментом поджига разряда, диагностическая аппа- вертки двухлучевого осциллографа с1-16 и запоминаратура. ющего осциллографа типа с1-41, а также вырабатыВакуумная камера, выполненная и нержавеющей ста- вает задержанный импульс положительной полярности ли, имеет объем около 0.2 m3 и откачивается до давления амплитудой 80–100 V и длительностью 4-5 · 10-6 s, остаточных газов p = 10-5 mm Hg. Через специальные который поступает на блок управления моментом подизолирующие фланцы в камеру вводятся металлические жига.

электроды, образующие разрядный промежуток. Длина Для измерения силы тока в разрядном контуре исразрядного промежутка может изменяться в пределах от пользуются коаксиальный шунт или пояс Роговского.

1 до 10 cm. Электроды соединены коаксиальным кабелем Осциллограммы напряжения, приложенного к разрядс накопителем энергии, представляющем собой батарею ным электродам, получали с помощью емкостного резималоиндуктивных высоковольтных конденсаторов типа стивного делителя напряжения. Для исследования вреUK 100-0.44Н, общей емкостью C = 8 · 10-6 F. Батарея менных характеристик излучения плазмы в рентгенов конденсаторов заряжается от высоковольтного источниской области спектра используется датчик рентгеновских ка напряжения U0 = 5-50·103 V. Электроды, изготовленлучей, состоящий из отсекающего фильтра (бериллиные из алюминия, являются основными поставщиками евая фольга толщиной d = 30 · 10-6 m), который вещества в плазму. Один электрод в первый полупене пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение;

риод разрядного тока является анодом и имеет очень сцинтиллятора (кристалл NaI), преобразующего рентгепростую конструкцию. Он представляет собой цилиндр новское излучение в видимое; фотоумножителя (ФЭУдиаметром d = 2 · 10-2 m, торцевая поверхность кото19М), преобразующего видимое излучение в электрирого имеет форму полусферы. Второй электрод (катод) ческий сигнал. Электрические сигналы с коаксиальновнешне по форме такой же, но представляет сложную внутреннюю конструкцию. Внутри электрода смонтиро- го шунта, пояса Роговского, делителя напряжения и вана плазменная пушка, предназначенная для поджига датчика рентгеновского излучения поступают на вход электрического разряда между основными электродами. осциллографа.

Исследование процессов формирования плазмы сильноточного разряда в парах металла Экспериментальные исследования параметров сильноточного газового разряда Сравнительно точные данные о электронной температуре Te можно получить, применяя простую методику, основанную на измерении относительной интенсивности неразложенного рентгеновского излучения плазмы, проходящего через поглощающие пленки различной толщины [1].

Если известна зависимость коэффициента поглощения µ для выбранного фильтра от длины волны, то относительно ослабление интенсивности неразложенного спектра излучения плазмы выразится формулой [2] yk+2 1 Pk Fk(Pk) = 1 + y exp - - y dy, 3 2 yyk hk akdh3 1/yk =, Pk =, ak = µk3, Te Te где µ — линейный коэффициент ослабления фильтра;

d — толщина поглощающего фильтра; h — постоянная Планка; индексы k и k+1 обозначают скачки поглощения в области резонансных частот, соответствующих энергиРис. 1. Кривые поглощения бериллия при различной элекям атомных уровней (1 <2 <...

тронной температуре плазмы: — — расчет, —o—о— — экспеИспользуя эту формулу, были рассчитаны относительримент.

ные коэффициенты поглощения бериллиевых фольг для различных Te, которые приведены на рис. 1. Экспериментальные кривые получены при измерении интенсивности излучения, прошедшего через набор поглощающих бений происходят настолько часто, что при любом изменериллиевых фольг толщиной 30–210 µm. Интенсивность нии условий в плазме соответствующее распределение прошедшего излучения регистрировалась рентгеновской устанавливается мгновенно. Расчет производим исходя пленкой РФ-7, спектральная чувствительность которой из выражения [3] ne 1.6 · 1012Te1/2x(p; q)3, где Te — практически равномерна в исследуемом диапазоне длин электронная температура в K; x(p; q) — потенциальная волн. Результаты фотометрирования пленок позволили энергия возбуждения с уровня q на уровень p в eV. Для получить относительные коэффициенты поглощения беалюминия x(p; q) =4.0eV.

риллиевых фольг для различной Te, по этим данным Результаты расчетов приведены на рис. 2. Эти репостроены экспериментальные кривые для трех случазультаты показывают, что при развитии сильноточного ев (при зарядном напряжении U0 = 2 · 104, 3 · 104, газового разряда в парах алюминия образуется плазма с 4 · 104 V). Сравнивая расчетные и экспериментальные концентрацией электронов ne 1017 cm-3.

кривые, определяем электронную температуру плазмы Используя формулу Спитцера [4], можно определить для указанных случаев: u0 = 2 · 104, 3 · 104, 4 · 104 V;

проводимость плазмы Te 1200, 1600, 2200 eV. Из полученных результатов можно сделать вывод, что при развитии газового разря3.3 · 102(Z)Te3/2 3(kTe)3/да в парах алюминия образуется высокотемпературная =, ln =ln, z2 ln плазма. Значение электронной температуры использует- 2(4)1/2z3e2n1/e ся при определении концентрации плазмы, ее степени и где Z — средний заряд ионов плазмы (Z = 1) =0.58, кратности ионизации и других параметров.

Не менее важным параметром, чем Te, является кон- (Z = 2) =0.68, (Z = 3) =0.78, — кулоновский логарифм, e — заряд электрона.

центрация электронов ne высокотемпературной плазмы.

Концентрацию электронов будем находить из условий При высоких температурах мы имеем практически локального термодинамического равновесия (ЛТР). В 100%-ную ионизацию плазмы с кратностью ионизации модели ЛТР предполагается, что распределение электро- Z = 2. Результаты расчета приведены на рис. 3, из нов по энергетическим уровням целиком определяется которого видно, что разряд в парах алюминия создает столкновениями между частицами, процессы столкнове- плазму с проводимостью > 1011 -1. Это открывает Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 136 М.А. Красноголовец P = 2800 R/s. Зная мощность дозы излучения, можно определить интенсивность рентгеновского излучения I = 0.11P/, где 0.11 — энергетический эквивалент рентгена в воздухе, P — мощность дозы излучения, = 6 · 102 1/cm-1. Следовательно, интенсивность рентгеновского излучения равна I = 0.52 W/cm2.

Проведено также исследование интенсивности рентгеновского излучения от давления остаточных газов в разрядной камере. Выяснилось, что с повышением давления остаточных газов интенсивность рентгеновского излучения уменьшалась и при давлении p0 = 2 · 10-2 mm Hg рентгеновское излучение отсутствует. Длительность излучения в видимой части спектра также составляет 50-60 · 10-6 s. Зависимость интенсивности излучения во времени по характеру сходна с зависимостью интенсивности излучения в рентгеновских областях спектра.

Пространственные характеристики разряда исследовались с помощью камеры-обскуры в видимой области Рис. 2. Зависимость концентрации электронов от электронной спектра и рентгеновских лучах. Как показывает анализ температуры.

фотографий вакуумных разрядов, на электродах наблюРис. 4.

Рис. 3. Зависимость проводимости плазменного шнура от электронной температуры.

широкую перспективу для применения плазмы при передаче энергии.

Исследования временного поведения плазмы проводи лось в видимой рентгеновской области спектра излучений. Рентгеновское излучение преобразовалось в видимое с помощью сцинтиллятора на кристалле и регистрировалось фотоумножителем. На рис. 4 приведена осциллограмма рентгеновского излучения при U0 = 35 · 103 V и давления остаточных газов в камере p = 10-5 mm Hg.

Изрезанность осциллограммы можно объяснить развитием нестабильности в разряде [5], что приводит к обрывам тока и характерной для этого случая вспышке рентгеновского излучения. Мощность дозы рентгеновского излучения измерялась с помощью дозиметров из комплекта КИД-2 и оказалась довольно большой. Так, при зарядном напряжении на каждой стороне батареи всего лишь 2.5 · 104 V, мощность дозы оказалась равной Рис. 5.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Исследование процессов формирования плазмы сильноточного разряда в парах металла даются многочисленные катодные пятна. Вблизи анода образовывалось плазменное облако, которое интенсивно излучало.

На рис. 5 приведен разряд в рентгеновских лучах, что позволило определить объем наиболее горячей плазмы, которая оказалась вблизи анода. Этот объем составил около 4 cm3 и интенсивно излучало в рентгеновском диапазоне длин волн.

Список литературы [1] Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М.: Наука, 1975. 355 с.

[2] Алексин В.Ф., Супруненко В.А. // ЖТФ. 1965. Т. 35. С. 1498.

[3] Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддстоуна, С. Леонарда.

Пер. с англ. М.: Мир, 1967. С. 515.

[4] Зарянов В.Д., Клементов А.Д., Кулиновский Н.Г., Розанов В.Б. // Квантовая электрон. 1976. Т. 3. № 2. С. 131.

[5] Гусев Ю.Г. Справочник по радиационной защите. М.: Атомиздат, 1968. 286 с.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып.




© 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.