Динамика потоков и ускорения микрочастиц в импульсном электротермическом ускорителе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правей рукописи

МАСЛЕННИКОВ Сергей Павлович

ДИНАМИКА ПОТОКОВ И УСКОРЕНИЕ МИКРОЧАСТИЦ В ИМПУЛЬСНОМ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ.

01.04.13 - Электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1998г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профес-

Защнта состоится 16.11.1998г. в 15 час. в ауд. Б-100 па заседании диссертационного совета К053.03.07 в МИФИ но адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31, тел.324-84-98, 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

профессор Школьников Э.Я.

сор, зав. лаб. РФЯЦ ВНИИЭФ Бабич Л .П., кандидат физико-математических наук, с.н.с. физического института им. П.Н.Лсбедева' РАН Крастелев Е.Г.

Ведущая организация: Государстиа i11ы й Научный Центр Российской

Федерации Троицкий Институт Инновационных и Термоядерных Исследований

(ГНЦРФТРИПИТИ)

Автореферат разослан "/У" 10 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

. И.С. Щедрин

Общая характеристика работы.

Использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий обладает рядом преимуществ перед традиционно используемыми аналогами, такими как детонационные установки, плазмотроны и газопламенные установки. Б частности, электротермические ускорители позволяют провести ускорение микрочастиц до существенно более высоких скоростей, что способствует более прочным связям между покрытием и основой, при этом не требуется предварительная специальная термическая и механическая обработка подложки. Отсутствие горючих смесей для работы электротермического ускорителя позволяет обойтись без специальных взрывобезопасных помещений, а ускорение микрочастиц может быть проведено в контролируемой по составу и давлению среде. Установку отличают малые габариты, простота конструкции и обслуживания, экологическая чистота.

Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов, когда была показана принципиальная возможность данного способа напыления. Однако весьма большая величина разрядных токов, а также низкая электрическая эффективность пракгнческн исключали использование подобных ускорителей в частотном режиме.

Новые результаты в области применения импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в начале девяностых годов. Прежде всего, это касалось разработки физических моделей и проведения экспериментальных исследований ускорителей, которые позволили провести анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц. Основным результатом этих работ явилась показанная возможность создания проч

мышленной установки, основанной на ускорении микрочастиц в плазменном потоке, формируемом в электротермическом ускорителе. Вместе с тем подоб-

*

ный способ ускорения характеризуется рядом существенных недостатков, среди которых надо отметить быстрый неконтролируемый нагрев микрочастиц вплоть до температуры испарения их матери&тов. Это влечет за собой невозможность

ускорения мелкодисперсных порошковых материалов, малые скорости ускоряемых микрочастиц по сравнению со скоростями потока. Отсутствие возможности в данном способе ускорения независимого управления тепловым состоянием и скоростью микрочастиц ограничивает его применение в ряде перспективных технологий. Данное положение определило необходимость выбора нового способа ускорения, который должен обеспечивать возможность ускорения микрочастиц до высоких скоростей с сохранением контроля их теплового состояния. Подобная задача предполагает решение целого ряда проблем, связанных с исследованием структуры и измерением параметров формируемых потоков, исследованием динамики ускорения микрочастиц в стволе ускорителя и динамики их распространения в пространстве между срезом ствола и подложкой.

В результате проводимых работ был предложен новый способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа, формируемой в головной части потока, а также формирования этой области с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла. Диссертация посвящена решению вопросов, связанных с возможностью реализации данного способа ускорения.

Целью диссертации является: исследование структуры потоков и выбор наиболее эффективного режима ускорения микрочастиц; анализ динамики микрочастиц различных материалов в стволе ускорителя, а также в пространстве между срезом ствола н подложкой; создание экспериментальных образцов ускорителей; исследование различных схем и характеристик разрядных узлов ускорителей; экспериментальное исследование структуры формируемых потоков и определение их ларамстров.

Научная новизна работы заключается в следую'щем.

Впервые предложен способ ускорения микрочастиц порошковых материалов областью ударно-сжатого газа, формируемой головной ударной волной в стволе электротермического ускорителя. Установлено, что данный способ дает возможность в несколько раз повысить скорость микрочастиц, осуществить контроль над процессом их нагрева.

Л

Впервые предложено формирование области ударно-сжатого газа для ускорения микрочастиц посредством пространственно-временного профилирования ударной полны за счет использования мультиразрядных схем разрядного узла элеетротермического ускорителя. Показана возможность увеличения размеров ускоряемых микрочастиц с сохранением высоких значений их скоростей, а также возможность осуществлять практически независимое регулирование скорости и температуры нагрева микрочастиц, что открывает большие возможности в технологических применениях.

Впервые установлено, что выбором соответствующего расстояния от среза ствола до подложки возможно избежать потерь скорости микрочастиц в пространстве за срезом ствола, а также сохранить их температурное состояние.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют создать промышленную установку на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая может реализовать технологии нанесения покрытий с уникальными свойствами. При этом скорость микрочастиц может составлять величину, превышающую 2 км/с. Установка сравнительно легко адаптируется к ускорению микрочастиц различных материалов и размеров и может проводить ускорение в произвольной по составу и давлению среде, в том числе при атмосферных условиях. Ввиду отсутствия продуктов сгорания горючих смесей данные установки позволяют получать покрытия с высокой степенью химической чистоты. На защиту выносятся. ,

1. Способ ускорения микрочастиц порошковых материалов низкотемпературной областью ударно-сжатого газа потока в электротермическом ускорителе.

2. Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа и критерии устойчивого ускорения микрочастиц в этой области.

3. Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла в ускорителе.

4. Результаты анализа динамики потоков, процессов ускорения и нагрева микрочастиц порошковых материалов в электротермическом ускорителе с мультиразрядной схемой построения разрядного узла.

5. Результаты анализа динамики потоков и движения частиц в пространстве между срезом ствола и подложкой.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик разрядных узлов электротермического ускорителя.

7. Результаты исследования структуры сформированных потоков в электротермическом ускорителе.

8. Результаты экспериментального исследования характеристик потоков в электротермическом ускорителе.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов с использованием разработанных-моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя и формируемых потоков, дублированием измерений-посредством использования различных экспериментальных методик.

. Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были предстаг-лены на следующих симпозиумах и конференциях: The 6th European Symposium on electromagnetic launch technology, the Hague, Netherlands, 2528 May, 1997; The 11th ШЕЕ International Pulsed Power Conference, Baltimore, Maryland, June 29 - July 2,1997; Научная сессия МИФИ-98, Москва, МИФИ, 1923 января 1998г.; The 6th International Conference on the Science of Hard Materials ICSHM-6, Lanzarote, Spain, March 9-14, 1998; The 9-th Electromagnetic Launch Symposium EML-98. Edinburgh, Scotland, UK, May J 3-15,1998.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации «публикованы в 8 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 110 источников. Общий объем работы 130 страниц, из них 107 страниц основного текста, 66 рисунков, 4 таблицы.

Содержание работы. Анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц проводился на основе физических моделей электротермического ускорителя порошковых материалов. Модели включают в себя одномерные нестационарные уравнения гидродина-

6 :■■.■.■■':■■■■

микн, в которые входяу члены, описывающие процессы абляции диэлектрика в разрядном промежутке, турбулентное тречие потока о стенки канала, излучение плазмы и ее омический нагрев' разрядным током. Эти уравнения дополняются уравнением теплообмена между потоком с микрочастицами, уравнением движения микрочастиц, а также уравнениями Кирхгофа для разрядного контура. Модели предполагают рассмотрение нескольких самостоятельных разрядных областей.

В процессе развития разряда в. канале ускорения генерируется высокоскоростной плазменный поток, образованный истечением газа из разрядного промежутка с характерными значениями температур, составляющими десятки тысяч градусов. При ускорении в данном потоке к моменту достижения микрочастицами температуры испарения, они приобретают скорость, не превосходящую 10-5-20 % от скорости потока. Это обстоятельство практически не позволяет использовать традиционный способ ускорения микрочастиц в плазменной части потока для нанесения покрытий.

В то же время в головной части потока существует небольшая пс протяженности область ударно-сжатого газа, которая характеризуется повышенным значением плотности и малым значением температуры по .сравнению с плазменной частью потока. Эффективность ускорения микрочастиц в дайной области потока может быть существенно выше. В самом деле, находясь в области ударно-сжатого газа, к моменту полного расплавления микрочастицы достигают скорости, превышающей 80*90% от скорости потока.

Анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц в стволе электротермического ускорителя показал, что данный способ имеет ограничение на размеры ускоряемых микрочастиц, которое связано с невозможностью формирования ■ »

достаточно протяженной ударно-сжатой области при сохранении ее высокой скорости ввиду интенсивного спада скорости потока вдоль канала ускорения.

При увеличении скорости области ударно-сжатого газа до 2*2,5км/с температура газа в ней достигает 4*6 кК, что существенно меньше температуры плазменной части потока, но вместе с тем ее оказывается достаточно, чтобы за

время устойчивого ускорения микрочастиц различных материалов .они .'нагрелись до температуры испарения. Дополнительные возможности по снижению температуры газа появляются при переходе от схемы ускорителя с одним разрядным промежутком к схеме, реализующей пространственно-временное профилирование процесса вложения энергии в нескольких разрядных областях. Анализ процессов формирования потоков и ускорения микрочастиц в ускорителе, содержащего две самостоятельные разрядные области, расположенные последовательно одна за другой, показал, что при скорости потока на уровне 2+3 км/с температура ударно-сжатого газа в этом случае оказывается ниже на 25-35% соответствующих значений в случае использования одной ударной волны. При этом скорость микрочастиц в данной схеме разрядного узла может быть узеличена благодаря пониженным значениям температуры ударно-сжатого газа, позволяющим инжектировать микрочастицы ближе к разрядной области, где значения скорости потока соответственно выше. Тем не менее, использование данной схемы ускорителя не дает существенного выигрыша с точки зрения увеличения размеров микрочастиц.

Возможность увеличения верхнего предела размеров ускоряемых микрочастиц связана с формированием области ударно-сжатого газа с существенно большим его количеством. Данная задача может быть решена путем разнесения двух разрядных промежутков вдоль канала ускорения. При этом первый разряд обеспечивает формирование низкотемпературной области достаточных размеров для захвата и ускорения в ней микрочастиц требуемого диаметра, а сформированная во втором разрядном промежутке ударная волна доускоряет область ударно-сжагого газа, одновременно уплотняя ее. Анализ подобной схемы » ^ ■ .....

разрядного узла показал, что она позволяет заметно поднять верхний предел размеров ускоряемых микрочастиц порошковых материалов (до 40 мкм и выше) и сохранить высокие значения их скоростей (до 2 км/с и выше). При этом сфор-* мированный поток газа может быть использован и для ускорения микрочастиц с р;: мерами в единицы микрон.

Необходимо отметить весьма важную особенность двухразрядной схемы ускорителя, которая заключается в том, что, варьируя рабочие параметры уста-

8

новки (уровни вкладываемой энерг.ш, место инжекции микрочастиц и длину области ускорен!«) можно реально осуществлять практически независимое регулирование основных паралетрсз микрочастиц: их скорость и температуру.

Движение микрочастиц з пространстве за срезом ствола может сопровождаться существенными потерями скорости и изменениями их теплового состояния, что в конечном счете, влияет на качество наносимых покрытий. Анализ динамики потоков » микрочастиц показал, что путем выбора оптимального расстояния до подложки возможно обеспечить условия, при которых скорость и тепловое состояние микрочастиц практически не изменяются в процессе их движения в пространстве между срезом ствола и подложкой. Так, например, для микрочастиц корунда с диаметрами от 3 мкм до Юмкм наиболее оптимальное расстояние до подложки составляет 1,5 см от среза ствола, а для подобных микрочастиц с диаметрами 20-~}0 мкм это расстояние составляет величину от 1,5 до 5 см.

Анализ динамики ускорения микрочастиц в сформированных в электротермическом ускорителе потоках выполнен для микрочастиц корунда. Данный материал находит широкое технологическое применение и используется при нанесении покрытий. В то же время в экспериментальных исследованиях производилось нанесение покрытий из порошков различных материалов, среди которых можно отметить вольфрам, карбид вольфрама, корунд, интерметаллиды.

Для проведения экспериментальных исследований были созданы два об-• разца электротермических ускорителей. В первом из них реализована одноразрядная схема разрядного узла с длиной разрядного промежутка, составляющей 2 см (дзухэлектродныи ускоритель). Во втором ускорителе разрядный узел имеет два последовательно расположенных разрядных промежутка (трехэлектродный ускоритель), длина первого из которых составляет 1,5 см, длина второго варьируется от 3 см до 5 см. В обоих ускорителях разрядные области и ствол имеют диаметр 6 мм. В качестве основных накопителей энергии используются импульсные конденсаторы ИК 25-12 (25 кВ, 12 мкФ). Уровень энергонакопления варьируется от 200 Дж до 1 кДж.

Эксперименты показали, что увеличение энерговложения ведет к-сниже-

. 9

нию значения сопротивления плазмы разрлда, что является следствием более интенсивного нагрева плазмы разрядным током. Эффективное сопротивление разряда в двухэлекгтродно.м ускорителе лежит в диапазоне 30-5-60 мОм. Данные значения оказываются существенно ниже волнового сопротивления котура, которое составляет около 200 мОм, что определяет колебательный характер тока разряда. Амплитуда первого полупериода разрядного тока изменяется от 22 кА до 48 кА при увеличении зарядного напряжения емкостного накопителя от 6 кВ до 12 кВ, длительность полупериода тока составляет около 7,3 мкс. При данных параметрах разрядного контура эффективность использования энергии накопителя, которая определяется как доля первоначально запасенной энергии, выделившаяся в разрядном промежутке в течение первого полупериода тока разряда, не превышает 50%.

Увеличение сопротивления разряда и создание условий для повышения . эффективности ускорителя связаны с увеличением длины разрядного промежутка с одновременным уменьшением волнового сопротивления разрядного контура. Это реализовано в трехэлектроднем варианте электротермического ускорителя, е котором длина основного разрядного промежутка достигает 5 см. В этом случае ток разряда имеет характер близкий к критическому, длительность первого полупериода составляет около 6 мкс при амплитуде от 24 кА до 50 кА (зарядное напряжение емкостного накопителя - 6*12 кВ). Переход к разрядному промежутку длиной 5 см позволил поднять эффективное значение сопротивления разряда в 2*2,5 раза по сравнению с двухэлектродным ускорителем, обеспечив увеличение эффективности ускорителя практически вдвое.

Отметим, что полученные в процессе экспериментального исследования данные об электрических характеристиках ускорителей хорошо согласуются с соответствующими результатами проведенного численного моделирования.

Для определения динамических характеристик всех составляющих частей потоков были использованы методы скоростной фоторегистрации, лазерное зондирование потока, а также система датчиков на основе фотоэлектронных и ш,е «¡керамических преобразователей.

ю

Визуализация структуры потока, сформированного в стзоле ускорителя, проводилась на основе высокоскоростного фотсрсгистратора ВФУ-1, имеющего два режима работы: режим покадровой съёмки с частотой следования кадров до 105 Гц и режим фотохронографа (щелевая фоторазверт^л), дающий возможность получать т.н. х-1 диаграмму. Кроме этого для визуализации структуры потока использовался метод теневого фотографирования на основе лазерного зондирования потока. Оптическая схема эксперимента позволяла проводить исследования структуры потока в пространстве между срезом ствола и подложкой протяженностью 20 мм. В ходе исследований структуры потока также была применена лазерная интерферометрия на основе сдвигового интерферометра. В экспериментах использован импульсный азотный лазер с поперечным разрядом при атмосферных условиях.

Для определения кинетических параметров потоков, сформированных в стволе электротермического ускорителя, использовались фотоэлектронные датчики на основе ФЭУ и фотодиодов, а также пьезокерамические датчики давления. Измерение скорости ударной волны проводилось с использованием двух датчиков давления, разнесенных в пространстве вдоль направления движения потока и установленных напротив среза ствола ускорителя, на расстоянии 1+3 мм от него. Длительность фронта импульса при регистрации ударных волн не превышает 0,5 мке, что определялось главным образом временем прохода ударной волны по активному элементу датчика, имеющего толщину 2 мм. Для измерения скорости движения фронта плазменной части потока использовались

два фотодиодных датчика, которые устанавливались в отверстиях в боковой

•

стенке ствола со смещением в направлении движения потока на 10 мм. Данные датчики собраны на основе фотодиодов ФД-27к, цепь усиления сигнала которых настроена таким образом, что выходной сигнал датчика соответствует регистрации излучения плазменной части потока. Для регистрации собственного излучения потоков использовались фотоэлектронные умножители ФЭУ-60, которые обеспечивали регистрацию излучения как плазменной части потока, так и низкотемпературной области ударно-сжатого газа.

п

Разработанная система датчиков позволила несколькими способами определить длину области ударно-сжатого газа. Во-первых, по сигналам ФЭУ измерялась длительность данной области, и, исходя из известных скоростных параметров потока, вычислялась ее пространственная протяженность. Во-вторых, одновременное использование ФЭУ и датчика давления позволило проводить регистрацию положения фронта ударной волны и плазменной части потока, определяя тем самым длину низкотемпературной области потока. В-трстьих, дли-нй данной области определялась из экспериментов с щелевой фоторазверткой

по протяженности ее изображения нам диаграмме. • ••

..... _<»...•

Эксперименты по визуализации структуры потока были проведены на двухэлсктродном ускорителе при различных длинах ствола и напряжениях заряда емкостного накопнтеля. Полученные данные позволили выделить в потоке несколько характерных областей. Непосредственно за фронтом ударной волны следует область с относительно слабым собственным свечением, которая идентифицируется, как область ударно-сжатого газа. Задняя граница данной области перемешивается с плазмой высокотемпературной части потока, что приводит к формированию переходной, относительно горячей, области и сокращению длины низкотемпературной области потока. Далее следует, высокотемпературная часть потока, которая представляет £ обой элеетроразрядную плазму, нагретую током разряда. ^ '

В ходе исследования кинетических характеристик потоков в двухэлектрод- . ном ускорителе определены значения скорости фронта ударной волны, пространственной протяженности области ударночжаггого газа, а также скорости плазменной части потока. При этом уровень энергонакопления варьировался в пределах от 200 Дж до 860 Дж, что соответствует уровню зарядного напряжения емкостного накопителя: 6*12 кВ. Длина ствола ускорителя составляла величину от 45 мм до 150 мм.

Полученные зависимости скорости ударной волны и фронта высокотемпературной части потока указывают на интенсивное замедление потока при;его распространении по стволу, приводящее к 1,5*2 кратному спаду скорости при изменении длины ствола от 45 мм до 130 мм. Повышение энерговложения в

12

разряд, достигаемое.увеличением зарядного напряжения емкостного накопителя с 6 кВ до 10 кВ, приводит к возрастанию скорости фронта высокотемпературной части потока вблизи выхода разрядного промежутка приблизительно в

1,5 раза. Так что значение скорости на срезе ствола длиной 45 мм увелнчивает-

. *

ся с 1,9 км/с до 2,8 км/с. При этом зафиксирована увеличение степени затухания скорости с ростом энерговложения в разряд, что становится причиной ограничения по размерам ускоряемых микрочастиц.

Длина низкотемпературной области ударно-сжатсго газа возрастает практически линейно при увеличении длины ствола. Так при зарядном напряжении емкостного накопителя10 кВ ее длина увеличивается с 5 мм до 13 мм при увеличении длины ствола от 70 мм до 140 мм. В то же вре.мя экспериментальные значения длины области ударно-ежзтдго газа при хорошем качественном соответствии расчетным данным дают заниженные значения, которые составляют . до 50% от соответствующих расчетных результатов. Данный эффект укорочения низкотемпературной области ударно-сжатого газа может внести изменения в режим ускорения микрочастиц/ что необходимо учитывать при расчетах динамики их ускорения.

Эксперименты по определению кинетических параметров потоков трех-электродного ускорителя проведены для различных" уровнен вложения энергии во второй (основной) разрядный промежуток: зарядное напряжение емкостного накопителя варьировалось от 6 кВ до 12 кВ (*200-г860 Дж), длина основного разрядного промежутка составляла 50 мм. Параметры первичного разрядного контура не изменялись: зарядное напряжение емкостного накопителя сохранялось равным 10 кВ (50 Дж), а длина разрядного промежутка составляла 15 мм. Обшая длина разрядной области с учетом промежуточного, (второго) электрода составляла 72 мм. Длина ствола варьировалась в пределах от 20 мм до 150 мм.

Следует отметить качественно иной характер полученных зависимостей параметров потоков от длины ствола ускорителя. Зафиксирован эффект возрастания скорости ударной волны и, соответственно, плазменной части потока при длине ствола около 50 мм, происходящий в результате срабатывания второго разрядного промежутка. Возрастание скорости происходит в тем большей сте-

13

пени, чем больше энерговклад в основной разрядный промежуток. Так, например, при зарядном напряжении основного емкостного накопителя 10 кВ скорость ударной волны увеличивается с 1 км/с до 3,7 км/с. В процессе дальнейшего распространения потока вдоль ствола происходит интенсивное замедление

ь. ■ ..............'•■■.•' '

потокл, так что на длине ствола от 60 мм до 140 мм происходит более чем двукратное уменьшение его скорости. Отметим при этом," что результаты экспериментов по определению скоростных характеристик потоков, сформированных в электротермических ускорителях, хорошо согласуются с соответствующими расчетными данными.

Под действием второй ударной волны происходит компрессия первичной низкотемпературной области потока, в результате чего соответствующая зависимость ее длины от длины ствола ускорителя носит немонотонный характер.

' ' ..... /

При зарядном напряжении емкостного накопителя равном 6 кВ, укорочение

данной области длиной 15 мм составляет 4 мм, а при напряжении 10 кВ - 8 мм. В процессе дальнейшего распространения объединенная низкотемпературная область увеличивает свою протяженность за счет присоединения находящегося в стволе газа, о чем свидетельствует последующее монотонное возрастание соответствующей зависимости.

Для измерений температуры потоков, формируемых в стволах двух- и трехэлеетродных электротермических ускорителей использовался метод относительных интенсивностей линий излучения. Исследования проводились с использованием четырех линий атомов меди в видимой части спектра (510,5 нм, 515,3 нм, 521,8 нм, 529,2 нм), появление которых в плазме явилось следствием использования в разрядном узле медных электродов. Регистрация соответствующих спектров проводилась высокоскоростным фоторегистратором ВФУ-1 со спектральной насадкой на базе дифракционной решетки. Регистрация излучения осуществлялась на срезе ствола в направлений перпендикулярном его оси. * '

Эксперименты показали, что температура потока существенно увеличивается при увеличении уровня энерговложения в разряд. Так, например, в двух-электродном ускорителе при длине ствола 45 мм повышение зарядного напря-

жения емкостного накопителя с 8 кВ до 12 кВ приводит к увеличению температуры с 20 кК до 32 кК. В то же время было зафиксировано интенсивное снижение температуры плазмы в процессе ее движения вдоль ствола. Так для случая, когда зарядное напряжение емкостного накопителя составляет 10 кВ, пр:: увеличении длины ствола от 45 мм до 95 мм температура снижается с 26 кК до 17 кК. Такое же поведение температуры потока зафиксировано для трехэдек-тродного ускорителя. В то же время при одинаковом уровне энергонакопления температура плазмы в трехэлектродном ускорителе оказывается на 20+30% ниже. Так, например, температура плазмы для случая заряда основного накопителя трехэлеетродного ускорителя до напряжения 10 кВ лежит на уровне 15 кК, в то время как в двухэлектродном ускорителе при подобных уровне энергонакопления и длине ствола было получено значение =22. кК. Подобный эффект объясняется меньшим значением удельного знергсйложеиил в разрядный промежуток трехэлектродного ускорителя.

Проведенные эксперименты показали, что значения температуры плазменной части потока хорошо'согласуются с результатами проведенного численного моделирования.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1.Анализ динамики потокез и ускорения микрочастиц порошковых материалов Показал", что ускорение в плазменной части потока приводит к быстрому не- ; контролируемому нагреву микрочастиц вплоть до температуры испарения. При этом микрочастицы порошка практически независимо от их размеров успевают набрать скорость, составляющую около 10-5-20% от величины скорости потока.

2.Предложен способ ускорения микрочастиц в узкой области ударно-сжатого газа. Определены соответствующие параметры данной области для захвата микрочастиц в режим устойчивого ускорения, в процессе которого микрочастицы приобретают скорость, превышающую 80*90% от скорости потока с

' сохранением контроля их теплового состояния.

■ * ■

3.Проведен анализ процессов в электротермическом ускорителе с одним разрядным промежутком. Показано, что захват в режим устойчивого ускорения может осуществляться для микрочастиц порошковых материалов с диаметрами до 5 мкм при плотности их материала до 10 кг/дм1. Значения скоростей микрочастиц достигают 1,5 км/с при контроле их теплового состояния.

4.Проведен анализ процессов в ускорителе с двумя последовательно расположенными разрядными промежутками, позволяющем повысить скорость мик-

' <

рочастиц с диаметрами до 5 мкм до 2 км/с. В данной схеме разрядного узла реализуется возможность практически независимого регулирования скорости микрочастиц и степени их нагрева.

5.Проведен анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц в ускорителе с двумя разнесенными в пространстве вдоль ствола разрядными промежутками. Показано, что подобная схема разрядного узла позволяет заметно поднять верхний предел размеров ускоряемых микрочастиц порошковых материалов (до 40 мкм и выше) и сохранить при этом высокие значения их скоростей (до 2 км/с и выше).

6.Расчеты динамики микрочастиц за срезом ствола показали возможность существенного уменьшения скоростМ микрочастиц и изменения их температуры. Установлено, что выбором режима ускорения микрочастиц и соответствующего ему расстояния от среза ствола до подложки,.возможно избежать потерь скорости микрочастиц, а также сохранить их температурное состояние. -

7.Создан экспериментальный образец электротермического ускорителя порошковых материалов с одним разрядным промежутком, длина которого не превышает 2см. Малое значение сопротивления плазмы разряда приводит к колебательному характеру тока и сравнительно малой эффективности ускорителя.

8.Создан экспериментальный образец электротермического ускорителя с двумя последовательно расположенными разрядными промежутками. Увеличение

.'.-■' те '

длины основного разрядного промежутка до 5 см»дало практически двукратный рост эффективности вложения энергии в разряд по сравнению с одноразрядным вариантом ускорителя. 9.Разработана методика и проведены эксперименты по визуализации структуры потока, формируемого в стволе электротермического ускорителя. Зафиксировано существование низкотемпературной области ударно-сжатого газа. Установлено, что задняя граница этой области перемешивается с плазменной частью потока, что приводит к укорочению её длины. Ю.ГГроведены экспериментальные исследования динамики потоков, формируе-

. : V ч ,

мых в стволах экспериментальных образцов электротермических ускорителей. Скоростные параметры потоков хорошо согласуются с результатами соответствующих расчетов. Экспериментальные значения длины области ударно-сжатого газа являются меньшими по сравнению с данными расчетов, что определяется перемешиванием ее задней границы с относительно горячей плазменной частью потока. 11.Проведены измерения температуры плазменной части потоков, формируемых в стволах экспериментальных образцов электротермических ускорителей. Для измерений использовался метод относительных интенсивностей линий («лучения атомов меди. Результаты проведенных экспериментальных измерений температуры согласуются с данными теоретических расчетов.

Предложенный способ ускорения микрочастиц порошковых материалов был реализован в конструкциях экспериментальных образцов электротермических ускорителей с разрядным узлом, содержащим один и два разрядных промежутка. На основе проведенных исследований в настоящее время ведутся эксперименты по напылению порошковых материалов на различные подложки и исследованию характеристик получаемых покрытий.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников и др. Электротермическое ускорение микрочастиц порошковых материалов для создания износостойких .и жаропрочных покрытий. Конверсия, №10,199£>„с.51-54.

2. F..YA. Shcolnikov, S.P. Maslennikov et. at. "Electrothermal acceleration of mi- . croparticles". Proceedings of б European Symposium on electromagnetic launch technology. The Hague, 1997, p.p. 261-268.

3.1E.YA. Shcolnikov, S.P. Maslennikov et. at. "High velocity flow generation and mi-croparticles acceleration by means of high current pulse discharge." Digest of technical papers of I Ith IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-97), Baltimore, Maryland,1997, p.l 162-1167.

4.E.Ya.Shcolnikov, S.P.Masleiuiikov et. al. Pulsed electrothermal launcher for producing coatings out of small dispersion powder materials. Program and Extended abstracts of 6-th International Conference on the Science of Hard Materials (ICSHM6), Lanzarote, Spain, 1998, p. 153.

. . о

5. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников, М.Ю. Гузеев. Электротермическое ускорение микрочастиц. Научная сессия МИФИ-98. Сб. научных трудов в 11ч,, ч.З, М: МИФИ, 1998, с.132-134.

6. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников, М.Ю. Гузеев. Генерация высокоскоростных газовых потоков с помощью сильноточных импульсных разрядов Научная сессия МИФИ-98. Сб. научных трудов в 11ч., ч.З, М: МИФИ, 1998, с.134-136.

7. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников, М.Ю. Гузеев. Определение динамических характеристик высокоскоростных потоков в импульсном электротермическом ускорителе. Научная, сессия МИФИ-98. Сб. научных трудов в И ч., ч.З, М: МИФИ, 1998, с.128-130.

8. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников, М.Ю. Гузеев. Измерение температуры высокоскоростных потоков в импульсном электротермическом ускорителе. Научная сессия МИФИ-98. Сб. научных трудов в 11ч., ч.З, М: МИФИ, 1998,

- . с.130-132.