Динамика и излучение эрозионной струи диафрагменного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИ!! НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова;

На правах рукописи •УДК 633.9:537.52,

КАЛАШНИКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ -

ДИНАМЖА и ИЗЛУЧЕНИЕ ЭРОБИОННОН СТРУМ'даФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА 01.04.05.- оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт -Не ербург

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"

На правах рукописи УДК 533.9:537.52

КАЛАШНИКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ДИНАМИКА И ИЗЛУЧЕНИЕ ЭРОЗИОННОЙ СТРУИ ДИАФРАГМЕННОГО РАЗРЯДА 01.04.05.- оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание" ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург ТЭЭЗ

Работа выполнена в ВИЦ "Государственный опгкчесгскй институт имени С.И.Вавилова"

Научные руководители - кандидат технических наук

[ и.В.Подмошепский "|

- кандидат технических наук и.и.рогобцсв

Официальные оппоненты: доктор технических наук

B.Л.Горячев,

кандидат физико-математических наук

C.Я.Петгов

Ведущая организащш - Московский авиационный институт им.С.Орджоникидзе

в час.

Защита состоится пЛЗп 199-^ г. в (О

на заседании специализированного совета К 105.01.01. е ВНЦ 'ТОЙ им.С.и.Вавилова" (199034, Санкт-Петербург)

Автореферат разослан " Э^&г^^о^/г.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Учений секретарь специализированного совета

кандидат физико-- матоматичоских. наук И.Н.Абрамова

© ВИН "Государстрешшй оптически!? институт иг/,.С.И.Вавилова",1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш диссертации. Для исследований в области физики взаимодействия излучения с веществом к световых испытаний материалов, приборов и их элементов необходима мощен* источники УФ излучения, удобные в эксплуатации. Создание так;« источников возможно при использовании б качестве тела свечения продуктов высокотемпературной эрозии материалов при импульсном разряде.

Одним из. перспективных направлений построения таких излучателей является исполъзоватгие импульсных плазменных струй, находящихся в электрическом поле между электродами, разнесенными от генератора этих струй. Роль генератора плазменных струй • здесь играет разряд через отверстие в тонкой диафрагме. Тонкая диафрагма - это пластина из плазуоо':разу;:и;его материала,для которой отношение диаметра отверстия в ней к ее тоявше близко ила больше единицы. Это позволяет получать в отверстии диафрагмы эрозионную 'плазму из практически любого материала с высокими уделышма параметрами? температурой Т0 до есрсо К при давлениях р до 100 ЫПа и плотности тока ]0 до 1000 кА/су''.

Особенностью струй дкэфрагмекного разряда (СДР) является то, что истечение продуктов эрозии материала диафрагмы и их свойства определяются электрическим! и магнитными полями на промежутке диафрагма-электрод. Поэтому вазшкм направлением в исследовании СДР как источника света является изучен« структуры струи, ее-термодинамических, электромагнитных и оптически?: характеристик, при выборе режима конденсаторного электропитания.

К преимуществам выбранного направления создания источника УФ излучения следует отнести контролируемый состав продуктов эрозии в струе и возможность его изменения. Это- позволяет эффективно варьировать спектрально- энергетические характеристики излучения тела свечения. Достоинством источника света на основе СДР является также возможность в широких масштабах регулировать длительность, энергию и момент его включения.

Для уменьшения- экранировки' излучения в парогазовой оболочке разряда и окружающей среде для коротковолновой области спектра необходимо формирование и исследование свойств струй дкафрагменного разряда б вакуумных условиях.

Перспективным представляется также. исполгзоваше магнитогазодинамическиих эффектов, -сопутствующих разряд-,, для снижения экраккругаего влияния, парогазовой оболочки струй на выход коротко волнового пзлу'чнн:^ от засонотекперятурной зону стпуи

разряда. Например, использование эжекции" относительно холодной оболочки в кольцевой электрод.

Цель работы.Целью работы являлось исследование динамики и излучательныд свойств продуктов эрозии в струе диафрагменного разряда, обобщение полученных экспериментальных данных и выработка рекомендаций го их . практическому использованию для создания источника плазмы и света на основе СДР.

Для достижения этой цели были проведены исследования, направленные на углубление понимания природы СДР. Задачами работы являлись :

1.Разработка высокоэнтальцийного струйного источника плазмы и света с большой длительностью све "ового импульса, работающего в вакуушшх условиях, и поиск ■ методов управления его излучат^льными и термодинамическими характеристиками.

2.Разработка многоканального диагностического комплекса для изучения плазменных явлений в условиях разрекенной атмосферы и контроля параметров источника плазмы и света.

3.Исследование газодинамических,термодинамических,излучательных и электромагнитных свойств Продуктов высокотемпературной эрозии в струе диафрагменного разряда.

4.Построение физической модели диафрагменного' разряда на струях и расчет характеристик плазмы струи разряда.

Научная новизна работы.Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Получены новые сведения по истечению, в среду различной плотности (рнач=10 - Ю5 Па) плазменной струи диафрагменного разряда, где показано,что на промежутке диафрагма-кольцевой электрод (катод) структура струи и. динамика ее изменения определяются, в .первую очередь, магнитными силами разрядного тока. Обнаружен ряд эффектов, характерных для СДР - закручивание приосевой зоны струи, эжекторный эффект вблизи кольцевого электрода при увеличении скорости - продува токового канала вблизи оси струи.

2.Впервые рассмотрено влияние изменения в широком диапазоне размеров отверстия диафрагмы - по толщине в 20 раз и по диаметру в 10 раз - ка излучательные и термодинамические характеристики плазмы струи разряда. Определено, что при постоянной толщине диафрагмы и росте диаметра отверстия значения температуры, ' давления, концентрации электронов и плотности плазмы на- оси струи монотонно спадают,'а при увеличении толщины и сохранении диаметра отверстия диафрагмы обнаружен эффект насыщения роста значений даьлония и температуры.

3. Обнаружено налгите осевой составдяпг.ей' в распределении напряженности магнитного ноля е струе диафрагаонного разряда и рассмотрен механизм стабилизации токоведуацяс струй разряда

4. Ekes доны условия устойчивости СД? на основе предложенной полузупирической код<»т дка^рагмонкого разряда на струях плазмы для квазистационарной фаз:-; его развития.

5.Обнаружено длительнее послесвечение саруЗ разряд:;. Определено,чго на стадии послесвечения разряда,когда в струе протекают химические реакции с участием продуктов зрозик пжазмообрззувдего материала, продуктов разрушения разрядной камеру и остаточной атмосферы,помимо термического механизма евечеш'.я струи значитед^ку» рогъ играет хемктяшесцояция двуха гомннх молекул.

Практическое значение В ходе работы полученн результата,

которые зозмогяо непосредственно использовать на практике при исследовании к создании импульсных плазменных излучателе;!:

1.Разработаны лабораторные макеты источников плазмы и спета на основе струп эрозколгой тшзмн диа$рагшвизго разряда,работающие кок при атмосферном давлении, тек, -/. :- разрешенной атмосфере.

На базе этих макетов создан открытий плазменный излучатель УФ я ВУО диапазона спектра, работагациЯ при РЧРЛ7= -Па, плотность мощности излучения которого достигает р = 3 ю4 Вт/см2 при длительности одиночного светового импульса ' (=350 мкс. Обцая поверхность свечения струг'при этом равна е=120 см". "Доля энергия излучения в БУФ области спектра (л < ISO нт/Л не менее 20%.

2. Разработан многоканальной диагностический комплекс для исследований радиационных, мягнитогазодкзамгчвекйх явлений и процессов эрозии материалов в условиях одиночного опыта.

3.Предложен Mefos динамической калиорозки датчиков для измерения импулъексго давления в диапазоне I 1С"3'-100 Ша за времена I0~s -■10 ^с. Применение этого метода' позволяет однозначно установить

значение передаваемо?. энергии нв датчик при- калибровке' и учесть нелинзй-ше динамические свойства самого датчика при измерении давлении.

4.Разработан пьезоэлектрический датчик импульсного давления в плазме с отЕодн^.м акустическим элементом -в видэ металлической трубки, заполненной твердой звукопоглощающей средой для уменьшения габаритов датчика и повышения точности измерений давления, р£ботз!с;г-/й в условиях оглышх тепловых (до 10s Вт/см2) и алектро»43гн7тяях нокзх (до ю7д/к).

5.Пр.>д;:оже;1 метод ¡¡евнценил однородности яркости источника сйэтз на

основе струи диафрагмсшюго разряда благодаря использованию плазкообразующей диафрагмы с профилированным отверстием в виде соз««г:цзнкцх сверхзвуковых сопел б стороны анода л катода. 6.Показана еоежшюсть осавдзния тонких слоев вещества на различных подлокках, где при подготовке поверхности подло;жк используется ее световая очистка за счет коротковолнового (УФ к ЕУФ) излучения. СДР. Основные захтаеше полотс-ния -На защиту выносятся: I.Результаты исследований структура • струи продуктов высокотемпературнсй эрэз;ы в кежэлекгроднсм промежутке;

- метод фарлировазвя однородной интенсивно излучающей струи плазма, истекающей кз профилированного отверстия в виде совмещенных сверхзвуковых сопел в плйзуоосрзсукг.цей диафрагме;

- принципы построения открытого плазменного излучателя УФ и БУФ диапазона спектра на основе, эрозионной катодной струи разряда;

- результаты иеследозшЛ послесвечения струи продуктов эрозии диафрагменкого разряда в вакууме ;

метод . гашения . упругой воляц в акустическом тракте пьезозлектрическсзго датчика импульсного давленая и конструкция пьезодатчкка для измерений импульсного давления в плотной плазме. 2.Зависимости развития струи - эрозионной плгзш дигфрагменного разряда при ■ широком пгтнваих различных,. параметров к условий разряда степени разрежения внешней среда, размеров отверстия и состава материала диафрагма, тока разряда, длины межэлектродного промежутка,' диаметра кольцевых электродов.

3.Физическая модель, СДР и условия устойчивости разряда для квазистационарной фазы его развития.

Личный вклад автора.Все основные результаты си ли получены лично автором. Участие руководителя При постановке работ и анализе результатов, а также сотрудников лаборатории в проведении измерений отражено в совместных публикациях.

Апробация работы и публикации.Результаты работа докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика"( Ленинград,1986 г), на VI Всесоюзной конференции "Динамика излучающего газа"(Москва,1937 г), на XV Всесоюзном се?линаре по газовым струям (Ленинград, 1990 г), на VIII Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плазмы."(Минск, 1991 г) и на II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (п.Кацивели Крымской обл.,1991).

Основное содержанке диссертации отряжено'в 10 статьях и 5 авторских свидетельствах на изобретение.

Структура и объем работы.Диссертация сог-тоат иг. введения,'! глав, и

заключения. Она изложена на ÎS8 страницах машинописного текста, содер:кит 13 таблиц и 48 рисунков. Список цитированной литератур« состоит из 190 наименований на 12 страницах. Общий объем диссертации 200 страниц.

. -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I представляет собой обзор литературы экспериментальных к теоретических исследований, посвященных изучения различных аспектов генерации плазменных ярозионшх образований, решения задач исслодозания низкотемпературной эрозиоггной плазмы. ' Особое внимание в обзоре уделено .тому,' з какой степени на момент постановки работы был исследован диафраг.ченннй разряд на струях плазмы.

'.. Глава 2 посвящена описании экспериментальной устзновки, предназначенной для исследования газодинамических, спектральшх и электромагнитшх свойств импульсных плазменных, явлений а условиях одиночного опыта, а также методов диагностики плазмы. Установка представляла собой 'сильноточный разряда«* контур с емкостным накопителем электрической энергии. Использовались бзтатзеи конденсаторов емкостью С-= 4,8 10 Ф , С2= 2,3 10 Ф и С3= 1,4 Ю-3 Ф. Начальное напряжение составляло 2-5 кВ;индуктивность контура LkT= 3,1 мкр, ь^>= bjc3= 5,6 мкГ; а сопротивление контура в режиме короткого замыкания ïÇr= 6,7 10~3 Ом, Нк?= Г,9 Ю*"3 См. Б работе использовались два варианта разрядных устройств.Устройство с возможностью создания диафрагменного разряда на струях в атмосфере воздуха,и разрядное устройство с. объемом -вакуумной разрядной. камеры 50 дм" с возможностью формирования разряда при различных давлениях (pna,j- Ю5 - 1,0 Па ) и составе окружающей среды (еоздух,Ы2 к др.). Разряд осуществлялся между' графитовыми кольцевыми электродами с внутренним ■'диаметром 2R через отверстие в плазмообразующей диафрагме (из текстолита,полиформальдегида и других материалов) с диаметром отверстия ZrQ и ' толщиной I , в кварцевой трубе и без нее. Межэлектродное расстояние и расстояние диафрагма-катод изменялось от 30 до 150 мм. Инициирование разряда проводилось с помощью электрического взрыва проводника при рнач=-Ю"-10°Па или подачей высоковольтного импульса с блока, подхяга сразу на кольцевые электроды при рнач=10 - 100 Па.

Вольт-амперные характеристики разряда исследовались с помощью изготовленных для этих целей устройств - омических и емкостных делителей напряжения, пояссв Рогожского и коаксиальных шунтов. Динамика пдагмзгошх потоков исследовалась при немота скосостной съемки,теневой и иятер£->«р-»н;шошк.2 методики на. пасокоокорасттх

камерах ЖЛВ-2 и ВФУ-I. Исследование пространственно-временного развития разряда выполнялось при регистрации струй разряда в направлении перпендикулярном оси разрядного промежутка в различных спектральных интервалах через ш-1терференциошше фильтры (А^-ЗЗО км, 400 им, 460 нм, 514 нм и 633 им). Энергия излучения струй разряда измерялась кахориметра.ми с возможностью откачки и наполнения их корпуса прозрачных в ВУ® области спектра газом (К9). Основу диагностического комплекса составляла спектральная фотографическая аппаратура средней дисперсии (до 1 л/мм) в УФ и БУФ .диапазонах спектра (90 ем <Х< 400 .нм) с применением различных спектроскопических методов определения температуры и концентрации частиц, скорости потока и кзлучательной способности плазмы разряда. Кроме - фотографирования спектров проводилось осцилдографировзнис интенсивности излучения в УФ и видимом диапазоне Я=200-70Э нм с .истцы» фотоэлементов Ф7, Ф18 и ФЬ, фотоумножителей ФЭУ-71. 3 вакуумной УФ области спектра ?,=гГЭ0- 120 нм осциллографироваше интенсивности излучения проводилось на усовераенстЕованном вакуукнш монохроматоре -ШР-2. Кагкбровка фотоэлектрических и фотографических каналов осушествлялась с помощью стандарта яркости .ИСИ-I. Импульсное давление в струях и в оболочке регистрировалось как креиерными, так и пьезоэлектрическими датчика?,ж. Измерения распределения -напряженности импульсных магнитных полей 'непосредственно в струе плазмы и в оболочке проводилось с помощью специально ' разработанных шниаткршх. магнитных зондов.

В главе 3 диссертации приводятся основные результаты

исследования свойств струй эрозионной плазмы импульсного диафрагменного разряда и возможности управления его характеристиками.

Импульсные потоки эрозионной плазмы из текстолита (CgyH^Ojg) при разряде через отверстие в диафрагма формировались как в окружающей среде, так и при помещении разрядного "промежутка в кварцевую трубу.Они представляли собой интенсивно излучающие струи, истекающие в стороны кольцевых анода и катода на протяжении почти всего импульса тока (0,5 мс).

На квазистанионарноЯ - фазе развития ■ открытого разряда (длительностью 0,2-0,4 мс) яркостная температура струй вблизи устья в УФ области спектра А.=230-400 нм достигала 20 Ю"'К. Было обнаружено наличие сложной газодинамической структуры плазменных струй на промежутке диафрагма- электрод, состоящей кз приустьевой зоны, осевой зоны продува плотней плазмой, . нриооевей зоны -

-Г-

магнитообжатсй части струи, лони расширяющейся оболочки и ее эжекщги в кольцевой электрод. Кзмвнзния структуры струи определяются в первую очередь величиной тока разряда, геометрией разрядного промежутка (отношением велкчгаы диметра отверстия в диафрагме 2г0 и в кольцевом электроде Л, а также межэлектродным расстоянием) и давлением окружающей среды. Измерения импульсного давления P(i) в отверстии плазмообразуюцей диафрагмы, в струе и в оболочке разряда, напора струи, электрических параметров разряда и скоростная киносъемка позволили выделить два режима течения продуктов эрозии в струе - газоданамическиЯ (ГД) и магнитогазодинамический (МГД). Критерием перехода течения плазмы струи от ГД к МГД реяиму является превышение плотности тока разряда JQ в отверстии тонкой диафрагмы при 2rQ/lQ~zI величины порядка 400 кА/см'"', что соответствует напряженности магнитного поля Н в устье струи величине 4 106А/м.

Установлено, что для разряда через тонкую (2rQ/I0=I) текстолитовую диафрагму в кварцевой трубе излучение плазменной струи близко к излучению абсолютно черного тела (а.ч.т.) с температурой до 18000 К при давлении рнач=Ю"Па и до 25000 К при давлении р11ат{= 10 Па с одновременным снижением интенсивности излучения до 30& в УФ области спектра 230 нм <Х< 300 нм Еблизи максимума тока разряда, которое обусловлено явлением обратимой непрозрачности кварца. Интенсивный сплошной спектр " и сильно уширенные спектральные ■ линии ионов элементов, входящих в состав плазмообразующего материала (в основном ионы углерода СИ и CHI) характеризуют излучение продуктов эрозии осевой зоны струи разряда независимо от величины давления в диапазоне рнач=105 - 10 Па, как для разряда в кварцевой ободочке, так и для открытого разряда в окружающую среду. Особенностью разряда в кварцевой трубе является то, что в спектрах излучения струй всегда присутствуют уширенные спектральные линии в испускании и поглощении материала оболочки. В основном это атомы и ионы кремния Sil, Stil, что объясняется

высокой радиационной нагрузкой на стенку кварцевой трубы, р

достигающей 15 Ди/см .

При изменении давления среды от рйач=Ю°Па до 10 Па для открытого разряда падает* абсолютная величина интенсивности континуума в УФ области спектра от 1^=50 Вт/см2ср нм до 1^=4-5 Вт/см2ср нм для К= 404,7+0,2 нм. Область спектра излучения СДР вблизи вблизи Х=404,7 нм выбрана для'-определения и сравнения интенсивности континуума из-за 'отсутствия з этом ' интервале спектральных линий для большинства используемых плазмсобразующих

-О-

материалов. При этом на спектрах излучения разряда вдоль оси наблюдается изменение соотношения вклада континуума и линейчатого излучения. Оно обуслозленно уменьшением плотности плазмы и соответственно оптической плотности з сплошном спектре при сохранении значительной плотности для линейчатого спектра, для разряда в вакууме при р1ЮЧ=10 Па яркостнзя температура вблизи Л,=235 нм з приустьевой зоне струи не превышала 14500 К. Ь тоже время для разряда в воздухе при рнэт=10и Па она достигала для приустьевой зоны тч=20000 и в области диска Маха до Т »18000 К при формировании ударно-волновой структуры струи. По измеренным на эмиссионных спектрах излучения струи значениям температура T0(t) и плотности Ке(ту электронов рассчитаны термодинамические параметра и ионизационный состав продуктов эрозии в • характерах зонах вдоль радиуса струи в условиях ДТР. ПроЕедено измерение максимального значения скорости потока плазмы для открытого разряда в вакууме по величине допплеровского сдвига спектральных линий ионов CHI 417,31 нм и CII 264,14 нм в опорном режиме-СДР. Она составила 25-ЗС км/с вблизи максимума тока разряда. Погрешность измерений с учетом качества спектрограмм не превышала ZQ%.

Установлено, что осевая зона струи" с интенсивны!/ рекомбинационным континуумом -имеет на' протяжении всего разрлдногс промежутка поперечный размер в 4-6. калибров отверстия Е диафрагме при. общем размере регистрируемой в. экспериментах излучающей зонь струи е диаметре около 10 таких калибров. Получены радиальные распределения интегральной, по лучу зрения интенсивности излучени; континуума в характерных сечениях токонесущей катодной струи

В У© области А.=200-400 нм максимальное значение I, (г)= 5- К Вт/см"ср нм соответствует излучению на оси струи разряда Рассчитаны по для условий Л'Р радиальные распределена

излучательной способности и концентрация электронов Ne(r) дл,

квазистационарной фазы развития . разряда. Максимальные значени, концентрации электронов N (D-S.5 Ю17 см-3 и излучательно способности е^(г)= 7,9 Бт/см°ср нм для \=404,7? 0,2-нм принадлежа осевой зоне (Г--0-2 мм). Существование резкой границы в излучени струи кевду осевой и пркосевой зонами обусловлено характерным дл СДР крутым спадом в зависимости Np(r) для расстояний г- 8-12 мм о оси струи. Изменение концентрации электронов Ng(r) на порядок дл r= 8-12 мм от оси струи приводит к снижена», на том же промоу.утк излучательной способности продуктов эразли в континууме на порядка, т.к. 6(г) ~ н »{" к£(г). Получен;: врокадиаз ззншмою коиийнтредии шюктроиов fir,(i) дли осе!.::1« (r/rt-0,05) и шаоош

(г/Р-О,5) зон, которые свидетельствуют о том,что на квазистационаряой фазе разряда форма Лте(2") для осевой зснн Слизка к форме хмпульсэ тока 1Ц). Для приосэвсй зоны такая корреляция (Д) и 1(1) отсутствует, что свидетельствует о мзньдкх возможностях управления излучательнкми свойствами приосевсй зоны токогг разряда для газодинамического режима при з « 400 кА/см~.

Экспериментально с помощью микиаткркнх мзггастннх зондов получено распределение напряженности импульсных мэгнхтнь'х полей Н(х,ув струе и оболочке для ГД рзяима разряда при ,/ =400 кА/смл через тонкую (2^/1^1) текстолитовую диафрагму при атмосферном давлении (рн„ч»1С0П8) и в вакууме (р =1С Па). Обнаружено наличие помимо азимутальной составляющей магнитного ноля Н,г.(б), такйе и осевой Н,„ (¿), что приводит к индуцирования кольцевого тока з приосевой области струи и к стабилизации струи. Предложена физическая модель токонесущей струи диафрагменного разряда в условиях равновесия на основе. независящих от времени решениях уравнений системы МГД уравнений с учетом электромагнитной силы на единичный объем плазма струи, омического нагрева и переноса энергии излучением. Проведено описание конфигурации струи продуктов

эрозии на основе' анализа МГД' уравнений <тр=1/сС/хВЗ и уравнений

Максвелла го?К=/, из которого получена условия устойчивости данного типа разряда. Показано,что разряд устойчив из-за обратил струи

магнитной силой тока,т.е. 7Г=0 при Рг=-трг. Кроме того, разряд устойчив из-за быстрого продува токового канала плотной плазмой с ускорением (П /вЯ" 12р-11п(Д/г0). Устойчивость разряда обеспечивается также из-за винтового закручивания периферии потока продуктов эрозии вокруг осевой зоны струи, когда 14 24г0 и й < 1/2^(Нф/На).

.Экспериментально показано, что для СДР в вакууме с увеличением диаметра отверстия =1-12 гам при постоянной толдияе плазмоооразующей диафрагкн из текстолита !0 значения термодинамических параметров плазмы на оси струи монотонно спадают в пределах порядка измеряемой величины.- Например, при 1о=2,0 мм Р=0,6-0,1 МПа, Т =29-15 кК, Ке=(7-1)Ю17см"3, р= (7-1 ЯО^г/см"3. При увеличении тетины' 1-20 \мм к сохранении диаметра отверстия, текстолитовой диафрагмы 2г0 обнаружен эффект насыщения - замедления роста значений давления и температуры электронов Те в струе. Например, при 2го=4,0 мм и 10= 8-10 мм Р=0,8 МПа, Те^г5 Ю3К, Ие=1 101&см~й. Определено, что при отношении 2го/1=1,0 и 2г0=4-5 мм значения температуры электронов в осевой зоне струи в вакууме

достигают своего уровня насыщения при 1'е=2? Ю^К для фиксированного энзрговклада в разряд, равного Е=19 кДж. При 2г0Л0=1,0 и 2г0=4-5 мм для диафрагмы из текстолита интенсивность сплошного спектра осевой зоны и ее радиальный размер при заданном энерговкладе Е=19 кДк максимальны по сравнению с другими режимами разряда - и

. о *

составляют для катодной струи Ту-о- 10 Зт/см~ ср нм для А.=200- 400 нм 'при поперечном размере осевой зоны 4- 3 калибров. Этот рема»* может являться опорным для построения -источника света на основе СДР в вакууме.

Установлено, что при использована! плззмообразуюсих материалов диафрагмы с одинаковым химическим составом, но с различной скоростью уноса массы материала стенки в отаеретик на примере текстолита и полиформальдегида интенсивность излучения осевой зоны струи в континууме изменяется пропорционально отношению значений скоростей уноса массы. Экспериментально- показано, что та же зависимость имеет место и для .отношения значений ттлоцадой пограничного слоя на срезе для -диафрагм из' этих материалов. Получена аналитическая- зависимость для определения укоса массы струями через осевую высокотемпературную зону для

диафрагмензого разряда через тонкую лкайаагму при 2гп/1о=1,0 з ГД реякмз з условиях а.ч.т.:

Яос-=2(и*р ДН*)"1С(0,32 72/Г])-9,42 о Г^ Т^', Г где -скорость струи в критическом сечении,см/с; ДН*-энталышя, Дк/г; I- ток разряда,А; тр удельная проводимость, плазмы в отверстии диафрагма,ОМ см"*; о- постоянная Стефана-Больцмана; г^фф- радиус осевой зоны струи на среза' диафрагмы, см; Т0- температура плазмы в отверстии диафрагмы. Показано,, что баланс "массы, разряда, т.е. выдув всех продуктов- эрозии стенки отверстия в диафрагме при фиксированном энерговкладе, осуществляется перерзспредвлением вздуваемой . массы продуктов 'эрозии между . оболочкой и высокотемпературной зоной струи. При этом при.увеличзнии скорости уноса массы со стенки какала в отверстии диафрагмы растет толщина нсгранслоя в отверстии и количество массы .вещества,выдуваемой через погранслой и оболочку струи,

"Показано, что изменение профиля- отверстия в плазмообразуущей диафрагме позволяет изменять структуру струи и- влиять на динамику течения продуктов эрозии - материала диафрагмы -в ней. Продлсаен и осуществлен способ ускорения продуктов эрозии в струе разряда за счет электромагнитной силы . и Сверхзвукового ' истечения из профилированного канала - отверстия в плазмообразукщеЛ дазфоатмо- за

счет комбинация расходного и геометрического действия сопла. Выведена критерии работы устройства.и соотношения, par даров диаметра отверстия электродов 2R-,' диаметра критического сечения 2г„_,

Кр

екходкого 2г и срединного 2г0 сечений сопла, удовлетворяющие условиям устойчивости разряда л■ дополняющие физическую модель разряда на струях. Получека генерация однородной струи эрозионной плазмы, истекающей" из отверстия в диафрагме в виде двух соосннх сверхзвуковых геометрическиз сопел с выходами в стороны кольцевых электродов, яркостная • температура которой равна .16000 К вблизи А=235 НМ.

СОзарузепо продолжительное послесвечение до 5 мс в видимой и У? областях спектре потока продуктов высокотемпературной эрозии •Фотографические развертки спектров излучения в УФ :: бидякой областях г фотоэлзктрические измерения- позволили определить временные зависимости интенсивности излучения легко возбудимых спектральных линий атомов и нонов (Call.Mgl и Hgll), полос радикалов 'CN,C-0V.. Было измерено давление в струе на стадии по&г;озеленил. Определены тешератург распределения электронов Те по сг-:опению пнтенсивнсстей линий Call 396,8 нм и 317,9 нм, колебательная темт: ¡ратура Тк^х по интенсивности излучения в волосах радикала CN(0,1) с А.=421,6 нм и CN(I,2) с А.=419, / ш фиолетовой

^ С

системы вращательная температура: ■ ТВр по спаду

интенсивности в оттёнешш полосы CN(0,0) с Д.=383,3 нм. После свт'-чие объясняется электронно- колебательными перехода;® двуха-тмолекул -(CN.C,), • образующихся при протекшгси хемид/.минесценгшх реакций в потоке продуктов эрозии материал'"' диафрагмы с участие;-.' «.статочной атмосферы и продуктов разрушения разрядной камеры. Установлено, что основную роль в столкновнтельнсм возбуждении и дв?ак7гс?.;?н CN(B"S) играют-атомы азота IT, углерода С и кислорода 0, молекута СО. Это было показано на призере достижения рпкасвэсшх засоленностей состояния B~S в реакциях типа СН* + А СГ - А, когда произведение константы скорости тушения- на к:"!:;-,-чграцию третьей частицы А -много больше величины обратной

радиационного ввемени казни-вобузденного 'состояния CN(B~2), равного

-—3 6 ю с.

Установлено, что для СДР в вакууме через тснкиэ диафрагмы с плазмосбразужщ'даи вставками из алюминия и меди в отверстии величины удельной проводимости продуктов эрозии на оси разрядного промежутка дкзфраг'/ц-:сатод практически одинаковы "(220 и 200- См хсм со::тггзокно). Это лить в 1,2-1,3 раза больге (170 Ом"1см"1) рщюршзнтальиых значений величии: проводимости продуктов эрозии в

струе, истекающей из отверстия текстолитовой диафрагмы.

Установлено, что при использовании вставок из металла в отверстии

диафрагмы практически вся подводимая мощность при разряде

выделяется в струях продуктов эрозии, повышая интенсивность

излучения струи в Ш области спектра до 100 Вт/см2ср нм. Рост

интенсивности излучения металлических струй плазмы по сравнению со

струями продуктов из текстолитовой диафрагмы обусловлен более

высоким значением зарядового числа 2 плазмы пси излучательной 2

способности 1 и вкладом в суммарную интенсивность излучения от всего объема струи, включая низкотемпературную приосевую зону струи.

В главе 4 рассмотрены некоторые практические приложения диафрагменного разряда на струях эрозионной плазма. ' Показана возможность использования СДР для исследования ударносжатого слоя продуктов эрозии у мишени, 'расположенной б разрядном промежутке. Рассмотрены результаты исследований возможности получения тонких сдоев широкого класса материалов -на подложках из металлов, диэлектриков и полупроводников с использованием диафрагменного разряда на струях в вакууме,

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Объектом исследования являлись плазменные струи импульсного разряда через отверстие в тонкой плазмообразующей диафрагма,находящиеся в электрическом поле между кольцевыми электродами.

Исследования с помощью . разработанного многоканального диагностического комплекса режимов разряда в камере объемом 50 л в вакууме и Еоздухе с рнач=Ю-Ю5 Па гг^и силе одиночного импульса тока 1=10-80 кА длительностью 10~4-Ю~°с позволили определить роль различных '.факторов в формировании оптических свойств квазистационарной и распадающейся плазмы струи.

В качестве опорного режима разряда был выбран такой режим электропитания, ' когда роль газодинамических и магнитных сил в межэлектродном промежутке дециметрового размера близка по величине и по значимости. Это соответствует плотности тока разряда ^ =400 кА/см2 в отверстии тонкой - диафрагмы при отношении диаметра отверстия к толщине диафрагмы 2го/1о=1,0 и напряженности магнитного поля в устье струи Ю6 А/и.

В результате проведенных исследований: I.Установлено, что структура струи включает осеьук: зону продува,

приссевую магнитообжатую зону, зону расшряхзщейся оболочки с ее гжекцкей в кольцевой электрод. Изменения структуры струи определяются, в основном, величиной тока разряда, 'отношением г0/й величины диаметра отверстия в диафрагме 2г0 и в кольцевом электроде 2й, и давлением в разрядной камере (Рнач)>,

2.3 опорном региме разряда при начальном давлении рн ч=10 Па для диафрагм-! из органических материалов формировалась . струя ' с интенсивны!« осевым продувом плазмой размером 4-6 калибров. Плазма зоны продува отличалась высокой температурой и плотностью электронов: Т0 до 27 103К и до I 1018см~^. Максимальное значение скорости продува токового канала достигало 30 км/с, а интенсивность в континууме в УФ области спектра состазляла 6-10 Вт/см2ср нм.

3.Спектроскопическими методами определены радиальные распределения кзлучательной способности ^(г) и концентрации электронов Уе(г) в струе для квазистационарной фазы развития разряда с максимумом их значений вблизи оси струи. Например, для разряда в вакууме в осевой зоне струи измерение максимальные значения тзавны:Л,0(г)=9,5

ТГ,_0 СО

10 см , излучательная способность в континууме е8 Вт/см ср нм для ?,=404,7 нм. Существование резкой границы в излучении струи между осевой к приосевой зонами обусловлено спадающим характером ЛГе(г) и зависимостью ~ для рекомбинационного

континуума. Показано, что временные зависимости для осевой

(г/В=0,05) зоны близки к форме тока разряда.

4.Разработана физическая модель токоведацей струи разряда. На

основе анализа уравнений тр=1/с[/ х В] и гМ Н получены

условия устойчивости данного разряда. Разряд устойчив:

-из-за обжатия струи пондеромоторной силой тока разряда при

?„=-\7рпрепятствующей радиальному разлету высокотемпературных продуктов эрозии;

-из-за быстрого (за t=I0~o-I0-7c) продува токового канала плазмой

при 1\т - 12гп(Я/г0),когда гидромагнитные неустойчивости не успевают развиваться;

-из-за винтового закручивания периферии потока продуктов, эрозии

вокруг осевой зоны струи впервые обнаруженного с помощь»

I

магнитных зондов, когда Ъ ^ 24г0,Д < ^ (Н^/Нр.

5.Показано,что при увеличении диаметра отверстия 2г0=1-12 мм при постоянной' толщине диафрагмы' 10 для разряда в вакууме значения термодинамических параметров плазма,на оси струи монотонно спадают в пределах порядка измеряемой величины. При увеличении толщины

1о=1-20 мм и 2г0=ссг^ обнаружен эффект несьдденгя - замедления роста ' значений термодинамических параметров на оси струи. Определено, что в опорном ре заме при 2г0=4-5 мм" термодинамические параметры на оси струи -температура Те=27 Ю3 К и давление ?=0,7 Ша и выход излучения в УФ области спектра (интенсивность сплошного спектра 1Я=5-Ю Вт/см2 ср ш* для \=2С0- 400 нм) достигают максимальных значений при фкксирозаннсм энерговкладе (2=19 кДк). Этот режим разряда был использован для создания макета источника УФ излучения на основе катодной струи эрозионной плазмы з вакууме. Основные характеристики макета источника УО излучения: плотность модности излучения 3 Ю4 Вт/см*, длительность импульса излучения 3,5 10""4с (с х=9' Ю-5с). доля УФ излучения в "Д\=115-400 нм составляет 30-33£

6.Показано, что баланс массы разряда при изменении скорости уноса массы используемого материала _ диафрагмы при фиксированном энерговкладе осуществляется перераспределением выдуваемой массы продуктов эрозии между оболочкой и высокотемпературной зоной струи. Получена аналитическая зависимость для определения уноса массы струями через осевую высокотемпературную зону для дизфрагменного разряда через тонкую диафрагму при 2го/1о~1,0 в .газодинамическом режиме течения плазмы и условии а.ч.т. для плазмы в отверстии диафрагмы-.

7.Предложен способ увеличения геометрических размеров однородно излучающей струи продуктов эрозии материала диафрагма при разряде за счет изменения профиля и длины канала ц диафрагме и перестройки структуры струи. Выведены критерии для осуществления предложенного способа с комбинацией расходного и геометрического' действия сопла, удовлетворяющие условиям, устойчивости разряда и повышения выхода излучения в УФ области спектра.

8.Выяснена природа продолжительного послесвечения (до 5 мс . при длительности импульса тока ~ 0,5 мс) струи, истекающей из отверстия тбнкой диафрагмы после окончания ' токовой ' фазы. • Причиной такого свечения являются электронно-колебательные переходы двухатомных молекул (СМ,С2 и др.), образующихся при' протекании химических реакций в потоке продуктов эрозии материала диафрагмы с участием остаточной атмосферы и продуктов разрушения разрядной камеры. 1

9.Показано, что для опорного режима при одинаковом энерговкладе в разряд величина удельной проводимости для плазмы из металлов (А1,Си) на оси струи разряда, ротл а я. 220-200 Ом""1сьГ1, ь 1,2- Т,3 раза больше удельной проводнмостк. плазм* .> из • гчадп органического состава (текстолита). Устанокяено, что т.ру »яяэлп'.'Кйй

отверстия диафрагмы металлическими вставками подеодогея мощность при рэзркдо „ь'гелястся в струях продуктов эроггк, повышая интенсивность гзлучеихя сзруя в УС облает;/ спектра до 1^=100 Вт/см2 ср им. Существенный рост интенсивности излучеавя металлических струй зтлггча го сравнений сс струями продуктов из текстелитовой диафрагмы обусловлен белее высоким значением зарядового числа г - плазмы при кзлучателькой способности е^ ~ 7? и значительным вкладом в суммарную интенсивность излучения от пркосевой зоны струи за счет излучения групп спектральных линий иснов, определяющих состав данной олектрсразрядной плазмы.

В заключении показаны возможности использования результатов проведенных иссл^юрэний свойств струй эрозионной плазмы диалог58НЕого разряда при световых испытаниях кокпозиаиошщх Материалов, тает для получения тонких слоев материалов на подложках из металлов (71,Си), диэлектриков (%Р2,стекла марки К8)и полупроводников). Показано,что опробований метод перспективен для получешя слоев мяогокоипойеношх ' и новых материалов. Преимуществами данного способа получения тонких слоев материала является снятую ограничений на скорость роста то.щлт слоя, высокая адгезия и возможность очистки поверхности подложи коротковолновым излучением разряда непосредствега-ю перед нанесенною покрытия.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: I.Калашников Н.В., Подмошэнский К.В., Роговцев П.Н. ¿Грслодование спектрально- энергетических характеристик излучения импульсного струйного источника СЕета. //ШС. 1988. Т.48.Ш. С.33-38.

2.К.алаинпков Е.З.,Роговцев П.Н.Исследование структуры струи • динамического я-пкнчз.//ЖТФ.1988.Т.58.Л9.С.1716-1722.

3.Калинников Е.Б.,Роговцев П.Н.Электромагнитные свойства струй пл?'Ч'.- диафрагмеыюго разряда в вакууме. //'КТФ. 1990. Т. 60 .>'4. С. 99-104.

4.Белов . С.Н.,Калашников Е.В..Роговцев ' П.Н.Спектры и ионизационный состав плазменной струи диафрагменного разряда _ в вакууме. //Ж11С. 1990. Т. 53. №,. С. 887-895.

5.Калашников Е.В.ПространстЬенное распределение излучзтэльной способности плазмы струи диафрагменного разряда в вакууме. //5ШС. 199Т, 7.54.02.С. 289-294.

6.Калпшникс- г.., Роговцев П.Н. Структура плазменной струи диафрагменного р-гт'дл в вакууме и влияние размеров отверстия диафрагмы на с- • •■.■¡.//Ж'ГФ. 1991.7.61,«. С.92-99.

' 7.Каио1г ••»; Е.;*. Влияние характера истечения- продуктов эрозии

плазмообразующего ' материала на излучательпые свойства диафрагменного разряда з вакууме. //Ш0.15Э1. Т. 55, №. С. 651-65?.

в.Кзскашюв Е .З.Ясслодсзгииз спектрадьно-энергэтиче сток свойстз импульсного источника УФ излучения на основе самос:.етого разряда.//II Всес.конф. "Теоретическая и прикладная'

оптика". Тез. докл. Л. :ГСК, ISSï. 0.208.

Э.Калашников Е.В. ,Подмоченский '/.3. .Рогоъцез П.Н.Исследование динамического ¿-линча.//VI Всес.конф.''динамика излучающего газа". Тез. докл.К. ::.ГУ, i937.С.20-21.

1С.Калашников Е.В..Роговцев îi.Н.Экспериментальные исследования свойств' диафрагменного разряда з вакууме.//XV Ьеес.семинар по газоъйм струям.Тез.докл.Л. :ЛМИ,19Э0.С.Ь6.

И.Калазников Е.Б..Подмсденскии К.Б..Роговцев П. Р.. Импульсный источник УФ излучения и плазмы на" основе катодной струи диафрагменного разряда в • вжууме .//II Все с. симпозиум по радиационной плазмодакамике.Тез.докл.M.:МГТУ,1991.4.1.0.63-64. '

12.КэлаЕНЕКОБ Е.З. .Роговцев П.Н.Свечение струи эрозионной плазмы диафрагменного разряда в вакуумз././VIIi Всес.конф.по физике •низкотемпературной ш:азмы. Тез. докл. ?,<инск:3:'У,1991.4.II.С.69-70.

13.Када.лпков Е.В.,Миронов И.С..Роговцев П.Н.Влияние ударнвх волн и эрозхюнной оболочки на нзлучатедьнке свойства сильноточного Н-прпнатого разряда.//ТВТ:IS85.Т.23. Jfâ.С.253-261.

14.Калашников' Е. В., Роговцев ' П. Н. Исследование импульсного •давления в плазме струйного источника крешерннм ме тодом. //ПТЭ. I9S7 .Ж.С. 185-189.

15.Калашников Е.В.,Роговцев П.Н.Пьезоэлектрический датчик импульсного . давления с трубчатым отводным элементом.//ПТЭ.I939.}>2.С.234-238.

16.Калашников E.Ei. Пьезоэлектрический датчик давления.// Авт. свид. СССР J¿I323880 от 3.10.84.

17.Калашников Е.В. Поляризационная призма. //Авт. свид. ССОР Jé 1755239 ОТ I4.04.S2.

18.Калашников Е.В. Поляризационная призма. //Авт. свид. СССР » 1755237 от 15.04.92.

ГЭ.Калзшикс* P.P..Роговцев П.К. Источник плазмы.-//Авт. етэд. СССР .;Яо2С84 ОТ Il.Ui.ñV.

ЕО.КйЛыиглхов E.H. .Риговцоь П..i. Уо.'счык излучения. //Авт. свид. СССР ,<276г»«2 от 2B.ÍV

Подписало к печати -// ':( ,.■ л:. .4oie/e-i-t' «п.>4

Печать офсо гная. Уол.де ; . ..' :i.;..",;....

Тираж УГ'О г ■„;.■:,?. : . Т: " ; . ■■ г . ■ ,:■..-. '