Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе

Ильин, Андрей Александрович

Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Ильин, Андрей Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2003 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе"

Федеральное государственное унитарное предприятие «ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР имени М.В.КЕЛДЫША»

На правах рукописи УДК 621.384.64 + 537.533.7

Ильин Андрей Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ В ПЛОТНОМ ГАЗЕ

Специальность 01.02.05. - "Механика жидкости газа и плазмы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2003 г.

Работа выполнена в

Исследовательском центре им. М.В.Келдыша

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Горшков Олег Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Васильев Михаил Николаевич;

доктор физико-математических наук, Шарафутдинов Равель Газизович.

Ведущая организация

Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского

Защита состоится «<?<? » ОКТ,_2003 г. в 12 часов

на заседании диссертационного совета К 212.156.06 в Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 141700, г.Долгопрудный, Московская обл., Институтский переулок, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан « 25 » С&М'/ ■ 200?г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по адресу: 141700, г.Долгопрудный, Московская обл., Институтский переулок, 9, председателю диссертационного совета К 212.156.06.

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, Березникова Марина Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Вывод потоков электронов в плотную газовую среду (в том числе в воздушную атмосферу) существенно расширяет их технологические возможности. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. Вместе с тем открываются новые возможности применения таких потоков в решении задач плазмохимии, очистки дымовых газов от токсичных примесей и т.д.

В последние годы активизируются исследования по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях. Одновременно ведутся работы по созданию установок для их реализации.

Вывод концентрированных потоков электронов в плотную газовую среду снимает ограничения, налагаемые на параметры электронов, выводимые через фольговые окна. Появляется возможность снижения ускоряющего напряжения и увеличения плотности тока. Существенно упрощается система радиационной защиты персонала, повышается надежность оборудования, уменьшается его стоимость.

При прохождении потока электронов через плотный газ образуется электронно - пучковая плазма, характеризующаяся наличием трех основных компонентов это первичные электроны с характерной энергией десятки кэВ, медленные тепловые электроны и тепловые ионы. В данной работе основное внимание уделено исследованию потока первичных электронов.

Экспериментальные исследования процессов происходящих под воздействием концентрированных потоков электронов имеют свои особенности, связанные с тем, что методы определения пространственного распределения параметров первичных электронов в плотном газе, отработаны только для фольгового вывода. Эти методы основаны на возможности расчета общей мощности потока по его току и энергии частиц, ионизационным потерям в фольге и потерям при прохождении электронов по газу известного химического состава и плотности. Для систем с концентрированным выводом применение такой методики представляет определенные сложности, так как поток электронов, первоначальная мощность которого известна, испытывает рассеяние и теряет часть энергии на газе протекающем в системе вывода, оседает частично на стенки каналов выводного устройства. Кроме т эгврОс^'^^Ш^^'таш^ентрации

С Петербург

оэ

переносимой мощности создаётся сильно неоднородное поле плотности газа. Поэтому необходимо проведение независимого измерения мощности потока, введенной в газовый тракт. Существующие в настоящее время методы измерения плотности тока первичных электронов или не дают необходимого пространственного разрешения (калориметрический, химический и магнитный методы) или представляют собой крайне сложные методики, как с точки зрения применяемого оборудования, так и с точки зрения правильности интерпретации результатов (рентгеновский метод). В связи с этим представляет интерес разработка более простой методики и оборудования, которые позволили бы получать пространственное распределение плотности тока электронов в плотном, газе.

Исходя нз вышесказанного можно сформулировать пели работы:

1. - создание установки по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния (состав, температура, расход газа),

2. - создание методики и средств измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов в плотном газе,

' 3. - проведение" экспериментальных исследований пространственного распределения плотности тока концентрированного потока электронов в плотном газе в созданной установке. г"

Научная новизна: ?

1. - в результате проведенной работы создана методика и оборудование для измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов концентрированных потоков электронов при транспортировке в плотном газе. Для этого впервые разработан и создан зонд первичных электронов, способный измерять плотность тока концентрированных потоков электронов в условиях плотной газовой среды. Определены диапазон его применимости и погрешности измерений.

2. - в созданной экспериментальной установке измерены пространственные распределения плотности тока первичных электронов концентрированного потока электронов. На основании данных распределений получены: радиальные распределения плотности тока первичных электронов, осевые распределения плотности тока, зависимость полного тока от длины распространения потока и огибающие электронного потока при распространении в плотном газе.

Показано, что гауссово распределение дает заниженный результат в радиальных распределениях плотности тока на больших расстояниях от оси потока. Получено

значение коэффициента в формуле Ленарда для осевого распределения плотности тока, а также формула описывающая огибающую электронного потока в плотном газе.

В результате проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанных методик и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных потоков электронов в плотном газе.

Практическая ценность: Получены данные, позволяющие определять режимы работы электронно-лучевых установок, реализующих такие технологии, как электронно-лучевая очистка газов от вредных примесей, сварка, резка, поверхностное упрочнение металлов и т.д.

Разработаны зонд первичных электронов и методика определения плотности тока первичных электронов, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока концентрированных потоков электронов в условиях плотной газовой среды.

Создана установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов пучков с газовыми средами контролируемого состояния.

На защиту выносятся:

1. Установка проточного типа по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газбвыми средами контролируемого состояния.

2. Зонд и методика определения плотности тока первичных., электронов, способные измерять плотность тока первичных электронов концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.

3. Результаты измерений параметров концентрированных потоков электронов, взаимодействующих с плотной газовой средой.

Апробация работы и научные публикации.

Материалы работы докладывались на конференциях:

I всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких энергий» Россия Москва 30 октября - 2 ноября 2001,

EMRS Spring Meeting. Strasbourg France 18-21 of June. 2002.

14th Conference on High Power Particle Beams Albuquerque USA 23-28 of June

2002.

Материалы диссертации опубликованы в 5-и печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит 80 машинописных листа, включающих 36 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель научная новизна и практическая ценность. Сформулированы положения, выносимые на защиту. Кроме того, кратко изложено содержание диссертации по главам.

Первая глава диссертации посвящена созданию установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния применительно к задаче очистки дымовых газов от вредных примесей и содержит три части.

В первой части первой главы рассмотрены основные методы очистки, применяемые для очистки дымовых газов (ДГ) от оксидов азота. п

Упрощенная схема установки для очистки ДГ при помощи электронно -лучевого метода представлена на рис.1.

Заштрихованная область

изображает рабочий объем реактора, т.е. возбужденной среды, в которой протекают основные, химические реакции. Процесс удаления БОг и N0* из ДГ удобно разделить на три этапа:

1.На первом этапе при возбуждении ДГ, содержащих пары воды, образуются химические активные свободные радикалы

N2,02, Н20 -> N. Н, О, ОН, Н02 и т.д.

Длительность этой стадии оценивается примерно в 10"8 с.

' Рис. 1- Принципиальная схема установки для очистки дымовых газов.

2. На втором этапе свободные радикалы, взаимодействуя с оксидами азота и серы, окисляют их в конечном итоге до азотных и серных кислот

(SOa, NO,) + (О, ОН, НОг) -> (H2SO4, HNO3).

Эти реакции также относятся к быстрым - время их протекания 10~5 с.

3. Добавляемый в ДГ аммиак, в присутствие свободного кислорода и паров воды доокисляет часть SO2, а также нейтрализует образовавшиеся кислоты с выходом нитратов и сульфатов аммония в твердом состоянии

(S02, H2SO4, HNOj) + (NH3,02, Н20) ([NK,]2S04, HNO3). Длительность этой стадии 0,1 - 1 с. С 1970 года проведены эксперименты более чем на 10 маломасштабных и опытно-промышленных установках. Практически во всех произведенных экспериментах использовался фольговый вывод электронов в рабочую область реактора. Несмотря на сильное различие условий в различных экспериментах, можно отметить, что степень очистки 80 - 90% достигается при D/[NOJ « 0,005 + 0,01 Мрад/мд. При характерных начальных концентрациях NOx « 500 мд (миллионных долей) это соответствует дозе »2,5-5-5 Мрад.

Исходя из этих данных, во второй части первой главы, определены основные параметры, которые должна иметь установка для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей с применением непрерывных концентрированных потоков электронов, приведен расчет основных узлов установки. На рис. 2 изображена блок-схема установки. Основными элементами

установки являются:

1 - генератор пучковой плазмы;

2 - узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси;

3 - радиационно-химический реактор;

4 - система отвода газа;

5 - вентиляционная система.

Генератор пучковой плазмы

(Ulli) (1) - устройство предназначено

Рис. 2. Блок - схема установки.

для формирования и ускорения

концентрированного потока электронов с последующим выводом в плотный газ.

Узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси (2) предназначен для подготовки газа, в частности способен моделировать газ, поступающий из дымовой трубы. Здесь осуществляется забор атмосферного воздуха, измерение его расхода, нагрев газа до требуемой температуры, ввод в него необходимых реагентов.

Радиационно-химический реактор (3) - это блок, в котором происходит взаимодействие концентрированного потока электронов с подготовленной газовой смесью. В случае очистки газов от вредных примесей здесь под действием быстрых электронов образуются активные радикалы, которые стимулируют протекание ряда химических реакций, приводящих к связыванию загрязнителей.

Система отвода газа (4) предназначена для удержания газа в системе до завершения основных химических реакций.

Вентиляционная система (5) предназначена для прокачки газа по тракту.

В третьей части приведены результаты создания установки для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей с применением непрерывных концентрированных потоков электронов. На рис. 3 представлена ее фотография. Нумерация элементов совпадает с нумерацией на рис. 2.

Полученные параметры установки: Расход газа 15-68 л/с; Мощность нагревателя газа до 9,2 кВт; Температура обрабатываемого газа до 150 °С; Мощность парогенератора до 13,2 кВт; Расход пара до 5,85 т/с; Расход оксидов «азота:

NO-до 500 мд;

Ш2-до700мд; Ускоряющее напряжение 80 - 100 кВ; Ток электронов до 18 мА.

Вторая глава диссертации посвящена созданию зонда первичных электронов, и содержит четыре части.

В первой части второй главы описаны основные методы, используемые для измерения параметров первичных электронов

Рис. 3. Установка для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

в плотном газе. Методы определения плотности первичных электронов в плотном газе отработаны в основном для фольгового метода. Они основаны на возможности расчета общей мощности потока электронов по его току и энергии частиц, ионизационным потерям в фольге и потерям при прохождении электронов по облучаемому газу известного химического состава и плотности. Для систем с концентрированным выводом применение такой методики представляет определенные сложности, так как поток электронов, первоначальная мощность которого известна, испытывает рассеяние и теряет часть энергии на газе протекающем в системе вывода, оседает частично на стенки каналов выводного устройства. Существующие в настоящее время методы определения плотности тока первичных электронов или не дают необходимого пространственного разрешения (калориметрический, химический и магнитный методы) или представляют собой крайне сложные методики, как с точки зрения применяемого оборудования, так и с точки зрения правильности интерпретации результатов (рентгеновский метод). В связи с этим представляет интерес разработка более простой методики и оборудования, которые позволили бы получать пространственное распределение плотности тока первичных электронов в плотном газе.

Во второй части второй главы представлено теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов. Действие зонда основано на том, что быстрые электроны в сравнении с медленными, обладают существенно большей глубиной проникновения в вещество. Глубина проникновения электронов в вещество Ко[см] выражается эмпирической формулой:

(1)

где Е - энергия электронов (кэВ); (

с - константа, равная для слюды с = 8,7 * 10'6[————г^-];

см •кэВ5 3

р - плотность вещества (плотность слюды р = 2,8 г/см3).

Расчет дает = 64 мкм при Е = 100 кэВ (для слюды).

Следовательно, для того чтобы создать зонд первичных электронов нужно на обычный зонд нанести слой диэлектрика толщиной, способной отсечь плазменные электроны с характерной энергией до 1-5 эВ и пропустить первичные электроны с характерной энергией 50-100 кэВ. Сложности, возникающие при создании данного зонда, связаны с необходимостью создания тонких диэлектрических плевок,

способных выдерживать высокую плотность мощности потока электронов. Для уменьшения тепловой нагрузки на конструкцию зонда применен пролетный режим работы, когда зонд проносится через поток электронов с большой скоростью.

Схема зонда первичных электронов представлена на ряс. 4. На рис. 5 приведена его фотография в разобранном виде. Часть тока первичных электронов вырезается окном (2), проходит через слой диэлектрика (3), попадает на токосъемник (1) и измеряется.

Поток электронов при прохождении через слой диэлектрика испытывает потери по энергии и по току.

На рисунках 4 и 5 цифрами обозначены:

1 - токосъемник,

2 - окно шириной 0,5 мм и длинной 35 мм.

3 — пластина из слюды толщиной 8

4 - экран.

Рис. 4. Схема зсщ& первичных электродов.

'■ЖЯ ■■ .■ ...и

-«и

Рис. 5. Зонд первичных электронов в разобранном виде.

Коэффициент пропускания тока моноэнергетичного пучка Т„ при прохождении через тонкую пластину может быть рассчитан по эмпирической формуле

Т. = ехр[-

(2)

где для слюды при Е = 100 кэВ: а = 2,38; Р = 2,56;

2 — толщина пластины,

гэ - экстраполированный пробег электрона.

Ток электронов, прошедших через окно зонда (2) I, и ток, измеренный на токосъемнике (1) I„щ, связаны следующим соотношением:

/ =-^--(3)

где Ты коэффициент пропускания тока электронов через тонкую диэлектрическую пластину, полученный интегрированием (2) по всему спектру с учетом спектрального распределения электронов по энергиям, Бы - коэффициент отражения электронов от меди.

Погрешность, вносимую зондом в измерение тока электронов, можно выразить следующим образом:

& зонда = + СТЮ1 + СТт„, (4)

Ся - геометрическая точность изготовления окна зонда (2), аап - погрешность, вносимая точностью определения коэффициента отражения (аРп<2%),

сгтп - погрешность, вносимая коэффициентом пропускания тока электронов через диэлектрическую пластину:

аТп=а-р

г \аг 2

Лп

5 +3

ДЕ

+ 10%, (5)

АЕ - погрешность расчета наиболее вероятной энергии в спектре (ДЕ = 10%).

Аг - погрешность измерения толщины диэлектрической пластины,

Дгэ - погрешность определения экстраполированного пробега электронов. (Лгэ =

10%).

В третьей части второй главы описывается конкретная конструкция зонда. На основании предыдущей части произведен расчет области применимости зонда, оценена погрешность измерения плотности тока первичных электронов.

В созданной конструкции зонда наиболее критичной к воздействию теплового потока деталью является пластина из слюды. Для уменьшения тепловой нагрузки на конструкцию зонда применен пролетный режим работы, когда зонд проносится через поток электронов с большой скоростью. В результате расчета получено, что скорость перемещения зонда должна быть не менее 1 м/с.

На рис. 6 показана погрешность созданного зонда первичных электронов как функция средней энергии электронов.

Е. кэВ

100

110

120

Рис. 6. Погрешность зонда первичных электронов.

В результате создан зонд, позволяющий измерять плотность тока быстрых электронов с энергией в диапазоне от 30 до 125 кэВ, при токе до 10 мА.

В четвертой части второй главы представлена методика определения плотности тока первичных электронов при помощи зонда первичных электронов. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 7.

Зонд проносится через плазменное образование,

создаваемое потоком быстрых электронов, в направлении перпендикулярном длинной стороне зонда со скоростью V (у = 1,066 м/с ± 1%). Окно вырезает часть потока с фиксированными размерами

(ширина 0,5 мм, длинна 35 мм). Часть электронов, прошедших окно,

астроиство вывода

прожигаемая перегородка

поток электронов I

г=54мм

Рис. 7. Схема проведения эксперимента по измерению распределения плотности тока первичных электронов.

попадает на токосъемник. Ток с токосъемника измеряется и регистрируется с периодом 50 мкс.

На рис. 8. Представлена электрическая схема эксперимента.

__При обработке результатов

токосъемник зонда —  предполагается осесимметричность

потока электронов. Записанный сигнал пропускается через цифровой

Лк

Рис. 8. Электрическая схема эксперимента. фильтр высоких частот, который

фильтрует частоты выше 300 Гц, временная ось сигнала преобразуется в положение зонда, измеренное значение преобразуется в действительное значение тока с учетом поправки на отражение электронов и коэффициент поглощения в диэлектрической пленке по формуле: 0,5 мкА/т

(6)

где I - действительное значение тока электронов на зонд,

Нипша - значение записанного сигнала,

Тц - коэффициент пропускания тока первичных электронов через тонкую пластину ((3) на рис. 4 и 5), полученный интегрированием (2) по спектру,

Ян - коэффициент отражения электрюнов от меди, Ям = 9 - 10 %.

Экспериментальная зависимость полученного тока от координаты 1(х) связана с радиальным распределением плотности тока осесимметричного потока 1(г) Уравнением Абеля:

Методом интегрального обращения можно найти радиальное распределение плотности тока осесимметричного потока:

^ (8)

где 1(г) - радиальное распределение плотности тока осесимметричного потока, 1(х) - экспериментальная зависимость полученного тока от координаты зонда. В нашем случае для получения радиального распределения плотности тока, к полученному в эксперименте токовому сигналу применяется модифицированное преобразование Абеля. Модификация преобразования заключается в том, что учитывается реальная длина зонда, равная 35 мм, тогда как в обычном преобразовании

Абеля предполагается, что зонд имеет бесконечную длину. Данное преобразование выполняется численными методами.

В результате получены радиальные распределения плотности тока первичных электронов в сечениях.

Правильность реализации преобразования Абеля проверялась обратным преобразованием, которое дает исходный сигнал с точностью лучше 3%.

Снимая распределения плотности тока электронов в различных сечениях, строились пространственные распределения плотности тока первичных электронов.

В третьей главе диссертации представлены результаты измерения основных параметров потока электронов в установке для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния. Представлено- сравнение результатов измерения тока, полученного при помощи зонда первичных электронов с результатами калориметрических измерений, а также с расчетом, проведенным методом Монте - Карло.

Табл. 1. В экспериментах исследовалось

радиальное распределение плотности тока электронов в различных сечениях с 5 мм шагом вдоль оси в режимах, обозначенных в табл. 1 символом X.

и, кВ I, мА

5 10,2 12,3 14,5

80 X X X —

90 X X X X

Поток инжектировался в проточный газ при температурах 293К и 390К. На рис. 9 приведен. типовой вид радиального распределения плотности тока, полученного в эксперименте.

],А/мм' 1,8е-5 1,6е-5

рассеянию первичных электронов в [

1 )0е-5 8,0е-6

радиальное распределение

В большинстве работ по

плотном газе принимают, что

плотности тока выражается гауссовым распределением:

б.Ое-бЩ

4'0е-6РЙ

2.0е-б

У = Уо-е:

(9)

где ] - плотность тока электронов на радиусе г от оси

Рис. 9. Типовое радиальное распределение плотности тока первичных электронов и наложенное на него распределение (9).

потока,

Ло - плотность тока электронов на оси,

тх - радиус потока, определенный как расстояние, на котором плотность тока падает в е раз относительно осевой плотности тока.

На рис. 9 на экспериментальную кривую наложено распределение (9). Из сравнения видно, что распределение (9) на больших радиусах лежит ниже измеренных значений плотности тока. Такое поведение измеренной плотности тока характерно для всех сечений пучка, что свидетельствует о невозможности применения распределения гаусса при расчете плотности тока первичных электронов в плотном газе на больших расстояниях от оси потока.

Воспользовавшись радиальным распределением плотности тока электронов, можно получить полный ток в сечении:

1 = 1п\}(г)гс1г. (10)

О 'г ,

Имея ток в различных сечениях, можно построить график деградации полного тока электронов. Из данных графиков можно найти одну из основных характеристик потока электронов в плотном газе - экстраполированный пробег, определенный как расстояние, на котором прямая, проведенная через линейную часть кривой деградации полного тока электронов от расстояния, пересекает ось г.

В табл. 2. приведены значения экстраполированного пробега полученные в эксперименте и рассчитанные по формуле:

гэ=Ко*0,7. (11)

Ио - глубина проникновения электронов в вещество (формула (1)).

Табл. 2.

Режим 90кВ 293К 80кВ_293К 90кВ_390К 80кВ_390К

Гмэ,мм, экспер. 86Ц 1оо:;< 78!®

ги»мм, теор. (11) . 83,6 ±10% 68,7 ±10% 111,2 ±10% 91,4+10%

Как видно из таблицы, экспериментальные и расчетные значения экстраполированных пробегов хорошо согласуются, что подтверждает достоверность предложенного метода измерения плотности тока первичных электронов.

По изменению температуры газа при его прохождении через реактор можно сделать вывод о мощности электронов, вложенной в нагрев газа.

Мощность, вложенная в нагрев газа Р(:

Р, = СртАТ, (12)

кДж

где Ср =1,041--теплоемкость воздуха,

кг К

т - массовый расход воздуха, ДТ - изменение температуры.

С другой стороны, мощность, вложенная в газ, может быть оценена как: Р = £и./Я, (13)

где Е$4 и 1з4 - ток и средняя энергия потока электронов на выходе из устройства вывода.

В результате экспериментов найдено, что мощность, вкладываемая в газ потоком электронов, измеренная зондом первичных электронов и калориметрическим методом находится в удовлетворительном согласии, что подтверждает достоверность предложенного метода измерения плотности тока первичных электронов.

Закон изменения осевой плотности тока потока электронов для газовых поглотителей, найденный Ленардом, имеет вид:

Л=Л«Ф(.-а-рг), (14)

где - плотность тока электронов в сечении г, А/см2,

.¡о - плотность тока электронов в исходном сечении, А/см2,

а - коэффициент поглощения, см^г,

р - плотность газового поглотителя, г/см3.

а = С/Е2, (15)

где Е—энергия электронов (кэВ),

в области энергий 20 - 200 кэВ принимают С =2,4*10® [г/(смг*кВ2)] с точностью 15%. В результате экспериментов получено, что осевое распределение плотности тока при инжекции потока электронов в проточный газ зависит от температуры газа и от ускоряющего напряжения, и не зависит от тока пучка.

В результате эксперимента найдено С = 3,5* 106 ± 20% [г/(см2*кВ2)], что несколько больше ранее опубликованного значения.

Кроме того, получено уравнение огибающей потока первичных электронов, определенное как расстояния от оси потока в поперечных сечениях, на которых плотность тока электронов падает в е раз относительно осевой плотности тока.

Предположим, что огибающая потока может быть описана как Я = С * га. В результате эксперимента получено, что а = 1,4 ± 10 % для электронов с начальной энергией 90 кэВ в атмосфере, при температуре газа 273 К. Причем а не зависит от тока электронов и температуры окружающего газа (с точностью до погрешности измерения).

Во второй часта третьей главы произведено сравнение экспериментальных данных с результатами расчета, прохождения потока электронов через азот, при давлении 1 атм и температуре 293 К, произведенного методом Монте-Карло. Начальная энергия электронов принималась равной 90 кэВ. Расчет проводился по модели индивидуальных столкновений. Электрон считался выбывшим из рассмотрения при достижении энергии 1 кэВ. Расчет производился для 20000 траекторий.

Результаты расчета находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность предложенного метода измерения плотности тока первичных электронов в плотных газах.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ диссертации обобщены полученные результаты и сформулированы следующие выводы:

' ¡г •

1. В результате работы создана установка проточного типа для исследования процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

Основные параметры установки:

Расход газа 15-68 л/с;

Температура обрабатываемого газа 20-150 °С;

Расход пара - до 5,85 г/с;

Исходная концентрация оксидов азота: NO-до 500 мд; NCb-до 700 мд;

Ускоряющее напряжение потока электронов 80-100 кВ;

Ток электронов до 18 мА.

2. Разработаны и созданы зонд первичных электронов и методика, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока первичных электронов в плотной газовой среде с энергией электронов в диапазоне от 30 до 125 кэВ, при токе до 10 мА.

При помощи созданного зонда и методики измерено пространственное распределение плотности тока первичных электронов в установке по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния при различных режимах работы.

3. На основании полученных измерений пространственного распределения плотности тока получены:

- радиальные распределения плотности тока первичных электронов в различных сечениях. Показано, что гауссово распределение дает заниженный результат плотности тока на больших расстояниях от оси потока;

- распределения тока электронов при распространении в плотном газе. На основании данных распределений получены значения экстраполированного1 пробега потока электронов в зависимости от первичной энергии электронов и температуры окружающего газа. Показано, что полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с расчетными значениями;

- значения интиральной мощности потока электронов вложенной в газ. Данные результаты хорошо согласуются с результатами калориметрических измерений вложенной в газ мощности;

- осевые распределения плотности тока электронов. Показана справедливость формулы Ленарда для осевого распределения плотности тока:

Л = Л ехр(-а ■ р • г),

при а = 3,5*106/Е2 [г/см2] с точностью 20%.

- показано, что огибающая потока электронов может быть описана формулой вида г = С * га, где а=1,4±10%ине зависит от тока электронов и температуры воздуха, через который транспортируется поток.

4. Произведен расчет распространения потока электронов с начальной энергией 90 кэВ через азот давления 1 атм с температурой 293К методом Монте-Карло. Показано хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными результатами.

5. На основании проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанной методики и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных потоков электронов в плотном газе.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ, ГДЕ ОТРАЖЕНО ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С.,Ризаханов Р.Н. Установка для изучения электронно-лучевой очистки отходящих газов от вредных примесей с применением непрерывных концентрированных электронных пучков. // Тезисы докладов I Всероссийской конференции по прикладным аспектам химии высоких энергий. Москва, 2001, с. 13.

2. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Установка для вывода концентрированного электронного пучка в газ атмосферного давления.// ПТЭ 2002. №2. с.162-163.

3. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Установка для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей с применением непрерывных концентрированных электронных пучков.//ПТЭ 2003. №1, с.123-125.

4. V.V. Abashkin, О.А. Gorshkov, АА. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov. Extra-vacuum Electron Beam Technologies and Methods of Their Realization. EMRS Spring Meeting. Strasbourg France 18-21 of June. 2002 в печати.

5. O.A. Gorshkov, A.A. Dyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov. Application of Concentrated Electron Beams in Extra Vacuum Technologies. 14th Conference on High Power Particle Beams Albuquerque USA 23-28 of June 2002. American institute of physics, Melville, New York, 2002, p. 349-352.

* 1 A 3 82

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ильин, Андрей Александрович

Введение.

1. Установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

1.1 . Методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС.

1.1.1. Принципиальная схема очистки дымовых газов от оксидов азота и серы плазмохимическими методами.

1.1.2. Электронно-лучевые методы.

1.1.3. Необходимость исследования ЭЛО с помощью концентрированных потоков электронов.

1.2. Расчет основных узлов установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

1.2.1. Блок - схема установки.

1.2.2. Генератор пучковой плазмы.

1.2.3. Узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси.

1.2.4. Радиационно-химический реактор.

1.2.5. Система отвода газа.

1.2.6. Вентиляционная система.

1.3. Параметры установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

2. Методика и оборудование для определения плотности тока первичных электронов.

2.1. Методы определения параметров потока электронов в плотном газе.

2.2. Теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов.

2.3. Конструкция зонда первичных электронов.

2.4. Методика определения плотности тока первичных электронов.

3. Основные параметры потока первичных электронов.

3.1.Измерение основных параметров потока первичных электронов.

3.1.1. Радиальное распределение плотности потока электронов.

3.1.2. Деградация тока электронов.

3.1.3. Мощность потока первичных электронов, вложенная в газ.

3.1.4. Осевое распределение плотности тока первичных электронов.

3.1.5. Огибающая потока первичных электронов, распространяющегося в плотном газе.

3.2. Анализ полученных результатов.

3.2.1. Физические процессы, протекающие при взаимодействии потока электронов с газом

3.2.2. Упругое рассеяние.

3.2.3. Рассеяние электрона на электроне, неупругое рассеяние.

3.2.4. Расчет траекторий электронов методом Монте-Карло.

3.2.5. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета.

Введение диссертация по механике, на тему "Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе"

Актуальность работы

В последние годы активизируются исследования по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях [1,2,3]. Одновременно ведутся работы по созданию установок для их реализации [4,5].

Вывод концентрированных потоков электронов в плотную газовую среду снимает ограничения, налагаемые на параметры электронов, выводимых через фольговые окна. Появляется возможность снижения ускоряющего напряжения и увеличения плотности тока. Существенно упрощается система радиационной защиты персонала, повышается надежность оборудования, уменьшается его стоимость.

Экспериментальные исследования процессов происходящих под воздействием концентрированных потоков электронов в плотном газе имеют свои особенности [6]. Это связано с тем, что методы определения пространственного распределения параметров первичных электронов в плотном газе, отработаны только для фольгового вывода. Они основаны на возможности расчета общей мощности потока по его току и энергии частиц, ионизационным потерям в фольге и потерям при прохождении электронов по газу известного химического состава и плотности. Для систем с концентрированным выводом применение такой методики представляет определенные сложности, так как поток электронов, первоначальная мощность которого известна, испытывает рассеяние и теряет часть энергии на газе протекающем в системе вывода, оседает частично на стенки каналов выводного устройства. Кроме того, из-за большой концентрации переносимой мощности создаётся сильно неоднородное » поле плотности газа. Поэтому необходимо проведение независимого измерения мощности потока, введенной в газовый тракт. Существующие в настоящее время методы измерения распределения плотности тока первичных электронов или не дают необходимого пространственного разрешения (калориметрический, химический и магнитный методы) или представляют собой крайне сложные методики, как с точки зрения применяемого оборудования, так и с точки зрения правильности интерпретации результатов (рентгеновский метод). В связи с этим представляет интерес разработка более простой методики и оборудования, которые позволили бы получать пространственное распределение плотности тока потока электронов в плотном газе.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:

1. - создание установки по исследованию процессов взаимодействия * концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния (состав, температура, расход газа),

3. - проведение экспериментальных исследований пространственного распределения плотности то::г. ::о::тдентрированного потока электронов в плотном газе в созданной установке.

Научная новизна:

Показано, что в радиальных распределениях плотности тока на больших расстояниях от оси потока гауссово распределение дает заниженный результат. Получено значение коэффициента в формуле Ленарда для осевого распределения плотности тока, а также формула, описывающая огибающую потока электронов в плотном газе.

В результате проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанных методик и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных электронных потоков в плотном газе.

Разработаны зонд первичных электронов и методика определения плотности тока первичных электронов, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.

Создана установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

На защиту выносятся:

1. Установка проточного типа по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

2. Зонд и методика определения плотности тока первичных электронов, способные измерять плотность тока первичных электронов концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

Заключение

Основные параметры установки:

Расход газа 15-68 л/с;

Температура обрабатываемого газа 20-150 °С;

Расход пара - до 5,85 г/с;

Исходная концентрация оксидов азота: N0 - до 500 мд; N02 - до 700 мд;

Ускоряющее напряжение потока электронов 80 - 100 кВ;

Ток электронов до 18 мА.

3. На основании полученных измерений пространственного распределения плотности тока получены:

- распределения тока электронов при распространении в плотном газе. На основании данных распределений получены значения экстраполированного пробега потока электронов в зависимости от первичной энергии электронов и температуры окружающего газа. Показано, что полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с расчетными значениями;

- значения интегральной мощности потока электронов вложенной в газ. Данные результаты хорошо согласуются с результатами калориметрических измерений вложенной в газ мощности;

Л = Jo ехр(-а -p-z), при а = 3,5*106/Е2 [г/см2] с точностью 20%.

- показано, что огибающая потока электронов может быть описана формулой вида г = С * za, где а = 1,4 ± 10% и не зависит от тока электронов и температуры воздуха, через который транспортируется поток.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Ильин, Андрей Александрович, Москва

1. Gorshkov О.А., Koroteev A.S., Rizakhanov R.N. EPAC 98, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK, 1998, p.2425.

2. Денисов Г.В., Новоселов Ю.Н., Ткаченко P.M. Письма в ЖТФ, 1998, т.24, вып.4, с.52.

3. Vasiliev M.N., Gorshkov O.A. 14th International Symposium on Plasma Chemistry. Institute of Plasma Physics, Prague, Czech Republic, 1999, V.2, p.1069.

4. Белогривцев B.M., Коротеев A.C., Ризаханов P.H. и др. Известия СО АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1991, №3, с.26.

5. Белогривцев В.М., Ризаханов Р.Н.// Установка для исследования процессов электронно-лучевой очистки дымовых газов с помощью концентрированного электронного пучка. Научно технический отчет №2013 НИИТП. 1989.

6. Валуев А.А., Каклюгин А.С., Норман Г.Э. и др. // Радиационно-плазмохимические методы очистки дымовых газов. Теплофизика высоких температур. 1990. Том 28. №5. С. 995.

7. Ходаков Ю.С., Аничков С.Н., Зенин К.А. // Методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС.

8. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха, источники и контроль. М.: Мир, 1980. 540с.

9. Сигал И .Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1988.312с.

10. Jordan S. // Proc. VI Int. Meeting of Radiation Proceeding, Ottawa, Canada. 31 May-5 June 1987. Rad. Phys.Chem. 1988. V. 31. N 1-3. P. 1.

11. Electron beam processing of combustion flue gases. Final report of consulting meeting, Karlsruhe, 27-29 October 1986. JAEA, Vienna, 1987. P. 289.

12. Proc. VI Int. Meeting of Radiation Proceeding, Ottawa, Canada. 31 May-5 June 1987. Rad. Phys. Chem. 1988. V. 31. N 1-3. P.l.

13. Suhre D.R., Verdeyen J.T.// J.Appl. Phys. 1976. V. 47. N 10. P. 4484.

14. Коновалов В.П., Сон Э.Е.//ЖТФ. 1980. Т. 50. Вып. 2. С. 300.

15. Рыжов В.В., Ястремский А.Г.// Физика плазмы. 1978. Т. 4. Вып. 6. С.1262.

16. Славин Б.Б., Сопин П.И.// IV Всес. конф. по физике газового разряда. Тез. докл. Махачкала: Изд-во ДГУ, 1988. С. 41.

17. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н.// Установка для вывода концентрированного электронного пучка в газ при атмосферном давлении. ПТЭ. 2002. №2. С. 162.

18. Коротеев А.С. // Мощные электронные пучки путь к реализации новых технологий. Вестник АН СССР 1988г, №10, С.13.

19. Лоусон Дж. // Физика пучков заряженных частиц. М. Мир, 1980.

20. Горшков О.А., Шагайда А.А., Попенко А.Н., Новиков В.Е. // Ускорительный комплекс электронно-лучевой очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных газообразных примесей. НТО контракт № SPC-94-4068 пункт 0002 М. 1995.

21. Киквидзе P.P. и др. // Транспортировка РЭП в газе высокого давления при умеренных плотностях тока. Физика плазмы. 1984. Т. 10. В.5. С.976.

22. Розанов А.Н. // Вакуумная техника. М. Высшая школа. 1982.

23. Рубин Б.И., Гочалиев Г.З.// Образование и распад озона в РХА ускорителях электронов. Тезисы докладов VI всесоюзногосовещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. 11-13 октября 1988. Ленинград. С.105-106.

24. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Коротеев А.С.// Электронно -пучковая плазма. Генерация, свойства, применение. М. МГОУ А/О «Росвузнаука», 1993, С. 144.

25. Аккерман А.Ф., Никитушев Ю.М., Ботвин В.А. «Решение методом Монте Карло задач переноса быстрых электронов в веществе» «Наука» 1972.

26. Miller F.A., Gerardo J.B. Electron beam propagation in high-pressure gases// J. Appl. Phys. 1972. Vol. 43, N 7. P. 3008-3013.

27. Иевлев B.M., Коротеев А.С.// Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электронных пучков. Известия АН СССР 1981г, №3, С.З.

28. Шумахер Б. Законы проникновения электронов в вещество В кн.: Электронно- и ионно-лучевая технология. М.:Металлургия, 1968, С.7-43.

29. В.И. Бойко, В.В. Евстигнеев// В введение в физику взаимодействия сильноточных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Энергоатомиздат, 1988.

30. Mott N.F.//Proc. Roy. Soc., A 124, 425,1929; A 135, 429, 1932.

31. Goudsmit G.A., Saunderson J.L.//Phys Rew., 57, 24, 1940; 58, 36, 1940.

32. Moliere G.//Z. Naturf., 2a, 133, 1947.

33. Moller C.//Ann. Phys., 14, 531, 1932.