Физические особенности плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

PPÜ од

: КИТВСЬКИЙ УН!ВЕРСИТЕТ IMEHI ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

На правах руколису

УДК 537.52;533.9:08;533.9:537.872

Веклич АнатолШ Миколайович

Ф13ИЧН1 ОСОБЛИВОСТ1 ПЛАЗМИ ЕЛЕКТРИЧНО! ДУГИ. ЩО ВШЬНО ГОРИТЬ В ПАРАХ МЩ1

Спец/'альш'сгь 01.04.08 - ФЬика та xím/я плати

АВТОРЕФЕРАТ дисертаци на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

КиТв - 1997

Дисертацюю е рукопис

Робота виконана на кафгдр1 ф1зичноТ електрон!ки радюф!зичного факультету КиТвського ужвзрситету ¡меж Тараса Шевченка

Науковий кер'тник: кандидат ф!зико-математичних наук,

старший науковий сп!вро61тник ЖОВТЯНСЬКИЙ В1ктор АндрЮович

Оф/ц/йн/ опоненти: доктор ф1зико-математичних наук,

професор КИРИЧЕНКО Георпй Сзрпйович

кандидат ф1зико-математичних наук, старший науковий сп1вроб1ткик ЛУКАШЕНКО Володимир 1ванович

Пров'щна организация:Нац!онапьний науковий центр "Харювський

ф!зико-техн!чний 1нститут" (м.Харюь)

Захист в!дбудеться 22 вересня 1997 р. о 15 год. на зас!данж спе^агпзованоТ вченоТ ради Д 01.01.17 при КиТвському унтерситет1 ¡мен1 Тараса Шевченка за адресою: 252127, КиТв-127,просп.акад. Глушкова6, радюфЬичний факультет, ауд. 45.

3 дисертац!ею можна ознайомитись у 6!6л1отец1 КиТвського ун'шерситету ¡мен! Тараса Шевченка (252033, КиТв-33, вул. Володиыирська 58).

Автореферат розюланий "¿3 - 1997 р.

Вчений секретар спец1ал!зованоТ вченоТ ради канд. ф(з.-мат. наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн'ють теми. Електрична дуга з плавкими електродами е основою рйноманггних технолоМчних застосувань. 3 точки зору ф1зики плазми найб!льш характерною особливгстю таких дуг е визначальний вплив електродних парю на власти еост1 дуговоТ плазми. Це зумовлене низьким значениям потенц!алу южзаци металл, яю найчаст1ше використовуються в технолоМчних пристроях на основ1 таких дуг (залкзо - 7.9 еВ, м1дь - 7.73 еВ, срЮло - 7.58 еВ тощо), по в1дношенню до складових атмосфери (азот - 14.53 еВ, кисень -13.62 еВ). Вже незначна домшка (близько 1 %) парш меташв електродного походження помп-но змжюе в достатньо широкому температурному 1нтервал1 електронну концентра^ю, що встановлюеться в розряд!, а отже епектропровщн1сть, випромЫювальну здатжсть та процеси переносу в плазма Це позначасться на просторовому розподМ та абсолютних значениях всЬс основних параметра плазми: температури, концентрацм важкоТ компоненти тощо. Таким чином, основы властивост1 плазми електричноТ дуги з плавкими електродами ц!лком визначаються "забруднюючими" домшками.

Конкретним прикладом пристроТв, де суттевими е згадан! процеси, можуть бути розмикач1 потужних електричних юл. М!ж контактами розмикач1в може ¡надкзватися дуга, що приводить до ерози металу, з якого виготовлений контакт. 3 технолопчних м1ркувань в таких пристроях, як правило, використовуеться мщь, ср1бло або золото. Низьке значения потенциалу южзаци Тх атом'ш пор1вняно з атомами оточуючого газу сприяе збереженню достатньо! провщност1 у вщносно низькотемпературнм зон1 м!жконтактного промЬкку розмикача. Вказана обставина р!зко знижуе ефективжсть роботи таких пристроТв ! е суттевою проблемою продовження ресурсу Тх експлуатацн та надЮностК Можна спохватись, що детальне дослщження ф1зичних процеЫв, яю визначають властивост1 плазми ¡нМйованого таким чином розряду, дозволить оптимЬувати склад матер1апу контакт!в та гндвищити надмнють розмикачт.

Наведет вище приклади пояснюють ¡нтерес до вивчёння

ластивостей плазми, яка мютить дом1шков1 компоненти атомш, до легко ¡он1зуються.

1ншою характерною ознакою таких дуг вважаеться рщноважжсть плазми. Бона е переважаючою в абсолютна бшьшост'| досл1джень плазми таких дуг ще з класичних роб1т Бурхорна, який встановив спектроскопнними методами наявн'ють локально? термодинам1чно? р1вноваги в плазм1 електричноТ дуги м!ж залкзними електродами. Проте, як буде показано, в ряд1 Ызн1ших дослщжень такий п!дхщ приводить до фкзично необгрунтованих результата експериментальних вим!рювань рад|'альноТ структури дуги. Експериментальш робоги з ц1еТ тематики проводились переважно з внкористанням стабМзованих стЫками дуг з витратним електродом. Застосування таких пристроТв створюе очевидИ зручност1 при проведенж просторових вим)рювань параметра плазми дуги, яка в умовах вшьного гормня виявляе помяну просторову та часову нестабтьнють. У випадку ж стабш1зованих стыками дуг можна використовувати традиции! методики без особливих вимог до Тх швидкод11 (тривалють процесу складае декшька хвилин). Проте стабМзована санками дуга за своею природою е лише експериментальною моделлю реально! електричноТ дуги, що вшьно горить (наприклад, зварювальноТ дуги з плавким електродом). Як показуе наш досвщ, параметри плазми ц!вТ модели таИ як температура, вмют дом1шок, концентраци електрон1в та важкоТ компоненти, далеко не завжди вщповщають реально ¡снуючим в дугах, що вшьно горять. Тому виникае питания адекватное™ модел1 I реального об'екта дослщжень.

Мета даноТ роботи - експериментапьне дослщження ф'|зичних особливостей плазми електричноТ дуги, що вшьно горить в парах м^, з використанням швидюсних засобш вим1рювань та методик.

Наукова новизна

1. Розроблена \ реалюоваиа швидк!сна (характерний час - 1 мке) методика ^агностики плазми. На основ1 одночасноТ реестряцц просторового \ спектрального розподту П випромшювання.

Методами емкЯйноТ та лазерноТ абсорбцЮноТ опти-»чоТ спектроскопы встановлено, що в приелектродних областях \ на

периферм електричноТ дуги, що втьно горить в парах Mifli, на в1дмжу в1д в ¡до м их стабЫзованих сттками дуг, плазма проявляв HepiBHoeaxHi властивост!,

2. Показано, що порушекня локально? термодинам!чноТ р1вноваги в плазм! електричноТ дуги, що втьно горить в парах м1д1, визначаеться наявжстю рЬких град!ент|'в ïï параметра. Мехажзмом, в:дпов!дальним за таке порушення, е перенесения резонансного випром1нювания. Врахування такого механ1зму в рамках з1ткнювально-випром1нювальноТ модел1 приводить до задов1льного результату в припущены частковоТ локально! термодинам!чноТ р1вноваги.

3. Вперше встановлено, що просторов! структури параметр'|в плазми електричних дуг в парах мцу - що в!льно горить та стабМзованоТ стеками - суттево pi3Hi. В!дпов1дно, стабЫзована стыками дуга, як модельне джерело, може мати лише обмежене застосування при дослщженж npouecie в плазм! електричноТ дуги, що втьно горить мок мщними електродами.

4. На основ! експериментальних досл!джень плазми електричноТ дуги, що втьно горить в парах муц, встановлеж оптимальж значения параметр!в штарювського уширення спектральних лМй Cul X = 515.3 нм та X = 510.5 нм.

Няукова та практична значения роботи.

Одержан! результати важлив» для розумтня ф'1зичних процесш, що визначають стан плазми електричних дуг.

Розроблеж методики можуть бути застосован! для д|'агностики плазми ц!лого ряду плазмових пристроТв, що мютять пари Mifli. OchobhI ¡деТ запропонованих методик можуть бути реал!зоваж також при досл!дженн! електричних дуг, що втьно горять в парах Ыших метал!в.

Отримаж уточнен! значения спектроскоп!чних констант спектральних л1н!й мЩ, яю мають важливе значения для спектроскоп» плазми.

Запропонований швидкюний спектрометр на основ! астигматично» оптики може бути використаний в спектроскоп» швидкоплинних та нестацкэнарних плазмових npouecie: експериментальних досл!дженнях пОльноТ ¡мпульсноТ плазми в кваз!стацюнарних плазмових прискорювамэх. прист!нковоТ

плазми в токамаках, плазми зварювапьних дуг, плазмотрожв тощЪ.

Результати досл'щжень мохуть бути корисними при проектуванн! р1зних пристроТв, що базуються на використанж електричних дуг, що вшьно горять м'ок плавкими електродами.

Отримаж результати можуть бути використан1 при вивченж ф1зичних процес'т в дугах широкого кола технолопчних застосувань, у тому числ1 в комутуючих пристроях електричних кт.

Достовфн'ють_одержан их результате забезпечуеться

використанням комплексу сучасних метод1в дослщжень, стандартно! вимфювально! апаратури, використанням апробованих метод!в теоретичного анализу та сучасних обчислювальних засоб!в, а також в1длов1днютю експериментальних даних I розрахованих залежностей.

Положения, що виносяться на захист:

1. Розроблена та реал!зована методика швидюсноТ спектрометр!! плазми на основ! застосування астигматично! оптики забезпечуе одночасну реестрацю. спектрального та просторового розпод!лу випромжювання I повн'ютю задовольняе потребам спектроскоп!! нестац'юнарних у час1 та простор!" плазмових об'ект!в, у тому числ! електричних дуг, що вшьно горять.

2. Плазма електрично! дуги, що в'тьно горить в парах м1д!, в приелектродних областях та на перифери розряду, на в!дм!ну вщ в!домих стабМзованих стжками дуг, мае нер1вноважж властивост!.

3. Порушення локально! термодинам1чно! р!вноваги в плазм! електрично! дуги, що в'тьно горить в парах м!д!, визначаеться наявн'ютю р1зких град1ент!в П параметр!в ! в|'дпов|'дно просторовою неоднор!дн!стю й випромЫювальних та поглинальних характеристик. Механ|'змом, в1дпов!дальним за порушення р1вноваги, е перенесения резонансного випром!нювання, яке обумовлюе недозаселен!сть основного р|вня атома м!д! по в!дношенню до р!вноважного; таким чином, в плазм! реаш'зуеться часткова локальна термодинам!чна р!вновага.

4. Штарк!вське уширення спектрально! л!нИ Си11 =

= 515.3 нм при концентраци електрожв Ne = 1017 см"3 та температур! плазми Т = 104 К становить АX = 0.346 нм, що вууювщае розрахунку Konjevic R. та Konjevic N. Для híhíT Cul X = = 510.5 нм це уширення складае ДА.* = 0.21 нм.

Особистий внеспк автора дисертаци. Дисертац1я е шдсумком результате експериментальних досл'щжень, викона-них автором особисто. За безпосередньою участю автора розроблено, створено та випробувано орипнапьний швидк1сний спектрометр; реагпзован1 методики вим1рювання та обробки результате. Аналю та узагальнення отриманих результате проводились автором як особисто, так ¡ за участю ¡нших сшвавторш.

Апробац'т робпти. Ochobhí результати досл!джень по тем1 дисертаци доповщались та обговорювались на III Всесоюзна конференци з ф1зики газового розряду (КиТв, 1986), XX Всесоюзному з*Гзд|" з спектроскопп (КиГв, 1988), XI Всесоюзна конференцИ з генератор1в низькотемпературноТ плазми (Новосиб1рськ, 1989), VII Всесоюзной конференци з плазмових прискорювач1в та ¡онних ¡нжектор1в (Харюв, 1989), XIX М1жнародн1й конференци з явищ в южзованих газах (Белград, 1989), XI та XII бвропейських секц1йних конференц1ях з атомноТ та молекулярноТ ф1зики ¡он1зованих газ1в (ESCAMPIG) (С.Петербург, 1992 та Нщерланди, 1994), конференци "Плазмотехнолопя-95" (Запор1жжя, 1995), XII М1жнародному симпоз1ум1 з xímíT плазми (Мжнеаполю, 1995), XXIII конференци европейського ф1зичного товариства з контрольованого синтезу та ф|'зики плазми (КиТв, 1996), III Аз|"атсько-Тихоокеанськ|'й конференци з питань науки та технологи плазми (Tokío, 1996).

ПублмацИ. По тем1 дисертаци опублковано 19 друкованих po6iT, у тому числ1 3 авторських свщоцтва на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертац1я складаеться з вступу, чотирьох розд|'л1в, заключения, перел1ку посилань з 92 найменувань, додатка; викладена на 123 сторЫках, 2 таблиц! та 40 рисуню'в включно.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У BCTyni обгрунтовано актуапьжсть теми досл'щжень,

сформульовано мету дисертащйно! роботи, а також вщображено наукову новизну, основж результати та практичне значения роботи. В цьому ж роздал! наведено короткий змгст роботи та основт положения, що виносяться на захист.

Перший розд!л е оглядовим. У ньому представлено оглад л!тератури по тем1 дисертаци, в якому коротко розглянул роботи по вивченню властивостей плазми електрично! дуги в парах металш електродного похождения. Як правило, експериментальн1 дослщження параметр!в такоТ плазми проводились з використанням розрядно! камери типу Меккера, або ТТ подальше! модиф1кацм - МЕХ/АЯС, яю забезпечуюють необх'щну просторово-часову стаб'тьн'ють дуги. Достатня ж осьова симетрт Ц1е! стабш1зовано! стшками дуги виправдовуе застосування незбурюючих класичних метод в оптично! спектрометр». Виконаж дослщження традищйно базуються на припущенн! щодо ¡снування в плазм'| локально! термодинам1чно! р!вноваги (ЛТР).

Характерними в плазм'| таких розряд!в е просторов! профЫ дом1шково! компоненти електродного походження: максимальне значения концентрац'п дом1шок спостер!гаеться на ос'| розряду безпосередньо б'тя плавкого електроду (як правило, аноду) на в1дстаж г й 0.5 мм. Причому, розрахований в припущенн1 ЛТР, в!дносний вмют металевих дом1шок в плазм1 в Ц1Й области не перевищував 1 %. При вщдаленж вщ аноду (г > > 0.5 мм) концентрация домшок поступово зменшуеться, а П рад|'альний профть мае незначний максимум, зм1щений вщ ос1 на периферио. Основним мехажзмом, що визначае таку рад)'альну структуру плазми стаб^изованих дуг в парах електродного матер|'алу, вважалась амб!полярна дифуз1я.

Плазма ж електричних дуг, що втьно горять м1ж плавкими електродами, систематично не досл1джувалась. Вщом1 ттьки окрем1 роботи, присвячеж визначенню температури плазми.

У другому роздт!- розглядаються методи одержання та диагностики плазми електрично! дуги, що вшьно горить мЬк мщними електродами. Дослщжувалась плазма електрично! дуги, що втьно горить у вщкрит1й атмосфер! м!ж двома вертикально розм1щеними мщними електродами

цилшдричними стержнями д|'аметром 6 мм. МЬкелектродний пром!жок змжюеться в ¡нтервал1 вщ 2 до 8 мм. Для запоб1гання ¡нтенсивного розплавлення електродв реал1зовано кваз!стаиуонарний режим дугового розряду: на дугу з силою пост«йного струму 3.5 А накладались ¡мпульси ампл1тудою 30 А I тривалютю 30 мс.

При досл!дженн! параметра плазми такоТ електричноТ дуги використовуються оптичн! методи диагностики. Розроблений та реал1зований швидюсний спектрометр на основ) дисектора. електростатичного типу ДИ-14. Значний астигматизм монохроматора МДР-12 у даному спектрометр! дозволив вилучити ¡з схеми додаткову фокусуючу оптику: фотокатод дисектора безпосередньо сумщуеться з саптальною фокальною площиною монохроматора за його вихщною щшиною, яка розташована у мерид!ональн!й фокальнм площинК Таке техжчне ршення дае змогу рееструвати просторовий розподт ¡нтенсивностей випром1'нювання вздовж вх|'дноТ спектрально? щ!лини монохроматора у заданому спектральному д!апазож. У поеднанн! з ¡нтерферометром Фабр1-Перо спектрометр забезпечуе одночасну реестрацю просторового та спектрального розпод!лу ¡нтенсивностей випромЫювання, тобто, дозволяв вимфювати контури спектральних лМй в р!зних просторових точках плазмового об'ему. Характер™ осцилограми представлен! на рис.1, де показан! радальний

розподт випромЫювания електрично? дуги для одн!еТ ¡з спектральних л!н!й мдо (а) та ¡нтерферограма, яка метить у соб! ¡нформащю а б одночасно про просторовий

Рис-1 та спектральний розподт

¡нтенсивност! лши (б).

Таким чином, швидк!сний спектрометр цтком задовольняе вимогам даного експерименту, зокрема, потребам спектроскоп!? такого нестац!онарного у час! ча простор! плазмового об'екту, як електрична дуга, що втьно горит», в парах м!д!.

Детально розглядаеться метод вим!рювання контур!в спектральних лж1й випром!нюючоТ щ!льно? плазми.

Запропонована орипнальна методика вим1рювання натвширин Л1Н1Й, пор1вняльних за величиною з вшьним спектральним Ытервалом ¡нтерферометра Фабр1-Перо.

У третьому розд!л'| представлен! результати експериментальних дослщжень плазми електрично! дуги, що втьно горить в парах мДО, методами емю1йноТ оптично! спектроскоп». Вивчались рад!альн! профМ температури, концентраци електрон'ш, атом1в Mijoi. 1нтерпретац1я отриманих результате проводилась в припущенн'| ЛТР.

В д1агностиц1 плазми електрично? дуги з м!дними електродами як спектроскотчний елемент природньо використати саме мщь, що потрапляе в розрядний промЬкок в результат! epoaiï електрод)в.

Ра/уапьн! профЫ температури Т(г) плазми електричноТ дуги визначаються за методом в1дносних ¡нтенсивностей спектральних лМй Cul X = 521.8 та 510.5 нм.

Для вим1рювання просторового розподшу електронно! концентрацП Ne в плаз Mi використовуються дв'| незалежж та взаемодоповнююч! методики: по штарювському уширенню спектрально! л!нн Cul X = 515.3 нм та по абсолютна iHTeHCHBHOCTi лжи Cul X = 465.1 нм. Вщом! з лЬгератури дан'| про нап1вширину л!ни X = 515.3 нм, зумовлену квадратичним ефектом Штарка, в|'др1зняються Mix собою майже на порядок. Саме тому вим!рювання радального розподшу контурю спектрально! лЫП X = 515.3 нм були доповнеж вим1рюваннями вщповщного розпод!лу абсолютно! ¡нтенсивност'11а спектрально! Л1Н1Т X = 465.1 нм, енерпя збудження Еа верхнього ршня яко! складае 7.74 еВ. Саме для uiei лж», як видно ¡з стввщношення (1), ¡нтенсивжсть виявляеться пропорцтною квадрату Ne:

la ~ Na Т3/г ехр[(Е4 - Ea)/kT] ~ Ne2 Т3/г, (1 )

де Na - концентрат атомш Mifli, Ej = 7.73 еВ - потенц1ал iOHiaauiT атома Mifli, к - пост1йна Больцмана. Ствставлення результате вим1рювання Ne за р1зними методиками в одному ¡з режима роботи дуги, дало можлив1сть встановити, що параметр уширення спектрально! лжи Cul X = 515.3 нм,

зумовлений квадратичним ефектом Штарка, найкращим чином в!дпов1дае даним, запропонованим в розрахунков1й робот1 Коп]еу1с И. та Ко^емс N. А саме, для = 1017 см"3 I Т = Ю4 К напшширина складае ДХ* = 0.346 нм.

Одержан! експериментально рад!апьж профт'| температури та електронноТ концентрацн дозволяють розрахувати в припущенж ЛТР компонентний склад усЬ< присутжх в плазм1 частинок.

На рис 2. приведений приклад визначеного у такий споаб рад)ального розподшу вщносного вм|'сту м1д1 (до азоту) Хси (а) в середньому перер1з1 електричноТ дуги з мЬкелектродним промЬкком 1ак = 2 мм 1 силою струму I = 30 А,

а також, складових Ц азотно - м1-дноТ плазми, а саме: концентрацн електрон!в молекул азоту (N2), атом!в та южв азоту (N, ГМ+), атом1в та южв мад (Си, Си+) (б).

Аналопчно отриман! под|'бн1 рад!апьж розподши для плазми електричноТ дуги з параметрами: 1ак= 2 мм, I = 3.5 А та 1ак = 8 мм, I = 3.5; 30 А.

Анал|"зуючи одержан! в припущен^ ЛТР результати, треба звернути увагу на аномальне зростання вмюту пар!в металу на периферй дуги. Причому, якщо в плазм1 дуги з пром1жком 1ак = 8 мм ! силою струму 30 А це нефкзично високе значения вмюту спостер'1гаеться лише на перифер» розряду, то у випадку дуги з пром1жком 1ак = 2 мм I т|'ею ж силою струму (30 А) вмкзт м1д|' вже на оа складае бшьше 5 %. Хоча, як ран1ше зазначалось, при досл'щженж плазми стабМзованоТ стжкою дуги в парах мвд, що виконувалось в припущенн! про 1снування в плазм1 ЛТР, вм1ст атом|"в металевих дом1шок не перевищував 1 % навпъ безпосередньо бшя плавкого електроду.

Вказана обставина дозволяе зробити так1 взаемовиключж висновки:

- 1л=2тт;1=Э0А

■ 1

/ ;

г, пгт

а

Рис.2

- або плазма втьно'юнуючо! електричноГ дуги в припущенн! ЛТР на в"|дм!ну в!д стаб'т'юовано! стшкою характеризуешься аномально високим вм!стом парт металу на периферп дуги та поблизу електро/ув;

- або ж плазма у вказаних областях не е р!вноважною.

Для перев1рки одержаних результат^ на наступному

етат проведений додатковий цикл досл1джень з використанням методу, незалежного в!д ¡снування в плазм! ЛТР.

В четвертому роздш! викладеж результати експериментапьних вим!рювань рад!апьних профМв заселеност1 метастабтьного рюня Ыт атомт муу в електричжй дуз1, идо втьно горить, з використанням незалежного вщ наявност! в плазм! ЛТР методу - лазерноТ абсорбц^но! спектроскоп».

Як зондуюче використовувалось випромЫювання лазера на парах м!д| на довжин1 хвил1 Си1 X. = 510.5 нм. Висока монохроматичжсть лазерного випромЫювання дозволяе вим!рювати коеф!ц1ент поглинання к„ в центр! вказаноТ спектрально! л1нИ. На рис.3 наведен! характерн! осцилограми просторового розпод!лу випромжювання в перерЫ зондуючого пучка без дуги (а) та з нею (б). В!дпов1дно до сп!вв!дношення

к0 = А (2)

можна розрахувати

просторов! розподти

заселеносп метастабтьного р1вня атом'|в мщ1, маючи профМ Ко та зробивши профмив нап!вширини ДА. На рис. 4,6 - 6,6 приведен! просторових розподшш

Рис.3

додэтков1 0ц1нки в|дп0в1дних

спектрально! лЫп X = 510.5 нм. граф!ки таких оц!нювальних натвширини спектрально! лМ! 510.5 нм:

крива 6 одержана виходячи з ражше визначеного температурного проф!ля за умови, що домжуючим в

уширенн'1 е ефект Доплера;

крив! 7 та 8 одержан! також з раж'ше визначеного профилю електронно! концентацн за умови, що дом!нуючим в уширенн! е квадратичний ефект Штарка з параметрами

10

m11

m iO § 1011 10" 10' 10v 10'

: : J 2 mm; I =■ 30 A

^ : i : ■: v \ .

0 2 4 a r, mm

rê 00* <

\ 3-

\ ,8

,'7

Л

> .6

ширення, взятими в1дпов1дно, з poôhr Konjevic R., Konjevic N. та

Fleurler C.

На рис. 4,a - 6,a показан! розрахован-! в1дпов'|дн1 профМ заселеност1 метастаб1льного ршня атом!в Mifli:

- крива 1 одержана за результатами емюйно? оптичноТ спектроскоп» в припущен^ ЛТР;

- крива 2 одержана за умови, що уширення визначаеться ефектом Доплера;

- Kpnei 3 та 4 одержан! за умови, що уширення визначаеться квадратичним ефектом Штарка з параметрами уширення з poôiT Konjevic R., Konjevic N. та Fleurier С, в'фловцдю.

Для електричноТ дуги lak = 8 мм i I — 3.5 А результати вим1'рювання незалежними

методиками ствпадають, що пщтверджуе ¡снування в таюй плазм! ЛТР. Причому сп!впадання саме криво? 2 з кривою 1 законом1рне, бо в цьому режим! роботи дуги уширення спектрально? л!нм 515.3 нм визначаеться саме ефектом Доплера.

Додатков! детальж

вим1рювання профтю спектрально? Л1нн Cul X = 510.5 нм в одному !з режим!в дуги з використанням рашше згадано? методики, дозволило встановити, що

штарк!вський параметр уширення, взятий в робот! Konjevic R., Konjevic N., повинен бути збшьшений,

б

Рис.4

r, mm

S,

> \ N

A

V 4 N

Y I/ 7

\ /1

2-4 s

r, mm

б

Рис.5

принаймн'1, на порядок i становить АХ.* = 0.21 нм. Тому, з огляду на це, для нового значення цього параметра розрахован1 радоальж профш1 нашвширини - крива 9, та заселеност! метастабтьного ршня -крива 5 (показана штриховою niHieio).

Таким чином, аналЬуючи графой на рис. 4-6, можна зробити висновок, що плазма на периферп дуги е нер!вноважною для електричноТ дуги з пром1жком lak = 8 мм i силою струму I = 30 А. При зменшенж промокку до 2 мм вона стае нер1вноважною в переважшй частин1 свого об'ему.

Ця обставина змушуе говорити про особливу поведЫку плазми в приелектродних областях. Саме тому були проведен! додатков! вим'фювання розпод!лу жтенсивност! випромжювання дуги в повздовжному напрямку на довжин! хвил1 Cul Я, = 465.1 нм. Для дуги з пром1жком lak = 8 мм в приелектродних областях 4îtko спостер!гаються pi3Ko неоднор!дн! зони пщвищеноТ жтенсивност! випромжювання з максимальним bmîctom пар!в мщ! та електронноТ концентраци. При зменшенн1 пром1жку дуги до 4 мм ц1 зони об'еднуються i вже при промЬкку 2 мм утворюють одну р!зко неоднор1дну зону з жтенсивним випромженням. Вказана обставина дозволяе зробити висновок, що причиною порушення ЛТР в плазм! може бути перенесения резонансного випромжювання. Проведен! розрахунки методами числового моделювання в рамках зп"кнювально-випромжювальноТ модел! п!дтверджують це припущення. Перенесения випромжювання з високотемпературноТ осьовоТ зони спричиняе порушення р!вноважного розподту заселеност! piBHiB атома мщк Тобто, реал!зуеться часткова локальна терм|'чна р!вновага (ЧЛТР), коли основний та метастаб!льний piBHi заселен! зпдно з температурою на oci розряду,

0.012

i 0.008 <

o.oocft

4 а 1 г, mm

"Ч >к = 8 mm; i = 30 А

\ \ s 9

С X

> '0

H

Ч

10

г, шш

б

Рис.6

а ¡нш! - з мюцевою температурою. Врахування мехажзму перенесения випромЫювання призводить до згладжування на перифери неф!зичного "катастроф^ного" зростання як заселеност! метастаб1льного р!вня зокрема, так I вмюту м!д1 взагат.

В заключенн! на основ! анал!зу результат!в експериментальних досл!джень плазми електрично! дуги, що вшьно горить в парах м!Д|, формулюються так1 висновки:

1. Експериментальн1 методи д!агностики електричних дуг, що вшьно горять м1ж плавкими електродами, потребують застосування швидк1сних метод!в реестраци просторового розподшу випромЫювання; для дослщження електричноТ дуги, що вшьно горить в парах м1д!, запропоновано та реап!зовано швидк!сний спектрометр на основ! астигматично! оптики, задовольняючий цим вимогам.

2. Застосування комплексу ем!с!йно! та лазерноТ абсорбц!йноТ оптичноТ спектроскоп» дозволило дослщити плазму електричноТ дуги незалежно в!д ТТ стану.

3. Встановлено, що плазма електричноТ дуги, що вшьно горить в парах м1д!, в приелектродних областях ! на перифери розряду, на в!дм!ну в'|д в1домих стабЫзованих санками дуг, проявляв нер1вноважн1 властивостК

4. Стабш!зована ст!нками дуга, зокрема з розрядною камерою типу Меккера або МЕУАПС, може мати лише обмежёне застосування, як модель для досл!дження процеав в плазм! реальноТ електричноТ дуги, що втьно горить м1ж м!дними електродами.

5. Порушення локально! термодинам!чно! р!вноваги в плазм! досл1'джувано! електричноТ дуги, що вшьно горить, визначаеться наявн!стю р1зких град!ент!в ТТ параметр!в, таких як температура Т, концентра^я електрон!в N8 та просторовою неоднорщнютю ТТ випром!нювальних та поглинальних характеристик. В!дпов!дальним за порушення р!вноваги мехажзмом е перенесения резонансного випром!нювання. Врахування такого мехажзму в рамках з!ткнювально-випром!нювально! модел1 приводить до задовшьного результату. Модель частково! локально? термодинам!чноТ р!вноваги найб!льш повно вщображае характер стану плазми електрично! дуги, що в!льно горить в парах м!д1, в

дослщжуваних режимах.

6. Проведено анал1з спектроскоп'нник параметр^ деяких спектральних лМй атома м!д1 Cul. Параметри уширення спектрально! лМ! Cul к = 515.3 нм, зумовленого квадратичним ефектом Штарка, в досл1джуваних режимах ¡снування плазми електрично! дуги, що втьно горить в парах m¡a¡, найкращим чином в'|дпов'|дають даним, запропонованим в розрахунковш робот! Konjevic R., Konjevic N. Параметри для спектрально! лшм Cul X = 510.5 нм, що bíaomí з л1тератури, занижен!, як мМмум, на порядок.

QcHOBHi матер!али дисертацп опубл!кован1 в роботах:

1. Андреева Л.И., Веклич А.Н., Гулый А.П. и др. Электронно-оптический регистратор спектров излучения ЭОР-2М // Приборы и техн. эксперим. 1987. N 1. С.241.

2. Веклич А.Н., Жовтянский В.А. Скоростной плазменный томографический спектрометр // ЖПС.1989. Т.50, N 4. С.565-570.

3. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А. Исследование роли самопоглощения излучения в свободногорящих дугах в парах меди методами лазерной диагностики // ЖПС. 1989. Т. 51, N 4. С. 571-575.

4. Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Кайдалов С.А., Пчелов Е.М. Скоростная томографическая спектрометрия высокого разрешения // Физика плазмы.1992. Т.18, в.2. С. 267-269.

5. A.c.1072149 (СССР). Система токопроводов питания динодов импульсного электронного умножителя / Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Новик О.М., Подвысоцкий В.Т. Опубл. в Б.И. 1984. N5. С. 190.

6. A.c. 1420386 (СССР) Скоростной спектрометр / Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Новик О.М. Опубл. в Б.И. 1988. N32. С.181.

7. А.с.1763903 MKM5G0l J3/12 Скоростной спектрометр / Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Новик О.М. Опубл.в Б.И. 1992. N35.

8. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Self-absorption in the outer regions of a free-burning arc between copper electrodes // XIX Int. Conf. on Phenomena In Ionized Gases. Contr. Papers, Belgrade, 10-14 July 1989. Belgrade. 1989. V.2.

Р.308-309.

9. Babich I.L., Cheredarchuk A.I., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Nonequilibrium properties of electrical arc plasma and combined methods of its diagnostic // 12th International Symposium on Plasma Chemistry. ISPC 12. 1995. Minneapolis. Proceedings. V.IV. P. 1861-1866.

10. Бабич И.Л., Веклич A.H., Жовтянский В .A. Физические особенности плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди // Плазмотехнология-95. Сб. науч. трудов. Запорожье. 1995. С.14-17.

11. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. The Fast Scanning Interferometry of High Density Plasma. //23nd EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics. Kiev. 24-28 June 1996. Contributed Papers. Part ill. P.999-1002.

12. Babich I.L., Cheredarchuk A.I., Veklich A.N. and Zhovtyansky V.A. Spectroscopy Diagnostics of Nonequilibrium Thermal Plasma. // The 3rd Asia-Pacific Conf. on Plasma Science & Technology, Tokyo, July 15-17, 1996. Conference Proceedings. Vol.1. P. 235-240.

13. Бабич И.Л., Веклич A.H., Жовтянский В.А. Экспериментальное исследование радиальной структуры нестационарного разряда в парах меди // III Всесоюз. конф. по физике газового разряда. Тез. докл. Киев. 1986. Ч.И. С. 162164.

14. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А. Высокоскоростная томографическая лазерная спектроскопия и интерферометрия возбужденных атомов свободногорящего эазряда // XX Всесоюз. съезд по спектроскопии. Тез. докл. <иев. 1988. ч.Н. С.468.

15. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А. Эсобенности диагностики плазмы по спектральным линиям примесной меди // VII Всесоюз. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, Харьков, 26-28 сентября I989. Тез. докл. Харьков. 1989. С.188-189.

16. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А. эадиальная структура свободногорящей дуги между медными »лектродами // XI Всесоюз. конф. низкотемпературной плазмы; Гез. докл. Новосибирск. 1989. ч.1. С.228-229.

17. Веклич А. Н. , Жовтянский В. А. Оптическая диагностика плазмы нестационарных электрических дуг // XI Всесоюз.конф.по генераторам низкотемпературной плазмы. Тез.докл. Новосибирск. 1989. Ч.И. С.169-170.

18. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. The comparison of the Cul 515.3 nm spectral line, Stark broadening parameters with the results of spectroscopic researches of arc plasma in the copper vapour // ESCAMPIG 92. Abstracts of invited lecture and cont.pap. St.Petersburg. Russia. 1992. V.16F P.184-185.

19. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. , Pankin A.Yu., Cheredarchuk A.I. Combined spectroscopy and simulation methods of free-burning arc plasma investigation // ESCAMPIG 94. Abstracts of invited and contributed papers. The Netherlands. 1994.V.18E. P.310-311.

SUMMARY

Veklich A.N. The physics peculiarities of the free-burning electric arc plasma in the copper vapour.

This thesis is for the degree of Candidate of Science in Physics and Mathematics. Speciality: 01.04.08 - Plasma Physics and Chemistry. Taras Shevchenko Kiev University, Kiev, 1997.

Manuscript where results 19 scientific work are stated Is defended. The dissertation is devoted to the experimental investigation of physics peculiarities of the free-burning electric arc plasma in the copper vapour by fast scanning device and techniques.

It is found, the free-burning electric arc plasma in copper vapour at the electrode vicinity areas and at the discharge periphery, as opposed to the known wall-stabilized arc, exhibits nonequilibrium properties. The deviation from equilibrium in plasma is determined by presence of sharp gradients of its parameters and according by the spatial nonuniformities of its emission and absorption features. The probable mechanism, responsible for this deviation from equilibrium, is the resonance radiation transfer; thus, the partical local thermodynamics equilibrium is realized.

In investigated modes of the free-burning electric arc plasma in copper vapour the Stark broadening parameters of spectral lines Cul X = 515.3 nm and X = 510.5 nm are specified.

АННОТАЦИЯ

Веклич А.Н. Физические особенности плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук' по специальности 01.04.08 -физика и химия плазмы. Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1997.

Защищается рукопись, в которой изложены результаты 19 научных р>абот. Диссертация посвящена экспериментальному исследованию физических особенностей плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди с применением скоростных средств измерений и методик.

Установлено, что плазма свободногорящей электрической дуги в парах меди в приэлектродных областях и на периферии разряда, в отличие от известных стабилизированных стенками дуг, проявляет неравновесные свойства. Нарушение равновесия в плазме определяется наличием резких градиентов ее параметров и соответственно пространственной неоднородностью ее излучательных и поглощательных характеристик. Механизмом, ответственным за нарушение равновесия, является перенос резонансного излучения, в результате чего, реализуется частичное локальное термодинамичное равновесие.

В исследуемых режимах существования плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди уточнены параметры штарковского уширения спектральных линий атома меди Си1 X — 515.3 нм и Я, = 510.5 нм.

Ключов1 слова: електрична дуга, пари м1д), плазма, оптична спектроскотя, швидюсж методи дЬгностики, нертноважнють.

Пдписано до друку 3.07.1997 р. Формат 60x84/16. Друк офсетний. Зам. Тираж 100 прим.

Надруковано у "Пал!графцентр) КиТаського умверситету ¡м. Тараса Шевченка" 252017, Ки1в, бульвар Т.Шйвченка, 14 тел. 224-01-05