Исследование физико-химических процессов в газе за ударными волнами и в разрядной плазме тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК А „ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МЕХАНИКИ

PÍO ^

2 7 Ш

На правах рукописи

КОСЫНКИН Виталий Дмитриевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗЕ ЗА УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ И В РАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ

(01.02.05 - механика жидкостей газа и плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Институте проблем механики Российской академии наук.

Научный консультант -чл.-корреспондент РАН, профессор Генералов H.A. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ковш И.Б., доктор физико-математических наук, профессор Осипов А.И., доктор физико-математических наук Суржиков С.Т.

Ведущая организация: Физический институт им.П.Н.Лебедева (ФИАН)

Защита состоится 05 июня 1997г. в 15°° часов на заседании специализированного совета Д002.87.01 при Институте проблем механики Российской академии наук, Москва, пр-т Вернадского 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем механики.

Автореферат разослан мая 1997 года.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. физ.-мат наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и цели работы. Развитие новой техники, в частности, зерхзвуковой авиации и ракетостроения поставило около четырех гсятилетий тому назад перед учеными проблемы, связанные с следованием течений газа в условиях нарушения термодинамического 1вновесия. Более того, необходимо было изучать состояния далекие от 1вновесия. В последние годы интерес к исследованию подобного рода эстояний был обусловлен бурным развитием лазерной техники, задачами отофизики, фотохимии,' физики горения и взрыва, проектами эсмических полетов к планетам солнечной системы.

Многочисленные работы, посвященные экспериментальному ¡следованию неравновесных состояний газовой среды, проведены в ловиях, когда температура поступательных степеней свободы ¡значительно превышает характеристическую колебательную мпературу (или ниже ее). В этом случае реализуются адиабатические ударения. Вероятность возбуждения колебательного состояния мала, т.е. шолняются ограничения, используемые в теории Ландау-Теллера. :ория и эксперимент дают хорошо согласующиеся результаты.

Существовавшие к моменту постановки настоящей работы методики : позволяли проводить исследования в наиболее интересной области адиабатических столкновений, когда время соударения молекул близко 1ериоду колебаний или меньше его.

Кроме того, поскольку газы, в которых проводились исследования, 1еют относительно высокие характеристические колебательные мпературы, процессы диссоциации и колебательной релаксации в ученных температурных интервалах протекают независимо друг от уга. Поэтому оказалась совершенно не изученной проблема совместного отекания процессов диссоциации и колебательной релаксации.

Для решения указанных выше задач было необходимо разработать вые методы исследования, разработать и создать новые

экспериментальные установки и приборы. Методом, позволивши провести исследования колебательной релаксации в условия неадиабатических столкновений, а также изучить процессы колебательно релаксации и диссоциации в условиях взаимного влияния, ста предложенный в данной работе метод многоканальной абсорбционно спектроскопии. Для исследования этих проблем в данной работе качестве модельного газа использовались пары йода: малы колебательный квант и большая масса молекулы йода позволяю реализовать за фронтом ударных волн требуемый температурны диапазон. Необходимость получения ударных волн в парах йода заставил создать новую экспериментальную установку - подогревную ударну] трубу.

Развитие лазерной техники поставило на повестку дня разработк научных основ создания мощных технологических лазеров. Эт многопараметрическая проблема включает в себя исследование ка научных, так и инженерных задач. Важнейшая из научных задач осуществление и исследование однородного тлеющего разряда с высоким удельными энергетическими характеристиками в большом объеме условиях скоростного газового потока при повышенных давлениях. Е составляющими являются исследование взаимного влияния тлеющег разряда и газового потока, в частности, выяснение роли турубулентност в стабилизации разряда, исследование влияния физико-химически процессов в разрядной плазме на устойчивость, энергетические кинетические характеристики разряда. Следующей научной задаче является обеспечение эффективного использования разрядной плазмы качестве активной среды технологического лазера с целью повышени электрооптического КПД устройства и получения высококачественног лазерного излучения. Решение этой задачи связано с анализом работ) различных типов лазерных резонаторов и проведением соответствующег экспериментального исследования.

Успешное решение научных и инженерных задач привело к созданию изерной установки "ЦИКЛОН" с выходной мощностью до 12 кВт и высоким качеством излучения. Лазерное излучение с такими (арактеристиками позволило осуществить исследование нового физического явления - непрерывного оптического разряда (НОР) в 1тмосферном воздухе. Интерес к этому явлению в условиях газового тотока связан со значительным расширением в последнее время гехнологических применений лазерного излучения, а также с обсуждением юзможностей использования оптического плазматрона в качестве макетного двигателя и для преобразования на борту космического корабля :ветовой энергии, посылаемой с Земли, в электрическую. Высокая ■емпература НОР в сочетании с легким рабочим газом может обеспечить гсключительно высокие скорости истечения плазмы из будущего (вигателя и удельные импульсы. Во многих технологических применениях ющного лазерного излучения (сварка, наплавка и т.п.) НОР развивается в [арах обрабатываемого материала и является поглощающим [репятствием на пути лазерного пучка. Поэтому проблема устойчивости ЮР в атмосферном воздухе при достаточно высоких уровнях мощности азерного излучения является актуальной. Кроме того, эксперименты с птическим плазматроном дают возможность изучения волны светового орения в стационарных условиях, что значительно упрощает сравнение езультатов с теоретическими моделями.

Поскольку НОР является мощным источником излучения в ИК, идимом и УФ диапазонах, можно ожидать, что такие (киловаттные) отоки излучения приведут к существенному изменению характеристик кружающей НОР газовой среды, в частности, ее проводимости. Поэтому кспериментальное и теоретическое изучение проблемы является ктуальным. Для экспериментального изучения проблемы была азработана и создана установка, а также предложена и реализована етодика измерений.

Выносимые на защиту положения и их научная новизна:

1. Развитие (совместно с Н.А.Генераловым, В.А.Максименко I В.Я.Овечкиным) и примененимость для изучения колебательной релаксации как в области &>гст>1, так и при сугст<1 и в условиях взаимногс влияния процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул экспериментального метода многоканальной абсорбционной спектроскопии Метод позволяет в неравновесных условиях одновременно определять профили колебательной температуры, суммарной плотности газовой смеси и плотности молекулярной компоненты, а также вклад отдельных колебательных уровней в коэффициент поглощения, т.е. следить за заселенностью отдельных колебательных состояний.

2. Экспериментальная установка для получения ударных волн в агрессивной газовой среде (пары йода и их смеси с инертными газами) и изучения процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул за фронтом ударной волны.

3. Результаты систематического экспериментального исследования кинетики обмена энергии между поступательными и колебательными степенями свободы молекул йода в различных газовых системах в широком температурном интервале и, в частности, впервые полученные данные как е области перехода от адиабатических к неадиабатическим столкновениям, так и в режиме неадиабатических соударений.

4. Результаты систематического экспериментального исследования процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул йода в условиях из взаимного влияния в различных газовых системах при изменении е широком диапазоне определяющих параметров.

5.Экспериментальный комплекс для изучения продольного несамостоятельного неравновесного разряда с высокими удельными энергетическими характеристиками в условиях скоростного газового потока при широком изменении определяющих параметров активной среды и потока и оптических характеристик лазерного излучения.

5.Метод получения однородного несамостоятельного неравновесного эазряда в больших объемах активной среды с высокими удельными шергетическими характеристиками, основанный на применении эезэлектродных емкостных пробивающих электрических импульсов для деполнительной однородной по объему разрядной камеры ионизации 'аза.

1. Результаты систематического экспериментального исследования 1родольного несамостоятельного тлеющего разряда при изменении в нироком диапазоне определяющих параметров: состава газовой смеси, «определения средней скорости потока по сечению канала, средней жорости потока, степени турбулентности потока; амплитуды, шителыюсти и частоты следования пробивающих импульсов. Результаты иучения электронно-молекулярных реакций в самостоятельном и [есамостоятельном тлеющих разрядах, теоретического рассмотрения тгрева газа через колебания при медленной и быстрой релаксации. [.Экспериментально обнаруженное явление "деформации" одномерных юкальных спектров скорости турбулентного потока под влиянием леющего разряда.

'.Разработка научных основ создания технологических лазеров и [спользование полученных результатов при создании лазеров серии Лантан".

0.Результаты экспериментального исследования устойчивости НОР в тмосферном воздухе: определение порогов существования НОР, бнаружение колебательного режима горения НОР. 1.Обнаружение заряженных частиц в окрестности НОР в инертных газах. Леханизм их рождения.

Практическая значимость работы

Разработанные в диссертации методы исследования колебательной елаксации в условиях неадиабатических соударений и взаимного влияния роцессов возбуждения колебаний и термического распада молекул, рганизации несамостоятельного тлеющего разряда в больших объемах

активной среды при высоких удельных энерговкладах, осуществления исследования непрерывного оптического разряда в атмосферном возду: позволили получить новые результаты, представляющие значительнь интерес в практических приложениях: в аэродинамике сверхзвуковь скоростей, космической технике, лазерной технике, при разработке использовании лазерных технологий, при распространении сильнь ударных волн, ионизующих газовую среду, при переносе излучения в газ; и плазме, в фотохимии.

Результаты были получены на разработанных, сконструированны собранных и отлаженных уникальных экспериментальных установка Некоторые из этих установок, в частности многоцелевой лазерный creí "ЦИКЛОН", послужили базой для разработки научных основ создан! мощных технологических лазеров с продольным несамостоятельны тлеющим разрядом и решения сложной проблемы создан! технологической лазерной установки "ЛАНТАН".

Результаты исследования порогов существования непрерывно] оптического разряда и его устойчивости при воздействии газового пото! в атмосферном воздухе находят применение при разработке лазернь технологий: резки, сварки, термоупрочнения, пробивки отверстий и т.д.

Результаты исследования воздействия непрерывного оптическо] разряда на окружающий его газ могут найти применение в космическс технике и аэродинамике гиперзвуковых скоростей: структура и скорос сильной ударной волны зависят от переноса резонансного излучения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались i конференциях:

- XII International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Berlin, September 1977.

- 4th -International Conference on Lasers and their Applications. Leipzig, 1981

- Всесоюзное совещание по применению лазеров в технологии машиностроения. Звенигород, 1982.

- International Conference on Lasers "82". USA, New Orlean, 1982.

Ломоносовские чтения в МГУ разных лет.

Результаты диссертации докладывались на семинарах в ИПМех ЭАН, в институте механики МГУ, на физическом факультете МГУ, в Физическом институте РАН, на секции № 1 Межведомственного научно-технического совета "Мощные технологические лазеры" по проблемам 1азерной технологии.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя раздел 'Общая характеристика работы", три части, заключение и список ситературы (271 наименование), изложенные на 229 страницах, содержит г8 рисунков и одну таблицу.

Краткое содержание работы

В разделе "Общая характеристика работы" обоснована исгуальность, научная новизна, сформулированы цели и задачи работы, [риведены основные положения, выносимые на защиту, структура и раткое содержание диссертации.

Три содержательных части диссертации представляют собой единое (елое: в них приведены результаты исследования неравновесных [роцессов, играющих важную роль как в определении структуры ударных олн, так и в плазме тлеющего разряда в потоке газа и в плазме НОР. десь имеются в виду процессы заселения энергетических уровней молекул колебательных) и атомов.

Первая часть диссертации посвящена исследованию колебательной елаксации молекул йода в условиях высоких (по сравнению с характерис-ической колебательной) температур, получаемых за фронтом ударных олн, когда реализуются неадиабатические соударения молекул, а также зучению взаимного влияния процессов возбуждения колебаний и ермического распада молекул.

В главе I.I проведен анализ методов исследования колебательной елаксации и полученных к моменту постановки данной работы гзультатов. Анализ показал, что существующие методы определения эемен колебательной релаксации не пригодны для исследования процесса

возбуждения колебаний в условиях неадиабатических столкновений и пр взаимном влиянии колебательного движения и термического распад молекул.

В этой же главе дано подробное описание экспериментально установки, разработанной для решения поставленных задач, приведен: характеристики регистрирующей аппаратуры. Главным составляющи элементом установки является подогревная (до 200° С) ударная труб. Ударная труба и все узлы установки изготовлены из материала химически невзаимодействующих с агрессивными газами (в частности, парами йода). Кроме ударной трубы, установка включала в себя систем] нагрева стенок ударной трубы, контроля их температуры, откачм наполнения исследуемым газом, многоканальную систему регистраци поглощения излучения в различных областях спектра, систему измерени скорости ударной волны.

В главе I.II дано подробное описание и теоретическое обосновани метода многоканальной абсорбционной спектроскопии применительно исследованию неравновесных процессов в двухатомном газе за фронто1 ударных волн в широком диапазоне изменения определяющи параметров.

Детальный анализ поглощения молекулярного йода в видимо! области спектра позволил установить связь поглощательной способности заселенностями колебательных состояний молекулы, а также определит вклады отдельных колебательных уровней в коэффициент поглощения Показано, что области непрерывного и квазинепрерывного поглощения, которых выполняется закон Бэра, удобны для проведения исследовани) физико-химических процессов в газообразном йоде и его смесях с гелием аргоном и азотом.

В главе I.III приведен анализ регистрируемых в эксперимента распределений поглощательной способности молекулярного йода з фронтом ударной волны. Показано, как из регистрируемых профиле поглощательной способности можно получать времена колебательно

релаксации. Приведены результаты экспериментального исследования <олебательной релаксации йода, полученные в широком диапазоне изменения параметров газа, причем впервые изучена как область перехода зт адиабатических к неадиабатическим соударениям, так и режим «адиабатических столкновений, а также результаты исследования синетики обмена энергией между поступательными и колебательными тепенями свободы двухатомных молекул в условиях взаимного влияния фоцессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул.

Сравнение определенных из эксперимента в широком интервале [зменения параметра сотег -значений времени колебательной релаксации с еоретическими результатами (развитие теории Ландау-Теллера в работе Пин) показало, что экспериментальная и теоретическая зависимости ремени релаксации от параметра адиабатичности (или от температуры) орошо согласуются во всем диапазоне измерений. Впервые кспериментально показано, что минимальные значения времени олебательной релаксации приходятся на окрестность точки cotctsI: в бласти адиабатических соударений сотст>1 время релаксации падает с остом температуры, в области неадиабатических столкнвений <втсг<1 фегистрирован его рост при увеличении температуры (уменьшении араметра ютст). Рост времени колебательной релаксации с температурой в эласти неадиабатических соударений обусловлен слабой зависимостью ;роятности дезактивации первого колебательного уровня от температуры этих условиях.

В параграфе 1.111.5 приведены результаты экспериментального ¡следования диссоциации молекулярного йода в условиях взаимного шяния процессов возбуждения колебаний и термического распада элекул. Показано, что отсутствие равновесия по колебательным степеням ободы существенным образом влияет на процесс распада молекул: »лебательная температура отстает от поступательной в течение [ительного промежутка времени вплоть до установления диссоционного

равновесия, причем разница между ними увеличивается с рост< интенсивности ударной волны. Константа скорости диссоциац становится зависящей не только от поступательной Т, но и колебательной Тктемпературы.

В разделе "Результаты и выводы к первой части" обобщи основные полученные в этой части диссертации результаты, дан анализ уровня, указано научное и практическое значение.

Во второй части диссертации, посвященной разработке научш основ создания мощных технологических лазеров с несамостоятельнь разрядом, приведены результаты исследования проблемы осуществлен однородного тлеющего разряда в больших объемах газовой среды п] повышенном давлении в условиях скоростного газового потока, создан: оптимального резонатора для эффективного использования активн< среды.

В главе Н.1 приведены подробное описание предложенного в рабо метода организации стационарного объемного разряда в скоростш газовых потоках.

В параграфе ПЛ. 1 подробно рассмотрено устройся экспериментальной установки - малой аэродинамической труб замкнутого контура, включающего в себя разрядную камер предназначенную для осуществления тлеющего разряда, авиационнь компрессор АИ-20, модернизированный с учетом работы при пониженнь давлениях газа в контуре и обеспечивающий высокие объемные расход газа в этих условиях (до 12 м3/с), а также два водяных теплообменник Один из них располагался на выходе из компрессора, другой - на выхо, из разрядной камеры. Теплообменники снижали температуру газ обеспечивая тем самым одно из необходимых условий для получен! инверсной заселенности в разряде.

В параграфе Н.1.2 приведены полученные экспериментами характеристики авиационного компрессора АИ-20, модернизированного приспособленного к условиям экспериментов с целью обеспечен!

скоростного потока (0< К<280 м/с) в разрядной камере сечением 5,5«76(94) см2 и длиной разрядного промежутка, изменяющейся в пределах 8-ь65 см.

В параграфе II.1.3 дано подробное описание устройства разрядной камеры и катодного блока, а также приведено схематическое изложение конструкции лазерного резонатора, применяемого в установке.

Конструкция разрядной камеры позволяет осуществлять несамостоятельный разряд в скоростном газовом потоке. Функцию рождения заряженных частиц выполняет емкостной разряд, электроды которого (металлические мелкоячеистые сетки) отделены от разрядной плазмы диэлектрическими (плавленый кварц или стекло ЛК-5) пластинами, играющими роль равномерно распределенных балластов. К сеткам прикладываются высоковольтные электрические пробивающие импульсы с частотой следования от единиц до десятков килогерц. Функцию накачки активной среды выполняет продольный по отношению к направлению потока газа разряд, электроды которого расположены непосредственно в газовом потоке. Катод состоит из 88 элементов, имеющих профиль Роговского. Он расположен вверх по птоку относительно анода, представляющего собой водоохлаждаемую медную трубку. Расстояние между электродами можнобыло изменять от 8 до 56 см. Максимальный объем, занимаемый разрядом, составлял 28 литров.

В параграфе II.1.4 рассмотрена блок-схема генератора высоковольтных (до 30 кВ) наносекундных электрических импульсов с частотой следования до 200 кГц с длительностью по основанию 150-200 не и амплитудой тока до 300 А. Схема была специально разработана и использовалась для исследования возможности организации несамостоятельного неравновесного разряда в скоростных газовых потоках.

Глава II.II посвящена поиску необходимых условий для реализации стационарного неравновесного разряда с высокими удельными энергетическими характеристиками в скоростном газовом потоке.

В параграфе Н.Н.1 приведены общие характеристики тлеющего разряда в газовом потоке.

В параграфе П.Н.2 исследуется влияние характеристик газового потока на устойчивость разряда. Приведено описание различных устройств (хонейкомб, заслонки, решетки и др.), позволяющих получить однородный профиль скорости по сечению газового канала. Экспериментально показано, что однородный профиль средней скорости позволяет отодвинуть порог перехода разряда в контрагированное состояние в сторону больших энерговкладов. Приведены профили средней скорости газового потока в зависимости от различных параметров (давление, скорость, расстояние от входа в разрядную камеру и т.д.). Показано, что на небольшом удалении от стенок реализуется плоский по сечению разрядной камеры (в пределах нескольких процентов) профиль средней скорости газового потока.

В параграфе П.П.З на основе имеющихся к моменту постановки данной работы результатов проведен анализ влияния турбулентности газового потока на устойчивость разряда. Анализ показал, что механизм влияния турбулентности на устойчивость разряда остается не выясненным. Требуется разработка единой методики измерения локальных спектральных характеристик турбулентного газового потока как в условиях разряда, так и в потоке нейтрального газа.

Параграф П.Н.4 посвящен исследованию взаимного влияния турбулентного газового потока и несамостоятельного тлеющего разряда. Приведено описание предложенной методики измерений и разработанного с этой целью датчика. Датчик позволил регистрировать локальные спектры турбулентных пульсаций скорости газового потока при давлениях /»15 Тор и скоростях К=50н-200 м/с как в условиях тлеющего разряда, так и в потоке нейтрального газа. В экспериментах было впервые установлено, что тлеющий разряд деформирует одномерные локальные спектры пульсаций скорости турбулентного газового потока.

Глава П.Ш посвящена экспериментальному исследованию стационарного объемного неравновесного разряда в скоростном газовом потоке.

Параграф II.III. 1 дает общую характеристику условий проведения экспериментов.

В параграфе II.III.2 представлены результаты теоретического исследования предложенного в данной работе метода подавления неустойчивостей плазмы и роли реализуемой с его помощью объемной предыонизации газа в увеличении удельных энерговкладов в разряд. Дано подробное описание механизма объемной ионизации с помощью безэлектродных высоковольтных пробивающих электрических импульсов. Выяснена роль диэлектрических слоев в получении однородного разряда. В теоретическом рассмотрении учитывались процессы ионизации, конвективного выноса, амбиполярной диффузии, рекомбинация электронов с ионами, прилипание электронов.

В параграфе II.III.3 приведена серия зарегистрированных в большом числе экспериментов вольт-амперных характеристик (ВАХ) разряда. В этих экспериментах варьировались многочисленные параметры, влияющие на энергетические характеристики разряда: состав газовой смеси, давление газа, скорость газового потока, амплитуда, частота и длительность импульсов предыонизации. Из рассмотрения ВАХ следует, что рост скорости потока обеспечивает возможность существенного повышения удельных энергетических характеристик несамостоятельного тлеющего разряда. С ростом скорости незначительно увеличивается сопротивление плазмы, повышение частоты ионизирующих импульсов повышает предельный энерговклад в разряд.

В параграфе II.III.4 проведен анализ представленных в II.III.3 ВАХ. Он позволил определить предельный удельный энерговклад в разряд и колебательную температуру азота и асимметричной моды молекулы С02 на выходе из разрядной камеры, а также сделать вывод о том, что в наших условиях неустойчивость разряда имеет перегревной характер.

Параграф II.III.5 посвящен изучению элетронно-молекулярных процессов в самостоятельном и несамостоятельном разрядах в одних и тех же экспериментальных условиях.

Эксперименты проводились при двух значениях скорости потока при фиксированном расстоянии между электродами ( 20,5 см). ВАХ снимались в смесях, для которых опубликованы расчетные данные, учитывающие прилипание и рекомбинацию электронов и ионов.

Сравнение расчетных и опытных данных позволяет утверждать, что кроме учтенных в расчетах процессов в условиях наших экспериментов в самостоятельном разряде важную роль играет отлипание. Для этих условий проведена оценка констант скоростей прилипания и отлипания, а также концентрации электронов и ионов.

В экспериментах с несамостоятельным разрядом установлено, что оптимальные для накачки лазерных смесей значения E/N, когда до 90% вложенной в разряд энергии идет на возбуждение колебаний, могут быть достигнуты (и даже превзойдены) путем применения безэлектродных импульсов для ионизации разрядного объема. Для всех исследованных смесей кривая E/N=ßj) в диапазоне 0<j<6 мА/см2 представляет собой прямую. Этот результат не является однако подтверждением постоянства сопротивления плазмы, а связан, по-видимому, с ростом сечения упругих столкновений электронов с молекулами азота. С учетом полученной экспериментально линейной зависимости E/N от j показано, что напряжение на разрядном промежутке должно расти при увеличении скорости потока, свидетельством чему являются ВАХ несамостоятельного разряда.

В параграфе II.III.6 решена задача о нагреве газа в разряде вдоль по потоку через колебания как при замедленной, так и при быстрой релаксации.

Глава II.IV посвящена исследованию характеристик лазерных резонаторов с целью получения высококачественного излучения и высокого электрооптического КПД в конкретной лазерной установке.

Экспериментально показано, что в многопроходных Z-образных резонаторах, используемых в установках "Циклон" и "Лантан", применение полуконфокальной конфигурации с плоским или гауссовым

выходным зеркалом обеспечивает получение высококачественного лазерного излучения.

В разделе "Результаты и выводы ко второй части'- обобщены основные результаты и сформулированы основные выводы по представленным во второй части диссертации материалам экспериментальных и теоретических исследований.

Часть III диссертации посвящена исследованию влияния газового потока на устойчивость непрерывного оптического разряда и изучению механизма образования заряженных частиц в окрестности НОР.

Созданы экспериментальные установки для исследования влияния газового потока на устойчивость непрерывного оптического разряда в атмосферном воздухе, а также для изучения вляния НОР на окружающий его газ в аргоне и ксеноне.

Впервые в стране НОР осуществлен в атмосферном воздухе. Показано, что пороги устойчивости НОР при поперечном обдуве несколько ниже, чем в случае продольного обдува. Максимальная неустойчивость НОР наблюдается при его аксиальном обдуве потоком, направленным навстречу лазерному пучку.

Обнаружен колебательный режим горения НОР.

На основании зарегистрированных в эксперименте зависимостей плотности заряженных частиц от расстояния до НОР в Аг и Хе предложен механизм их образования. Основной его составляющей является перенос резонансного излучения в крыльях линий.

В разделе "Результаты и выводы к третьей части" приведены основные результаты и выводы, следующие из материалов исследования НОР в воздухе и инертных газах.

В разделе "Заключение" просуммированы результаты, полученные в диссертации, проведен анализ их уровня, отмечена их практическая и научная ценность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы

I. Проведенное в работе систематическое исследование кинетических процессов за фронтом ударных волн в газообразном йоде в широком диапазоне температур позволило получить следующие основные результаты:

1. Разработан метод многоканальной абсорбционной спектроскопии применительно к условиям неадиабатических столкновений. Метод дает возможность регистрировать изменения во времени населенностей отдельных колебательных состояний как в условиях раздельного протекания колебательной релаксации и диссоциации, так и при их перекрытии. Метод позволяет одновременно определять в неравновесных условиях профили колебательной температуры, суммарной плотности газовой смеси и плотности молекулярной компоненты.

2.Разработана, сконструирована и отлажена экспериментальная установка для получения ударных волн в агрессивной газовой среде (пары йода и их смеси с инертными газами и азотом) и изучения процессов колебательной релаксации и диссоциации за фронтом ударной волны.

3.Определены времена колебательной релаксации в различных газовых системах (12 ^ -Не, -Аг, 12-М2 ) в широком диапазоне температур.

Впервые получена информация о колебательном возбуждении молекул в условиях неадиабатических столкновений (<УГСТ< 1). Данные эксперимента свидетельствуют о том, что в этих условиях время колебательной релаксации растет с повышением температуры, тогда как при адиабатических столкновениях оно уменьшается. Минимальное значение времени соответствует приближенному равенству £УГСт^1.

4.Предложенный в работе метод многоканальной абсорбционной спектроскопии позволил провести сисематические исследования колебательной релаксации и диссоциации молекул йода в условиях их совместного протекания и взаимного влияния при изменении определяющих параметров в широком диапазоне. Экспериментальные данные настоящей работы находятся в хорошем согласии с имеющимися данными теоретических моделей.

II. Экспериментальное и теоретическое исследование тлеющего разряда в условиях скоростного газового потока позволило получить следующие основные результаты:

1.Предложен метод организации несамостоятельного тлеющего разряда в скоростном газовом потоке. Основа метода - разделение функций рождения электронов и передачи им оптимальной для возбуждения молекулярных колебаний энергии между двумя источниками. Один из них - генератор безэлектродных пробивающих электрических импульсов - выполняет функцию однородной объемной ионизации газа в разрядной камере. Другой - источник постоянного напряжения - функцию "накачки".

2.Проведено систематическое экспериментальное и теоретическое изучение электронно-ионных процессов, влияющих на устойчивость разряда, на его энергетические характеристики с целью определения оптимальных условий для создания мощных технологических С02 -лазеров.

3.На основе предложенной в данной работе методики измерения локальных одномерных спектральных характеристик турбулентного газового потока как в условиях тлеющего разряда, так и без него впервые обнаружено влияние разряда на спектры пульсаций скорости. Дано объяснение полученных результатов, позволяющее по зарегистрированным спектрам определять температуру газа (плазмы).

4.Создан многоцелевой экспериментальный комплекс для исследования характеристик тлеющего разряда в условиях скоростного газового потока (V - до 280 м/с, объемный расход - до 13 мз), представляющий собой малую аэродинамическую трубу на замкнутом контуре на диапазон рабочих давлений 20-300 Тор, включающую в себя разрядную камеру, а также оптических характеристик лазерных пучков (разрядная плазма находится в Z-образном многопроходном резонаторе).

5.Экспериментальные характеристики лазерного излучения, полученного с помощью Z-образного резонатора с плоским и с гауссовым выходным зеркалом, показали перспективность применения такого типа резонаторов в мощных технологических лазерах. Высокое качество лазерного излучения обеспечило осуществление впервые в стране непрерывного оптического разряда в атмосферном воздухе, а также в гелии.

6.В целом проведенные исследования на экспериментальном комплексе и полученные результаты послужили основой для разработки мощных технологических лазеров серии "Лантан".

III. Исследования непрерывного оптического разряда в воздухе и аргоне дали следующие основные результаты:

1.Впервые обнаружен колебательный режим горения непрерывного оптического разряда при обдуве НОРа поперечным к его оси газовым потоком.

2.Впервые экспериментально обнаружена абсолютная неустойчивость НОРа к газовому потоку, направленному противоположно лазерному лучу.

3.Впервые экспериментально установлено наличие заряженных чатиц в окрестности НОРа. Предложен механизм их образования. Сравнение результатов теоретического рассмотрения с экспериментальными данными показало их хорошее согласие.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Генералов H.A., Лосев С.А., Косынкин В.Д., Овечкин В.Я. Исследование состояния йода за фронтом ударной волны. - Вестник Московского ун-та. Физ., Астрон., 1965, № 6, с.29-36.

2. Косынкин В.Д., Генералов H.A. Колебательная релаксация в йоде. -Физика горения и взрыва, 1966, т.4, с.62-67.

3. Генералов H.A., Косынкин В.Д. Зависимость вероятности дезактивации колебаний молекул йода от соотношения между временем столкновения и периодом колебаний. - ДАН СССР, 1967. т. 175, № 5, с. 1033-1035.

5. Косынкин В.Д., Генералов H.A. Колебательная релаксация в систеах J2- Не и J2-Ar. - Вестник МГУ. Физика, астрономия. 1967, №3, с. 110-111.

6. Косынкин В.Д. Исследование процессов возбуждения колебаний и диссоциации молекул йода за фронтом ударной волны. Дисс. на соиск. ученой степени к.ф.-м.н. - М.: МГУ, физфак, 1968. - 111 с.

7. Генералов H.A., Косынкин В.Д., Макименко В.А., Овечкин В.Я. Экспериментальное исследование диссоциации молекул йода в смесях J2 -Не и Вгг -Не при высоких температурах. - Физика горения и взрыва, 1979, № 1, с. 119-121.

8. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтенбург Д.И. О возможности использования авиационного компрессора в лазерах на замкнутом цикле. - Докл. АН СССР, 1975, т.221, № 2, с.319-321.

9. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-

бург Д.И. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. I. Конструкция и эксперимент. - Физика плазмы, 1977, вып.З, с.626-633.

10. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-

бург Д.И. Метод существенного повышения предела стабильности разряда в быстропроточных лазерах большого объема. - Письма в ЖТФ, 1975, т.1, вып.9, с.431-435.

11. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А., Косынкин В.Д. Явление аномального изменения пульсаций скорости турбулентного газового потока при воздействии тлеющего разряда. - Письма в ЖТФ, 1987, т. 13, вып.7, с.427-431.

12. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А., Косынкин В.Д. О взаимодействии турбулентного газового потока с плазмой тлеющего разряда. -Препринт № 498. Институт проблем механики АН СССР. 1991, 66 с.

13. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А., Косынкин В.Д. Датчик пульсаций скорости турбулентного газового потока в условиях тлеющего разряда. - Приборы и тех. эксп., 1993, № 3, с.149-155.

14. Генералов Н.А., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Рой-тенбург Д.И. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. Н.Теория емкостного разряда. - Физика плазмы, 1977, т.З, с.634-643.

15. Gembarzevsky G.V., GeneralovN.A., Gorbulenko M.I., Zimakov У.Р., Kosynkin V.D., Raizer Ju.P. Investigation of Longitudinal Glow-Discharge in High-Speed Laser Mixture Flow. - Proc. Intern. Conference on Laser "82", December 13-17 1982, p.891-893.

16. Гембаржевский Г.В., Генералов H.A., Горбуленко М.И., ЗимаковВ.П Косынкин В.Д., Райзер Ю.П. Самостоятельный и несамостоятельный тлеющие разряды в потоке газа. - ТВТ, 1986, т.24, № 2, с. 233-238.

17. Генералов Н.А., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-бург Д.И. High-Power Non-Selfsustained Discharge with Ionization by Repeating Electrodless Pulses in Closed Cycle Laser.- XII International Conference on Phenomena inlonized Gases, Berlin, September 1977.

18. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-бург Д.И. О предыонизации газа безэлектродными емкостными импульсами в лазерах, работающих в импульсно-периодическом

режиме. - Квантовая электроника, 1978, т.5, № 5, с. 1157-1159.

19. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-бург Д.И. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. ч.Ш. Экспериментальное исследование разряда и лазерной генерации. -Физика плазмы, 1980, т.6, вып.5, с. 1152-1160.

20. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Соловьев Н.Г. - Быстропроточный технологический СО: -лазер комбинированного действия. - Квантовая электроника, 1982, т.9, № 8, с.1549-1557.

21. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Соловьев Н.Г. Технологический СО2 -лазер импульсно-периодического и непрерывного действия. - Труды 4-ой Международной конференции по лазерам и их применениям. Лейпциг, 1981.

22. Боркин А.Г., Верин В.М., Генералов Н.А,, Дробязко C.B., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Соловьев Н.Г., Сенаторов Ю.М. Изучение плазмо-химических процессов и их влияния на характеристики излучения СОг -лазера с замкнутым газовым циклом. В кн.: Проблемы преобразования энергии. Н.-т. конф. молодых ученых. Тезисы докладов. М.: Изд-во ФИАЭ им. Курчатова И.В., 1983, с.29-30.

23. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Соловьев Н.Г. Быстропроточный технологический СОг-лазер комбинированного, импульсно-периодического и непрерывного действия на замкнутом цикле. - Труды Всесоюзного совещания по применению лазеров в технологии машиностроения. Звенигород, 1982.

24. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А.,Горбуленко М.И., Зимаков

В.П., Косынкин В.Д. Исследование тлеющего разряда в скоростных потоках лазерных смесей.-Труды Всесоюзного совещания по применению лазеров в технологии машиностроения. Звенигород, 1982.

25. Богданов М.П., Верин В.М., Генералов H.A., Зимаков В.П., Картавый С.К., Косынкин В.Д., Лаптев А.П. Технологическая лазерная установка

УЛГ-2.01 комбинированного действия, импульсно-периодического и

непрерывного. - Труды Всесоюзного совещания по применению лазеров в народном хозяйстве. Звенигород, 1985.

26. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., Райзер Ю.П., Ройтен-бург Д.И. Способ получения непрерывного тлеющего разряда. - A.C. № 615795. Заявл. 24.03.1975; опубл. 21.03.1978; MKH3HOIS 3/22.

27. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д.,Москалев B.C., Москаленко O.A. Проточный лазер-усилитель. - A.C. № 928976. Заявл. 10.12.1980; опубл. 14.01.1982.

28. Генералов H.A., Захаров A.M., Косынкин В.Д., Якимов М.Ю. Непрерывный оптический разряд в потоке воздуха при атмосферном давлении. - В кн.: Элементарные процессы в химически реагирующих средах: Междувузовский сборник. М.: изд-во МФТИ, 1985, 120 с.

29. Генералов H.A., Захаров A.M., Косынкин В.Д., Якимов М.Ю. Устойчивость непрерывного оптического разряда в потоке атмосферного воздуха. - Физика горения и взрыва, 1986, № 2, с.91-94.

30. Гембаржевский Г.В., Генералов H.A., Горбуленко М.И., Косынкин В.Д., Овечкин В.Я. Распределение заряженных частиц в окрестности непрерывного оптического разряда. - Журнал тех. физики, 1993, т.63, вып.5, с. 122-126.