Исследование импульсного сильноточного разряда в гелии, азоте и водороде при высоких давлениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САНКТ-ЕЕТЕРБУРГСИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОРОНОВ Алексея Ыихаалэвнч

ЕСОЛЕДОЗАШЕ ИМПУЛЬСНОГО СИЛЬНОТОЧНОГО РАЗЯЩА В ГЕЛИИ. АЗОТЕ И ВОДОРОДЕ ПРЯ ВЫСОКИХ ДАЫЕНЙНХ.

Спэцяальность СП.04.05 снггши

□1.04.08 {шзшса п есшя плазмы

Автореферат

диссертации на соисканиэ учйноз стегонп кандидата физико-маггеиатичвсзшх наук

/7 л / • / г

Санзст-Пэтербург 1992г.

г

Работа выполнена в филиале Всесоюзного научно-исследовательского не статута элрктромаггаяостровнкя.

Научные руководители:

доктор физшю-матеизтячесяя наук БОРОДИН B.C.

доктор технических наук ГОРЯЧЕВ В.Л.

ГЦЧПТуя гьттца ОПГЮВеНТЫ'

доктор физико-математических наук ДШЕВ Г.А.

доктор физико-математических наук ЕГОРОВ B.C.

Ведущая организация - Государственные шггическия институт им. C.I. Вавилова

Sasjrra состоится "25" исая 1992 г., в ас. на заседании специализированного сэаета К. 063.57.10 по присуждение учено! стегюни кандидата физико-математических наук в Саннт-Пе-тербургокж университете по адресу: 199034, г, Санкт-Петербург, Униаерстггетсхая наб., 7/9.

С диссертациве можно ознакомиться в СиЗ-пютоя» СШУ.

Авторефврт разослан "25* мая 1902 г.

Ученый секретарь сшциализирозанного совета, кандидат физ.-мат. наук

/ТИМОФЕЕВ В.А./

э

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертация. Одноа из ваяно гам задач 'наука последнего времени является получение высоких а сверхвысоки! плотностей энергии. С помощью импульсных разрядов кожко получать высота*» плотности тепловой энергии газов. Если раньте физические своаства импульсных разрядов при повышенных давлэничх использовались в основном только в икпуль-тсноа светотехнике, то тешрь уже можно назвать дальш ряд областей науки и техники» где импульсныа разряд является незасеянный элементов установок. Использование импульсных разрядов эффективно для: нагрева газов в импульсных генераторах плазмы; нагрева газов в аэродинамических и ударных трубах; получения высоких импульсных давление газов применительно к технологии обработки материалов и созданию .ээгксгазовых вэ-тательных установок; создание импульсных источников света сверхвысокое яркости; температурной обработки поверхнсстеа; создания ноделва астрофизики а т.д.

Многочисленные приложения плазмы импульсных разрядов выдвигает больной комплекс проблем как с точки зрения разработки штодов диагностики, так и в плане яссдэдгваяия физических процэссоз. К настояиему времени накоплен достаточно большоа экспериментальные я теоретическиа материал по про-цэссая в импульсных разряди я созданы несколько поделен зтого вида разряда. Однако раснирящкгся крут инженерных применения импульсных разрядов высокого давлвня требует более детального изучения как физики процессов в них, та- -интегрзльных характеристик дуг, как элементов электрический цэпи. Не кеныжз интерес представляют приэлекгрсдные. продас-сн в шсзульсных разрядах, необходимо знать величины прн-элехтродаых падения аапряяяэния. Открытым является вопрос о гзехаяизке тешгообяюнэ дуга-окружэкциа газ, а также механиза захвата атоиоа окруяающэго газа разрядом, что определяет динамику расширения канала разряда.

1акии образом, актуальность настоящего исследования вызвана с одноя стороны иногочисленными примениямя' импульсных разрядов высокого дэалэния в науке и технике, а с другой

стороны надой.изученностью физических процессов, управляющих сильноточным разрядом высокого давления. Црльр диссертационная рэботы явилось:

1. Разработке нсзых и модификация известных * -одов диагностики плазмы импульсного разряда высокого давления.

2. Выполнениэ систематических комлэксных экспериментальных исслэдочаяка плэзмы силънототного импульсного разряда в гелии. азоте, водороде и их- смесях при высоки» давлениях.

3. Изучиниэ продессов поре дачи энергии из-дуги в окружающиа газ. К наиболее принципиальным вопросам относится анализ баланса энергии в разряде (с учетом энергии, уносимой излучением), вьшсненкэ кохэяизма ионизации окруиаодего газз и после душего его захвата рзстпиряссимся разрядом.

4. Быяснеш» возможностей целенаправленного изменения характеристик разряда путем варьирования внепших параметров разряда.

5. Построение простоя модели разряда, позволяйся верно предсказывать динамику его развития.

Научная новизна и практическая ценность полученных в настоящей работе результатов состоит в саддукеем.

1. Собран систематический экспериментальны? материал ш величинам токов, напряженна на дуге, по давлениям и напрязкен-ностяы электрических по электрическое проводимости и спектральным характеристикам сильноточных импульсных разрядов высокого давления.

2. Экспериментально апробирован и теоретически обоснован ■ зоедовуя кетод из?*ерения напряженности электрического поля в разряда при давлениях в сотни атмосфер. 1фи помощи зондовых измерения впервые получены данные о величинах прикатодного и прианодного падения напрягвения.

3. Из спектроскопических измерений получена информация' о толщине по гран слоя дуга-окр ушашкй газ. Показано, что в гелии и водороде, кмекза: бальаоа коэффицвэнт кондуктивноа теплопроводности, иогут иметь место значите ль нь» тепловые готоки через птранслэй, определяв®© в значительное мере энергетический баланс разряда.

4 „ В предполеяюнии ударного уширения лжгм впервые измерены константу Бзн-дер-Саальсовского взаиуодэаствия Сб атомов гелия с атсмачи Cal, Call, Ad в основной состояния и с ато-язми Cul в возбужденных состояниях.

5. Предложена простая модель, описывающая развитие импульсного разряда высокого давлэния. Модель учитывает энергети-чясхив потери. связанные с излучением и вовлэчэниэ в разряд атомов окружапдаго газа.

в. Получены данные о величине злвктрическоя эрозии алэктро доз в сильноточных импульсных разрядах высокого давления.

7. В результате работы построена наглядная картина основных физических процессов, опредэляпдих развитие разряда в гелии, азоте и водороде при высоких давлениях.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на: ID-а Всесоюзноа конференции по генераторам низкотемпературно« плазмы, 1986, 8-я Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плэзкы", 1991, 22-а International Electric Propulsion Conference, 1991, и опубликованы в четырех работах, приведенных в конце автореферата Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, краткого обзора литературы, шести глав и заключения, содержит 140 страниц машинописного текста, включая 82 рисунка и одну таблицу. Сгс:сок цитированной литературы содержит 79 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы выбор темы диссертации, ее актуальность, сформулированы цель и задачи работы, отмечена научная новизна а практическая значимость проведенных исследования и полученных в работе результатов, кратко изложено содэртанкв диссертации.

В обзоре литературы рассматривается способы получения плазмы при высоких давлениях и плотностях энергии, методы диагностики и основные параметры плазмы в разрядах и теоретические модели, которые позволяет списывать такса тип разряда. Отчэчэно отсутсвие информации о раздельных измерениях гсриэдактродных падений напряжения в импульсных разрядах вы-

союз го давлэЕия. отсутствие простых нод&яэй, в® "содеркащвх годгоночкых параметров, удовлетворительно описывающих разряд

Рэраэя глава ссдериогг описание установки и методики зк-спэриментов. Накопительная емкость С*9ОО*х0 1/0» 5хВ с токо-ведугаош шинами (£-1.2йххГх, образовывала колвба-

талънка контур, обеспечиззвсим амплитуду тока до 70кД и длительность токового импульса ~ 120лке. Разряд инициировался взрывом медвоа проволочки &^0.021сл.

В эксперименте измерялись 1-величина тока при помощи иа-лоиндууктивного шунта, 2- падения напряжения на разряде при покоси дифференциально вклвчэеюл очичоских даигелэа напряжения. 3-зондами измерялось распределение потенциала плазмь по оса разряда, 4-увеличениэ дэвдэеия в разрядной камере пьезоэлектрическим датчиком давления, 5-интегрэльЕьи по длинам ваян интенсивности излучения.разряда для определения ио-иента наступления обратимой непрозрачности кварца Л/, 6-ра-диус разряда во времени при помоши СОР-каморы или диссектора, 7- спектр излучения разряда в видимой и ультрафиолетово! областях спектра как интегальнъл во времени, так и с разверткой во времени при помоет спектрографа или диссектора, &-производилась покадровая съемка разряда вблизи электрода дхя определения типа привязки разряда к электродам, 9-козф фициэт поглощения ва длине волны Л=632.8 нм.

Во второй главе описьгваотся эксперименты в гелиевом раз ряде. По измеренным величинам тока и напряжения графически интегрированием определялась водность и энергия, вкладава еные в разряд. Измеренная величина избыточного давления поз воляеа определить эффективность энерговклада в разряд, кото рая. монотонно растет от 0.2 до 0.7 с ростом начального дав лэнкя газа от 0.5 до 15 №а. Остальная часть алэктрич&ско энергии расходуется на взрыв проволочки, на ионизацию газ в каналэ разряда, обусловливает элэктричесхуи эрозию элэк тродов и бользая часть уносится излучением.

Измэренвъя радиус канала разряда и рассчитанная по не* скорость расяп.рекия позволяют говорит о том, что при скорое тях нарастания тока ¿1 /¿¿~Ю9Д/с практически отсутствут

т

ударнш волны и поэтому предполагалось при описании, развития разряда отсутствие градиента давления в разрядное камере.

По ощиляциям на кривая давления, обусловленными прохсж-•денкем аккустических волн з газе определялась скорость звука, а по ней средномассовая температура газа, которая хорошо согласуется с температурой, определенное из уравнения состояния m известной величине давления Р^.

Остыванш разряда в гелии посла окончания импульса тока монно разделить на две стадии - быструю -lOOxxc, когда давление Рдgg спадает в 1.5-2 раза и медленную —ЗОлс, когда • Pjjgg спадает практически до нуля. Вэзкое уменьшение давления на шрвоа стадии обусловлено прежде всего радиационный охлаждением столба разряда до температур, когда лучистые потери становятся не существенными.-

Спектр излучения разряда сплошной во все« регистрируемо« в эксперименте области длин волн. Разверти спектров во времени показала отсутствие каких лиЗо линия излучений даже на начальных стадиях разряда. В спектре излучения наблцда-еггся сильно уширенные (0.5-1.0 нм) лишш поглощения атомов металлов и примесей, входящих в состав проволочки: Nal, Caí, Call, Ail и Cul. Для всех атомов, за исключением атомов меди ; наблюдаются только резонансные линии поглощения, у атомов, гада нзбладаются кроме того линии поглощения, нияниа уровень которых является возбужденным. .

Измерение элвктрическими зсндами распределения готенцяа- : ла шазглы по оси разряда показало его линейность и дало воз-козность о про делить натяженность электрического поля. Экстраполяция кривой распределения потенциала к аноду и катоду . позволяет судеть о величине анодного и катодного падения напряжения. Полученные нами данные хорошо согласуются с полученными в /2/ по напряженности электрического, поля и сумме цриздакгродных падений (/э+к. Новым шагом явилась то, что при помоги электрических зондов удалось провести раздельные измерения катодного и анодного падений напряжения Приведенные данные удовлетворительно согласуются с рассчитанной величиной катодного падения напряжения, приведенной в /3/.

" Расчет фотоионпзационного коэффициента поглощения в ге-

лаэвоа ПЛ83В& даш без учета атомов х ионов кеда в диапазоне текшраггур Г-2-3 Ю4 °х и давления /М0-60 МПа дает значения заметно больше еданиш в области 7эВ>М>0, что позволяет говорить о том, что излучниэ разряда близко к равновесному. Учет атомов я ионов меди лишь увеличит значение коэффициента поглощения. Оценка температуры разряда из баланса энергии: ¡и -

я из проводимости сильноионизсванноя плазмы приводят к значению 7*2 Ю4 СК, что хорошо согласуется с расчетными данными, выполненными дхя сильноточных дуг высокого давления /4/, где расчет выполнялся с учетом лучистая тешопроводности и показано, что в разряде практически отсутствует градиент температуры в центральной части разряда и температура резко спадает лиаь на границэ разряда. Следствием этого является то, что распределение плотности тока го радиусу также имеет плоская профиль, что экспериментально подтверждено измерениями профиля плотности тока магнитными зондами /5/ в аналогичных нам условиях. Оба этих факта дают возможность для описания разряда привлечь каналовую модель.

Огсутсвие прямых измерения концентрации электронов в разряде делает необходимым провести расчет ионного состава плэзмы. Для этого численно решалась система нелинейных алгебраических уравнения, данная равновесные значения концентрации электронов и ионов в широком, диапазоне температур и давления: л^р/п39 - ^(Г)

п^/тР1 = ^(Г) Р - п0Ы

г-о " ^ * + пе + П1 „Си _ „Си . „Си . „Си

«.-«? + Л? * *»Й

Си

О

Нзряду с решэниен системы нелинейных уравнения, решалось уравнение Саха для чистого гелия. Из сравнения полученных результатов вадно, что концентрация электронов.в разряда достаточно слабо зависит от наличия атомов меди (при условии ngW0«-3). поскольку концентрация атомов гелия лНв более чем на порядок про восходит концэнтрацию атомов меди в диапазоне T¿2 I04 °К и Р^ТОИПа.

ДаЕные по эрозии электродов, полученные в данной работе, хорошо согласуются с известными /6/, полученные для неколько . иеньпих токов и давлений. Таким образом, имеющаяся информация по электрической эрозии позволяет уверенно судить об эрозии при разработке электродных узлов установок при токах до 100 кА вдавлэний до 60 МПа.

В третьей главе приведены результаты измерений в азотном разряда. По сравнению с гелием, уменьшилось по абсолютной величине давление Р1{зД, что объясняется прежде всего большей теплоемкостью азота. Значительная часть вкладываемой алек- • трической энергии запасается в колебательных и вращательных ' стешнях свободы окружаюдего дугу газа, что, в итоге," приводит к более медяэнному остыванию газа по ose окончания импульса тока. Ира зтон в азоте не наблюдается резкого спада. давления сразу после окончания импульса тока. Причиной этому служит то, что радиационное охлаждение с поверхности столба разряда сдерживается относительно медленным, по сравнению с гелиэм, лучиста теплообменом дантральных зон разряда с периферийными.

Аналогично разряду в гелии была численно решена система нелинейных алгебраических уравнения, описывающая ионный состаз плззш с учетом образования ионов азота, кади и двукратных ионов меди.

Измерения электрическими зондами распределения потенциала плазмы по оси разряда позволила определить величины катодного и анодного падения напряжения, а такие. напряженность э.лэктрического поля в разряде. Напряженность £ в азоте оказалась несколько ниже, чей в гелии при тех яе начальных условиях. ■'

В четвертой главе изложены результата измерений в воде-

рода. Dps начальных давлении p^ZCdkk шрэстало выполняться условиэ что привело азэриодическому рекиму тока

разрада и х краяне веустоачивсыу рэжиху горения дуги, вплоть до ее срыва. Напряжение на разряде при этом сильно возросло ■ на кривоя напрявения наблкдались сильные осцилляции. Из-ва этого не удалось провести зондовые измерения.

Проблему неустойчивости разряда удалось решггь путей до-вавки к водороду нескольких процентов азота. Это практически не ухудшио такая характеристики, как скорость звука и может быть полезным для разработчиков лвпсогазовых метательных установок, где достаточно остро стоит проблема неустойчивости разряда.

Оценки температуры, получаемые из баланса энергии и из проводимости силыюионизованноя плазмы при высоких начальных давлениях водорода PQ не согласуются между собоа, что вероятнее всего связано с отличием проводимости в водороде от спитцвровско*. т.к. сильное охлаждение столба разряда за счет кондуктивноя теплопроводности по граница дуга-газ может существенно понижать темпэрзтуру разряда.

В пятой главе приводятся результаты, подученные из спектров излучения разряда в гелии. Полагалось, что уширенкэ на-Олцдаевдх линия поглощения атомов Cul, Cal, Call, АII и Hal является ударным, обусловленным столкновениями с атомами постороннего газа -гелия. Наблюдаемое в эксперименте отношанкэ полуширины к сдвигу линии довольно сильно отличается от значения, предсказываемым ван-двр-ваальсовскоя теорией aí>/5j> « 2.7В /7/. как в ту так и в другую сторону /8/, что вероятнее всего связано с отличием реальных потенциалов взаимодействия от ван-дер-ваальсовского. Излученные в /7/ выражения дет полуширины и сдвига линии в случав взаимодействия с потенциалом Лэнварда-Дкинса (в-12) позволяют объяснить указанные отличия к объясняют отсутствие сдвига линий в наша опытах.

Практически все наблюдаемые линии поглощения, за исключением резонансных линия меди, не сильно поглоданы: xQ¿s2. Это говорит о небольшой кондантрацда поглощающих атомов, дгя меди таковыми являйтея атомы, нижний уровень которых возбув-

энныя» для других элэиентов это атоиы а основной состоянии, Dскольку в эксперименте найлвдаится только рэзснанскыэ лини mal. Cal, Call, Ail. Наблкшавмь» линия поглощения езнт олуширину, слабо ззвисящую от начального давления газа. Это бстоятельство указывает прежде всего на то, что область, в отороа происходит поглощениэ, не находится в "холодной" зо-э разряда, где газовая темшратура и концэнтрация посторон-эго газа пряяо зависят от начального давления. Упафэниэ D-линиа натрия вызываемое столкновением с атомами алия достаточно хорошо изучено как в экспериментальных, так в теоретических работах. Несмотря на то, что константа С0, олучаеная эксшришзтально из уширения, отличается от свсе-о теоретического значения, результаты практически всех ра-от, аналогичных по давленияа a темшратурая, приводят к од-им п тем же значениям . Это дает наи основание выбрать эзонанснь» линии натрия в качества эталона для определения эмгоратуры в зоне поглощения (дав-зэниэ из;язря9тся независа-ыя способов).

Та кип образоя, используя экслэрзкентально избранные начения Св для резонансных линиа натрия, и зная величину авлэния Р, иокно определить температуру газа в зоне погло-эния по ударения D-линия натрия. Результаты измерения тен-эратуры возмудавдэго газа (гелия) дают значения Г~3 I33 °К.

Тешература в канале разряда, оавненная ранее, составля--г Т~2 1С4 °к. теклоратура sa а окруаапзвго газа, по измерена дааязния, не превьшзэт ~2 I03 °К. Т.е. поглосвниэ про-схоотг. по-видимому, на граниш дуга-окружашиа газ, где . кввт кэсто градяэзт теыгоратуры. Если бы поглощение проиг-одоло в "холодноа" зоне, где кондентрация возмуташих ато-эв намного болызе, это привело бы к существенно больсоа элупирине D-линиа натрия'. Все выеэ сказанное, позволяет делать взжныа вывод о том, что атомы принесеа (Ma), -содер-ашиеся в проволочке, и атокы самоа проволочки еэ распродэ-гатся раанонерно по объему разрядноя камеры, а сосредото-эеы, в основном, в канале разряда.

Измерив темаэратуру в зоне поглотания по уширенип D-лн-ш натрия, m измеренным полупиринан линиа других элвкен-

тов были рассчитаны константы Cß, определяли®' ван-дер ваальсовское взаимодействие с атомами гелия.

Наличие достаточного количества линий поглодания Cal позволяет определить температуру возбуждения атомов меди используя выражение, связывапаее величину полного поглощв вия с концентрацией поглоаащих атомов и силой осциллятора При этом предполагается распределен® по возбужденным сос тояеиям больпмановским. Таким образом получаем, умножив ос части равенства на I - длину, на которой происходит поглощэ ние:

[хп( д>> яс 1 Fk

i ■ ■ ^

где Xjjí- измеряемая из контуров линия поглощения опггическа толщина, gQ и - статвеса основного и возбужденного состо яниа, nQ- концентрация атомов меди в основном состоянии, анергия возбужденного уровня, Гв- текшратура возбуждения Графическое представление этого выраюния, где по оси- ade цисс откадаваем левую часть, а по оси ординат дай возможность ш тангенсу угла наклона определить температур возбуждения (при условии, что точки лакаться на одну прямую и величину nQt. Графическое представление показало, что за содэниэ возбужденных состояний близко к болыдаановскому температура возбуждения Га* 8.4 IQ3 °К. &га температура дос тэточео близка к значению поступательной температуры, полу ченным из уширения D-линий Nal: Г~8 I03 что говорит наличии равновесия в зоне поглощения. Частота упругих стол кновении при дагачт текшратурах и газокинетических сечени ях <<r- Ю-^сх2 составляет * I011 с'1. Из этого же график мохшо определить величину n^t, которая составляет nQl ъ 2. IO^of2. '.

Полное число атомов меди, содержащихся в проволочи МСй* 7 ID19. Измеряя радиус разряда и, соответственно, ег объем, мояно достаточно точно оценить концентрацию атомо меди в разряде. Она составляет для случая Р0»ПО от 10*®сл , зная (¡0/, можно определить толщину поглощаюцег слоя f, которая равна i* 3 Ю^с*.

Еаличю градиента температуры на слое толщино» I * 3 КГ3« (разница температур в разряда и в окружающем газе составляет дГ~2 10* °К) меняет привести к существенному потоку тепла 9, сравнимый с другими энергетическими потерями, аапример, лучистыми Ур^рГ4. Оценим количественно поток.тепла и сравним его с мощностью, излучаемой разрядом. y-^vT, где Aj. - коэффициент теплопроводности ( дяя гелия при Г ~ ГО4 * 1сРэрг/(сн °К) ), значит при дг=3 юЛ* тепло-

юз поток составляет f* 0.7 Ю^зрг/ск2. Излучаемая мощность зри Г~2 I04 °К равна Г 1013эр/сх2.

Таким образом, получен ещэ один важный результат: в рас-гетах импульсных сильноточных дуг необходимо учитывать тегь еовьэ потоки через погранслой дуга-окружаший газ.

Шастая глава посвящена построения модели разряда, осно-1анноа на ияепщпся экспериментальных данных. Огправньи пун-ггоя при построении иодели сильноточного импульсного разряда зысокого давления служит каналовая модель /9/. вкладываемая иоктрическая энергия расходуется на нагрев газа и на.совер-зениэ работы го его расширению. Результаты расчета в таких триЗлижениях не приводят к правильным результатам.

При теоретическом анализе использовалась следующая модель /10/. Рассматриваюсь расширение канала разряда как ЗИЕешэ фронта тепловоз волны и предполагалось, что за фронтом волны находится сигьноионизованная, оптически плот- • гая, однородная плазма. Предполагалось также, что столб раз-жда в далоа охохлаздается за счет энергии излучения Г*, ¡ыходяврго с поверхности разряда. Часть ц(Т) энергии </(Г),

¡пособная ионизовать и возбувдагть атокы окружающего газа 1 в

1(Т) = п- J £(Т,£>)<£> , поглощается в непосредственной бли-

»ста от граннш разряда. В области гоглотпния окруяащия •аз нагревается до теапэратуры плазмы Г. В этой области ос-ювная масса газа вытесняется из ранее занимаемого об^ма, гто приводит к повышении плотности и давления газа вне раз-. «да. Остальная часть излучения, свободно проходя через газ, юглощается стенками разрядной камеры и не участвует за вре-|я ¿тн в процессе нагрева газа, где тд - характерное время

разряда. Крою» аггоноз гелия в рззрядаое каиэро гослв взры проволочки имеются атомы веда с концэнтрацаеа Сечение ионизации б1оп этоиов веди из. лучением за порогом и газации {h¡> ¿ ICu=7.73 эВ) б1оп а: 10"17 с*2. Поэтому дли свободного пробега 1Т квантов с энергией Л^г/^ мала ( tT I/(6lon72Cu)« г) и излучение поглощается в узком слое у гр ница разрядного столба.

В рассматриваемых условиях, с учетом болыпоа концентр; дай иеди п^ коэффициент поглощения Xj, в рекомб;

кашонно-тормозном континууме ^-(5-10) с*-1 во всеа облас спектра, распалошкнса вблизи макс/мума распределения Плаш fT(í>>. Таким образом, плазму в разряде действительно моап считать оптически плотное почти в течение всего импульса ti ка.

Если скорость фронта тепловое волны существенно меш юе скорости звука Кзв в газе (i'T«^3B) и радиус разрядное кг меры г0 невелик (г0«Узвти), то возникающие в камере градаэ! давления успевает выравниватся и можно полагать P(r,t)=P(t[

В пре неб реже ник пространственными градиентами параметре плазмы и холодного хаза система уравнения для цилиндричеа симметричного разряда в замкнутом объеме, с учетом внешне цвш, записывается еле лущим образом: d(t/_) dy

+ р зг = 0 - ? -

d{Un) лг

-wr~ -pjr

í кг^б^ТУЕ

d2! día 1

i —ш + — + — ; - o dt¿ dt С

Здесь у « *г2/ и S « 2хге - объем и площадь боковое поверх

ности разряда с длиное I ж радиусом г(П: Уг и UR - внутрен

няя анергия газа в разряде и в окружавшем газе соответствен

но; Q - 1£(- мощность, выделяемая в столбе разряда; ? «6Л7

- поток тепла, отводимые от столба разряда за счет теплопро

водности; R = йдполное сопротивление дапи, вклтэвгаее :

себя омическое сопротивление контура Кц в сопротавлвни

столЗа разряда (/(яг2^), где б- электропроводность плаэ-

еы.

Первое уравнение системы является законом сохранения •энергии для расширяющегося столба разряда, второе уравнение - законом сохранения энергии для окружаювдго газа, третье -законом Ома. четвертое - закон Кирхгофа для замкнутой цепи. Если положить ?=0 и г}(Г)=0, а изменение внутренней энергии записать как d¡J/dt = Z/ZkX¿K/dt, т.е. не учитывать захват частиц в разряд из окрухаюгаго газа, то получим систему уравнений каналовой модели. Изменение внутренней энергии газа, учитывающее возлвченга в разряд атомов окружаюиэго газа,

d Н п ЦЯ S

записывается кэк U = 3/2к d(TNa)/dtt где jf » S/2(f -t )'

Система уравнений дополнялась условием сохранения полного числа частиц в разрядной каморе: HT+Nn=const. Начальные условия, как оказалось, слабо влияют на конечные решения, ^го обусловлено тем, что по мере развития разряда числи частиц, вовлекаемых в разряд, существенно превышает Wr(0).

Тепловой поток SAaT/at (дг=3 Ю^ся) задавался параметрически путем варьирования коэффициента теплопроводности А от нуля до максимального значения Л в гелии при Г=1.0 10* °К при соответствутазэм давлении.

Результаты расчета показали, что температура 7(Ов разряде практически постоянна Тг~ 2.5 I04 °К. Лишь в аачзлв и. в конце импульса тока изменение Г.ДО становится существенным. Сравнение расчотных зависимостей E(t)t, P(t), r{t) с экспериментальными в гелии показывает их хорошее согласие. Исключение составляет разряд в водороде при PQ£20 am, когда на кривой напряжения наблюдаются сильные осцилляции, ток становится апериодическим. По-видкному, это связано с отличием электропроводности от спигдаровской. При относительно невысоких температурах разряда Гг< 2 I04 °К (что может иметь га сто в водороде из-за большого коэффициента теплопроводности Л и как следствие ситного охлаждения столЗа разряда) выражение для проводимости следует заменить на электропроводность слабоионизованной плазмы (либо промежуточный 'случай -электропроводность ш Фросту).

Основным ограниченны теории является величина di/al. При dl/dt * ID Л/с давлониэ в каадре становится неоднородным и для описания разряда необходимо использовать соотьот-ствупцую систему уравнения плазмодииэуики.

ОСНОВНЫЕ. РЕЗУЛЬТАТУ РАБОТЫ

1. Собран систематический экспериментальный материал по импульсным сильноточным разрядам высокого давления в гелии, азоте я водороде.

2. Предложен и обоснован метод измерения напряженности электрического поля в разрядах высокого давления при помояи электрически зондив и получены данные по налряженностям электрического поля в гелии, азоте и водороде при высоких давлениях.

3. Впервые получены данные о величинах анодного и катодного падения напряжения в сильноточных импульсных разрядах высокого давления из изморениа распределения готенхиалз плазмы по оси разряда и измерения полного падения напряжения на разряде.

i. Получены экспериментальные данные по величинам злекгри-ческоя эрозии в сидыюточигм разряде высокого даатоЕия.

5. Экспериментально измерены по уширению спектральных линия константы вая-дер-ваэльсовского взаимодействия С6 атомов гелия с атомами Cal. Call, Ail, Cal.

в. Экспериментально исследованы механизмы передачи энергии из дуги в окружающие газ, показано, что в сильноточных разрядах докинирупзии потерями являются не только лучистые потери, но и по'.эри, связанные с кондуктивкым тепло переносом.

7. Предложена простая модель динамики развития разряда, основанная представлении о поглощении излучения разряд парами металла с иониза^я атомов металла и вовлэчаниэм атомов металла в токопроводяша канал и нзличиэм теплового потока через пограислоа дуга-окружассия газ, в сильноа степени опродедягазш нагрев окружающего газа.

В результате bi элноееоя работы построена наглядная картина основных физически! процессов, протекгюса в сильноточных

1Т

вшульсных разрядах высокого давления со скоростями нарастэ-

гая токов 31/arsio9 А/с. которая в общих чертах позволяет

хЗьясннгь всю совокупность наблюдэеных явления.

Цитированная литература

1. Белов С.Н., Демидов М.И., Огурцова Н.Н.. Подаотенский И.В., Роговцев П.Н., Шалемина З.М. Обратимая непрозрачность оптического кварца, возникавшая при контакте с плотное Плазмоа.//ЖПС, Т.10, Э.З, 1969, 408-412.

2. Боровик Е.С.. Кандадал В.П., Князев D.P., Ыитин Р.В. Исследование импульсной дуги в Аг и Но при сверхвысоких давлениях.//ЖТФ, Т.39, в.8, 1969, 1416-1424.

3. БакнтО.Г., Бородин B.C., Яуравлев В.Н., Рутберг Ф.Г. Нестационарные режимы работы катода в сильноточном водородном разряде высокого давления.//НТФ. 1987.т.57, N 12, 2296-2309.

4. Lee Н. A aetod for computing the radial teaperature profiles In high-pressure, high-current arcs.//J. Phys. D: Appl. Phys.,H 18,1985,425-439.

5. Петренко В.И., Шггин Р.В. Исследованкэ внутренней структуры импульсных разрядов высокого и сверхвысокого давления.//ЖТО, Т.45, В.8, 1975, с.1225-1232.

в. Буткевич Г.В..Белкин Г.С. Электрическая эррозия сильноточных контактов и э^эктродов. Энергия, 1978, 345с.

7. Hlndmarsh V.H., Petford A.D.. Smith С. Collision broadening and shift In atomic spectra. // Proc. Roy. Soc., 7.297. n.1449, 1967. 296-304.

3. Burgess D.D., Grlndlay J.I. Pressure broadening of Nal. //Astrophys. J., V.161, П.1, 1970, 343-349.

9. Митин Р.В. Стационарные и импульсные дуги высокого и сверхвысокого давления и методы их диагностики. В кн. Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики. Под ред. Вукова M.S., Наука.1977, с,105-138.

3. Bakst F.G.. 7oronov A.M., Zhuravle? Т.Н., Rutberg Г.С High Current Pulsed Helium Discharge at High Pressure./ 22nd International Electric Propulsion conference, Tlaregglo, Italy, October 14-17, 1991, AIAA9I-I30.

Основные »атериахы диссертации опубЛесоваяч в работа!:

1. Воронов A.M.. Сидоренко В.А. Быстродействующа многократны* регистратор спектра. В сб. под ред. Бородине B.C. Генераторы плазмы и системы хгектропитания. Ленинград, БНИйз.'-ектромзи. 1967, с.82-83.

2. Воронов A.M., Щургалэв В.Н., Рутберг Ф.Г. Имдулъсньа сильногочнъя разули в гелии при давлениях до 1000 аям. /10-я Всесоюзная коЕфорендая но гонораторгм низкотемпературное плазмы. ч.2. Каунас, 16-18 сент.1586.

3. Бакят Ф.Г., Бородин B.C., Воронов A.M., Куравлев В.Н. Рутберг Ф.Г. Зондовые измерения в силыюточноа дуге.// ЯТ4>, 19^3. т.во, в.II. сЛОО-газ.

4. Бахшт в.Г., Бородин B.C., Бсровсв A.M., Иуравлов В.Н. Исследование сильноточного разряда пря высоком давлении в водороде, гелии и азоте. / В сб. год ред. Бородина B.C., Рутберга в.Г. Исслэдсванда мощных генераторов плазмы и систем их электропитания. Л. ВНИЙэлектромаш, 1883, с.З-Н

5. Бакят Ф.Г., Воронов A.M., Иуразлев В.Н. йкпульсныа сильноточный разряд в гелии при высоком давдэний.//жте, Т.61«, В. 10, 1991, с.53-59.

в. Бакзп'С.Г., Воронов A.M., Еуравл?в В.Н., Рутберг в.Г. Импульсная сильно точньа разряд в гелии при высоком даало-шш./Тезиса докладов 8-« Всесосзлоа конференции "Физика низкотемпературно» плазмы", Минск, 1991, ч.2, с.38-89.

7. Bakst F.G., Voronov A.M., ihuravlev V.K.. Rut&erg F.G High Саттеп: Pulsed Helium Discharge at High Pressure./ 2?nd International Ilactrie Propulsion Conference, neregglo, Italy. October 14-17, 1991, AIAA9I-I30.