Исследования тлеющего разряда в вихревом потоке газа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ТБ Ой

, , ьвГ «9«

На правах рукописи

ЛАМАЖАПОВ ХУБИТА ДОРЖИЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗА

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физического эксперимента

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата ф из ихо-математических наук

Самара 1998

Работа выполнена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта МПС РФ.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Волов В.Т.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Коган Е. Я.

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Захаров В. П.

Ведущая организация:

Самарский филиал Физического Института РАН

Защита состоится _199еР в_часов на за-

седании диссертационного совета Д063.87.04 по специальности 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физического эксперимешга в Самарском Государственном Аэрокосмическом Университете по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1998 г

Ученый секретарь , л л

профессор ¿Э^С^&^^-А-ВГГ. Шахов

Общая характеристика работы

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованиям тлеющего разряда в турбуленшом сильнозакручешюм потоке газа и направлена на решение принципиальной проблемы повышения устойчивости разряда к шнурованию.

Актуальность темы исследования

В последние десятилетия появились новые приложения газового разряда, требующие получения неравновесной среды при повышенных плотностях газов. К ним относится использование тлеющего разряда для накачки активных сред газовых лазеров, дня работы плазмохимических реакторов, доя обработки металлических поверхностей. Повышение эффективности данных устройств связано с ростом плотности газовой среды. Однако повышение плотности газа вызывает раннее начало шнуровой неустойчивости. Явление шнуровой неустойчивости заключается в переходе газового разряда из объемно-однородной формы в неоднородную, шнуровую, при которой ток концентрируется в одном или нескольких шнурах, замыкающих газоразрядный промежуток. Состояние плазмы в токовых шнурах приближается к равновесному, что делает ее непригодным для практического использования. Шнуровая неустойчивость ограничивает рабочее давление в большинстве практически значимых устройств. Их рабочее давление не превышает (103н-104)Па, (10-=-100)Торр, а достигнутые удельные вклады электрической энергии в разряд, соответственно, (10 -ь 50) Вт/см3. К настоящему времени в предположении пространственной однородности исходного состояния рассмотрено достаточно большое число неустойчивостей, наиболее типичной из которых является тепловая. Однако в экспериментах при давлениях газа Р > 30 Topp времена развития шнуровой неустойчивости и, соответственно, максимально достижимые энерговклады оказываются меньше рассчитанных теоретически. Недостижимость на практике теоретического предела по энерговкладу в диффузную форму тлеющего разряда связана с влиянием неоднородностей, всегда реально возникающих (или существующих) в разряде. Наиболее важными дня оценки из них являются неоднородности, устранить которые практически невозможно: неоднородное распределение эмиссионных свойств катода и неоднородности газовой плотности, вызванные турбулентностью потока. Выявление общих закономерностей, присущих процессу шнурования в различных газовых смесях, при разных степенях турбулентности и различных поверхностных свойствах электродов является важной и актуальной задачей.

Сформулируем кратко проблемы, нерешенные на момент постановки задачи: 1. Не определено влияние неоднородности поверхности катода на порог шнурования, нет методик определения необходимой степени однородности поверхности, объективизирующих контроль кондиционирования катодов в производстве газоразрядных устройств.

2. Не определено влияние турбулентного потока на горение тлеющего разряда из-за отсутствия физической модели, описывающей процессы генерации, диффузионно-конвективного переноса и гибели заряженных частиц в условиях неоднородного распределения плотности газа и поля скоростей.

Вышеперечисленные проблемы определяют содержание и следующие цели работы: • "

1. Построение физической модели тлеющего разряда в плотных газовых потоках с учетом неоднородного распределения параметров, как в объеме газовой среды, так и на поверхности катода.

2. Решение проблемы предотвращения шнуровой неустойчивости тлеющего разряда при повышенных плотностях газовой среды, принципиально важной для повышения удельных характеристик газоразрядных устройств. ;

3. Разработка рекомендаций для создания газоразрядных устройств нового поколения.

Для достижения данных целей были поставлены следующие задачи:

1. Исследование влияния неоднородного распределения эмиссионных характеристик по поверхности катода и условий формирования токовых неоднородностей в прикатод-ном слое для выработки критерия гладкости электрода.

2. Построение математической модели расчета стационарного тлеющего разряда в осесиммеггричном вихревом газовом потоке с учетом радиальной неоднородности плотности газовой среды и обобщенных эмпирических зависимостей коэффициентов переноса в турбулентном вихревом потоке.

3. Исследование влияния распределения газовой скорости в потоке с модельным таном вихревой турбулентности и условий формирования токовых неоднородностей в объеме для выработки критерия турбулентности.

4. Экспериментальные исследования квазистационарного самостоятельного тлеющего разряда в формирующемся вихревом потоке газа при различных схемах питания и выявление возможных механизмов стабилизации тлеющего разряда;' осуществление разряда данного типа при повышенной плотности газа (вплоть до атмосферного давления при комнатной температуре) и создания на его основе газоразрядного лазера.

5. Разработка практических рекомендаций по созданию газоразрядных лазеров и иных устройств нового поколения.

Научная новизна

1. Предложен способ построения функционала для нового вариационного принципа, как эквивалента определенной краевой задачи. Данный подход свободен от ограничений термодинамических принципов и может применяться к открытым потоковым системам, далеким от равновесных.

1.1. Для самостоятельного тлеющего разряда в однородном потоке газа установлена решающая роль распределения эмиссионных характеристик катода для определения порога распада однородного катодного слоя на катодные гогша. Показано, что порог

распада определяется не только свойствами катода, по также определяется параметрами процессов в глубине положительного столба. Определены критерии этого порога для совокупности "катод - положительный столб" для различных типов тлеющего разряда.

1.2. Предложено использовать в качестве критерия однородности катодной поверхности фрактальную размерность распределения коэффициента вторичной эмиссии, как двухмерной случайной функции.

1.3. Объяснено появление в ряде случаев мелкогогпшстой структуры катодного слоя. Для несамостоятельного разряда установлено, что принцип наименьшего действия приводит к появлению регулярной картины пятен. Показана причина линейной зависимости плотности тока в таких пятнах с ростом давления.

2. Вследствие наличия турбулентности тлеющий разряд в таких потоках газа качественно отличается от обычного тлеющего разряда в покоящемся газе или в ламинарном потоке. Наличие турбулентных неоднородностей плотности газа в совокупности с экспоненциальной зависимостью частоты ионизации от отношения напряженности электрического поля к плотности газа приводит к появлению нового свойства - перемежаемости характеристик в разрядной зоне как фундаментального свойства случайных полей со слабосиадаюгцей негауссовой функцией распределения.

3. Предложена принципиально новая методика определения мгновенной структуры турбулентного газового потока, не вносящая искажения в измеряемый поток.

4. Определен возможный механизм стабилизации иошвацнонно-перегревной неустойчивости самостоятельного тлеющего заря ¡п н газовом потоке с вихревым типом турбулентности. Получен новый критерий качества турбулентного потока для осуществления тлеющего разряда без конграгирования.

Практическая значимость

- На основе данных исследований могут быть разработаны методики тестового контроля однородности поверхности электродов в производстве газоразрядных устройств с широкой геометрией электродов.

- Экспериментально реализованная высокая устойчивость тлеющего разряда в вихревом потоке газа позволит создать технологические СО- и СОг-лазеры, плазмохимиче-ские реакторы с высокой производительностью, устройства по обработке металлических поверхностей тлеющим разрядом и другие мощные газоразрядные устройства нового поколения.

- Предложенная новая методика определения мгновенной структуры турбулентного газового потока, не вносящая искажения в измеряемый поток, может быть использована для диагностики сверхзвуковых турбугсенгаых силыгозакрученных сжимаемых потоков. Выносимые на защиту положения:

1. Установленные закономерности появление катодных пятен, включая определяющую роль катодного слоя в самостоятельном тлеющем разряде в режиме нормальной плотности тока и, соответственно, распределения коэффициента ионно-

электронной эмиссии по поверхности катода на формирования токовой неоднородности и определяющую роль объемных процессов в несамостоятельном разряде.

2. Установленные критерии однородности катодной поверхности, определяющие порог распада однородного катодного слоя на катодные пятна.

3. Математическая модель расчета электронной плотности квазистационарного тлеющего разряда в осесимметричном вихревом газовом потоке с учетом радиальной неоднородности плотности газовой среды и обобщенных эмпирических зависимостей коэффициентов переноса в турбулентном вихревом потоке.

4. Физическая модель стабилизации ионизационно-перегревной неустойчивости тлеющего разряда газовым потоком с турбулентностью вихревого типа и, выработанные на его основе, критерии уровня турбулентности.

Апробация работы. Материалы исследований и основные разделы диссертационной работы доложены на Втором Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (г. Тарту Эстонской ССР, 1982г.), на Всесоюзных научно - технических конференциях по вихревому эффекту и его применению в технике (г.Куйбышев, 1988 г., Самара, 1993г.), на Х-ом Всесоюзном семинаре по статистическим и стохастическим процессам (г. Куйбышев, 1987г.), на семинаре в Institut f. Laser- und Plasmatechnik i. G. WIP AG Niedertemperaturplasmen (г. Берлин, 1993), на научных семинарах Куйбышевского филиала ФИЛИ СССР, научно - технических семинарах кафедры "Физики и экологической теплофизики" СамИИТ (1989-1997г.), а также опубликованы в 11 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В конце диссертационной работы приведены список цитированной литературы (81 название) и приложение, включающее 12 рисунка. Общий объем работы - 139 стр.

Основное содержание работы. 1 '

В первой главе проводится краткий обзор литературы. Повышение эффективности и производительности устройств, использующих тлеющий разряд, связано с повышением удельных вкладов электрической энергии в газовый разряд. Чтобы сохранить неравновесный характер разряда при повышенных уровнях удельного энерговклада, необходимо увеличить массовый расход, что означает повышение плотности и скорости газового потока. Рассматриваются требования, налагаемые техническими применениями, в частности, при накачке мощных газоразрядных лазеров. Дан обзор литературных данных по экспериментальной картине шнурования (контракции) и соответствующих теоретических моделей: исследования, проведенные Напартовичем А.П. и др. в ФИАЭ; Голубевым В.С.и др. в НИЦГЛ АН; Рахимовым А.Т. и др. в НИИЯФ МГУ, а также работы, проведенные в ФИАН, ВЭИ, ИТТТМ, ИПМ и др. Анализ теоретических исследований шнуровой неустойчивости показал, что в основе этого явления лежит по-

явление положительной обратной связи между локальным повышением плотности тока и ростом частоты ионизации в этой же локальной области. Существующие модели основываются на линейной теории неустойчивости для определения условий положительности инкрементов нарастания малых флуктуационных неоднородностей в исходной однородной системе. Поэтому они определяют по существу верхнюю границу, когда критические значения достигаются одновременно во всей рассматриваемой области (или в положительном столбе, или в катодном слое, или в их совокупности), и не могут адекватно описывать шнурование в условиях исходного неоднородного распределения параметров. Во многих приложениях, например в лазерах с поперечным разрядом, имеющих протяженные электроды, шнурование начинается с появления в при-электродных слоях пятна с повышенной плотностью тока. Учет реально существующих приэлектродных неоднородностей в таких моделях провести затруднительно.

В работах Месяца Г.И., Королева Ю.Д. и др. предлагается учитывать неоднородности на катоде на основе представлений о взрывоэмиссиошплх явлениях, инициирующих появление плазменного факела вблизи отдельного микровыступа или микропятна загрязнения диэлектрического типа, с дальнейшей его эволюцией в шнур. Однако такая модель описывает шнурование газового разряда только с достаточно высокими значениями напряженности электрического поля на поверхности катода, и имеет ограниченную применимость.

Другим направлением исследования шнурование разряда при отказе от однородности или одномерности, является решение двух(трех)-мерных уравнений численными методами (работы, проводимые Ульяновым К.Н. и др.). Однако реализация данного подхода является по сути численным экспериментом при относительно простых случаях неоднородности в граничных условиях, слабо связанных с реальными двухмерным распределением неоднородностей, и не дают возможностей выявить более общие закономерности формирования катодных пятен.

Рассмотрены работы, в которых изучается влияние газового потока на разряд. Можно выделить действие двух стабилизирующих факторов влияние потока: конвективный вынос разогреваемого и возбуждаемого электрическим разрядом газа из газоразрядного промежутка, а также действие турбулентной составляющей скорости газового потока. Исследованиям конвективного действия потока посвящено значительное число работ, в меньшем числе работ исследуется влияние турбулентности потока на разряд, а воздействие турбулентности в вихревом потоке газа рассмотрено только в нескольких работах. Влияние первого механизма оценить легко, так как, не разрушая самих неоднородностей, поток уменьшает время пребывания газа в зоне разряда, и неустойчивости не успевают развиться за это время. Более сложно оценить воздействие газодинамической турбулентности. В настоящее время не существует общепринятой модели, адекватно описывающей генерацию и разрушение плазменных неоднородностей газодинамической турбулентностью. Известны две физические модели тлею-

щего разряда в плотных газовых потоках: локальная и диффузионная. Локальная модель постулирует, что баланс заряженных части в положительном столбе определяется локально скоростями элементарных процессов в данной точке объема. При этом пренебрегаете* движением заряженных частиц. Простота модели позволяет подробно описать кинетические процессы. Локальная модель применялась для расчета характеристик тлеющего разряда в плотных газах. Однако в силу простоты модели, она мало пригодна для описания тлеющего разряда в неоднородных условиях высокотурбулентного газового потока. Диффузионная модель тлеющего разряда в плотных турбулентных газовых потоках сводит действие турбулентных пульсаций скорости к диффузионному процессу. Введение эффективного коэффициента турбулентной диффузии с формальной точке зрения означает пространственное усреднение уравнения с конвективным членом

да/д1 + V • Уп = Б ■ Дп, где п - концентрация носителей заряда, электронов и ионов, Б - коэффициеот молекулярной диффузии, V - скорость потока, и записи его в следующем виде:

д < п > д еЯ- д < п >

-—--

д\ 9х; <5хк

где <п> - усредненное значение концентрации, а также вводится эффективный коэффициет- турбулентной диффузии . Усреднение разрядных параметров происходит по временным и пространственным масштабам много большим, чем масштабы турбулентности. Однако характерные времена таких разрядных процессов как ионизация и рекомбинация при повышенных плотностях газа на несколько порядков меньше, чем газодинамические, поэтому такое усреднение некорректно.

Большое разнообразие факторов, влияющих на шнурование, и большая сложность учета множества взаимовлияющих процессов, определяют необходимость смены традиционного подхода к описанию нелинейных процессов в газовом разряде при наличии неоднородностей в объеме газовой среды или на поверхности электрода. Далее проводится обоснование постановки задачи.

Вторая глава посвящается анализу закономерностей образования катодных пятен с учетом случайного распределения эмиссионных свойств катода. В этой главе показано, что неоднородность поверхности электрода относительно шнурования является характеристикой не только электрода, а определяется всей газоразрядной системой в совокупности. Для анализа полной системы (приэлектродные слои с преобладанием носителей одного знака и квазинейгральная область положительного столба) сформулирован вариационный принцип, которой в частном случае сводится к известному принципу минимума мощности Штеенбека. При выводе этого принципа используется эквивалентность вариационной и соответствующей краевой задач. Использование эквивалентности не требует привлечения иных, в частности, термодинамических принципов. Последнее является важным при использовании этого принципа в условиях неэквива-

ленгности уравнений электродинамики и термодинамических уравнений. Это позволяет развить в дальнейшем подход к пороговым явлениям, качественно отличный от известных. Этот подход основан на теории протекания (перколяции), который связывает пороговый характер появления катодных пятен с распадом "бесконечного" кластера на ряд конечных. Перколяционная модель при использовании предложенного вариационного принципа позволяет анализировать процессы в катодном слое в совокупности с процессами в объеме при наличии начальных неоднородностей на поверхности катода. Показано, что небольшие вариации коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии по поверхности катода усиливаются из-за нелинейности в катодном слое. В этом заключается качественное отличие двухмерной модели от одномерной, в которой пренеб-регаеггся значительными вариациями коэффициента электронной эмиссии. На основе простейших модельных задач показана возможность разработки новых критериев гладкости электрода. Приведены оценочные критерии для катодного слоя тлеющего разряда при плотности эмиссионных центров т(см"2): при учете расширения трубок тока за счет амбиполярной диффузии n-p<4-1010-m, где п - плотность электронов (см'3), р - давление газа (Topp); при учете кулоновского расталкивания избыточной доли ионов над эмиссионным центром const" m > Ek • р3, где Ek - напряженность электрического поля в катодном слое (Вольт/см). Эти критерии могут бьггь применены при разработке газоразрядных лазеров, в частности, лазеров с поперечной геометрией электродов. Показаны пути конкретизации этих критериев для некоторых частных типов тлеющего разряда.

В третьей главе рассматриваются три модели стационарного тлеющего разряда в плотных газовых потоках при наличии неоднородности плотности газовой среды. Недостатки первых двух моделей рассматривались в первой главе. Однако их применение в данном случае обосновано, так как локальная модель используется не для точных расчетов, а только для качественного анализа влияния турбулентных пульсаций плотности газа, поскольку применимость диффузионной модели к усредненным характеристикам разряда доказано хорошим согласованием расчетных и экспериментальных значением параметров. В рамках этих моделей получены следующие результаты. 1. В рамках локальной модели, которая может бьггь применена к приосевой области разряда в вихревом потоке газа, где скорости потока малы, а составляющая молекулярной диффузии в балансе частиц не может большой в силу высокой плотности газа и удаленности от границ; было показано появление свойства перемежаемости в распределении электронной плотности. Иначе говоря, даже небольшие неоднородности плотности газовой среды будут проявляться в распределении плотности тока таким образом, что средний ток будет определяться не средним значением плотности газа, а наименьшими значениями плотности газа. Поэтому необходим учет неоднородности газовой среды. Данный результат необходим для обоснования постановки задачи.

2. Диффузионная модель в осесимметричном вихревом газовом потоке с учетом радиальной неоднородности плотности газовой среды и обобщенных эмпирических зависимостей коэффициентов переноса в турбулентном вихревом потоке решалась методом Рунге-Кутта; переходя от переменных п и г к относительным безразмерным

имеем

2-И

N

5 1 \ О

2-Т

+ У •

N

N

Ж Б, --—

О

N 2-Т

^ \ N 2 Э Т

К-(РТ+Ра)

« +1

Т2

.1 Т' 2 Т 2

2 4-Т Б

V;

где Б = ~—;-—, Е>г - коэффициент турбулентной диффузии; V; = —- - относи-

тельный коэффициент ионизации; б =

У

01

а

й» \'\г\

и

0 г.1 си 0.6 0.1 1

Ь =

XVI/ От 2-Я-Т,

; Р =

а-Ь

; Ь - газодинамический радиус,

■; Я - газовая постоянная; Тос - темпера-

тура на оси; и - угловая скорость вращения вынужденного вихря; индекс о относится к параметрам на оси разряда. Данная модель описывает усредненные характеристики тлеющего разряда в вихревом потоке газа. На рисунке приведены зависимости относительной электронной плотности, нормированной по ее максимальному значению. Цифры на графике соответствуют номерам в следующей таблице.

Сопоставление расчетных и эксперимента/иных параметров тлеющего разряда в вихревом потоке газа.

№ Рэкатер.» Т°РР. Ррасчетн.» Торр и, кВ 3. А ^экспер. Вт/см3 ^расч. а Вт/см3

1 0,2160 " 10 10,03 3,36 1.275 214 205,0 4,5%

2 0,3098 20 21,88 4,5 0.28 63 55,78 11,4%

3 0,357 80 81,60 11,2 0.05 28 25,7 25,7%

Видно, что имеет место закон эквивалентной стенки: концентрация электронов спадает на определенном радиусе внутри вынужденного вихря, а не в окрестности стенки камеры. Удельная мощность, вкладываемая в разряд, составляла порядка 1КВТ/СМ3.

При существенном увеличении вкладываемой мощности координаты эквивалентной стенки изменяются слабо сравнение значений плотности тока, полученных го расчетных значений концентраций электронов, при определенной напряженности электрического поля, а значит, и удельных энерговкладов с экспериментальными данными по величине энерговкладов показало согласие не хуже 5-10%, что является вполне удовлетворительным.

3. Рассматривалась диффузионно-конвективная модель с мезомасштабной вихревой турбулентностью. В данной модели используется решение диффузионного уравнения баланса внутри отдельной вихревой нити. При турбулентности вихревого типа предполагается наличие каскада вихревых шггей промежуточного масштаба. Турбулентность вихревого типа выбрана в силу следующих обстоятельств:

- наличие вихревых нитей, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля, вызывает неоднородности плотности газа, вытянутые вдоль вихревой нити и поперечные относительно линий плотности электрического тока. Вследствие сильной зависимости частоты ионизации от приведенной напряженности поля E/N неоднородности плотности газа являются фактором, резко усиливающим неоднородность распреде-лешм плотности тока. Причем наибольшим инкрементом шнуровой неустойчивости обладают неоднородности, вытянутые вдоль электрического поля;

- исследования явления множественного пробоя, обнаруженного экспериментально в 1992г., качественно подтверждают данную структуру вихревого течения;

- в более поздней расчетной работе Борисова A.A., Куйбина П.А. и Окулова В.А. вихревой нитью, образующей спираль и прецессируюгцей вокруг оси вихревой трубы, объясняется радиальное распределение усредненных термогазодинамических параметров: окружной и радиальной скоростей, плотности газа и температуры;

данный тип турбулентности в силу наличия линий тока в газовом потоке, уходящих на "бесконечность", обеспечивает за счет далекого сноса (конвекции) более эффективное перемешивание неоднородностей, чем турбулентность волнового тала. В данной модели используется результат, получешшй в вышеописанной диффузионной модели, так как в этой модели используется уравнение баланса относительной концентрации электронов, а в качестве граничных условий принимается нулевое значите на "бесконечности". Вследствие быстрого радиального убывания электронной плотности условие на "бесконечности" удовлетворяется уже на относительных радиусах 0,3 - 0,5 (существование эффективной стенки). Для применения диффузионной модели к локальной вихревой нити вводятся локальные цилиндрические координаты с осью Oz, совпадающей с осью вихревой шли; далее вводится функция тока \у(х,у): v(x,y) = rot[5z-v|/(x,y)]. Так как функция тока обычно вводится для несжимаемых течений, то в этом разделе третьей главы доказаны два утверждения, которые показывают возможность Введения функции тока для безрасходных частей сжимаемых

течений. Введение функции тока позволяет использовать методы теории перколяции, то есть свести задачу диффузионно-конвективного переноса к континуальной задаче теории перколяции. Это дает возможность описывать процессы переноса в турбулентном газовом потоке без введения эффективных коэффициентов турбулентной диффузии. Введено понятие микрошнурования, то есть горение разряда при наличии множества шнуровых неоднородностей, но без их катастрофического развития в дуговой разряд. Закон сохранения момента импульса, примененный к отдельной вихревой нити с трубкой электрического тока, заключенной в ней, приводит к появлению нового механизма стабилизации ионизационно-перегревной неустойчивости, к смене положительной обратной связи между локальной плотностью тока и частотой ионизации при Р=соп51 на отрицательную. Этот механизм состоит в следующем. Флуктуационное увеличение плотности тока в приосевой зоне вихревой нити вызовет нагрев газа и увеличение давления в этой зоне. Уменьшение разницы давлений в приосевой и в периферийной зонах вихревой трубки уменьшит центростремительные силы. Расширение вихревой трубки приведет к уменьшению окружных скоростей в силу закона сохранения момента импульса. Уменьшение окружных скоростей приведет к уменьшению разницы давлений на оси вихревой нити и на ее периферии и росту плотности газа. Увеличение плотности газа уменьшит приведенную напряженность электрического поля и, следовательно, приведет к сильному уменьшению частоты ионизации. Качественные оценки, проведенные для приближенной модели течения, позволили ввести критериальные харак-

и. V2 У2-у

теристики турбулентности: Хз = -= —;-— > А, где А - некоторая постоян-

К-Т Л -с-^-Е)

ная величина. Характерный Энергетический Параметр (ХЭП хз) включает параметры потока: характерный размер вихревой нити (трубки) Л и уровень окружных скоростей V на этом характерном радиусе; характеристики газовой смеси: коэффициенты теплопроводности х и удельной теплоемкости С и важнейший параметр тлеющего разряда: плотность мощности, выделяющейся в разряде (] -Е). Величина константы для определенной газовой смеси определяется решением уравнения баланса для электронной плотности с определенными значениями констант ионизации и рекомбинации.

Четвертая глава содержит описание экспериментальной установки, результатов измерений в двух различных электрофизических режимах, их обсуждение и сравнение с данными расчетов и теоретических оценок. Эксперименты проводились на установке, показанной на следующем рисунке. Установка включала в себе двухдиффузор-ную самовакуумирующуюся трубу, систему газонапуска, систему электропитания и измерительную систему. На внутренних щеках диффузора соосно с камерой прикреплялись два кольцевых электрода. Замена электродов позволяла изменить расположение газоразрядного промежутка относительно определенной конфигурации газового потока,

которая определялась составом газовой смеси, геометрическими размерами установки и входным давлением. Эксперименты проводились на разных газах (азот, углекислый газ, гелий, аргон) или их смесях, при разных входных давлениях (от 5 до 16 избыточных атмосфер). Также могли варьироваться геометрические параметры установки: длина цилиндрической части трубы, ширина диффузора. Газ подавался в сопловой аппарат тангенциального типа из двух ресиверов, открытие которых осуществлялось электроп-невмоклаланами. Ресиверы были пристыкованы непосредственно к тангециальному подводу вихревой камеры и через шланги высокого давления заполнялись из баллона до 0,5-г 1,5 МПа.

Измерительная часть стенда включала датчики давления индуктивного типа с временным разрешением порядка миллисекунды. Измерялось давление на входе в сопловой аппарат и в приосевой области вихревой камеры. В экспериментах по изучению электрического разряда в вихревой трубе на запоминающих осциллографах С1 -37 и С8-14 регистрировались падение напряжения на разрядном промежутке при помощи делителя и разрядный ток от шунта. На аналогичном осциллографе записывались показания электрических датчиков давления. Запуск осциллографов происходил при подаче напряжения на элекгропневмоклапаны ресиверов, т.е. с начала подачи газа в вихревую трубу. Одновременно могло производиться обычное или скоростное фотографирование разряда вдоль оси камеры.

выставленному на блоке питания значению. Во втором случае подавалось напряжение вдвое меньшее, чем в первом случае, Uo/2. На него накладывается вторая полуволна синусоиды с амгоплудой также вдвое меньшей, чем в первом случае: U(t) = (Uo/2) -sm(ca • t). В итоге удвоитель напряжения выдает напряжение вида U(t) = (Uo/2) " [l+sin(e>-t)] Оказалось, что изменение формы прикладываемого напряжения (Ui(t) = const = Uo; —> U2(t) = (Uo/2)[l + sin(co • t) ]; ) сильно влияет на режим горения тлеющего разряда, хотя Ui(t)~U2(t).

Для выяснения картины газодинамических процессов снимались осциллограммы давления на входе в сопловой аппарат и в приосевой области. После открытия элек-

.0

1

На электроды установки могло быть подано напряжение через балластное сопротивление от конденсатора, который заряжался от блока питания лазера ЛГ-15, либо напрямую от этого блока. Во втором случае напряжение на электроды подавалось от вторичной обмотки высоковольтного трансформатора через удвоитель напряжения, включавший два конденсатора и два диода. В первом случае на элисгроды подавалось пракшчески постоянное напряжение Щ равное

тропневмоклаланов в вихревой камере формировался вихревой поток. Фронт понижения давления на оси камеры имел длительность порядка миллисекунды. Осциллограммы давления на входе коррелируются с осциллограммами давления на оси. После резкого падения давления на оси до 100-200 Topp, наблюдается небольшая по продолжительности (примерно 20 миллисекунд) фаза квазистационарного протока газа. Проводились измерения с различными начальными давлениями. При увеличении начального давления в ресиверах понижение давления на оси камеры практически не изменялось, увеличивалась длительность фазы пониженного давления.

Устройство работало в следующем режиме: при подаче импульса на электроп-невмоклапаны рабочий газ под давлением Р,'= (0,5 * 1,5) МПа подавался через тангенциальный сопловой ввод и истекал в вихревую камеру, где в приосевой области трубки возникала область низкого давления (Р = 100-г 200 Topp) и температур (150-г200К). В процессе понижении давления в приосевой области отношение напряженности электрического поля к плотности газа, (E/N), начинает превышать пробойное значение. Тогда в области пониженной плотности газа развивается пробой газового промежутка. Дальнейшая эволюция горения разряда зависела от схемы питания. При изменении электрической схемы питания разряда газодинамические параметры потока в этих экспериментах оставались неизменными.

При подаче напряжения от конденсатора через балластное сопротивление это развитие заканчивается диффузным, тлеющим разрядом квазистационарного типа. Вольт-амперная характеристика разряда имела нейтральный характер. Отношение напряженности поля в разряде к плотности газа в 35 раз превышала эту же характеристику в спокойном газе. Разряд занимал примерно 0.3 радиуса камеры. Снимки разряда вдоль оси камеры на скоростную камеру не выявили неоднородносгей шнурового типа.

Характеристики этого типа разряда с достаточной точностью описываются математической моделью, приведенной в третьей главе.

При подаче электрического питания от удвоителя напряжения горение разряда было

сугубо нестационарным, разряд имел канальный, t- -.................--------------------

шнуровой вид. Осциллограммы напряжения и тока имели вид ряда повторяющихся импульсов, соответствующих отдельным пробоям. Были проведены эксперименты с различными начальными напряжениями. Для сравнения двух различных режимов горения проводились эксперименты по первой схеме при различных балластных сопротивлениях. Эти эксперименты показали, что шнуровая форма разряда в данном случае не связа-

шрфш

» !<" % —«Ц^«^ **

■»'Л. £■■:

* * t „ S^ *rfSr i*

i »» / i %

на с перегревными явлениями. Приведена фотография разряда в режиме множественного пробор сделанная вдоль оси вихревой камеры. На фотографии виден ряд пятен, лежащих на окружности с относительным радиусом 0,15. Как известно, пробой в газах при условиях, характерных данному эксперименту, происходит по пути с наименьшей плотностью. Так как расположение каналов соответствует расположению мест локального понижения плотности газа, то можно интерпретировать эти результаты как пробои, происходящие вдоль прецессирующей вихревой нити. Результаты эксперимента показывают расположение областей пониженного давления. В приосевой области вихревой трубы замеренное осредленное давление всегда ниже, чем на периферии. Впервые экспериментально зафиксирован факт наличия локальной области абсолютного минимума давления и плотности в сверхзвуковом закрученном турбулентном потоке на радиусе г = г/г^ = 0,15. Так как газ практически неподвижен на временах развития пробоя порядка ~1мкс, то данный эксперимент показывает, что реальная мгновенная структура турбулентного закрученного потока качественно отличается от ос-ре дненных характеристик данного класса течений.

В пятой главе приводится описание экспериментальной установки элекгроразрядного СО: -лазера на основе самовакуумирующейся вихревой трубы. В этих экспериментах была зафиксирована генерация при удельных вкладах порядка 200 Вт/см3 при использовании резонатора с глухим металлическим зеркалом и металлическим зеркалом с отверстием связи. Мощность излучения была невелика - порядка 1 Вт. Это связано с малой величиной длины активной среды, которая была порядка 15 см, и с неошималыю-стью резонатора.

Наличие генерации лазерного излучения свидетельствует о достижении и превышении порогового условия. Это указывает, на во-первых, на отсутствие перегрева . активной среды, и, во-вторых, на удовлетворительную однородность активной среды: рассеяние света на оптических неоднородностях активной среды, возникающих в силу турбулентности потока, несущественно.

Радиальная неоднородность активной среды возникает из-за неоднородного распределения мгновенного значения плотности тока с максимумом на относительном радиусе г = 0,15. Несоответствие типа резонатора с, максимумом излучения на оси и неоднородного распределения коэффициента усиления активной среды с максимумом кольцевой формы приводит к уменьшению КПД резонатора. Поэтому вывод о перегреве активной среды следует из-за недооценки неоднородности активной среды в радиальном направлении.

В этой же главе приводятся оценки использования вихревого эффекта для ком-. бинированного охлаждения газовой смеси в лазере на моноокиси углерода. Сравнивать лазеры' с вихревым потоком газа с быстропроточными лазерами необходимо не только по величине удельного энерговклада, но и по совокупности других параметров. Исполь-

зование эффекта охлаждения в вихревом потоке (эффект Ранка - Хилша) в непрерывных СОг - лазерах не дает больших преимуществ перед бысгропроточными лазерами из-за большой разницы в масштабах подвода энергии в газовом разряде и отвода тепловой энергии за счет только вихревого эффекта. Однако в случае СО - лазера появляется новый эффект, не рассматриваемый в теплофизических оценках для СО2 - лазеров. Речь идет о ярко выраженном росте КПД СО - лазеров при охлаждении активной среды. Если применять импульсы накачки длительностью достаточной для установления необходимой функции населенности лазерных уровней, но меньшей, чем для перегрева активной среды, то практически неиспользуемый в СОг - лазерах эффект охлаждения окажется необходимым в СО - лазерах., так как в настоящее время, для создания импульсных СО - лазеров используется электроионизационный разряд с длительностью импульса порядка сотен микросекунд. Использование вихревой стабилизации является оправданным при учете эффекта охлаждения. Поиск наилучшего способа охлаждения для мощного непрерывно работающего СО - лазера осложняется тем обстоятельством, что, вообще говоря, оптимальная рабочая температура активной среды такого лазера Тр неизвестна. С одной стороны, электрооптический КПД лазера растет с понижением температуры активной среды Тр. Характер изменения г)^5 в зависимости ог Т.. .ля электроразрядных СО-лазеров можно приближенно описать зависимостью:

полученной на основе обработки имеющихся экспериментальных данных в диапазоне температур Тр = 80 Ч- 300 К. С другой стороны, энергозатраты на охлаждение активной среды с понижением Тр возрастает еще быстрее - по экспоненциальному закону. Рассмотрен вариант двухэтапного охлаждения газового потока, включающий предварительное охлаждение с помощью фреоновой холодильной машины и дальнейшее захо-лаживание в активной зоне лазера за счет эффекта Ранка - Хилша. Данное комбинация включает преимущества "развязанного цикла" с возможностью выбора наиболее экономичного холодильного цикла на первом этапе и охлаждение газа в активной зоне, не требующее транспортировки холодного газа, на втором этапе.

Далее в главе рассматривается применение тлеющего разряда в вихревом потоке газа для азотирования металлических поверхностей: для диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя металлических сплавов. Наиболее экологичным, производительным и позволяющим контролировать технологические параметры с помощью компьютера является процесс азотирования тлеющим разрядом. Но основным препятствием является шнурование - срыв объемного разряда в дугу. Поэтому устранение данного препятствия может дать возможность проведения азотирования без вакуу-мируемых камер при атмосферном давлении.

1.1-104

На основе полученных в работе результатов и модельных представлений сформулированы следующие практические рекомендация. Эти рекомендации могут явиться основой разработки газоразрядных устройств нового поколения:

1. Для повышения пороговой плотности тока, соответствующей распаду однородного катодного слоя на катодные пятна, рекомендуется мелкомасштабная неоднородность катода. Для контроля неоднородности катодной поверхности в производстве газоразрядной камеры необходимо определите фрактальной размерности двухмерного распределения коэффициента эмиссии по поверхности катода.

2. Установленная экспериментально область прецессии локального минимума плотности газа на относительном радиусе г =0,15 позволяет предположить наличие кольцеобразного распределения коэффициента усиления, что необходимо учитывать при выборе резонатора.

3. Высокая устойчивость разряда и эффект дополнительного охлаждения можут быть использованы при разработке СО-лазеров нового поколения. Для повышения КПД установи! криогенного импульсно-периодического СО-лазера рекомендуется использовать метод комбинированного охлаждения.

4. Для определения мгновенной структуры сверхзвукового сжимаемого газового потока с вихревым типом турбулентности может быть использован метод кратковременного незавершенного электрического пробоя.

На основе проведенных в диссертационной работе исследований были предложены новые изобретения на способы, защищенные авторскими свидетельствами. На основе предложенного способа азотирования разработаны рекомендации для обработки внутренних и наружных цилиндрических пар трения, работающих в тяжелых условиях. Основные результаты и выводы работы. ■

1. Впервые экспериментально реализованы самостоятельный тлеющий разряд при атмосферном давлении с урЪвйем удельного энергойклада'порядка ЗООВт/см3 и генерация лазерного излучения в 'газоразрядном СОг лазере на основе самовакуумирующейся вихревой трубы. Использование силыгозакрученного высокотурбулентного газового потока позволяет добиться устойчивого горения объемного самостоятельного разряда при повышенных плотностях газа вплоть до атмосферного давления. Высокая стабильность ТРВП имеет большое практическое значение для разработки мощных газоразрядных устройств нового поколения (технологических лазеров, плазмохимических реакторов т.п.) и экологически более чистых технологий.

Наличие генерации указывает на отсутствие крупномасштабной пере1ревной контракции тлеющего разряда при этих условиях.

2. Экспериментально показано качественное отличие мгновенной структуры турбулентного закрученного потока в самовакуумирующейся вихревой трубе от усредненного распределения, заключающееся в наличии локального минимума плотности газа в вих-рев ом потоке на относительном радиусе 0,15. При выборе резонатора для газоразрядно-

го лазера с вихревым потоком газа необходимо учесть кольцеообразное радиальное распределение коэффициента усиления.

3. Проанализированы возможности использования тлеющего разряда в вихревом потоке:

3.1. для накачки СО - лазера использование эффекта дополнительного охлаждения (эффекта Ранка-Хилша) позволит повысить КПД лазерной установки.

3.2. для проведения азотирования металлических поверхностей.

Теоретические и экспериментальные исследования такой высоконеравновесной открытой потоковой системы, как тлеющий разряд в турбулентном потоке газа, указывают на необходимость выхода за рамки существующих физических и математических моделей, так как полное детерминированное описание разряда во всех пространствент ных точках областй су!цёетвоваш1я становится невозможным. Тай кйк Дйй 1фактй4сскйк целей во многих случаях достаточным являются оценки суммарных выходных характеристик и пороговых критериев перехода от одного состояние в другое, то для описания таких систем более подходящим являются фрактальные размерности неоднородного распределения параметров газоразрядных приборов (плотности тока, удельного энерговклада и т.д.) и критерии теории протекания, как универсальные фундаментальнее величины.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Ламажапов Х.Д. Некоторые закономерности образования катодных пятен в самостоятельном и несамостоятельном тлеющих разрядах и влияние случайного распределения эмиссионных свойств катода.// Препринт ФИАН №149. 1991 г. 35 С.

2. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д. Диффузия электронов в тлеющем разряде сильно закрученного сжимаемого турбулентного потока. // ЖТФ, 1988. Т.58, В.4. С.827-830.

3. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д., Марголин А.Д., Мищенко А.И., Шмелев В.М. Теория вихревого тлеющего разряда и пути создания на его основе вихревого СОг -лазера. // Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы 5 Всесоюзн. научн.-техн. конф. / Куйб.авиац.ин-т. Куйбышев, 1988, С. 182-184.

4. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Исследования неустойчивых режимов вихревого тлеющего разряда. // Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы 6 Всесоюзн. научн.-техн. конф. / Самарск. Гос. Аэрокосм. Университет. Самара, 1993, С. 198-204.

5. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д. К теории тлеющего разряда в вихревой камере. М.: ВИНИТИ. 1987. № 3522-В87.

6. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д. Анализ энергетических характеристик вихревого тлеющего разряда применительно к ССЪ-лазеру. М: ВИНИТИ. 1987. № 3521-В87.

7. Волов В.Т., Ламажапов Х.Д., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Исследования квазистационарных и нестационарных режимов горения тлеющего разряда в вихревом потоке газа.//Межвузов.сб. науч.тр. Вып.6./Самара:СамИИТ, 1992. - С.72-77.

8. Авторское свидетельство № 1366014 (СССР). Способ возбуждения рабочей среды проточного газового лазера./ С.ФАдясов, В.Т.Волов, АИВоронов, Н.АКлимов,

B.Д.Николаев, Х.Д.Ламажапов /Опубл. в Б.И -1987. - № 26 - МКИ G8C23/31.

9. Авторское свидельство № 1770447 (СССР). Способ обработай металлических поверхностей тлеющим разрядом. / Х.Д.Ламажапов/ Опубл. Б.И. - 1992. - №39 -МКИ С23С8/36.

10. Ламажапов Х.Д. Методика тестового контроля поверхности катода газоразрядных лазеров. // Проблемы обеспечения качества продукции, сертификационных и метрологических услуг: Сборн. докл. региональн. научно-практ. конф. / Самарский филиал Академии стандартизации, метрологии и сертификации Госстандарта России, Поволжское Отделение Российской Академии Проблем Качества, Самарский государств. аэрокосм, университет им. С.П. Королева. Самара, 13-17 апр. 1998г., С.95-101.

11. Волов В.Т., Вилякин В.Е., Ламажапов Х.Д. Совершенствование методов контроля мгновенной структуры турбулентного газового потока. // Проблемы обеспечения качества продукции, сертификационных и метрологических услуг: Сборн. докл. региональн. научно-пракг. конф. / Самарский филиал Академии стандартизации, метрологии и сертификации Госстандарта России, Поволжское Отделение Российской Академии Проблем Качества, Самарский государств, аэрокосм, университет им.

C.П. Королева. Самара, 13-17 апр. 1998г., С. 102-110.

Подписано в печать 31.07.98 г. Формат 60x84 Хб Бумага Kym Lux Усл. печ. л. 1.15 Тираж 100 экз. Заказ 145

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии ООО "CMC" Лицензия ПЛД 67-33 от 03.02.97 г.

МПС РФ

САМАРСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА им. М.Т. ЕЛИЗАРОВА

На правах рукописи

Л АМАЖАПОВ ХУБИТА ДОРЖИЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗА

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В. Т. ВОЛОВ

Самара 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5 Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗА. 8

1.1. Основные свойства и классификация разрядов. 8

1.2. Условия на параметры тлеющего разряда, накладываемые требованиями в различных технических применениях. 10

1.3. Экспериментальная картина шнурования. Модели, описывающие шнурование. 13

1.3.1. Приэлектродные неоднородности тлеющего разряда. 14

1.4. Влияние газодинамических характеристик потока на горение тлеющего разряда. 17

1.5. Постановка задачи 1. 22

1.5.1. Обоснование усложненной постановки задачи. 24

1.5.2. О выборе метода решения задачи. 26

1.6. Постановка задачи 2. 27 Глава 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ КАТОДНЫХ ПЯТЕН. 28

2.1. Принцип наименьшего действия для газоразрядных процессов. 28

2.2. Нормальный тлеющий разряд. 31

2.2.1. О перемежаемости распределения плотности тока. 33

2.2.2. О размерности распределения плотности тока. 36

2.2.3. Оценка перколяционного порога задачи окружностей. 38

2.3. Аномальный тлеющий разряд. 41

2.4. Несамостоятельный тлеющий разряд. 42 Выводы к главе 2. 45

Глава 3. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ ГАЗА.

Концептуальный анализ. 46

3.1. Локальная модель. 48

3.2. Диффузионная модель положительного столба с крупномасштабной неоднородностью в закрученном потоке газа. 56

3.3. Модель положительного столба с диффузионно-конвективным переносом в потоке с вихревым турбулентным движением. 63

3.3.1. Об однородности тлеющего разряда в газовом потоке с ме-зомасштабной вихревой турбулентностью. 72

3.3.2. О возможном механизме стабилизации разряда. 74 Выводы к главе 3. 83

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЛЕЮЩЕГО

РАЗРЯДА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗА. 85

4.1. Установка для изучения электрофизических свойств разряда. 85

4.2. Измерение параметров газового потока.. 86

4.3. Описание электрофизических экспериментов. 87 4.3.1 Режим однородного горения тлеющего разряда в вихревом потоке газа. 88

4.3.2. Режим множественного пробоя. 89

Выводы к главе 4. 98

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗА. 99

5.1. Электроразрядный СОг - лазер с вихревым потоком газа. Описание установки и экспериментальных результатов. 99

5.2. О применимости тлеющего разряда в вихревом потоке газа для

СО-лазера. 104

5.3. Азотирование как способ химико-термической обработки металлических поверхностей. 108

5.4. Механизм образования азотированного слоя и сравнительный

анализ способов азотирования. 110

5.5. Использование тлеющего разряда в вихревом потоке для азотирования металлических поверхностей. 114 Заключение. 115 Литература. 119 Приложение. 127

ВВЕДЕНИЕ

Среди широчайшего разнообразия форм и типов газовых разрядов в последнее время все чаще используется разряд типа тлеющего. Разряды этого типа называются объемными, а иногда и диффузными. Эти разряды характеризуются высокой степенью неравновесности, сильным отрывом электронных, а в случае разряда в молекулярных газах, и колебательных температур от газовой. Это позволяет использовать тлеющий разряд для накачки активных сред газовых лазеров [1], для работы плазмохимических реакторов [2], для обработки металлических поверхностей [3]. Во всех этих случаях повышение эффективности и производительности устройств связано с повышением давления или плотности газовой среды, с повышением плотности тока и скорости газового потока. Газовый разряд типа тлеющего, происходящий в плотных газовых потоках, отличается от классического типа, горение которого происходит в небольших трубках в диапазоне малых давлений. Особенности процессов в таких разрядах изучены недостаточно полно. Это касается и проблемы шнуровой неустойчивости, которое заключается в переходе газового разряда из объемно-однородного состояния в пространственно-неоднородное, при котором почти весь ток концентрируется в одном или нескольких каналах - шнурах, замыкающих газоразрядный промежуток. Состояние плазмы в токовых шнурах приближается к равновесному, что делает ее непригодным для использования в этих устройствах. Причем с повышением давления газовой смеси порог шнурования снижается, и для многих способов применения тлеющего разряда шнурование является фактором, ограничивающим удельные энергетические характеристики устройств, использующих газовый разряд. Положение усугубляется еще тем, что с ростом размеров установки, шнурование начинается раньше, и удельные характеристики падают. Шнуровая неустойчивость ограничивает рабочее давление в большинстве практически значимых устройств. Их рабочее давление не превышает (103-г 104) Па, (10-г 100 )Торр, а достигнутые

удельные вклады электрической энергии в разряд, соответственно (10 -г- 50)Вт/см3 [1-3].

Шнурование тлеющего разряда исследовалось во многих экспериментальных и теоретических работах. Большинство теоретических моделей основывается на линейной теории устойчивости дифференциальных уравнений, определяющих порог и инкремент нарастания флуктуационных гармоник в изначально однородной среде. Исследования процессов, происходящих в разряде при критических к шнурованию условиях, показали многочисленность факторов, влияющих на порог шнурования. Это связано с большим числом элементарных процессов: возбуждение нейтральных атомов и молекул, различные типы рекомбинаций и ионизаций, большое количество химических реакций, происходящих с атомами и молекулами, с многочисленным промежуточными продуктами и т.д. Столь большое разнообразие факторов, влияющих на шнурование, очень большая сложность учета множества взаимовлияющих процессов, свидетельствуют о необходимости смены традиционного подхода к описанию процессов в газовом разряде. Само явление относится к числу синергетических переходов, происходящих в термодинамически открытых системах с ростом степени неравновесности. Данное явление почти всегда происходит на фоне стохастических полей, учет влияния которых является отдельной задачей. Выявление общих закономерностей, присущих процессу шнурования в различных газовых смесях, при разных степенях турбулентности и различных поверхностных свойствах электродов является важной и актуальной задачей. В данное время в полной мере эти закономерности не выявлены. Восполнению данного пробела с целью создания газоразрядных устройств с высокими значениями удельных вкладов электрической энергии в тлеющую форму разряда, в том числе лазеров, и посвящена данная диссертация.

Цели работы:

1. Построение физической модели физического разряда в плотных газовых потоках с учетом неоднородного распределения параметров, как в объеме газовой среды, так и на поверхности катода;

2. Решение принципиальной проблемы предотвращения шнуровой неустойчивости тлеющего разряда при повышенных плотностях газовой среды;

3. Разработка рекомендаций для создания газоразрядных устройств нового поколения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе проводится краткий обзор литературы. На основе анализа особенностей тлеющего разряда в газовых потоках при повышенных давлениях показана необходимость выделения этого типа разряда в общей классификации разрядов. Проводится анализ экспериментальной картины контракции и моделей, ее описывающих. Отдельно рассматривается влияние газового потока на разряд. Далее проводится обоснование постановки задачи. Вторая глава посвящается анализу закономерностей образования катодных пятен, с учетом случайного распределения эмиссионных свойств катода. Во второй главе формулируется вариационный принцип, полезный для дальнейшего анализа ряда конкретных случаев. В третьей главе рассматриваются модели тлеющего разряда в плотных газовых потоках: 1) локальная, 2) диффузионная модель с крупномасштабной вихревой неоднородностью, 3) диффузионно-конвективная модель с мезомасштабной вихревой турбулентностью. Четвертая глава содержит описание экспериментальной установки, результатов измерений в двух различных электрофизических режимах, их обсуждение и сравнение с данными расчетов и теоретических оценок. В пятой главе рассматривается работа электроразрядного СОг -лазера с вихревым потоком газа. В этой же главе приводятся оценки для использования вихревого эффекта для комбинированного охлаждения газовой смеси в лазере на моноокиси углерода.

Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗА.

1.1 Основные свойства и классификация разряда.

Классификация разрядов отражает исторически сложившийся представления и связана обычно с развитием практических приложений. На данном этапе выработано достаточно адекватное представление о физических процессах неравновесного тлеющего и дугового разрядов низкого давления, а также термически квазиравновесной дуги высокого давления и электрической искры. Однако в последние десятилетия появились технические применения, требующие создание достаточно однородной неравновесной среды при повышенном давлении: газоразрядные лазеры, плазмохимические генераторы и т.д. Классический тлеющий разряд осуществляют при низких давлениях и при относительно узких трубках, так что произведение давления Р в Торрах и диаметра трубки d в см не превышает Pd ~ 10 (Topp-см ) [4]. При этих условиях электронная температура порядка единиц электронвольт, а газовая не превышает нескольких сотен градусов. Это связано с тем, что электрическое поле увеличивает в основном энергию электронов из-за их высокой подвижности, а прямая диссипация их энергии в тепло за счет столкновений электронов с атомами и молекулами затруднена в силу большой разницы в массах. Электроны с достаточно большой эффективностью передают свою энергию во внутренние степени свободы атомов и молекул. Например, при осуществлении тлеющего разряда в смесях азота и окиси или двуокиси углерода, до 80% электрической энергии может переходить в колебательные степени свободы, так что колебательная температура может быть очень высокой. Удельные характеристики устройств в технических приложениях тлеющего разряда определяются удельными энерговкладами:

w=j-E, (1)

где w - удельный энерговклад, Вт/м3; а j - плотность тока, А/м2 ; и Е - напряженность электрического поля, В/м. Удельные характеристики, как покажем ниже, растут с ростом плотности газа N, 1/м , поэтому потребности практики привели к тому, что, используя ряд ухищрений, удалось осуществить разряд типа тлеющего в газовых смесях при повышенных давлениях, Р = 102 Topp. При этом удалось сохранить практически важный признак тлеющего разряда - неравновесный характер процессов. Например, степень ионизации определяется не принципом детального равновесия, когда прямые и обратные процессы имеют одинаковые скорости, а равновесием частот убыли и прибыли числа носителей тока, причем механизмы прибыли и убыли определяются процессами, не являющимися взаимно обратными. Для классического тлеющего разряда такими процессами являются ионизация прямым электронным ударом и амбиполярная диффузия к стенкам, а для тлеющего разряда в плотных газовых потоках (ТРП) такой однозначный ответ отсутствует [5]. Разработанные к данному времени физические модели положительного столба (ПС) можем разделить на следующие виды : диффузионные, предполагающие обычно однородность ПС вдоль направления тока и наличие поперечного градиента с соответствующим диффузионным потоком, локальные - с отсутствием диффузионных потоков, неоднородные - предполагающие наличие продольного градиента электрических характеристик: электрического поля, концентрации носителей тока, однако почти все модели описывают разряд в однородном газе. Существенное усложнение уравнений баланса является одним из следствий повышенной плотности газа. Вообще говоря, в данном случае важна не столько плотность газа, а малая скорость диффузионных процессов, определяемая временем диффузии! = b2 /d, где ъ±- характерный поперечный размер области разряда, а D - коэффициент диффузии, так что разряд в узких трубках, осуществляемый при давлениях Ps 102 Topp, не относится к ТРП. Отсутствие поперечных диффузионных потоков приводит к отличию продольного профиля распределения заряженных частиц в ТРП от распределения в тлеющем разряде низкого давления. Это

связано с тем, что в балансе заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов) отсутствует диффузионный уход к стенкам, и вклад дрейфовых потоков становится существенным.

Рассмотрим еще одну особенность ТРП -следствие повышенной плотности газа. Если воспользоваться плотностью N как параметром подобия: (ne/N) = inv, (E/N) = inv, то объемная плотность мощности разряда:

w = j-E = e-ne-jj.e-E-E = e-(ne/N)-N-(E/N)2 -N2 -(ц0 -N0/N) ,

w = const • N

где е,це,пе- заряд, подвижность и концентрация электронов, соответственно.

Здесь мы учли, что степень ионизации (ne/N) и приведенная напряженность поля (E/N) - приблизительные инварианты, а также учли обратную зависимость подвижности от плотности N: це = ц0 • N0 /N =const/N.

Чтобы сохранялась термодинамическая неравновесность необходимо ограничить поступательную температуру газа, поэтому теплоотвод должен равняться подводимой мощности. Если тлеющий разряд низкого давления в относительно узких трубках может осуществляться в покоящемся газе неограниченно долго, то время пребывания газа в зоне ТРП должно ограничиваться. Это связано с тем, что повышение плотности газа в к раз позволяет поднять энерговклад в к2 раз, а молекулярная теплопроводность падает в к раз. Вышесказанное позволяет выделить этот вид разряда в отдельный тип, отличающийся качественно от тлеющегося разряда низкого давления.

1.2. Условия на параметры тлеющего разряда, накладываемые требованиями в различных технических применениях

Использование тлеющего разряда для накачки активных сред газовых лазеров требует создания однородного разряда в достаточно протяженной области.

Рассмотрим каким образом возникает это условие. Полный КПД лазера можно представить в виде:

Л = Л Яи ' ЛсксЬ ' Лгев ' Лех! > (3)

гдет^, т^^, т|ге5, т|ех1 - квантовый КПД, КПД - перевода электрической энергии

во внутренние степени свободы, КПД резонатора, КПД системы обеспечения разряда, соответственно. Квантовый КПД для определенного лазерного перехода -величина постоянная. КПД перехода электрической энергии во внутренние степени свободы определяется составом газовой смеси и зависит от параметра (ЕЛЧ). В СО и СОг -лазерных смесях эта величина может достигать 80-90%. КПД резонатора т]ге5 зависит от особенностей конструкции конкретного резонатора, однако его можно оценить как

Л^-кщгАо (4)

где к й1г - пороговый коэффициент усиления, ко - ненасыщенный коэффициент усиления. Так как

1 . ( 1

кА =--1п

1111 2 Ьа и-Т-А)

(5)

где Ьа -длина активной среды в направлении луча, Т, А -коэффициенты пропускания и поглощения зеркал резонатора, то для увеличения КПД резонатора необходимо увеличить усиление к 0 -Ьа. Максимальные КПД резонаторов различных видов, достигаемые при оптимальном пропускании имеют множитель

(^т/К-чТ- да

Увеличение усиления к0 Ъа может быть достигнуто как за счет удлинения пути прохождения луча в активной среде, так и за счет увеличения коэффициента усиления ко . Увеличение Ьа не очень приемлемый способ увеличения мощности: растут габариты установок, использование же системы поворотных зеркал приводит к усложнению юстировки резонатора и дополнительным потерям в зеркалах. Так как коэффициент усиления определяется удельным энерговкладом, то увеличение

плотности газовой среды при фиксированной длине активной среды, например при Ьа~1м, позволит поднять мощность и КПД установок. Причем использование более плотной газовой среды позволяет применить элементы газовой системы (насосы, теплообменники и т.д.) с меньшими габаритами и с большим КПД.

Ограничение температуры газа сверху особенно важно при использовании тлеющего разряда для накачки активных сред лазеров (Ттах = 600К для СО2 -лазеров и Ттах=100К для СО-лазеров [6]). Объемная плотность мощности w, допустимый нагрев А Ттах и скорость протока V связаны следующим соотношением:

c-ATmax=wlM/p-V, (7)

гдер и с - плотность и удельная теплоемкость газа, а 1ц- размер газоразрядной

области вдоль потока. Плотность газового потока V определяет режим протекания через газоразрядную камеру ( ГРК ), так как число Рейнольдса:

Re = р • V • 1 ± / г|, (8)

где 1 ± - характерный размер поперечного сечения канала, по которому протекает газовый поток, �