Моделирование динамики заряженных пылевых частиц в электродинамических ловушках при атмосферном давлении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛАПИЦКИЙ Дмитрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЛОВУШКАХ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

Москва-2013

005539445

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждения науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук г.н.с., ОИВТ РАН Филинов В. С.

доктор физико-математических наук в.н.с., ОИВТ РАН Дьячков Л.Г.;

доктор физико-математических наук профессор, Санкт-Петербургский государственный университет Карасев В.Ю.

Национальный исследовательский университет Московский Энергетический Институт.

Защита состоится «// » 2013 г. в мин, на заседании

Диссертационного совета Д-002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, Ижорская ул. 13, стр. 2, актовый зал (экспозал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан « /X » 2013 г.

О Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пылевая плазма является системой, состоящей из свободных электронов и ионов, нейтральных молекул и микроскопических пылевых частиц размером 1—100 /ш. Пылевая плазма широко распространена в космосе: в планетарных кольцах, хвостах комет, межзвездных облаках.

Системы заряженных пылевых частиц являются одним из чрезвычайно интересных объектов. Благодаря большому заряду пылевых частиц (102-105 электрона) потенциальная энергия взаимодействия между ними может намного превосходить их среднюю кинетическую энергию, что означает возникновение в плазме сильно неидеальной пылевой компоненты. Сильное взаимодействие частиц часто приводит к фазовым переходам типа «газ - жидкость или жидкость - твердое тело» и возникновению пространственно-упорядоченных жидкостных или кристаллических пылевых структур. Образование упорядоченных структур существенно влияет на физические свойства и поведение ансамбля частиц, а также возможности практического применения устройств, использующих пылевую плазму.

Эксперименты по удержанию ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием показали возможность формирования стабильных пылевых структур при низких давлениях. Попытки получения структур из заряженных пылевых частиц при атмосферном давлении сталкиваются с необходимостью учета трения заряженных пылевых частиц о воздух и, соответственно, необходимостью подбирать параметры ловушки из-за иной области устойчивости, отличной от таковой для случая сильноразреженной среды, где область устойчивости определена аналитически. Во всех ранее выполненных исследованиях не исследовали условия образования упорядоченных структур из заряженных пылевых частиц при высоких давлениях газовой среды, поэтому свойства пылевых ансамблей не исследовались.

Пылевая плазма часто присутствует во многих энергетических устройствах. Например, в разработках мощных энергетических лазеров, использующих прямое преобразование энергии деления ядер в энергию оптического излучения, весьма перспективной является объемная накачка с помощью заряженных частиц делящегося материала в виде свободно левитирующих пылинок в специально разработанных ловушках. Подобрав должным образом размеры пылинок и условия возбуждения, можно существенно увеличить энерговклад осколков деления в активную среду

газового лазера высокого давления и таким образом увеличить КПД реакторно-лазерной системы.

Не менее актуальной проблемой в условиях ухудшения экологической обстановки является возрастающие требования к фильтрации отработанного воздуха в устройствах ядерной энергетики, машиностроении, химической промышленности и других производствах, что предъявляет новые требования к разработке новых принципов и методов фильтрации от выбросов пыли и аэрозолей в атмосферу. Возможное решение этой проблемы может быть связано с разработкой новых принципов фильтрации, использующих электродинамические ловушки. Однако оптимизация работы таких воздушных фильтров невозможна без математического моделирования процессов улавливания и удержания пылевых частиц.

В данной диссертационной работе проводится разработка методов математического моделирования ловушек нового типа, основанных на принципах динамического удержания ансамбля заряженных пылевых частиц в газовых средах высокого давления. Продемонстрирована возможность селективной фильтрации в заданном диапазоне размеров пылевых частиц.

В частности, работа направлена на повышение эффективности фильтров в диапазоне размеров пылевых частиц 0.1-1.0 (ш, которые плохо поддаются удалению традиционными методами. Возможность перестройки динамических параметров электродинамических ловушек позволит улавливать частицы заданных размеров, что является существенным преимуществом перед существующими электростатическими фильтрами.

Учет сильного кулоновского взаимодействия, вязкости газовой среды сильно усложняют анализ физических принципов удержания ансамбля пылевых частиц в электродинамических ловушках и повышает необходимость и ценность математического моделирования.

Цель диссертационной работы.

• Теоретические исследования возможности захвата и удержания ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках при атмосферном давлении, а также возможности селективного удаления заряженных пылевых частиц из газового потока при высоких давлениях газовой среды.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• впервые проведено математическое моделирование поведения ансамбля пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в переменных электрических полях.

• определены области параметров, необходимых для удержания ансамбля пылевых частиц в неподвижных газовых средах высокого давления и

в газовых потоках в различных типах электродинамических ловушек. В частности, определены необходимые заряды пылевых частиц, вязкость газовых сред, частоты и величины напряженности электрического поля.

• показана возможность селективного бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков с помощью электродинамических ловушек.

• установлено, что в газовых потоках со скоростями, представляющих практический интерес, заряд частиц, приобретенный в коронном разряде, достигает величины, необходимой для их захвата и удержания

в электродинамических ловушках.

Научная и практическая ценность. На данный момент электродинамические ловушки, работающие в вакууме, применяются в масс-спектроскопии, а также для удержания частиц в особых условиях сильноразреженной среды или невесомости. В диссертационной работе исследуется возможность удержание пылевых заряженных частиц и создание пылевых структур в воздухе и плотных газовых средах при нормальных условиях. Полученные результаты указывают на возможность удержания ансамбля частиц в ограниченной области внутри ловушки на длительный срок. Определены параметры пылевых частиц и динамические параметры ловушек, необходимые для удержания пылевых структур в покоящихся газовых средах. Продемонстрирована эффективность электродинамической ловушки в захвате микроскопических заряженных частиц из газового потока и определены необходимые для этого значения параметров частиц и динамических ловушек. Продемонстрировано, что величина заряда, приобретаемая пылевыми частицами в коронном разряде, достаточна для их захвата и удержания в газовых потоках.

Полученные в работе данные могут быть использованы для создания селективных фильтров, настроенных на определенный размер частиц (0.1-1/ли), которые плохо удаляются традиционными методами, для ядерно-оптического преобразования энергии (лазеры с ядерной накачкой), а также при создании новых источников электрической энергии, основанных на прямом преобразовании ядерной энергии (фотовольтаическая батарея).

Достоверность полученных результатов

• предложенная модель расчета движение заряженных пылевых частиц в переменных электрических полях описывается Броуновской динамикой, которая была ранее использована. Схема численного метода решения системы уравнений Ланжевена (1) представлена в работе [1].

• проведено успешное сравнение результатов моделирования областей устойчивости движения частицы в вакууме с результатами аналитического решения [2].

• проведено успешное сравнение результатов моделирования поведения одиночной броуновской части ы в одномерном пространстве с результатами аналитического решения [3].

• Результаты эксперимента и моделирования по удержанию заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля согласуются по следующим критериям: параметры электродинамической ловушки и удерживаемых частиц в эксперименте и при моделировании совпадали и находились в узкой области физических параметров удержания частиц; в эксперименте и при моделировании получено стабильное облако частиц; средние межчастичные расстояния в эксперименте 0,9 мм и моделировании 1,2 мм неплохо совпадают.

Научные положения, выносимые на защиту

• Математическое моделирование Броуновской динамики ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в электродинамических полях.

• Результаты расчета параметров коронных разрядов, необходимые для зарядки частиц и для последующего их удержания в электродинамических ловушках.

• Области физических параметров, необходимые для удержания заряженных пылевых частиц электродинамическими ловушками (частота и величина электрического поля, размеры частиц, их плотности и заряды) в покоящихся газовых средах высокого и низкого давлений и в газовых потоках.

• Показана возможность создания устойчивых пылевых структур с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках и найдены значения максимального количества удерживаемых частиц.

• Области физических параметров необходимые для бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков.

Апробация результатов работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научном семинаре ОИВТ РАН (Москва) (2011); Международной конференции «Уравнения состояния вещества». Эльбрус (2010); Международной конференции «Физика экстремальных состояний вещества» (Эльбрус 2011 г.); XXVIII International conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, Elbrus (2013); 9-й Курчатовской молодёжной научной школе (2011); юбилейной конференции ОИВТ РАН (2010); Международной конференции «Физика плазмы и плазменных технологий - 7» (2012); Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы" (2011); 38 Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Звенигород (2011 г.); 39 Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород (2012); Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП -2011 (2011); Физика низкотемпературной плазмы - 2011. Петрозаводск (2011); 14th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas. Rostock (2012); 4th International Conference Dusty Plasma in Applications. Odessa, Ukraine (2012); 13th workshop on the physics of dusty plasma, Baylor University (2012); IX Курчатовская молодежная научная школа, Москва (2011); Strongly Coupled Coulomb Systems. Budapest (2011).

Публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК (список публикаций приведен в конце автореферата).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 98 страницах, включая 51 рисунок. Список литературы состоит из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность работы, поставлены цели, отображена научная новизна и сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена обзору литературы по теме диссертации. Рассматриваются история изучения пылевой плазмы, методы и физические процессы, приводящие к захвату заряженных пылевых частиц электродинамическими ловушками, а также условия формирования пылевых кулоновских структур. В главе рассмотрены основные этапы изучения пылевой

плазмы и приведен обзор литературы по изучению пылевых структур заряженных пылевых частиц в различных типах плазмы, а также по удержанию микрочастиц в электродинамических ловушках.

Обсуждаются принципы и возможные технические решения работы электродинамических ловушек. Представлены три основные вида ловушек, применяющихся для захвата заряженных пылевых частиц: ионная ловушка Пауля, линейная ловушка Пауля, ловушка Пеннинга. Описывается устройство каждого типа ловушки и обсуждается основные принципы ее работы.

Обсуждаются различные способы зарядки частиц для получения максимального заряда на пылевых частицах. Главное внимание уделено зарядке частиц коронным разрядом. Дан обзор литературы по коронному разряду и сформулированы основные модели, применяемые для расчета параметров коронного разряда.

В конце главы сформулированы выводы.

Вторая глава посвящена исследованию зарядки пылевых частиц в коронном разряде.

В разделе 2.1 рассмотрена модель расчета параметров стационарного коронного разряда, учитывающая наиболее важные физические процессы и основные компоненты плазмы: молекулярные ионы, частицы пыли, трехчастичную рекомбинацую и т. д. Найдены ВАХ коронного разряда и распределения напряженности поля, концентраций ионов и электронов в зависимости от расстояния до коронирующего электрода в случае цилиндрической геометрии.

В разделе 2.2 основываясь на результатах, полученных в разделе 2.1, изучена динамика зарядки частиц в неоднородном поле коронного разряда в вязкой газовой среде. Максимальное значение заряда, которое приобретает частица с радиусом гр =1 им в поле коронного разряда с напряженностью поля у коронирующего электрода Е = 6,1 kB/см, составило Q,, = 750 е, а для частицы радиусом гр = 5 им величина заряда достигает Qp = 11000 е.

В разделе 2.3 проведено сравнение динамики зарядки пылевых частиц в неоднородном электрическом поле коронного разряда и в однородном электрическом поле. Величина приобретаемого заряда в однородном электрическом поле оказывается на 4 - 10% больше, чем величина заряда, приобретаемого частицей в неоднородном поле.

В разделе 2.4 сформулированы выводы к главе 2.

В третьей главе исследуются динамика и области удержания заряженных пылевых частиц в ионной и линейной ловушках Пауля при высоких давлениях газовой среды.

В разделе 3.1 предложена модель расчета поведения заряженных пылевых частиц в переменных электрических полях при высоких давлениях газовой среды. Эволюция подсистемы пылевых частиц описывается системой динамических уравнений Ланжевена:

= р,Вг + (о

где тр - масса частицы, / = /.....Л',, Л/,,- число пылевых частиц, гр - радиус

пылевой частицы,;/ = 17,2 рПа,с - динамическая вязкость, /•; (/,;-,) =-V, ¿7 - сила, обусловленная внешними электрическими полями, которые компенсируют силу тяжести (в результате чего пылинки левитируют), к* = .ХЪщг^к^гЩ)-стохастические дельта коррелированные силы, описывающие столкновения пылевых и плазменных частиц (< /?<7)>= О, <Щ)Щ )>=д(/-/')), - вес пылинки, = - силы, действующие на пылинку со стороны других

пылевых частиц, и - потенциальная энергия взаимодействия пылинок между собой. Схема численного расчета уравнения (1) представлена в работе [1].

В качестве теста проведено сравнение результатов моделирования поведения одиночной броуновской частицы в гармоническом потенциале с результатами аналитического решения [3]. Сделаны выводы о возможности дальнейшего использовании метода для исследования захвата и удержания ансамбля заряженных пылевых частиц в электродинамических ловушках.

В разделе 3.2 определены области удержания заряженных пылевых частиц в ионной ловушке Пауля в газовых средах в широком диапазоне физических параметров, таких как заряд пылевых частиц, их размер; частота и величина электрического поля (рис. 1), давление и динамическая вязкость газовой среды. Рассматривается динамика пылевых структур в ловушке Пауля. Обнаружены стоячие волны плотности пылевых частиц в облаке.

В разделе 3.3 описана схема расчета поля электродов линейной ловушки Пауля. Определены области захвата одиночной и ансамбля заряженных частиц в широком диапазоне параметров: заряд пылевых частиц, их размер; частота и величина электрического поля; давление и динамическая вязкость газовой среды (рис.2). Изучена динамика структур из частиц с различным отношением линейной ловушке Пауля. Исследована зависимость максимального количества удерживаемых частиц в ловушке от отношения QI/mp и частоты подаваемого переменного напряжения, которая представлена на рис.3.

—и-*=25Гц,и=1кВ —Р=25Гц,и=10кВ с-Г=100Гц,и=1кВ • - (=100Гц,и=ЮкВ ^=400Гц.и=1кВ Г=400Гц.11=10кВ

плотность частицы Рр= 1.9.10-'кг/м) размер частицы 1

динамическая вязкость т]= 17 цПа-с

200 400 600 О/т [10"'' е/кг] В)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Та!

Г)

Рис. 1. Области удержания заряженных пылевых частиц в ионной ловушке 11ауля

в газовых средах:

а - нижние границы областей удержания заряженных пылевых частиц в ловушке для разных частот подаваемого переменного напряжения; б - нижние границы удержания пылевых частиц при разных частотах и амплитудах переменного напряжения; в — области удержания на плоскости <2/тр - /, находящиеся между соответствующими различным значениям динамической вязкости линиями, г - область захвата частиц на плоскости 1/ш -которая находится между линиями

Проведено сравнение результатов эксперимента и моделирования по удержания заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля. В эксперименте частицы оксида алюминия А1203 (рр = 0.38.10 кг/м ) радиусом гр= 10-15 цт удерживались в линейной ловушке Пауля, на электроды которой подавалось напряжение V,/т(оЯ), И01 = 4.4 кВ. Заряд частиц составлял <2,, = 105-5Л05 е. На рис.4 слева продемонстрирован срез облака частиц лазерным ножом толщиной 2 мм, полученный в эксперименте.

Результаты моделирования представлены на на рис.4 справа. Как и в эксперименте выбран срез облака частиц толщиной 2 мм. Выбранные параметры при моделировании: гр= №цт,рр= 0,38*104 кг/м3, б,, = 4.5*10Э е.

60 90

а/т[1015»кг)

В)

100

200 300 ЧГц] Г)

400

500

Рис. 2. Области удержания заряженных частиц в линейной ловушке Пауля: а — нижние границы областей удержания заряжештых пылевых частиц в ловушке: о — нижние границы удержания пылевых частиц при разном переменном напряжении на электродах; в — области удержания на плоскости (Ц/Утр-/, находящиеся между соответствующими линиями; г — область захвата частиц на плоскости ит —/ находящаяся

между линиями

Результаты моделирования согласуются с результатами эксперимента по следующим критериям:

• параметры электродинамической ловушки и удерживаемых частиц

в эксперименте и при моделировании совпадали и находились в узкой области удержания частиц;

• в эксперименте и моделировании получено стабильное облако частиц;

• средние межчастичные расстояния в эксперименте (0,9 мм) и моделировании (1,2 мм) неплохо совпадают.

Проведен анализ возможности использования линейной ловушки Пауля совместно с коронным разрядом для зарядки и поддержания заряда пылевых частиц во внутреннем объеме ловушки. Продемонстрирована невозможность такого совместного использования коронирующего электрода с линейной ловушкой Пауля.

В разделе 3.4 приведены выводы к главе 3.

210 180 150 120 90 60 30 0

! / / < / I / . 1 I ' Ч = 30 Гц * = 50 Гц ■ < - Т = 80 Гц ---Г =110 Гц ■ Т = 150 Гц --А--1 = 200 Гц '

- Т ! 7

N : ' К!1 ... ' . , , 1 , , 1 'л .....

0

10 20 30 40 50 О/т (10 е/кг)

60 1С

Рис. 3. Максимальное количество частиц, которое может удержать ловушка в зависимости от частоты подаваемого переменного напряжения и отношения 0//тр

для частиц.

Пики кривых соответствуют максимуму частиц. На левой и правой границах ловушка способна уловить лишь I частицу. Параметры ловушки: длина ловушки: /= 30-200 Гц, 0ет1 = 900 В, иш = 4.4 кВ. 11ылевь1е частицы: рр = 0.38-104 кг/м3, гр=9/ш, Ор = 40000-730000 е

эксперимент моделирование

0.002

-0.004

-0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0,03 Х[м]

Рис. 4. Слой захваченного облака пылевых частиц шириной 2 мм (вид сбоку). Параметры эксперимента: Ор (эксперимент) = 5-5»Ю3 е, О,, (моделирование) = 4.5*Ю:' е, /= 50 Гц, иш = 4.4 кВ, гУ™, = 900 В,р„= 0,38.104 кг/мЗ, гр= I0 рт. Т= 300 К, г]= 17 рПа-с — динамическая вязкость

В четвертой главе исследуется возможность применения линейной ловушки Пауля для захвата частиц из газового потока.

В разделе 4.1 предложена модернизированная электродинамическая ловушка (МЛ), использующая комбинации электродинамических и электростатических полей, необходимых для компенсации силы Стокса, и, как следствие, захвата и удержания заряженных пылевых частиц в газовом потоке бесконтактным способом.

В разделе 4.2 определены области захвата заряженных пылевых частиц из газового потока с помощью МЛ в широком диапазоне физических параметров.

В качестве примера на рис. 5 представлены заряд пылевой частицы и величины подаваемых на электроды ловушки напряжений.

Рис. 5. Области захвата пылевых частиц находятся над соответствующими кривыми.

Параметры эксперимента: О,, = 50-1200 е, гр = 0.1 /хм, рр = 15 г/см3, динамическая вязкость ¡1 =17 цПа-с, Т= 300 К. Параметры ловушки: [— 60 Гц, длина проволочек /./, = 20 см, диаметр цилиндра й = 25 см. Ь„, = 2 см. Скорость потока у/Лж,= 0.1 м/с

В разделе 4.3 предложен бесконтактный метод удаления заряженных

пылевых частиц из газового потока.

В разделе 4.4 даются выводы к главе 4.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

• Предложена математическая модель, описывающая физические процессы и поведение заряженных пылевых частиц в газовых средах высокого давления.

• Предложен метод расчета поведения предварительно заряженных коронным разрядом пылевых частиц в газовых средах и переменных электрических полях.

• Разработана программа расчета динамики заряженных пылевых частиц в газовых средах и проведено успешное тестирование корректности получаемых результатов.

• Определены области удержания ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках различного типа в широком диапазоне физических параметров (заряд пылевых частиц, их размер; частота и величина электрического поля; давление и динамическая вязкость газовой среды) в неподвижных газовых средах высокого давления.

• Предложена схема модернизированной электродинамической ловушки для захвата, удержания заряженных пылевых частиц из газового потока.

• Определены области захвата и удержания частиц в газовом потоке в широком диапазоне параметров (заряд пылевых частиц, их размер; частота и величина электрического поля).

• Предложен способ бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков.

• Установлено, что в газовых потоках, представляющих практический интерес, заряд частиц в коронном разряде достигает величины, необходимой для их захвата и удержания в электродинамических ловушках.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Skeel R.D. Integration scheme for molecular dynamics and related applications // In M. Ainsworth, J. Levesley and M. Marietta editors. The Graduate Student's Guide to Numerical Analysis. Springer-Verlag. 1999.

P. 119-176.

2. Пауль. В. Н Электромагнитные ловушки для заряженных и нейтральных частиц. УФН,-1990. Т. 160. Вып. 12.

3. Chandresekhar S. // Reviews of Morden Physics (Stochastic Problem in Physics and Astronomy). January 1943. V.I5. N.l. P.89.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Filinov V.S., Lapitsky D.S., Deputatova L.V., Vasilyak L.M., Vladimirov V. I., Sinkevich O.A. Dynamic Dust Particle Confinement in Corona Discharge Plasma// Contrib. Plasma Phys. 2012. V.52. N.l. P.66-69.

2. Filinov V.S., Lapitsky D.S., Deputatova L. V, Vasilyak L.M., Vladimirov V. I., Pecherkin V. Ya. Dust Particles Behavior in an Electrodynamic Trap // Contrib. Plasma Phys. 2013. V.53. N.4-5. P.450-456.

3. Vasilyak L.M., Vladimirov V.I., Deputatova L.V., Lapitsky D.S., Molotkov V.I., Pecherkin V. Ya., Filinov V.S.and Fortov V.E. Coulomb stable structures of charged dust particles in a dynamical trap at atmospheric pressure in air // New Journal of Physics. 2013. V.l 5. P.43-47.

4. Депутатова JI.B., Лапицкий Д.С., Филинов B.C., Василяк Л.М., Владимиров В.И., Печеркин В.Я. Динамическое удержание пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме // Физика низкотемпературной плазмы - 2011. Сборник научных трудов. Петрозаводск: ПетрГУ, 2011. Т.2. С. 16-18.

5. Василяк Л.М., Владимиров В.И., Депутатова Л.В., Латщкий Д.С., Наумкин В.Н., Филинов B.C. Динамическое удержание пылевых частиц в ядерно-возбуждаемой плазме // Юбилейная научная конференция,

посвященная 50-летию ОИВТ РАН. Сборник тезисов докладов. М., 2011. С. 417-420.

6. Filinov V.S., Lapitskiy D.S. Dust particle confinement with electrodynamic trap // PPPT-7. Сборник научных трудов. Minsk, Belarus, September 17-21, 2012. P.832—835.

7. Lapitskiy D.S. Dust particle dynamics in different types of electric traps // XXVI International conference "Interaction of intense energy fluxes with matter". Сборник научных трудов. Elbrus, March 1-6, 2011. P. 163-166.

8. Lapitskiy D.S. Dynamic dust particle confinement in gas flow // XXVII International Conference on Equations of State for Matter. Сборник научных трудов. Elbrus, March 1-6, 2012. P.149.

9. Латщкий Д.С. Взаимодействие пылевых частиц в электродинамических ловушках // XXXIX международная (звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Тезисы докладов. Звенигород, 6-10 февраля, 2012. С. 212.

10. Depntatova L.V., Filinov V.S., Lapitsky D.S., Vladimirov V.J., Vasilyak L.M., Pecherkin V.Ya. Electrodynamic confinement of dust particle at atmospheric conditions // 14th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas. Rostock, September 9-14, 2012. P.l 14.

ЛАПИЦКИЙ Дмитрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЛОВУШКАХ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Автореферат

Подписано в печать 15.10.2013 Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч. - изд.л. 1.0 Усл.-печ.л. 0,93

Тираж 100 экз._Заказ № 285_Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13/19

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

На правах рукописи

04201450420

Лапицкий Дмитрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЛОВУШКАХ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ 01.04.08 - физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., г.н.с. Филинов В.С.

Москва-2013

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................11

1.1 Пылевая плазма.........................................................................................11

1.2 Пылевые структуры заряженных микрочастиц в пылевой плазме......13

1.3 Электродинамические ловушки заряженных пылевых частиц............17

1.4 Линейная ловушка Пауля.........................................................................19

1.4.1 Зоны устойчивости.....................................................................20

1.5 Ионная ловушка Пауля.............................................................................21

1.6 Ловушка Пеннинга....................................................................................23

1.7 Зарядка частиц в коронном разряде........................................................24

1.8 Коронный разряд.......................................................................................25

1.9 Выводы.......................................................................................................27

Глава 2. КОРОННЫЙ РАЗРЯД..............................................................................29

2.1 Модель стационарного коронного разряда............................................29

2.1.1 Уравнения состояния коронного разряда.................................29

2.1.2 Распределение концентраций заряженных частиц от коронирующего электрода, В АХ коронного разряда.....................................33

2.2 Динамика частицы в неоднородном поле коронного разряда.............38

2.3 Сравнение эволюции зарядки частиц в однородном и неоднородном электрических полях.................................................................................................42

2.4 Выводы.......................................................................................................46

Глава 3. ДИНАМИКА ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЛОВУШКАХ........................................................47

3.1 Модель расчета поведения частиц в электродинамических ловушках.....................................................................................................................47

3.1.1 Метод расчета............................................................................47

3.1.2 Тестовые расчеты.......................................................................48

2

3.2 Моделирование ионной ловушки Пауля в вязкой газовой среде........53

3.2.1 Схема ионной ловушки Пауля.....................................................53

3.2.2 Области удержания заряженных пылевых частиц.................54

3.2.3 Динамика структур в ионной ловушке Пауля...........................58

3.3 Динамика заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля. 60

3.3.1 Схема расчета..............................................................................60

3.3.2 Область удержания заряженных пылевых частиц.................63

3.3.3 Динамика структур.....................................................................69

3.3.4 Количество частиц, удерживаемых в ловушке........................70

3.3.5 Сравнение результатов моделирования и эксперимента по удержанию заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля........73

3.3.6 Недостатки применения линейной ловушки Пауля совместно с коронирующим электродом.............................................................................78

3.4 Выводы.......................................................................................................79

Глава 4. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛОВУШКИ ПАУЛЯ ДЛЯ ЗАХВАТА ЧАСТИЦ ИЗ ГАЗОВОГО ПОТОКА...................................................82

4.1 Схема модернизированной ловушки......................................................82

4.2 Параметры удержания частиц в газовом потоке...................................86

4.3 Метод бесконтактного удаления частиц из газового потока................87

4.4 Выводы.......................................................................................................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................90

ЛИТЕРАТУРА .........................................................................................................91

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Пылевая плазма является системой, состоящей из свободных электронов, ионов, нейтральных молекул и микроскопических пылевых частиц размером 1-100 мкм. Пылевая плазма широко распространена в космосе: в планетарных кольцах, хвостах комет и межзвездных облаках.

Системы заряженных пылевых частиц являются одним из чрезвычайно интересных объектов. Благодаря большому заряду пылевых частиц

(10-10"

электрона) потенциальная энергия взаимодействия между пылевыми частицами может намного превосходить их среднюю кинетическую энергию, что означает возникновение в плазме сильно неидеальной пылевой компоненты. Сильное взаимодействие частиц часто приводит к фазовым переходам типа «газ -жидкость или жидкость - твердое тело» и возникновению пространственно-упорядоченных жидкостных или кристаллических пылевых структур. Образование упорядоченных структур существенно влияет на физические свойства и поведение ансамбля частиц, а также возможности практического применения устройств, использующих пылевую плазму.

Эксперименты по удержанию ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием показали возможность формирования стабильных пылевых структур при низких давлениях. Попытки получения структур из заряженных пылевых частиц при атмосферном давлении сталкиваются с необходимостью учета трения заряженных пылевых частиц о воздух и, соответственно, необходимостью подбирать параметры ловушки из-за иной области устойчивости, отличной от таковой для случая сильноразреженной среды, где область устойчивости определена аналитически. Во всех ранее выполненных исследованиях не исследовали условия образования упорядоченных структур из заряженных пылевых частиц при

высоких давлениях газовой среды, поэтому свойства пылевых ансамблей не исследовались.

Пылевая плазма часто присутствует во многих энергетических устройствах. Например, в разработках мощных энергетических лазеров, использующих прямое преобразование энергии деления ядер в энергию оптического излучения, весьма перспективной является объемная накачка с помощью заряженных частиц делящегося материала в виде свободно левитирующих пылинок в специально разработанных ловушках. Подобрав должным образом размеры пылинок и условия возбуждения, можно существенно увеличить энерговклад осколков деления в активную среду газового лазера высокого давления и таким образом увеличить КПД реакторно-лазерной системы.

Не менее актуальной проблемой в условиях ухудшения экологической обстановки является возрастающие требования к фильтрации отработанного воздуха в устройствах ядерной энергетики, машиностроении, химической промышленности и других производствах, что предъявляет новые требования к разработке новых принципов и методов фильтрации от выбросов пыли и аэрозолей в атмосферу. Возможное решение этой проблемы может быть связано с разработкой новых принципов фильтрации, использующих электродинамические ловушки. Однако оптимизация работы таких воздушных фильтров невозможна без математического моделирования процессов улавливания и удержания пылевых частиц.

В данной диссертационной работе проводится разработка методов математического моделирования ловушек нового типа, основанных на принципах динамического удержания ансамбля заряженных пылевых частиц в газовых средах высокого давления. Продемонстрирована возможность селективной фильтрации в заданном диапазоне размеров пылевых частиц.

В частности, работа направлена на повышение эффективности фильтров в

диапазоне размеров пылевых частиц 0.1-1.0 мкм, которые недостаточно

эффективно удаляются традиционными методами. Возможность перестройки

5

динамических параметров электродинамических ловушек позволит улавливать частицы заданных размеров, что является существенным преимуществом перед существующими электростатическими фильтрами.

Учет сильного кулоновского взаимодействия, вязкости газовой среды сильно усложняют анализ физических принципов удержания ансамбля пылевых частиц в электродинамических ловушках и повышает необходимость и ценность математического моделирования.

Цель диссертационной работы

• Теоретические исследования возможности захвата и удержания ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках при атмосферном давлении, а также возможности селективного удаления заряженных пылевых частиц из газового потока при высоких давлениях газовой среды.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• впервые проведено математическое моделирование поведения ансамбля пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в переменных электрических полях;

• определены области параметров, необходимые для удержания ансамбля пылевых частиц в неподвижных газовых средах высокого давления и

в газовых потоках в различных типах электродинамических ловушек. В частности, определены необходимые заряды пылевых частиц, вязкость газовых сред, частоты и величины напряженности электрического поля;

• показана возможность селективного бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков с помощью электродинамических ловушек;

• установлено, что в газовых потоках со скоростями, представляющими практический интерес, заряд частиц, приобретенный в коронном разряде, достигает величины, необходимой для их захвата и удержания в электродинамических ловушках.

Научная и практическая ценность

На данный момент электродинамические ловушки, работающие в вакууме, применяются в масс-спектроскопии [1], а также для удержания частиц в особых условиях сильноразреженной среды или невесомости. В диссертационной работе исследуется возможность удержания пылевых заряженных частиц и создания пылевых структур в воздухе и плотных газовых средах при нормальных условиях. Полученные результаты указывают на возможность удержания ансамбля частиц в ограниченной области внутри ловушки на длительный срок. Определены параметры пылевых частиц и динамические параметры ловушек, необходимые для удержания пылевых структур в покоящихся газовых средах. Продемонстрирована эффективность электродинамической ловушки в захвате микроскопических заряженных частиц из газового потока и определены необходимые для этого значения параметров частиц и динамических ловушек. Продемонстрировано, что величина заряда,-приобретаемая пылевыми частицами в коронном разряде, достаточна для их захвата и удержания в газовых потоках.

Полученные в работе данные могут быть использованы для создания селективных фильтров, настроенных на определенный размер частиц (0.1-1 мкм), которые удаляются традиционными методами недостаточно эффективно, для ядерно-оптического преобразования энергии (лазеры с ядерной накачкой), а также при создании новых источников электрической энергии, основанных на прямом преобразовании ядерной энергии (фотовольтаическая батарея).

Достоверность полученных результатов

предложенная физическая модель движения частиц описывается броуновской динамикой, в которой учитываются случайные столкновениям пылинок с нейтральными и ионизованными частицами газовой среды, силы взаимодействия с внешними электродинамическими полями, силы взаимодействия пылинок между собой, сила гравитации, а также вязкость газовой среды;

эволюция подсистемы пылевых частиц в этой модели описывается системой динамических уравнений Ланжевена, для решения которой использовался известный в литературе численный метод [2]; метод решения проверен путем сравнения результатов моделирования движения одиночной броуновской частицы в гармоническом потенциале с известным аналитическим решением [3];

проведено успешное сравнение результатов численного моделирования областей устойчивости частицы в линейной ловушке Пауля с результатами аналитического решения соответствующих уравнений Матье [4]; результаты эксперимента и моделирования по удержанию ансамбля сильно взаимодействующих заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля согласуются по следующим критериям: 1) в эксперименте и при моделировании получено стабильное облако частиц; 2) параметры электродинамической ловушки и удерживаемых частиц находились в узкой области физических параметров, необходимых для их удержания; 3) средние межчастичные расстояния в эксперименте 0,9 мм и при моделировании 1,2 мм неплохо совпадают.

Научные положения, выносимые на защиту Математическое моделирование броуновской динамики ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в электродинамических полях.

• Результаты расчета параметров коронных разрядов, необходимые для зарядки частиц и для последующего их удержания электродинамическими ловушками.

• Области физических параметров, необходимые для удержания заряженных пылевых частиц электродинамическими ловушками (частота и величина электрического поля, размеры частиц, их плотности и заряды) в покоящихся газовых средах высокого и низкого давлений и в газовых потоках.

• Показана возможность создания устойчивых пылевых структур с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках и найдены значения максимального количества удерживаемых частиц.

• Области физических параметров, необходимые для бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков.

Аппробация результатов работы

Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научном семинаре ОИВТ РАН (Москва) (2011); Международной конференции «Уравнения состояния вещества». Эльбрус

(2010); Международной конференции «Физика экстремальных состояний вещества» (Эльбрус 2011 г.); XXVIII International conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, Elbrus (2013); 9-й Курчатовской молодёжной научной школе (2011); юбилейной конференции ОИВТ РАН (2010); Международной конференции «Физика плазмы и плазменных технологий - 7» (2012); Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы"

(2011); 38 Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и

управляемому термоядерному синтезу. Звенигород (2011 г.); 39

Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС.

Звенигород (2012); Всероссийской конференции по физике

низкотемпературной плазмы ФНТП -2011 (2011); Физика низкотемпературной

плазмы - 2011. Петрозаводск (2011); 14th International Conference on the Physics

9

of Non-Ideal Plasmas. Rostock (2012); 4th International Conference Dusty Plasma in Applications. Odessa, Ukraine (2012); 13th workshop on the physics of dusty plasma, Baylor University (2012); Strongly Coupled Coulomb Systems. Budapest (2011).

Публикации

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 98 страницах, включая 52 рисунка. Список литературы состоит из 75 наименований.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Пылевая плазма

Пылевая плазма - низкотемпературная плазма, содержащая микроскопические заряженные частицы. Она представляет собой ионизированный газ, содержащий заряженные частицы конденсированного вещества. Размер частиц пылевой плазмы варьируется от 1 - 100 мкм. История пылевой плазмы насчитывает чуть меньше 100 лет, и впервые пылевая плазма была получена в эксперименте Ленгмюра в 1924 году [5].

Пылевая плазма широко распространена в космосе: в планетарных кольцах, хвостах комет, межзвездных облаках [6 - 11], где ее влияние проявляется в резонансных возмущениях орбиты и переносе углового момента в планетарных кольцах. Столь широкое распространение пылевой плазмы делает ее интересным объектом исследований. Имея относительно большой размер по сравнению с остальными частицами плазмы, пылевые частицы могут приобретать большой заряд, зависящий от параметров плазмы или окружающей среды, что проводит к сильному межчастичному взаимодействиию заряженных пылевых частиц. Потенциальная энергия межчастичного взаимодействия оказывается велика по сравнению с аналогичными величинами плазменных электронов и ионов и может намного превосходить их среднюю кинетическую энергию. Таким образом, пылевые частицы образуют однокомпонентную сильно неидеальную плазму, что влечет возможность появления не только ближнего порядка между пылевыми частицами, но возможность формирования пылевых кристаллов.

В экспериментальных исследованиях пылевые частицы обычно вводятся

непосредственно в исследуемую область специальным устройством. В

естественных условиях помимо внешней инжекции возможно их

самопроизвольное возникновение в среде, например за счет конденсации,

приводящей к появлению твердых частиц или капель. Процесс образования

пылевых частиц в плазме в таком случае характерен для расширяющейся

и

плазмы: адиабатически в вакууме или в канале МГД генератора [12, 13]. Частицы появляются в �