Моделирование распределений возбуждённых состояний инертных газов в оптической диагностике плазменных потоков

Кули-Заде, Марина Евгеньевна

Моделирование распределений возбуждённых состояний инертных газов в оптической диагностике плазменных потоков тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Кули-Заде, Марина Евгеньевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Моделирование распределений возбуждённых состояний инертных газов в оптической диагностике плазменных потоков»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование распределений возбуждённых состояний инертных газов в оптической диагностике плазменных потоков"

На правах рукописи

003474427

КУЛИ-ЗАДЕ Марина Евгеньевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

003474427

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор Е.П. Скороход

Официальные оппоненты: доктор физико-математическим наук,

профессор С.А. Лосев,

НИИ механики МГУ им.М.В.Ломоносова;

кандидат физико-математическим наук, Р.В. Широков, ИЗМИР АН, г. Троицк

Ведущая организация: НИИ энергетического машиностроения МГТУ

им. Н.Э. Баумана

Защита диссертации состоится « 26 » июня 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.14 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125993, Москва, Волоколамское ш., д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан «21 » мая 2009 г.

к.ф - м.н., доцент В.Ю. Гидаспов

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Развитие плазмо- и нано- технологий, создание плазменных лазеров, конструирование интенсивных источников света, разработки мощных энергетических и двигательных технологий предопределили становление компьютерной физики как самостоятельного направления. Важно не только сформулировать теоретическую модель, разработать алгоритм, но и провести компьютерное тестирование, выяснив физическую сущность практических задач. Моделирование и машинный эксперимент стали необходимыми составляющими научных исследований.

Актуальность темы. Вопрос о состоянии плазмы, - о её компонентном составе имеет принципиальное значение как с точки зрения фундаментальных основ теории плазмы (низкотемпературной плазмы, спектроскопии, диагностики плазмы, радиационной плазмодинамики и др.), так и с точки зрения многочисленных практических приложений.

Целью работы является моделирование компонентного состава низкотемпературной квазистационарной плазмы тяжёлых инертных газов с учётом разных плазмохимических реакций, а также изучение распределений возбуждённых состояний атома Аг и Хе для спектроскопических исследований в плазменных устройствах.

Основные результаты, научная новизна работы.

В теоретическом плане:

1. Рассмотрена кинетическая (метаравновесная) модель двухтемпературной квазистационарной плазмы, позволяющая получать распределения возбуждённых состояний атомов тяжёлых инертных газов, являющиеся базовыми понятиями спектроскопии неравновесной плазмы.

2. В квазистационарных условиях (микросекундный диапазон) решение системы уравнений квазистационарной многоуровневой кинетики представлено графически на диаграмме параметров (зависимости концентрации электронов от плотности ядер). С учётом реакции диссоциативной рекомбинации возникает нетрадиционная область гистерезисного типа. Кинетическое равновесие при одной и той же плотности ядер реализуется не единственным способом. Одно из них относится к модели локального термодинамического равновесия (ЛТР), и компонентный состав совпадает с расчётом по "расщеплённой" модели и, частично, со значениями, вычисленными по формуле Саха. Для тех же температур электронов (ФРЭЭ) существует второе (не только математическое) решение, характеризующее столкновительно-излучательное метаравновесие (СИМР) при более низких

значениях концентрации электронов. При преобладании фотонных процессов существует третье решение, стремящееся к корональному пределу.

3. В области СИМР распределения возбуждённых состояний (зависимости заселённостей от энергии возбуждения) имеют вид ломаных линий. Наклоны этих отрезков, по которым для больцмановских распределений определялась температура, характеризуют некоторую условную температуру возбуждения, не совпадающую с температурой электронов.

4. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия и текстолита.

В задачах диагностики:

1. В рамках метаравновесной модели двухтемпературной квазистационарной плазмы аргона впервые объяснён эксперимент В.Н. Колесникова (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги при атмосферном давлении).

2. Распределения возбуждённых состояний (РВС), полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР для аргона находят подтверждение в экспериментальных работах при исследовании проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Аг.

Практическая ценность. Развитые в работе подходы могут быть использованы при разработках плазменных устройств, а также найти применение в диагностике низкотемпературной плазмы, а также при использовании дуговых плазмотронов для разрушения вредных примесей, в плазмохимии.

Достоверность полученных результатов. Выводы и положения, сформулированные в работе, являются обоснованными фактами, достоверность которых подтверждается: использованием обоснованных математических моделей и методов; соблюдением правил составления и тестирования вычислительных алгоритмов и программ; анализом известных предельных случаев; сравнением экспериментальных и теоретических данных.

На защиту выносится:

1. Распределения возбуждённых состояний (РВС), рассматриваемые как базовые понятия спектроскопии неравновесной плазмы, полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР для аргона.

подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Аг.

3. Рассчитанные РВС в рамках метаравновесной модели квазистационарной многоуровневой кинетики позволили впервые объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги при атмосферном давлении). Тем самым подтвердить справедливость существование двух кинетических квазиравновесий: ЛТР при концентрациях электронов Ne > 61015 см'3 и СИМР при меньших концентрациях электронов.

4. Представлена диаграмма параметров для одно-, двух- и трехкомпонентной плазмы, компонентный состав которой рассчитан в рамках статистического подхода. При малых значениях числа ядер ИЯд (1016 - 1017 см"3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее - для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и Y2O3. Характер зависимости для одно-, двух- и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10-35 кК и давлений Р = 0.01; 0.1; 1; 10; 25; 50МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Т= 27 кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия Y++ и Y1", а также первый ион и атом кислорода 0+ и О. Концентрации электронов порядка 6 ' 1019 см "3.

6. В расшифрованном спектре плазмы окиси иттрия, истекающей из канала сильноточного разряда в КРИС на фоне сплошного спектра в поглощении видны в основном линии атома и первого иона иттрия, а также фиксируются чёткие молекулярные полосы YO. Отсутствуют линии атома кислорода. Линии второго иона иттрия - единичны.

7. Рассчитаны обезразмеренные ширины ytl/Ne, ylm)/Nt, yjNa, yjNa для

атома ксенона, позволяющие по ширине контура спектральных линий определять концентрации электронов неравновесной плазмы.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались и докладывались на следующих конференциях: Зш , 6Ш Межгосударственные симпозиумы по радиационной плазмодинамике 1994, Москов. обл., п. Лыткино, 2003, Звенигород; 2— Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, 1995, Иваново; 1-st International conference on nonequilibrium processes in nozzles and jet, 1995, MAI; 2- Международная конференция «Импульсные лазеры

на переходах атомов и молекул», 1995, Томск; 8 Конференция по физике газового разряда, 1996, Рязань; Двенадцатая Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, 2003, Владимир; V, VI Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях 2004, Самара, 2006, С-Петербург; XIV, XVI Международные конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), 2005,2009, Алушта, Крым.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ [1-14], из них две работы опубликованы в реферируемых журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 143 страницах, включая 14 страниц приложений. Библиография - 105 названий. Рисунки - 42. Таблиц -16.

Содержание работы

Для изучения физико - химических процессов плазменных объектов и характеристики их термодинамических и оптических свойств используются спектроскопические методы. Оперативные представления спектроскопии плазмы базируются на изучении вероятностных распределений, таких как распределения электронов по энергиям, распределения фотонов по длинам волн, распределения по возбужденным состояниям атомов или ионов.

Для наглядности и удобства представления решения поставленной задачи вводится диаграмма параметров (гл.1 и гл.2) и диаграмма метаравновесных состояний (гл.З) как зависимости концентрации электронов от плотности ядер при разных температурах электронов. Рассмотрение моделей (как и в монографии-справочнике [15]) зависит от выбора плазмохимических реакций.

Во введении обосновывается актуальность темы, дан общий обзор проделанной работы.

В первой главе основное внимание уделяется электрон-атомным взаимодействиям: электронные удары I и II рода, ионизация и тройная рекомбинация, Рассмотрение проводится в рамках "ращеплённой" модели, статистического и кинетического подходов. В условиях локального термодинамического равновесия проведены расчёты компонентных составов низкотемпературной плазмы Аг, Хе„ У203, С37Н47О16. Традиционно подобные расчёты характеризуются зависимостями, представленные на рис. 1.

При изучении эрозийной плазменной струи сильноточного разряда в канале [7,16, 17], стенки которого были сделаны из окиси иттрия, а также при диагностике такой струи потребовались численные значения компонентного состава плазмы У203. Температуры в канале порядка 30 кК, давления - порядка 25 МПа, степень нерасчётности струи на выходе из канала была более 100.

В области приустья сняты спектры плазмы У203, идентифицировано 336 линий. В расшифрованных спектрах присутствовали линии атома, первого и второго иона иттрия и спектральные линии иона кислорода (при этом кислородные линии атома отсутствовали). Расчёты с использованием термодинамически равновесных моделей малоинформативны, поскольку их компонентный состав противоречит спектроскопическим исследованиям плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой.

В рамках этого же подхода проводился расчёт трёхкомпонентной плазмы (текстолита С37Н47О16), рис. 2.

При спектроскопических исследованиях плазмы текстолита, истекающей из канала диаметром с! = 2 мм и длиной / = 19 мм, при токе I =5.97 кА (давление в центре Р0 - 47 МПа, давление на срезе Ркр, = 21 МПа, Т~ 30 кК, Ие = 1.71019 см"3). На фоне интенсивного сплошного спектра "в шубе" наблюдалось 27 слабых линий. Для водорода из серии Бальмера присутствует лишь одна сильная линия На. - 656.284 нм, а линии Нр,Ну,Н3> наблюдаемые в диафрагменном разряде

у Е.В. Калашникова [18], отсутствуют во всех режимах разряда. Отсутствуют также линии атома кислорода, кроме возможной интерпретации линии 610.3 нм {О, X = 610.4 нм), конкурирующей с линией иона углерода (С+, А = 610.26 нм), а также 459.2, 421.7 нм. В основном наблюдаются линии первого иона углерода С+. Потенциалы ионизации атомов углерода, кислорода и водорода близки, потенциалы их первых ионов мало отличаются, линии "заперты". Это и обуславливает относительно ровный сплошной спектр, который необходим для эталонного источника света.

Вышеприведённые расчёты для одно-, двух- и трёхкомпонентных составов представим на диаграмме параметров. На рис. 3 при давлениях 104, 105, 10б, 107 Па (бочкообразные изолинии) и температурах 10, 14, 20 кК сравниваются расчёты равновесных составов гидрида лития 1ЛН, окиси иттрия УгОз, текстолита С37Н47О16, а также аргона Аг для температур 11.6 и 14 кК. При малых значениях числа ядер Ыяд (1016 - 10п см'3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее «трубка» текстолитовая, аргоновая (большие

потенциалы ионизации) расширяется и значения Ые в этих случаях на порядок отличаются от «трубки» ЫН или У203.

Следует отметить однозначный характер всех этих зависимостей на диаграмме параметров.

Развиваемый нами кинетический подход с учётом лишь электронных процессов (п. 1.3) не вносит изменений - зависимости имеют однозначный характер, рис.4. РВС сохраняет больцмановский вид, рис.5.

Во второй главе рассматривались радиационные процессы, играющие важную роль в кинетике заселения возбужденных состояний, процессах ионизации и рекомбинации. Их значение возрастает по мере уменьшения плотности плазмы и снижения частоты столкновительных процессов. Включение фотопроцессов принципиально не меняет диаграмму параметров и распределения возбуждённых состояний.

В третьей главе особое внимание уделяется диссоциативной рекомбинации и тому, как её учёт повлияет на диаграммы параметров.

При решении задач многоуровневой кинетики система кинетических уравнений записывается для следующих реакций:

- взаимодействие с электронами (.2 - матрица, учитывающая возбуждение и

девозбуждение электронным ударом, го- вектор констант скоростей ионизации, Г -вектор констант скоростей тройной рекомбинации)

Х^е-^Х* +2е, 70,; (2)

Х++2е->Х1+е, Т,; (3)

- взаимодействие с фотонами (А- матрица вероятностей фотопереходов,

РО, Г - вектора скоростей фотоионизации и фоторекомбинации)

X, +Йсо, Аи. (4)

Х,+П(й-+Х+ +е, F0¡ ; (5)

Х+ + е^Х/+Па, Г,-. (6)

- образование и распад молекулярного иона М~=Х2~ - вектор скоростей ассоциативной ионизации, а2 - вектор скоростей диссоциативной рекомбинации, аз - константа скорости образования молекулярного иона, реакция конверсии)

Х1+Х^М++е, (<х,),:

М+ +е^>Х]+Х1, (а2);;

Х++2Х1-+М++Х1У (а3) ;

(8) (9)

где Х1 - концентрация атомов в основном состоянии, Х\- концентрация

молекулярных ионов или М* и диссоциативной рекомбинацией.

В [1] подробно рассматривается система уравнений многоуровневой кинетики для тяжёлых инертных газов в матричном представлении. Заселённости всех состояний атома (основного и возбуждённых) записываются в виде вектора состояния X. На этот искомый вектор воздействует релаксационная матрица, а в правой части собраны рекомбинационные процессы как функции источника.

В работе [19] и последующих расчётах решалась система кинетических уравнений для концентрации ионов

где У = Л + Хег + К,гО+РО+Х1(а1-а®51)

Особенность записи системы состоит в том, что удалось исключить концентрации X* и Х\ и получить уравнение только для вектора заселенностей X. "Источниками" для вектора X в этом уравнении являются рекомбинационные процессы, а матрица V - оператором, учитывающим силу их влияния на X.

Результатом решения квазистационарных уравнений многоуровневой кинетики (10) являются диаграммы метаравновесных состояний, рис.6, которые принципиально отличаются от рассматриваемых ранее диаграмм параметров, рис.3. Появляется нетрадиционная область гистерезисного характера. Из решения (10) заселённости многих состояний просуммированы и получены достаточно "физичные" зависимости концентраций электронов от суммы искомых решений и

(10)

температуры электронов (ФРЭЭ), которые в [19] названы диаграммами метаравновесных состояний. Ранее подобные задачи с таких позиций не рассматривались.

Наш расчет квазистационарной многоуровневой кинетики, позволил впервые объяснить классический эксперимент [20] В.Н. Колесникова - спектроскопические исследования плазмы постоянной дуги в аргоне при атмосферном давлении в широком диапазоне изменения силы тока (концентрации электронов). По спектрам аргоновой дуги были измерены температуры (рис.7 д): температуры электронов Те по сплошному спектру (тормозное излучение) - кривая 1; температура возбуждения, определенная по распределению заселенностей низколежащих уровней аргона (относительно основного состояния) - кривая 2; температура, определенная из формулы Саха (известны давление и ток) - 3; температура возбуждения из распределений высоколежащих уровней - кривая 4.

Иными словами, из графика следует, что до концентраций Ne> 61015 см'3 (токах, больших 20 А) разные спектроскопические методы определения температуры электронов дают одинаковый результат (одна кривая), при меньших концентрациях кривые расходятся, а стало быть, температуры, определяемые по возбуждённым состояниям разных групп уровней возбуждения, различны.

В работе произведён детальный расчет определяемых в эксперименте температур (рис. 7 д) согласно нашей модели. Для этого задавались незначительно изменяющие температуры электронов: а) Те = 1.1; б) Tt = 1.05; в) Те = 1.0; и г) Те = 0.97 эВ (при этом температура газа оставалась комнатной), а также концентрации электронов. Из расчета многоуровневой кинетики аргона (и = 64) построены РВС (рис. 7 а, б, в, г). На каждом из них имеем по два РВС. Верхние РВС на рис. 7 а, б, в, г (прямые 1, красный цвет), дают температуры, определяемые по наклону, Гвоз6. = 1.1; 1.05; 1.0; 0.97 эВ. Эти температуры нанесены на рис. 7 д (правая красная кривая). Левые кривые (синие пунктирные) на рис. 7 д соответствуют распределениям СИМР, ломаная 2 на рис. 7 а, б, в, г: верхняя кривая - температура по тормозному спектру (в нашем случае заданная температура электронов); средняя кривая определялась по первому отрезку ломаной 2; нижняя кривая определялась по второму отрезку ломаной 2. Сплошные черные кривые повторяют эксперимент В.Н. Колесникова.

Такое объяснение является неоспоримым доказательством равноправного существования двух кинетических квазиравновесий: JITP при концентрациях

электронов Ne > 61015 см"3 и СИМР при меньших концентрациях электронов, что соответствует на диаграмме метаравновесных состояний (рис. 6) точкам 1 и 2.

Обратимся к экспериментальной работе [21], которая посвящена спектроскопическим исследованиям сверхзвуковых плазменных струй и измерениям заселённостей уровней атома аргона.

Для определения абсолютных значений интенсивностей линий аргона в струе, излучение струи в этой работе сравнивалось с излучением эталонного дугового источника - аргоновой стабилизированной дуги с силой тока /= 15 А, горящей при атмосферном давлении. При сопоставлении этой дуги с дугой Колесникова отмечается их идентичность (току I = 15 А соответствует концентрация электронов Ne ~ 7'1015 см'3, а температура электронов Ге ~ 8.5 кК. Две экспериментальные дуги идентичны. Рассматриваемые параметры эталонной дуги в [21] находятся в области СИМР, рис. 8.г (оранжевая штриховая 5). Что же касается рис. а, б, в, то при незначительном варьировании температуры электронов наклоны РВС заметно меняются. По нашим расчетам плазмы дуги в аргоне [21], рис. 8 г, кривая 2. температура электронов равна 11200 К, (~1 эВ) и не совпадает с температурой РВС Твозб = 0.75 эВ = 8700К. Заметим, абсолютные значения заселённостей в эксперименте меньше в 2 раза, чем расчетные.

Прежде, чем перейти к струе, рассмотрим состояние плазмы в сопле, когда измерены ток - 108 А. и давление - 52.6 кПа, Nt ~ 3"1016 см'3.

Учитывая, что в сопле (диаметр сопла 2.5 мм.), для ВУФ излучения плазму можно считать оптически плотной, поскольку коэффициент поглощения в резонансных линиях ^>10. Рассмотрим диаграмму метаравновесных состояний в предельном случае, когда параметр Бибермана-Холстейна полагается равным нулю, рис. 9 б. При давлении пол атмосферы концентрация ядер близка к 1018 см"3. Температуру электронов находим из диаграммы на рис. 9 б, она равна 1 эВ.

В области расширения сопла до диаметра 6.4 мм плазма становится оптически более прозрачной, поэтому с некоторыми допущениями рассмотрим диаграмму на рис. 9 а при Ге= 1 эВ. При одинаковой плотности ядер 1018 см"3 и температуре 1 эВ возможны два состояния: с lgNe = 16.18 и lg/Ve = 15.12 см"3. Экспериментально получены концентрации электронов Ne вблизи среза сопла, измеренные по уширению линий Нр водорода (малая примесь), Ne = 1.11015 см"3. На срезе мы "перескакиваем"

в более низкое по Ne состояние СИМР.

В плазме струи измерялись интенсивности линий Ar I (в излучении) на расстоянии 2 мм (60 ПА) и 4 мм (4 ПА), от среза сопла Энергии верхних уровней, с которых происходят фотопереходы, лежат в интервале энергий от 13.33 до 15.32 эВ. Уровни группы 4s не определены.

Время пролёта расстояния до щели (~ 2, 4 мм.) составляет ~10"7 с. За десятые доли микросекунды атомы "не успевают сбросить возбуждение" - плазма рекомбинационного типа. Заселённости, полученные из спектров в струе, сохраняют характер РВС плазмы на срезе сопла. Рассмотрим РВС для плотности ядер порядка 1018, температур, близких к 1 эВ, и сравним эксперимент с расчетом. Рассчитанные РВС приведены на рис. 8: а) 7=1.1 эВ; б) 7=1.05 эВ; в) 7И.0 эВ; г) 7=0.97 эВ (синие квадраты). На эти РВС нанесены экспериментальные заселённости: сиреневые точки, х = 4 мм; зеленые точки, х =2 мм). Прямые 3 и 4 - воспроизводят авторский наклон (температуру возбуждения). Наилучшее соответствие расчета и эксперимента (на 2 мм) достигнуто в случае - "в" (7е = 1 эВ и Ne = 1015 см"3).

Авторы [21] полагали, что температура электронов 7= 6300 К, а концентрация электронов Ne = 1.1'1015см"3. Нами же выявлено, что температура электронов плазмы на срезе сопла равна 7е = 1 эВ = 11 600 К, концентрация электронов - lgA^ = 15.12, температура возбуждения Тв03& = 7000 К.

Отметим, что в случае Р = 4 Па, х = 4 мм при Те = 1 эВ при определении

наклона авторами проигнорированы переходы 4s[3/2]i~*4p[l/2]o (2 = 7514Л) и

4s[3/2]2—1>4p'[l/2]i (А, = 6965А) с энергиями верхних уровней 13.27 эВ и 13.33 эВ соответственно. Если учесть эти переходы, то температура возбуждения будет 6300 К (штрихпунктирная сиреневая прямая 1).

Таким образом, нами показано, что температура электронов плазмы на срезе сопла равна Те = 1 эВ, концентрация электронов - lgNe = 15.12, температура возбуждения Тв03б. ~7000 К. Авторы [21] не определена температура и концентрация свободных электронов в этом случае.

Параметры плазмы в эксперименте [22] аналогичны [20, 21]. Объектом исследования была дуга с вытяжкой газа со стороны электродов. Холодный газ втягивался в канал разряда, нагревался, ионизировался и после прохождения через канал вытягивался через сопло на электроды (проточная дуга). При силе тока 1= 5 А и атмосферном давлении концентрация электронов, измеренная по ширине линий Hf

оказалась равной Ne = 3.2-10" см-1. На рис. 10 сравниваются расчетные РВС с экспериментальными [22] (табл. 3.3.1). Наиболее удовлетворительное совпадение

достигнуто в случае "в", когда Тв03б. = 0.72 эВ = 8350 К. Отметим, что мы находимся в области СИМР, согласно нашей модели температура электронов Ге = 1 эВ = 11600 К. Авторы [22] отмечают, что температура электронов, определяемая по непрерывному спектру больше на 40 - 50 %, чем температура, полученная из экспериментальных РВС. Это замечание окончательно убеждает в достоверности представленной нами модели.

В четвертой главе речь идет о формировании профилей линий ксенона. При обработке экспериментальных данных удобно пользоваться величинами ширин, приходящихся на один электрон или один атом у4е/#е, у^/Л^, у6/Ыа, у3 /Ыа.

Значения ytJN,, у{ач)¡Nt, y6/Na, у,Ща для температур Т, =0.5; 0.7; 0.9 эВ

Переход Л, А Т 3 с ' 7JN. ■ эВ/см* Ут/К' эВ/см} эВ/см3 эВ/см1

6s[3/21,-*7pri/21o 4807 0,5 0,007447718 0,010755629 5,68966Е-06 3.96401Е-06

0,7 0,007984194 0,010412868 1,2437Е-05 3.92607Е-06

0,9 0,008188001 0,009248244 6.74994Е-06 3.95826Е-06

6sf3/2]2-»7pfl/2], 5028.3 0,5 0,01117856 0,028521201 1,05855Е-05 3.96401Е-06

0,7 0,012147715 0,028603845 1.18779Е-05 3,96401Е-06

0,9 0,106853719 0,236911098 1.22532Е-05 3,96401Е-06

6sr3/2b-7p[l/21, 5028.3 0,5 0,015602417 0,018752474 1.03242Е-05 3.96401Е-06

4611.9 0,7 0,016755037 0,017758148 1.12543Е-05 3,96401Е-06

0,9 0,146171709 0,140016012 1,1653бЕ-05 3,96401Е-06

6sr3/21u—7рГЗ/21, 4829.7 0,5 0,018795167 0,041165307 1,07297Е-05 3,96401Е-06

4792.6 0,7 0,019570067 0,031279603 1.21289Е-05 3.96401Е-06

0,9 0,1724514 0,219430454 1.21358Е-05 3,96401Е-06

6sr3/21^—7рГЗ/2Ъ 4843.3 0,5 0,092648495 0,086150903 1.0747Е-05 3,96401Е-06

4624.3 0,7 0,09658104 0,092939048 1,17851Е-05 3,96401Е-06

0,9 0,86100845 0,896468221 1.22165Е-05 3.96401Е-06

б8ГЗ/2]и-7рГЗ/2Ь 4923.2 0,5 0,02315338 0,047737315 1.06247Е-05 3,96401Е-06

4697 0,7 0,025705671 0,044573263 1,17851Е-05 3,96401Е-06

0,9 0,217368417 0,384807842 1.2041Е-05 3,96401Е-06

6sf3/2Wpf5/2b 4671.2 0,5 0,02576662 0,02585488 1.04997Е-05 0

0,7 0,027611666 0,027040238 1,15105Е-05 0

0,9 0,235319997 0,175581481 1.18523Е-05 0

Основные выводы.

1. Впервые в рамках метаравновесной модели двухтемпературной квазистационарной плазмы поставлена и решена задача моделирования РВС аргона позволяющая объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова, относящийся к спектроскопическим исследованиям дугового разряда при атмосферном давлении (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги).

ломаную кривую. Эти распределения подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Ar.

3. РВС, рассчитанные в рамках СИМР - модели и хорошо согласующиеся с рассмотренными экспериментами, позволяют объяснить существование двух кинетических квазиравновесий: JHP при концентрациях электронов Ne > 6 1015 см"3 и СИМР при меньших концентрациях электронов.

4. Результаты расчетов компонентного состава аргона, окиси иттрия и текстолита в рамках статистического подхода представлены на диаграмме параметров как зависимости концентрации электронов от числа ядер. При малых значениях числа ядер N.яд (1016 - 1017 см"3) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее - для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и У20з. Характер зависимости для одно-, двух- и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10 - 35 кК и давлений Р = 0.01; 0.1; 1; 10; 25; 50 МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Т = 27 кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия Y1"1" и Y+, а также первый ион и атом кислорода 0+ и О. Концентрации электронов порядка 6 ' 1019 см "3.

7. В спектре С37Н47О16 плазмы струи, истекающей из капилляра в сильноточном разряде, в рекомбинационной области наблюдаются 27 слабых линий, Все линии в рекомбинационной области наблюдаются в излучении и принадлежат, в основном, ионам С* и 0+. Второй ион углерода С++ представлен четырьмя линиями, а О"1"1" -одной линией. Линии атома кислорода отсутствуют. Такой линейчатый спектр согласно расчетам компонентного состава в рамках статистического подхода плазмы текстолита при давлении Р= 105 Па соответствует температуре Г~20кК. Из водородных линий отмечается необыкновенно яркая и мощная линия На, при этом другие линии серии Бальмера отсутствуют. Обнаружение такой мощной линии в

"шубе" струи подтверждает предположение Л.И. Гудзенко о возможности инверсной заселённости и реализации лазера на линии На в струе. Этому способствует состав плазмы текстолита.

8. В диагностических целях рассчитаны обезразмеренные ширины ,

, /з/Ма для атома ксенона, позволяющие по ширине контура

спектральных линий определять концентрации электронов неравновесной плазмы.

1 О* 1 № ___ ь У"

То : 1 ___ О 30 ст"*

— г О к —Ч- К С

С -О* * э

V--1 .О

А 3 2 ____V VI _ 0 з

О * V 1: л

* ¡4

1 О**

Рис. 1. Компонентный состав плазмыУгОз для давлений Р: а - 104 Па; б - 105 Па; в - 106 Па. Обозначения: штриховая - Н-; (V) - У; (+) - У1"; штриховая - У++; (о) - О; (•) - 0+. г - 10 МПа; д - 25 МПа; е - 50 МПа. Обозначения: штриховая - Ые; (V) - У; (+)-У"; штриховая-У"; (о)-О; (*)-0+.

1«

Рис. 3. Диаграммы параметров плазмы: 1ЛН: • - 10 кК, А - 14 кК, Т - 20 кК.

У203: 0 - 10 кК, А -14 кК, □ - 20 кК. С37Н47016:---- 10,12,14,16,18 кК.

Аг: +- 11.6 кК, Ш- 14 кК.

Рис. 4. Диаграммы параметров Аг, Кг, Хе.

2 4 6 8 10 12 14 16 Е0 эВ Рис. 5. РВС аргона с учетом электронных процессов (1.3.1) - (1.3.3). Ге=1.1 эВ, Лге=1017см"3, Ляд=10182см"3

Т, кК

14 145 15 155

Рис. 6. Диаграмма метаравновесных состояний Рис. 7д.

аргона 1 - область ЛТР; 2 - область СИМР

1>.........

о- ......f..... 2 ■•3 / ..

......с.........* -4 lgNc

16.5

lg(N/g,)

lgW&)

и Е,эВ

ig(N/a)

t 8 10 12 14 E, ЭВ

Рис.7. Расчёт температур РВС и эксперимент В.Н.Колесникова [20] в аргоновой плазме при атмосферном давлении. РВС в аргоне: а) Те = 1.1 эВ, 1 - Ne = 10".8s см-з( N0 = Ю18 см "3,2 - Ne = 10" 4 см 3, N0 = 101™ см б) Те = 1.05 эВ, 1 - Ne = 101S.S5 см.3) no = Ю".99 см -з, 2 - Ne = Ю1492 см-з, N0 = 101«8 см -3; в) Те = 1.0 эВ, 1 - Ne = Ю16 " см-з, N0 = 1018 см Л 2 -Ne= 1015 35 см-з, N0 = Ю"" см -з; г) Те = 0.97 эВ, 1 - Ne = 1015-9 см-з, N0 = 10"" см -з, 2 - N„ = 1015 63 см-з, N0 = 101«9 см -з; д) эксперимент В.Н. Колесникова - сплошные черные кривые, точки - наш расчет.

ыт #/8)

4 4

2 4 6 8 10 12 14 Е, ЭВ 2 4 6 8 10 12 14 Е, эВ

4 4

2 4 6 8 10 12 14 Е, ЭВ 2 4 6 8 10 12 14 Е,эВ

Рис. 8. РВС аргона. Сравнение эксперимента [21] с нашим расчетом.

А,1 /

(¡{

1.1 эВ /'1 . » Г ■ 1.о : И :

1. эВ — // //к"

1.3 10- 7?/Л /У

0.9 зЕ

/ \ 1

8 10 12 14 16 1Н 20 ^N0

у -у .

1.1 аВ к.1<

1.0 эВ -7

3,9 ,11 [- -08.1

УУХА М I:

\ 0

/ \

8 10 12 14 16 18 20 ^N0

Рис. 9. Диаграммы метаравновесных состояний плазмы аргона:

а) оптически тонкая плазма, 0 = 1, Тс = 0.8 -г-1.4 эВ;

б) оптически плотная плазма, 0 = 0, Те = 0.7 ■*■ 1.1 эВ;

Рис. 10. РВС аргона. Сравнение эксперимента [22] с нашим расчетом.

Список публикаций.

1. Гаврилова А.Ю., Киселев А.Г., Скороход Е.П. Станишевская М.Е. Столкновительно-излучательное равновесие в плазме благородных газов. // Мат. Моделирование, 1996 г., т. 8, вып. 6, с. 103-108;

2. Скороход Е.П., Кули-заде М.Е., Гаврилова А.Ю., Киселев А.Г. О формировании профилей линий ксенона. // Оптика атмосферы и океана. 2001 г., т. 14, № 11, с. 1-6.

3. Шариков И.В., Борисов Е.К., Гаврилова А.Ю., Скороход Е.П., Станишевская М.Е. Определение концентрации электронов по асимметрии линий цилиндрического плазменного столба. // 3— Межгосудар. симпозиум по радиационной плазмодинамике. М.: Из-во Инженер, 1994 г., с. 76-77;

4. Гаврилова А.Ю., Станишевская М.Е., Скороход Е.П. Контур спектральной линии цилиндрического плазменного столба с переменной концентрацией электронов. // 3— Межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике. М.: Из-во Инженер, 1994 г., с. 118-119;;

5. Гаврилова А.Ю., Киселев А.Г., Скороход Е.П., Станишевская М.Е. Поуровневая кинетика плазмы благородных газов с учетом диссоциативной рекомбинации и влияние схемы уровней на диаграмму электронных состояний. // 2— Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. Иваново, 1995 г., с. 130— 132;

6. Gavrilova A.Yu, Skorokhod Е.Р., Stanishevskaya M.E., A collisional-radiative equilibrium in a plasma of noble gases over a wide range of conditional. // 1-st International conference on nonequilibrium processes in nozzles and jet. M.: MAI, 1995, p. 65-66;

7. Скороход Е.П., Борисов E.K., Гаврилова А.Ю., Лобов А.Г., Станишевская М.Е., Шариков И.В. Ионные линии в эрозийной плазменной струе сильноточного разряда. // 2Ш Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», 1995 г., Томск.

8. Гаврилова А.Ю., Скороход Е.П. Станишевская М.Е. Немонотонность степени ионизации в плазме благородных газов. // 8 Конференция по физике газового разряда, 1996 г., Рязань, часть 1, с. 16-18.

9. Борисов Е.К., Кули-заде М.Е., Скороход Е.П. Коэффициент поглощения плазмы ксенона // Сб. научных трудов. // VI Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике. 2003 г. М.: с. 164-166.

10. Скороход Е.П., Киселев А.Г., Кули-заде М.Е., Гаврилова А.Ю. Плазмостатическая модель двухтемпературной плазмы инертных газов. // Тез.

докладов Двенадцатой Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Владимир, 2003 г.- М.: Изд-во МАИ, 2003, т. 2, с. 576-578.

11. Кули-заде М.Е., Скороход Е.П., Гаврилова А.Ю., Киселев А.Г. Фотонные распределения для дискретных переходов в неравновесной двухтемпературной плазме инертных газов // Тез. докладов V Межцународ. конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004) г. Самара, 2004 г. - М.: Вузовская книга, 2004, с. 134-135.

12. Кули-заде М.Е., Киселев А.Г., Скороход Е.П. Моделирование плазмостатических задач кинетики: гелий, неон // Материалы XIV Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС-2005), Г. Алушта, Крым, 2005 г., с. 270-271.

13. Скороход Е.П., Кули-заде М.Е. и др. Информационное обеспечение кинетическими данными задач радиационной плазмодинамики инертных газов // Материалы VI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях - М.: Вузовская книга, 2006, с. 299-300.

14. Кули-заде М.Е., Скороход Е.П, Гаврилова А.Ю. Об определении параметров квазистационарной плазмы аргона. // Материалы XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС 2009).

Список цитируемой литературы.

15. Физико-химическая кинетика и термодинамика. Справочник. Том 2:.// Под ред. Г.Г.Черного и С.А. Лосева - М.: Научно-исследовательский центр механики.2002,368 с.

16. Огурцова H.H., Подмошенский И.В., Смирнов В.А. Экспериментальное исследование уравнения состояния плазмы Y2O3 // ТВТ, 1979, т. 17, вып. 3, с. 461-463.

17. Борисов Е.К. Оптические свойства плазмы тяжёлых металлов сильноточного разряда и сверхзвуковой эрозийной плазменной струи. Кандид, диссер. М. МАИ. 1995.

18. Калашников Е.В. Динамика и излучение эрозийной струи диафрагменного разряда. // Кандид, диссер. ГОИ, С-Петербург, 1993.

19. Скороход Е.П. Спектроскопические методы исследования физико-химических и тепловых процессов в плазменных устройствах. Диссертация, д.т.н., 2002, М.: МАИ, 41 с.

20. Колесников В.Н. Дуговой разряд в инертных газах. // Труды ФИАН, 1964, т. 30, с. 66.

21. Гольдфарб В.М., Ильина Е.В., Костыгова И.Е., Лукьянов Г.А. Спектроскопическое исследование сверхзвуковых плазменных струй. // Оптик, и спектроск., т. 27, вып. 2, 1969, с. 205 -208.

22 Александров В.Я., Гуревич Д.Б., Подмошенский И.В. Исследование механизма возбуждения и ионизации в плазме Ar дуги. // Опт. и спектроск., 1967, т. 23, вып. 4, с. 521 - 527.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кули-Заде, Марина Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЭЛЕКТРОН - АТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕНИЯ В ЗАДАЧАХ РАДИАЦИОННОЙ ПЛАЗМОДИНАМИКИ

1.1. Ионный состав в модели локального термодинамического равновесия расщеплённая модель).

1.2. Статистическая интерпретация модели локального термодинамического равновесия в условиях слабой ионизации.

1.3. Система кинетических уравнений.

1.4. Плазма капиллярного разряда с испаряющейся стенкой. Ионизационный состав плазмы окиси иттрия. 41 Выводы к главе 1.

Глава 2. РАДИАЦИОННЫЕ И СТОЛКНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КВАЗИСТАЦИОНАРНОЙ ПЛАЗМЕ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

2.1. Корональный предел.

2.2. Частичное локальное термодинамическое равновесие (чЛТР)

2.3. Запись системы кинетических уравнений с учетом фотопроцессов. 66 Выводы к главе 2.

Глава 3. МЕТАРАВНОВЕСНАЯ ДВУХТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА ПОТОКОВ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

3.1. Система кинетических уравнений с учётом диссоциативной рекомбинации

3.2. Распределения возбужденных состояний квазистационарной двухтемпературной плазмы аргона.

3.3. Распределения возбужденных состояний квазистационарной двухтемпературной плазмы аргона и экспериментальные данные. 91 Выводы к главе 3.

Глава 4. О ФОРМИРОВАНИИ ПРОФИЛЕЙ ЛИНИЙ КСЕНОНА

4.1. Уширение спектральных линий атома ксенона

4.2. Контур спектральной линии цилиндрического плазменного столба. 113 Выводы к главе 4. 116 ОСНОВНЫЕ ВЬЮО ДЫ. 117 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 119 Схема уровней. 119 ПРИЛОЖЕНИЕ

Сечения и скорости возбуждения электронным ударом.

Введение диссертация по механике, на тему "Моделирование распределений возбуждённых состояний инертных газов в оптической диагностике плазменных потоков"

В развитии компьютерной физики важную роль занимает машинный эксперимент. Важно не только сформулировать теоретическую модель, разработать алгоритм, но и провести компьютерное тестирование, выяснив физическую сущность практических задач.

Расцвет экспериментальных работ по изучению плазменных потоков и становление радиационной плазмодинамики приходится на 70-е годы прошлого столетия. Однако отсутствие мощных компьютерных средств и разработки соответствующих вычислительных методов задержало оформление фундаментальных понятий этого раздела физики.

Актуальность темы. Вопрос о состоянии плазмы имеет принципиальное значение как с точки зрения фундаментальных основ теории плазмы (низкотемпературной плазмы, спектроскопии, диагностики плазмы, радиационной плазмодинамики и др.), так И' с точки зрения многочисленных практических приложений.

Целью работы- является моделирование компонентного состава низкотемпературной квазистационарной плазмы тяжёлых инертных газов с учётом разных плазмохимических реакций, а также изучение распределений возбуждённых состояний' атома Аг и Хе для- спектроскопических исследований в плазменных устройствах.

Основные результаты, научная новизна работы.

В теоретическом, плане:

2. В квазистационарных условиях (микросекундный диапазон) решение системы уравнений, квазистационарной многоуровневой кинетики представлено графически на диаграмме параметров (зависимости концентрации электронов от плотности ядер). С учётом реакции диссоциативной рекомбинации возникает нетрадиционная область гистерезисного типа. Кинетическое равновесие при одной и той же плотности ядер реализуется не единственным способом. Одно из них относится к модели частичного локального термодинамического равновесия чЛТР), и компонентный состав совпадает с расчётом по "расщеплённой" модели и, частично, со значениями, вычисленными по формуле Саха. Для тех же температур электронов (ФРЭЭ) существует второе (не только математическое) решение, характеризующее столкновительно-излучательное метаравновесие (СИМР) при более низких значениях концентрации электронов. При преобладании излучательных процессов при опустошении возбуждённых уровней существует третье решение, стремящееся к корональному пределу.

3. В- области СИМР распределения возбуждённых состояний (зависимости заселённостей от энергии возбуждения) имеют вид ломаных линий. Наклоны этих отрезков, по которым для больцмановских распределений определялась температура, характеризуют некоторую условную температуру возбуждения, не совпадающую с температурой электронов.

4. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия и текстолита.

В задачах диагностики:

Практическая- ценность. Развитые в работе подходы могут быть использованы при разработках плазменных устройств, а также найти применение в диагностике низкотемпературной плазмы, а также при использовании дуговых плазмотронов для разрушения вредных примесей, в плазмохимии.

На защиту выносится:

2. Значения заселённостей, формирующие РВС, которые относятся к нетрадиционной области СИМР, группируются в отдельные отрезки с разными наклонами (температурами), образуя ломаную кривую. Эти распределения подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Аг.

3. Рассчитанные РВС в рамках метаравно весной модели квазистационарной многоуровневой кинетики позволили впервые объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги при атмосферном давлении). Тем самым подтвердить справедливость существование двух кинетических

IS 3 квазиравновесий: J1TP при концентрациях электронов Nc > 6 10 ~ см"" и СИМР при меньших концентрациях электронов.

17 3

10 см" ) концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее - для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и Y203. Характер зависимости для одно-, двух- и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10-35 кК и давлений Р = 0.01; 0.1; 1; 10; 25; 50МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Т= 27 кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия У++ и У+, а также первый ион и атом кислорода 0+ и О. Концентрации электронов порядка 6 10 см "".

7. Рассчитаны обезразмеренные ширины y4e/Ne, y{cn)/Ne, yb/Na , r?l/Na для атома ксенона, позволяющие по ширине контура спектральных линий определять концентрации электронов неравновесной плазмы.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались и докладывались на следующих конференциях: 3™ , 6— Межгосударственные симпозиумы по радиационной плазмодинамике 1994, Москов. обл., п. Лыткино, 2003, Звенигород; 2т Международный симпозиум по теоретической и' прикладной плазмохимии, 1995, Иваново; 1-st International conference on nonequilibrium processes in nozzles and jet, 1995, MAI; 2м Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», 1995, Томск; 8 Конференция по физике газового разряда, 1996, Рязань; Двенадцатая Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, 2003, Владимир; V, VI Международные конференции по неравновесным процессам в соплах и струях 2004, Самара, 2006, С-Петербург; XIV, XVI Международные конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), 2005, 2009, Алушта, Крым.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Впервые в рамках метаравновесной модели двухтемпературной квазистациопарной плазмы поставлена и решена задача моделирования РВС аргона позволяющая объяснить классический эксперимент В.Н. Колесникова, относящийся к спектроскопическим исследованиям дугового разряда при атмосферном давлении (разнозначный характер распределений в плазме аргоновой дуги).

2. Значения заселён ностей, полученные в результате решения квазистационарной многоуровневой кинетики в рамках СИМР модели и относящиеся к нетрадиционной области СИМР, при концентрации электронов Nc < 1016, группируются в отдельные отрезки с разными наклонами (температурами), образуя ломаную кривую. Эти распределения подтверждены экспериментально в условиях стационарного дугового разряда в аргоне, в условиях проточной дуги в аргоне и сверхзвуковой плазменной струи Аг.

3. РВС, рассчитанные в рамках СИМР - модели и хорошо согласующиеся с рассмотренными экспериментами, позволяют объяснить существование двух кинетических квазиравиовесий: J1TP при

15 3 концентрациях электронов Ne > 610 см" и СИМР при меньших концентрациях электронов.

16 17 малых значениях числа ядер Nild (10 - 10 см") концентрации электронов имеют близкие значения независимо от химического элемента. Далее - для текстолита и аргона (большие потенциалы ионизации) значения Ne на порядок отличаются от значений для LiH и Y2O3. Характер зависимости для одно-, двух- и трехкомпонентной плазмы не меняется.

5. В рамках статистического подхода рассчитан компонентный состав плазмы окиси иттрия в интервале температур 10 - 35 кК и давлений Р =0.01; 0.1; 1; 10; 25; 50 МПа, что соответствует предполагаемым параметрам плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС). При температуре Г=27кК и давлении Р = 25 МПа в плазме преобладают второй и первый ионы иттрия Y++ и Y+, а также первый ион и атом кислорода 0+ и О. Концентрации электронов порядка 6 ' 1019 см "3.

7. В спектре Сз7Н47016 плазмы струи, истекающей из капилляра в сильноточном разряде, в рекомбинационной области наблюдаются 27 слабых линий, Все линии в рекомбинационной области наблюдаются в излучении и принадлежат, в основном, ионам С* и 0+. Второй ион углерода С++ представлен четырьмя линиями, а 0++ — одной линией. Линии атома кислорода отсутствуют. Такой линейчатый спектр согласно расчетам компонентного состава в рамках статистического подхода плазмы текстолита при давлении Р = 105 Па соответствует температуре Т ~ 20 кК. Из водородных линий отмечается необыкновенно яркая и мощная линия На, при этом другие линии серии Бальмера отсутствуют. Обнаружение такой мощной линии в "шубе" струи подтверждает предположение Л.И. Гудзенко о возможности инверсной заселённости и реализации лазера на линии На в струе. Этому способствует состав плазмы текстолита.

8. В диагностических целях рассчитаны обезразмеренные ширины YijNe, y{avy/Ne, yb/Na , y3/Nu для атома ксенона, позволяющие по ширине контура спектральных линий определять концентрации электронов неравновесной плазмы.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Кули-Заде, Марина Евгеньевна, Москва

3. Скороход Е.П., Борисов E.K., Гаврилова А.Ю., Лобов А.Г., Станишевская М.Е., Шариков И.В. Ионные линии в эрозийной плазменной струе сильноточного разряда. // 2м Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул»,1995 г., Томск.

4. Гаврилова А.Ю., Скороход Е.П. Станишевская М.Е. Немонотонность степени ионизации в плазме благородных газов. // 8 Конференция по физике газового разряда, 1996 г., Рязань, часть 1, с. 16-18.

5. Борисов Е.К., Кули-заде М.Е., Скороход Е.П. Коэффициент поглощения двухтемпературной плазмы ксенона // Сборник научных трудов. // VI Международный симпозиум по радиационной плазмодинамике. 2003 г. М.: с. 164-166.

6. Кули-заде М.Е., Скороход Е.П.,. Гаврилова А.Ю. Об определении параметров квазистационарной плазмы аргона.// Материалы XVI. Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС 2009).

7. Физико-химическая кинетика и термодинамика. Справочник. Том 2:.// Под ред. Г.Г.Черного и С.А. Лосева М.: Научно-исследовательский центр механики.2002, 368 с.

8. Грим Г. Спектроскопия плазмы. М.: Атомиздат, 1969, 452 с.

9. Радиационные свойства газов при высоких температурах. // Каменщиков В.А. и др. М.: Машиностроение, 1971, 366 с.

10. Методы исследования плазмы (под ред. Лохте-Хольтгревена В.). М.:1. Мир, 1971,552 с.

11. Диагностика плазмы (под ред. Хаддлстоуна Р., Леонарда С.). М.: Мир, 1967,515 с.

12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1979, 583 с.

13. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М: Наука, 1966, 686 с.

14. Трухан Е.П. Расчёт состава многокомпонентной равновесной плазмы. //ДАН БССР, 1968, т. 12, вып.5, с. 409 411.

15. Аблеков В.К., Калашников Г.Н., Козлов Н.П. и др. Расчёт состава плотных многокомпонентных плазм. // В сб. Теплофизические свойства низкотемпературной плазмы (под ред. В.М.Иевлева). М.: Наука, 19ч76, с.35-38.

16. Moore Ch.E. Atomic Energy Levels .Washington, Nat. Bureau Stand., v. 1, 1949, v.2 - 1952, v. 3 - 1958, v. 4 - 1978.

17. Бакеев А.А., Ровинский P.E., Широкова П.О. О поглощении излучения в ксеноновой плазме.// Опт. и спектроск., 1969, т. 17, с. 215 -217.

18. Грязнов В.К., Иосилевский И.Л., Красников Ю.Г. и др. Теплофизические свойства рабочих сред газофазного ядерного реактора. М.: Атомиздат, 1980, 304 с.

19. Термодинамические и оптические свойства ионизированных газов при температурах до 100 эВ. // Справочник под ред. Протасова Ю.С. М.: Энергоатомиздат,1988, 192 с.

20. Оптические свойства горячего воздуха. // Авилова Н.В., Биберман Л.М., Воробьёв B.C. и др. М.: Наука, 1971, 387 с.

21. Иванов В.А. Распадающаяся плазма с молекулярными ионами // Химия плазмы. Под ред. Б.М. Смирнова, вып. 13, М., 1987, с. 74 -114.

22. Калиткин Н.Н., Миронов A.M., Ритус И.В. Ионизационное равновесие с учётом вырожденных электронов. // Препринт ин-та Прикладной математики им. М.В.Келдыша АН СССР, 1983, № 155, 27 с.

23. Широков П.Д. Приближенные и численные методы расчёта состава равновесной плазмы. // Ж. вычисл. матем. и матем. физики, 1984, т.24, № 9, с.1372-1380.

24. Широков П.Д. Модели ионизационного равновесия, разрешимые явно. // Препринт ин-та Прикладной математики им. М.В. Келдыша АН СССР, 1987, № 131, 14 с.

25. Грязнов В.К., Иосилевский И.Л. и др. // В сб. Теплофизические свойства низкотемпературной плазмы (под ред. В.М.Иевлева). М.: Наука, 1976, с.25-30

26. Ковальская Г. А., Севастьяненко В.Г. Равновесные свойства низкотемпературной плазмы. // В сб. Свойства низкотемпературной плазмы и методы её диагностики. Новосибирск: Наука, 1977, с. 11-37.

27. Ковальская Г.А., Севастьяненко В.Г. Состав и термодинамические свойства плазмы, // В сб. Физическая кинетика. Новосибирск, 1974, с.1-38. (Аэрофизические исследования, Труды ИТПМ, вып.4).

28. Зельдович Я.Б. Доказательство единственности решения уравнений закона действующих масс. // ЖФХ, 1938, т.11, № 5, с.685-687.

29. Гаврилов В.Е., Гаврилова Т.В., Фортов В.Е. Рекомбинационно-тормозное излучение плотной низкотемпературной плазмы ксенона и аргона. // ТВТ, 1990, т.28, № 4, с.625-628.

30. Борисов Е.К., Скороход Е.П., Шариков И.В., Ковальская Г.А. Столкновительно-излучательная модель в плазме сильноточного разряда. // Материалы международной конференции Физика и техника плазмы. Минск, 1994, часть 2, с. 58-59.

31. Скороход Е.П. Спектроскопические методы исследования физико-химических и тепловых процессов в плазменных устройствах. Диссертация, автореферат диссертации д.т.н., 2002, М.: МАИ, 41 с.

32. Киселёв А.Г., Скороход Е.П. Диаграммы состояний ксеноновой плазмы. // В Межвузовском сб. Горение и электродинамические явления. Чебоксары, 1990, с. 104-110.

33. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов, электронов, фотонов, С-Пб.: Из-во С-Петербургского ун-та, 1994, 336 с.

34. Физические величины, справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

35. Груздев П.Ф. Вероятности переходов и радиационные времена жизни уровней атомов и ионов. М.: Энергоатомиздат, 1990, 223 с.

36. Fuhr J.R., Miller B.J., Martin G.A. Bibliography on atomic transition probabilities (1914-1974). Washington, NBS, 1978.

37. Miller B.J., Furh J.R., Martin G.A. Bibliography on atomic transition probabilities (1977 1980). Washington, NBS, 1980

38. Wiese W.L., Smith M.W., Glennon B.M. Atomic transition probabilities. Washington, NBS, 1966, v.l, 1969, v.2

39. Бекефи Дж. Радиационные процессы в плазме. М.: Мир, 1971, 438 с.

40. De La Ripelle F. A study of the specific coefficients of ionization.

41. J.Phys. Radium, 1949, v.10, p.319-329.

42. Elwert G. Ionization and recombination processes in a plasma, and the ionization formula for the solar corona. //Zs. Naturforsch, 1952, Vol.7a, p.432-439

43. Колоколов Н.Б., Благоев А.Б. Процессы ионизации и тушения возбуждённых атомов с образованием быстрых электронов. // УФН, 1993, т. 163, № 3, с. 55 -77.

44. Bates D.R., Kingston А.Е., McWhirter R.W. P. // Proc. Roy. Soc., 1962, vol. A267, p. 297-321.

45. Биберман JI.M., Воробьёв B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982, 375 с.

46. Смирнов В.А. Исследование неидеальной плазмы в условиях капиллярного разряда. Кандид, дисер. ГОИ. Ленинград, 1979.

47. Кипаренко Г.Ф. Диагностика водородно литиевой струи КРИС. //Сб. МАИ. Исследования по теоретической и прикладной физике 1974, вып. 290, с. 140- 144.

48. Скороход Е.П., Ананьев А.Ф., Борисов Е.К. и др. Спектроскопия эрозийной плазменной струи // Теплофизика и аэромеханика , 1994, т. 1, вып. 3, с. 205-212.

49. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры. М.: Атомиздат, 1978, 256 е.

50. Семиохин И.А. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме. Изд-во Московского университета, 1988, 142 с.

51. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И, Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. М.: Наука, 1973, 142 с.

52. Shindo Н and Imazu S 1980 J.Quant. Spectrosc/Radiat. Transfer, v. 23, p. 605.

53. Воробьев B.C., Железняк М.Б. Олределение концентрации и температуры электронов по абсолютной интенсивностиспектральных линий в неравновесной плазме.// Опт. и спектроск., 1973, т. 35, вып. 4, с. 619 625.

54. Карелин А.В. Кинетика лазерных активных сред на переходах атомов и ионов с накачкой жестким ионизатором. Диссертация доктор, ф.м.н. М.: ИОФАН, 1999, 301 с.

55. Янчарина A.M. Спектроскопия переохлажденной плазмы и плазменные лазеры. Диссертация доктор, ф.м.н., Томск, 1995, 305 с.

56. Романов Г.С., Степанов K.JL, Станчиц .JI.K. Теплофизические свойства и спектральные параметры излучения многозарядной неравновесной плазмы. // ЖПС, 1991, т. 54, № 5, с. 825 832.

57. Гольдфарб В.М., Ильина Е.В., Костыгова И.Е., Лукьянов Г.А. Спектроскопическое исследование сверхзвуковых плазменных струй. // Оптик, и спектроск., т. 27, вып. 2, 1969, с. 205 208.

58. Скороход Е.П., Гаврилова А.Ю., Киселёв А.Г. и др. Распределения возбуждённых атомов неравновесной плазмы благородных газов. // Оптика атмосферы и океана. 2000 г., т. 13, № 3, с. 276 279.

59. Александров В.Я., Гуревич Д.Б., Подмошенский И.В. Исследование механизма возбуждения и ионизации в плазме Аг дуги. // Опт. и спектроск., 1967, т. 23, вып. 4, с. 521 527.

60. Александров В.Я., Гуревич Д.Б., Подмошенский И.В. Измерение коэффициента рекомбинации а в плотной Аг плазме. // Опт. и спектроск., 1968, т. 24, вып. 3, с. 342 347.76.0чкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006, 472 с.

61. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: Физматгиз, 1963, 463 с.

62. Мазинг М.А. Об уширении и сдвиге спектральных линий в плазме газового разряда. Диссертация к.ф.-м.н., М.: ФИАН, 1959.79Jackson D.A. pressure shifts and broadening in the arc spectrum of Xe/// J. Opt. Soc. Amer. 1976, v. 66, p. 1014-1016.

63. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978, 491 с.

64. Унзольд А. Физика звёздных атмосфер. М.: Ил., 1959, 511с.

65. Каули Ч. Теория звёздных спектров. М.: Мир, 1974, 193 с.

66. Фриш С.Э. Роль эффективных сечений атомов при возбуждении спектров. // УФЫ, 1957, т. 61, вып. 4, с. 461-^89.

67. Стриганов А.Р., Светницкий Н.С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизированных атомов. М.: Атомиздат, 1966, 899 с.

68. Калашников Е.В. Динамика и излучение эрозийной струи диафрагменного разряда. // Кандид, диссер. ГОИ, С-Петербург, 1993.

69. Методы исследования плазмы под ред. Лохте Хольтгревена. М.: Мир, 1971,552 с.

70. Гаврилова А.Ю. Диаграммы метаравновесных состояний потоков благородных газов. // Кандид, диссер. М.: МАИ, 1999, 154 с.

71. Мс Whirter R.W.P., Heam A.G. A calculation of the instantaneous population densities of the excited levels of H-like ions in a plasma. // Proc. Phys. Soc., 1963, v. 82, p. 641-645.

72. Vlcek J and Pelican V. A collisional-radiative model applicable to argon discharges over a wide rang of conditions. Ill: Application to atmospheric and subatmospheric pressure arcs. // J. Phys. D: Appl. Phys., 1989, v. 23, p. 526-532.

73. Pitts R.E., Newson G.H. Shock tube, measurements of YI and YII oscillator strengths. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1986, v. 35, p. 383-391.

74. Hannaford P., Lowe R.M., Grevesse N. Oscillator strengths for YI and YII and solar abundance of yttrium. // Astrophys. J., 1982, v. 261, p. 736 -746.'

75. Велдре В .Я. Ионизация атомов электронным ударом. //Электронно-атомные столкновения. Рига, 1965, с. 3-86.1. Wbp

76. Мак-Даниель. Процессы столкновении в ионизованных газах М.: ИИЛ, 1958.

77. Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. М.: ИИЛ, 1958.

78. Lotz W. Electron-impact ionization cross-sections and ionization rate coefficients for atoms and ions. //Astrophys. J. Suppl., 1967, Vol 14, Nol28, p.207-238, Vol. 148, Nol, p. 313-314.

79. Dravin H.W. Collision and transport cross sections, EUR-CEA-FC-383, 1966, revised 1967, 184c.

80. Смирнов Б.М. Физика атома и иона. М.: Энергоиздат, 1986, с.123-124.

81. Dixon A.J., Harrison M.F.A., Smith А.С.Н. Ionization of metastable rare gase atoms by electron impact. //The Papers of VIII ICPEAC, 1973, Vol.1, p.405.

82. Human H.A. Electron impact ionization cross sections for excited states of the rare gases (Ne, Ar, Kr,He), Cd and H. J.Phys. Rev.A., 1979,v.20, N3, p.855-859.

83. Knorr G. On the ionization state and the radiation from impurity gases in a hydrogen plasma. //Zs. Naturforsch, 1958, Vol. 13a, Noll, p.941-950

84. Иванов B.A., Макасюк И.В. Спектроскопические исследованиядиссоциативной рекомбинации молекулярных ионов иэлектронов // ЖПС, 1988, т. 49, № з, с. 407 -412.