Рассеяние лазерного излучения в низкотемпературной плазме с дисперсными частицами твердой фазы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

< у

РОССИЙСКАЯ ЩЦЕМ НАУК ОШКИЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФИЛИАЛ РЕСПУБЛИКАНСКОГО ИНКЕНЕШО-ТЕХШЧЕСКОГО, ЦЕНТРА

РАССЕЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ С ДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦШ1 ТВЕРДОЙ ФАсН

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стешнл кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

КОЛЕСНИКОВА Татьяна Петровна

Омск, 1992

!

Работа выполнена в Омском научно-техническбм филиале Республиканского инженерно-технического центра СО РАН (г. Омск)

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Стрелков Г.М.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук Рогашкова А.И., кандидат технических наук Рудаков В.П.

Ведущая организация - физико-технический институт им. Завой-ского РАН (г. Казань)

ОО

Защита состоится " Хх" ал л. 1993 г. в /О часов

/ у

на заседании Специализированного совета Д 002.74.02 в Институте радиотехники и электроники РАН

Адрес Института: 103907, г. Москва, Центр, ул. Моховая, II С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН

Автореферат разослан "Ж" 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат технических наук Голубцов М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш» При решении широкого класса задач в метеорологии и геофизике, связанных с процессами в ионосфере, космогонических задач при изучении пылегазовых облаков и туманностей, запыленных атмосфер различных планет, в прикладных задачах оптимизации процессов плазменного напыления, нйтроцементации и других плазмохимических технологий априори необходима информация о параметрах как плазмы, так и частиц дисперсной фазы. Использование традиционного метода диагностики по рассеянию лазерного излучения в плазменных средах с дисперсными частицами твердой фазы (ДЧТФ) невозможно, потому что рассеяние в таких средах в наибольшей, степени определяется рассеянием на частицах дисперсной фазы.

Однако в плазменной среде дисперсные частицы, являющиеся центрами рассеяния, взаимодействуют с плазмой. В результате взаимодействия может происходить изменение структуры плазмы в окрестности частиц, установление либо изменение уже имеющейся ориентации несферических дисперсных частиц в направленном электрическом поле неравновесной плазмы, что изменяет характеристики рассеяния в плазме с ДЧТ& и может дать возможность по этим изменениям определять ее параметры. Актуальной является задача теоретического и экспериментального изучения процессов рассеяния лазерного излучения в низкотемпературной плазш с ДЧТФ, установления корреляционных связей между характеристиками рассеяния излучения, параметрами частиц и плазмы. Настоящая работа и направлена на решение такой задачи. В ней рассмотрены механизмы образования электронных неоднородностей вокруг ДЧТФ и их ориентация в газоразрядной плазме, приводящих к изменению характеристик"рассеяния, установлены связи между характеристиками рассеяния, па-

I 1

раметрами частиц и плазмы, и на их основе рассмотрена возможность диагностики параметров плазмы с ДЧТФ по результатам измерения угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного лазерного излучения.

Целью работы являлось изучение влияния параметров запыленной плазменной среды на параметры рассеяния маломощного лазерного излучения, и установление возможных корреляционных связей мезду параметрами такой среды и характеристиками рассеяния.

Научная новизна работы. Впервые теоретически и экспериментально рассматриваются процессы рассеяния лазерного излучения в низкотемпературной газоразрядной плазме с дисперсными диэлектрическими частицами твердой фазы с геометрическими размерами с1 , на порядок и более превышающими длину волны электромагнитного излучения (ЭМИ) , с учетом взаимного влияния плазмы и ДЧТФ. Показано, что наибольшее влияние на рассеяние излучения в запыленной плазме могут оказывать ДЧТФ с электронными неоднородностями и их ориентация в направленном электрическом поле газоразрядной шшзиы.

Впервые для рассмотрения влияния в«, рассеяние оптического излучения неоднородностей вокруг частиц дисперсной фазы с геометрическими размерами ¿»Л построены модели сложной частицы с непрерывно и дискретно менявшимися коэффициентами преломления на основе рассчитанного профиля распределения электронной концентрации в окрестности дисперсной частицы. Теоретически показано, что влияние неоднородной электронной оболочки вокруг ДЧТФ окиси алюминия на рассеяние, проявляющееся в отличии не более чем на 4% интенсивностей рассеяния на частицах с неоднородностью и собственно частицах, начинается при превышении электронной концентрации А N¿(5) в окрестности частицы в 10^ раз по сравнению со

г I

средне;: концентрацией электронов Л/е я плазме, что на два порядка тисе соответствующего превышения в исследуемой плазме с ДЧТФ.

Впервые разработана методика к проведен расчет углоеых зависимостей параметров Стокса рассеянного излучения для модели однородной частицы окиси алюминия эллипсоидальной формы с геометрическими размерами ё»Л при разных ее ориентациях с помощью интеграла Фраунгофера на углах рассеяния О0* 5° и методом геометрической оптики на углах рассеяния 360°.

Впервые разработан и изготовлен лабораторный многофункциональный комплекс, позволяющий изучать процессы рассеяния лазерного излучения в низкотемпературных плазменных образованиях с ДЧТФ, процессы взаимодействия ДЧТФ с плазмой путем измерения параметров Стокса рассеянного излучения на .углах 0,5°+ 145°, параметров частиц и плазмы. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных угловых зависимостей параметров Стокса и впервые показано, что зависимость параметров рассеяния от разрядного тока в плазме в основном связана с ориентацией частил дисперсной фазы б направленном электрическом поле плазмы, а степень ориентации дисперсных частиц около преимущественного направления максимальна при таком токе, когда величина произведения напряженности электрического поля и среднего заряда частиц имеет наибольшее значение.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретически и экспериментально доказано определяющее влияние ориентации диэлектрических эллипсоидальных частиц с геометрическими размерами ¿»Л в низкотемпературной газоразрядной плазме с ДЧТФ на параметры Стокса рассеянного лазерного излучения.

2. Теоретически и экспериментально доказана взаимосвязь параметров рассеяния лазерного излучения и параметров газоразрядной плазмы с ДЧТФ, а также возможность определения параметров

I 1

ДЧТФ и плазмы по измеренным характеристикам рассеяния излучения.

3. Разработана методика расчета угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного ЭМИ на однородных эллипсоидальных диэлектрических частицах с размерами (1»1 с использованием метода геометрической оптики на углах рассеяния 0*360° к применения интеграла' Фраунгофера на малых углах рассеяния.

Изменение параметров рассеяния лазерного излучения на дисперсных несферических частицах в газоразрядной плазме связано о переходом от хаотичной ориентации частиц к преимущественной ориентации по направлению электрического поля с максимальной степенью ориентации при таком разрядном токе, когда максимально взаимодействие заряаенных дисперсных частиц с направленным электрическим полем плазмы.

5. Степень ориентации однородных эллипсоидальных частиц в газоразрядной плазме определяется в основном величиной произведения среднего заряда частиц и напряженности электрического поля плазмы.

6. Теоретически и экспериментально показано, что наиболее сильное изменение индикатрис рассеяния линейно поляризованного в плоокости рассеяния лазерного излучения наблюдается при максимальной степени ориентации дисперсных частиц в плазме на малых углах рассеяния при увеличении более чем в два раза и на больших углах рассеяния 130° при уменьшении более чем на порядок•эначений интенсивности по сравнению с рассеянием на дисперсных частицах бег плазмы.

Научная и практическая ценность. Научная ценность работы за-¿слючаеюя в изучении и решении новых вопросов, перечисленных ранее.

: - Результаты работы могут найти применение при диагностике запыленных плазменных образований по рассеянному излучению для оп-

ределения некоторых параметров частиц и плазмы, таких как угол преимущественной ориентации ДЧ1Ф по направлению электрического поля плазмы, величина и знак заряда частиц, их размеры, величина направленного электрического поля в плазме, концентрация и частота соударений электронов. Такая диагностика может применяться как при осуществлении контроля и оптимизации технологических процессов получения порошков диэлектрических материалов в плазме, плазменного напыления, нптроцементации, так и при решении космогонических задач, задач ионосферной оптики.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами РЖР Омского государственного педагогического института (ОШИ) и Омского научно-технического филиала Республиканского инженерно-технического центра СО РАН (ОНТФ РИТЦ). Результаты работы налши отражение в четырех отчетах по плановым темам НАГИ, НПО "Сатурн", а также использовались в других организациях, что • подтверждается соответствующим актом.

Апробация. Результаты работы докладывались на П Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1285 г.), на ХУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1287 г.), на У Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Омск, 1990 г.), на XI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Ленинград, 1291 г.), на областных научно-технических конференциях, научно-практических конференциях ОГНИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, которые перечислены в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Со-дзркание диссертационной работы изложено на 166 страницах машинописного текста, проиллюстрировано 48 рисунками и 6 таблицами.

Список цитированной литературы состоит из 121 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, ставится задача и цель исследований, кратко излагается содержание диссертационном работы, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных рассматриваются особенности низкотемпературной плазмы с ДЧТФ, появляющиеся в результате взаимодействия электронов и ионов с крупнодисперсными диэлектрическими частицами с температурой плавления, большей температуры ионов плазмы, и параметром дифракции р» / , а такие их влияние на рассеяние маломощного лазерного излучения в запыленной плазме. Процессы перераспределения зарядов, импульсов, энергии всех взаимодействующих в запыленной плазме частиц вызывают нагрев, зарядку частиц дисперсной фазы, что может привести к изменению структуры плазмы в окрестности частиц, а также появлению ориентирующих моментов у диэлектрических частиц несферической формы при наличии направленного электрического поля в неравновесной плазме.

Состояние низкотемпературной плазмы с ДЧТФ в наибольшей степени определяется кулоновскими взаимодействиями заряженных частиц и выражается количественно через параметры взаимодействия: межэлектронный |е , электронно-частичный , межчастичный Уа , граничные значения которых разделяют области идеальном и неидеальной плазмы с упорядоченной либо неупорядоченной структурой, областями слабой л;;бо сильной неоднородности. Первые модели неод-нородностей в плазме рассматривались в работах Цытовича В.Н. В структуре низкотемпературной плазмы с ДЧТФ неоднородности могут связываться как с градиентом температуры в окрестности дисперсных частип при их нагреве в плазме, так и с градиентом электронной концентрации пру. их зарядке.

Для количественного описания неоднородностей вблизи поверхности частиц дисперсной фазы рассматриваются процессы нагрева и зарядки частиц в плазменной среде. Из уравнения теплопроводности с начальным и граничными условиями для частиц в ионизированной среде определялось время нагрева частиц до температуры, близкой к температуре ионов плазмы, с учетом вклада в теплообмен потоков электронов и ионов плазмы.

Величина заряда, который частица приобретает в плазме, определяется эффективностью процессов ионизации молекул газа - рекомбинации электронов и нейтрализации ионов на поверхности дисперсной частицы. Когда параметры взаимодействия малы и плазма идеальна, задача определения заряда частиц дисперсной фазы в плазме с ДЧТФ сводится к интегрированию уравнения Пуассона для потенциала электростатического поля заряженной дисперсной частицы совместно с кинетическими уравнениями Больщана для функций распределения элементарных частиц плазмы по скоростям. В неидеальной плазме, в которой дисперсные частицы обычно приобретают большие заряды и межчастичный параметр взаимодействия Ц ■» I, заряд частиц находится при решении уравнений Пуассона-Еольцмана в границах квазинейтральной ячейки в рамках ячеечной модели Вигнера-Зейтпа.

В неравновесной плазме электрических разрядов, где существует направленное электрическое поле, передача заряда большим дисперсным частицам с радиусом й»Л1 , тдеЛь - длина свободного пробега ионов, осуществляется и при столкновениях с движущимися в поле ионами и электрона!.® плазмы. При этом из уравнения зарядки определяется максимально возможный заряд частиц в плазме.

В процессе переноса зарядов в плазменной среде с ДЧТФ в окрестности дисперсных частиц устанавливается определенное распределение потенциала электростатического поля и электронной концен-

трации. Для одиночной эмиттирущей электроны сферической частицы в плазме приводится закон распределения электронной концентрации вблизи ее поверхности, когда область объемного пространственного заряда вокруг частицы описывается кулоновским потенциалом. Учитывая, что область с изменяющейся электронной концентрацией вокруг частицы ограничена в пространстве, систему "дисперсная частица + электронная оболочка" можно рассматривать как сложное неоднородное образование на фоне однородной плазмы.

Для несферических частиц дисперсной фазы в неравновесной плазме, где существует направленное электрическое поле, взаимодействие с плазмой может проявляться в ориентационных процессах, связанных с постоянным электрическим моментом дисперсных частиц либо индуцированным моментом за счет поляризации диэлектрических частиц в электрическом поле, а также с вращающим моментом вязких сил трения при движении частиц в плазменной среде. Суммарное воздействие указанных моментов сил на частицу дисперсной фазы определяет ее окончательную ориентацию.

При рассеянии ЭМИ в низкотемпературной плазме с ДЧТФ наибольший вклад в рассеяние дают дисперсные частицы с параметром дифракции . Частицы с неоднородностями в своей окрестности

на фоне однородной плазмы являются рассеивающими центрами с размерами, структурой и ориентацией, меняющимися при изменении параметров плазмы, что может влиять на характеристики рассеяния излучения в плазме с ДЧТФ. Для изучения степени этого влияния по литературным данным рассматривалось рассеяние на больших неоднородных сферических частицах при разных законах изменения коэффициента преломления едоль радиуса и на однородных несферических частицах эллипсоидальной формы при разной их ориентации.

-Оценка основных параметров рассеивающих центров для иссле-

дуемой экспериментально газоразрядной плазмы с дисперсными частицами окиси алюминия показала, что параметры взаимодействия связаны неравенствами Уа, что означает общую ее квазиоднородность . В окрестности частицы дисперсной фазы в плазме устанавливается распределение электронной концентрации N¿(2) , в сильной степени зависящее от величины заряда, приобретаемого частицей. При любых возможных зарядах частиц окиси алюминия в исследуемой газоразрядной плазме характерные размеры области с неоднородным распределением Ме(2) не превышают трех радиусов частицы, а максимальное превышение 1\1е в окрестности частицы над средней кон-

о

центрацией электронов в плазме порядка 10 раз. Такая структура исследуемой плазмы с ДЧТФ окиси алюминия позволяет рассматривать ее как идеальную с проявлением свойств неидеальности только в окрестности частиц на расстоянии не более четырех радиусов от центра частиц.

Во второй главе описываются различные модели рассеивающих центров в плазме (сложных частиц) с параметром дифракции Р>? 1 , и проводится теоретический расчет по ним характеристик рассеяния ЭМИ оптического диапазона - лазерного излучения с длиной волны Л=0,63МКМ. Сложная неоднородная частица с ядром из собственно сферической дисперсной частицы и оболочкой с неоднородным распределением коэффициента преломления, рассчитанным по изменению электронной концентрации вблизи ядра с зарядовым числом 2^= Ю^ , на фоне однородной плазмы, описывалась моделями

1) двухслойной частицы с однородным ядром и однородной оболочкой;

2) многослойной частицы, однородной в каждом слое, с однородным ядром;

3) двухслойной частицы с однородным ядром и электронной оболочной с коэффициентом преломления, меняющимся по ^иперболическо-

му закону от показателя преломления оболочки вблизи ядра до показателя преломления среды - плазмы.

Для сравнения рассчитывались параметры рассеяния по теории Ми для однородной частицы с размерами, аналогичными размерам и оптическим постоянным ядра сложной частицы из Л^О^. Расчет параметров рассеяния по модели I проводился по известным формулам в рамках формализма одночастичных функций Грина. В модели 2 описание рассеяния проводилось с применением электрического и магнитного потенциалов Дебая, которые строились в виде рядов по цилиндрическим и сферическим функциям при выполнении условий сопряжения на границах слоев. Модель 3 с плавной радиальной неоднородностью является упрощенным вариантом модели I, и решение для нее выражается через элементарные функции.

Непосредственно рассчитывались угловые зависимости нормированной интенсивности нормальной и параллельной компонент рассеянного поля, нормированной интенсивности щти элементов матрицы рассеяния » ^¿з » и степени поляризации ^ . Расчеты показали, что рассеяние на двухслойной частице с однородным ядром и однородной оболочкой отличается не более чем на 4% от рассеяния на сферической однородной частице только в случае, когда концентрация электронов в оболочке ^(й) превышает концентрацию электронов в среде на четыре порядка. Для моделей 2, 3 даже в этом случае отличие еще меньше вследствие меньшего градиента коэффициента преломления на границах слоев. Из этого следует, что неоднородности электронной концентрации в окрестноо-ти дисперсных частиц в низкотемпературной плазме при зарядах, которые они приобретают в исследуемой плазме, на рассеяние ЭМИ видимого диапазона длин волн не влияют.

По разработанной методике с использованием приближения гео-

метрической оптики на углах 0°+ 360° и применения интеграла Фраунгофера на малых углах рассеяния теоретически изучалась зависимость параметров рассеяния ЭМИ от ориентации диэлектрических несферических частиц, аппроксимируемых выпуклыми эллипсоидами вращения. Ориентация эллипсоида задавалась зенитным ^ и азимутальным ^ углами. Интенсивность в точке наблюдения определялась суммированием всех преломленных и отраженных по законам геометрической оптики еолн, падающих на элементарные участки эллипсоида. Кривизна поверхности эллипсоида учитывалась введением в амплитуду волны поправочного мнознтеля для фазы при входе волны в эллипсоид и на выходе из него.

Дифракция на эллипсоиде на малых углах рассеяния описывалась дифракцией Фраунгофера на тени эллипсоида в сечении, перпендикулярном направлению распространения падающего параллельного пучка. При этом в интеграле Фраунгофера, определяющем комплексную амплитуду рассеянной волны, параметры эллипса-тени выражались через параметры исходного эллипсоида с заданными углами ориентации § , (Ру. 3 ратаах выбранного приближения линейно поляризованная падающая волна дает л:ше::но поляризованную дифрагированную волну, что исключает теоретически:: расчет параметров Стокса рассеянной волны.

По полученным формулам на ЭВМ рассчитывались угловые зависимости параметров Стокса Jl, , ^ , II , 11 для углов рассеяния 0°+ 360°, 3" - для углов рассеязгая 0°+ 5° при падении линейно поляризованного в плоскости рассеязшя излучения на сфероид с размерами болыпс:: полуоси й*~20,28 ИКИ , отношением полуосей С[2 и разнит,и углами ориентации. Из расчетов следует, что изменение ориентации сфероида вызывает изменение значений интенсивностей рассеянного излучения J,t , не менее чем в два раза, а вблизи

экстремумов - не менее чем на порядок на больших углах рассеяния

5 180 и на малых углах до 5° в случае, когда отклонение больших осей сфероидов от вертикальной ориентации превы-

шает 10°. Угловые зависимости параметров Стокса U , С значительно сильнее реагируют на изменение ориентации сфероида, чем.?", J1 - их отличие может достигать нескольких порядков. Применение рассчитанных номограмм , У (в) ддя идентификации углов ориентации эллипсоидальных частиц возможно для всех ориентации, кроме случаев хаотичной, вертикальной и горизонтальной ориентаций сфероида, когда i/= 0 на всех углах рассеяния для падающего линейно поляризованного в плоскости рассеяния лазерного излучения.

Для изучения рассеяния ЭМИ системами хаотично и направленно ориентированных сфероидов проводилось интегрирование индикатрис рассеяния по углам ориентации в1}^°0т360 с равновероятным законом распределения, а также по размерам с логарифмически-нормальным законом распределения ддя основных ориентаций. Во всех случаях проинтегрированные индикатрисы рассеяния Сглаживаются и повышаются по уровню не более чем в два раза в диапазоне углов рассеяния 0°+ 0,5°, но понижаются более чем в два раза на углах рассеяния 6*0,5° до сравнению с кривыми для одиночных частиц соответствующей ориентации.

Учитывая сильную зависимость теоретических угловых характеристик рассеяния на больших сфероидах от углов ориентации, можно ожидать значительных изменений аналогичных экспериментальных характеристик рассеяния при наличии процессов ориентации дисперсных частиц в плазменной среде. Для определения условий возникновения полной ориентации сфероидальных дисперсных частиц в плазме газового разряда в зависимости от параметров частиц и плазмы рассматривались вращательное и поступательное уравнения движения

частиц. Максимальное электрическое поле, необходимое для полной ориентации частиц, определялось из условия соизмеримости времени ориентации под действием вращающих моментов за счет индуцированной поляризации диэлектрических частиц и вязкого стоксовского трения в плазменной среде и времени пролета частиц через исследуемый участок плазменной среды в поле сил тяжести, электрических сил и вязкого трения. Получено, что степень ориентации частиц в плазме, определяемая интегрированием функции распределения частиц по ориентациям в заданном телесном угле, определяется в основном величиной , где Е0- напряженность направленно-

го электрического поля в газоразрядной плазме с вязкостью/^ ;Маи (}а - масса и заряд частицы дисперсной фазы в плазме соответственно; д - ускорение свободного падения, и имеет наибольшее значение, когда произведение максимально.

В третьей главе описывается не имеющая аналогов многофункциональная экспериментальная установка для исследования газоразрядной плазмы с ДЧТФ, рассматривается методика измерения угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного лазерного излучения на малых и больших углах рассеяния, приводятся результаты экспера-ментатьннх измерений параметров Стокса в газоразрядной ллазмз с ДЧТФ при разных условиях и осуществляется их сравнение с теоретическими расчетами.

Экспериментальный комплекс состоит из следующих функциональных узлов: I)плазменной камеры с устройствами создания и контроля вакуума, зажигания разряда, подачи частиц дисперсной фазы, очистки отработанной среды; 2)оптических устройств зондирования и приема рассеянного излучения под малыш и большими углами с выводом на устройства записи,информации; 3)устройств для зовдового и СВЧ-активного и пассивного контроля параметров плазш, оптиче-

ского устройства контроля концентрации частиц, устройства контроля величины и знака заряда дисперсных частиц.

Устройство экспериментального комплекса позволяет создавать вакуум в пределах до 10 юл рт.ст. в атмосфере любого неактивного газа, получать плазму тлеющего и дугового разрядов с током до 10 А, подавать сыпучие дисперсные частицы твердой ф;азы с размерами до I мм и концентрацией до , где ]/а - объем одной частицы, измерять угловые зависимости параметров Стокоа на малых (0,5°+ 5°) и больших (15°т 145°) углах рассеяния, измерять параметры плазмы Те , Не < % зондовым, СВЧ-активным и пассиБНШ методами, измерять параметры частиц дисперсной фазы оптическим и электрическим методами.

Для зондирования запыленной плазмы использовались Нё-Нв лазеры ЛГН-105 и ЛГ-75 с мощностью излучения 2 мВт и 20 мВт соответственно, для приема излучения - фотоэлектронный умножита^ь ФЭУ-П8 и фотоэлементы типа ФДСМ. Для усиления электрических сигналов от фотоприемников применялись усилитель-преобразователь типа УПИ-2, осциллограф С1-74, записывающие устройства типа КСП-4.

Процесс измерения сводился к регистрации на ленте самописца напряжения на нагрузочном резисторе ФЭУ на разных углах наблюдения при фиксированных положениях поляроидов и фазовых пластинок в приемном канале и разных токах разряда. Значения параметров Стокса находились по калибровочным кривым для используемого ФЭУ. Оценка аппаратурных погрешностей проводилась методом контрольных измерений на совокупности сферических частиц латекса в разраженном воздухе в вакуумной камере и на всех углах рассеяния не превышала 10-15$. Максимальная погрешность результатов измерения интенсивности рассеянного излучения составляет 21%.

С целью изучения взаимного влияния дисперсных частиц и

плазмы проводилась диагностика параметров плазмы до и после введения частиц при разных разрядных токах. Концентрация и температура электронов в плазме с ДЧТФ измерялись как стандартными методами - зондовым и по отсечке сигнала, так и новым методом - по собственному СБЧ-излучению в районе плазменной частоты. Электронная концентрация N5 и температура ионов плазмы \ с ростом тока разряда незначительно увеличивались, а электронная температура Те при этом уменьшалась. С введением частиц тенденции оставались теш же, но абсолютные значения Ме , Те становились тем меньше, чем больше диаметр вводимых дисперсных частиц и их концентрация.

Заряд и знак заряда частиц дисперсной фазы в плазме измерялся методом статического вольтметра параллельно с измерениями по собственному СВЧ-изл^гченизо запыленной плазмы и изменялся в пределах (?а= 2,0-Ю г5,И0 '/СА при росте тока от 0,1 А до 0,5 А и увеличении среднего диаметра ч&^тта, от 36 до 45 мкм.

Измерение концентрации дисперсных частиц проводилось по ослаблению лазерного излучения в запыленной плазменной среде с помощью устройства, построенного по схеме сравнения интенсишостей двух световых потоков, и одновременно с измерениями интенсивности рассеянного излучения, которая для возможности сравнения при разных условиях в плазме с ДЧТФ приводилась к одной частице.

Для нормированных на одну частицу индикатрис рассеяния , ^(0) з плазме с ДТГО наблюдается сильная зависимость от тока разряда 1р . При увеличении разрядного тока от 0 до 0,5 А на углах рассеяния 0,5 4 0 < 2 интенсивность 0" увеличивается от 1,25 до 10 раз, одновременно уменьшаясь на углах рассеяния /45°

от 1,5 до 9'10^ раз, а 3х --от 1,3 до 8'102 раз. Показано, что такое изменение индикатрис рассеяния связано с ориентацией

несферических дисперсных частиц по направлению электрического поля газоразрядной плазмы, что определяется как путем расчета степени ориентации дисперсных частиц в плазме с параметрами, соответствующими разным разрядным токам, так и при сравнении экспериментальных ивдикатрис рассеяния , с теоретическим!, рассчитанными для разных ориентации эллипсоидальных частиц. Действительно, экспериментальные индикатрисы рассеяния лазерного излучения на дисперсных частицах как на малых, так и на больших углах рассеяния до включения плазмы подобны теоретическим индикатрисам рассеяния на хаотично ориентированных частицах, а при возрастании разрядного тока у них появляются экстремумы, характерные для индикатрис рассеяния ориентированных частиц. Наибольшее подобие достигается при токе 1р= А , когда максимальна и рассчитанная теоретически степень ориентации дисперсных частиц окиси ашсминия в плазме положительного столба тлеющего разряда, а измеренная величина направленного электрического поля в плазме превышает критическое значение, необходимое для полной ориентации дисперсных частиц. При этом произведение (?дЕ0 г как показали экспериментальные измерения параметров плазмы и частиц различными методами, имеет максимальное значение, что может являться критерием полной ориентации дисперсных частиц в газоразрядной плазме.

Таким образом, дисперсные частицы несферической формы, попадая е плазму случайно ориентированными, в отсутствие плазмы сохраняют свою ориентацию на всем пути движения, но в плазме заряжаются, ориентируются большими осями вдоль продольного электрического поля плазмы и имеют максимальную степень ориентации при максимальном взаимодействии частиц с полем. При дальнейшем возрастании разрядного тока 1р степень ориентации частиц опять уменьшается вследствие уменьшения величины произведения ,

так как напряженность поля £0 падает быстрее, чем увеличивается величина среднего заряда частиц (?а .

Представления об ориентации частиц дисперсной фазы в газо-рязрядной плазме при изменении тока, полученные из угловых зависимостей первых двух параметров Стокса ^'(0) , ^(д) , подтверждаются и поведением угловых зависимостей третьего И(8) и четвертого т параметров Стокса. Экспериментальные зависимости 11$) » Щв) > измеренные в диапазоне углов рассеяния 8= 15 т отличны от нуля даже в случае максимальной степени ориентации, таге как реальные частицы не строго сфероидальны и имеют узкое распределение по размерам и ориентациям вблизи вертикального направления. При рассеянии излучения на совокупности частиц без плазмы и в плазме при токе 0,4 А кривые 11(8) , ]/(6) имеют минимальный уровень по сравнению с соответствующими кривыми при токах 1 = 0,{гОМ ,0,5Ь и с погрешностью не более 30% близки к теоретическим кривым для ансамбля сфероидов, равновероятно распределенных по ориентациям в телесном угле в(= 0±-Ю вблизи вертикального направления. Параметр У при переходе от хаотичной ориентации ДЧ1Ф к направленной в диапазоне углов рассеяния вменяет знак на противоположный, что может быть критерием наличия эффекта ориентации дЧТФ в плазме.

На основе полученных соотношений между характеристиками рассеяния излучения в плазме с крупнодисперсными ДТГФ, зарядом и ориентацией дисперсных частиц, определяющихся параметрами плазмы и частиц, показана возможность п описана методика опредаления по индикатрисе на малых углах рассеяния концентрации Ме и частоты соударений % электронов в плазме с ДЧТФ по соответствующим значениям Нео* \о в незапыленной плазме, среднего угла ориентации частиц дисперсной фазы, их заряда или напряженности направленного

электрического поля в плазме.

Рассчитанные для примера по измеренной индикатрисе рассеяния на углах 0,5°+ 5° в плазме положительного столба тлеющего разряда с ДЧТФ окиси алюминия при разрядном токе 1р=0,{к значения параметров , ^е , совпали, в пределах ошибки измерения, с экспериментальными значениями.

В заключении формулируются основные результаты и выводы настоящей диссертационной работы.

В приложении помещен акт о внедрении результатов диссертационной работы на Омском заводе им. Октябрьской Революции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены основные эффекты, происходящие в низкотемпературной плазме с ДЧТФ в результате взаимодействия электронов, ионов и дисперсных частиц: нагрев частиц, образование электронных неоднородностей в их окрестности, ориентация несферических дисперсных частиц в направленном электрическом поле неравновесной плазмы. Проведены теоретические оценки времени нагрева частиц в плазме, величины их заряда, распределения электронной концентрации и коэффициента преломления в окрестности частиц дисперсной фазы, а также электрических полей, необходимых для ориентации частиц сфероидальной формы в плазме.

2. Построены модели сферической сложной частицы окиси алюминия в газоразрядной плазме с ядром из собственно дисперсной частицы и оболочкой с непрерывно либо дискретно меняющимся коэффициентом прелоиления. Проведены теоретические расчеты с использованием одночастичных функций Грина индикатрис рассеяния и некоторых элементов матрицы рассеяния на отдельной сложной частице с параметром дифракции . Показано, что на оптические характеристики плазмы с ДЧТФ могут оказывать влияние только такие несднород-

ности электронной оболочки вокруг дисперсных частиц, концентрация электронов в которых превышает более чем на четыре порядка среднюю концентрацию электронов в плазме.

3. Построена теоретическая модель рассеяния монохроматического линейно поляризованного ЗМИ на крупнодисперсных однородных частицах сфероидальной формы с параметром дифракции с учетом вклада в рассеяние дифрагированных, отраженных и преломленных лучей. Создана методика расчета угловых зависимостей параметров Стокса и проведен их расчет на частицах окиси алшиния сфероидальной форш с параметром дифракции Р*»^ и соотношением полуосей й*1&*=2 при разных их ориентациях.

4. Разработан и создан ноеий гагогофункцяоналышй экспериментальный комплекс, позволяющий создавать запыленную газоразрядную плазму, измерять парат,гетры плазмы: концентрацию, частоту соударений, температуру электронов зондовкм, СБЧ-активным и пассивны:.! методами, а также концентрацию ДИФ, параметры Стокса в оптическом диапазоне длин волн на малых и больших углах наблюдения.

5. Впервые теоретически и экспериментально показано резкое изменение (в несколько раз и более) параметров Стокса рассеянного лазерного излучения в газоразрядной плазме с дисперсшггяи частицами окиси алшиния несферической формы, близкой к сфероидальной,

с соотношением полуосей 0.^=2 и 180+225 при изменении разрад-ного тока от 0 до 0,5 А.

6. Впервые экспериментально и теоретически показано, что изменение угловых зависимостей параметров Стокса связано с ориентацией несферических дисперсных частиц в газоразрядной плазме. Степень ориентации частиц максимальна при таком разрядном токе, когда максимальна величина произведения заряда частиц на напряженность направленного электрического поля в плазме.

7. Впервые показана возможность и описана методика определения ориентации эллипсоидальных ДЧТФ, а также других параметров газоразрядной плазмы с ДЧТФ по измеренным индикатрисам рассеяния лазерного излучения на малых углах рассеяния: среднего заряда частиц дисперсной фазы или напряженности электрического поля в плазме с ДЧТФ, частоты соударений и концентрации электронов в плазме.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Колесников В.Н., Колесникова Т.П., Сухов В.И., Тищенко Ю.Г., Третьяков А.Г. Взаимодействие макрочастиц М2О3 с газоразрядной плазмой. -Теплофизика высоких температур, 1984, т. 22,

№ 5, с. 1004-1007.

2. Колесникова ТЛ., Колесников В.Н., Мингулов Н.Г. Особенности

4

лазерной диагностики плазмы с несферическими частицами. -В кн.: Диагностика запыленных плазменных образований. Препринт № 2. -Томск: Томск.научн.центр СО АН СССР, 1991, с. 3-21.

3. Колесников В.Н., Колесникова Т.П., Сухов В Л. Диагностика плоского плазменного слоя электрическими зондами и СВЧ-мето-

• даш. -В кн.: Магнитные и электрические измерения: Межвуз.сб. . тр./Омск, политехн.ин-т. -Омск: ОмПИ, 1980, с. II7-I20.

4. Колесникова Т.П., Колесников В.Н., Бабенко A.B. Рассеяние лазерного излучения на мелкодисперсных частицах в низкотемпературной плазме. -В кн.: Радиофизика и исследование свойств вещества: Республ. сб./Омск.пед.ин-т. -Омск: ОГПИ, 1986, с. 9095.

5. Колесникова Т.П., Колесников В.Н. Об особенностях неоднородной газоразрядной плазмы. -В кн.: У Всес. конф. по физике газового разряда. Тез. докл., часть I. -Омск: ОмГУ, 1990, с. I09-II0.

6. Колесникова Т.П., Колесников В.Н., Мингулов Н.Г. Расчет влияния ориентации крупных частиц в малоскоростном потоке на параметры рассеяния лазерного излучения. -Б кн.: Ж Всес. конф. по динамике разреженных газов. Тез. докл. -Ленинград: ЛШ, 1991, с. 59.

7. Колесникова Т.П., Колесников В.Н., Яклюшин A.B. Измерение рассеяния лазерного излучения на малоскоростном потоке частиц в газоразрядной плазме. -В кн.: XI Всес. конф. по динамике разреженных газов. Тез. докл. -Ленинград: ЛМИ, 1991, с. 186.

Подписано в печать 21.12.1992 г. Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.161/