Развитие ионизационной неустойчивости при взаимодействии потока неравновесной плазмы с магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

1.1. Основные представления об ионизационной неустойчивости

1.2. Основные результаты по исследованию ионизационной неустойчивости в инертных газах с присадкой щелочных металлов

1.3. Исследование ионизационной неустойчивости в чистых инертных газах

1.3.1. Методика проведения эксперимента

1.3.2. Расчет параметров неравновесной плазмы в МГД канале

1.3.3. Основное отличие развития ионизационной неустойчивости в инертных газах без присадки щелочного металла от газов с присадкой

1.4. Задачи дальнейшего исследования

ГЛАВА II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ

ДИАГНОСТИКИ

2.1. Экспериментальная установка

2.2. Методика определения концентрации электронов и температуры электронов

2.3. Ударная труба как эталон абсолютной интенсивности излучения

2.4. Оптическая схема измерений

2.5. Процедура определения температуры электронов

2.6. Процедура определения концентрации электронов

ГЛАВА III РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Характеристика газодинамических режимов

3.2. Картина светящихся неоднородностей

3.3. Средние значения концентрации электронов

3.4. Средняя температура электронов

3.5. Флуктуации концентрации электронов и температуры электронов

3.6. Скорость ионизации

3.7. Проводимость и параметр Холла

3.8. О балансе энергии электронов

3.9. Замечания о развитии ионизационной неустойчивости

Проблема устойчивости низкотемпературной плазмы в электрических и магнитных полях возникла в связи с исследованиями электрического разряда и течения плазмы в магнито-газодинамических каналах. Ионизационная (электротермическая) неустойчивость специфична для замагниченной плазмы с горячими электронами. Она обусловлена возможностью роста возмущений концентрации электронов, когда параметр Холла превосходит некоторое критическое значение. В данной работе исследуется ионизационная неустойчивость, развивающаяся при движении двухтемпературной плазмы в магнитном поле. Явление ионизационной неустойчивости было открыто около 40 лет назад. Ее интенсивное исследование было стимулировано работами, направленными на создание МГД генераторов закрытого цикла. Рабочим веществом генераторов этого типа является инертный газ с присадкой щелочного металла, который обеспечивает необходимую ионизацию. Поэтому обширный круг работ, посвященный исследованию ионизационной неустойчивости, относился к конкретному рабочему веществу: инертному газу с присадкой щелочного металла, где особенности развития неустойчивости обусловлены физическими свойствами щелочных металлов. Исследование интегральных характеристик МГД канала выявило основную особенность: в плазме с присадкой развитие ионизационной неустойчивости приводит к уменьшению эффективной проводимости.

Возникает естественный вопрос, возможно ли что в других рабочих средах с другими физическими свойствами развитие ионизационной неустойчивости может происходить несколько иным путем. В ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН группой исследователей был проведен цикл работ по изучению развития ионизационной неустойчивости в чистых инертных газах без присадки щелочного металла и была обнаружена противоположная особенность: в чистых инертных газах при условии МГД каналов развитие ионизационной неустойчивости приводит к возрастанию эффективной проводимости.

Основное физическое отличие инертных газов и щелочных металлов заключается в различии кинетики ионизации и рекомбинации. Так, например, характерное время рекомбинации инертных газов при параметрах МГД каналов может быть на порядки больше, чем характерное время рекомбинации для щелочных металлов. Задача данной работы заключается в том, чтобы выяснить, как это физическое различие может влиять на интегральные характеристики канала. Для этого требуется провести измерения локальных параметров плазмы, определить структуру неоднородностей и их изменение со временем, проследить эволюцию положительных и отрицательных флуктуаций и на основе анализа полученных данных представить физическую картину развития неустойчивости, объясняющую увеличение эффективной проводимости при увеличении степени закритичности магнитного поля.

В последние годы различными учеными выдвигается предложение об использовании чистых инертных газов для повышения эффективности преобразования энергии МГД методом. В этой связи в качестве перспективного рабочего вещества может оказаться ионизационно неустойчивая плазма чистых инертных газов.

Целью настоящей работы является изучение локальных параметров плазмы и установление их связи с интегральными характеристиками МГД канала.

Решение поставленных задач представляет собой заметный вклад в развитие магнитной газодинамики и физики низкотемпературной плазмы.

Новизна полученных результатов состоит в следующем: 1. Создана методика определения концентрации электронов и температуры электронов во флуктуациях.

2. Установлена связь между значениями концентрации электронов и температуры электронов во флуктуациях для ионизационно неравновесной плазмы.

3. Сопоставлены скорости развития ионизации во флуктуациях со скоростью развития ионизации в ламинарной плазме.

4. Выявлены особенности в появлении и развитии плазменных неоднородностей в плазме с неравновесной ионизацией.

5. Определено соотношение между эффективной и средней проводимостями.

6. Проанализирован баланс энергии электронов. Из сравнения балансов энергии электронов для докритических и закритических режимов обнаружено, что значительная доля энергии теряется во флуктуациях.

7. Проведен анализ механизмов развития ионизационной неустойчивости.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, отражающий состояние вопроса по теме диссертации. Уделяется внимание основным представлениям об ионизационной неустойчивости, обобщаются результаты по исследованию ионизационной неустойчивости в инертных газах с присадкой щелочных металлов и в чистых инертных газах. Приводится расчет газодинамических и электрических параметров плазмы. Выделяется отличие развития ионизационной неустойчивости в инертных газах без присадки щелочного металла от газов с присадкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы получены следующие основные результаты:

1. Показано, что в исследуемом диапазоне значений магнитной индукции, когда максимальные значения магнитной индукции (В=1.5Т) превышают критические значения в 2 - 3 раза, развитие ионизационной неустойчивости приводит к образованию крупномасштабных долгоживущих регулярных структур (страт) на фоне которых возникают более мелкие неоднородности. Скорость распространения светящихся неоднородностей близка к скорости потока, т.е. они как бы «вморожены» в поток.

2. Разработана методика определения локальных значений концентрации и температуры электронов, основанная на зависимости сплошного излучения инертных газов от температуры электронов, концентрации электронов и длины волны излучения. В работе приводится обоснование использования, в качестве эталона интенсивности излучения и температуры электронов, интенсивности излучения и температуры электронов в пробке ударно сжатого газа в ударной трубе.

Измерения показали, что в условиях эксперимента средние значения температуры электронов находятся в диапазоне (7000-г8500)К, средние

21 21 3 значения концентрации электронов в диапазоне (10 -ь- 510 )ш" , при этом расчетные значения концентрации атомов (1024-rl.2-1024)m~3. В крупномасштабных неоднородностях относительная флуктуация температуры электронов достигает «10%, относительная флуктуация концентрации электронов достигает 50%. Следует отметить, что во всем рабочем диапазоне параметров плазмы значения концентрации электронов были существенно ниже равновесных значений.

3. Выявлено, что в крупномасштабных неоднородностях с повышенной температурой наблюдается повышенная концентрация электронов и наоборот, в областях с пониженной температурой концентрация электронов оказывается также пониженной. При одном и том же значении магнитного поля флуктуации концентрации электронов и температуры электронов к концу канала увеличиваются, средние значения <Те> практически остаются постоянными, а средние значения концентрации электронов <пе> к концу канала увеличиваются. При увеличении магнитного поля увеличиваются флуктуации Те и пе , а средняя температура электронов практически не меняется, средняя концентрация электронов увеличивается. На основе измерений <пе> и <Те> на различных радиусах была измерена средняя скорость ионизации.

4. На основе обработки экспериментальных данных был сделан вывод, что в развитии ионизации доминирующую роль в увеличении средней концентрации электронов играют области с повышенной температурой.

5. Анализ баланса энергии электронов для осредненных значений параметров плазмы с использованием эффективных значений проводимости показал, что по сравнению с докритическими условиями при закритических значениях магнитного поля возникают, связанные с появлением флуктуаций, добавочные потери энергии электронов, которые могут составлять 50% от мощности джоулева нагрева.

6. Показано, что при значениях магнитной индукции больших критических (В>ВСГ) средняя проводимость плазмы <о> больше эффективных значений проводимости <7ejf, а средние значения параметра Холла <Д> близки к эффективным значениям Д^

7. Анализ экспериментальных данных и общих представлений о развитии ионизационной неустойчивости позволил сделать вывод, что в неравновесном инертном газе, когда характерное время рекомбинации больше пролетного времени, преимущественное развитие получают положительные флуктуации концентрации и температуры электронов. I '

Именно это обстоятельство ответственно за повышение эффективной проводимости при закритических значениях магнитной индукции.

1. Velikhov Е.Р. Hall instability of current-carrying elightly ionised plasma. -1.tern.Symp. Magnetoplasmadynam. Electr. Power Generation, Newcastle upon Tyne, 1962. Repts. London, Inst. Electr. Engrs, 1963, p.135-136.

2. Velikhov E.P., Dykhne A.M. Plasma turbulence due to the ionization instability in a strong magnetic field. Compt.rend. 6-e Conf. Internat. Phenomenos ionizat. gas, Paris, 1963. Vol.4, p.511-512.

3. Kerrebrock J.L. Nonequilibrium ionization due to electron heating. I. Theory. -AIAAJ., 1964, v.2, n.6, p. 1072-1080.

4. Недоспасов A.B. Страты. УФН, 1968, т.94, N3, c.439-462.

5. Шипук И.Я. Некоторые вопросы физики неравновесной плазмы и ее использование в МГД-генераторе. Дополнение к книге: Р.Роза. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. М.: Мир, 1970, -с.253-275.

6. Velikhov Е.Р., Golubev V.S., Dykhne A.M. Physical phenomena in a low-temperature non-equilibrium conductivity. -Atom. Energy Rev., 1976, v. 14, N2, p.325-385.

7. Руткевич И.М., Синкевич O.A. Волны и неустойчивости в низклтемпературной плазме. В сб.: Механика жидкости газа. Т. 14 (Итоги науки и техн. ВИНИТИ АН СССР). М., 1981, -с.127-204.

8. Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1979, - 168с.

9. Вулис JI.A., Генкин A.JL, Фоменко Б.А. Теория и расчет магнитогазодинамических течений. М.: Атомиздат, 1971, - 384с.

10. Митчер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы. М.: Мир, 1976, - 496с.

11. П.Велихов Е.П., Дыхне A.M., Шипук И.Я. Ионизационная неустойчивость вплазме с горячими электронами. Proc. 7th Int. Conf. Phenomena Ionized Gases, Belgrad, 1965. Vol.2, 1966, p.675-681.

12. Саттон Дж., Шерман А. Основы технической магнитной газодинамики. М.: Мир, 1968. 422 с.

13. Горячев В.Л., Ременный А.С. //Магнитная гидродинамика. 1974. Вып.З. С. 62-66.

14. Nakamura Т., Riedmuller W. Stability of nonequilibrium plasma in the regime of fully ionised seed. AIAA J., 1974, v.12, N5, p.661-668.

15. Жилинский А.П., Кутеев Б.В., Смирнов A.C., Фролов К.С. Исследование неустойчивости плазмы индукционного ВЧ-разряда в скрещенных полях при полной ионизации присадки. ЖТФ, 1980, т.50, N8, С. 1687-1695.

16. Маликов М.М. Экспериментальное исследование неравновесной плазмы. -ТВТ, 1970, Т.8. N2. С.260-265.

17. Solbes A, Nakamura Т., Kerrebrock J.L. Electrothermal Instability in plasma with current flow parallel to the magnetic field. Proc.ll Symp. Eng.Aspects Magnetohydrodynam. Pasadana, Calif., 1970. S.l. P.209-215.

18. Shioda S., Yamasaki H. Suppression of ionization instability in a MHD disk generator. AIAA J., 1974, V.12, p.1763-1764.

19. Карпухин В.Т., Леонов П.Г., Параев П.А., Шарыкин B.C. Исследование спектров колебаний плазмы при импульсном разряде в магнитном поле. -ТВТ. 1978. Т. 16. N1. С. 190-192.

20. Uncels R.J., Nelson A.M. Dynamic stabilisation of the electrothermal instability. -Plasma Phys. 1970. V.12. P.917-926.

21. Андропов В.Г., Синкевич О.А. Стабилизация ионизационной неустойчивости ВЧ-электрическим полем. ТВТ. 1974. Т. 12. N1. С. 1-4.

22. Даныциков Е.В., Лебедева В.О. О поведении эффективного холловского параметра неравновесной плазмы при наложении вспомогательного ВЧ-разряда. ТВТ. 1975. Т.13. N5. С. 1089-1090.

23. Амальская P.M., Голубев B.C., Даныциков Е.В., Лебедев Ф.В. Исследование устойчивости неравновесной плазмы ВЧ-рапзряда в поперечном магнитном поле. Физ. Плазмы. 1976. Т.2. N1. С.91-96.

24. Пашкин С.В. Влияние неупругих потерь энергии электронов на развитие ионизационной неустойчивости в плазме. ТВТ. 1972. Т. 10. N3. С.475-480.

25. Kerrebrock J.L., Dethlefseen R. Experimental Investigation of Fluctuations in a Nonequilibrium MHD Plasma. -AIAA J., 1968, v.6, N11, p.2115-2121.

26. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Исследование неоднородностей плазмы между коаксиальными электродами в магнитном поле. ТВТ, 1973, т.11, N2, С.245-250.

27. Недоспасов А.В., Шипук И.Я. Исследование проводимости плазмы в поперечном магнитном поле. ТВТ, 1965, т.З, N1, с. 186-190.

28. Голубев B.C., Лебедев Ф.В Влияние границ на ионизационную неустойчивость в разряде коаксиальной геометрии. ТВТ, 1972, т. 10, с.469-474.

29. Карпухин В.Т., Леонов П.Г. О высокочастотных колебаниях плазмы разряда в скрещенных полях ЕН полях. Письма в ЖТФ, 1976, N23, т.2, с.1084-1086.

30. Амальская P.M., Голубев B.C., Даныциков Е.В., Лебедев Ф.В. Исследование устойчивости неравновесной плазмы ВЧ-разряда в поперечном магнитном поле. Физ.плазмы, 1976, т.2, с.91-96.

31. Елецкий А.В., Рахимов А.Т. Неустойчивости в плазме газового разряда. В сб.: Химия плазмы. Вып. 4. М.: Атомиздат, 1977, - с. 123-167.

32. Райзер Ю.П., Шапиро Г.И. Об ионизационно-перегревной неустойчивости тлеющего разряда в переменных полях и стабилизирующем действии повторяющихся высоковольтных импульсов. Физ. плазмы, 1978, t.4.N4. С.850-857.

33. Жилинский А.П., Кутеев Б.В., Смирнов А.С. Исследование эффекта Холла в плазме индукционного высокочастотного разряда. Письма В ЖТФ. 1977. Т.З. N6. С.258-261.

34. Кутеев Б.В., Смирнов А.С. О стабилизации перегревно-ионизационной неустойчивости высокочастотным электрическим полем. Письма в ЖТФ. 1978.Т.4. N2. C.III-II4.

35. Klepeis J., Rosa R.J. Experimental Studies of Strong Hall Effects and UxB Induced Ionization. AIAA J., 1965. V.3. N9. P.1659-1666.

36. Barton J.P., Koester J.K., Mitchner M. Fluctuations in combustion MHDtVi

37. Generator Systems. 18 Symp. Engineer. Aspects Magnetohydrodynam., Butte, Montana, 1979. S., J. 1.1.-J. 1.8.

38. Витшас А.Ф., Голубев B.C., Маликов M.M. Исследование ионизационной неустойчивости в дисковом холловском канале. Electricity from MHD (Proc. Symp. Warsaw, 1968). Vol.1, Vienna, IAEA, 1968, p.529-545.

39. Нага Т., Umoto J., Inui Y. Numerical Analysis of the Nature of the Streamers in Noble Gas MHD Generator. Proc. 8th Int. Conf. on MHD Power Generation. Moscow. 1983. Vol.4. P. 136-139.

40. Inui Y., Нага Т., Umoto J. Numerical Simulation of the Discharge Structure inл

41. Nonequilibrium Disk Type MHD Generator. Proc.23 Symp. On Eng. Aspects of MHD, Somerset, Penn., 1985, p.461-475.

42. Zubtsov V.M.// Proc. 16th Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Dusseldorf. 1983.

43. Зубцов B.M.// VIII Международная конференция по МГД-преобразованию энергии. Москва. 1983. Т.4. С.152-155.iL

44. Zubtsov V.M., Ovsyannikov A.L.// Proc. 19 Internat. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Belgrade. 1989.

45. Zubtsov V.M., Ovsyannikov A.L.// 10th Internat. Conf. on MHD Electrical Power Generation. Tiruchirapalli. India. 1989. P.270-277.

46. A.Yu.Sokolov and S.Kabashima. Investigation of Ionization Instability in Nonequilibrium Disk MHD Generator 12 Internat. Confer. On Magnetohydrod. Electical Power Generator. Yokohama, Yapan. 1996. Vol.2. PP.751-761.

47. Ерофеев A.B. Диссертация к.ф.м.н. Ионизационная неустойчивость в плазме с неравновесной ионизацией при МГД-взаимодействии. JI. 1988. С. 198.

48. М.Б.Лютенко. Дипломная работа. С.Петербург. СПбГТУ, 1995.

49. В.А.Бржезицкий. Расчет и исследование электропроводности низкотемпературных плазм. ТВТ. 1972. Т.1. - с.7

50. S.C.Lin, E.L.Resler, A.Kantrovits. J.Appl.Phis. 1955. V.26. N1.

51. Р.В.Васильева, А.Л.Генкин, В.А.Горячев и др. Низкотемпературная плазма инертных газов с неравновесной ионизацией и МГД-генераторы. С.Петербург: 1991.

52. Васильева Р.В., Ерофеев А.В., Миршанов Д.Н., Тхорик Л.Г. Об устойчивости частично ионизованного газа с неравновесной ионизацией при расширении в поперечном магнитном поле. ЖТФ. 1980. Т.50. N8. С.1696-1704.

53. Васильева Р.В., Ерофеев А.В., Миршанов Д.Н., Алексеева Т.А. Об эволюции ионизационной неустойчивости плазмы с неравновесной ионизацией в МГД канале. ЖТФ. 1989. Т.59. N7. С.27-33.

54. Васильева Р.В., Ерофеев А.В. Критические условия развития ионизационной неустойчивости в релаксирующей плазме инертного газа при МГД взаимодействии. ЖТФ. Т.61. N4. С.47-53.

55. Лапушкина Т.А., Васильева Р.В., Ерофеев А.В., Зуев А.Д. Модель дискового магнитогазодинамического канала с фарадеевской коммутацией тока при использовании чистых инертных газов. ЖТФ. 1997. Т.67. N12. С.12-15.

56. Унзольд А., Физика звездных атмосфер. М.: Иностр.лит. 1949. С.630.

57. Биберман Л.М., Норман Г.Э. Успехи физ. наук. 1967. Т.91. С.193-246.

58. Биберман Л.М., Норман Г.Э. Опт. и спектр. 8, 433, 1960.

59. Дронов А.П., Свиридов А.Г., Соболев Н.Н. Опт. и спектр. 1962. Т.12. N6. С.677-690.

60. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Славный В.А., Шрейдер Е.Я. Таблицы спектральных линий. М., Наука., 1969, 784 с.

61. Ударные трубы// Сб. под ред. Х.А.Рахматуллина. Иностр. Лит. М. 1962. С.699

62. Васильева Р.В. Исследование взаимодействия потока плазмы в ударной трубе с магнитным полем при слабом магнитогазодинамическом торможении. Дисс. канд.физ.мат.наук. JL, ФТИ, 1969,175 с.

63. Тумакаев Г.К., Лазовская В.Р. Интерферометрическое исследование состояния ксенона и паров ртути в ударной трубе. /В кн. «Аэрофизические исследования сверхзвуковых течений» под ред. Ю.А.Дунаева М.-Л., 1967, с.74-103

64. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. М. 1954. 796с.

65. Р.В.Васильева, А.Л.Генкин, В.Л.Горячев и др. Низкотемпературная плазма инертных газов с неравновесной ионизацией и МГД генераторы. РАН, Физико-Технический институт им.А.Ф.Иоффе. С.Петербург. 1991. С.206

66. Т.А.Лапушкина, Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, А.Д.Зуев. Модель дискового фарадеевского МГД канала с фарадеевской коммутацией тока при использовании чистых инертных газов. ЖТФ, 1997.Т.67. №12. С.12-15

67. Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, Д.Н.Миршанов, Т.А.Алексеева. Об эволюции ионизационной неустойчивости плазмы с неравновесной ионизацией в МГД канале. ЖТФ. 1989.Т.59. №7. С.27-33

68. А.В.Недоспасов, В.Д.Хаит. Основы физики процессов в устройствах с низкотемпературной плазмой. М. Энергоатомиздат. 1991. С.224.

69. Л.М.Биберман, В.С.Воробьев, И.Т.Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М. Наука. 1982. С.376.

70. Отчет «Экспериментальное исследование процессов передачи энергии от электронов к тяжелой компаненте плазмы при селективном нагреве электронов». Гос. Per. 75046973. Л. 1977. С. 129