Слойный импульсный разряд как источник света для интенсивного облучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССЖКИК НдУЧШЙ ЦЕНТ? ТОСУДАРСТВЕЯНЬЖ ОПТйЧЕСКИК ИНСТИТУТ С.И.ВАВИЛОВА"

На правах рукописи УДК 537.52:533.9

СОБОЛЕВ ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

СЛОЙНЫИ Ю/ЛУЛЪСНКй РАЗРЯД КАК ИСТОЧНИК СВЕТА ДЛЯ ШГЕНСИЗН0Г0 ОБЛУЧЕНИЯ

01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-ШтерОург 1Э93

Работа выполнена в ВЩ "Государственный оптический институт имени С.К.Вавилова"

Научный руководитель - кандидат технических наук

К. В. Подмошенский'

Официальные оппоненты; доктор фн.с.кко-мэтематических наук

О. Б. Данилов

Ведущая организация - Академический научный комплекс •"Институт. теллсмяссообмена" АНБ

на заседании специализированного сойота К 105.01.01. в ВНЦ "ГОИ км. С.И:Вавилова" (199034,'Санкт-Петербург)

С диссертацией можно ознакомиться в оиблкотеяе института.

Учиша секретарь спе анализированного сове та

кандидат физико-математических наук Б.Г.дукое . ,

Защита состоится ".

и

А^тСр^ерсгт разослан 2 Ч. Од, /993,

кандидат физико-математических наук

И.Н.Абрамова

(п) ВНЦ "Государстьенный оптический инстлтутли-С.йЛ'.аоилова-", !?!'<

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми диссертации. Для исследований в области физики взаимодействия излучения с веществом. в фотохимии, а гагске для оптической накачки лайеров необходимы импульсные облучающие электроразрядные источники СЕета русской интенсивности. Причем современное развитие этих направлений науки и техники требует создания облучающих исто'нжкоз свопа с высокой интенсивностью излу-1 лучения, особенно в У1> области спектра, соотмтствуйцей яряостной температуре 20СС0-ЛС000 К, имокада при этом_ большую .поверхность свечения длительность есгмкки Ю~°-1СГ4с, малое время

включения ~Ю_ьс к обеспечквпнаих гисокуй однородность Фронта облучения, В этом случае наиболее подходящем вариантом облучающего источнике света, из различных типов кспшх' открытых иглучантпс разрядов гфедстг;Еляется-использование елейного импульсного разряда (СИ?). Он инициируется электтжчееккм взрывом фольги и является

га тс-' .1

ностааионаршл разрядом с гоюткой прззжИ с п8~М -1С см состав которой определяется, в основном, материалом фольга. Конфигурация фольга задает и. Фор?гу плазменного слоя. Влияние окружающей-газовой среда на поведение разряда обусловлено, главным образок, инерциальными свойствам.!! этой среда.. Достижение высокой яркости источника света при значительной позерхности свечения возможно только в условиях мощного электропитания СИР при токах юБ-Юь А и запасаемой энергии 10®-10® Да. В этом случпе бель кие преимущества в постановка эксперимента создает гибкая управляемость конденсаторного электропитания, позволяющего в широких пределах регулировать длительность, энергию и мсу.ент включения разряда.

Благодаря большой поверхности плазменного слоя и одномерности его расширения величина и временной ход облученности, создаваемой С'ЛР на объекте, определяется только величиной и формой импульса яркости плазмы. Поэтому вагашм направлением в исследовании СИР как источника света для интенсивного облучения является изучение его свойств и поиск . методов, обеспечиващих возможность управления величиной и формой импульса яркости плазмы.

Для мощных высокотемпературных • плазменных источшков света гарактерной является.проблема экранировки УФ и ВУФ излучения в периферийных зонах плазмы этих источников. В связи с этим необходимость получения выхода 'излучения а коротковолновой области спектра выдвигает задачу формирования СИР. и его .исследования в условиях, обеспечиващих" снижение возможной экранировки из-

лучения пара?,ж металла инициирующей фольги в оболочяе разряда. Перспективным в этом направлении представляется формирование разряда электрическим взрывом фольг малых толщин, а также использование для этой цели фольг из металлов с высоким потенциалом ионизации. Существенный рост выхода излучения СИР в коротковолновой области делает реальной перспективу исследования дополнительной экранировки УФ излучения в воздухе, обусловленной его фотолизом при мощном коротковолновой облучении.

3 СМР практически неизученной остается стадия послесвечения, интерес к которой вызван тем, что при инициировании разряда з воздухе заметный вклад в излучение может давать горение продуктов взрыва инициирующей фольги. Поэтому выяснение перспектив создания облучающего источника • света на основе горения электрически взрываемой фольги требует детального исследования этой стадии разряда.

Целью работы являлось установление рабочих характеристик СИР как источника света для интенсивного облучения. Достижение этой цели обеспечивалось исследованиями, направленными на совершенствование техники СИР и углубление представлен;® да его физике. Программа исследований предусматривала решение следующих задач:

1. Разработка принципов' создания высокоиктенсивкого облучающего источника света с большой поверхностью свечения на основе СИР и поиск методов управления его излучательными свойствами.

2. Построение физической модели стадии формирования и полуэмпирической модели высокотемпературной стадии СИР, разработка методов расчета его характеристик.

3. Исследование излучателькнх сеойств подлесвечения СИР.

Основные защищаемые положения и их научная- новизна.

1. Установлено подобие, яркостной температуры и плотности внутренней энергии СИР по величине удельной плотности разрядного тока на стадии нарастания тока до максимума в диапазоне от ? до 45 кЛ/см. Яркостная температура в УФ области спектра при этом изменяется от 12000- до 29000 К. -Показано наличие максимума яркостной температуры при вариации толдшш пшщиирующой фольги.

2. Разработан и- реализован' метод управления параметрами импульса излучения СИР на основе индуктивно-емкостного режима электропитания. Благодаря этому способу электропитания достигнуто формирование однородного разряда с большой излучающей поверхностью ~Ю?'см2 при использовании в качестве-плазмообразужего ма-трриала фольги из металла с высоким потенциалом"ионизации (цинк).

3. Достигнуто формирование и изучены электрические и световые характеристики СИ? в режиме электропитания-с паузой тока, возникающей при увеличении длины разрядного промежутка.Разработана физическая модель начальной стадии разряде в этих условиях.

4. Разработан метод численного расчета параметров СИР на основе полуэмпирического моделирования.

5. Определены пороговые рекимк закипания электрически взрываемых еднзсаиевкх фолы в воздухе. Установлено, что яркостная температура пламоки горения достигает значений, =»3700 К, близких к предельному, определяемому темпера турой' кипения AlgOg, и слабо зависит от реч:има зажигания. Разработан метод расчета оптимальных резшюг инициирования горения электрически взрцваемак $шьг.

6. Сбнарукен эффект дополнительной: акранировки воздухом ультрафиолетового излучения СИ? в диапазоне длин зола короче 260 нм, обусловленный активным фотолизсУ кислорода воздуха мощным излучение» разряда в полосе непрерывного поглощения Шумапа-Рунго.

Практическая .Ценность работы.

1. Разработанная на основе полуэмпиричесгтой модели СИР метод расчета позволяет определять характеристики разряда при вариации в широких диапазонах параметров электрической цепи и геометрических размеров источника светв. 'Метод внедрен в практику инженерных расчетов разрядов с требуемнми излучаТ'елызпми характеристиками.

2. Сведения по дополнительной экранировке воздухом УФ излу-1енкя, возникающей вследствие фотолиза кислорода, необходимы" при-эассмотренпи переноса излучения и оценки спектрального состава )блучения от высокотемпературных явлений (сильнш ударные волны, жльноточные импульсные разряда,-высокотемпературные взрывы).

3. Результата исследования. излучателышх свойств горения, (лектрически взрываемых фсльг к метод расчета оптимальных режимов тжигания и горения целесообразно использовать - для создания "ермохимических источников оптического излучения.

4. Информация о формировании разряда в условиях с паузой ока при увеличении длины разряда и метод управления его изучением .в индуктивно-емкостном режиме электропитания сущэст-екно расширяют возможности использования СИР для. оптической акачки газовых лазеров.

Апробация работы я публикации. . Результаты работы докладыва-ись и обсуждались на V Всесоюзной конференции по физике шзко-эмпературной плазмы(Киев, 1970г.>, на VI Всесоюзной конференции Яинамика излучающего Газе" (Москва, 1987 г.), на VIII Всесоюзной

липциранцик по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействия с веществом (Иркутск, 1989г.)', кэ VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991г.), на II Всесоюзном сишоузкме по радиационной плазмодинамике (п.Кацивели Крымской обл., 1991г.).

Основное содержание диссертации отражено в 8 статьях.

Личный вклад автора. Все основные теоретические и акспери-ментальные результаты диссертационной работа получены личйо автором. Участие руководителя при постановке работ и анализе результатов, а также сотрудников лаборатории в проведении измерений отражено в совместных публикациях.

Структура и объем работ». Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения к списка цитированной литературы. Изложена на 198 машинописных страницах, включая 44 рисунка, 2-таблицы и список литературы, содержащей 146 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ -

В главе I представлен.обзор литературных данных, посвященных разработке и исследованию импульсных электроразрядшх источников света, способных давать интенсивные потоки-излучения., в-видимой, УФ и ВУФ областях спектра. Рассмотрены источники света типа сильноточных излучающих- разрядов"»: плазмодинамических разрядов. При этом наибольшее внимание уделено открытым разрядам, имеющим при высоком уровне яркостной. температуры 20000+30000 К большую поверхность свечения ~ I03 см2, а именно поверхностному разряду 'к сильноточным ■ разрядам, инициируемым электрическим - взрывом проволочек и фольг. Сопоставление основных свойств излучающих разрядов различных типов выявило перспективность СМР как наиболее подходящего варианта сильноточного разряда для использования в качестве' мощного источника'света с большой равномерно излучающей поверхностью. Из анализа литературных сведений, сформулированы основные задачи исследований СИР, направленные па изучение егс свойств как источника .света для интенсивного облучения.

В главе II дано описание ;стенда для исследования слойно1 импульсного разряда.

В состав стенда входят генераторы импульсного тока (ГИТ) электроразрядные устройства и аппаратура для диагностики импульс ных плазменных источников. В качестве ГИТ для электропитания СИ" служила высоковольтная конденсаторная батарея с , начальны напряжением до 30 кВ и запасаемой энергией до 5-10° Дж. Осиовш

исследования СИР были выполнены с использованием электроразрядного устройства, в котором длина разрядного промежутка составляет 40 см. Главными элементами - конторукции этого устройства являются стеклотекстолитовзя гер-мог/.зируемая камера диаметром 48 см и электродный узел, . состоящий из пары трубчатых электродов ' с внутренним диаметром 16 см и внешним 18 см, установленных соосно с разрядной камерой. Исследования СИР в. режимах с паузой тока были выполнены с использованием электроразрядного устройства, з котором стеклотекстолитовзя разрядная - камера имела длину 200 см и внутренний диаметр 20 см. Кольцевые электроды с внутренним диаметром ■равным диаметру разрядной камеры вплотную примыкали к ней с обеих ' сторон. Фольга, электрический взрыв которой инициировал разряд, перед опытом зашкала промежуток между электродами.

Условия крупномасштабного эксперимента на стенде, Енра:кз:о-щиеся в большой величине вкладываемой в разряд энергии,разветвлен-ности цепи электропитания •и значительных размерах разрядных устройств, обусловливали значительную стоимость и длительность подготовки опытов. Поэтому для изучения СИР был построен многоканальный диагностический комплекс, способный дать за один опыт достаточно полную информацию о свойствах разряда. Б его оптической части основу составляют приборы, и методы, разработанные в ГСИ для спектральных исследований излучающей плазмы.

За один опыт комплекс аппаратуры обеспечивал приведение следующей диагностики СИР: 'съемку интегрального и развертки спектров с помощью дискового спектрохронографа' СП-452 и.спектрографов ИСП-30, измерение спектральной яркости фотоэлектрическим методом'в четырех длинах волн, скоростную.фоторегистрвци» динамики формирования и развития плазменного тела, а также осциллографи-рование разрядного тока, его производной и напряжения на разрядном • промежутке с использованием соответственно поясов Роговского и высоковольтных делителей напржения.- Монохроматизация излучения в диапазоне 240- 410 нм осуществлялась с помощью- интерференционных светофильтров с полушириной 5 ем, а в видимой области спектра с помощью полосовых фильтров с полушириной 15 нм, составленных из цветных оптических стекол.- Для передачи' изображения излучающий плазмы па приборы использовался специальный' набор квпрц-флгорк-• тогях' яхр';мат.1ческих сошггктоп 'с фэкуешш расстояниями • огп^кх: <;:.!.¡и;.'■гк'г'гм^илг, г1-:\;:уиг>ог->сп отУж-ских г.-.-г.-..-огус^^п-: -¡-, ¡..

с помощью плазменного эталона яркости "Импульс-5".

Исследование горения электрически взрываемых алюминиевых фольг б воздухе проводилось на установке,-в которой в качестве ГИТ служила конденсаторная батарея с нарядным напряжением до 3 кВ' и энергозапасом до 1,8-10" Дж. Фольга устанавливалась между плоскими электродами с расстоянием между ними до 30 см. Измерение разрядного тока в этой устновке осуществлялось с помощью низкоомного малоикдуктивного шунта. Оптическая диагностика пламени горения проводилась с использованием описанного многоканального диагностического комплекса.

Глава III посвящена исследованию возможностей управления характеристиками СИР.

Исследовалось поведение таких характеристик СИР как величина и форма импульса излучения, спектральный .состав, внутренняя энергия, степень однородности излучающей поверхности и динамика развития плазмы. . Управляющими параметрами являлись: толщина фольги, вид металла, сила разрядного тока, напряжение на разряде и его геометрические - размеры. Изучалось поведение разрядов одностороннего типа, инициируемых в атмосфере воздуха при нормальном Давлении.

На первом этапе 'было проведено сравнительное исследование наружного и внутреннего разрядов.и выявлены причины, определяющие особенности их поведения на примере СИР, инициируемого алюминиевой фольгой толщиной 6 мкм.

СИР исследовался в разрядном устройстве с длиной разрядного промежутка 40 см при начальном напряжении 25 кВ и имел диаметр 18 см.

В этих опытах инициирующая фольга оборачивалась вокруг элек-тродав и ей придавалась форма цилиндра. При этом в зависимости от того внутренняя или наружная поверхность этого цилиндра была заклеена диэлектрической пленкой ..формировался соответственно наружный илй внутренний разряд. - Амплитуда разрядного тока для обоих вариантов разряда составляет I,15■I06 А, длительность первого полупериода 50 мкс. СИР имеет форму правильного цилиндрического слоя- с равномерным распределением яркости по поверхности. Перед фронтом плазмы движется цилиндрическая ударная волка. В динамике излучения обоих вариантов СИР также как и в. двухстороннем разряде можно выделить три стадии, а именно: стартовую, характеризующуюся быстрым нарастанием яркостной температуры -I010 к/с, високотемпо-

- -с; -

paтурнув, соответствующую первому по луперисду, и послесвечение длительностью «150 же. Спектра разрядов имеют вид континуума, на Фоне которого хорошо заметна сильно ущренаые на начальной стадии разряда линии ЛИ в поглощении, а в спектре- наружного CLTP заметны так:".о лаем AHI е излучении. Фронт плазмы наружюго' разряда, движущийся в начале процесса со скоростью 1,4 км/с, останавливается к максимуму тока. Внутренний разряд расширяется в максимуме тока со скоростью 1,7 км/с. Несмотря на одинаковые значения вложенной энергии, яркости этих разрядов существенно отличаются: яркостная температура внутреннего разряда в максимуме тока составляет 22000 К, наружного - 13000 К. Эта, разница обусловлена достижением плазмой внутреннего разряда значительной оптической толщины и взаимным радиационным подогревом плазмы.

Для ограшчения разрядной поверхности часть наружной стороны фольги толщиной 6 мкм заклеивалась симметрично четырьмя полосками' лавсановой пленки вдоль образующей цилиндра. При этом внутренняя поверхность была заклеена полностью. 3 этих условиях .величина удельной плотности тока, которая определяется как отношение полного тока к ширине разряда, варьировалась в СИР от 7 до 70 кА/см, а величина яркостной температуры от 11000 до 32000 К. Спектр разрядов, имеющих площадь менее 2/3 от пллощэди разряда на полней поверхности цилиндра, соответствует спектру. АЧТ. Для этих режимов СИР не наблюдается остановки внешней границы плазменного слоя в максимуме тока.

Были изучены-зависимости яркостной тегятературы Гд и плотности внутренней энергии разряда ^ ст удельной плотности тока í. зу (í) - это величина энергии в'I см"6 плазменного ' слоя к моменту времени t. Она определяется как ~ шизл^' где и

t¿» ^Сí) - плотности соответственно вложенной и излученной энергии. Излученная из канала разряда энергия, вычислялась в полосе до границы фотоиошзации компонет воздуха Хгр=Ю2нм в предположении, что СИР излучает как АЧТ с температурой, равной яркостной температуре, измеренной в УФ области, спектра. Следует отметить, что газодинамические потери не превышают.к максимуму тока 5%, а к кенцу первого полупериодя 10% от вложенной энергии. Оказалось, что в опытах с разной суммарной шириной плазменного слоя в момент достижения одинаковых значений t соответствующие значения Гд(() и w (I) практически совпадают, то есть величина t в СИР является параметром подобия. С увеличением максимального значения ( от 20- до 40 кА/см

т 9. -

наблюдается рост к.п.д. разряда т)= "^gj/f с 20 на момент

максимума тока и с 22% до 54% на момент-завершения высокотемпературной фазы.

При вариации толщины инициирующей, фольги от' 6 до 20 мкм яркостная температура' в стартовой: фазе увеличивается с 12000 до 17000 К. Значение -же максимальной яркостной температуры при stow практически не изменяется и составляет в 1=408 нм 18300 К.

Качественные и количественные изменения претерпевают характеристики. СИ? в случае его/инициирования субмикроннкми алюминиевыми фольгами. Это показало сравнительное исследование разрядов длиной 40 см, инициируемых взрывом алюминиевых фольг толщиной 0,06; 0,5 и 7 мкм на наружной -поверхности цилиндрического объема диаметром 16 см. Бо временном ходе" импульса излучения, который коррелирует с ходом тока, стартовая ф^за отсутствует. Наблюдается существенное, более чем на 2500 К, .превышение Г - в УФ области спектра при использовании фольги 0,5 мкм над соответствующими значениями этой величины в разрядах на фольгах 0,06 и 7 мкм. Более чем на порядок уменьшилась икрина контура поглощения доший АН на начальной стадии разряда, что говорит о.соответствующем уменьшении массы паров 'над плазмой. Значительно возросла прозрачность плазмы при уменьшении толокши фольги от 0,5 до 0,06 мкм.

Для- управления формой импульса излучения СИР Епорвые был реализован метод индуктйвко-емкостного режима электропитания разряда, Он заключается в том, что параллельно разрядному промежутку вблизи от плазмообразуюгдей фольги подключается дополнительный проводник в диэлектрической' оболочке, выполнякщий фушсцию 'электровзрывного -коммутатора тока. Варьируя сечение дополнительного проводника, можно.было•менять к моменту его взрыва величину энергии, запасаемой в индуктивности контура, выделение которой на этой стадии в формируемый слой-- плазмы и определяет уровень яркости на фронте импульса излучения.. Опыты показали,- что при таком способе электропитания фор,и импульса излучения и • газодинамические свойства СИР. практически не-отличаются от соответствующих характеристик разряда, инициируемого в обычном емкостном ренате ' электропитания фольгой, сечение которой совпадает с суммарным сечением дополнительного проводника к плазмообразущей фольги: Что касается характера спектра, то он соответствует спектру разряда, инициируемого В ОбЫЧНОМ рОЖИЫ8 фЗЛЬГОЙ, КОТОРОЙ В ЙВДУХТИШО--С-ХКрСТИО!» режиме электрштпшя илюл^яет-роль ц.^.мЪбрйзун.деЯ л:. '

В работе впервые показано, что индуктивно-емкостной резким электропитания СМ? обеспечивает возможность формирования однородного плазменного слоя электрическим взрывом фольги из металла с высоким потенциалом ионизации, в частности, цинковой фольги. Були проведена опыты, в которых СИ? длиной 40 см инициировался электрическим взрывом цинковой фольгл толщиной 0,14 мкм на наружной поверхности цилиндрического объема диаметром 16 см при использовании в качестве дополнительного проводника алюминиевой фольги толщиной 7 мкм и пириной 44 см. В динамике излучения СИ? наблюдается стартовая фаза с ?я=12000 Н в Х=326 км, высокотемпературная фаза с Гя=19900 К, коррелирующая с ходом тока в первом полупериоде и послесвечение с уровнем Тв во втором полупериоде менее 7000 К. Спектр разряда - сплошной, на фоне которого видны в излучении линии Znll и слабо реабсорбировзнные в стартовой фазе линии Zni. При увеличении толщины фольги до 0,7 мкм и изменении удельной плотности тока от 30 до 50 кА/см линии Zni и Znll сливаются с континуумом.

Исследование особенностей формирования, излучательных свойств' и даягмккк развития Clip в рехжме ' электропитания с паузой тока проведено при кратном увеличении длиш разрядного промежутка. СИР инциирозался электрически,: взрывом трех полос алюминиевой фольги каждая длиной 190 см, шириной 10 см й толщиной 7 мкм, располагавшихся на внутренней поверхности разрядной камеры диаметром 20 см. Наблюдается сильная зависимость длительности паузы тока от начального напряжения. При его увеличении с 25 до 30 кЗ пауза уменьшается с 24 до 12 мкс. Формирование однородных по яркости плазмешых слоев над поверхностью 'взрываемых фольг. происходит для UQ=25 кВ за время 28 мкс. Начинается этот процесс' с появления узких каналов плазмк над краями фольг в момент времени, соответствующий примерно .середине паузы тока. Ток- в 'плазме достигает максшального значения 4,4'Ю5 А'через 40 • мкс после завершения формирования разряда. При этом Тяаах =17000 .К. Возникновение паузы тока обусловлено снижением напряженности электрического поля Е при формировании плазмы почти на порядок до 130 В/см по сравнению с беспаузными реззмэмн электропитания.

Глава 1? посвящена разработке методов расчета электрических, из'лучательных и термодинамических характеристик СИР.

Так как излучение..плазмы СИР близко к излучотею АЧТ, то основным параметром, характеризующим его излучательную способность,

можно считать яркостнув температуру. Расчет яркостной температуры плазм;: и разрядного тока проводился на основе полуэмпирического моделирования СИР. При составлении уравнения энергобаланса разряде, которое в совокупности с.дифференциальным уравнением колебательного контуре определяет развитие во времени его основшх параметров, использовались эмпирические зависимости яркостнсй температура Т XI) и плотности внутренней энергии ш(1) от удельной плотности тока-!. Кроме того, моделирование нагрева инициирующей фольги проводилось с использовакнием ■ эмпирической зависимости роста сопротивления алюминия от удельной энергии. На основе изложенного подхода была- решена задача численного расчета разрядного тока и яркостной ■ температуры плазмы С'/Р. Различие экспериментальных и расчетных значений разрядного ' тока и яркостной температуры плазмы не превыаает 12% при вариации исходных параметров в достаточно широком диапазоне, а именно: емкость изменялась от 200 до 1100 мкФ, период - от 50 мке до 100 мне, диаметр разряда от 5 см до 18 см, , длина разряда от 40 до 190 см и толщина фольги от 6 мкм до 50 мкм.

Для расчета параметров плазмы .нй . стадии формирования СМР в Условиях с паузой тока проведено физическое моделирование . этого процесса.Согласно- предложенной модели, .'при нагреве фольги до температуры кипения и поддержания в ней постоянного электрического поля Г происходит наработка слоя паров,' расширяющегося с постоянной скоростью,, существенно меньшей Скорости звука в .нем .ввиду малости величины Е. Давление, плотность и температура насыщенного пара определялись из решения системы трех алгебраических ' уравнений: уравнения энергобаланса, связывающего скорость' расширения парового слоя с мощностью, выделяемой в фольге, уравнения фазового равновесия и уравнения,■связывающего давление за скачкой уплотнения в воздухе, вызываемого расширением парового слоя, с давлением в невозмущенной атмосфере через скорость .расширения. Полученные данные служили начальными значениями для,решения дифференциального уравнения, описывающего изобарический нагрев паров в постоянном электрическом поле. Задача решалась на ЭВМ численным методом с использованием известных из литературы термодинамических характеристик и электропроводности плазмы алюминия, расчитанных по модели, учитывающей образование комплексных ионов при . низких температурах. Сопоставление -расчетного и -экспериментального значений времени формирования плазмы, показало, их-• удовлетворительное

согласие.

В главе V азложож регультатв иссдвдстькия спектрально-рчео-геткческкх свойств процесса горения ь рог.духе продуктов элолтрк-ческого згровя алкмкяйывой фмыъ, уемого ;«. стал;'?,

послесвечения С'/?. Представлена ?ыш рязрсботшжья на основ*-;' полученных данных методика численного расчета ретзчсв заткгр'яю электрически глри~по;лл фольг (5В\?>.

Хосл-югачко характеристик горения. ЭБФ прозедече г. условиях, когда бсльяад доля заодкмоЛ в разрядный пронжу ток онерпк: расходуется яс нагрев згркв фольги. .В-рысаемпя алдотбьзя *>.:л:-г: толщиной 20 мкм в форме прямоугольника 2x8 см2 зэхыкадй разрядной промежуток длине»; 8 см между плоским", электродами в контуре конденсаторной батареи энергоемкостью 1,8 кДх: при яачосш». кптряхв-Ш!и и0*& кВ. Полный разряд багзрзк происходят за 450 мне при длительности керзого полупериода тока 200 мкс. г„ плазмы е л=<;15 нм достигает 6300 К. О воспламенении продуктов взрыва фольги еккле-тельствует начингидайся с момента «0,4 мс рост Т , снизившейся в послесвечении разряда до 3400 К. Наблюдаемое увеличение интенсивности континуума обусловлено, по-видимому, появлением конденсированных. продуктов горения взорванной фольги, в частности и ростом их температуры. Через С,8 мс Т выходит на уровень 3600 У и поддерживается на нем в течение =»1,5 мс. Длительность импульса излучения пламени с уровнем Г.гйЗОО К около 3 мс. Значения Г. з разных длинах волн практически совпадают (см.таблицу), что ' свидетельствует о близости излучения пламени к излучению АЧТ. Скорость распространения фронта пламени у^ в направлении по нормали к плоскости фольги составляет =40 м/с. Форма и размер пламени стабилизируются к моменту времени" »1,2 мс и поддерииттся » течение =»2 мс. При этом площадь излучающей поверхности составляет =■-800 см2. '

Выделена совокупность удельных параметров, характеризующих взрыв фольги и СИР, которая однозначно определяет рекич зажгания ЭВФ безотносительно к геометрическим размерам фольги и параметра« ГИТ. Это вложенная энергия и>„ и мощность' ¿ц на момент взрыва фольги, когда ее сопротивление достигает максимума, а тькко вдл.езкая энергия ю на домен? окончания разряде. Вместо ¿"„кскно также рассматривать напряженность электрического шля связанную с :«Е через проводимость фольги. Характеристики зажигания и горения ЗВФ изучались при вариации У0 от 1,9 до 3,0 кВ. Данные, представленные

б таблице, раскрпьают важное свойство горения ЭВФ, а именно иеэа-

Таблица .

* и о кЬ. кДж г УБ Ев Б см ш рг кДж г то из Ф м с. ' I 407НМ я < бТоПМ

I 3,0 6,1 302 305 9,9 26,7 39 2620 3690

2 2,6 5,2 1С0 230 7,4 23,8 32 3590 3620

3 2,4 4,7 127 .' 208 6,0 19,1 28 3580 3640

4 2,2 3,7 61 143 4,2 13,2 24 3500 3640

5 2,0 3,0 3,0 ЬЗ 3,1 1,6 ¡3,4 1 2940 ЗТ10

висимость Г ггламеш от параметров зажигания при их вариации вплоть до порогового (У =2,2 кВ), при котором еще наблюдается разлет факела. Фактором, стабилизируем Г , является, по-видимому, то обстоятельство, что образующаяся при горений окись А1£03 достигает в 8Ш условиях температуры кипения 380С К. Наблюдается также высокая энергетическая эффективность горения Э5Ф для .резки?- щ зажигания с разлетом факела. Энергия излучения ш • почти вт; ; превосходит вложенную анергию и .Длительность импульсов излучения во всех.режимах примерно одинакова. При У <1у9 кВ фольга на разогревается до температуры кипения, горение не наблюдается.

Методом численного эксперимента решена задача о выборе размеров фольги при заданных параметрах контура электропитания, обеспечивающих оптимальный режим сязмгания ЭВФ близкий к одному из приведенных_ в таблице. С этой целью для низких скоростей ввода анергии при взрыве фольги по ■ экспериментальным данным построены зависимости н>)=Я(ц))/д относительного возрастания сопротивления алюминиевой фольги от удельного энерговклада ш,. Для характеристики сопротивления шунтирующего разряда построение этих зависимостей продолжено поело взрыва фольги. Значения для разных режимов при ш>1,б кДж/г существенно отличаются. Поэтому к' совокупности характеристик, определяющих режим зажигания, следует отнести и соответствующую зависимость 0(ш). Численный эксперимент состоит в решении на ЭВМ уравнения колебательного контура с использованием в качестве дополнительного условия для' определения' . Я зависимости соответствующей заданному режиму зажигания. В конечном итоге метод расчета заключается, в подборе цутэм численного эксперимента

розморов фольги, обеспечивающих минималмюв непород заданное отклонение расчетных значений u>n, Ев и и>„„ от соответствующих значений, характеризующих выбранный режим зажигания. Получении» в реальном эксперименте значения параметров, харвкторкэукцлх режимы икиаимровагая процесса горения, для фольг, размеры которых cape делены предложенным методом, хорошо согласуются с заданными па-а-v.eтремя зегаганкя.

В гл&во VI изложены экспериметэльные результаты, домонсгриру-:дио возможности СйР как высокоинтенсивного облучающего источника света в коротковолновой области спектра.

Существенной особенностью, отличавшей СИР от других, импульсных элоктроразрядннх источгккос света, является сочетание таких характеристик как- высокая скорость нарастания яркостной температуры ~Ю10к/с, значительная ~Ю3см2 поверхность плазменного слоя, возможность достижения при этом высоких, более 30000 К, значений яркостной температуры и близость его излучения к излучению ЛЧТ. Эти свойства разряда, а также то обстоятельство, что при темепера-туре АЧТ>30С00 К в спектральном диапазоне длин волн короче 155 нм излучается больше- 70% 'световой энергии, делаят СИР перспективным источником света для интенсивного облучения в коротковолновом -диапазоне спектра, в частности, для проведения: фотолиза молекулярных газов. Такая возможность применения- Cil? подтверждается обнаруженным в данной работе эффектом дополнительной эк-экранировки воздухом ультрафиолетового' излучения разряда в диапазоне длин волн короче-260 нм, вследствие ЗУФ-фотолпза входящего в него кислорода. Высокотемпературный режим СИР, в котором наблюдался эффект экранировки, был реализован в условиях индуктивно-емкостного режима электропитания пр'>! взрнве двух полос фольги (Zп толщиной <3=0,7 мкм или Al - d=7 мкм) длиной 40 см и питанной 7 см каждая, размещаемых на наружной поверхности цилиндрического объема диаметром.16 см. Б стартовой фазе TR в А=326 нм достигала 22000 К, в высокотемпературной - 33SOO К. Существенной отличительной чертой спектра в данном случае от ранее исследованных спектров СКР является присутствие в поглощении полос ОН в окрестности 306, 309 и 288 нм и многочисленных молекулярных полос, збняховдих коротковолновую область, начиная с ?l=260 нм. " Отождествление линий показало, что эти полосы соответствуют переходам Еумапа-Рунге 0г с у=3-10 л'32~ в V =1-21 В'%. Вследствие, этого поглощения Тя, регистрируемая в Л=243 нм, не поднимается выше 27000 К.

Установлено, что засоленности уровней V"=3,4,5 0? со-

ответствуют распределении при Т- 1203 К, тогда как при 1О6 заселенность носит сугубо неравновесный характер. Она выше распределения при 7-12СС К с тенденцией увеличения отклонения на 2-3 порядка в сторону больших и". Объяснение механизма заселения Бысрколелахих уровней дано на основе процесса фотолиза 0? мощным БУФ излучением С'/?. Образующийся в результате этого процесса кетастзбилькый кислород ОГВ) при взаимодействии с, К£ переходит е О.(''?). 5ксвобо:;:даклаясл при этсм зшргхл «1,8 эВ переходит, в основном, в колебательную знергию Хг. В дальнейшем за счет колебательно-колебательного обмена между .\*2 и С2 происходит заселенно колебательных уровней состояния

Опиты в атмосфере азота, проведенные ¿'тех же условиях по нлектсоппгзкию, что к в воздухе, показали отсутствие молекулярного поглощения в спектре СУ,? и соответственно пошаениз 7 в \--243 нм до зсьос К.

В заключении изложены основные результаты работы:

1. Установлено подобие яркосткой температуры и плотности внутренней энергии СИР по величине удельной плотности разрядного тока кг стада: нарастания тока до максимума в исследованном диапазон;' от 7 до 45 кА/гк. Яркостная температура в УФ области спектре про: этом варьируется от Г2СС0 до'29000 К.

2. Ус:словлено наличие максимума ярксстной температуры при вариации тог^:ны инициирующей разряд алюминиевой фольги. Показало, что при инициировании СИР электрически:,; взрывом субмпкронных фольг наблюдается снижение экранировки излучения разряда на. начальной стадии парами металла в периферийных зонах плазмы.

3. Предложен и реализован метод управления временной формой импульса излучения С® без изменения размеров и толцины инициирующей фольги при использовании • индуктивно-емкостного режима электропитания разряда.Этот реяж обеспечивался путем подключения параллельно плазмообразуювдй фольге дополнительной фольги в диэлектрической оболочке, выполняющей функцию элетровзрывного коммутатора токе.

4. Впервые достигнуто формирование однородного разряда с большой излучающей поверхностью при использован;® в качестве пла-змообразумцего материала фольги из металла с высоким потенциалом ионизации '(цинк). Это оказалось - возможным обеспечить только в

- —

услсг.гглх ^чдаткьнс-оуг-гостжго с

pese?; тг-гряд .~:.чуе ~рс.м It и rjz'y.ctt es:. :.;c:v.'V.. o-'j

"n-pKiO СХГ с ï>ip* xr-nî к - у: r.-.v.'-':

с лугей Лдин: разряда e-e гг У г;

„-yyvrr ï-.гй :;:7t:ù!e ::л,:г-м:-:-".гсго с.'.ci 20 су, '/.z.r:vy-----: уугл'уууму iy олгдтг^'^охегс -то;:-: :> p"..;-p-.->rv у-"у\~. ; rp'-îv-^ï.-'V о Ce-e:; ссу" ôs..v:"vvv Vr-v

рег-г'^л *<r.::.r..*c стисггг.ичг.с qv?:;vCcs rep,----. '.едк-

<'4v. сс'с гсдтс.у ct "dm., чт;- -í г.v.k 1""!- г'1."x0

pr.îitr.o ,-ocrrt:1:.:"дя. Годной ддд-дсд'т,--сго тд-р: ~ -

кн.-: :: г с-jvcr.o'-S'.c .

f:. подуодддрдд оекпя Сл"'\

"apnorar.::;. тек; до vav.cir'v'Mo. H": со'к-о ? дод'-дд pa:;.".?" '¡г'а мегеддка п-лед^пкге гпЛот: хорпктгеио-кк

?. r^spoc-orcîis фе;г.чоск&? уолрль -- дане гсор"П"г1с:«.л arvev-ü:ío гтапьнгя ет%Т/п pv.p.ua д ;/ед~;.;'л:ч: нсог'яядег:: ГО ПОЛЯ," д р:;д:у;д; г.: ~ с лг.угдд! г гул.

S. ilc.'jTyy:- деедодсгг д пг-

чательных сдоить процесса горопн;

• шдокх -tac г s ьэздрк, . г?<-пм:з\су:сго в СГ-. Б

регудъ?з?е мжо зпклкдд^ь:

з) спродлл«»!Ы nopofCL'í.'o perKi'.vri assîirnîi's ал'хтрд-едьд г'ч-v-saeMüx &\ur;

б) дркостазя reMSôpaîypa е оглохнем ешктро пл-лосткгает sitT-ioiivf. бхвзккх :: продельпему, температурой меижкя окиск A1¿C3 CS00 К, к слабо зззйск? ст рг-:'Т.-мп звамгамаа вплоть до порогового режвма» при котором cao нябл*^ даетсл рссларенде пльуотги;

В) Полугс!!'! r.ay.tOl'.VÍ-C'rn опгосйтетпсг^- зеф С"ПГ: -л;:-

лонкя алктептой фольги .npü ;'м:тульс^м сипоском tnrr»r»> от удельного зкергоьхлгдт Для нйэкпх скорсстой ввода o;!.:!:;-;'.,'.;

г) методом nrcxpjmopo эксперимента с полученных oBBtïCïtMccreft сиюск-гвлшого возраот-шил ссп^чзтВ'оигЛ)--элймттевей ían ги от укельиого »иаргеккл^дй решена яддзчл о

г 'M у izo -то^г.гл, обеопечивзюмх при задбянах параметрах

"¡.чего í:c:.: :í:í en г."«алией p¿'¿?.s: з?.:-:иганкя. !•::-:• р?.;Г: дополнительной iypssarxjEKX

i с г :".vj л:-излучения разряда в дисп'^оне д.аин v.-'o-.' :'.v. сгуслсьленннй ¿отелпзом кислород«: üoe.Ljxa •• С/.? з полосе непрерывного поглощения

Г".: v.v-'ynrc. Г.окгсг;нэ, что заселение ьисокслиУ^агкх уровней ecc...>v. С., :-цзъп-.а:с';е;: Излучения, носит

.'. : " у .re:::;;:.

: г.иез^тзц'.'н опусл/ут-дьио в сд»гук>:их

1. .''■<"■■.■;:. 2.Ai, Лйзрскгж Ь.'Е., Подмошексний i'.Б.,; Соболев Е.Ф.

orй'„л:.гг.«; устонЬггкс длл оптической диагностики импульсных источников. - C-iiH, I&78, ЛС. с.28-24.

2. i.'!., Лемидтв Б.К., Лскутиц S.A., Яарронткк Б.Е., Подмо-::v.H--<.:? 7.5.. Соболев Е.Ф. Электрическая, часть многоканальной ус:;.н.-¡я: для д>:ег::с;тики импульсных плазменных источников. -

с.:/::. .*:сс, с.52-57. £. Л-г.:. Е'.Е., Лакутнн S.A., Подмоаюнский "/.В., " Сойслсв З.Ф. "l'.v.-.vc: skkc СЛСЙНОГС ИКЯУЛЬЗНОГО РГ12РЛД2 при ограничении поверх:-. - 52*, IS?О, 1.49, .¥10, C.2I53-2ISI.

4. П.'С-'-.'-еНский Х.З., Рогсьцеа П.К., Соболев B.C. Полус-мпирпчес-

ï'.t.t слсйнсго импульсного тлатиша. - ЖГО, 1924. т.54,

/

5. .'::.:и.еытгх S.S.. Роговцев U.K., Соболев 3.Í., Старченко В.Л.

м^роБ^нко елейного импульсного разряда, в режимах с паузой • тс;:'.:. - "v'S, I^, т.57, с.55-73.

с. Со;о.:ев в. 1,., Роговцев ÍÍ.H. формирование слезного импульсного раярдез с-лг-кгричсскз.: взруьок элодзшяшх Фолы субмикрокных тс.т.in;. - £Г<2, 1587, т.57, .*Ip, C.20Î4-2GI7. 7. г'сгснцсг. H.H., Соболев 3.Ï., Старченко Е.А. Исследование излу-чссол*..сас характерней« пяамзна горения электрически взрываемых 0ЛГ.'.г:ц:/.сьпх ¡¿ольг. - 5ПС, 2S31?,, т.47, .>«3,е.ЭП-914. £. Г^лактии-юв К.И., ПсдоохскскиВ К.Б.., Роговцев H.H., Соболев ЕЛ-. £,f>íeicí экранировки воздухом'УФ излучения слойного импульсного разряда.- Оптика и спектроскопа.0., 1923, т.66, .'К, с.1204-

'.О-.лН гач^ГП . V. - . йоомат 60*34/16.

'•/и ':. - !'^VHuH. .Усл. л.1»С5" . Уч. изд. л". J.Ci . -¡Oô í.,::: . '^.-¡^/С . ï;'n. ЕЩ ГО'/.. Бесплатно.

6 од

П > П!3 ВСЕРОССЮТСКИИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

v.1 i .: 11 ! чу •

"ГОСУДАРСТВЕННЫ!'': ОПТИЧЕСКИЙ •ИНСТИТУТ им. С. И. ВАВИЛОВА"

На празах оукописи

Козлов Глэ£ Геннадьевич

ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МАГНИТООПТИКИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЗРАЧНЫЙ

ПАРАМАГНЕТИКОВ

(01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физика-математических наук

/ /

Санкт - Петербург 'Л г-

Г ^../7'-

1947