Термическая плазма с заряженными макрочастицами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Определение параметров макрочастиц в термической плазме из измерений рассеяния и поглощения света

1.1. Основные положения теории элементарного рассеяния света

1.2. Применение теории Ми для измерений макрочастиц в термической плазме

1.3. Влияние вида распределения по размерам и его формы на оптические свойства полидисперсных макрочастиц

1.3.1. Модельный метод решения задач теории элементарного рассеяния

1.3.2. Влияние вида и формы функции распределения частиц по размерам на эффективность ослабления излучения

1.3.3. Влияние вида и формы функции распределения частиц по размерам на вероятность выживания кванта

1.3.4. Влияние вида и формы функции распределения частиц по размерам на параметр анизотропии индикатрисы рассеяния

Плазма с макроскопическими частицами (часто такую плазму называют пылевой, аэрозольной или плазмой с конденсированной дисперсной фазой - КДФ), характеризуется тем, что частицы при их вводе или возникновении в плазме, например в результате конденсации, могут заряжаться потоками электронов и ионов плазмы, а также путем фото-, термо- или вторичной эмиссии электронов [1-5]. Эмиссия электронов с поверхности частиц может привести к положительному электрическому заряду, при этом частицы, эмитирующие электроны, могут повысить концентрацию электронов в газовой фазе и ее электропроводность. Если же частицы захватывают электроны, то их заряд отрицателен и возникает противоположный эффект (снижение концентрации электронов) [6-9]. Если концентрация частиц достаточно мала, то концентрация электронов определяется только процессами ионизации-рекомбинации в газе. В другом предельном случае, когда плазма состоит из частиц и эмитированных ими электронов, концентрация электронов определяется только эмиссионными свойствами частиц.

В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Лэнгмюром ещё в 1920-х годах. Однако её активное исследование началось лишь в последние десятилетия в связи с целым рядом приложений, таких как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамических генераторов на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере. Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они обнаружены в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках [10-12]. Пылевая плазма обнаружена также вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области установок управляемого термоядерного синтеза [13,14].

В последние годы повышенный интерес к изучению свойств пылевой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также при производстве тонких пленок и наночастиц [15]. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности изготавливаемого полупроводникового элемента и, тем самым, к увеличению выхода дефектных элементов, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Уменьшение или предотвращение этих негативных эффектов невозможно без понимания процессов образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме, механизма их переноса и влияния на свойства разряда.

Специфика плазмы с макрочастицами заключается в том, что благодаря относительно большим размерам частиц (от сотых долей микрона до нескольких десятков микрон), их заряд Z также может иметь чрезвычайно большие величины (порядка 102-105 зарядов электрона). В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, которая зависит от может намного превосходить их среднюю тепловую энергию, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы [16]. Теоретические расчеты равновесных свойств такой плазмы показывают, что при определенных условиях сильная межчастичная корреляция приводит к фазовым переходам типа газ-жидкость-твердое тело и возникновению пространственно-упорядоченных структур в расположении макроскопических частиц, аналогичных структурам в жидкости или твердом теле [17]. Электроны и ионы при этом остаются идеальным газом, как и в дебаевской плазме. В отличие от обычной атомарной жидкости или твердого тела, макрочастицы являются достаточно большими для эффективного рассеяния света при малой объемной доле и могут регистрироваться по отдельности видеокамерой и другими оптическими средствами.

Формирование кристаллических структур заряженными макрочастицами в плазме, если они сильно связаны электростатическим взаимодействием и имеют малую энергию теплового движения, было рассмотрено в теоретической работе Икези [17]. Такие структуры получили название кулоновского или плазменного кристалла.

Одни из первых экспериментальных наблюдений кристаллоподобных структур относятся к системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых определенной конфигурацией переменного и статического электрических полей [18]. В более поздних исследованиях были обнаружены кулоновские кристаллы для атомных ионов в ловушках других типов, например, в ловушке Пеннинга [19]. Позже появился ряд экспериментальных работ [20-23], в которых описывались наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц с сильным взаимодействием в слабоионизованной плазме высокочастотного (вч) разряда при низком давлении. Степень ионизации такой плазмы мала (~10" 7), энергия электронов составляет несколько электронвольт, а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов (»¡0.03 эВ) [24]. Вследствие более высокой подвижности электронов по сравнению с ионами, заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 104-105 элементарных зарядов). Облако частиц зависало вблизи электрода с отрицательным потенциалом, где устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров, в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрон. Отметим, что число слоев в вертикальной плоскости ограничивается влиянием сил тяжести, которое может быть уменьшено при проведении экспериментов с плазменным кристаллом в условиях микрогравитации [25].

Таким образом, практически во всех известных экспериментальных работах упорядоченные структуры наблюдались либо в облаке одноименных зарядов, либо в приэлектродном слое объемного заряда, содержащем от сотен до нескольких десятков тысяч заряженных частиц. Потенциал взаимодействия частиц, вид которого оказывает существенное влияние на фазовые переходы в плазме, может при этом значительно отличаться от потенциала взаимодействия в классической квазинейтральной плазме. В последней, для описания взаимодействия частиц, традиционно используется либо модель однокомпонентной плазмы (ОКП), либо модель с экранированным (дебаевским) потенциалом [16,26-29]. Последняя также известна как модель Юкава. В этих моделях рассматривается классическая, квазинейтральная, пространственно неограниченная плазма, для которой путем численного моделирования получены критические значения параметра межчастичного взаимодействия уё=(7ре)2/ гкТ, соответствующие фазовым переходам [16,17]. Здесь Т8 - температура плазмы, г=(4лпр1Ъ)л1ъ - среднее расстояние между частицами, пр - концентрация частиц.

В случае ОКП плазма является идеализированной системой ионов на компенсирующем однородном фоне нейтрализующих зарядов, так что в целом система является электрически нейтральной. Потенциал взаимодействия частиц \](г) при этом является кулоновским, при уа >1 в системе появляется ближний порядок, а для значений уй, больших ус=171 трехмерная система формирует регулярную кристаллическую структуру [26]. При малых величинах уй (уй <1) состояние плазмы является газообразным" [3,4,16]. В дебаевской модели рассматривается эффект экранировки фоном зарядов, что приводит к потенциалу взаимодействия типа Дебая-Хюккеля [27-29]. С учетом экранировки, влияние которой определяется отношением к= г/гв (гп - радиус Дебая), вводится параметр Г(1=уС1ехр(-/<-)=(7ре)2ехр(- г/г0)/ гкТ. Таким образом, термодинамика плазмы и, соответственно, условия фазовых переходов в дебаевской модели описываются уже двумя параметрами - Гд и к. Предельными случаями этой модели является модель ОКП (при г/г0->0) и модель твердых сфер (при г/гв—>оо) [27].

Для плазменных образований, удерживаемых в ловушках, на фазовое состояние системы сильно влияют граничные условия, что наблюдалось как в экспериментах, так и при численном моделировании [30,31]. Так, например, в сферической ловушке облако частиц разделяется на сферические слои. Вместо резких фазовых переходов происходит постепенная эволюция системы из состояния жидкости, характеризуемое ближним порядком, в промежуточное, характеризуемое существованием жидкой и твердой фаз, и, окончательно, в твердое состояние [30].

Для плазменных кристаллов в условиях вч-разряда на фазовый переход "жидкость-кристалл" значительное влияние также оказывает и двумерный характер кристаллических структур. Так, вместо фазового перехода первого рода, как в случае трехмерных систем, в экспериментах наблюдался двухстадийный переход с возникновением промежуточного состояния системы частиц, которое характеризуется ближним трансляционным порядком и дальним ориентационным [26,30].

Наряду с изучением свойств плазменного кристалла в условиях вч-разряда, были также предприняты попытки получения протяженных, существенно трехмерных упорядоченных структур в объеме квазинейтральной плазмы при различном механизме зарядке частиц, в частности при термоэмиссии.

Термоэмиссионная зарядка макрочастиц может иметь определяющее значение в термической плазме. Такая плазма образуется из разогретого нейтрального газа (1500-3000 К), концентрации электронов и ионов лежат в диапазоне 108-1014 см"3. Макрочастицы заряжаются потоками электронов и ионов, как и в разряде низкого давления, а также путем термической эмиссии электронов с их поверхности. В отличие от отрицательных зарядов в экспериментах с разрядом низкого давления, термоэмиссия может привести к положительному электрическому заряду частиц. В предельном случае, частицы, помещенные в неионизованный газ, полностью определяют электрофизические свойства плазмы.

Следует отметить, что экспериментальные исследования термической плазмы с макрочастицами проводились еще в ранних работах Сагдена и Траша [6], и Шулера и Вебера [7], которые измеряли концентрацию электронов в плазме углеводородного пламени. В этих работах было показано, что концентрация электронов превышает величину, которая могла быть получена применением уравнения Саха к реакциям ионизации-рекомбинации газа. Увеличение концентрации было объяснено термоэмиссией электронов с поверхности горячих частиц углерода, присутствовавших в пламени.

Позднее термическая плазма с макрочастицами изучалась в ряде работ [32-45]. Так, в [33] было показано, что введение частиц окиси бария и окиси кальция в метан-воздушное или метан-кислородное пламя приводит к увеличению проводимости продуктов сгорания. Добавление частиц алюминия в твердое ракетное топливо повышало концентрацию электронов в продуктах сгорания [34]. В работе [35] было продемонстрировано, что частицы с высокой работой выхода увеличивают, а частицы с низкой работой выхода уменьшают скорость рекомбинации аргона в пламени дуги.

Присутствие макрочастиц в плазменных потоках существенно сказывается на их оптических свойствах, процессах переноса излучения и радиационного теплообмена, влияет на механику и теплофизику ламинарных и турбулентных течений, может оказать значительное влияние на электропроводность, зарядовый состав, протекание химических реакций и т.д. [44,45]. Эти эффекты зависят от температуры, размеров, концентрации и химического состава частиц. В свою очередь, материал частиц определяет их показатель преломления.

Условия существования термической плазмы с макрочастицами могут значительно варьироваться. Благодаря большим зарядам, которые могут приобретать частицы (порядка 102-103е), в плазме при типичных условиях реализуется весь диапазон состояний плазмы, от дебаевской плазмы до сильнонеидеальной системы заряженных частиц, в зависимости от величины заряда частиц, их концентрации, кинетической температуры, а также концентраций присутствующих электронов и ионов [3,4]. Таким образом, зарядовый состав плазмы и динамическое поведение частиц являются одними из важных вопросов, возникающих при изучении упорядоченных структур макрочастиц в плазме.

При исследовании пылевой плазмы, кроме диагностики газовой фазы, необходимо также определять основные параметры макрочастиц, которые наряду с параметрами плазмы (концентрация и температура электронов, ионов и нейтралов) определяют ее основные свойства (электрофизические, оптические, термодинамические). Если параметры газа могут быть определены методами, ранее уже успешно использованными при изучении газовой плазмы (при этом следует учесть возможное возмущающее влияние макрочастиц на результаты измерений), то диагностика макрочастиц требует разработки и применения своих, специфичных, методов для определения таких параметров макрочастиц, как их размеры, концентрация, показатель преломления, температура поверхности и кинетическая температура (средняя кинетическая энергия), а также заряд и пространственные структуры частиц.

Цели настоящей работы заключались в разработке комплекса методов диагностики термической плазмы с макрочастицами и в экспериментальном изучении ее оптических и динамических характеристик, а также механизмов и условий формирования упорядоченных структур макрочастиц в плазме при сильном взаимодействии макрочастиц. Объектом изучения была термическая плазма, которая образуется из разогретого нейтрального газа (1700-2200 К) при атмосферном давлении и концентрациях электронов и ионов в диапазоне 109-1012 см"3. Температуры электронов, ионов и нейтралов при этом были равны. Упорядоченные структуры в термической плазме исследовались для системы заряженных макрочастиц в практически ламинарном слабоионизованном потоке газа, а также в продуктах сгорания твердого топлива.

Основными задачами настоящей работы были:

1. исследование влияния формы полидисперсного распределения на параметр анизотропии индикатрисы рассеяния, вероятность выживания кванта и излучательную способность слоя частиц;

2. разработка метода одновременного определения размеров и скорости отдельных макрочастиц и их концентрации в оптически неоднородных, плазменных потоках и создание системы диагностики на основе разработанного метода определения параметров макрочастиц;

3. разработка и реализация метода определения средних размеров, показателя преломления и концентрации частиц;

4. разработка и реализация спектрорадиометрического метода для определения температуры и излучательной способности макрочастиц; разработка и реализация методики диагностики упорядоченных структур макрочастиц в термической плазме;

5. разработка и аппаратная реализация комплексной диагностики макрочастиц в плазме, апробация созданного диагностического комплекса при измерениях основных параметров термической плазмы, включая ее оптические и динамические характеристики;

6. проведение измерений параметров термической плазмы с макрочастицами при наличии примесей щелочных металлов;

7. изучение формирования упорядоченных структур макрочастиц в термической плазме, численное моделирование динамики формирования упорядоченных структур.

Автор выносит на защиту следующие научные положения:

1. Результаты исследования влияния формы полидисперсного распределения на оптические характеристики частиц (эффективность ослабления, параметр анизотропии, вероятность выживания кванта и излучательную способность слоя макрочастиц).

2. Двухцветовой лазерный метод определения размеров и скорости отдельных частиц и их концентрации в оптически неоднородных плазменных потоках.

3. Метод определения средних размеров, показателя преломления и концентрации макрочастиц по относительной зависимости прозрачности исследуемого объема от угловой апертуры фотоприемника. Экспериментальную проверку метода в оптически плотных средах.

4. Спектрометрический метод определения температуры макрочастиц и показателя преломления их материала с использованием аппроксимационных соотношений для спектральной зависимости вероятности выживания кванта и параметра анизотропии "несерых" макрочастиц.

5. Комбинацию метода апертурной прозрачности с новым спектрометрическим методом, что позволяет проводить одновременные измерения средних размеров, концентрации и оптических постоянных частиц, а также получать информацию о дисперсии комплексного показателя преломления.

6. Экспериментальную установку и диагностический комплекс для изучения термической плазмы с макрочастицами.

7. Результаты измерений средних размеров, показателя преломления, концентрации и температуры частиц в плазменных потоках, полученные при помощи разработанных методов.

8. Результаты экспериментального исследования коэффициента диффузии заряженных частиц в термической плазме атмосферного давления.

9. Результаты экспериментальных и численных исследований образования и динамики формирования пространственно-упорядоченных структур в объеме термической плазмы.

10. Результаты экспериментальных исследований дифракции оптического излучения на упорядоченных структурах.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971.

2. Sodha М. and Guha S. Physics of Colloidal Plasmas // Adv. Plasma Phys.-V.4.-1971.

3. Жуховицкий Д., Храпак А., Якубов И. Ионизационное равновесие в плазме с конденсированной дисперсной фазой / Под ред. Б. М. Смирнова // Химия плазмы.-Вып.11. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Фортов В.Е., Якубов И.Т., Неидеальная плазма. - М.: Энергоатомиздат, 1994, с.282.

5. Rosenberg М., Mendis D.A. UV-Induced Coulomb Crytallization in a Dusty Gas // IEEE Trans, on Plasma Science.-1995.-V.23.-P. 177.

6. Sugden T.M., Thrush B.A. A cavity resonator method for electron concentration in flames // Nature.-195l.-V. 168.-No.4277.-P.703-704.

7. Shuler K.E., Weber J. A microwave investigation of the ionization of hydrogen-oxygen and acetylene-oxygen flames // J.Chem.Phys.-1954.-V.22.-No.3.-P.491-502.

8. Bouchoule A., Boufendi L. High Concentration Effects in Dusty Plasmas // Plasma Sources Sci. Technol.-1994.-V.3.-P.292-301.

9. Goree J. Charging of Particles in a Plasma // Plasma Sources Sci Technol.-1994.-V.3.-P.400.

10. Goertz C.K. Dusty Plasmas in the Solar System // Reviews of Geophysics.-1989.-V.27.No. 1 .-P.271.

11. De Angelis U. The Physics of Dusty Plasmas // Phys. Scripta.-1992.-V.45.-P.465.

12. Verheet F. Dusty Plasmas in Application to Astrophysics // Plasma Phys. Control. Fusion.-1999.-V.41 .-P.A445.

13. Winter J. Dust in Fusion Devices - Experimental Evidence, Possible Sources and Consequences I I Plasma Phys. Control. Fusion.-1998.-V.40.-P.1201.

14. Цытович B.H., Винтер Дж. Пыль в установках управляемого термоядерного синтеза // УФН.-1998.-Т.168.-С.899.

15.Kroesen G.M.W. Dusty Plasmas: Industrial Applications // Advances in Dusty Plasmas / Edited by P.K. Shukla, D.A. Mendis, T. Desai. - Singapore: World Scientific Publishing Co., 1997. -P.365.

16. Ichimaru S. Strongly Coupled Plasmas: High-Density Classical Plasmas and Degenerate Electron Liquids // Rev. Mod. Phys.-1982.-V.54.-P.1017.

17. Ikezi H. Coulomb Solid of Small Particles in Plasmas // Phys. Fluids.-1986.-V.29.-P.1764.

18. Wuerker R.F., Shelton H., and Langmuir R.V. Electrodynamic Containment of Charged Particles // J. Appl. Phys.-1959.-V.30.-No.3.-P.342-349.

19. Gilbert S.L., Bollinger J.J. and Wineland D.J. Shell-Structure Phase of Magnetically Confined Strongly Coupled Plasmas // Phys Rev. Lett.-1988.-V.60.-No.20.-P.2022-2025.

20. Chu J., and I L. Direct observation of Coulomb Crystals and Liquids in Strongly Coupled rf Dusty Plasmas // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. P. 4009.

21. Thomas H., Morfill G., Demmel V., et al. Plasma Crystal: Coulomb Crystallyzation in a Dusty Plasma // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 652.

22. Hayashi Y. and Tachibana K. Observation of Coulomb-Crystal Formation from Carbon Particles Grown in a Methane Plasma // Jpn. J. Appl. Phys.-1994.-V.33.-L804.

23. Melzer A., Trottenberg T. and Piel A. Experimental Determination of the Charge on Dust Particles Forming Coulomb Lattices // Phys. Lett.-1994.-V.191.-P.301-308.

24. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостный разряд.- М.: МФТИ и Наука, 1995.

25. Morfill G.E.and Thomas Н. Plasma Crystal // J. Vac. Sci. Technol. A.-1996.-V.14.-P.490-495.

26. Slattery W.L., Doolen G.D., and DeWitt H.E.// Phys. Rev. A.-1980.-V.21.-P.2087.

27. Robbins M.O., Kremer K., and Grest G.S. Phase Diagram and Dynamics of Yukawa Systems //J. Chem. Phys.-1988.-V.88.-No.5.-P.3286-3312.

28. Stevens M.J. and Robbins M.O. Melting of Yukawa Systems: A Test of Phenomenological Melting Criteria // J. Chem. Phys.-1992.-V.98.-P.2319-2324.

29. Farouki R.T. and Hamaguchi S. Phase Transitions of Dense Systems of Charged "Dust" Grains in Plasmas // Appl. Phys. Lett.-1992.-V.61.-No.25.-P.2973-2975.

30. Rahman A. and Schiffer J.P. Structure of a One-Component Plasma in an External Field: A Molecular-Dynamics Study of Particle Arrangement in a Heavy-Ion Storage Ring // Phys Rev. Lett.-1986.-V.57.-No.9.-P.l 133-1136.

31. Dubin D.H.E. and O'Neil T.M. Computer Simulation of Ion Clouds in a Penning Trap // Phys Rev. Lett.-1988.-V.60.-P.511-514.

32. Зимин Э.П., Михневич З.Г., Попов B.A. Исследование ионизации и проводимости продуктов сгорания при наличии твердых частиц с малой работой выхода электронов // Труды международного симпозиума по производству электрической энергии с помощью МГД-генераторов. Зальцбург, Австрия, 1966/М., 1967.-Т. 1.-С. 180-187.

33. Зимин Э.П.,Попов В.А. Экспериментальное исследование электропроводности продуктов сгорания, стимулированной твердыми частицами // Electrisity from MHD. Proc. of a Symp.- Salsburg, 1966.-V.3.-P.97-106/Vienna, 1966.

34. Balwans W.W. Ionisation in Rocket Exhaust // Proc. of a Symp. (International) on Combustion / - Combustion Institute, Pittsburgh, Penna.-P.685-695.

35. Soo S.L., Dimick R.C. Interaction of Solid Particles with an Ionised Gas // Proc. of a Simp.(International) on Combustion / Combustion Institute, Pittsburgh, Penna.-1965.-P.699-706.

36. Waldie В., Fells I. An Experimental Study of Gas Borne Suspensions of Thermonic Emitter as M.G.D. Working Fluids // Phil. Trans.,Roy.Soc. London A.-1967.-V.261 .-No. 1123.-P.490-495.

37. Драган Г.С. Определение концентрации электронов в высокотемпературной дисперсной среде // Физика аэродисперсных систем.-1982.-Вып.21.-С.74-77.

38. Горшков Ю.А., Гусев В.А., Драган Г.С. и др. Параметры продуктов сгорания твердого топлива, содержащего калий и кремний // Материалы научно-технического совещания стран-членов СЭВ и СФРЮ / М., 1985.-Ч.2: Физико-технические проблемы создания МГДЭС.-С.137-140.

39. Драган Г.С., Мальгота А.А., Протас С.К. и др. Экспериментальное исследование конденсированной дисперсной фазы продуктов сгорания твердого топлива // Методы подготовки топлива и, конструкции камер сгорания для МГДЭС на угле. Материалы научно-технического совещания стран членов СЭВ, СФРЮ и Финляндии с участием Индии, г.Алма-Ата, 25-31 октября, 1982 / Под ред. И.Я.Толмачева.-У.: ИВТАН.1984.-С.191-194.

40. Драган Г.С., Чесноков М.Н. Продукты сгорания конденсированных веществ и их электрофизические свойства // Физика аэродисперсных систем: Респ. межвед. науч. сб. -1984.-Вып.26.-С.72-75.

41. Золотко А.Н., Козицкий С. В., Флорко А. В., Шевчук В. Г. Импульсный метод исследования электрических характеристик плазмы с конденсированной дисперсной фазой // Физика аэродисперсных систем: Респ. межвед. науч. сб.-1984.-Вып.26.-С.78-85.

42. Таран Э.Н. Электрофизические свойства плазмы углеводородного пламени с конденсированной фазой твердого углерода // Физика аэродисперсных систем: Респ. межвед. науч. сб.-1984.-Вып.26.-С.80-93.

43. Aynsley Е., Fells I., Lowes Т. The Electrical Conductivity of Pulverized Fuel Flames // Electricity from MHD. Pros. Of a Symp.-Salsburg, 1966 / Vienna.

44. Компаниец В.З, Овсянников A.A., Полак JT.C. Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы.- М: Наука, 1979.

45. Wang C.S., Lindner J.S. Investigations of Particle Size and Number Density in Advanced Energy Systems // J. of Propulsion and Power.-1990.-V.6.-No.5.-P.552-558.

Результаты исследования значений со для функции Гаусса и модельных распределений частиц/¡(Я),/2(К) с мнимой частью показателя преломления £>0.3 показали, что вид функции распределения и ее форма не оказывает существенного влияния на величину вероятности выживания кванта для частиц с параметром дифракции <р>>5. При этом различие значений со при изменении формы полидисперсного распределения для

1.4. Заключение и выводы по главе 1

Первая глава диссертационной работы посвящена исследованию оптических характеристик полидисперсных частиц. Рассмотрено модельное представление индикатрисы рассеяния в виде функции Хеней-Гринштейна и исследовано влияние вида и формы распределения частиц по размерам /{Я) на эффективность ослабления, вероятность выживания кванта и параметр анизотропии частиц. По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. Функция Хеней-Гринштейна дает хорошее согласие с точной индикатрисой, рассчитанной по теории Ми, значительно лучшее, чем Р2-приближение. Среднеквадратичное отклонение и (1.30) между точной индикатрисой и моделью Хеней-Гринштейна для полидисперсных частиц с параметром дифракции <р><20 не превышает 5%, при <р><40 - 10%, причем для слабопоглощающих частиц величина и примерно в два раза ниже, чем для частиц тех же размеров с мнимой частью показателя преломления £>0.3.

2. Определяющим параметром функции распределения частиц по размерам ЛЯ) при расчете оптических характеристик полидисперсных частиц является величина заутеровского диаметра £)32. Исследования зависимости оптических характеристик от средних диаметров И21 и £)10 не дали интересных результатов.

3. При известной оптической плотности полидисперсной среды г с частицами, параметр дифракции которых <р>>5 и <0.3, ее излучательная способность будет определяться величиной заутеровского диаметра £)32, так как в этом случае, форма и вид функции распределения ЛЯ) не оказывают существенного влияния ни на параметр анизотропии <//0>н.о? ни на вероятность выживания кванта со.

1. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами.- М.: Мир, 1986.

2. Блох В.Г., Клабуков В .Я., Кузьмин В.А. Радиационные характеристики полидисперсных систем сферических частиц.- Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1976.

3. Розенберг Г.В. // УФН.-1967.-Т. 91.-Вып.4.-С.569-608.

4. Ярив А. Введение в оптическую электронику- М.: Высшая школа, 1983.

5. Tsai W.-C., Pogorzelski R.J. Eigenfunction Solution of the Scattering of Beam Radiation Fields by Spherical Objects // JOSA.-1975.-V.65.-No.12.-P.1457-1463.

6. Casperson L.W., Yeh C. Rayleigh-Debye Scattering with Focused Laser Beams // Appl. Opt.-1978.-V. 17.-No. 10.-P. 1637-1643.

7. Colak S., Yeh C., Casperson L.W. Scattering of Focused Beams by Tenuous Particles // Appl. Opt.-1979.-V.18.-No.3.-P.294-302.

8. Grehan G., Maheu В., Gouesbet G. Scattering of Laser Beams by Mie Scatter Centers: Numerical Results Using a Localized Approximation // Appl. Opt.-1986.-V.25.-No. 19.-P.3539-3548.

9. Maheu В., Grehan G., Gouesbet G. Generalized Lorenz-Mie Theory: First Exact Values and Comparisons with the Localized Approximation // Appl. Opt.-1987.-V.26.-No.l.-P.23-25.

10. Latimer P., Brunsting A., Pyle В.Б., Moore C. // Appl. Opt.-1978.-V.17.-No.19.-P.3152-3158.

11. Welch R.M., Cox S.K. // Appl. Opt.-1978.-V.17.-No.l9.-P.3159-3168.

12. Perelman А. Уа., Shifrin K.S. Improvements to the Spectral Transparency Method for Determining Particle-Size Distribution // Appl. 0pt.-1980.-V.19.-No.11.-P.1787-1793.

13. Зимин Э.П. и др. Оптическая диагностика мелких частиц в высокотемпературных газах. Варшава: INR-I748/XVIII/PP/A, 1978.

14. Ariesson Р.С., Self S.A., Eustis R.H. Two-Wavelength Laser Transmissometer for Measurements of the Mean Size and Concentration of Coal Ash Droplets in Combustion Flows // Appl. Opt.-1980.-V.19.-No.22.-P.3775-3781.

15. Bryant F.D., Latimer P. Real-Time Particle Sizing by a Computer-Controlled Transmittance Photometer // Appl. Opt.-1985.-V.24.-No.24.-P.4280-4282.

16. Hitzenberger R., Rizzi R. Retrieved and Measured Aerosol Mass Size Distributions: A Comparison// Appl. Opt.-1986.-V.25.-No.4.-P.546-553.

17. Casperson L. Light Extinction in Polydisperse Particulate Systems // Appl. Opt.-1977.-V. 16.-No. 12.-P.3183-3189.

18. El-Walkil S.A., Madkour M.A., and Abulwafa E.M. Radiative Transfer in Spherical and Cylindrical Media Containing Aerosols // JQSRT.-1991.-V.45.-No.4.-P.235-243.

19. Hottel H., Sarofim A.F. Radiative transfer. McGraw-Hill, New-York, 1967.

20. Deepak A., Box M.A. Forward Scattering Corrections for Optical Extinction Measurements in Aerosol Media. Part 2: Polydispersions // Appl. Opt.-1978.-V. 17.-No. 19.-P.3169-3176.

21. Dobbins R.A., Crocco L., Glassman I. // AIAA J.-1963.-V.37.-No.22.-P.1882-1886.

22. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. Ленинград: Гостехиздат, 1951.

23. Кондратьев К.Я., Смоктий О.И., Козодеров В.В. Влияние атмосферы на исследование природных ресурсов из космоса. М.: Машиностроение, 1985.

24. Kamiuto К. Study of the Henyey-Greenstein Approximation to Scattering Phase Functions // JQSRT.-1987.-V.37.-No.4.-P.411-413.

25. Haltrin V.l. Exact Solution of the Characteristic Equation for Transfer in the Anisotropically Acattering and Absorbing Medium // Appl. Optics.-1988.-V.27.-No.3.-P.599-602.

26. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для ПЭВМ. М.: Наука, 1989.

27. ГЛАВА 2. Лазерные методы диагностики макрочастиц в плазме

28. Двухцветовой лазерный счетчик21.1. Применение оптических счетчиков для измерениймакрочастиц

29. Типичная схема оптического счетчика с регистрацией частиц по рассеянию схематически показана на рис.2.1.

30. Рис.2.1. Типичная схема оптического счетчика

31. Рис.2.2. Распределение интенсивности лазерного излучения в квадранте измерительного объема

32. Рис.2.3. Оптическая схема системы диагностики

33. Источником излучения является лазер ЛГ1. Фокусировкой лазерного луча объективом 01 в заданную область исследуемой среды формируется зона измерений. Диаметр зоны БЬ1 (диаметр минимального поперечного сечения луча) приблизительно 55 мкм.

34. Применялась проволока диаметром £)н,=10±1 мкм, погрешность определения Оь/ при этом составила 10%.

35. При определении параметров частиц предполагается, что они пересекают лазерный луч по нормали к нему, диаметр зоны измерений в несколько раз превосходит диаметр частицы, в зоне измерений одновременно находится не более одной частицы.