Ударные волны в слабоионизованной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

003467541

Ахмедова Хамида Гаджиалиевна

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В СЛАБОИОНИЗОВАННОЙ ПЛАЗМЕ

Специальность 010404 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

? ? 1л,\

МАХАЧКАЛА - 2009

003467541

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дагестанский государственный

университет»

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

доцент Омарова Н.О. кандидат физико-математических наук,

доцент [Хачалов М.Б.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Александров А.Ф.

доктор физико-математических наук, профессор Садыков С.А.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Рязанский государственный

радиотехнический университет»

Защита диссертации состоится «15» мая 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.053.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук при Дагестанском государственном университете по адресу: 367000, г. Махачкала, ул. Дзержинского, 12, корпус физического факультета ДГУ, ауд. 2-38.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дагестанского государственного университета.

Автореферат разослан «11» апреля 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.- м. н.

Курбанисмаилов В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Физика ударных волн (УВ) стала самостоятельным обширным разделом физики, тесно связанным с исследованиями в самых разнообразных областях от астрофизики и физики плазмы до физики твердого тела.

Среди практических задач, при решении которых возникают интенсивные УВ, можно назвать: исследования по нагреву плазмы мощными электрическими разрядами, сопровождающимися формированием УВ большой интенсивности; сверхзвуковое движение в атмосфере; вопросы, связанные с происхождением и ускорением космических частиц; исследования, направленные на реализацию управляемого термоядерного синтеза; создание новых источников излучения высокой яркости и т.д.

В отличие от УВ в нейтральном газе, УВ в плазме сопровождаются такими интересными и недостаточно исследованными до сих пор процессами, как образование стационарных двойных слоев заряда на фронте волны, связанных с поляризацией плазмы и формирование ионных УВ. В этой связи представляет значительный интерес исследование УВ в слабоионизованных газах, в частности, в воздухе, так как распространение УВ в слабоионизованном воздухе имеет место при сверхзвуковых движениях, ядерных взрывах, при различных природных явлениях.

С другой стороны, интерес к изучению УВ в газовых разрядах связан с техническими проблемами, возникающими при создании высокоэффективных плазмохимических реакторов и быстропроточных лазеров большой мощности. В таких системах вблизи зоны энерговыделения могут возникать УВ, которые существенно изменяют как структуру потока, так и физико-химические процессы в реакторе, а в лазерах со сверхзвуковыми потоками слой ударно сжатой плазмы поглощает значительную часть излучения и существенно влияет на динамику плазмы. Это приводит к снижению генерации излучения с ростом интенсивности УВ (или даже к срыву генерации в молекулярных лазерах).

Самостоятельный интерес представляет процесс поперечного (по отношению к току) переноса фронта ионизации и особенности формирования УВ в магнитном поле. Наложение магнитного поля вносит существенные особенности в развитие УВ на всех его стадиях - позволяет выявить физические процессы характерные для тех или иных стадий. Причем представляет особый интерес исследование влияния магнитного поля на развитие УВ в условиях, когда градиент давления магнитного поля соизмерим с градиентом газокинетического давления.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование и теоретическое обоснование механизмов формирования и распространения УВ, развивающихся из области расширяющегося катодного пятна и искрового канала в слабоионизованной плазме в газах

высокого давления, как при наличии, так и при отсутствии внешнего продольного магнитного поля.

Основные задачи исследования:

• разработка и развитие методов комплексного экспериментального и теоретического исследования механизмов формирования и распространения УВ при импульсных разрядах в газах высокого давления с достаточным пространственно-временным разрешением;

• исследование влияния параметров разрядного контура на эффективность энерговклада в разряд, интенсивность и структуру фронта формирующейся УВ.

• исследование процессов формирования УВ и поперечного переноса фронта ионизации во внешнем магнитном поле.

• исследование особенностей взаимодействия УВ со слабоионизованной плазмой;

• определение каналов диссипации энергии в процессах гашения интенсивности УВ.

Объектом исследования явились свободно расширяющиеся самостоятельные импульсные разряды, сопровождающиеся формированием УВ достаточной интенсивности в межэлектродных промежутках с характерными расстояниями (0,3-1 см) в аргоне в диапазоне давлений 1-3 атм и в воздухе при прикладываемых внешних полях 6,8-25 кВ/см и напряженностях внешнего продольного магнитного поля в диапазоне от 90 до 250 кЭ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи был принят комплексный подход, включающий использование различных традиционных экспериментальных методов исследования как макроскопических параметров импульсных разрядов: электрических, спектральных и оптических с пространственно-временным разрешением -10 не, так и внутренних, таких как концентрация и температура электронов в плазме искрового канала и катодного пятна. Была также разработана специальная методика измерения напряженности в двойном электрическом слое на фронте УВ с помощью плоского сетчатого конденсатора.

Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование и теоретическое обоснование механизмов формирования и распространения УВ в слабоионизованной плазме в газах высокого давления с наносекундным временным разрешением как при наличии, так и при отсутствии внешнего продольного магнитного поля.

При этом в диссертации впервые: - Изучены физические закономерности распространения фронта УВ по слабоионизованной плазме, развивающейся из области расширяющегося катодного пятна при взрывных процессах на катоде, исследовано влияние продольного магнитного поля на динамику плазмы катодного пятна.

Экспериментально и расчетами показано, что разлет плазмы катодного пятна носит адиабатический характер.

Экспериментально изучены особенности формирования УВ и поперечного переноса фронта ионизации во внешнем магнитном поле. Показано, что вследствие роста ширины релаксационного слоя на фронте УВ и замедления скорости релаксационных процессов в присутствии магнитного поля распределение энергетической яркости свечения в радиальном направлении становится более однородным. - Предложена методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ, распространяющейся в слабоионизованной плазме. Измерены скорости распространения УВ, оценена скорость диссипации энергии. Показано, что причиной образования двойного электрического слоя в ион-ионной плазме является разрушение отрицательных ионов в результате нагрева плазмы на фронте волны.

Практическая ценность работы в основном определяется актуальностью тематики и новизной проведенных исследований, существенно расширивших наше понимание физических особенностей генерации и распространения УВ в слабоионированной плазме в сильных магнитных полях.

С практической точки зрения, результаты проведенных исследований и полученные новые закономерности позволяют прогнозировать характер и особенности протекания ударно-волновых процессов, возникающих на начальных стадиях развития импульсных разрядов в газах высокого давления, что важно для создания различных плазмодинамических систем и устройств.

Полученные в работе результаты по формированию и распространению УВ в слабоионизованной плазме могут быть использованы при исследовании движения тел со сверхзвуковыми скоростями в ионизованном воздухе, для повышения эффективности плазмохимических устройств и оптимизации параметров быстропроточных газовых лазеров, и в других задачах.

Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений базируется на использовании современных средств диагностики с высоким временным и пространственным разрешением, согласованности результатов теоретических исследований с результатами эксперимента и их согласие с имеющимися данными других авторов, систематичности экспериментальных и теоретических исследований в широком диапазоне начальных условий для различных газовых сред.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Формирование УВ в газоразрядных промежутках высокого давления сопровождается образованием катодных пятен, которые приводят к формированию диффузионных каналов, влияющих на динамические и энергетические характеристики этих волн: с увеличением

перенапряжения на промежутке увеличивается диаметр прорастающего канала и уменьшается скорость его прорастания.

2. Расширяющаяся плазма катодного пятна формирует УВ, которая переносит фронт ионизации вдоль направления электрического поля с большей скоростью, чем в радиальном направлении, а наложение продольного магнитного поля приводит к уменьшению скорости расширения прикатодной плазмы в радиальном направлении.

3. Скорость распространения УВ, развивающейся из области расширяющегося искрового канала до отрыва ее от токоведущего канала зависит от напряженности магнитного поля и не зависит от нее после такого отрыва.

4. Уменьшение скорости расширения плазменного канала в нейтральный газ обусловлено скачком магнитного давления на границе канала, которое приводит к уменьшению интенсивности УВ, уменьшению энергии, идущей на расширение УВ и увеличению внутренней энергии плазмы и ее излучения.

5. При распространении УВ по слабоионизованной ион-ионной плазме на фронте волны возникает двойной электрической слой, что объясняется разрушением отрицательных ионов в результате нагрева плазмы вследствие ее взаимодействия с УВ. Разработана методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ с помощью плоского конденсатора, образованного двумя сетчатыми электродами. Экспериментально показано, что скорость диссипации энергии УВ пропорциональна ее интенсивности.

Апробация результатов исследования и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXXIII и XXXVI Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2006, 2009), на IV, V Всероссийских конференциях по «Физической электронике» (Махачкала, 2006, 2008), на Международной конференции «Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007), а также на научных семинарах и научно-практических конференциях в Даггосуниверситете в период 2004-2008 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ (из них 2 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАКа), список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Основные результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при ее определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 133 страниц текста, включая 36 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования, а также основные положения, выносимую на защиту, показана научная новизна полученных результатов. Приводится краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных нестационарным газодинамическим процессам в импульсных разрядах в газах высокого давления. Проведенный анализ экспериментальных и теоретических работ показывает, что формирование и распространение УВ исследовалось как в молекулярных (в воздухе, азоте, кислороде, водороде), так и атомарных (гелий, аргон) газах. Но, несмотря на обилие работ, структура фронта УВ, образование фронта и динамика двойного слоя на фронте УВ практически не изучены. Это в большей мере относится к таким газам как аргон и воздух. В воздухе наряду с атомарными ионами существуют молекулярные и сложные (кластерные) ионы. Кинетика кластерных и молекулярных ионов может существенно влиять на характер образования двойного слоя, величину поля этого слоя и т.д. С другой стороны, характер диссипации энергии УВ в воздухе будет отличаться от характера диссипации энергии в атомарных газах. В литературе также нет полных исследований влияния магнитного поля на особенности формирования УВ.

Вторая глава диссертации посвящена описанию экспериментальной установки и ее основных элементов: описание методик и условий эксперимента, методов исследования эффективности фотоионизиции газа, основных методов измерения электрических параметров: разрядного тока, напряжения, сопротивления и энергии, вкладываемой в разряд, а также оптических и спектральных характеристик.

Известно, что характеристики импульсного разряда (сила тока, геометрические размеры, интенсивность излучения и др.) меняются на много порядков за очень малые времена. В связи с этим экспериментальная установка создавалась исходя из следующих требований:

1. обеспечение необходимого временного разрешения измеряемых параметров - электрических не хуже чем 10 не, картин развития свечения не хуже чем 10 не и спектральных не хуже чем 40 не;

2. использование пробойных импульсов напряжения с регулируемой амплитудой и крутым передним фронтом (меньше, чем 10 не);

3. создание в области, с характерным размером 10 мм импульсных магнитных полей напряженностью до 250 кЭ с длительностью больше 100 мке;

4. создание в разрядном промежутке начальной плотности электронов я 10к> см"3.

Для формирования высоковольтных импульсов напряжения и предыонизации разрядного промежутка была создана традиционная установка на накопительных элементах, собранная в коаксиальнй компоновке из малоиндуктивных элементов - емкостей типа КВИ и сопротивлений типа ТВО (§ 2.1).

При исследовании стадий слабого тока разрядная емкость составляла С1=10"8 Ф, а при исследовании сильноточных стадий С,=5-10"8 Ф.

Измерение малых предпробойных токов (10"3 - 10"1 А) производилось осциллографированием сигнала с малоиндуктивного шунта 1^5 = 1 - 10 Ом. На стадиях большого тока использовался пояс Роговского. Временное разрешение измерения тока составляло 7 не, максимальная погрешность в измерении напряжения 10%. Начальная концентрация электронов, создаваемых фотоионизацией газа в промежутке, оценивалась по измеренному току в разрядной цепи при постоянном напряжении на промежутке 100-300 В (§ 2.2),

Магнитное поле создавалось разрядом батареи конденсаторов через соленоид, в котором и помещался исследуемый промежуток. Импульсные магнитные поля измерялись индукционным датчиком, представляющей собой катушку, намотанную (10 витков) на фарфоровую трубку диаметром 1,5 мм, при диаметре провода 0,1мм и длине намотки 1-2 мм, сигнал с которого поступал на пассивную интегрирующую ЯС - цепочку (§ 2.3).

Регистрация пространственно-временного развития разряда производилась в покадровом режиме электрооптическим затвором Керра (ЭОЗ). При размерах электродов Ь=4 см и межэлектродном расстоянии 0,4 см полное открытие ячейки происходило при напряжении 9 кВ. Начальные стадии пробоя исследовались с применением электронно-оптического преобразователя типа ФЭР 2-1 (ЭОП), работающим как в покадровом, так и в непрерывном режиме, временное разрешение которого в непрерывном режиме развертки составляло около 310"11 с. Наиболее яркие стадии разряда разворачивались во времени с помощью сверхскоростного фотохронографа СФР с временным разрешением 10 не. Оптические картины, снятые при помощи ЭОЗ, ЭОП и СФР, представляют полную информацию о характере газодинамических и оптических явлений, сопутствующих формированию и развитию плазменного канала и УВ в импульсных разрядах в газах высокого давления (§ 2.4).

Регистрация спектров излучения разряда осуществлялась как фотографическим, так и фотоэлектрическим способами. Диагностический стенд включал в себя вакуумную систему, спектрограф (СТЭ-1) со скрещенной дисперсией, призменный монохроматор (ДМР-4), генератор импульсов напряжения с амплитудой до 25 кВ и фронтом нарастания «10 не, фотоумножители (ФЭУ-29, ФЭУ-79, ФЭУ-87), разрядные камеры с кварцевыми окнами, скоростные и высоковольтные осциллографы, систему синхронизации и предыонизации (создаваемая плотность электронов По*108- Ю10 см"3) (§ 2.5).

Э,-^ 1 2

Для исследования

эффективности фотоионизации газа собственным излучением была создана экспериментальная

установка, принцип действия которой поясняется электрической схемой, изображенной на рис.1 (§ 2.6).

Плоский фронт

ультрафиолетового излучения создавался с помощью решетки искровых разрядников,

расположенных на расстоянии Ь от сетчатого электрода 1. Между сетчатым электродом 1 и коллекторном сплошным электродом создается однородное электрическое поле. Ионы под действием поля дрейфуют к коллектору 2, ток с которого осциллографируется. Решетка искровых разрядников состоит из 25 одинаковых промежутков, равномерно расположенных на диске диаметром 56 мм и соединенных последовательно. На искровые разрядники подается импульс напряжения амплитудой до 25 кВ и длительностью «100 не. Минимальное напряжение срабатывания разрядников »6,5 кВ. Энергия, вкладываемая в разряд, менялась в пределах 0,2 - 100 Дж.

Третья глава диссертации посвящена результатам исследования формирования и распространения УВ как при взрывных процессах на катоде, так и на стадии расширения искрового канала. Наиболее ясное представление о динамике ионизационных процессов дают пространственно-временные исследования свечения газоразрядного промежутка.

В §3.1 представлены пространственные формы изучаемых разрядов, и результаты влияния начальных условий на динамику формирования искрового канала в аргоне атмосферного давления, как во внешнем продольном магнитном поле, так и в его отсутствии.

Исследования с помощью электрооптического затвора Керра и фотоэлектронного регистратора показали, что с ростом перенапряжения формируются несколько катодных пятен, которые, сливаясь, образуют широкий столб плазмы, с которого прорастал искровой канал. С увеличением перенапряжения скорость прорастания канала уменьшается, а диаметр сформировавшегося канала увеличивается.

В §3.2 приведены результаты исследования динамики УВ, развивающейся из области расширяющегося катодного пятна, определены параметры плазмы катодного пятна. При взрывных процессах, таких как образование катодного пятна, в газах с нормальными термодинамическими свойствами, формируются УВ, которые распространяются по слабоионизованной плазме. Выделение большой удельной энергии

" /

к

.х„

-

1. а

Рис. 1. Схема для измерения концентрации заряженных частиц

(16,2-104 Дж/см3) за очень короткие времена (~ 1(У8 с) вызывает расширение плазмы катодного пятна со сверхзвуковой скоростью («Ю6 см/с). Расширение плазмы катодного пятна происходит в первые 40-50 не, в дальнейшем его размеры изменяются очень слабо (см. рис.2). Именно в течение первых десятков наносекунд формируется УВ, распространение которой по слабоионизованному столбу разряда вызывает дополнительный рост ионизации и формирование диффузного канала разряда.

Специальные эксперименты в сильных продольных магнитных полях с использованием быстродействующего электрооптического затвора Керра показали, что продольное магнитное поле уменьшает скорость расширения прикатодной плазмы в радиальном направлении. Уменьшение скорости радиального расширения катодного факела, особенно на начальном этапе его развития, указывает на соизмеримость градиента магнитного поля с градиентом газодинамического давления.

При наличии магнитного поля расширение будет определяться разностью газодинамического и магнитного давлений, т.е.

Здесь ин - скорость расширения катодного факела в радиальном направлении при наличии магнитного поля, На - магнитное поле на границе канала, Нср - среднее магнитное поле в плазме факела, к -коэффициент, учитывающий противодавление газа (к = 0,9).

Из (1) определяли отношение —которое характеризует степень

Ио

проникновения поля в плазму факела

Используя экспериментальные значения и и ин, определили отношение —-"-0,4-0,5. Влияние магнитного поля на скорость расширения катодного

Но

факела указывает на гидродинамический механизм расширения.

Распространение УВ, инициированной катодным пятном, по столбу разряда (по слабоионизованной плазме), естественно, вызывает дополнительный рост ионизации и формирование диффузного канала, вдоль которого в последующем прорастает искровой канал со скоростью «101 см/с.

Скорость же распространения вдоль плазменного столба выше, чем в невозмущенном газе (в радиальном направлении), т.е. фронт волны сферически несимметричен. Это объясняется тем, что температура газа в слабоионизованном столбе больше, чем температура окружающего газа. А УВ является дополнительным источником нагрева газа в диффузном канале.

(1)

(2)

Интересными представляются результаты сравнения скорости радиального расширения плазмы катодного пятна в аргоне и в воздухе. Радиальная скорость расширения плазмы катодного пятна в воздухе

меньше, чем в аргоне при сравнимых энерговкладах, что свидетельствует о более быстрой диссипации энергии УВ, переносящей фронт ионизации в воздухе, чем в Аг.

Быстрое

прекращение радиального расширения катодного пятна указывает на адиабатический характер разлета плазмы. Это позволяет найти

следующую зависимость радиуса катодного пятна от времени в адиабатическом приближении

Ь, НС

Рис.2. Радиус расширяющейся плазмы катодного пятна 1) Н = 0; 2) Н = 200 кЭ; 3) расчет в адиабатическом приближении

г(1) я

(Г + 1)ш(Зг + 2) г,гП

>у

с ■ / + г.

(3)

где гт - конечные размеры плазменного образования, определяемые равенством давления плазменного поршня давлению окружающего газа, /-показатель адиабаты, г0 - начальный радиус катодного пятна.

Полученная зависимость удовлетворительно согласуется с экспериментальными значениями на начальном этапе расширения катодного пятна. Из сопоставления экспериментальных и расчетных данных следует, что наилучшее совпадение имеет место при г0 =10"6 м, что соответствует данным (см. рис.2), полученным в настоящей работе.

В § 3.3. представлены результаты исследования влияния параметров разрядного контура и квазистационарного внешнего продольного магнитного поля напряженностью до 250 кЭ на развитее искрового канала и формирование УВ. Быстрое изменение сопротивления разрядного канала приводит к сильной зависимости тока и напряжения на промежутке от параметров цепи, в частности, от индуктивности и зарядной емкости. Разряд по истечении определенного времени переходит в колебательный режим. Момент перехода определяется условием равенства импеданса цепи и активного сопротивления канала:

Л(0»2ро=2

(4)

120 160 200 240 не

Рис.3. Скорость энерговклада в разряд (Е/р=10 В/см-Тор.) 1) Н=0; 2) Н=200 кЭ.

120 160 1, не

Рпс.4. Удельная мощность, вводимая в разряд (Е/р=10 В/см Тор.) 1) Н=0; 2) Н=200 кЭ.

120 160 1, не

Рис.5. Плотность тока в разряде (Е/р=10 В/см Тор.) 1) Н=0, 2) Н=200 кЭ.

240 280

где I - индуктивность разрядной цепи, С\ -накопительная емкость.

Характеристический импеданс при 1=1,МО"6 Гн и С,=М0'7 Ф составляет 3,5 Ом. Это значит, что, начиная с момента Ом, разряд переходит в колебательный режим.

По сфазированным

осциллограммам тока и напряжения определялась мощность, рассеиваемая в промежутке и энергия. С образованием искрового канала мощность в течении первых 6080 не резко возрастает до максимального значения и в дальнейшем меняется с периодом колебания тока и напряжения (рис. 3). Максимальное значение

мощности соответствует фазе быстрого расширения канала. Следует отметить, что на стадии большого тока скорость энерговклада существенно зависит от параметров цепи. Продольное магнитное поле приводит к увеличению мощности, вводимой в разряд, начиная с некоторого момента. При этом также увеличивается и удельная мощность, вводимая в разряд (рис. 4).

Плотность тока в формирующемся искровом канале спустя 30-40 не после начала резкого спада напряжения на промежутке (с момента образования катодного пятна) достигает значения »106 А/см2, а с быстрым расширением искрового канала (через 100 не) уменьшается на

порядок (рис. 5, кривая 1). Таким образом, плотность тока в расширяющемся искровом канале достигает насыщения. Несмотря на быстрое расширение канала, плотность тока остается постоянной. Это свидетельствует о том, что проводимость плазмы ограничена. В магнитном поле плотность тока на всех стадиях больше (см. рис.5, кривая 2).

Проводимость плазмы канала в течении первых 100 не возрастает до значения 80 (Ом-см)'1 и в дальнейшем практически не меняется (рис.6). В продольном магнитном поле проводимость увеличивается с ростом поля. Быстрый рост проводимости плазмы искрового канала в первые 100 не свидетельствует о возрастании степени ионизации. Поскольку, в дальнейшем проводимость практически не меняется и очень слабо зависит от значения поля, то можно предположить, что к моменту установления максимальной проводимости степень ионизации плазмы близка к стопроцентной.

Температура электронов связана с проводимостью соотношением:

Те «1,4-10' •ол К. (5) Время передачи энергии от электронов к ионам равно

*(<>'• О"

где г

220 260 I, не

Рис. 6. Проводимость плазмы канала (Е/р=10В/смТор.) 1) Н=0; 2) Н=140кЭ.

эВ частота электрон-ионных соударений

ле 1ПЛУ

- частота упругого соударения 2т

электрона с ионами, 8 =

иона). При

(Л/,- масса концентрациях частиц «1018 температуре электронов Те~3 П, И013 с"1, а время передачи

заряженных см"3 и

энергии Г' г

2ш —г ЛЛ

10" с. Таким образом, приведенные оценки

показывают, что в искровом канале (игИ 1018 см"3) через = 10"8 с происходит выравнивание температур электронов и ионов, т.е. ТС~~Т,. Плазма характеризуется единой температурой, определяемой выражением (5).

В §3.4. приведены результаты исследования влияния внешнего продольного магнитного поля на особенности формирования УВ при разряде в аргоне. Расширяющийся искровой канал в газах высокого давления является источником интенсивной цилиндрической УВ. Резкий рост проводимости в сформировавшемся узком разрядном канале сопровождается резким ростом давления внутри плазменного столба, при этом расширяющийся плазменный поршень давит на нейтральный газ,

формируя тем самым УВ большой интенсивности, способную переносить фронт ионизации в радиальном направлении.

В расширении канала искры можно выделить две стадии: 1) стадия расширения со сверхзвуковой скоростью, когда граница плазменного канала совпадает с УВ; 2) стадия расширения с дозвуковой скоростью, когда фронт УВ оторвался от границы канала разряда. Таким образом, на первой стадии, которая длится несколько сотен наносекунд, происходит формирование УВ. Его интенсивность определяется скоростью ввода энергии в разряд.

Наложение магнитного поля приводит к заметному уменьшению скорости расширения плазменного канала разряда в радиальном направлении до 50%. Исследование радиального развития в зависимости от внешнего продольного магнитного поля показывает, что длительность стадии сверхзвукового расширения определяется напряженностью магнитного поля и скоростью энерговвода. В аргоне уменьшение этой стадии составляет при Н=200 кЭ около 200 не. Мгновенность выделения энергии (60% всей запасенной энергии выделяется за 200-250 не, при общей длительности разряда ~1 мке) определяет взрывной характер процесса расширения искрового канала.

Внешнее магнитное поле не сказывается на значении скорости УВ на стадии отрыва волны от токоведущего канала, для аргона это значение скорости приблизительно равно 600-700 м/с, для воздуха 800-900 м/с. На начальном этапе развития УВ вызывает такое возрастание температуры, что она способствует значительной ионизации газа, т.е. УВ на этой стадии

переносит границу канала разряда.

Показано, что процесс расширения искрового канала носит изотермический

характер. На рис.7 показаны значения радиуса канала при различных значениях

напряженности магнитного поля. Для сравнения приведены рассчитанные в адиабатическом и

изотермическом приближении значения. Скорость

650

Рис.7. Радиус канала искры 1) Н=0; 2) Н=140 кЭ;

3 - расчет в изотермическом приближении;

4 - расчет в адиабатическом приближении.

0X0 = с

2 У

2 с&±Ггя

2 у

1 + г„

рассчитанная в

изотермическом приближении, на более

поздней стадии лучше согласуется с экспериментальным значением, чем скорость, рассчитанная в адиабатическом приближении.

В магнитном поле температура плазмы увеличивается, а скорость изменения температуры уменьшается. Увеличивается также

концентрация ионов плазмы и толщина слоя, в котором происходит скачок газодинамических параметров.

Четвертая глава диссертации посвящена результатам исследования распространения и взаимодействия УВ со слабоионизованной фотоплазмой в воздухе, описана методика определения эффективности фотоионизации газа и методика определения времяпролетного спектра ионов в многокомпонентных газовых смесях.

В §4.1 показано, что в образовании носителей заряда при фотоионизации излучением свободной искры основную роль играют ступенчатые процессы (см. рис. 8).

Рис. 8. Процессы, приводящие к образованию плазмы при облучении воздуха ул ьтрафнолетовым излучением

В частности, в воздухе основным каналом ионизации является ассоциативная ионизация. Большие энергии диссоциации некоторых молекулярных ионов Л'0+ (10,9 эВ), О* (6,7 эВ), Лг2+ (8,7 эВ) обуславливает высокую эффективность ассоциативной ионизации

N + O + Ei ->NO+ + e,

N+N + E2->N; + e,

O + O + E,->0*г+е,

E, = 2,8 эВ E2=5,8 эВ E3 = 6,91 эВ.

Рассмотрены кинетические процессы, происходящие в фотоплазме в воздухе и показано, что преобладающими ионами в воздухе являются гидратированные кластеры: Н* -{НгО)„, N0' -(НгО)п, 02+ -(Я20)„, 0~г-(Н2О)„, ОН-• (ИгО\, ИС>1-(НгО)„, С0;-(Н20)„ и скорость деионизации воздуха определяется рекомбинацией этих ионов.

В §4.2 описана разработанная методика определения напряженности электрического поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ. Решетка искровых разрядников, расположенных в одной плоскости и срабатываемых одновременно, формирует плоскую УВ, которая распространяется в фотоплазме. На фронте волны вследствие поляризации плазмы образуется двойной электрический слой, распространяющийся со скоростью волны. Импульс поля двойного слоя определялся системой из двух мелкоячеистых сеток, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 0,5 мм.

При прохождении фронта волны через сетки двойной слой разряда вызывает появление меняющегося потенциала на измерительной сетке

„ _ de>(t)

и появление соответствующего тока через резистор R, т.е. С0 = /(/),

dt

здесь -потенциал сетки относительно земли, С0- емкость системы сеток. С учетом скорости распространения ударной волны V получим

d(p(t) ,,dw , „ dm

' = VE (£ = —- напряженность электрического поля

dt dx dx

двойного слоя). CJ'E ■ R = /■/< = U, U - измеряемый осциллографом сигнал.

Таким образом, по

измеренному сигналу

£/(/) можно вычислить

напряженность поля

двойного слоя на фронте

поля

ударной

волны.

Использование

интегрирующей цепочки позволяет определить и распределение потенциала.

Масштаб разделения

О 5 10 15 20 25

30 зарядов в двойном слое

Е, Дж

» 1,0 мм, значение

Рис.9. Зависимость плотности заряженных частиц напряженности от энерговклада в источник УФ излучения. и 10"В/см,

поля что

соответствует избыточной

концентрации электронов «108см"3.

Зависимость концентрации заряженных частиц от энерговклада в источник излучения на расстоянии 3 см от решетки искровых разрядов в воздухе показана на рис.9. Эта зависимость имеет сложный характер. В начале концентрация резко возрастает до значения «10|0с\г, далее с ростом энерговклада рост концентрации замедляется и кривая выходит на насыщение. Таким образом, при энерговкладах Е>30 Дж концентрация ионов на не очень больших расстояниях (х<6 см) от решетки искровых разрядов будет величиной постоянной »10псм"3.

Расположение системы сеток на различных расстояниях и регистрация времени прохождения УВ дает значение скорости УВ.

Скорость УВ при различных энерговкладах показана на рис.10.

В §4.3 показано, что прохождение УВ через слабоионизованную плазму сопровождается поглощением энергии на фронте волны, что в свою очередь влияет на скорость УВ. Для воздуха при не очень больших скоростях УВ 7=1,25, и при М=2,5, Т1=2Т0. Увеличение

температуры газа на фронте волны приведет к разрыву кластерных связей и распаду

отрицательных ионов.

Так, например, энергия прилипания электрона к иону 0~ составляет всего 0,44 эВ. К одним из основных отрицательных ионов, регистрируемых в фотоплазме в воздухе относятся ионы типа0;(//;0)„. Образование этих ионов объясняется большим значением константы трехчастичной реакции:

0:(н20)п + н20+^—+ ыг, к!=10"27см6/с.

Дальнейший процесс кластеризации этого типа ионов ограничивает обратные процессы: 02(Н20)„+1 + N2-к2 зависит от температуры газа, кластерном ионе энергия отрыва электрона от отрицательного иона уменьшается.

Таким образом, нагрев газа на фронте УВ приводит к разрушению сложных ионов и образованию свободных электронов. Этот процесс идет со скоростью газодинамических столкновений.

По известной скорости УВ на различных расстояниях от решетки искровых разрядов определили величину энергии, выделяемой на фронте волны

Рис. 10. Значение скорости ударной волны при различных энерговкладач ( 1 - 12,25Дж, 2 - 20,25Дж, 3 - 51,25Дж).

-£-»02-(#20)„ + НгО + Мг, где константа С уменьшением числа молекул в

A^-g-^'-fr- (6)

Г(/ + 1)2 Л/2 W

При M >2, Де»—-о2 = 0,4о2. (г+1)2

В наиболее общем виде энергия волны £ = kpV2 , а величина энергии, выделяемой на фронте также пропорциональна квадрату скорости. Следовательно, энергия волны должна уменьшаться по экспоненциальному закону, что и показывает эксперимент.

Основные результаты и выводы

1) Исследованы физические закономерности переноса фронта У В по слабоионизованной плазме, развивающейся из области расширяющегося катодного пятна при взрывных процессах на катоде. Показано, что с термодинамической точки зрения процесс расширения катодного пятна носит адиабатический характер. За время адиабатического охлаждения плазмы катодного пятна ~10"8 с, при начальном размере взрывоэмиссионного центра ~10"6 м, фронт УВ переносится на расстояние ~ 10"3 м.

2) Исследовано влияние параметров разрядного контура и внешнего продольного магнитного поля с напряженностью до 250 кЭ на эффективность энерговклада в разряд, интенсивность и структуру фронта формирующейся при расширении искрового канала УВ. Показано, что вследствие роста ширины релаксационного слоя на фронте УВ и замедления скорости релаксационных процессов в присутствии магнитного поля распределение энергетической яркости свечения в радиальном направлении становится более однородным. Гашение интенсивности УВ со временем до значений, при котором кинетическая энергия газодинамического движения частиц плазмы становится меньше энергии ионизации частиц, в магнитном поле ускоряется примерно на 100 не.

3) Исследовано взаимодействие УВ со слабоионизованной фотоплазмой в воздухе. Установлено, что при распространении УВ по слабоионизованной ион-ионной плазме на фронте волны возникает двойной электрической слой, что объясняется разрушением отрицательных ионов в результате нагрева плазмы вследствие ее взаимодействия с УВ.

4) Разработана методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ с помощью плоского конденсатора, образованного двумя сетчатыми электродами.

5) Изучена роль диссипативных процессов в гашении интенсивности УВ. Экспериментально показано, что скорость диссипации энергии волны пропорциональна интенсивности УВ.

Основные работы по теме диссертации

1. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б. Диссипация энергии ударной волны в слабоионизованной плазме. //В сб.: Труды региональной конференции по компьютерным технологиям в экономике, в науке и образовании. Махачкала. 2005. С.36-37.

2. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б. Взаимодействие слабоионизованной плазмы в воздухе с плоской ударной волной. //В сб.: тез. докл. XXXIII Международной конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2006. С.204.

3. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б., Рагимханов Г.Б. Влияние магнитного поля на поперечный перенос фронта ионизации в импульсном разряде высокого давления. //В сб.: Материалы IV Всероссийской конференции по физической электронике. Махачкала, 2006. С.87-89.

4. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б. Взаимодействие слабоионизованной плазмы в воздухе с плоской ударной волной. //Вестник ДГУ. Махачкала, 2006. В.1.С.34-37.

5. Хачалов М.Б., Ахмедова Х.Г. Особенности формирования ударных волн при разряде в аргоне во внешнем магнитном поле. //ТВТ. 2007. Т.45. №7. с. 957-960.

6. Хачалов М.Б., Ахмедова Х.Г. Роль взрывных процессов в формировании разряда в аргоне. //ТВТ. 2007. Т.45. №4. С. 632-634.

7. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б. Потенциал двойного слоя на фронте ударной волны. //В сб.: Труды Международной конференции по фазовым переходам и нелинейным явлениям в конденсированных средах. Махачкала, 2007. С. 601-604.

8. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б. Расширение искрового канала в аргоне во внешнем магнитном поле. //Вестник ДГУ. Махачкала, 2007. В.4. С. 16-21.

9. Ахмедова Х.Г.,Курбанисмашов B.C.,Омаров O.A. Характеристики фотоплазмы в воздухе. // В сб.: Материалы IV Всероссийской конференции по физической электронике. Махачкала, 2008. С. 109112.

10. Ахмедова Х.Г.,Курбанисмаилое В.С..Омаров O.A. Формирование и распространение фронта ударной волны в слабоионизованной фотоплазме.// В сб.: Материалы IV Всероссийской конференции по физической электронике. Махачкала, 2008. С. 105-108.

11. Ахмедова Х.Г., Омарова Н.О., Омаров O.A., Хачалов М.Б. Диссипация энергии ударной волны в слабоионизованной плазме. //В сб.: тез. докл. XXXVI Международной конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2009. http://www.fpl.gpi.rU/Zvenigorod/XXXVI/L.html

Подписано к печати «11» апреля 2009 г. Печать офсетная. Формат бумаги 60x84 1/16. Заказ 514. Тираж 100 экз.

Издательско-полиграфический центр ДГУ Махачкала, ул. М. Ярагского, 59-а.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДАХ.

§1.1.Формирование ударных волн при импульсных разрядах в газах высокого давления.

§ 1.2. Распространение ударных волн в слабоионизированной плазме.

§ 1.3. Особенности формирования и распространения ударных волн во внешнем магнитном поле.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

§2.1.Электрическая схема формирования высоковольтных импульсов напряжения и инициирования разряда.

§ 2.2. Регистрация электрических характеристик разряда.

§ 2.3. Получение и измерение импульсных магнитных полей.

Конструкция соленоида и разрядной камеры.

§ 2.4. Регистрация пространственно-временного развития разряда.

§ 2.5. Спектроскопическое исследование разряда.

§2.6. Исследование эффективности фотоионизации газа.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ФОРМИРОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН

В ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ.

§3.1. Динамика формирования искрового канала в аргоне атмосферного давления.

§3.2. Формирование ударных волн при взрывных процессах на катоде с магнитным полем и без него.

§3.3. Влияние параметров электрической цепи и магнитного поля на развитие искрового канала и формирование ударных волн.

§3.4. Особенности формирования ударных волн при разряде в аргоне во внешнем магнитном поле.

ГЛАВА IV. РАСПРОСТРАНЕНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ПО

СЛАБОИОНИЗИРОВАННОЙ ПЛАЗМЕ.

§4.1. Характеристики фотоплазмы в воздухе.

§4.2. Формирование и распространение фронта ударной волны в слабоионизированной фотоплазме.

§4.3. Диссипация энергии на фронте ударной волны.

Актуальность исследования. Физика ударных волн (УВ) стала самостоятельным обширным разделом физики, тесно связанным с исследованиями в самых разнообразных областях от астрофизики и физики плазмы до физики твердого тела.

Среди практических задач, при решении которых возникают интенсивные УВ, можно назвать: исследования по нагреву плазмы мощными электрическими разрядами, сопровождающимися формированием УВ большой интенсивности; сверхзвуковое движение в атмосфере; вопросы, связанные с происхождением и ускорением космических частиц; исследования, направленные на реализацию управляемого термоядерного синтеза; создание новых источников излучения высокой яркости и т.д.

В отличие от УВ в нейтральном газе, УВ в плазме сопровождаются такими интересными и недостаточно исследованными до сих пор процессами, как образование стационарных двойных слоев заряда на фронте волны, связанных с поляризацией плазмы и формирование ионных УВ. В этой связи представляет значительный интерес исследование УВ в слабоионизованных газах, в частности, в воздухе, так как распространение УВ в слабоионизованном воздухе имеет место при сверхзвуковых движениях, ядерных взрывах, при различных природных явлениях.

С другой стороны, интерес к изучению УВ в газовых разрядах связан с техническими проблемами, возникающими при создании высокоэффективных плазмохимических реакторов и быстропроточных лазеров большой мощности. В таких системах вблизи зоны энерговыделения могут возникать УВ, которые существенно изменяют как структуру потока, так и физико-химические процессы в реакторе, а в лазерах со сверхзвуковыми потоками слой ударно сжатой плазмы поглощает значительную часть излучения и существенно влияет на динамику плазмы. Это приводит к снижению генерации излучения с ростом интенсивности УВ (или даже к срыву генерации в молекулярных лазерах).

Самостоятельный интерес представляет процесс поперечного (по отношению к току) переноса фронта ионизации и особенности формирования УВ в магнитном поле. Наложение магнитного поля вносит существенные особенности в развитие УВ на всех его стадиях - позволяет выявить физические процессы характерные для тех или иных стадий. Причем представляет особый интерес исследование влияния магнитного поля на развитие УВ в условиях, когда градиент давления магнитного поля соизмерим с градиентом газокинетического давления.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование и теоретическое обоснование механизмов формирования и распространения УВ, развивающихся из области расширяющегося катодного пятна и искрового канала в слабоионизованной плазме в газах высокого давления, как при наличии, так и при отсутствии внешнего продольного магнитного поля.

Основные задачи исследования:

• разработка и развитие методов комплексного экспериментального и теоретического исследования механизмов формирования и распространения УВ при импульсных разрядах в газах высокого давления с достаточным пространственно-временным разрешением;

• исследование влияния параметров разрядного контура на эффективность энерговклада в разряд, интенсивность и структуру фронта формирующейся УВ.

• исследование процессов формирования УВ и поперечного переноса фронта ионизации во внешнем магнитном поле.

• исследование особенностей взаимодействия УВ со слабоионизованной плазмой;

• определение каналов диссипации энергии в процессах гашения интенсивности УВ.

Объектом исследования явились свободно расширяющиеся самостоятельные импульсные разряды, сопровождающиеся формированием

УВ достаточной интенсивности в межэлектродных промежутках с характерными расстояниями (0,3-1 см) в аргоне в диапазоне давлений 1-3 атм и в воздухе при прикладываемых внешних полях 6,8-25 кВ/см и напряженностях внешнего продольного магнитного поля в диапазоне от 90 до 250 кЭ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи был принят комплексный подход, включающий использование различных традиционных экспериментальных методов исследования как макроскопических параметров импульсных разрядов: электрических, спектральных и оптических с пространственно-временным разрешением -10 не, так и внутренних, таких как концентрация и температура электронов в плазме искрового канала и катодного пятна. Была также разработана специальная методика измерения напряженности в двойном электрическом слое на фронте УВ с помощью плоского сетчатого конденсатора.

Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений базируется на использовании современных средств диагностики с высоким временным и пространственным разрешением, согласованности результатов теоретических исследований с результатами эксперимента и их согласие с имеющимися данными других авторов, систематичности экспериментальных и теоретических исследований в широком диапазоне начальных условий для различных газовых сред.

Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование и теоретическое обоснование механизмов формирования и распространения УВ в слабоионизованной плазме в газах высокого давления с наносекундным временным разрешением как при наличии, так и при отсутствии внешнего продольного магнитного поля.

При этом в диссертации впервые: - Изучены физические закономерности распространения фронта УВ по слабоионизованной плазме, развивающейся из области расширяющегося катодного пятна при взрывных процессах на катоде, исследовано влияние продольного магнитного поля на динамику плазмы катодного пятна. Экспериментально и расчетами показано, что разлет плазмы катодного пятна носит адиабатический характер.

- Экспериментально изучены особенности формирования УВ и поперечного переноса фронта ионизации во внешнем магнитном поле. Показано, что вследствие роста ширины релаксационного слоя на фронте УВ и замедления скорости релаксационных процессов в присутствии магнитного поля распределение энергетической яркости свечения в радиальном направлении становится более однородным.

- Предложена методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ, распространяющейся в слабоионизованной плазме. Измерены скорости распространения УВ, оценена скорость диссипации энергии. Показано, что причиной образования двойного электрического слоя в ион-ионной плазме является разрушение отрицательных ионов в результате нагрева плазмы на фронте волны.

Практическая ценность работы в основном определяется актуальностью тематики и новизной проведенных исследований, существенно расширивших наше понимание физических особенностей генерации и распространения УВ в слабоионированной плазме в сильных магнитных полях.

С практической точки зрения, результаты проведенных исследований и полученные новые закономерности позволяют прогнозировать характер и особенности протекания ударно-волновых процессов, возникающих на начальных стадиях развития импульсных разрядов в газах высокого давления, что важно для создания различных плазмодинамических систем и устройств. Полученные в работе результаты по формированию и распространению УВ в слабоионизованной плазме могут быть использованы при исследовании движения тел со сверхзвуковыми скоростями в ионизованном воздухе, для повышения эффективности плазмохимических устройств и оптимизации параметров быстропроточных газовых лазеров, и в других задачах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Образование катодных пятен в газоразрядных промежутках высокого давления сопровождается формированием УВ и диффузионных каналов, влияющих на динамические и энергетические характеристики этих волн: с увеличением перенапряжения на промежутке увеличивается диаметр прорастающего канала и уменьшается скорость его прорастания.

2. Расширяющаяся плазма катодного пятна формирует У В, которая переносит фронт ионизации вдоль направления электрического поля с большей скоростью, чем в радиальном направлении, а наложение продольного магнитного поля приводит к уменьшению скорости расширения прикатодной плазмы в радиальном направлении.

3. Скорость распространения УВ, развивающейся из области расширяющегося искрового канала до отрыва ее от токоведущего канала зависит от напряженности магнитного поля и не зависит от нее после такого отрыва.

4. Уменьшение скорости расширения плазменного канала в нейтральный газ обусловлено скачком магнитного давления на границе канала, которое приводит к уменьшению интенсивности УВ, уменьшению энергии, идущей на расширение УВ и увеличению внутренней энергии плазмы и ее излучения.

5. При распространении УВ по слабоионизованной ион-ионной плазме на фронте волны возникает двойной электрической слой, что объясняется разрушением отрицательных ионов в результате нагрева плазмы вследствие ее взаимодействия с УВ. Разработана методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ с помощью плоского конденсатора, образованного двумя сетчатыми электродами. Экспериментально показано, что скорость диссипации энергии УВ пропорциональна ее интенсивности.

Личный вклад автора в работы, на основе которых написана диссертация, является определяющим. Основные результаты экспериментов и расчетов, представленные в диссертации, получены непосредственно автором или при ее определяющем личном участии. Анализ всего цикла работ, выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту, также принадлежат автору.

Апробация результатов исследования и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXXIII и XXXVI Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2006, 2009), на IV, V Всероссийских конференциях по «Физической электронике» (Махачкала, 2006, 2008), на Международной конференции «Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007), а также на научных семинарах и научно-практических конференциях в Даггосуниверситете в период 2004 -2008 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ (из них 2 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАКа), список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 132 страниц текста, включая 36 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает 109 наименований.

Основные результаты исследования заключаются в следующем:

1) Исследованы физические закономерности переноса фронта УВ по слабоионизованной плазме, развивающейся из области расширяющегося катодного пятна при взрывных процессах на катоде. Показано, что с термодинамической точки зрения процесс расширения катодного пятна носит адиабатический характер. Экспериментально исследовано влияние магнитного поля на скорость расширения плазмы катодного факела, определен характерный начальный размер взрывоэмиссионного центра (~10~б м). Установлено, что плазма катодного пятна в процессе адиабатического о расширения охлаждается с характерным временем «10" с.

2) Исследовано влияние параметров разрядного контура и внешнего продольного магнитного поля с напряженностью до 250 кЭ на эффективность энерговклада в разряд, интенсивность и структуру фронта формирующейся при расширении искрового канала УВ. Показано, что вследствие роста ширины релаксационного слоя на фронте УВ и замедления скорости релаксационных процессов в присутствии магнитного поля распределение энергетической яркости свечения в радиальном направлении становится более однородным. Гашение интенсивности УВ со временем до значений, при котором кинетическая энергия газодинамического движения частиц плазмы становится меньше энергии ионизации частиц, в магнитном поле ускоряется примерно на 100 не.

3) Исследовано взаимодействие УВ со слабоионизованной фотоплазмой в воздухе. Установлено, что при распространении УВ по слабоионизованной ион-ионной плазме на фронте волны возникает двойной электрической слой, что объясняется разрушением отрицательных ионов в результате нагрева плазмы вследствие ее взаимодействия с УВ.

4) Разработана методика определения напряженности поля и потенциала двойного электрического слоя на фронте УВ с помощью плоского конденсатора, образованного двумя сетчатыми электродами.

5) Изучена роль диссипативных процессов в гашении интенсивности УВ. Экспериментально показано, что скорость диссипации энергии волны пропорциональна интенсивности УВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе на основе комплексного экспериментального и теоретического исследования изучены механизмы формирования и особенности взаимодействия ударных волн со слабоионизированной плазмой при импульсном разряде в аргоне высокого давления и в воздухе, детально исследованы и обобщены результаты экспериментального исследования особенности формирования и распространения ударных волн во внешнем магнитном поле с напряженностью от 0 до 250 кЭ. Развитые в работе методы комплексного исследования характеристик различных стадий искрового канала с высоким временным и пространственным разрешением, позволили получить общую картину формирования ударных волн при различных начальных условиях, измерить параметры плазмы на различных этапах развития ионизации, выявить роль взрывных и нелинейных процессов в формировании искрового канала, определить механизм и роль фотоионизации газа.

1. Месяц Г.А. О взрывных процессах на катоде в газовом разряде. //Письма в ЖТФ. 1975. Т.1, №19. С.885-889.

2. Месяц Г.А. Эктон-лавина электронов из металла//УФН. 1995. Т.165, №6. С.601-616.

3. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме//Новосибирск: Наука, 1984. 256 с.

4. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский A.B. Электрический взрыв проводников // М: Энергоатом издат, 1990. 293 с.

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

6. Драбкина С.И. К теории развития канала искры //ЖЭТФ. 1951. Т.21. С. 473-483.

7. Абрамсон И.С., Гегечкори Н.М. Осциллографическое исследование искрового разряда // ЖЭТФ, 1951, Т.21, №4, с. 484-492.

8. Гегечкори Н.М. Экспериментальное исследование канала искрового разряда // ЖЭТФ, 1951, Т.21, №4, с. 493-506.

9. Мандельштам С.Л., Суходрев М.К. Элементарные процессы в канале искрового разряда // ЖЭТФ, 1953, Т.24, №6, с. 701-707.

10. Донгов Г.Г., Мандельштам С.Л. Плотность и температура газа в искровом канале // ЖЭТФ, 1953, Т.24, №6, с. 691-700.

11. Брагинский С.И. К теории канала искры // ЖЭТФ, 1958, Т.34, №6, 15481557.

12. Александров А.Ф., Рухадзе A.A. Физика сильноточных электроразрядных источников света //Москва. Атомиздат, 1976, 284 с.

13. Биберман Л.И., Норман Г.Э. Непрерывные спектры атомарных газов и плазмы // УФН, 1967, Т.91, №2, с. 193-246.

14. Андреев С.И., Гаврилов В.Е. Радиационные потери энергии из плотной ксеноновой плазмы // ТВТ, 1970, Т.8, №1, с. 203-205.

15. Маршак С.И., Дайников A.C., Жильков В.И. и др. Импульсные источники света // М: Энергия, 1978, 472с.

16. Бобров Ю.К. О газодинамической модели искрового разряда // ЖТФ, 1974, Т.44, №11, с. 2340-2356.

17. Bayle V, Bayle Р, Forn G. Blast wave propogation in glov to spark transition in air // J. Phys. D. Appll. Phys. 1985. №12. p. 2417-2436.

18. Flovers I.W. Dynamics of the chanel spark discharge //Phys. Rev. 1943, №64, c. 233-237.

19. Адреев С.И., Ванюков М.П., Старовойтов A.T. Исследование влияния внешнего магнитного поля на основные характеристики импульсного разряда в гелии // ЖЭТФ, 1962, Т.43, №3, с. 804-810.

20. Андреев С.И., Ванюков М.П., Старовойтов А.Т. Исследование влияние внешнего магнитного поля на развитие импульсного разряда в аргоне // ЖЭТФ, 1962, Т.45, №5, с. 1616-1623.

21. Андреев С.И., Ванюков М.П., Даниэль Е.В. Применение искрового разряда для накачки оптических квантовых генераторов // Оптика и спектроскопия, 1973, Т.45, №5, с.784-788.

22. Андреев С.И., Ванюков М.П. Применение искрового разряда для7 8получения интенсивных световых вспышек длительностью 10" -10" с.// ЖТФ, 1961, Т.31, В.8, с.961-965.

23. Toepler H. Zur Kenntnis der Gesetze der Gleitt unkenbilduny. // Ann. Phys., 1906, №21, s. 193-2003.

24. Rompe R, Weizel W. Uber das Toeplersche funkengesetz // Z. Phys, 1944, № 122, s.9-12.

25. Андреев С.И., Ванюков М.П. Иследование электрических процессов в искровом разряде наносекундной длительности // ЖТФ, 1961, Т.31, №8, с.961-964.

26. Günbery R. Gesetzmäbigceiten von Funlcentlodunen in Nanosekundenbeirich // Z. Naturforsch, 1995, № 20a, s.202-212.

27. Vlastos A.E. The resistans of spark // J. App. Phys., 1972, V.43, p.1987-1989.

28. Stritzke P., Sander I., Rether H. Spatial and temporal spectroscopy of streamer discharge in nitrogen // J. Phys. D.: Appl. Phys., 1977, V.10, p.2285-2300.

29. Великович A.A., Либерман H.A. Физика ударных волн в газах и в плазме. // М.: Наука, 1987, 295с.

30. Бычков B.JL, Гуреев К.Т. Возможность ускорения ударной волны в плазме инертных газов //Химич. физика, 1988, Т.7, №2, с.282-283.

31. Александров А.Ф., Зосимов В.В., Курдюмов С.П., и др. Динамика и излучение прямых сильноточных разрядов //ЖЭТФ, 1971, Т.61, с. 1841-1849.

32. Бедин А.П. Газодинамические явления при движении ударных волн и тел в низкотемпературной неравновесной плазме. // Письма в ЖЭТФ, 1998, Т.24, №18, с.44-49.

33. Басаргин И.В., Мишин Г.И. // Основные результаты научной деятельности 1989/90 Л.: ФТИ АН СССР, 1990, с. 100-103.

34. Барышников A.C., Басаргин И.В., Чистякова М.В. Влияние увлажнения атмосферы и ее запыленности на эффект деструкции ударной волны в плазме тлеющего разряда // Письма в ЖТФ, 2007, Т.ЗЗ, №10, с.54-57.

35. Акишев Ю.С., Дерюгин A.A., Каральник В.Б. и др. // Физика плазмы, 1994, Т.20, №6, с.571-584.

36. Понель С.И., Голубь А.П., Лосева Т.В. и др. // Физика плазмы, 2001, №6, с.483-490.

37. Анюхин Е.М. Физико-химические процессы за фронтом сильной ударной волны в смесях СОг N2. Автореферат дисс. канд. Ф-м.н. Москва, 2005, 22с.

38. Фомин В.М., Постников Б.В., Яковлев В.И. Эффект высокой скорости лавинной ионизации за ударной волной в одноатомном газе. // Докл. РАН, 2003, Т.391, №5, с.623-627.

39. Enomato Y. Wall boundary layer effects on ionizing shock structure in argon //J. Phys. Soc. Jap, 1973, V.35, p.1228-1233.

40. Shanmugasundaram V., Murtys S.R. Structure of shck waves in partially ionized argon // Plasma Phys., 1978, Vol.20, p.410-451.

41. Дерактев В.И., Майоров C.A., Яковенко С.И. Структура стационарной ударной волны и заселенности ионных уровней. // Физика плазмы, 1987, Т.З, №9, с.1056-1057.

42. Лебедев В.Г. О структуре сильной ударной волны в плазме // Журн. прикладн. мех. и техн. физ., 1990, №2, с. 17-20.

43. Фальковский Н.И. Изменение диаметра канала импульсного разряда по разложению в спектр излучения.// ЖТФ, 1973, Т.43, №10, с.2106-2110.

44. Азизов Э.А., Кобелевский A.B., Настоящий А.Ф. Численное исследование динамики развития плазменного столба сильноточной дуги в газах высокого давления // Физика плазмы. 1986, Т. 12, В.З, с.362-369.

45. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Якубов И.Т. Релаксация и равновесное излучение за ударными волнами в воздухе. // Изв. Ан СССР Мех. жид. И газов. 1970, №4, с. 161-174.

46. Мельниченко A.C. Применение метода Монте-Карло к решению спектральных задач лучистого теплообмена // ЖВМ и МФ, 1977, Т. 17, №4, с. 1068-1074.

47. Павлов В.А. О структуре ионно-звуковых волн в слабоионизованной плазме. // Физика плазмы, 1996, Т.22, 23, с182-187.

48. Лобзин В.В. Структура фронта ударной волны в релятивистской плазме. // Физика плазмы, 1995, Т.21, №7, с.597-604.

49. Андреев М.Е., Кузнецов C.B., Пятницкий JT.H. Ионизация газа в оптическом разряде. // Физика плазмы, 1991, Т.17, В.9, с.1123-1130.

50. Басов Н.Г., Крохин О.Н. условия разогрева плазмы излучением оптического генератора // ЖЭТФ, 1972, Т.62, В.1, с.203-212.

51. Филимонова Е.А. Влияние неидеальности на состав и оптические свойства за фронтом сильных ударных волн. // Физика плазмы, 1991, Т.17, с.1440-1445.

52. Кучинский В.В. Оценка параметров плазмы по данным о прохождении через плазму ударной волны.// ЖТФ, 2003, Т.73, №9, с.52-59.

53. Найдис Г.В. Пространственное распределение параметров плазмы вблизи фронта ударной волны. // ТВТ, 1991, Т.29, №1, с.15-18.

54. Байметов Ф.Б., Нурекенов Х.Г., Рамазанов Т.С. Вязкость и теплопроводность слабоидеальной плазмы. // ТВТ, 1992, Т.ЗО, №6, с.456-461.

55. Shapiro V.D., User D. Shock surfind acceleration // Planet and Space Sei, 2003, 51, №11, p.665-680.

56. Bletzinger P., Ganguly H.N., Garscadden A. Strong double-layer formation by shock waves in nonequilibrium plasmas // Phys. Rev. E, 2003, 67, №4, 4.2 047401(4).

57. Berkovwsku K.S., Mckee C.F., Shull S.M. Low-temperature radiative shocks wich electron thermal conduction. // Astrophys, 1989, №2, p.979-998.

58. Кудряшов H.A., Кучеренко С.С., Побережный А.Ш. Численное решение задачи распространение цилиндрической ударной волны в магнитном поле. // Журн. прикладн. мех. и техн. физ., 1986, №6, с. 102-107.

59. Бармин А.А., Успенский B.C. Исследование нестационарного процесса распространение ионизирующей ударной волны в магнитном поле // Журн. прикладн. мех. и техн. физ., 1989, №3, с.20-26.

60. Petit S.P., Lebrun В. Shock wave concellation in gas by lorens forse action // 9 In. Conf. Magnetohydvodyn. Elec. Power Generat. Mhd. Tsukuba, 1986, Vol.3, p.1359-1367.

61. Омаров О.А., Эльдаров Ш.Ш. Особенности распространения ударной и тепловой волн при импульсном разряде во внешнем магнитном поле. // ТВТ, 1993, в.4, с.49-53.

62. Намитоков К.К., Френкель З.М. Рассчеи температуры в канале электрической дуги высокого давления горящей в инертном газе // ЖТФ, 1975, т.45, №8, с.1683-1688.

63. Амиров А.Х., Коршунов О.В., Чиннов В.Ф. Ближнее ультрафиолетовое излучение неравновесной плазмы инертных газов // ТВТ, 1991, Т.29, №5, с. 131-134.

64. Брюнеткин Б.А., Карлинский A.M., Соболев И.Ю. и др. Эффект ограничения поперечного разлета лазерной плазмы в сильном магнитном поле // ЖТФ, 1991, Т.82, №7, с.41-43.

65. Спитцер JI. Физика полностью ионизированного газа. // М.: Мир, 1965, 270с.70. ? Окунь И.З. Измерение разрядных токов поясом Роговского. // ПТЭ, 1968, №6, с.120-126.

66. Хачалов М.Б. Формирование и развитие искрового канала в аргоне. Автореферат канд. дисс. Москва, 1988.

67. Омаров O.A., Таймасханов A.C., Хачалов М.Б. Влияние сильных магнитных полей на ионизационный коэффициент Таунсенда. // В сб. Пробой диэлектриков и п/п. Махачкала, 1976, в.2, с. 17-24.

68. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. // М: Мир, 1972, 392с.

69. Физика быстропротекающих процессов. (Пер. с англ. Под ред. Злотина H.A.) //М: Мир, 1971, т. 1, 519с., т.2, 352с.

70. Курбанисмаилов B.C., Хачалов М.Б., Шабаев Г.К. Формирование искрового канала в аргоне в условиях интенсивной ультрафиолетовой подсветки. // В сб. Пробой диэлектриков и и/н, Махачкала, 1984, С 139— 143.

71. Баронов В.Ю. , Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Эксимерные лазеры на галоген идах инертных газов. // М: Энергоатомиздат, 1988, 216с.

72. Levine J.S., Javan A. Spatial distribution of electrons in a high pressure plasma, produced by two step photoionization / /Appl. Phys. Lett., 1974.Vol.24, №6. P.258-261.

73. Борисов B.M., Гладуш Г.Г., Степанов Ю.Ю. Фотоионизация в импульсном СОг — лазере. // Квантовая электроника. 1977, Т.4, №4. с.809-814.

74. Seguin HJ., Tulip J., McKen D. UV photoionization density measurements in TEA lasers. // Appl. Phys., Lett. 1973. Vol.23. №6, P.344-346.

75. Liberman I., Platow W.D. Mechanisms of UV preionization in TEA lasers // IEEE J. Quant. Electron, 1974. Vol. QE-10. №9, P.750-751.

76. Bablock P.V., Liberman I., Partlow W.D. Volume ultraviolet preonization from bore sparks//Ibid. 1976. Vol. QE-12. №1, P.29-34.

77. Измерение плотности фотоэлектронов при ионизации рабочей смеси СОг-лазера излучением поверхностного разряда. / Н.И.Липатов, П.П.Пашинин, А.М.Прохоров, В.Ю. Юров Препринт Фиан №45, 1979. С. 1-37.

78. Taylor R.S., Alcock A.J., Leopold К.Е. Laser induced preionization of rare -gas halide discharge // Opt. Lett. 1980. Vol. 5. №6, P.216-218.

79. Хачалов М.Б., Кадыров З.М. Методика определения подвижности ионов в молекулярных газах атмосферного давления. Вестник ДГУ, 1997, в.1. с. 54-57.

80. Хачалов М.Б. Подвижность ионов в атмосферном воздухе. /Вестник ДНЦ, 1998, В2, с. 26-29.

81. Köhrmann W. Die zeitliche Entwiclung der Towncend-Entladung his zum durchschlad. // Z Naturforsch, 1964.B.19a,s.926-932.

82. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя. М: Наука, 1991, 224с.

83. Королев Ю.Д., Кузьмин В.А., Месяц Г.А., Ротштейн В.П. Взрывные процессы на катоде и контрагирование сильноточного объемного разряда наносекундной длительности // ЖТФ, 1979, т.49, в.2, с.410-414.

84. Хачалов М.Б., Ахмедова Х.Г. Роль взрывных процессов в формировании разряда в аргоне. // ТВТ, 2007. Т.45.№4.с.1-3.

85. Хачалов М.Б. Взрывные процессы в разрядах в аргоне. // Вестник ДГУ 2006. В.4. с.30-33.

86. Хачалов М.Б., Ахмедова Х.Г. Особенности формирования ударных волн при разряде в аргоне во внешнем магнитном поле. // ТВТ, 2007,Т.45, №6, с. 1-4.

87. Королев Ю.Д., Месяц Г.А., Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. //Новосибирск: Наука, 1982,255с.

88. Ахмедова Х.Г., Хачалов М.Б., Рагимханов Г.Б. Влияние магнитного поля на поперечный перенос фронта ионизации в импульсном разряде высокого давления // Материалы IV Всероссийской конференции ФЭ, Махачкала, 2006, с.87-89.

89. Смирнов М.Б. Физика слабоионизованного газа. — М: Наука, 1978, 415с.

90. Омаров O.A., Таймасханов A.C., Хачалов М.Б. Расширение канала искры в продольном магнитном поле. // Тезисы научно-практ. конф. молодых ученых Дагестана, Махачкала, 1977, с.112.

91. Омаров O.A., Османов И.И., Хачалов М.Б., Шихаев А.Ш. Исследование некоторых динамических характеристик плазмы искрового пробоя газов в сильных магнитных полях. // В сб. пробой диэлектриков и п/п. Махачкала, 1980, с.30-34.

92. Омаров O.A., Хачалов М.Б. Исследование характеристик искрового пробоя в аргоне в сильных продольных магнитных полях. // Тезисы VI Всесоюзной конференции по низкотемпературной плазме. Ленинград, 1983, т.2, с.168-169.

93. Маршак И.С. Стадия большого тока электрической искры в газе при атмосферном давлении. // ЖЭТФ, 1946, т. 16, с.703-710.

94. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме. // Вопросы теории плазмы /Подред. М.А. Леонтовича. М.: Атомиздат, 1963. Т.1, с.183-273.

95. ЮО.Магдешова H.H., Пащенко Н.Т., Райзер Ю.П. Структура ударной волны, в которой происходит многократная ионизация атомов. // ПМТФ. 1970. Т.5. с.11-21.

96. Имшенник B.C. Структура ударных волн в плотной высокотемпературной плазме. // Физика плазмы. 1975. Т.1, с.202-207.

97. Дворников И.В., Кулагина JI.B., Подмошенский И.В. Получение плазмы путем фотоионизации газа // Оптика и спекстроскопия. 1974, т. 36, с 40-46.

98. Хачалов М.Б. Кинетика фотоплазмы в атмосферном воздухе. /Мат. конф. Плазмы хх век. Петрозаводск, 2000, т.2, с. 157-160.

99. Юб.Хачалов М.Б. К вопросу фото ионизации воздуха./ТВТ, 2000, Т.З8, N2, с 335-337.

100. Смирнов Б.М. Комплексные ионы. //М: Наука, 1983, 152с.

101. Клайн Л.Э., Дэн Л.Ж. Самостоятельные разряды с предыонизацией, используемые для накачки лазерных сред, /в кн. Газовые лазеры. М: Мир, 1983, 152с.

102. Физика ионных и электронных столкновений. //Пер. с англ. /Под ред. Фирсова О.Б. М: Мир, 1986, 432с.t/