Восстановление пространственного распределения скорости и температуры вращающейся плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ЛШНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ЕФРЕМОВ Николай Петрович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЫ

Специальность 01.04.14 — Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

М о с к н а —

I П 92

Работа выполнена на кафедре физики Московского лесотехнического института.

Научный руководитель —доктор технических наук,

профессор Харченко В. Н.

Научный консультант — кандидат физико-математических паук,

доцент Полуэктов Н. П.

Официальные оппоненты—доктор технических наук,

В. И. Арефьев,

кандидат технических наук, Э. П. Зимин.

Ведущая организация — ЦАГИ имени Н. Е. Жуковского.

Защита состоится ««^У» .^г^^Д.....1992 г.

в . . . час. на заседании специализированного совета К 053.31.06 по присуждению ученых степенен при Московском лесотехническом институте по адресу: 141001, Мытищи-1, Московской области, МЛТИ, аул,. 315.

Отзыв на автореферат В ЭКЗЕМПЛЯРАХ, ЗАВЕ-

РЕННЫЙ ПЕЧАТЬЮ УЧРЕЖДЕНИЯ, просим направить по указанному адресу на имя ученого ученого секретаря института Вороницина В. К.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЛТИ.

Автореферат разослан « и, 1992 г.

Ученый секретарь специализированнго совета, кандидат технических наук, доцент В. И. БУЛГАКОВ.

Подп. в печ. 19.05.92 г. Объем 1 п. л- Зак. 275 Тир. 100

Типография Московского лесотехнического института

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность иро5л&?п.!. Невозмупаксне методы исследования важнейших тепла!>;:зпческях пзр.зметров плаз:-:*.' - скорости двизсе-шя я теьшературы атомов п ионов или слпзгком слогны. или имеют в настояцее время ограниченное применение. 3 задаче восстановления скорости и температуры ;гэ собственного излучения плаз№1 ло сих пор рассматривались только осевые течения аксиально симметричной плазмы, при этом гарантируется правильное госстановленпе лишь незначительных отклонений т^гперзтуры плазмы на фоне большой постоязгнсй теьгоературы. В то яе Бремя е раачичЕых установках необходимо знание скоростей вращения г радиального движения плаз ми, а такхе параметров движения плазмы, имепдей сложную конфигурацию. Нсс.телсЕз:гт:я тепло^язн-ческнх параметров плазмы необходимо для опенки процессов мас-сопереноса, понимания рекн-юв течений, исследования дн:К>узнп и т.д. Поэтому разработка невозм.ушкЕпх методов исследсзання теплофгзических параметров плазм! является актуальным.

Цель работы: усозерзенстаоззние методик восстановления локальной скорости движения ц температуры атомов и ионсз плазмы нз спектров собственного излучения, экспериментальное исследование течений в импульсной плазменной центрифуге.

3 задачи исследования входило:

- разработка еовых методов спектральных исследований для восстановления теплофззнческих параметров плазма: - скоро-сп: движения я температуры атомов а ионов:

- экспериментальное исследование распределений теплсфя-зическпх параметров плазмы и особенностей течения в имгульс-ной плазменной центрифуге;

- псследоЕ экие пли яти я аппаратной фукхцтрг спектрального

прибора, Птарк п Зеемая-ушнретгй на точность определения У± н

Т. .' 1

- численные эксперименты для изучения точности восстановления параметров плазмы;

- регистрация собственного излучения плаз::ы и восстановление полей скорости движения а температуры нейтральных атомов и ионов в импульсной плазменной центристе.

Научная новизна. Получены интегральные уравнения для восстановления пространственных распределений скорости я температуру атсмсз и ионов в плазме.

Еыкалепы кяасси течений, г ксторьзг всэмонно эосстаноэлс-Е25 прострой стб с как распределений скорости и температур^.

На основании спектр-зльных измерений впервые Еоссгаиозле ■ ни пробили скорости к температуры ео врздаилейся плззм-э.

Практическая и Единая ценность. Научная ценность диссертации закл:ачается в репенни задачи Еосстаноэления пространственных распределений скорости к температуры атсмоз и ионов плазмы в об"ом виле. Практическая значимость заключается в разработке экспериментальной методики изучения распределений скорости дзизения и тегаературы плазмы и в полученных с помопьв этой методики пространственных распределениях скорости к температуры плазмы, которые могут быть использованы для анализа картины течения н оптим-изапки устройств с вралаизейся плазмой.

Основные дологеЕкя, Еыяосимые да задиту.

1. Система интегральных уравнений для восстановления пространственных распределение скорости движения и температуры атомов и ионов плазмы ез спектров собственного излучения.

2. Обращения интегральных уравнений для осесикметричной Брзаашс-йся плазмы.

3. Экспериментальные результаты восстановления пространственных распределений скорости и температуру в плазменной центрифуга.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- научно-технических конференциях М.ТГТИ СМосква, 1986-1990 гг. У

- седьмой всесоюзной ко:гференгии по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 19375;

- 14 конференции молодых ученик МЭТИ СМосква, 1989>;

- Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" СНоаоснбярск, 1991 г.

Публикапни. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из ввел':-киа, семи глав, заглжченкя и списка использованной литературы. ОбниЗ сеъем диссертации - 124 страницы, 25 рисунков; 1 таблицу. Список литературы содераиг Ь.; наимопсь^-

• _ С01ЕР2АЯПЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность разработки методов определения прсстранственшк распределений скорости движения е температуры атомов я конов плазмы к экспериментального исследования теплофизическнх параметров в »¡пульснсй плазменной пен-трифуге. Исходя ::з этого сфсрмуллрснаяз цель работа. Лап об-гср содержания диссертации.

В первой глазе приведен обзор рабсгг по восстановление распределен^ скорости н температуры плазмы из спектров ссбст-Еендого излучения, приедены результаты проверки оснсатк соотнесений этих работ па конкретных молвлю плазму и выявлены гранили применимости разработок.

Особепностьп рабст по восстановления скорости г те.^гперз-туры плазмы из спектрсз собственного излучения является первоначальное иосстапаэление пел ей ло:<алыл:х сдвигов к у~ире:нгй спектральных линий с псследуктам вссстансвлетаем из ги, а не нспосредстЕс-ЕНО» скорости движения ;.' температуры по:!СЭ ПЛаЗ-

НЫ.

В процессе вычислений Бону с соавторами причлось ее о ста несколько ограниченна.

Во-первых, форма легальной спектральной ли.таг считается апрпорпо известной: гауссовой или леренповей, а при вьзоде уравнений томографии используется явное представление фор;и спектральных линий.

Во-вторых, считается, что полуширина спектральных линий складывается из постоялкой величины и но мпего раз меньшей переменной части. При чисто доплеревском ут-ирекпн это означает, что температура плазмы квазипсстоянна. Если первое условие не позволяет только инвариантно рассмотреть бесконечное разнообразие форм слектралыак л;п:;:Я, второе условие ограничивает пределы допустимых изменений теплсСиэяческих параметров плазмы.

К этим ограничениям следует добавить, что рассматривается только осевое течение плазмы, то есть радиальное и вращательное движения не рассматриваются, кроме того, в задаче определения доплер-звекого сдвига требуется наличиэ цилиндрической симметрии, Солее сильной, чем осевая. То есть параметры

плазмы б цилиндрической системе координат <г, р, zJ должны зависеть только от радиуса г . Г1рц этих ограничениях авторами получены следушие результата:

Кх>Д'А,Сх> - AtcCr~>Lv <Г5] ; Cl)

М п\

КхЭА^Сх) - AÍ«Cr5AvfCr>] , С2>

Н h

где Av^Cr) н AvyCx5 - смешения максимумов локальной и полной

лппкй, 1Сх> - интенсивность спектральной линии вдоль хорды,

отстоящей от оси иа расстояние х, Аи^Сг) н Ду,,<х> - ширина

h л п

локальной к полней спектральных линий. А - саератср Абеля:

АСРСг - 2J Г " <35

х Сг*~-х^

где R - радиус границы плазмы, сСг) - локальная эмиссионная способность плазмы.

В обзем случае чтее'ы применить эту методику необходимо искусственно вводить большую постоянную температуру, превьиа-ттух) нметсиеся d плазме изменения температуру, подгоняя плазму под известный метод реаения. Так как измеренные величины становятся малыми возмуЕеннями, точность вычислений сильно падает. '

Имешаяся методика неудобна тем, что базируется на выполнении некорректных операггий одно п двукратного дафферошш-розання спектральных лвпаЗ. которые отлечзпггся точностью лить при малой зашумленности спектральных линий.

Альборн и Ксррис для измерения емздения спектральных линяй использовали спаренные ноглогзкене клинья с линейно на-pQCTajxsni Е с лшгеПко укень^ансимся коэКнннентамн поглоае-ния, перекрывавшие соседние вертикальные участки выходной сели спектрального прибора. Выравнивая световые потоки при помощи одновременного неремецеяия клиньев, авторы находили сме-

пепне центральной длины волны спектральной линии

-f 00

\ - •

с +<*>

J'KXJdX

Пользуясь этой методикой авторы получили свободeos от каких-либо- ограничений уравнение для определения сдвигов спектральных линии:

1Сх>ЛХ.,00 - АСгСОДХ .Сг > ] ,

Автсры не показали связи АК - X - , где \ вычислена

си с

по формуле (4), со скоростью движения плазмы.

Этими работами ограничивается основные разработки по теория томографии скорости движения и температуры ионов плазму. В последующих работах идей, сусественно дополняших идеи работы Бона, Бесса и Неддерз предложено не было, а работа Аль-борна н Морриса сказалась единственной в своем роде.

Во второй главе анализируются различные способы определения скорости движения и температуры пз локального контура спектральной линии.

В доплеровской спектроскопии распределение атомов по скоростям считается максвелловским, что позволяет представить форму спектральной линии в виде:

•"•(ф'Ч- Ф».' М •

о о

Из нее скорость движения и температуру ноноэ определяет по

формулам:

Л!'

У-с—; . С5>

мс2 - - 2 Го1г2

где ¿V - смеаенпе максимума спектральной лилии; - полная

га п

ширина спектральной линии на половине ее максимальной высота.

Задачу определения скорости движения п температуры позоз плазмы по спектральным измерениям при таком подходе можно сигать избыточной, т.к. из контура спектральной линии, представленной десятками отсчетов яа дискретных частотах | вычисляет всего 2 параметра плазмы, учитывая при этом невольте Фрагменты спектральной лилии вблизи максимума и полувысоты.

На практике спектральная линия всегда зачумлена и поэтому, вообге говоря, содержит ряд точек максимума и точек половинного уровня. Поэтому обработка спектральной линии услозшя-ется. При высоком уровне сума для однозначного определения точки максимума и точек половинного ¡фобия иесбход!Гмо сглаживание спектральной линии. Следствием такого сглаживания является уэелпчезие сирины спектральной линии, тго приводит к дополнительной погрешности температуры.

Прн пскояокпо? •* спектрально!; липке лля получения скорости и температу: п.- -»мы необходимо обрабатывать весь контур спектральной - максцкальпо пспользуя нмеизуюся а ней игформацкя.

Ез излеченного следует, что необходим альтернативный способ определения скорости и температуры попов плазмы из контуров доплерсзсккх спс.,тральных ланий.

На основании фор.'ул.1.'

рСУМУ-дООФ.', <7>

где дО) - нормпроважая ¡га 1 форма локальной спектральной лньян, рС\0 - функшхя распределения ненов по скоростям, предлагался формулы для определения скорости п температуры псноб пз лекального контура спектральной лнник:

v- ^ [с'.-и^ам^ ;

V ■> О

«<ю «С.1 ?

-г _ [ ^дООЙк - [ 1 .

2-..^ о 0 о и

Пренмудестга этих формул:

1) универсальность относительно ферм-.: саехтральноЬ. линия, ЛЕнейная зависимость Ун Т ♦от полнее совпа-

1 2

денне с термодинамические: формулами: v- ]"урсу)ау ;

— <т> ♦ а— 00

2> они обеспечивает определение скорости к температуры плазмы по спектральной лккни произвольной формы, б ■частости, по спектральной лиши, нмэпцеС более 1 максимума;

3) вычисление скорсстл п температурь: по зтнм формулам -корректная операция при лыбом отношении екгкал^иум в отлпчне от определения полуширины и смешения максимума спектральной ланкп сз перзой и второй произволним;

4> спи учитывают футжпзя распределения ионов плазмы по •скоростям н поэтому даиг максимальную информация о средней скорости ионов и температуре слазим.

Изучена предельная точность определения скорости и темпа ратуры плазмы из контура спектральной линии, определяемая дробовым кумем в детекторе излучения.

Онн имеют вил:

6Т

» и-0

где п- отношение снгнал-'Еум на частоте и-0 Фурье-

разложения ке:гтурз спектральной линии. Ут~ скорость хаотического ДЗ!£ЖеШ1Я.

Приведены результаты проверки зтих соотношения методом гате:«атического моделирования зааумлентгх спектрзльнгк линий, получено согласие с теоретическими сзенкзмн.

В третьей главе описана методика восстановления скорости и те;яерзтуры в произвольном и осесимметричнсм потоках плазмы.

Восстановление скорости и температуры относится к одной из задач спектротомографга, где луч-сумма выступает функцией частоты. Поэтому задача сводится к поиску такого преобразования луч-сумм, когда в них явно будут присутствовать локальные скорость и температура ионов плазмы. Интенсивность излучения на частоте и на расстоянии р от начала координат вдоль направления т С рис.1.) определяется уравнением Радона:

10>,р,0 - 5 сС^,г,е>6Ср-?гМгг, С8>

аз ♦

Здесь г,?) - локальный спектральный коэффициент излучения, т и - единичные вектора, г - днч-мериый радиус-вектор, 6Ср-;г> -<5 - функция Ширака.

Рнс.1. Схема двумерной томографии

где при наличии с«М>окта Доплера сС;»,г > является яеизотрсп-ной величиной и поэтому с^ра^ение уравнения па отдельных частотах невозможно.

Умногая луч-сукмы на ■

■С:—I' ) и

-- (!■>-»■ 5** и инте-

грируя по 'частотам получены уравнения:

■е ♦

РСр.О - /Су-^ -

о „ О

- / с(.г> СУСгЯэ <5Ср-?г>агг ; С95

СО

•* р +<жз -»

2<р,ч*5--^ -

о

С

- £Сг>[т<г>*—\—] оСр-? г)а г . С10>

Далее использована возможность единственного представления секторного поля Й-сСгЭУСгО э виде суперпозиции потенциальной к Енхр-евой частей. Замыкая линии наблюдения за пределами плазмы и используя

ф СГ-с? = 0 и Р. О®525*5 - | О®13^- - 6 его! А <±* - О,

получено: РСр.О - тгКр.О -

- / 6Ср-«г5йгг - Е СИ?

00

Здесь а - потенциал "вихревого" поля.

Полученное соотношение означает, что вклад потенциальной

части векторного поля О э ГСр,?) раген Еулю и, следовательно, ее восстановление невозможно.

СоЕмеспюе репение уравнений

рСр.О - р,С><Ь> - I <5Ср-?гМгг - К сСг> ,

О во

предыдущего уравнения и СЮ? позволяет восстановить скорость движения и темдературу плаз>:ы.

Таким образом, полностью восстанавливаются поля скоростей в температур произвольной плазмы если векторное поле ОСг>

- сСг>УСг? является чисто вихревым, с нулевой потенциальной частью. В противном случае восстановление полной скорости и температуры плазмы сильно услотзягтся, т.к. из уравнения <10> нугно определять и температуру Т, и безвихревую часть ^сгг *

векторного поля п (г?.

Задала намного про~е в осескмметричной плазме, где она ресается полностью в случае цилиндрической симметрии. Кз-за осе симметричности параметры плазмы зазис-.тг только от радиуса й задача восстановления Еырокдается в одномерную.

Уровпеиае луч-суммы в осесимм»трнчной плазме записывается в вале:

f<Jo . J° ffl C12>

** S 1ш

Здесь x - кратчайшее расстояние от линии приема излучения до оси, <* - угол, составляемый направлением наблюдения и осью, у - ордината точки пересечения лучсм Гранины плазмы. Ось у перпендикулярна оси z плазмы. Если хСг) - изотропная величина, то получаем уразнгкие Абеля:

foo--§-J *Cr>rdr_

Примером такой величины является полная гэлучательная

способность плазмы г Cr >.

Уравнения скорости н температуры, содержание неизотроп-

нуг величину V <г>, в осесимметричной плазме принимает вид: ^ R

FCx.cO - 2 ? <xV »rV ctg*) a35

x p 2 Cr -x )

X Cr^-x*) йСг )я

^Г С у- vps Vzcosc<]2J С14)

где 0<г> - сСгУГСг).

Отсутствие в С135 радиальной скорости плазмы сбуслоэ-

лено тем, что £,<r)Vr- потенциальное векторное поле.

Яля того, чтобы разделить уравнение томографии скорости отиоснтелько неизвестных, достаточно выделить четные н нечетные по х части С13?, а в <1<1> нужно ннделпть слагаемые, пропорциональные sin-1 а п since

sfveigo -f^x,«) - ; : C15>

x <r

R

2 J xV, * ^ I] - F Cx.cO - ■ - и-х.«" . a6>

? Г gf^rdr . Vx.ysln-X- ^Cx.^sirT1«,

X <Г -X )* Sir. ^CX. - Sir. o<2

R cCr)nvf 2vi2, <x,*, )S!M, -Z, Cx,sOsiR*0 2j--¿r™ —=-=-^—-—^--— . CIS)

X ' sir."* -Sir.""*,

-1Z-

Этим заверсзется вызол ; • "нений для восстановления скорости п температуры в случае '■•"е симметричной плазмы.

Радиальная скорость двпхе. яя плазмы входит е <185 в квадратичном Еиде и не может быть восстановлена с точностью до знака. Знак радиальной скорости ионов необходимо знать алрнорно.

Уравнения козХнпиекта испускания сСг>, осевой скорости V tri и температуры ТСг ) однстпны и имеет абелев вид:

f<*> J-Щр^

х (гг-х2>1 г

с решением

1 ¿ч

* ~ ^ ОГ-r V2 '

Уравнение С16> rar.se ногет сыть приведено к этому виду:

FJC:Q , r OCr> rdr

* " г <гг-хгг'г '

f<R) ■ О г абелева инверсия дзет:

аСг>___L. ?r F=Cx>dx fl9>

OCrJ - — "cF j ' г „г.1'г • C19:i

Г Ч.Х -Г

fiOOravjrCiO

Обозначая VCr) - -^- и дифференцируя по x, уравнение C18> приведено к виду уравнения Лбеля:

' 2гС?° 2 *Г VCr rdr_

х к гг . Сгг-хг51/г

с решением:

r А R 21Cx>dx „ „- , л R x2„C.\Odx

УСГ)- Г Я _Л_Г_£__C2CD

л <х2-г£>1/г " сГ1- Г cFj! ^.s.j.s-i^-1-

В четвертой главе рассматривался г опросы влияния аппаратной функции, Птарк и Зеемлн-з^-ектсв из точность определения скорости и температуры плазмы.

Обгоая постановка задачи требует исследования и случаев, когда мульткплетпзя структура спектральной линии сильно выражена.

Форма спектральной ллекп при наличии кеогех видов ушкре-пнй описывается вы,заменяем:

KvOeb> = I_g, . .«47 Cv>,

Gl £ г.

где знак <■> означает свсрпу фуомпгй.

На основании формул:

+00 Г"*00 ч

JVg <v>g aodf-! jrvg CvM^ ♦ JVg CiOdv , <215

—CO _(1) —CO

" JV^CvOeg^vOdv - ^.JV^OO^CvOd^ j -

JV2g. CiOdi> - С JVg. CiOdv W - 7 о-/ C22> -oo 1 1 J i-Г.г 1

сделан еыэод, что недоплероэские сдвиги н квадраты недопле-ровскнх усирениа складывается с доплеровскнм сдвигом и квадратом доплеровского уппрения аддитивно.

Обычно недоплеровскле смешения спектральных линий нечувствительны к изменению направления регистраппи излучения на

обратное и они легко выделяются:

bip.h--E<p.<.i7> - FCp.f „ ^вихр

о

В присутствии дополнительных впдоз утпирения уравнение томографии температуры приобретает нид

ZCp.O - /сСгзГт<г> ♦ *

со L 1-1 1

* 1 с V77* i J, A^)2]iCp-irM2r C23>

В этом уравнении присутствует ухе три неизвестные величины: температура, сумма квадратов недсялерозсккх угиренпЛ н

0псггСг5

часть скорости, роваая —-. Поэтому решение уравнения

iCr)

С235 дополнительно усложняется.

При наличии аппаратного усзхреЕия спектральных линий из восстановленной температуры необходимо вычесть постоянную

♦ 00 *00 jV^ACiOdv JV>ACvidv

tj 2 2 -<"> /—ш 1 - где ov —--— !- I,

--• '-'nüü *U3 V. »CO J*

г апп апп

О jACvMv |ACvMv

-OD - OJ

ACvO - аппаратная функпня спектрального прибора. При этом опе-рзпия деконволщнп свертки, сссспечинаксая редукпню к идеальному спектрально^ приберу, становится излкгней.

В пятой главе описана методика н приведены результаты математического моделирования эксперимента.

Лля апробации на модельных задачах выбрана осесиммет-рнчнзя модель плазмы. Изучаемые параметры елаз;:ы задавалнсь в виде кривых различной конфигурации, на которых рассчитывалось излучение вдоль различных хорд.

Евсдя в излучение плазмы квантовый сум, моделировалось реальное излучение плазмы. Затем производилась обработка спектров для определения теплофнзпческнх параметров плазмы цо алгоритмам реального эксперимента. Интегральные уравнения регзлись в матричном представлении, некорректность задачи, Еырагапдаяся в появлении аномзльно большого сумз на высоких частота;-!, устранялась методом регуляризации Тихонова.

гегуляризировэнное решение матричного уравнения А» р -f

представляется в виде <?- ■■ " -, где О - регулярнзиругсая

а а»л

матрица.

В ходе моделирования опробованы различные регулярнзирую-сие ограничения на реаенне: lf>|S0o> 1р'!£Оа а др. Заэумлен-ность спектральных линий менее i у. позволяет точно восстановить распределения параметров глаз:«. При увеличении кума точность восстановления уменьшается.

Е ходе моделирования изучалось восстановление заведомо более сложных, чем в реальном эксперименте, распределений параметров плазмы, представленных на рис. 2 . йзлучательная способность имеет двугорбовуи структуру, скорость враления в центре положительна, на периферии отрицательна. При малом куме распределения параметров плазмы восстанавливаются точно.

Усредненные вдоль хорд параметры плазмы, вычисленные из контуров спектральных линий, отличается от истинных. Скорость отличается от точной е 2 раза, температура так»; в 2 раза, параметр 8 - в 4 раза. При ресении задачи томографии параметр в вычисляется точно, что позволяет правильно оценить, характеристики разделения.

В еестой главе приводится описание экспериментальной установки.

Эксперименты пггазеднлгеь на установке, представленной на рис. 3 . В цилкядрг-гческой камере [1] длиной 1 м к диаметром 0,3 к на осп расположены два молибденовых катода £23 радиусом

отн.сд

, т/о

"Рно.2. Результаты моделирования восстановления параметров плазм* при 5% -ном пуме интенсивности излучения, а) коэффициент излучения; 6) скорость срапэкия ионов: в) температура ионов; г) параметр 9 = тЩ~/?.Т ; — - заданное распределение по радиусу; • - восстановленное в результата регеякя обратно?, счпечп; г, - усредненное вдоль хортт".

сэ

к. КОНЛЁИГАТОРАМ

К ЦГИИТРОЦА.М

Г"

г

зарщые упр-ьа в5у1

_I_I_I_1_

ч л .о, *

шинм высошоаьт.

1

к поясам Рогоьского 1

систи ълаускь. игш 1

<эа-и мс 8201»

ЗГЕ

тт

т

БКОК. УСИА1ПШИ

I_I_I_

СИСТЕМА МШНК5/Щ.

к

А м д к

I

1-$ т

Рхс. 3 Схема экспериментальной установки

~ ------ о _ «ппгоп» 4 - магниты, 5 - изоляторы, б - эон^ы

2 см, введенные через торцевые кварцевые изоляторы [5]. Коак-снально с катодами расположены анодные кольца [3] радиусом 7 см, соединенные со стенками камеры. Импульсное продольное магнитное поле с длительностью полупериода 10 мс создается четырьмя магнитами [4] и имеет пробочную конфигурацию: в центре магнитная индукция BQS1 Т, в пробках в три раза больше. В максимуме напряженности магнитного поля осуществляется сначала предионизация, затем через 0,1-0,3 мс включается разряд основной батареи длительностью 3 мс. При протекании радиального тока 1-5 кА возникает' сила ТхЗ, приводящая плазму во вращение. Выделяемая в плазме модность достигает нескольких МВт. Создание магнитного поля, напуск газа, разряд, регистрация спектров в цифровом виде производится автоматически по команде оператора.

Эксперименты проводились в чистых газах и смесях при начальных давлениях PQ»0,01-0,1 Тор. Круговое гранение плазмы в камере происходит в режиме гидродинамического течения силосной среды, в которой Re<1000, К << 1. Из-за ззмагшгченностн плазмы в потоке соблюдается закон пзорстацил - постоянство угловой скорости врацения плазмы вдоль силовой линии магнитного поля.

В течение импульсного разряда автоматизируется измерение ряда параметров, характернзугоих его состояние: ток и напряжение разряда, давление з камере, а также спектральные измерения, которые слухэт для определения скорости, температуры, концентрации компонентой плазмы в различных областях разряда. Система автоматизации выполнена иа базе ЭВМ .ЧЕРА-660 и IBM PC/AT. Сцязь ЭВМ с измерительной аппаратурой осуществляется с помодьн модулей в стандарте КАНАК,

Измерения sasreil^nx с точки зрения разделения теплсфизи-ческчх параметров, таких как скорость вращения и температура атомов п ионоз, проводились спектраль:и-_м методом. Схема оптических измерений показана на рис. 4 .

Излучение едоль хорды в средней плосксстп камеры фокусируется па спектрограф ЛФС-3 Сресетка 2400 ктрлчм, дисперсия 0,15 км/мм) п на спектрограф Л£С-452 (решетка 1200 стр^мм, диспепсия 0,6 с-кмл),

?

Рис.4. Cxewa оптических измерений

-IS-

Перекесая подзпжпое зеркало от пуста к пуску, конно нэб-лплать излучение плазмы вдоль различных хорд. Число хорд не превышало 9-11. С помощью диссектора, установленного за спектрографом ДФС-8, можно регистрировать профиль спектральной линии 8 раз в различные моменты времени рдзрядз, что позволяет проследить как пространственную, так и временную динамику скорости движения и температуры ионов во Ерашахшейся плазме. Время сканирования - 5-10 мкс. Сигнал с диссектора поступал в АЦП Ф-4226 с полосой пропускания 20 МГц к буферной памятью i Кбайт.

Особенностью спектральной диагностики импульсной плазмы является больная флуктуация излучения, что сильно усложняет задачу восстановления локальшлх параметров. Кроме непсзтсряе-мости от пуска к пуску вралэидаяся плазма обладает большим разнообразием неустойчявостей, которые приводят к флуктуапням спектральных характеристик плазмы. Задача обеспечения повторяемости сигналов из плазмы решается посредством использования опорного канала! сигнал в котором в одном из первых раз-ряаов принимается за эталонный, а при последующих разрядах по нормированному сигналу в этом канале корректируются сигналь; в остальных каналах спектральньк измерений.

Нормированные спектральные линии служат исходными данными для восстановления излучательных и термодинамических параметров плазмы.

Величина азимутальной скорости - порядка десяти км^с. Скорость радиального движения нсноз плазмы мозет быть оценена

из Формулы en*g , где S - площадь катода.

* ¿

При п. - Ю:* . 1013см"э , 1-1... 10 кА, v_-10... 1000 м^с. v-

Следовательно, —ф- ¿ 0,1. Это позволяет пренебрегать хкне-v

тнчэсксй энергией радиального движения поноз по сравнении z кинетической энергией азимутального движения, отнозение которых —-л— s 0,01. Тогда основным механизмом разделения является п-энтроС??:ный, а вторнчнют tq^shhíinik мояно пренебречь.

Ссиснккэ параметры разряда записывается в базу лаянье:. Гра^ичеазя информация выводится на цветной телевизор графопостроитель с помозьп модулей KAHAi:

В седьмой главе описаны результата вычислений распределений скорости движения п температуры ионов плазмы е импульсной центрифуге.

Еа ряс.5а представлены восстановленные коэффициенты испускания атомов Н и ионов Аг . Нз этих графиков видно, что аргон, как более тяжелый элемент, ЕыталкиЕается к большим радиусам, что приводит к разделении Н к Аг. Выталкивание более тяжелого элемента говорит о центробежном механизме разделения. Максимальная концентрация Н - на расстоянии 2,5 см от оси, ионов Аг * - на расстояния 3,5 см от оси. В центре камеры происходит сбогазетае водородом, а вблизи границы - аргоном.

На рис.56 представлено изменение скорости врэзения в течение Бремени импульсного рззрядз. При I - ) мс от начала разряда скорость врадения плазмы достигает 12 км-'с, при 1-3 мс - 20 км^с, т.е. вкладываемая б плазму энергия переходит в энергию врааения. Разгон плазмы происходит в течение 1-1,5 мс, а затем в течение 2 мс длится квазпстационарный режим, во время которого скорость меняется слабо.

Еа рис.бв приведено сравнение результатов зондоеых измерений скорости вблизи изолятора, спроецированных на средние плоскость разрядной камеры с учетом закона изоротации, с результатами спектральных измерений. Совпадение результатов восстановления из обратной задачи с результатами зондовых измерений удовлетворительное. На этом же рисунке показано распределение скорости, полученное из спектральных линий, набля-даемых в эксперименте вдоль различных хорд без реиения обратной задачи. Эти скорости отличается от восстановленных в 1,5-2 раза.

Скорость при г < 2 см ровна'кулю, так как в сечении ка-

г

тода Ег- О н скорость электрического дрейфа -д-— - 0.

Одной кз основных тер;¡одинагаческих характеристик плазмы является температура иоеов, восстановленный профиль которой представлен на рис.5г. Еоиы Аг* имеет максимальную температуру вблизи поверхности внутреннего электрода, где плотность тока достигает наибольших значений н нагрев махсикальный. Еаруашые слои плазмы охлаждаются примыкаксимл пристеночными елоямя и имеют меЕылуи температуру.

£ £, отн.ед.

г

10 г,см О

10 г,см

20

10

V« ,ку/С

эБ

16 г

я)

Г

г/

V

ь/

10 г, см

О

5

-

А

• Ч • ч • V

у!

10 т, см

Рис.5. Распределение по радиусу параметров вращающейся плазмы по результатам эгсперг.ментп.

а) интенсивность излучения атомов

Н (Д= 486,1 нм) п Аг( А =480,6);

б),скорость врапзния А1* в разлтп-э) вые момента временя разряда?

г) температура Аг'' ; л) параметр 0 для Аг'~ ;

10 ъ,сг

А1 - Б0% + Н -20/з, р,= 0,С6 Тор.

13 = 0,2 7, иг »1 яв, и ~3 ,'/и, — - полученное в результате рзг-лгля обратной загзчп; » - полученное ;тз осреднениях измерений вдоль хорд? * - спроектированное ка средн::-:? плоскость с учетом зансна кзоротгцик по результатам зоняогхг ас^вп*пп»! вблизи изолятор;',

. Вращение в плазменной центрифуге приводит к перераспределению элементов по сеченюэ камеры н онн располагается в направлении от центра камеры в порядке возрастания атомных весов.

В поле центр обекньк сил концентрация ионов описывается распределением

пСг ♦ аг ) г г-5пАг ■> п71 гх ---ехрС-^^) - ехрС-^-у-].

Вахнейдими характеристиками разделения являются коэффициент обогащения <* и коэффициент разделения е, вводимые следующим образом:

п <г >

* "фгрг'-п^ТГ •

* -<*-13-100* .

Здесь п1Сг1 и пгСг1 2>- концентрации компонент плазмы, различапдихся по массам. ^

Основным параметром разделения является величина 9- ,

коэффициент разделения от которого зависит экспоненциально. При значениях б>1 достигаются значительные коэффициенты разделения элементов и изотопов по массам. Вычисленное для ионов ¿г* распределение.параметра в изображено на рис. 5д . В центре плазмы параметр & достигает значений» больших 5. Данные теоретического расчета коэффициента разделения согласуются с результатами масс-спектрометрнческлх .исследований. Коэффициент разделения в смеси /г-Кг составляет 14 ± 3, в смеси Аг-Хе - 22 ± 4, в смеси Хе-Не > 100, в смеси изотопов Хе1г'-Хе136 - 1.4 ± 0.1.

Защищаемая методика экспериментального исследования теплофизическнх параметров плазма»! может использоваться как стандартная для исследования плазменных центрифуг и.других устройств с вравдшейся плазмой. Теоретическая разработка исследования параметров плазмы более сложной конфигурации позволяет применить ее н для исследовании других типов течений,

данные экспериментов по измерению характеристик плазмы спектральными и зондовымп методами хорошо согласуется друг с другом, что в совокупностп с результатами численного моделирования демонстрируют обоснованность метода.

Он херово зарекомендовал себя при исследования импульсной плазменной центрифуги, отлцчзыщейся болыпими изменениям характеристик излучения от пуска к пуску прн относительно малом числе хорд. Сьеи данных производился прн последовательном прохождения 7-10 хорд от пуска к пуску с повторением пусков ка кахдой хорде 2-1 раза. При этих условиях происходило удовлетворительное восстановление параметров плазмы, что свидетельствует об кмексихся возможностях метода.

Основные результаты работы . Основные результаты работы состоят в следуухзем:

1. Получены уравнения для восстановления скорости движения и температуры ионов в осесимметрнчной плазме.

2. Выявлены классы течений, в которых зозкохяо восстановление скорости движения плазмы.

3. В уравнениях теплофизических параметров плазмы введены слагаемые, еписывакгае щтаркозскпЗ сдвиг и уширение спектральных линий, аппаратное улнрепие спектральных линий, муль-типлетное уинрение, учет которых необходим'для повышения точности восстановления параметров плазмы.

4. Разработана методика восстановления скорости движения к температуры ионов плазмы из спектров собственного излучения.

5. Экспериментально получены радиальные распределения излучательной способности, скорости Ерааеняя н температуры различных ионов з плазменной центрифуге.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

следуших работа;;

1. Болдырев В.Р., Ефремов Н.П., Полуэтоз Н.П., Харченко В.Н., Парев С.Г., Царьгородцев Ю.П. Разделение элементов н нзотснов во врасагиейся плазме с высокой степенью ноняза-пкеУу'В кн. : Седьмая всесог-ознзя конференция по физике низкотемпературной плазмы. Тезисы докладов. Часть ?..- 1987.

2. Болльгоев 3. Р., Ефремов II.П., Полузктов Н.П., Парта С.Г., Парьгоролппв 10. П. Автоматизированная система для исследования плазмы иклульсксго рззр«са в скретеннш Ехн золях«'/' В кн. : Седьмая всесоюзная кез'рерэппия по физике низкотемпературной плазмы. 1езксы докладов. Часть П.- .

3. Болдырев В. Р.. Ефремов Н.П., Полузктоз Н.П., Царев С.Г., Царьгородцев Ю.П. Масс-спектрометрическое исследование разделения езотопов в импульсной плазменной центрифуге^/" В кя.: Физико-химические процессы в преобразователях энергии. Междуведомственный сборник.- И., 1587.

4. Парьгородцев Ю. П., Ефремов Н.П. ЛвтоматнзароЕзяная система спектральных и зондовыи измерений на плазменной центрифуге стационарного разряда.-'/' Тр. 14 конф. мол. ученых Коек, физ.-техн. пл-та, Долгопрудньй, 27 мэрта-8 апр., 1989. Ч. "2/ Моск. Фпз.-техн. пп-т.- M.. 19S9.- С. 55-60.-Деп. в ВЕЕНТН 11.09.89, N 5762-BS9.

5. Ефремов Н.П., Пслузхтоз Н.П., Харченко В.Е. Спектротомо-грэфическое измерение скорости движения и те^птературь: в импульсной плазменной центрифуге''/' В кн. : Первая всесоюзная конференция "Оптические методы исследования потоков". Тезисы докладов. - 1991.

6. Авторское свидетельство К 1447255, НКИ4 Е 05 H 1/00. Устройство для разделения газовых смесей и изотопов по массам. Болдырев В.Р., Полузктоз Е.П., Хзрченко В.Н., Моторин В.Н., Царев С.Г., Еарьгородцез Ю.П., Ефремов Н.П.

7. Авторское свидетельство H 1633941, ККИ G 01 J 3/26. Устройство для измерения азимутальной скорости и температуры врадаюдейся плазмы. Болдырев В.Р., Ефремов H,П., Дубровин C.B., Полузктоз Н.П., Харченко В.Н,, Нарев С.Г., Парьгородцев Ю.П.

8. Заявка К 4705141/'25-0473£6. Способ определения скорости плазмы. Ефремов Н.П., Харченко В.Е. Приоритет от 18.10.87. - Положительное репенпе Государственной нзучно-техшгчес-кой экспертизы изобретений ф. 1/9 от 16.03.90.