Тепловикористовуючі металогідридні системи газозабезпечення електрофізичних енергоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Державний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

Спеціальність 01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Тепловикористовуючі металогідридні системи газозабезпечення електрофізичних енергоустановок

Клочко Євгеній Васильович

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор, завідуючий відділом термодинаміки Інституту проблем машинобудування НАН України (м. Харків)

Соловей Віктор Васильович

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор кафедри вищої математики Державного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського "ХАІ" (м. Харків)

Крашаниця Юрій Олександрович

доктор фізико-математичних наук, професор, завідуючий кафедрою фізики низьких температур Харківського національного університету

Оболенський Михайло Олександрович

Провідна установа:

Харківський державний політехнічний університет "ХПІ", кафедра парогенераторобудування, Міністерство освіти України

Захист відбудеться 24 грудня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 64.062.02 в Державному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського "ХАІ" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного аерокосмічного університету
ім. М.Є.Жуковського "ХАІ" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий 23 листопада 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Ю.Незим

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із перспективних напрямків розвитку металогідридних технологій є застосування гетерних гідридоутворюючих інтерметалічних сполук у системах забезпечення ізотопами водню роботи електрофізичних енергоустановок. При цьому виконуються функції компактного зберігання, очищення та керованого напуску газу в пристрій-споживач. Особливості вакуумно-плазмових технологічних процесів породжують ряд специфічних проблем. По-перше, це питання ефективного відкачування ізотопів водню під тиском нижче атмосферного із вакуумної камери електрофізичної установки. Розв'язання цього завдання ускладнюється значною різницею в рівнях тиску робочого газу в різних зонах вакуумного тракту. По-друге, побудована за традиційними схемами система газозабезпечення електрофізичної установки потребує зберігання та подавання робочого газу з підвищеним тиском і застосуванням складного устаткування. Це може призвести до зниження надійності систем газозабезпечення. Зважаючи на те, що у ряді випадків як робочий газ використовуються дейтерій, тритій або їх суміш, а також те, що останній є радіоактивним і має підвищену активність у реакціях ізотопного обміну, - це може ускладнити радіаційне оточення. По-третє, характерні для вакуумно-плазмових процесів високі рівні енергій і потужностей призводять до підвищених радіаційних і теплових навантажень на елементи конструкції електрофізичних установок. У зв'язку з цим особливої актуальності набуває задача підвищення енергетичної і газової ефективностей електрофізичних енергоустановок.

Ефективним шляхом розв'язання цієї проблеми є застосування поліфункціональних металогідридних елементів у системах газового живлення електрофізичних установок. Перспективними матеріалами для вирішення вказаних проблем вакуумно-плазмових технологій є поліметалічні композиції Zr-V і Zr-V-Fe. Вони характеризуються відносно високою об'ємною густиною зберігання водню та задовільною динамікою процесів сорбції-десорбції у широкому діапазоні термодинамічних параметрів. Властивості вказаних сполук відкривають перспективи для створення принципово нових фізико-енергетичних систем, які мають підвищені енергетичну і газову ефективності. В них металогідрид відіграє роль основного функціонального елемента, який разом з комплексним розв'язанням допоміжних задач відкачування, компактного зберігання, очищення та керованого напуску ізотопів водню забезпечує підвищення ефективності їх роботи за рахунок емісії активованого водню в робочу зону вакуумної камери електрофізичної установки. У повній мірі вказані можливості будуть втілені в технічні розробки тільки за умов виконання комплексного дослідження плазмодинамічних і молекулярно-кінетичних властивостей систем "металогідрид - ізотопи водню - газові домішки", а також оптимізації технічних рішень при побудові систем газозабезпечення на основі поліфункціональних тепловикористуючих металогідридних елементів.

Мета і задачі дослідження - розробка плазмодинамічних і молекулярно-кінетичних аспектів проблеми підвищення енергетичної та газової ефективностей, поліпшення експлуатаційних характеристик енергоперетворюючих і технологічних вакуумно-плазмових установок шляхом удосконалення металогідридних систем газового живлення. На основі одержаних результатів дослідження впливу енергетичного стану водневих частинок на процеси тепломасо- та електропереносу в газовій фазі систем "металогідрид - ізотопи водню" мають бути разроблені нові принципи побудови тепловикористовуючих приладів фізико-енергетичного і технологічного призначень, а також визначені раціональні режими їх експлуатації.

У дисертаційній роботі сформульовані та вирішені такі задачі:

Дослідження елементарних процесів, що відбуваються на поверхні металогідриду і в об'ємі взаємодіючеї з ним водневої плазми електричного розряду, з метою створення вакуумно-плазмових пристроїв, в яких високі показники енергетичної і газової ефективностей досягнуті шляхом використання ефекту термосорбційної активації водню металогідридами.

Розробка нових принципів організації взаємопов'язаних процесів тепломасо- та електропереносів у газовій фазі систем "гетерний гідридоутворюючий металічний матеріал - ізотопи водню", які мають внутрішній зворотний зв'язок за параметрами "температура металогідридного елемента - тиск водню", з метою забезпечення заданої стабільністі робочого тиску водню у вакуумній камері електрофізичного приладу без застосування зовнішніх пристроїв керування системою газового живлення. металогідридний електроперенос газозабезпечення

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі одержані основні результати, які виносяться на захист:

Результати експериментального та розрахунково-теоретичного досліджень енергетичного стану молекул ізотопів водню, термодесорбованих з поверхні гідридоутворюючих гетерних поліметалічних композицій складу Zr-V-Fe, в яких вперше експериментально досліджено ізотопічний ефект у процесі металогідридної активації водню. Величина виявленого ефекту дорівнює відношенню частот коливань молекул H2 і D2, які знаходяться на першому коливальному квантовому рівні основного електронного терму X1Уg+. Виявлено зменшення на 0,389 еВ потенціалу іонізації електронним ударом молекул дейтерію, які термодесорбуються з поверхні дейтеріду Zr55V40Fe5+3 мас.% B2O3. Побудовано алгоритм виявлення тонкої структури експериментальних кривих ефективності іонізації термодесорбованого з поверхні металогідридів водню. Проведені за цим алгоритмом розрахунки виявили термодинамічно нерівноважне заселення коливальних квантових рівнів молекул водню, термодесорбованих з поверхні зразків складу (Zr56V36Fe8)Hx (x=47).

Експериментальна методика, що дозволяє одержувати автостабілізований за тиском режим електричного розряду в схрещених EH полях із металогідридним катодом. Встановлено функціональний зв'язок між розрядним струмом і тиском водню в автостабілізованому режимі електричного розряду. Виявлені особливості розряду з металогідридним катодом дозволили побудувати схему газового живлення, в якій робочий рівень тиску водню у вакуумній камері електрофізичного приладу керується лише одним зовнішнім параметром - розрядним струмом, а стабільність робочого тиску забезпечується без застосування спецільних зовнішніх пристроїв керування.

Результати дослідження взаємозв'язку водневосорбційних характеристик гетерних гідридоутворюючих поліметалічних композицій складу Zr-V-Fe та параметрами процесів тепломасо- та електропереносів в системах "металогідрид - водень - газові домішки" за умов автостабілізованого за тиском режиму електричного розряду з металогідридним катодом. Одержані результати узагальнені у вигляді залежностей основних теплофізичних параметрів (тиск водню у вакуумній камері, температури металогідридного катода, температури електронів водневої плазми), а також характеристик електропереносу в газовій фазі цих систем (вольт-амперних характеристик розрядів, просторового розподілу густини водневої плазми) від зовнішніх параметрів розряду (конфігурації електродів, розрядного струму, геометрії та напруженості магнітного поля).

Результати мас-спектрометричного дослідження ефекту інтенсифікації плазмово-хімічних реакцій в умовах автостабілізованого за тиском режиму електричного розряду з металогідридним катодом. Одержані експериментальні дані у вигляді залежностей парціальних тисків компонент газорозрядної плазми від розрядного струму показують, що застосування металогідридного катода приводить до суттєвого (у 23,5 раза) підвищення концентрації компонент газорозрядної плазми з масами, що знаходяться в діапазонах 1217 та 2629 а.о.м. Встановлено область зовнішніх параметрів, в яких спостерігається цей ефект.

Розроблені принципи побудови систем газозабезпечення вакуумно-плазмових пристроїв із застосуванням поліфункціональних металогідридних елементів як електродів плазмоутворюючого ступеня, в яких підвищення показників енергетичної і газової ефективностей досягається завдяки використанню ефекту металогідридної активації ізотопів водню. Побудовано за цими принципами схеми газового живлення на основі металогідридів, які дозволяють використати до 70% енергії іонів, що бомбардують поверхню металогідридного катода, на генерацію плазмоутворюючого газу. Встановлено, що застосування металогідридного катода в конструкції плазмового джерела негативних іонів водню приводить до підвищення газової ефективності цих приладів у 510 разів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в створенні принципово нових систем газозабезпечення плазмоутворюючих ступенів, що здійснюють напуск ізотопів водню у збудженому стані безпосередньо у робочу зону вакуумної плазмової установки. Розроблено і випробувано схеми газового живлення на основі поліфункціональних тепловикористовуючих металогідридних елементів, які забезпечують необхідну стабільність робочого тиску у вакуумній камері без використання зовнішніх систем керування режимом напуску і дозволяють завдяки ефекту металогідридної активації ізотопів водню значно підвищити енергетичну і газову ефективності процесів плазмоутворення. В створених системах газового живлення вперше викристано енергію іонного бомбардування для активного керування тепловим режимом роботи металогідридного елемента, що забезпечило ефективний зворотний зв'язок за параметрами "температура металогідридного елемента - тиск водню". Результати випробувань експериментальних зразків плазмових джерел негативних іонів водню з металогідридними катодами свідчать про підвищення їх газової ефективності приблизно на один порядок величини, при струмовій ефективності 4050%. Одержана густина струму пучка негативних іонів водню відповідає практично повному вилученню іонів H- з прикатодної зони розряду і дорівнює 510 мА/см2.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались, обговорювались і одержали позитивну оцінку: на I Міжнародному семінарі "Диффузионно-кооперативные явления в системах "металл - изотопы водорода" (Україна, Донецьк, 15 - 19 вересня 1992 р.); Міжнародній конференції "Возможности экологически чистой энергетики и энергосбережения" (Білорусь, Мінськ, 25 - 27 травня 1993 р.); III Міжрегіональній конференції "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" (Україна, Крим, Кацивелі, 8 - 15 жовтня 1993 р.); III Харківській вакуумній конференції спільно з семінаром-нарадою "Системы откачки ускорителей и термоядерных реакторов" (Україна, Харків, 12 - 14 жовтня 1993 р.); Міжнародному симпозіумі по металогідридних системах (Японія, 6 - 11 листопада 1994 р.); Міжнародному симпозіумі "Холодный ядерный синтез и новые источники энергии" (Білорусь, Мінськ, 24 -26 травня 1994 р.); Міжнародній конференції "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов ICMHS'95" (Україна, Крим, Кацивелі, 2 - 8 жовтня 1995 р.); 11 Міжнародній конференції по потужних пучках частинок "BEAMS'96" (Республіка Чехія, Прага, 10 - 14 червня 1996 р.); 11 Міжнародній конференції "Hydrogen Energy Progress XI" (Німеччина, Штуттгарт, 23 - 28 червня 1996 р.); 24 Міжнародній конференції "24-th IEEE International Conference on Plasma Science" (США, Сан-Дієго, 19 - 22 травня 1997 р.); V Міжнародній конференції "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов ICHMS'97" (Україна, Крим, Кацивелі, 2 - 8 жовтня 1997 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 26 наукових робіт, серед них 10 статей в наукових журналах, 2 доповіді в збірниках доповідей наукових конференцій, 14 тез.

Особистий внесок дисертанта в одержані результати полягає в тому, що автор розробив метод та алгоритм діагностування енергетичного стану молекул ізотопів водню, десорбованих з поверхні металогідриду, виконав експериментальні дослідження процесів тепломасо- та електропереносу в газовій фазі систем "ізотопи водню - металогідрид", виконав аналіз одержаних експериментальних даних і виявив нові ефекти, що відбуваються при взаємодії водневої плазми з гідридоутворюючими матеріалами, створив і випробував принципово нові системи газового живлення електрофізичних енергоустановок на основі поліфункціональних тепловикористовуючих металогідридних елементів.

В окремих розділах дисертації використані результати наукових робіт, які одержані і опубліковані дисертантом із співавторами. Участь здобувача в цих роботах визначається таким чином:

у роботах /1,2/ дисертантом проведено аналіз схем газового живлення електрофізичних енергоустановок ізотопами водню, в яких металогідридний елемент одночасно виконує функції джерела плазмоутворюючого газу та катода;

у роботі /3/ дисертантом здійснено мас-спектрометричне дослідження коливально-збудженого стану молекул ізотопів водню, десорбованих з поверхні металогідридів, розроблено алгоритм і проведено розрахунки тонкої структури експериментальних кривих ефективності іонізації;

у роботі /4/ дисертантом проведені мас-спектрометричні вимірювання та виявлено ізотопічний ефект у металогідридній активації водню;

у роботах /5,6,7/ здобувачем виявлено автостабілізований за тиском режим електричного розряду з металогідридним катодом і здійснено його експериментальне дослідження;

у роботі /8/ дисертантом запропоновано новий спосіб зниження теплонапруженості елементів конструкції вакуумно-плазмових установок з використанням металогідридів і проведено випробування експериментальних зразків таких елементів;

у роботах /9,10/ дисертантом виконано експериментальне дослідження нових плазмових джерел негативних іонів водню з металогідридними катодами.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох разділів, висновків, списку використаних у роботі літературних джерел. Дисертація викладена на 139 сторінках, містить 39 рисунків і 8 таблиць. Список використаних літературних джерел має 139 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунована актуальність теми дисертації, сформульована мета дослідження.

У першому розділі подано аналіз літературних даних про типові схеми, конструкції і експлуатаційні параметри систем газового живлення електрофізичних приладів, в яких застосовані металогідридні елементи. Показано, що найбільш перспективними є схеми внутрішнього напуску ізотопів водню на основі поліфункціональних тепловикористовуючих металогідридних елементів, які знаходяться у складі конструкції електрофізичного приладу-споживача. Розділ завершується постановкою задачі досліджень.

Другий розділ містить опис застосованих експериментальних методик та експериментальних установок.

Вимірювання потенціалів іонізації десорбованих із різних металогідридів ізотопів водню були виконані із застосуванням модифікованого магнітостатичного мас-спектрометра МІ-1201. Одержані експериментальні криві іонізації оброблялись за методикою Уоррена. Як еталон були використані молекулярні водень і дейтерій високої чистоти, що подавались із балонів.

Вимірювання температури металогідридних елементів виконувались за допомогою термопарних перетворювачів. У цьому ж розділі описано методики одержання і експериментального дослідження автостабілізованого за тиском режиму електричних розрядів з металогідридними катодами. Характеристики електричних розрядів у середовищі десорбованого з металогідриду водню досліджені шляхом вимірювання кривих Пашена та вольт-амперних характеристик. Параметри одержаної плазми досліджувались методом електричних зондів.

У підрозділі 3.1 наведено результати мас-спектрометричного дослідження іонізації електронним ударом дейтерію, який десорбовано з поверхні дейтеріду металу (процес D2 + e- _ D2+ + 2e-). Криві ефективності іонізації (КЕІ) дейтерію були зняті в діапазоні енергій іонізуючих електронів 15,9...22 еВ. Як еталонний газ був застосований молекулярний дейтерій, що напускався з балона. Встановлено, що десорбований з поверхні металогідридного зразка дейтерій має потенціал іонізації, на 0,389 еВ нижчий, в порівнянні з термодинамічно рівноважним дейтерієм. У табл. 1 наведено значення експериментально одержаних потенціалів іонізації D2 і H2, що десорбовані з металогідридного зразка. В цій же таблиці розміщені довідкові дані про адіабатичні потенціали іонізації і енергії збудження першого коливального рівня для молекул D2 і H2 в основному електронному стані (X1Уg+).

Таблиця 1

Потенціали іонізації ізотопів водню

Ізотоп водню	Адіабатичний потенціал іонізації, еВ	Виміряний Потенціал іонізації десорбованого газу, еВ	Зменшення Потенціалу іонізації десорбованого газу, еВ	Енергія Збудження першого коливального рівня, еВ
H2	15,426	14,91	0,52	0,546
D2	15,467	15,08	0,389	0,386

У підрозділі 3.2 з використанням результатів мас-спектрометричних вимірювань описується виявлений ізотопічний ефект в зниженні потенціалів іонізації молекул водню, десорбованого з поверхні гидридів матеріалу Zr55V40Fe5+3 мас.% B2O3. Величина встановленого ефекту в межах припустимих похибок вимірювань дорівнює відношенню частот коливань молекул D2 і H2, що знаходяться на першому коливальному квантовому рівні основного терму X1Уg+. Одержаний результат є безпосереднім підтвердженням гіпотези про коливальне збудження молекул водню в процесі їх термодесорбції з поверхні металогідридів.

У підрозділі 3.3 наведено алгоритм і результати розрахункового виявлення тонкої структури експериментальних кривих ефективності іонізації (КЕІ) водню. Метою розрахунків була ідентифікація коливально-збуджених станів молекул H2 у процесі їх термодесорбції з поверхні металогідриду. Метод базується на особливостях залежності ймовірності іонізації P(E) молекул водню від енергії іонізуючих електронів E поблизу порога іонізації. Відповідно до літературних даних ця залежність у діапазоні E від 14,7 до 16,5 еВ монотонно зростає і складається з відрізків прямих. Особливості (переломи та розриви) цієї кривої дозволяють безпосередньо виявити вертикальні потенціали іонізації молекул H2. Набір вертикальних потенціалів іонізації відповідає коливально-збудженим станам молекул водню, які були десорбовані з поверхні металогідриду. Алгоритм розрахунків полягає в наступному. Як перше наближення береться набір потенціалів іонізаціїї, які відповідають найбільш імовірним переходам з основного і перших 12 коливально-збуджених рівнів молекули H2 на 45 нижніх квантових коливальних рівнів молекулярного іона H2+, який утворюється електронним ударом молекули водню. Одержана з набору вертикальних потенціалів іонізації вибірка абсцис особливих точок залежності P(E) є початковими даними для подальшої математичної обробки КЕІ. Інтервал значень енергій іонізуючих електронів був розбитий на рівномірну розрахункову сітку з кроком U. Коригування кількості і розташування особливих точок P(E) виконується згідно з вимогою мінімальності суми:

, (1)

де масивом Ik (k=1,2,3,...N) є точки експериментальної КЕІ у вузлах розрахункової сітки.

Одержаний в наслідок мінімізації суми (1) масив Jk (k=1,2,3,...,N) дозволяє визначити масив значень імовірності іонізації Pk у вузлах розрахункової сітки:

, (2)

де a= -2exp(-ДU/kBTe), b= exp(-2·ДU/kBTe), Te - температура електронів, kB - стала Больцмана.

Пошук мінімуму суми (1) здійснювався за методом покоординатного спуску при додаткових умовах лінійності кожного відрізка залежності P(E), що знаходяться між двома суміжними особливими точками. Ці додаткові умови мають вигляд:

, (3)

де l=1, 2, 3, ..., Lз-4 - номери вузлів розрахункової сітки, що знаходяться в межах однієї лінійної ділянки залежності P(E).

Коригування координат і характеру особливих точок P(E) виконувались з урахуванням статистичної ваги виявлених переломів і розривів. Із застосуванням розробленого методу було виявлено тонку структуру експериментальної КЕІ водню (у діапазоні енергій іонізуючих електронів 14,716,5 еВ). Результати обробки КЕІ водню, що був десорбований із зразка (Zr56V36Fe8)Hx (x=47), подано в табл. 2.

Таблиця 2.

Потенціали іонізації водню (еВ), що десорбований із зразка (Zr56V35Fe8)Hx.

Теоретичний набір потенціалів іонізації	Результат обробки експериментальної КЕІ
14,910	14,90
15,182	15,17
15,436	15,43
15,765	15,66
15,952	15,94
16,191	16,18
16,413	16,40

В цій же таблиці представлено набір вертикальних потенціалів іонізації водню, що були розраховані з припущення рівномірного розподілу десорбованих молекул H2 між основним і першим коливально-збудженим рівнями основного електронного терму X1Уg+. Одержані розрахункові результати підтверджують висновки, що випливають з аналізу мас-спектромеричних досліджень ефекту активації ізотопів водню металогідридами, щодо коливального збудження молекул водню в процесі їх десорбції з поверхні гідридоутворюючих металів.

Характерною особливістю описаного методу математичної обробки КЕІ є те, що вїн дозволяє визначити розташування та характер особливих точок залежності P(E) без безпосереднього застосування оператора (2) до точок експериментальної КЕІ. Це підвищує стійкість методу до різного роду шумів і похибок вимірювань.

У четвертому розділі описуються результати експериментального дослідження автостабілізованого за тиском режиму електричного розряду в схрещених EЧH полях з металогідридним катодом.

У підрозділі 4.1 описані результати дослідження магнетронного розряду з металогідридним катодом. Металогідридний елемент у вигляді суміші порошків насиченого воднем гідридоутворюючого сплаву типу Zr-V-Fe та міді (40 мас.% від загальної маси елемента) був нанесений на робочу поверхню катода. Тиск водню змінювався від 55 до 133 Па. Розрядний струм варіювався в межах 50300 мА. Спад напруги залежно від умов експерименту знаходився в межах від 240 до 600 В. Паралельно фіксувався масовий спектр газу в камері. В деяких експериментах методом електричного зонда досліджувались просторовий розподіл густини плазми і температури плазмових електронів в об'ємі вакуумної камери. Досліджувались розряди, що існували в замкнутому об'ємі, тобто без зовнішніх напуску та відкачування водню.

. Виявлено, що в умовах експерименту спостерігається режим розряду з металогідридним катодом , характеристики якого залежать лише від одного зовнішнього параметра - розрядного струму. Подальшими експериментальними дослідженнями встановлено, що характерні особливості цього режиму обумовлені динамічною рівновагою між конкуруючими процесами утворення та розкладу гідридних фаз матеріалу катоду, яка досягається при кожній заданій величині розрядного струму. Такий режим електричного розряду з металогідридним катодом був названий автостабілізованим за тиском. З метою виявлення впливу фазового складу матеріалу катода на характеристики автостабілізованого за тиском режиму електричного розряду були досліджені зразки гідридоутворюючих матеріалів, фазовий і хімічний склад яких наведено в табл. 3. Показано, що застосування гідридоутворюючого гетерного матеріалу із зниженою термічною стійкістю гідридних фаз приводить до розширення області існування автостабілізованого за тиском режиму розряду. Вимірювання параметрів одержаної водневої плазми (методом електричних зондів) показали, що як для розряду з металогідридним катодом, так і для контрольного розряду температура електронів плазми лежить в межах
1,6...2 еВ. Як контрольний було застосовано розряд із катодом із нержавіючої сталі тієї ж геометрії, але без металогідрид-ного шару на поверхні катоду. Контрольний розряд існував у середовищі заздалегідь напущеного з балону водню.

Таблиця 3

Зразки досліджених гідридоутворюючих матеріалів

№ п. п.	Гідридоутворюючий сплав	Початкова кількість водню, нсм3/г
	Компонентний склад	Фазово- структурний склад
1	Zr55V40Fe5+ +3% B2O3	б - Zr л2 - Zr(V,Fe) з - Zr3V3(B,O)	229
2	Zr33V57Fe10	л1 - Zr(V,Fe)2	173

Пов'язане з цим зростання частоти зіткнень електронів з атомами і молекулами водню приводить, з одного боку, до підвищення густини заряджених частинок у плазмі, а з іншого, - до зростання спаду напруги, яка необхідна для підтримки самостійного розряду. Цей висновок підтверджується порівнянням вольт-амперних характеристик розрядів із металогідридним катодом і катодом із нержавіючої сталі. Оскільки металогідридний шар має низьку теплопровідність, то розподіл температури на поверхні катода відповідає розподілу густини струму іонів, що бомбардують катод. На ділянках катода, які мають вищу температуру, відбувається розпад гідридних фаз із більш високою швидкістю. Десорбований з цих ділянок водень надходить безпосередньо в зону компактного плазмовоого шнура. Нерівномірна вздовж радіуса катода інтенсивність надходження водню в камеру приводить до неоднорідного розподілу густини плазми поблизу поверхні катоду. З цим пов'язано монотонне зростання густини плазми уздовж радиуса розряду поблизу металогідридного катода. При віддаленні від поверхні катода просторовий розподіл густини плазми стає більш однорідним. Таким чином, за умов автостабілізованого за тиском розряду має місце зворотний зв'язок між температурним режимом металогідридного катода та параметрами плазми. Цей зв'язок здійснюється за допомогою потоку іонів плазми, що бомбардують катод.

У подальших дослідженнях автостабілізованого за тиском режиму було застосовано розряд Пеннінга з металогідридним катодом. Катод був спресований із суміші порошків насиченого воднем гетерного гідридоутворюючого сплаву Zr55V40Fe5+3% мас. B2O3 та міді в кількості 40% від маси катода. Діаметр катода дорівнював 20 мм, а товщина - 4 мм. Насиченість воднем металогідриду дорівнювала 229 нсм3/г. Загальна кількість накопиченого водню дорівнювала 2,5 ндм3. Температуру металогідридного елемента вимірювали термопарою. Другий катод тих же розмірів було зроблено з нержавіючої сталі. Спад напруги на розряді в умовах експерименту дорівнював 0,5...0,7 кВ, розрядний струм змінювався від 10 до 80 мА, тиск водню у вакуумній камері знаходився в межах 1,3313,3 Па.

Немонотонний характер цієї залежності обу-мовлений зміною механізмів взаємодії газової фази з поверхнею металогідриду при збільшенні розрядного струму. Бомбардування поверхні катода іонами з енергією 500...700 еВ при низькому робочому тискові призводить до розпилення матеріалу катода з нержавіючої сталі. Розпилений матеріал утворює металеву плівку на стінках вакуумної камери, яка інтенсивно поглинає газ. Збільшення розрядного струму в цьому режимі розряду викликає зростання швидкості катодного розпилення. Цим пояснюється зниження тиску водню при Ip<30 мА.

При подальшому збільшенні розрядного струму зростає температура металогідридного катода і починається розпад гідридних фаз матеріалу катода. Починаючи з Ip=30 мА процес десорбції водню гетерним гідридоутворюючим матеріалом катода відіграє все значнішу роль і визначає зростання тиску в камері при Ip30 мА. Разом з цим зростає зворотний дифузний потік розпилених атомів на поверхню катодів і, таким чином, зменшується швидкість катодного розпилення. На зростаючій ділянці залежності тиску водню відповідно до величини заданого розрядного струму встановлюється динамічна рівновага між конкуруючими процесами утворення та розпаду гідридних фаз, яка обумовлює характер цієї залежності при Ip30 мА.

Температурний режим металогідридного елемента визначається балансом між швидкостями поглинання енергії бомбардуючих катод іонів, відведення тепла шляхом теплопровідності та теплового випромінювання, а також ефектом терморозпаду металогідриду:

, (8)

де Uc - прикатодний спад потенціалу; Ii - іонний струм на катод; S - площа поверхні металогідридного катода; kg - коефіцієнт теплопровідності водню; Tc - температура катода; T0 - температура стінок розрядної камери; лc - тепло-провідність катодного держака; ku - коефіцієнт випромінювальної здатності поверхні катода; у - стала Стефана-Больцмана; Q -сумарний тепловий ефект процесів утворення та розкладу металогідриду.

Залежності температури металогідридного катода Tc від розрядного струму Iр мають ділянку лінійного зростання температури при Ip<30 мА і ділянку насичення (Ip>30 мА). Температура на ділянці насичення асимптотично наближається до 600 К.

Аналіз одержаних залежностей приводить до висновку, що уповільнення темпу зростання температури металогідридного катода при Ip>30 мА обумовлено головним чином сумарним тепловим ефектом утворення і розпаду гідридних фаз. Цей висновок підтверджують результати розрахунків теплового балансу металогідридного катода з використанням одержаних експериментальних даних. Встановлено, що в умовах експерименту значна частина кінетичної енергії іонів (до 70%), що бомбардують металогідридний катод, витрачається на утворення газоподібного водню.

У підрозділі 4.2 описано результати порівняльних мас-спектрометричних досліджень впливу ефекту активації водню поверхнею металогідридного катода на компонентний склад плазми за умов автостабілізованого за тиском магнетронного розряду.

Одержані мас-спектри були узагальнені у вигляді залежностей від розрядного струму (Iр) відношень парціальних тисків (Pi/Pio) кожного дослідженого компонента (Pi) у плазмі розряду з металогідридним катодом до парціального тиску (Pio) відповідного компонента у плазмі контрольного розряду з катодом із нержавіючої сталі. Встановлено, що концентрації водневих частинок (H, H2, H3) в обох розрядах (з металогідридним катодом і в контрольному розряді) не відрізняються в усьому дослідженому діапазоні значень розрядного струму. В той же час у діапазоні значень розрядного струму 50200 мА у складі газових домішок спостерігаються значні зміни. При подальшому збільшенні розрядного струму (Iр200 мА) відношення Pi/Pio для всіх досліджених компонент плазми наближаються до одиниці. Це означає, що подальше зростання розрядного струму приводить до наближення хімічного складу плазми розряду з металогідридним катодом до складу плазми контрольного розряду.

Виявлений ефект пояснюється коливальним збудженням молекул водню в процесі їх десорбції з поверхні металогідридного катода. Наявність значної кількості коливально-збуджених молекул у прикатодній зоні розряду стимулює плазмохімічні реакції з участю водню. Це приводить до зафіксованих змін компонентного складу газової фази. При подальшому збільшенні розрядного струму (Iр200 мА) зростає тиск водню, що викликає підвищення швидкості V-T і R-T релаксацій коливально-збуджених молекул і відповідне зменшення швидкості реакцій з їх участю.

У підрозділі 4.3 наведено результати випробувань плазмового джерела негативних іонів водню.

Прилад було побудовано на основі розряду Пеннінга з металогідридним катодом. Генерація іонів H- відбувається, головним чином, поблизу металогідридного катода в процесі дисоціативного прилипання низькоенергетичних електронів до коливально-збуджених молекул водню. Оскільки переріз цього процесу швидко зростає до значної величини (10-17 см2) з ростом коливального квантового числа при енергіях електронів на рівні декількох електрон-вольтів, то надходження коливально-збуджених молекул водню з поверхні металогідридного катоду безпосередньо в прикатодну зону, де енергія електронів мала, приводить до зростання виходу іонів H-. Витягнення негативних іонів здійснювалось з прикатодної зони розряду перпендикулярно до силових ліній магнітного поля електродом, що мав потенціал 1,4 кВ. Це дозволило відділити струм іонів H- від струму супутніх електронів. Експерименти здійснювались при таких параметрах розряду: анодній напрузі Ua=1...1,5 кВ, розрядному струмі Ip=1,5...3 мА, напруженості зовнішнього магнітного поля H = 0,03...0,1 Тл, тиску водню P = 0,05...0,6 Па. Розряд існував у середовищі водню, який одночасно подавався як зовнішньою системою газового живлення, так і шляхом десорбції з металогідридного катода. Параметри одержаної водневої плазми були такими: температура електронів Te= 20...60 еВ, густина плазми np = (1...8)·109 см-3.

Встановлено, що застосування металогідридного катода приводить до значного (приблизно на порядок величини) збільшення струму іонів H-. Густина струму одержаного пучка іонів H- дорівнювала 5..10 мА/см2. Це відповідає практично повному витягненню негативних іонів водню з прикатодної зони розряду. Струмова ефективність дослідженого плазмового джерела іонів H- дорівнює 40...50%.

ВИСНОВКИ

Встановлено, що застосування поліфункціональних металогідридних елементів на основі гетерних гідридоутворюючих поліметалевих композицій складу Zr-V-Fe як катодів плазмоутворюючого ступеня електрофізичних приладів енергетичного і технологічного призначення забезпечує разом із розв'язанням допоміжних завдань відкачування, компактного зберігання, очищення та керованого напуску ізотопів водню у робочу зону вакуумної камери ще й значне підвищення енергетичної та газової ефективностей таких приладів.

Вперше експериментально досліджено ізотопічний ефект у зниженні потенціалів іонізації електронним ударом молекул водню, що були термодесорбовані з поверхні гідридів (дейтеридів) поліметалевої композиціїї складу Zr55V40Fe5+3% мас. B2O3. Величина виявленого ефекту дорівнює (це відповідає відношенню частот коливань молекул D2 і H2, що знаходяться на першому коливальному квантовому рівні основного терму X1Уg+). Це безпосередньо підтверджує той факт, що збудження молекул водню в процесі їх термодесорбції з поверхні металогідридів має коливальний характер.

Вперше виявлено ефект автостабілізації за тиском режиму електричного розряду в середовищі водню з металогідридним катодом. Експериментально досліджена властива для цього режиму функціональна залежність параметрів розряду від розрядного струму. Досліджено вплив водневосорбційних властивостей гідридоутворюючого матеріалу катода, а також геометрії електродів і магнітного поля на характеристики автостабілізованого режиму розряду в схрещених EH полях. Показано, що характеристики такого розряду визначаються тільки одним зовнішнім фактором - розрядним струмом. Це обумовлено існуванням внутрішнього зворотного зв'язку між параметрами водневої плазми розряду і температурним режимом металогідридного катода, що дозволяє автоматично підтримувати робочий тиск водню у вакуумній камері.

Встановлена висока ефективність іонного бомбардування, як активного засобу керування тепловим режимом роботи металогідридного елемента, який одночасно виконує функції катода і джерела плазмоутворюючого газу. Виявлено, що значна частка (до 70%) кінетичної енергії бомбардуючих катод іонів витрачається на оборотний розклад гідридних фаз матеріалу катода. Запропонована схема газового живлення із застосуванням металогідридного катода дозволяє здійснювати керований напуск ізотопів водню у збудженому стані безпосередньо у робочу зону вакуумної камери електрофізичного приладу, що підвищує ефективність процесів генерації позитивних і негативних іонів водню. Керування рівнем робочого тиску у вакуумній камері за умов автостабілізованого за тиском режиму розряду з металогідридним катодом здійснюється лише за допомогою одного зовнішнього параметра - розрядного струму.

Виявлено ефект інтенсифікації плазмохімічних реакцій, що відбуваються на поверхні металогідридного катода та в приповерхневому шарі газової фази за умов автостабілізованого за тиском режиму розряду. Встановлено область режимних параметрів (50 мАIp200 мА), в яких спостерігається цей еффект.

Розроблені та випробувані зразки плазмових джерел негативних іонів водню з металогідридним катодом. Встановлено, що застосування гетерних гідридоутворюючих матеріалів у конструкції цих приладів приводить до зростання (приблизно на один порядок величини) газової ефективністі процесу генерації негативних іонів водню. Експериментально одержана густина струму пучка іонів H- дорівнює 5...10 мА/см2 при струмовій ефективності 40...50%.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНИЙ У РОБОТАХ

Shmal'ko Yu.F., Lototsky M.V., Klochko Ye.V., Solovey V.V. The formation of excited H species using metal hydrides //Journ. Alloys and Compaunds. - 1995. -Vol. 231 - P. 856 - 859.

Шмалько Ю.Ф., Соловей В.В., Лотоцкий М.В., Клочко Е.В. Металлогидридно-вакуумные технологии для физико-энергетических систем //Вопр. атомн. науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). - 1994. - Вып. 1(27). - С. 13 - 19.

Shmal'ko Yu.F., Solovey V.V., Lototsky M.V., Klochko Ye.V. Mass-spectrometry determination of vibrationally excited states of molecules hydrogen desorbed from the surface of metal hydrides //Int. J. Hydrogen Energy. - 1995. -Vol. 20, № 5. - P. 357 - 360.

Shmal'ko Yu.F., Klochko Ye.V., Lototsky M.V. Influence of isotopic effect on the shift on the ionization potentials of hydrogen desorbed from metal hydride surface //Int. J. Hydrogen Energy. - 1996. - Vol. 21, № 11/12. - P. 1057 - 1059.

Klochko Ye.V., Lototsky M.V., Popov V.V., Shmal'ko Yu.F., Borysko V.N. Sorption and elctrotransfer characteristics of hydrogen-gettering material in contact a hydrogen plasma //Journ. Alloys and Compounds. - 1997. - Vol. 261. - P. 259 -262.

Бобков В.В., Бориско В.Н., Клочко Е.В.,.Лотоцкий М.В, Рябчиков Д.Л. Исследование газового разряда в планарном магнетроне с металлогидридным катодом //Вісник Харківського університету. Сер. "Ядра, частинки, поля." - 1998. - №421. - С.208-213.

Klochko Ye.V., Lototsky M.V., Popov V.V., Shmal'ko Yu.F., Borysko V.N. Investigation of plasma interaction with metal hydride //Int. J. Hydrogen Energy. - 1999. - Vol. 24. - P. 169 - 174.

Клочко Е.В., Лотоцкий М.В., Шмалько Ю.Ф., Бориско В.Н. Снижение теплонапряженности диверторных пластин при помощи металлогидридов //Вопр. атомн. науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 1998. - Вып. 5(71). - С. 55 - 57.

Бориско В.Н., Клочко Е.В., Лотоцкий М.В., Шмалько Ю.Ф.. Технологический плазменный источник отрицательных ионов //Вопр. атомн. науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 1998. - Вып. 3(69), 4(70). - С. 179 - 182.

Битная И.А., Бориско В.Н., Клочко Е.В., Целуйко А.Ф. Источник отрицательных ионов на базе планарного магнетрона. //Вісник Харківського університету. Сер. "Ядра, частинки, поля." - 1998. - №421. - С.149-152.

АНОТАЦІЯ

Клочко Є.В. Тепловикористовуючі металогідридні системи газозабезпечення електрофізичних енергоустановок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми. Державний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського "ХАІ", Харків, 1999.

Дисертація присвячена питанням розробки та створення систем газового живлення електрофізичних приладів на основі поліфункціональних тепловикористовуючих металогідридних елементів. Захищаються результати експериментальних і розрахунково-теоретичних досліджень плазмодинамічних і теплофізичних характеристик металогідридних систем газового живлення вакуумно-плазмових технологічних и енергоперетворюючих приладів.

Вперше експериментально досліджено ізотопічний ефект у коливальному збудженні молекул водню, що термодесорбовані з поверхні гідридоутворюючих гетерних поліметалевиих композицій.

Встановлено і експериментально досліджено режим автостабілізації за тиском електричного розряду в середовищі водню з металогідридним катодом. Виявлено високу ефективність іонного бомбардування як активного засобу керування режимом роботи металогідридного елемента, який одночасно виконує функції катода і джерела плазмоутворюючого газу.

Виявлено ефект інтенсифікації плазмохімічних реакцій в електричних розрядах із металогідридним катодом. Наведено експериментальні дослідження плазмових джерел негативних іонів водню. Встановлено підвищення на один порядок величини газової ефективністі цих приладів при застосуванні металогідридних катодів.

Ключові слова: ізотопи водню, металогідриди, термодесорбція, сорбція, тепломасоперенос, електроперенос, активація водню, газовий розряд, вакуумно-плазмові технології.

Клочко Е.В. Теплоиспользующие металлогидридные системы газообеспечения электрофизических энергоустановок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы. Государственный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского "ХАИ", Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросам разработки и создания систем газового питания электрофизических установок на основе полифункциональных теплоиспользующих металлогидридных элементов. Защищаются следующие результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований плазмодинамических и теплофизических характеристик металлогидридных систем газового питания вакуумно-плазменных технологических и энергопреобразующих установок:

Проведен анализ схем газового питания электрофизических энергоустановок изотопами водорода, в которых металлогидридный элемент одновременно выполняет функции источника плазмообразующего газа и электродов. Показано, что использование полифункциональных металлогидридных элементов в качестве катодов плазмообразующих ступеней вакуумно-плазменных установок обеспечивает, помимо комплексного решения вспомогательных задач откачки, компактного хранения, очистки и программированного напуска изотопов водорода непосредственно в рабочее пространство вакуумной камеры устройства-потребителя, значительное повышение газовой и энергетической эффективностей процессов плазмообразования.

Впервые экспериментально установлено влияние изотопического эффекта на процесс металлогидридной активации водорода. Проведены экспериментальные и расчетно-теоретические исследования этого эффекта. Установлено, что отношение смещений потенциалов ионизации электронным ударом молекул водорода и дейтерия, десорбируемых с поверхности гидридообразующих интерметаллидов, близко к значению изотопического эффекта колебаний молекул H2 и D2, находящихся на первом колебательном уровне основного электронного терма. Экспериментально получена величина уменьшения (на 0,389 эВ) потенциала ионизации молекул дейтерия, десорбируемых с поверхности дейтеридов состава (Zr-V-Fe)Dx. Построен алгоритм выявления тонкой структуры экспериментальных кривых эффективности ионизации электронным ударом колебательно-возбужденных молекул водорода. Проведенные по этому алгоритму расчеты показали наличие термодинамически неравновесного заселения колебательных уровней молекул водорода, десорбируемых с поверхности металлогидридов. Получено прямое экспериментальное подтверждение ранее высказанной гипотезы о колебательном возбуждении молекул водорода в процессе их десорбции с поверхности гидридообразующих металлов и сплавов.

Впервые экспериментально обнаружен и исследован автостабилизированный по давлению режим разряда с металлогидридным катодом. Экспериментально исследована характерная для этого режима функциональная зависимость параметров разряда от разрядного тока. Исследовано влияние водородосорбционных свойств гидридообразующего материала катода, геометрии электродов и приложенного магнитного поля на характеристики автостабилизированного по давлению режима разряда в скрещенных EH полях. Показано, что характеристики такого разряда определяются единственным внешним параметром - разрядным током. Установлено, что этот эффект обусловлен наличием внутренней обратной связи между параметрами водородной плазмы разряда и температурным режимом металлогидридного катода. Это позволяет автоматически подддерживать рабочее давление в вакуумной камере.

Показана высокая эффективность ионной бомбардировки как активного средства управления тепловым режимом работы металлогидридного элемента, выполняющего функции катода и источника плазмообразующего газа. Установлено, что значительная доля (до 70%) кинетической энергии бомбардирующих катод ионов расходуется на обратимое разложение гидридных фаз материала катода. Предложенная схема газового питания с использованим металлогидридного катода позволяет осуществлять управляемый напуск изотопов водорода в возбужденном состоянии непосредственно в рабочую зону плазмообразующей ступени электрофизической установки, что значительно повышает газовую и энергетическую эффективности процессов образования положительных и отрицательных ионов водорода.

Обнаружен эффект интенсификации плазмохимических реакций в разрядах с металлогидридным катодом. Выполнен анализ не исследованного ранее процесса металлогидридной активации водорода в условиях интенсивной ионной бомбардировки поверхности катода. Масс-спектро-метрическими измерениями в условиях автостабилизированного по давлению режима разряда с металлогидридным катодом установлено наличие существенных изменений в составе газовой среды по сравнению с контрольным разрядом.

Исследован процесс генерации отрицательных ионов водорода в разряде Пеннинга с металлогидридным катодом.Установлено значительное (примерно на порядок величины) повышение газовой эффективности плазменного источника отрицательных ионов водорода на основе отражательного разряда в случае использования металлогидридного катода. Получен пучок ионов H- с плотностью тока 510 мА/см2, при токовой эффективности 4050%.

Ключевые слова: изотопы водорода, металлогидриды, термодесорбция, сорбция, тепломассоперенос, электроперенос, активирование водорода, газовый разряд, вакуумно-плазменные технологии.

Ye.V.Klochko. Heat-utilizing metal hydride systems for gas supplying electrophysical energy installations.

Ph. D. Thesis on the speciality 01.02.05 - the mechanics of fluid, gas and plasma. The Kharkov Aviation Institute. Kharkov. 1999.

This thesis deal with a problem of development of systems for gas supplying electrophysical installations which use the heat-utilizing metal hydryde multifunctional elements. The results of the experimental and design-theoretical studies on the thermalphysic characteristics of metal hydride systems for gas supplying vacuum - plasma technological and energy transforming installations are defended.

For the first time isotopic effect in vibrating excitation of molecules of hydrogen, thermodesorbed from the surface of getter hydride forming polymetal compositions experimentally is investigated.

The effect of autostabilization on pressure mode of gas discharge with the metal hydride cathode was obtained and experimentally investigated. The high efficiency of ionic bombardment as active control facility operational mode of a metal-hydride element, which use as cathode and as plasma-forming gas source was established.

The effect intensification of plasma-chemical reactions in the gas discharge with the metal hydride cathode was obtained. The results of experimental researches of plasma sources of negative ions of hydrogen have been considered. The increase on one order of magnitude of gas efficiency of these devices was established in case of use of metal hydride cathodes.

Key words: isotopes of hydrogen, metal hydrides, thermodesorption, sorption, heatmass-transfer, electro-transfer, activation of hydrogen, gas discharge, vacuum - plasma technologies.

Размещено на Allbest.ru

...