Фізичні властивості щільної низькотемпературної неоднорідної плазми

У підрозділі 4.4 досліджується розпад імпульсної гелієвої плазми відкритої електричної дуги. Ці дослідження проведені з метою нарощування ефектів розширення в циліндричній геометрії. Тут очікувалося зростання впливу ефектів розширення за рахунок геометричного фактора як N(r) ~ r-2, внаслідок зменшення початкового характерного розміру плазми при формуванні плазмового згустка у циліндричній камері (див. матеріали до розділу другого) та внаслідок зростання характерної швидкості розширення плазми в атмосфері гелію за рахунок значної швидкості звуку в цьому газі. Як засвідчили експериментальні результати, характер еволюції плазми при цьому зводився до теплової хвилі, коли процес вирівнювання тиску здійснюється не за рахунок перенесення речовини (як в ударній хвилі), а внаслідок вирівнювання температури. Для кількісної характеристики процесу розглянута задача визначення взаємозв`язку тиску, що розвивається в розрядній частині ЕУТ, і вкладених енергозатрат. Отриманий результат може розглядатись також як критерій ефективності функціонування ЕУТ, який може бути застосованим і для інших типів електророзрядних плазмодинамічних систем. У цілому встановлено, що визначальним параметром для характеру розпаду плазми імпульсної відкритої електричної дуги в гелії є теплопровідність, коли процес просторової еволюції плазми вироджується в теплову хвилю. Тут вплив випромінювання на розпад плазми має стабілізуючий ефект відносно можливості її переходу до нерівноважного стану. Він зумовлює через механізм променевої теплопровідності вирівнювання тиску у відсутність перенесення маси.

Стосовно формування каналу контрагованого розряду у циліндричній камері (див. матеріали до розділу другого) показано, що визначальним фактором впливу діафрагм на формування розряду є проблема відведення теплової енергії, що виділяється в розрядній плазмі. Таким чином в цій частині роботи виявлений глибинний зв'язок між механізмами контрагування плазми електричного розряду і процесами, що визначають формування рівноважного стану плазми.

Отже у цьому розділі вивчений вплив на розпад щільної плазми інертних газів таких чинників нерівноважності, що визначаються градієнтами її параметрів: випромінювання і його самопоглинання, дифузійних процесів, теплопровідності, різниці тиску - як в основному об'ємі плазми, так і в її пристінковій області. Самопоглинання резонансного випромінювання є невід'ємною характеристикою електричної дуги. Подібно тому, як пристінковий шар ізолює основний об'єм плазми від енергетичних втрат дифузійного характеру, так самопоглинання випромінювання є застереженням від радіаційних втрат, що загалом визначає мінімальні втрати енергії на передачу електричного струму в дуговому розряді, а з іншого боку - визначає рівноважній стан плазми. Внаслідок цих причин передача розрядного струму в електричних дугах здійснюється при напругах на електродах порядку потенціалу іонізації плазмоутворюючих частинок. Цей показник, що характеризує втрати на передачу електричного струму, є мінімальним серед всіх видів самостійних електричних розрядів.

Найбільш загальним по своїй фізичній суті чинником нерівноважності є градієнт тиску, особливістю якого є однаковий вплив на всі частинки плазми викликаних ним макроскопічних сил. Зумовлена цим чинником зміна об'єму щільної плазми неминуче супроводжується зміною її іонізаційного стану.

У п`ятому розділі аналізуються фізичні особливості плазми вільнопідтримуваних електричних дуг в парах металів як поширеного прикладу щільної неоднорідної плазми. Їх особливістю є відсутність пристінкового шару в плазмі, як важливого чинника, що обмежує втрати частинок і енергії з її об'єму, і, відповідно, досягнення рівноважного стану плазми. Тут характерний радіальний розмір встановлюється внаслідок самоузгоджених процесів контрагування розрядного каналу, а пристінкові явища мають місце тільки в місцях прив'язки дуги до електродів (приелектродні шари); велика частина поверхні дуги є відкритою по відношенню до навколишньої газової атмосфери. У зв'язку з цим можна чекати певної специфіки в частині впливу неоднорідності дуги на властивості плазми.

З точки зору можливих практичних застосувань вільнопідтримувана електрична дуга, як об'єкт досліджень, представляє значний інтерес, оскільки на її використанні грунтується, як мінімум, більшість сучасних зварювальних технологій.

В дисертаційній роботі досліджується переважно вільнопідтримувана електрична дуга в парах міді. Вибір плазмоутворюючої речовини зумовлений двома обставинами. З одного боку, плазмові пристрої часто містять конструктивні деталі з міді, що приводить до наявності в спектрі випромінювання плазми її домішкової компоненти. З іншого, - мідь характеризується винятковою простотою спектра, поступаючись в цьому відношенні хіба що гелію серед газів. При цьому потрібно враховувати, що властивості газорозрядної плазми, що містить навіть незначну домішку міді (біля 0,1%), практично повністю визначаються цією домішкою внаслідок відмінності потенціалів іонізації (7,72 еВ - для атомів міді і 14,53 еВ - для атомів азоту, 15,58 еВ - для молекул азоту, 15,76 еВ - для аргону і т.д.). Це розповсюджується як на процеси тепло-, масо- і зарядопереносу в плазмі, так і на просторовий розподіл і абсолютне значення таких її основних параметрів як температури і концентрації частинок.

Така дуга має також безпосереднє відношення до систем комутації потужних електричних споживачів. Вона часто супроводить роботу таких систем, запалюючись між контактами комутаторів при розмиканні струму; це супроводжується значною ерозією матеріалу контактів. Як правило, електроди виготовляються з міді, срібла або золота. Відносно низьке значення потенціалів іонізації атомів цих матеріалів (біля 7 еВ) сприяє підтриманню достатньої провідності міжконтактного проміжку. Вказана обставина у відсутність спеціальних заходів може різко знижувати ефективність роботи комутуючих пристроїв внаслідок повторного запалювання дуги після відмикання споживачів.

Експериментальне дослідження плазми електричних дуг з плавким електродом найчастіше проводилося з використанням стабілізованих стінкою дуг. Застосування таких пристроїв створює зручності при проведенні просторових вимірювань параметрів плазми електричної дуги, виключаючи їх звичайну просторову і часову нестабільність. Звичайно такі дослідження проводяться спектроскопічними методами в рамках допущення щодо відповідності плазми дуги стану ЛТР. При цьому виявляється стійкий ефект зростання вмісту парів металу на периферії дуги в різних конфігураціях міжелектродних проміжків. Вважається звичайно, що це зростання зумовлене ефектом розділення в процесі амбіполярної дифузії компонент плазмоутворюючої суміші (в англомовній літературі - demixing). У плазмі стовпа стабілізованою стінкою електричної дуги градієнти температури і електронної концентрації викликають амбіполярний дрейф електронів і іонів від осі до стінок. Потік заряджених частинок урівноважується потоком нейтральних частинок, направлених від периферії до центра розряду. Компоненти з низькою енергією іонізації іонізуються раніше, ніж досягають осі. Це приводить до збагачення ними периферійних зон розряду. По абсолютній величині це збагачення за вмістом не перевищувало 1%. Для підтвердження цього припущення окремими дослідниками були проведені оцінки вкладу дифузійних процесів, що є в основі такого ефекту. Однак як початкові дані в цих роботах використані результати спектроскопічних вимірювань, які при визначенні радіальних профілів температури Т(r) і концентрації електронів Ne(r) знову ж таки оброблялися в допущенні ЛТР. Однак наявність такого максимуму на периферії дуги представляється сумнівною; про це свідчать також оцінки окремих дослідників.

У зв'язку з цим в дисертаційній роботі викладені основні результати експериментальних досліджень фізичних особливостей плазми вільнопідтримуваної електричної дуги в парах міді із застосуванням швидкісних методик вимірювань. У процесі проведення таких досліджень розроблений метод обчислювально-адаптивної спектрометрії, що забезпечує адекватну діагностику плазми реальної електричної дуги в умовах її відхилення від ЛТР і самопоглонання діагностичних ліній, що використовує як початкові дані результати томографічних спектроскопічних вимірювань; вони коректуються в ітераційному процесі відповідно до передбачуваної математичної моделі досліджуваної дуги. Реалізація цього методу здійснена на основі детального аналізу та відбору відомих спектроскопічних параметрів для діагностичних ліній, що застосовуються у дослідженнях мідної плазми. З іншого боку, на основі їх критичного співставляння з результатами власних спектроскопічних досліджень у дисертаційній роботі визначені параметри розширення Штарка для спектральних ліній CuI 510,5 і 515,3 нм. Запропонований також зручний, незалежний від температури метод визначення просторового розподілу концентрації електронів в плазмі електричної дуги по інтенсивності випромінювання автоіонізаційної спектральної лінії CuI 465,1 нм.

На основі поєднання спектроскопічних вимірювань з моделюванням дифузійних процесів встановлено, що, всупереч поширеній точці зору дифузійне розділення компонент суміші не є визначальним чинником у встановленні радіального розподілу парів металу. Тут ситуація повторює результати розділу четвертого щодо неістотності ролі дифузійних процесів у формуванні каналу імпульсного розряду в інертних газах. Незначному впливу дифузії на радіальну структуру вільнопідтримуваної електричної дуги сприяє відсутність стінки, яка могла б сприяти охолоджуванню важкою компоненти плазми і сприяти розвитку амбіполярної дифузії, коефіцієнт якої з точністю до члена (1 + Тe/Тh) вищий, ніж у разі звичайної дифузії.

Проблема "катастрофічного" наростання вмісту парів металу на периферії дуги виникає в зв'язку з неадекватністю допущення щодо справедливості ЛТР до всієї області дуги. Як показано в дисертаційній роботі, резонансне випромінювання з осьової, найбільш високотемпературної області розряду, перепоглинаючись на периферії, "нав'язує" тут резонансному переходу атомів міді заселеності, що перевищують рівноважні для місцевого значення температури. Специфікою цієї нерівноважності є її якісно інший характер по відношенню до широко відомої нерівноважності в газорозрядній плазмі при невеликих струмах, де за рахунок виходу випромінювання за межі плазми резонансний рівень плазмоутворюючих атомів виявляється недозаселеним. Вона має проявляється в умовах, коли на довжині вільного пробігу <l> резонансних фотонів в плазмі має місце значний перепад кінетичних температур частинок плазми.

Послідовне застосування моделі ЧЛТР з урахуванням рівняння перенесення випромінювання дозволяє отримати при інтерпретації спектроскопічних вимірювань фізично обґрунтовані розподіли компонент електродугової плазми.

Показано, що по відношенню до умов перенесення випромінювання можна говорити про дві просторові моди вільнопідтримуваної електричної дуги. У разі довгої дуги на віддаленні від електродів роль високотемпературної рівноважної області грає осьова область дуги, а на периферії дуги в радіальному напрямі виникає нерівноважний зона. У короткій же дузі, у якій міжелектродна відстань lак Ј d, де d - максимальний діаметр дуги, або поблизу електродів, на відстані l Ј d/2, стан плазми відрізняється від рівноважного навіть на осі дуги внаслідок збурюючого впливу приелектродних утворень, які грають при цьому роль гарячої зони.

У дисертації показано, що в умовах циліндричної геометрії виникає проблема тепло- і масовідведення з області електричної дуги. З точки зору рівня втрат енергії на передачу електричного струму в дуговому розряді це означає, що вони стають меншими гранично допустимих, необхідних для відведення теплової енергії, що виділяється в розрядній плазмі. Це може бути фізичною причиною порушення умов контрагування і нестійкого існування електричних дуг значної протяжності у відсутність вимушеного теплообміну.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення проблем визначення загальних властивостей щільної низькотемпературної плазми обмежених розмірів, зокрема особливостей відхилень від рівноважного стану, у взаємозв`язку з її просторово-часовою неоднорідністю, розроблені методи діагностики і проведені комплексні дослідження властивостей щільної неоднорідної плазми в різноманітних аспектах її проявів на прикладі імпульсної плазми інертних газів, що розпадається і розширюється, і квазістаціонарних електричних дуг в парах металів, які вільно підтримуются в атмосфері. При цьому отримано такі основні результати.

1. Показана обмеженість існуючих підходів до вивчення нерівноважних властивостей плазми, які ґрунтуються на розгляді кінетики процесів в ній, виходячи з передумови, що неоднорідність концентрації заряджених частинок є деяким зовнішнім параметром у відриві від інших факторів просторово-часової неоднорідності, таких як: перенесення випромінювання, теплопровідності, особливостей дифузійних процесів, впливу пристінкових ефектів, самопоглинання випромінювання, у тому числі в умовах градієнта тиску в плазмі.

2. Розроблені принципово нові методики емісійної і абсорбційної томографічної спектрометрії плазми на основі просторової модуляції випромінювання і застосування біфокальної оптики, придатні для використання в умовах однократних швидкоплинних процесів. Показані переваги застосування дисекторів для реєстрації випромінювання в таких процесах.

3. Розроблено метод обчислювально-адаптивної спектрометрії, що забезпечує адекватну діагностику плазми в умовах її відхилення від ЛТР і самопоглинання діагностичних ліній, який використовує як вихідні дані результати томографічних спектроскопічких вимірювань, що коригуються в ітераційному обчислювальному процесі згідно з передбачуваною математичною моделлю досліджуваної дуги; уточнені параметри розширення Штарка для спектральних ліній CuI 510,5 і 515,3 нм.

4. Одержане рівняння стану для найбільш характерних для щільної плазми умов, коли плазмоутворюючі частинки першої кратності іонізації є в стані ЛТР, а другої - в ЧЛТР. На його основі одержані:

- метод подібності для поширення на плазму будь-яких інертних газів результатів детального розрахунку відхилень від ЛТР внаслідок виходу випромінювання з гелієвої плазми і критерії подібності, які дозволяють здійснювати високоточні вимірювання температури релаксуючої плазми інертних газів в умовах ЧЛТР за відносними інтенсивностями спектральних ліній послідовних кратностей іонізації;

- закономірності зміни іонізаційного стану щільної плазми при зміні її питомого об'єму;

- показник ефективності електророзрядних плазмодинамічних систем через взаємозв'язок параметрів імпульса розрядного струму і досягнутого приросту тиску в розрядному об'ємі.

5. Показано, що розпад щільної гелієвої плазми, як і аргонової, формально підпорядковується механізму двохчастинковї рекомбінації заряджених частинок; визначено характерний час розпаду гелієвої плазми як наслідок неперервної зміни в процесі розпаду коефіцієнта рекомбінації згідно його температурної залежності в умовах значної абсолютної теплопровідності цієї плазми та теплових втрат на обмежуючу стінку.

6. На основі оптичних і зондових досліджень в щільній плазмі невеликого тиску показано, що стандартне припущення стосовно рівності в плазмі температури важкої компоненти Тhw біля обмежуючої її стінки температурі цієї стінки Тw, в умовах призондового циліндричного шару і, в меншій мірі, плоского шару - не виконується, тобто Тhw > Tw. Ця розбіжність є тим більшою, чим більший тепловий потік на стінку. Визначальним відносно температури важкої компоненти в пристінковому шарі плазми є коефіцієнт акомодації частинок на поверхні стінки.

7. Досліджено внутрішній взаємозв'язок градієнтних ефектів в щільній плазмі. Зокрема, вплив дифузійних процесів, як фактора нерівноважності плазми, є вибірковим завдяки електричному полю розділення зарядів, яке виникає внаслідок градієнта концентрації останніх. Саме електричне поле дозволяє роздільно впливати на поведінку іонізованих і нейтральних частинок плазми. В цьому сенсі механізм впливу теплопровідності є "обслуговуючим" по відношенню до згадуваного ефекту, оскільки в умовах постійності тиску вносить свій внесок переважно в формування градієнтів концентрації заряджених частинок.

В цілому їх результуючий ефект з точки зору дифузійних втрат заряджених частинок в щільній плазмі - як обмеженої стінкою, так і з відкритою поверхнею - є відносно невеликим, оскільки в об'ємі плазми температури електронів Тe і важкої компоненти Тh близькі між собою - Тe ” Тh. Внаслідок цього коефіцієнт амбіполярної дифузії Da = (1+Тe/Тh)Dia істотно не відрізняється від коефіцієнта дифузії іонів в атомах Dia. В пристінковій же плазмі, де, як правило, Тe >> Th, ії вплив ослаблюється з точністю до фактора aL ~ Lr/lia, де Lr - рекомбінаційна довжина, lia - довжина пробігу заряджених частинок. Якщо ж в пристінковому шарі Тw < Тhw, то знову ж таки нівелюється різниця Da і Dia.

Таким чином, впливом дифузійних процесів на кінетику рекомбінаційних процесів в щільній плазмі, наближених до досліджуваних у цій роботі параметрів, як і на формування її просторової структури, як правило можна знехтувати.

8. Найбільш загальним по своїй фізичній суті фактором нерівноважності є градієнт тиску, особливістю якого є однаковий вплив викликаних ним макроскопічних сил на всі частинки плазми. Зумовлена цим фактором зміна об'єму щільної плазми неминуче супроводжується зміною її іонізаційного стану.

Основним стабілізуючим фактором відносно підтримання рівноважного стану плазми, що розширюється, як і нерухомої однорідної плазми, є самопоглинання резонансного випромінювання плазмоутворюючих частинок; одержано критерій рекомбінаційної нерівноважності такої плазми.

9. Встановлено, що визначальним параметром для характеру розпаду плазми імпульсної відкритої електричної дуги в гелії є теплопровідність. При цьому процес просторової еволюції плазми вироджується в теплову хвилю. В цьому аспекті вплив самопоглинання випромінювання на розпад плазми має стабілізуючий ефект по відношенню до ймовірності її переходу в нерівноважний стан з якісно новою властивістю завдяки тому, що він усуває первісну причину нерівноважності - градієнт тиску - через механізм (променевої) теплопровідності вирівнювання тиску у відсутність переносу маси.

10. В цілому самопоглинання резонансного випромінювання плазмоутворюючих атомів є невід'ємною характеристикою електричної дуги, як однієї з форм існування щільної плазми. Подібно до того, як пристінковий шар плазми ізолює її основний об'єм від енергетичних втрат дифузійного характеру, так і самопоглинання резонансного випромінювання є пересторогою від радіаційних втрат, що в цілому визначає мінімальні втрати енергії на передачу електричного струму в дуговому розряді, а з другого боку - зумовлює рівноважний стан плазми. Роль випромінювання в плазмі з точки зору її наближення до рівноважного стану виявляється різною в залежності від співвідношення таких параметрів:

- у випадку, коли довжина вільного пробігу <l> резонансних фотонів є порівняною або перевищує характерний розмір плазми R, то рівновага можлива тільки при великих концентраціях електронів, коли частота термалізуючих зіткнювальних процесів достатня для подолання ефекту дезбудження частинок внаслідок виходу випромінювання з об'єму; в іншому випадку плазма є різко нерівноважною, причому резонансний рівень недозаселений по відношенню до основного рівня;

- якщо <l> << R, то плазма рівноважна при помірних концентраціях електронів; це найбільш типово для щільної плазми, обмеженої стінкою, коли на довжині вільного пробігу випромінювання можна знехтувати різницею температур, тобто (dТ/dr)<1> << Т. При цьому роль випромінювання завдяки значній енергії, яка перепоглинається плазмою, виявляється стабілізуючою відносно вірогідності відхилень від рівноважного стану плазми;

- якщо останнє співвідношення не є справедливим, тобто на довжині пробігу випромінювання має місце відчутний перепад температур, то в областях знижених температур і концентрацій заряджених частинок може виникати нерівноважність, що характеризується перезаселеністю поглинаючого рівня плазмоутворюючих частинок. Останнє найбільш характерне для щільної плазми з відкритою поверхнею.

11. По відношенню до умов переносу випромінювання можна виділити дві просторові моди електричної дуги, що вільно горить, як окремого випадку існування щільної плазми з відкритою поверхнею. У випадку довгої дуги на віддаленні від електродів роль високотемпературної рівноважної області виконує осьова область дуги, а на периферії дуги в радіальному напрямку виникає нерівноважна зона. В короткій дузі, коли міжелектродна відстань lak Ј d, де d -максимальний діаметр дуги, або поблизу електродів, на відстані l Ј d/2, стан плазми відрізняється від рівноважного навіть на осі дуги внаслідок збурюючого впливу щільної плазми приелектродних утворень, які виконують при цьому роль гарячої зони.

В цілому в дисертаційній роботі викладені результати досліджень внутрішнього взаємозв'язку стану щільної плазми і неоднорідності її параметрів, які мають важливе фундаментальне значення для фізики низькотемпературної плазми.

Оскільки, як показано стосовно часткового випадку існування щільної плазми, рівноважні умови в електричній дузі і мінімальні втрати на передачу електричної енергії в її каналі - суть взаємопов'язані ефекти, то вирішення подібної проблеми має важливий практичний аспект, пов'язаний з визначенням непродуктивних втрат або, навпаки, ефективності дії різноманітних плазмових пристроїв, в яких як робоче тіло використовується електродугова плазма: технологічних плазмотронів, плазмохімічних реакторів, електричного зварювання, комутаторів високої напруги, високоінтенсивних джерел випромінювання. Крім того, самостійне практичне значення мають розроблені в процесі виконання роботи методики досліджень та їх апаратурне забезпечення.

Список праць

1. Андреева Л.И., Веклич А.Н., Гулый А.П., Жовтянский В.А., Кайдалов С.А., Пчелов Е.М. Электронно-оптический регистратор спектров излучения ЭОР-2М // Приборы и техн. эксперим. - 1987. - № 1.- С. 241.

2. Жовтянский В.А., Левченко Г.В., Лубан Р.Б., Новик О.М. Влияние включений LаВ6 в материале катода на форму дугового разряда // Ж. техн. физ. - 1987. - Т. 57, вып. 2. - С. 359 - 361.

3. Жовтянский В. А., Нелеп К. В., Новик О. М. Практическая спектроскопия рекомбинирующей плазмы в области перехода от ЛТР к ЧЛТР // Журн. прикл. спектр. - 1988. -Т. 49, № 3.-С. 400 - 407.

4. Веклич А. Н., Жовтянский В. А. Скоростной плазменный томографический спектрометр // Журн. прикл. спектр. - 1989. - Т. 50, №4. -С. 565 - 570.

5. Жовтянский В. А., Новик 0. М. О роли диффузионных процессов в послесвечении плазмы сильноточного импульсного разряда // Ж. техн. физ. - 1989. - Т. 59, вып. 9. - С. 186-189.

6. Бабич И. Л., Веклич А. Н., Жовтянский В. А. Исследование роли самопоглощения излучения в свободногорящих дугах в парах меди методом лазерной диагностики // Журн. прикл. спектр. - 1989. - Т. 51, № 4. - С. 571 - 575.

7. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Головкина В.А., Жовтянский В.А. Неравновесность плазмы электрической дуги в парах меди, обусловленная переносом резонансного излучения // Журн. прикл. спектр. - 1992. - Т. 56, № 2. - С. 323-326.

8. Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Кайдалов С.А., Пчелов Е.М. Скоростная томографическая спектрометрия высокого разрешения // Физика плазмы. - 1992. - Т. 18, вып. 2. - С. 267 - 269.

9. Жовтянский В. А. Скоростная томографическая спектрометрия плазмы // Инженерно-физич. журнал.- 1992.- Т. 62, № 5.- С. 758 - 764.

10. Бабич И. Л., Жовтянский В. А. Сканирующий фотоприемник для скоростной томографической спектрометрии: прибор с зарядовой связью или диссектор? // Приборы и техн. эксперим. - 1992. - № 4.- С. 137 - 140.

11. Жовтянский В. А., Кевлич В. В., Кочетков В. И. Проверка применимости диффузионного зонда для диагностики плотной плазмы инертных газов // Материалы межгосуд. конф. "Физика и техника плазмы". - T.1. - Минск (Беларусь). - 1994. - С. 379 - 382.

12. Babich I.L., Cheredarchuk A.I., Veklich A. N., Zhovtyansky V. A. Non-equilibrium properties of electric arc plasma and combined methods of its diagnostic // Proc. 12th International Symposium on Plasma Chemistry.- Minneapolis (USA). - 1995.- V. 4.- P. 1861 - 1866.

13. Babich I.L., Cheredarchuk A.I., Veklich A.N., Zhovtyansky V. A. Combined diagnostic methods of non-LTE dense pulsed plasma // Contr. Pap. 22nd European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. - V. 19C, Pt. III. - Bournemouth (United Kingdom). - 1995. - P. 437- 440.

14. Zhovtyansky V. A. The nonequilibrium properties of high-density plasma in electric arc // Contr. Pap. XII Symposium on Physics of Switching Arc. - V. 1. - Brno (Czech Republic). - 1996. - P. 256 - 259.

15. Бабич И.Л., Жовтянский В.А., Кочетков В.И., Минакова Р.В. Применение методов физики плазмы для моделирования процессов в коммутирующих устройствах // Электрические контакты и электроды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т пробл. материаловедения им. Францевича И.Н.; Редкол.: Минакова Р.В. (отв. ред.) и др. - Киев, 1996. - С. 117 - 122.

16. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. The Fast Scanning Interferometry of High Density Plasma // Contr. Pap. 23rd EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics. - Pt. III. - Kiev (Ukraine). - 1996. - P. 999 - 1002.

17. Zhovtyansky V. A. Modeling of the Thermal Plasma Nonequilibrium due to Radiation Transfer // Proc. 3rd Asia-Pacific Conf. on Plasma Science & Technology. - V. 1. - Tokyo. - 1996. - P. 83-88.

18. Babich I.L., Cheredarchuk A. 1., Veklich A. N., Zhovtyansky ,V. A. Spectroscopy Diagnostics of Nonequilibrium Thermal Plasma // Proc. 3rd Asia-Pacific Conf. on Plasma Science & Technology. - V. 1. - Tokyo. - 1996. - P. 235 - 240.

19. Babich I.L., Cheredarchuk A.I., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Experience of free-burning electric arc plasma investigation // Proc. 13th International Symposium on Plasma Chemistry. - V. 1. -Peking (China). - 1997. - P. 245-250.

20. Zhovtyansky V. A. The gradiental nonequilibrium of the thermal plasma // Proc. 13th International Symposium on Plasma Chemistry. -V.I.- Peking (China). - 1997. - P. 368 - 373.

21. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Short free-burning arc plasma in copper vapour and its diagnostic // Proc. 8th International Conference on Switching Arc Phenomena (SAP&ETEP-97). - Pt. 1. - Lodz (Poland). - 1997. - P. 263-267.

22. Бабич И. Л., Веклич А.Н., Жовтянский В. А. Скоростная интерферометрия плотной плазмы // Журн. прикл. спектр. - 1997. - Т. 64, № 6. - С. 813 - 817.

23. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Чередарчук А.И. Физические особенности и диагностика плазмы свободногорящей электрической дуги в парах меди // Инженерно-физич. журнал. - 1998. - Т. 71, № 1. - С. 131-138.

24. Жовтянський В.А., Патріюк В.М. Визначення вмісту парів електродного матеріалу на периферії електричної дуги // Вісник Київського ун-ту. / Сер.: Фіз.-мат. науки.- 1998.- Вип.1.- С. 244 - 249.

25. Бабич И. Л., Веклич А.Н., Жовтянский В. А. Диагностика электродуговой плазмы в парах меди // Электрические контакты и электроды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т пробл. материаловедения им. Францевича И.Н.; Редкол.: МинаковаР.В. (отв. ред.) и др. - Киев, 1998. - С. 127 - 140.

26. Жовтянський В. А. Іонізаційний стан плазми у режимі розширення // Вісник Київського ун-ту. / Сер.: Фіз.-мат. науки. - 1998. - Вип. 4. - С. 289 - 296.

27. Бабич И.Л., Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Панькин А.Ю. Влияние диффузионных процессов на формирование радиальной структуры электрической дуги в парах металлов // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24, № 22. - С. 40 - 45.

28. Zhovtyansky V. The role of the factors of nonequilibrium in electric arc physics // Problems of Atomic Science and Technology (Вопросы атомной науки и техники, Харьков, 1999) Series: Plasma Physics. Kharkov. - 1999. - Issues 3(3), 4(4). - P. 197 - 199.

29. Жовтянський В.А. Формування та еволюція циліндричного плазмового згустка // Вісник Київського ун-ту. / Сер.: Фіз.-мат. науки. - 1999. - Вип. 1. - С. 287-296.

З0. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Electric arc plasma in copper vapour // Укр. фіз. журн. - 1999. - Т. 44, № 8. - С. 963 - 968.

ЗІ. Жовтянський В. А., Патріюк В. М. Роль геометричного фактора у процесах перенесення в електричній дузі // Вісник Київського ун-ту. / Сер.: Радіофізика та електроніка.- 2000.- Вип. 1.- С. 33 - 36.

32. Жовтянський В. А. Вплив факторів нерівноважності на розпад електродугової плазми. 1. Дифузійні процеси в об'ємі плазми // Укр. фіз. журн. - 1999. - Т.44, №11. - С. 1364 - 1370.

33. Жовтянський В. А. Вплив факторів нерівноважності на розпад електродугової плазми. 2. Роль пристінних процесів // Укр. фіз. журн. - 2000. - Т. 45, № 1. - С. 50-56.

34. Жовтянський В. А. Вплив факторів нерівноважності на розпад електродугової плазми. 3. Роль випромінювання і розширення плазми // Укр. фіз. журн. - 2000. - Т. 45, № 2. - С. 176 - 183.

35. А. с. 1420386 CССP, МКИ G01 J 3/26. Скоростной спектрометр / Веклич А.Н., Жовтянский В.А., Новик О.М. (СССР). № 3768077/24-25; Заявлено 12.07.86 Опубл. 30.08.83, Бюл. № 32.- 2 с.

36. Пат. 18170А України, МКВ GOI J 3/42. Томографічний абсорбційний спектрометр /Жовтянський В.А. (Україна); Київський університет ім.Тараса Шевченка. - № 96083244; Заявл. 13.08.96; Промислова власність. 1997. № 5. Опубл. 01.07.97. С. 3.1.279.

37. Пат. 20086А України, МКВ GO1 J 3/42. Багатофункціональний абсорбційний спектрометр / Жовтянський В. А. (Україна); Київський університет ім. Тараса Шевченка. - № 96093651; Заявл. 23.09.96; Промислова власність. 1997. № 6. Опубл. 25.12.97. С. 3.1.503.

Анотації

ЖОВТЯНСЬКИЙ В. А. Фізичні властивості щільної низькотемпературної неоднорідної плазми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 - фізика плазми. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1999.

У дисертації, основні матеріали якої опубліковано у 37 роботах, досліджується вплив просторово-часової неоднорідності щільної плазми на її фізичні властивості в цілому та на відхилення від рівноважного стану зокрема. Щільною вважається плазма, параметри якої у випадку однорідності були б достатніми для підтримання стану локальної термічної рівноваги у центральній її частині в існуючих межах. Діапазон досліджень склав по концентрації електронів від 1015 до 1017 см-3, а по температурі - від 0,5 до 3,5 еВ залежно від сорту плазмоутворюючих частинок. Досліджувалась релаксуюча імпульсна плазма аргону та гелію в електричній ударній трубці, що могла розширюватись у плоскій та циліндричній геометрії, і плазма вільно підтримуваної електричної дуги між мідними електродами. Розроблені методи діагностики плазми на основі швидкісної томографічної емісійної та абсорбційної спектрометрії і зондової методики у зіткнювальному режимі. Показано, що вплив градієнтних факторів на рівноважні властивості плазми слід розглядати у певній ієрархії, а рівновага плазми електричної дуги, як часткового випадку існування щільної плазми, і мінімальні втрати на передачу електричної енергії в її каналі - суть взаємопов'язані ефекти.

Ключові слова: щільна плазма, томографічна спектрометрія, подвійні зонди, процеси перенесення, самопоглинання випромінювання, розширення плазми, нерівноважний стан, електрична дуга

ЖОВТЯНСКИЙ В.А. Физические свойства плотной низкотемпературной неоднородной плазмы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.08 - физика плазмы. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1999.

В диссертации, основные материалы которой изложены в 37 работах, исследуется влияние пространственно-временной неоднородности плотной плазмы на ее физические свойства в целом и на отклонение от равновесного состояния в частности. Плотной считается плазма, параметры которой в случае ее однородности были бы достаточны для поддержания состояния локального термического равновесия в центральной ее части в существующих границах. Диапазон исследований по концентрации электронов составил от 1015 до 1017 см-3, а по температуре - от 0,5 до 3,5 эВ в зависимости от сорта плазмообразующих частиц. Объекты исследований - релаксирующая импульсная плазма аргона и гелия в электрической ударной трубке, имеющая возможность расширяться в плоской или цилиндрической геометрии, и плазма свободногорящей электрической дуги между медными электродами. Разработаны методы диагностики плазмы на основе скоростной томографической эмиссионной и абсорбционной спектрометрии и зондовой методики в столкновительном режиме. Показано, что влияние градиентных эффектов на равновесные свойства плазмы следует рассматривать в определенной иерархии, а равновесие плазмы электрической дуги, как частного случая существования плотной плазмы, и минимальные потери на передачу электрической энергии в ее канале - суть взаимосвязанные эффекты.

Ключевые слова: плотная плазма, томографическая спектрометрия, двойные зонды, процессы переноса, самопоглощение излучения, расширение плазмы, равновесное состояние, электрическая дуга

ZHOVTYANSKY V.A. Physical properties of dense low-temperature nonuniform plasma. - Manuscript.

Thesis for a doctor`s degree (physics and mathematics) by speciality 01.04.08 - plasma physics. Taras Shevchenko Kyiv National University, Kyiv, 1999.

The dissertation, involving the results published in 37 scientific papers, investigates influence of spatial and temporal nonuniform of the dense plasma on its physical properties as a whole and on deviation from equilibrium state in particular. The plasma is regarded as a dense one when its parameters are sufficient to support the state of local thermal equilibrium (LTE) at the central part of the plasma volume in a case of its uniformity between existing boundaries. A range of the investigation varies on electron density Ne from 1015 to 1017 cm-3, and on temperature from 0.5 to 3.5 eV, depending on the sort of plasma forming particles (helium, argon, copper). The objects of the investigation are relaxing impulse plasma of inert gases in electric shock tube (EST) having opportunity to expand in plane or cylindrical geometry, and plasma of free-burning electric arc between copper electrodes.

Plasma in EST was produced by single half-cycle of sinusoidal discharge current duration of 3-6 µs and amplitude up to 20 kA. Initial pressure of argon or helium was 65 - 1300 Pa.

Arc discharge in copper vapour was produced between face plate surfaces of noncooled cylindrical copper electrodes with diameter of 6 mm each and distance 2-8 mm between them. To avoid melting of electrodes and forming of droplets the discharge was produced by single rectangular impulses duration of 30 ms, which were superimposed over relatively low-current supporting discharge.

In both cases diagnostics of nonuniform plasma was realized by means of high-speed tomografic emissive and absorptive spectrometry as well as probing methods in collisional plasma operating mode. The double cylindrical probes of different diameters were used.

Fundamentally new techniques of plasma emissive and absorptive spectrometry based on spatial modulation of radiation and application of bifocal optic are proposed, which are applicable for single high-speed processes. The advantages of dissectors application for recording of radiation in such processes are shown.

The method of computing-adaptive spectrometry is developed, ensuring adequate diagnostics of plasma in conditions of its deviation from LTE and self-absorption of diagnostic lines, using as the initial data results of tomographic spectroscopic measurements, corrected in iterative computing process according to prospective mathematical model of an investigated arc; the Stark width of spectral lines CuI 510.5 and 515.3 nm are specified with more accuracy.

On the basis of a method of similarity the high-precision technique determination of plasma temperature via the relative intensity of spectral lines, emitted by atoms and ions of inert gases is developed in the region of Ne correspondent for transition from LTE to partial LTE (PLTE). The absence of dependence from Ne, as against LTE is its distinctive feature. Taking into account this feature the equation of a state for electric arc plasma parameters is offered in the typical for this plasma region of parameters, when atomic plasma-forming particles are in LTE, and ionic - in PLTE.

Due to difference of potentials of ionization and atomic weights of argon and helium and, as a result, - difference of kinetic temperatures of plasma-forming particles in this cases (1 and 3 eV respectively) in investigation of decay plasma it is possible to divide effects concerned with diffusive and heat-conducting processes. It is shown, that the decay of dense helium plasma, as well as argon one, formally comply with two-particle mechanism recombination of the charged particles in neglect of their diffusive losses, and the determining factor of dense pulse helium plasma decay - as for limited by the wall, and with an open surface - is thermal conductivity. In the latter case process of spatial evolution of plasma transformes in heat wave. The specific time of decay of helium plasma is determined. This time is attributed by simultaneous vary during the process of decay the temperature of plasma due to its absolute high thermal conductivity to bounded its volume walls and as a result - the recombination coefficient according to its temperature dependence.

The generality of behavior of the dense plasma ionization degree during its expansion in EST is determined as well as the efficiency of electric-discharge plasma-dynamic systems through interrelation of a discharge current pulse parameters and achieved ncreasing of pressure in discharge volume.

The presence of volume of nonequilibrium plasma in free-burning electric arc in copper vapour is established. It is shown, that in relation to conditions of radiation transfer in plasma one can speak about short and long free-burning arcs.

In the whole the influence of gradient effects on equilibrium properties of plasma should be considered in the certain hierarchy, and equilibrium of electric arc dense plasma and minimal losses on transfer of electrical energy in its discharge channel are interconnected effects.

Key words: dense plasma, tomographic spectrometry, double probes, heat and mass transfer, self-absorption of radiation, plasma expansion, nonequilibrium state, electric arc

Размещено на Allbest.ru