Автореферат (Радиационные эффекты в неравновесной плазме дуговых и тлеющих разрядов)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиКаланов Дмитрий ВалерьевичРАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ВНЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕ ДУГОВЫХ ИТЛЕЮЩИХ РАЗРЯДОВСпециальность 01.04.08 —«Физика плазмы»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2018Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорГолубовский Юрий БорисовичОфициальные оппоненты: Cмирнов Александр Сергеевич,доктор физико-математических наук,профессор кафедры физики плазмы ИФНиТ СанктПетербургского Политехнического Университета им.Петра ВеликогоЗверева Галина Николаевна,доктор физико-математических наук,доцент кафедры физики и химии СанктПетербургского Государственного УниверситетаГражданской АвиацииВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский ГосударственныйТехнический Университет»Защита состоится 28 июня 2018 г.

в 15 часов на заседании диссертационного советаД 212.232.45 при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул. 1, Малый конференц-залФизического факультета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. Горького СПбГУ по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте disser.spbu.ru.Автореферат разослан 28 мая 2018 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.232.45, д.ф.-м.н.Сухомлинов Владимир СергеевичОбщая характеристика работыВ низкотемпературной плазме газовых разрядов имеют место разнообразные радиационные процессы: излучение в спектральных линиях и полосах припереходах между возбужденными состояниями атома или молекулы, континуальное излучение в результате процессов фоторекомбинации, тормозное излучениеэлектронов и другие.

Распространение излучения в плазме приводит к переносуэнергии, а также к процессам возбуждения, ионизации, диссоциации и др. Прежде чем покинуть объём плазмы, фотоны могут испытывать многочисленные актырассеяния, поглощения и переизлучения. Для больших коэффициентов поглощения, которые реализуются, к примеру, в центральных частях контуров резонансных линий, фотоны длительное время проводят в объёме плазмы. Это явлениеполучило название пленения излучения. В спектральных линиях с малыми коэффициентами поглощения процесс переноса излучения принято называть самопоглощением или реабсорбцией.В неравновесной плазме излучение является одним из основных механизмов разрушения возбужденных атомов.

В то же время, пленение излучения приводит к значительному увеличению времени жизни возбужденного состояния (23 порядка величины). Особый интерес в физике неравновесной плазмы инертных газов представляют метастабильные и резонансные состояния. Через нихидут многочисленные процессы возбуждения и ионизации. Они обеспечиваютнакачку рабочих уровней в инверсных средах. Перенос резонансного излученияк стенкам разрядных трубок вызывает фотолюминесценцию люминофора и, вбольшинстве случаев, определяет эффективность работы люминесцентных ламп.Большое время жизни данных атомов играет роль в импульсных, высокочастотных и микроволновых разрядах. Современная спектроскопическая диагностикаразрядной плазмы зачастую сопряжена с определением заселенностей метастабильных и резонансных состояний.Метастабильные состояния не связаны излучательными дипольными переходами с основным состоянием. Перенос метастабильных атомов осуществляется, главным образом, через столкновительную диффузию.

Его описание, соответственно, связано с решением дифференциального уравнения диффузии.В отличие от метастабильных, резонансные состояния связаны с основным состоянием дипольными оптическими переходами и имеют малые спонтанные времена жизни. Линии, соответствующие резонансным переходам, имеют большие коэффициенты поглощения, которые определяются плотностью нейтральных атомов. Вследствие этого, резонансные кванты, прежде чем покинутьобъём плазмы, испытывают многочисленные акты поглощения и переизлучения.Данный процесс значительно увеличивает время жизни резонансных состояний.3При этом, коэффициент поглощения достаточно велик вблизи центра спектральной линии. В далеких крыльях линии поглощение мало, и фотоны способныпролетать без поглощения значительные расстояния, сопоставимые с размерамиплазменного объёма, тем самым связывая пространственно отдаленные области.Для описания переноса резонансных атомов необходимо решать интегральноеуравнение переноса излучения.Несмотря на значительную роль переноса излучения, во многих полномасштабных и самосогласованных моделях разрядов этот процесс рассматривается спомощью коэффициентов, учитывающих пленение в локальной точке (т.н.

эскейпфакторов). Однако, в последние десятилетия были разработаны различные подходы к решению уравнения переноса излучения на том же уровне точности, чтои дифференциальное уравнение диффузии, без значительной разницы в требуемых вычислительных ресурсах. В их числе подход, заключавшийся в сведении интегрального уравнения переноса к линейной алгебраической системе уравненийс возможностью совместного решения с уравнениями баланса других комонентплазмы. Он получил название матричного метода.Настоящая работа посвящена развитию идей, лежащих в основе матричного метода, разработке новых техник расчета интегрального уравненияпереноса, а также экспериментальному и теоретическому исследованию влиянияпленения и реабсорбции излучения на свойства неравновесной плазмы дуговыхи тлеющих разрядов.Цели и задачи работы:1. Разработка метода решения уравнения переноса излучения ХолстейнаБибермана для источников плазмы произвольной трехмерной геометриидля любого контура спектральной линии в широком диапазоне значений оптической плотности.

Тестирование метода путем сравнения полученных решений с результатами матричного метода.2. Разработка столкновительно-радиационной модели аргоновой плазмы дляописания возбужденных атомов сильноточной свободно горящей дуги атмосферного давления. Анализ влияния переноса излучения в резонансных линиях на пространственные распределения параметров дугового разряда.3. Моделирование контракции положительного столба тлеющего разряда в аргоне при давлении в десятки Торр с возможностью получения непрерывныхS- и Z-образных характеристик разряда, корректным учетом переноса резонансного излучения и неоднородного разогрева газа. Анализ влияния неоднородного разогрева газа и пленения излучения на вольт-амперные характе4ристики и радиальные профили концентрации возбужденных атомов и заряженных частиц.4. Анализ оптических схем, позволяющих выполнять измерения пространственных распределений возбужденных атомов с высоким пространственным разрешением путем регистрации потока излучения от объёмного источника.5.

Модификация метода Line Ratios для измерения радиальных заселенностейметастабильных и резонансных атомов в положительном столбе разряда иего сравнение с классическим методом поглощения.6. Измерение радиальных профилей 1 и 2 уровней аргона при давлении в десятки Торр методами эмиссионной и абсорбционной спектроскопии. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.Научная новизна и практическая ценность работы:1.

Предложен оригинальный метод решения уравнения Холстейна-Бибермана,который позволяет рассматривать области произвольной трехмерной конфигурации, что делает возможным его применение в широком спектре задач, связанных с моделированием источников неравновесной газоразряднойплазмы. Предложен эффективный алгоритм параллельного расчета задачи сиспользованием графических вычислительных процессоров (GPU).2.

Впервые предложена многоуровневая столкновительно-радиационная модель плазмы в аргоне, позволяющая корректно учесть пленение резонансного излучения.3. Проанализировано влияние переноса резонансного излучения на пространственные распределения резонансных, метастабильных и высоковозбужденных атомов в дуговой плазме.4. Впервые выполнено самосогласованное моделирование контракции положительного столба с учетом пленения резонансного излучения и неоднородного разогрева газа.

Продемонстрированы преимущества используемого подхода в сравнении с традиционным методом установления решения нестационарной задачи.5. Проанализирован круг вопросов, связанных с измерениями распределенийвозбужденных атомов с высоким пространственным разрешением в объёмных источниках плазмы. Выполнено сравнение способов регистрации с помощью фотоумножителей и CCD/CMOS-камер.56. Выполнены модификация и сравнение методов классической абсорбции иметода Line Ratios для измерения заселенностей метастабильных и резонансных атомов по излучению и поглощению спектральных линий.

Выясненыдостоинства и недостатки данных методов применительно к пространственным измерениям.7. Показано влияние радиационного переноса на радиальные распределенияпараметров контрагированного шнура и непрерывную вольт-амперную характеристику разряда. Выполнена валидация модели путем сравнения с экспериментом.8. Cистематизирована имеющаяся информация по матричному методу дляспектральных линий в геометриях плоского слоя и бесконечного цилиндра.Выведены формулы для расчетов коэффициентов матрицы переноса дляэтих геометрий как в предположении однородного коэффициента поглощения, так и при наличии неоднородности, а также для произвольных коэффициентов поглощения.Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались наследующих международных конференциях:1. 33rd International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Lisbon,Portugal, July 9-14, 2017.2. 22nd Symposium on Physics of Switching Arc, Nové Město na Moravě, CzechRepublic, September 4-8, 2017.3.