Диссертация (1104349), страница 10
Текст из файла (страница 10)
2.11. Распределение кластеров аргона по массам.682.4. Выводы по главе 2. Получены пучки кластерных ионов различных газов в режимеимпульсной подачи рабочего газа. Показано, что импульс тока пучка состоит из последовательныхимпульсов тока мономеров, кластеров и затем снова мономеров,причем такая структура импульса обусловлена существованиембуферного объема между клапаном и соплом. Определено времянатекания газа в этот объем. Исследованы параметры тока пучка различных рабочих газов приизменении давления перед соплом и расстояния до скиммера.Полученныезависимостихорошосогласуютсясмодельюистекания газа из буферного объема и оценками по параметруХагены. Разработаны магнитная и времяпролетная системы анализа пучкапо массам. Полученыраспределениякластеровпомассам.Максимумраспределения соответствует 1000 атомов аргона, при этом впучке содержатся кластеры размером до 5000 атомов.69Глава 3.
Визуализация потока газа из сверхзвукового сопла.3.1. Постановка задачиВ работах, содержащих описания ускорителей кластерных ионов наосновесопловыхисточников,приобсуждениигеометриипотока,истекающего из сверхзвукового сопла сужающейся-расширяющейся формы,авторы обычно основываются на исследованиях [25, 30]. Это не совсемкорректно,посколькувданныхработахисследовалисьсильнонедорасширенные струи, создаваемые коническими сужающимися соплами.Поэтому представляет интерес изучение геометрических характеристикпотока газа при условиях, используемых при создании потока кластерныхионов.Типичные параметры сопла, использующегося в источниках газовыхкластерных ионов, следующие: диаметр перетяжки 0,1÷0,2 мм, диаметрвыходного сечения 3÷4 мм, длина расширяющейся части 20÷40 мм.
Прирасчете, выполняемом на основе описания идеального одноатомногополитропоного газа, отношение давлений на выходном сечении и на входе всопло оказывается на уровне 10-6. В частности, для нашего сопла этоотношение равно 2,1·10-6. При отношении окружающего давления в камере кдавлению на входе в сопло в рабочем режиме ускорителя 8·10-3 мбар / 5 бар =1,6·10-6.
Таким образом, поток является близким к расчетному.Однако при конденсации давление в ядре струи повышается (оценка,даваемая компьютерным моделированием, описанным ниже – в 20-50 раз навыходном срезе), что означает увеличение значения недорасширенности.Следовательно, использование модели недорасширенной струи имеет подсобой основание.703.2. Методика эксперимента.Как показано в обзоре литературы, для визуализации струй газа иопределения их свойств существуют различные хорошо изученные методы,однако для применения большинства из них требуется существеннаямодификация камеры формирования кластеров, а так же использованиедополнительного оборудования. Поэтому для изучения геометрическихпараметров сверхзвуковой струи в условиях, при которых происходитформирование кластерных ионов, был выбран метод визуализации газовымразрядом. Его суть заключается в следующем.Поскольку пространство с затопленным сверхзвуковым потокомхарактеризуется значительными неоднородностями, в том числе, скачкамиплотности, температуры и скорости, можно ожидать соответствующихнеоднородностей свечения при инициации в этом пространстве тлеющегоразряда.
По характеру свечения плазмы разряда можно сделать выводы оструктуре потока: его характерной протяженности, поперечных размерах иоднородности распределения в нем плотности и температуры.Для наблюдения свечения плазмы крышка камеры формированиякластеров была изготовлена из плексигласа. Из камеры извлекался скиммердля увеличения рабочего пространства. В экспериментах использовалось двеконфигурации электродов, между которыми зажигался тлеющий разряд, ониотражены на рис.
3.1. В первом случае кольцо из вольфрамовой проволокизакреплялось соосно соплу. Диаметр кольца 54 мм. На кольцо подавалосьпостоянное напряжение; в качестве второго электрода выступало сопло,находящееся под потенциалом земли, так же как и стенки камеры. Во второмслучае вдоль струи, симметрично относительно оси сопла, закреплялись двамедных прямоугольных электрода. Расстояние между ними составляло65 мм, продольный размер – 62 мм.
На один из них подавалось постоянноенапряжение, второй электрод, сопло и стенки камеры находились под71потенциалом земли. Положение сопла относительно электродов выбиралосьпродольным перемещением держателя сопла.Рис. 3.1. Схема системы визуализации потока с плоскими электродами (красные) иликольцевым электродом (синий).Максимальное давление в камере ограничивается возможностямисистемы откачки.
В рабочем режиме ускорителя предельное давление, невызывающее остановку турбомолекулярного насоса, составляет 6*10-3 Торр,а при кратковременном увеличении оно может достигать 5*10-2 Торр взависимости от скважности импульсного клапана и рабочего газа. В такихусловиях при поступлении через сопло рабочего газа тлеющий разрядзажигается при напряжениях 0,3 – 2,5 кВ в зависимости от условийэксперимента. Максимальный ток разряда был ограничен значением 1 мА,устанавливаемымнастройкамиразрядного напряжениятокисточникаразрядапитания.увеличивался,Приповышениичто говоритобаномальном режиме разряда. Для конкретных условий эксперимента –давления рабочего газа, скважности импульсного клапана, конфигурациисопла и электродов – существует оптимальный режим напряжения и тока.При превышении током оптимального значения происходит засветка кадра, иконфигурация потока на снимке различима с трудом, а при слишком низкомтоке качество снимка ухудшает низкая интенсивность свечения.72Первоначально для фиксации изображения планировалось использоватьстробируемуюДлительностьэлектронно-оптическуюстробирующегоцифровую(затворного)камеруNanogate.импульсакамерыустанавливается с шагом 10 нс и может варьироваться от 10 нс до 20 мкс, аспуск затвора можно синхронизировать с внешним устройством, чтопозволяет делать снимки с высоким временным разрешением.
Элетроннооптический преобразователь на основе микроканальных пластин, входящий всостав камеры, усиливает входной оптический сигнал и передает его на ПЗСматрицу цифровой камеры, фиксирующей высококачественное изображение.Электронно-оптическая камера устанавливалась над камерой формированиякластеров, её запуск через линию задержки синхронизировался с моментомоткрытия импульсного клапана.Однако в ходе экспериментов обнаружилось, что даже при максимальновысоком коэффициенте усиления микроканальных пластин чувствительностикамеры не хватает для получения изображения разряда (рис. 2.2).Рис. 3.2. Изображение разряда в конфигурации с кольцевым электродом, полученноес помощью электронно-оптической камеры.
Заметно свечение газа вокруг электрода иследы потока вдоль оси кольца.73Поэтому в дальнейших экспериментах использовалась цифроваяфотокамера Canon EOS 40D. Для фиксации свечения малой интенсивности накамере устанавливалась скорость ISO 1600, выдержка выбиралась вдиапазоне ¼ ÷ 4 с.Из-за того, что соотношение давлений перед соплом и после соплапостоянно меняется в результате работы импульсного клапана и системыоткачки вакуумной камеры, геометрические параметры бочки Маха такжединамически меняются. В случае, если период повторения импульсовнапуска газа меньше, чем выдержка фотокамеры, на снимке фиксируетсяинтегральная характеристика свечения за несколько периодов напуска.
Наснимке хорошо различима форма потока вблизи сопла, однако дальняя егочасть оказывается смазанной. Для определения мгновенных параметровбочки Маха длительность открытого состояния клапана выбиралась равной0,7 с при периоде его работы 3,7 с. В этом случае формированиеквазистационарного потока происходит за время, малое по сравнению современем его существования, и не искажает снимок.Моделирование газовой струи из сверхзвукового сопла осуществлялосьИ.Э.
Ивановым. Для расчетов использовалась модель на основе уравненияНавье-Стокса,ВязкостьгазадополненногоучитываласьусловиямипопроскальзыванияформулеСазерленда.Максвелла.Результатымоделирования включали в себя карты числа Маха, плотности, давления,температуры газа, а также распределение этих параметров вдоль оси струи.Кластеризация на этом этапе моделирования не учитывалась.3.3.
Исследование истечения газа из сверхзвукового сопла.3.3.1. Кольцевой электрод.Преимуществосистемывизуализациискольцевымэлектродомзаключается в её осевой симметрии. Это означает, что распределение74свечения перпендикулярно оси потока не будет искажаться собственныминеоднородностями свечения тлеющего разряда.Приподаченаэлектродотрицательногонапряженияразрядформировался между ним и стенками камеры уже при напряжении порядка350 В. Такая конфигурация разряда означает повышенный ток и засветкукартины течения газа.
При подаче же отрицательного напряжения, то естьиспользования кольца в роли катода, разряд, образующийся между соплом иэлектродом, отражал особенности газовой струи.На рис. 3.3. представлено изменение картины свечения при различныхположенияхсоплаотносительнокатода.Придостаточнобольшихрасстояниях картина свечения вблизи сопла остается неизменной. БОльшуюего интенсивность можно связать с повышенной плотностью и температуройна границе струи, а меньшую – с уменьшение плотности и температуры вядре струи. Изображение позволяет идентифицировать геометрическиепараметры бочки Маха, причем её геометрия отличается от изображенной нарис.
1.9. В частности, диск Маха не имеет конечного диаметра, то естьнормальный скачок стягивается к точке на оси струи. За бочкой Махасвечение вблизи оси струи остается более интенсивным чем вдали от неё.75Рис.3.3. Визуализация потока при уменьшении расстояния от сопла до катода.При уменьшения расстояния между соплом и электродом существеннымстановится наличие темных областей разряда вокруг проволоки катода. Этиобласти начинают перекрываться с областью свечения струи, так что нельзяоднозначно судить, какие особенности связаны с собственным её свечением,а какие определяются существованием темных областей и воздействиемгеометрии электрода.
Свечение на оси струи в плоскости кольца ослабевает,но снова усиливается за кольцом. Таким образом, в свечении существует«разрыв», связанный с кольцом.При дальнейшем приближении среза сопла к электроду этот «разрыв»исчезает при совпадении нормального скачка с плоскостью кольца, и придальнейшем движении сопла свечение остается «непрерывным». Видимо, этосвязано с градиентом электрического поля, создаваемым электродом вобласти ударной волны при небольших расстояниях от сопла до скиммера.Таким образом, визуализация течения с помощью кольцевого электродапозволяет определить форму струи и положение нормального скачка, однакокартина свечения может искажаться при недостаточно больших расстоянияхсопло – электрод.3.3.2. Плоские электродыОсновнаячастьэкспериментовповизуализациигазовойструипроводилась в конфигурации с плоскими электродами.
Картина свечения76струи в этом случае совпадает с картиной для кольцевого электрода; крометого, свечение струи симметрично относительно её оси. Это говорит о том,что несмотря на отсутствие осевой симметрии системы, распределениесвечения не искажается наличием электрического поля между катодом,плоским анодом и соплом.Прежде всего было выяснено, что координата среза сопла вдоль его оситакже не влияет на картину течения (рис. 3.4). Для этого было сделанобольшое количество снимков течения аргона при давлениях на входе 4÷7 барпри различных положениях сопла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
