Диссертация (1145400), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Для этой области решено кинетическое уравнение для функциираспределения электронов и вычислены потоки электронов и их энергии на диэлектрическуюстенку. В результате рассмотрения неравновесной пристеночной области сформулированоновое граничное условие на стенке для температуры электронов.5) Развит подход для численного решения полученных уравнений модели ИПР. Подходвключает в себя два этапа. На первом этапе вводятся независимые параметры для описаниясостояния плазмы (полное давление р, температура тяжёлых частиц Th и температураэлектронов Te ) и выполняется переход к лагранжевым переменным.
Это позволяет избавитсяот скоростей и получить уравнения квазидиффузионного типа. На втором этапе для системы227интегро-дифференциальныхуравненийинтегро-интерполяционным методомстроитсянеявная разностная схема первого порядка точности по временной переменной и второгопорядкаточностипорадиальнойпеременной.Решениеразностныхуравненийосуществляется итерациями методом раздельных потоковых прогонок для каждогоразностного уравнения модели.6) Выполнен расчёт спектра поглощения в цезиевой плазме.
Показано, что приувеличении давления плазмы от 0,01 атм до 1,0 атм происходит преобразование линейчатогоспектра в непрерывный. При этом важную роль играет существенный сдвиг пороговфоторекомбинационных 6Р и 5D континуумов в длинноволновую сторону, достигающий 100нм и более. Показано, что сдвиг порогов в рассматриваемых условиях обеспечивают дваэффекта: дебаевское снижение потенциала ионизации атома в плазме и слияние высшихчленов спектральных серий, сходящихся к порогу фотоионизации, вследствие уширения.7) Для расчёта теплообмена излучением в плазме ИПР развит метод прямогоинтегрирования (МПИ) уравнения переноса излучения.
Результаты, полученные в рамкахМПИ сравниваются с приближениями оптически прозрачной и плотной плазмы,диффузионнымприближением,приближениемоднороднойплазмыиформуламитеплообмена излучением в линиях.8) Рассмотрена эффективность спектрального источника излучения на основеплазменного столба ИПР. Показано, что величина потока излучения из плазмы определяетсятремя параметрами: температурой электронов Т0 на оси, формой радиального профилятемпературы Te(r)/T0 и радиальной оптической толщиной столба. При этом зависимость от Т0определяетсяпланковскиммножителем,аболеезаполненномупрофилюTe(r)/T0соответствуют бóльшие потоки излучения. Показано, что при любой температуре плазмы наоси столба и любом радиальном профиле температуры плазмы максимальные потокиизлучения достигаются в тех случаях, когда оптическая толщина столба близка к единице.9) Система уравнений построенной модели ИПР решена численно.
Определенывременные и радиальные зависимости температур электронов и тяжелых частиц,концентраций и радиальных скоростей движения всех компонент плазмы. Показаноследующее.‒ Использование ИПР позволяет получать плазму с более высокой температурой иплотностью, чем в стационарной дуге. При этом варьирование формы импульса тока иколичествацезиянаединицудлинытрубкипозволяетуправлятьрадиальнымраспределением параметров плазмы.‒ Полное давление плазмы в процессе прохождения импульса тока плавно(практически линейно) увеличивается примерно в два раза, оставаясь постоянным вдоль228радиуса.
Это обусловливает особую картину газодинамических течений в трубке.‒ Температура электронов в процессе прохождения импульса тока (т.е. в интервалевремени 0 < t < tp) всегда превышает температуру тяжёлых частиц. Наоборот, на стадииостывания плазмы (в интервале времени tp < t < tper при отсутствии дежурного тока либо винтервале tp < t < 3tp при остывании плазмы от горячего состояния до состояния,соответствующего дежурному разряду), температура электронов в горячей центральнойобласти оказывается меньше температуры тяжёлых частиц. Это объясняется эффективнойпотерей энергии электронной компонентой за счёт излучения.‒ При высоком давлении ( р ~ 1 атм) радиальные профили температур электронов итяжёлых частиц являются пологими.
Это объясняется тем, что в условиях высокого давленияв плазме ИПР в цезии имеет место эффективный нелокальный радиационный теплообмен.Возникновение резких фронтов в этих условиях невозможно. Уменьшение давленияприводит к уменьшению оптической плотности столба плазмы разряда и, соответственно, кснижению роли радиационного теплообмена. Это приводит к заметному росту радиальногоградиента температуры.‒ В ИПР существенно изменяется роль буферного газа: уширение линий определяетсявзаимодействием с электронами, а не с нейтральными атомами; подвижность электронов иэлектрическое поле в столбе определяются кулоновским рассеянием, а не столкновениями снейтральнымиатомами;тепловойрежимгорелкиопределяетсяформойипродолжительностью импульса, а не теплопроводностью буферного газа.
Таким образом,роль буферного газа, в основном, сводится к обеспечению первоначального пробоягазоразрядного промежутка.10) Показано, что величина напряжённости продольного электрического поля имеетхарактерный для ИПР резкий максимум в начале импульса тока. В результатемоделирования ИПР исследованы зависимости максимального значения поля Emax отпараметров разряда. Показано, что величина Emax зависит, главным образом, от давления р0 втрубке и от температуры электронов плазмы Те0 вблизи её оси перед импульсом тока.
Приэтом Emax возрастает от 30 В/см до 170 В/см при изменении р0 от 50 Торр до 600 Торр иуменьшается в два раза при увеличении Те0 от 2650 К до 3050 К. Кроме того, в несколькоменьшей степени, напряжённость поля зависит от величины скорости нарастания разрядноготока dI/dt.11) Исследовано отличие температур электронов и тяжёлых частиц в ИПР. Показано,что в начале импульса тока существенное отличие Te и Th имеет место практически во всёмобъёме плазмы и обусловлено большими значениями напряжённости продольногоэлектрического поля Ez в этот период времени.
Разность температур между электронами и229тяжёлыми частицами устанавливается в результате баланса скоростей нагрева электроновполем и потерь энергии электронами вследствие столкновительных процессов. Кроме того,Te и Th существенно отличаются на периферии разряда, причём в течение всего импульсатока. Этот отрыв температур объясняется тем, что в холодной периферийной области имеетместо разогрев электронов продольным электрическим полем, а также за счёт поглощенияизлучения, идущего из горячей приосевой плазмы. Ионы и атомы, наоборот, охлаждаютсяздесь, передавая тепло на стенку вследствие теплопроводности. Определены абсолютнаявеличина разности температур, размер области, где отрыв температур имеет место, идинамика этих параметров во времени.
Показано, что масштабы явления отрыва температурзависят от параметров ИПР и, прежде всего, от давления плазмы.12) Показано, что учёт отрыва Te и Th в любом случае необходим для правильногоопределения напряжённости продольного электрического поля Ez в плазме ИПР. Расчёт,выполненный в рамках однотемпературной модели, приводит к существенно завышеннымзначениям Ez.13) Исследована газодинамика плазмы в условиях ИПР. Показано, что в условияхограниченного объёма газоразрядной трубки и постоянного давления плазмы вдоль радиусастолба особенности течений плазмы определяются характером теплообмена в плазмеразряда.
Если плазма ИПР является оптически прозрачной (τ R(λ) << 1) в большей частиспектра и реабсорбция не играет существенной роли, то теплообмен в плазме носитлокальный характер. В этом случае при прохождении импульса тока в ИПР реализуетсясложная картина газодинамических течений с возвратными движениями плазмы, когдаразогреваемая плазма частично выталкивается вперёд, в направлении стенок трубки, ачастично возвращается назад, к оси разряда. Если в значительной части спектра τR(λ) ~ 1, тов разряде имеет место нелокальный радиационный теплообмен и плазма разогреваетсяравномерно по всему объёму трубки.
В этом случае в ИПР реализуется существенно болеепростая картина течений: в течение всего импульса тока плазма движется от оси разряда кстенкам, а после окончания импульса возвращается обратно к оси.14) Найдены явные выражения и рассчитаны парциальные скорости отдельныхкомпонент плазмы. Показано, что в большинстве режимов проскальзывание компонент друготносительно друга играет значительную роль в газодинамике ИПР в цезии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
