Автореферат (1150534)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
