Диссертация (1150536)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиУДК 533.9Каланов Дмитрий ВалерьевичРАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕДУГОВЫХ И ТЛЕЮЩИХ РАЗРЯДОВСпециальность 01.04.08 —«Физика плазмы»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Голубовский Ю.Б.Санкт-Петербург — 20182ОглавлениеВведение . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111.1Пленение излучения в неравновесной газоразрядной плазме . . . .111.2Неравновесные эффекты термической плазмы свободно горящейдуги . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.31.42Измерение заселенностей возбужденных уровней в объёмном источнике плазмы методами классической спектроскопии . . . . . .18Контракция тлеющего разряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21Перенос излучения в неравновесной плазме . . .
. . . . . . . . . . .272.1Реабсорбция и пленение излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . .272.2Методы решения уравнения Холстейна-Бибермана . . . . . . . . .322.2.1Ядро оператора переноса излучения . . . . . . . . . . . . . .322.2.2Приближение эффективной вероятности перехода . . . . .332.2.3Матричный метод . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Метод трассировки лучей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432.3.1Схема дискретизации и алгоритм трассировки . . . . . . .442.3.2Вычисление матричных коэффициентов . . . . . . . . . . .452.3.3Алгоритм численного решения задачи . .
. . . . . . . . . .492.3.4Верификация метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512.3.5Примеры решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52Выводы к главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .592.32.4315Радиационные эффекты в неравновесной плазме сильноточной свободно горящей дуги . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .6133.1Роль пленения излучения в пространственном формировании резонансных атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.13.23.362Краткое описание исходной модели с эффективной вероятностью перехода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .623.1.2Включение пленения излучения в баланс уровня Ar(14 ) . .633.1.3Результаты расчетов для изолированного уровня 14 . . . .69Столкновительно-радиационная модель свободно горящей дуги .713.2.1Входные параметры . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .713.2.2Описание модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .713.2.3Результаты расчетов по столкновительно-радиационной модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76Выводы к главе . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .834 Экспериментальная диагностика неравновесной плазмы по излучению 854.1Измерения интенсивностей спектральных линий с высоким пространственным разрешением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1Поток излучения от протяженного однородного объёмногоисточника без реабсорбции . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .874.1.2Аппаратные функции и пространственное разрешение . . .924.1.3Сравнение радиальных распределений интенсивностей линий, записанных на фотоумножитель и CMOS-камеру . . .4.1.497Реабсорбция излучения в пределах однородного объёмногоисточника .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.28699Методы определения заселенностей метастабильных и резонансных уровней в неравновесной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.354.2.1Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2.2Классический метод абсорбции . .
. . . . . . . . . . . . . . 1054.2.3Метод Line Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.2.4Результаты измерений и сравнение методов . . . . . . . . . 112Выводы к главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 121Радиационные эффекты в неравновесной плазме контрагированного тлеющего разряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1122Самосогласованная модель контрагированного разряда . . . . . . . 12245.25.35.1.1Элементарные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 1235.1.2Уравнения баланса частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.1.3Неоднородный разогрев газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.1.4Уравнение Больцмана и макроскопические параметры . . . 1285.1.5Метод решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 1305.1.6Результаты расчетов самосогласованной модели . . . . . . . 134Экспериментальная диагностика контракции положительного столба 1395.2.1Постановка эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.2.2Сравнение экспериментальных результатов с теорией . . . 144Выводы к главе . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152A Излучение и поглощение в спектральной линии . . . . . . . . . . . .173B Вычисление эффективных вероятностей перехода и коэффициентовматрицы . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177B.1Вычисление эффективных вероятностей перехода . . . . . . . . . . 177B.2Вычисление коэффициентов матрицы в случае однородного поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183B.3Вычисление коэффициентов матрицы в случае неоднородного поглощения . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915ВведениеВ низкотемпературной плазме газовых разрядов имеют место разнообразныерадиационные процессы: излучение в спектральных линиях и полосах при переходах 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. Преждечем покинуть объём плазмы, фотоны могут испытывать многочисленные акты рассеяния, 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 явление получилоназвание пленения излучения. В спектральных линиях с малыми коэффициентамипоглощения процесс переноса излучения принято называть самопоглощениемили реабсорбцией.В неравновесной плазме излучение является одним из основных механизмовразрушения возбужденных атомов. В то же время, пленение излучения приводит к значительному увеличению времени жизни возбужденного состояния (2-3порядка величины).
Особый интерес в физике неравновесной плазмы инертныхгазов представляют метастабильные и резонансные состояния. Через них идутмногочисленные процессы возбуждения и ионизации. Они обеспечивают накачкурабочих уровней в инверсных средах. Перенос резонансного излучения к стенкамразрядных трубок вызывает фотолюминесценцию люминофора и, в большинстве случаев, определяет эффективность работы люминесцентных ламп.
Большоевремя жизни данных атомов играет роль в импульсных, высокочастотных и микроволновых разрядах. Современная спектроскопическая диагностика разряднойплазмы зачастую сопряжена с определением заселенностей метастабильных ирезонансных состояний.6Метастабильные 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 основнымсостоянием дипольными оптическими переходами и имеют малые спонтанныевремена жизни.
Линии, соответствующие резонансным переходам, имеют большие коэффициенты поглощения, которые определяются плотностью нейтральныхатомов. Вследствие этого, резонансные кванты, прежде чем покинуть объём плазмы, испытывают многочисленные акты поглощения и переизлучения. Данныйпроцесс, называемый пленением резонансного излучения, значительно увеличивает время жизни резонансных состояний. При этом, коэффициент поглощениядостаточно велик вблизи центра спектральной линии. В далеких крыльях линиипоглощение мало, и фотоны способны пролетать без поглощения значительныерасстояния, сопоставимые с размерами плазменного объёма, тем самым связывая пространственно отдаленные области.
Для описания переноса резонансныхатомов необходимо решать интегральное уравнение переноса излучения.Несмотря на значительную роль переноса излучения, во многих полномасштабных и самосогласованных моделях разрядов этот процесс рассматриваетсяс помощью коэффициентов, учитывающих реабсорбцию в локальной точке (т.н.эскейп-факторов). Однако, в последние десятилетия были разработаны различныеподходы к решению уравнения переноса излучения на том же уровне точности,что и дифференциальное уравнение диффузии, без значительной разницы в требуемых вычислительных ресурсах.
В их числе подход, заключавшийся в сведенииинтегрального 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 матричногометода, разработке новых техник расчета интегрального уравнения переноса, атакже экспериментальному и теоретическому исследованию влияния пленения иреабсорбции излучения на свойства неравновесной плазмы дуговых и тлеющихразрядов.7Целью данной работы является:1.
Разработка метода решения уравнения переноса излучения ХолстейнаБибермана для источников плазмы произвольной трехмерной геометриидля любого контура спектральной линии в широком диапазоне значенийоптической плотности. Тестирование метода путем сравнения полученныхрешений 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 резонансныхлиниях на пространственные распределения параметров дугового разряда.3. Моделирование контракции положительного столба тлеющего разряда варгоне при давлении в десятки Торр с возможностью получения непрерывных S- и Z-образных характеристик разряда, корректным учетом переносарезонансного излучения и неоднородного разогрева газа.
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}
