бует использования надежных методов определения температуры рабочего тела, позволяющих измерять температуру автоматически с непрерывной регистрацией ее как в источнике теплоты, так и в канале ЛіГД-генератора. Все спектроскопические методы опре деления температуры основаны на применении законов равновес ного излучения. Показателями температуры среды служат спек тральные интервалы в области характерных частот излучения ато мов и молекул.
В рассматриваемой области температур (2000—3300 К) одним из основных методов измерения температуры является метод обра щения спектральных линий (например, линии натрия) и метод, использующий молекулярный спектр. Основу этих методов состав ляют: законы Планка и Кирхгофа.
Рис. 210. Схема измерения темпера туры по методу обращения спектраль ных линии
Методы обращения спектральных линий. Основное применение метода распространяется на прозрачную среду с линейным или полосатым спектром. Температура газа измеряется в момент совпа дения яркости свечения газа с яркостью эталонного источника сравнения при регулировании температуры эталона. Эталонный
источник 1 располагается за измеряемым объектом 3, просвечивая |
определенный объем газа. Свечение газа (рис. 210). попадает через |
систему линз 4 на входную щель монохроматора 5 и, пройдя фото |
умножитель 6, фиксируется осциллографом. Световой поток эталон |
ного источника просвечивает измеряемый объем и также попадает |
на вход |
монохроматора. Регулирование экрана 2 на измеряемом |
объекте |
позволяет раздельно фотометрировать свечение исследуе |
мого газа |
и светового |
потока от собственного свечения совместно |
с потоком |
эталонного |
источника. |
Недостатком метода является возможная ошибка при измере нии температуры эталонного источника сравнения, от которой за висит точность определения температуры объекта. Увеличение тем пературы измеряемой среды относительно температуры источника приводит к увеличению погрешности измерения. Метод обращения линий обеспечивает приемлемую точность (приблизительно 1% при температуре —3000 К).
При введении в плазму натрия появляются две D-линин с раз личными длинами волн. В этом случае сравнение проводится по
яркости источника и яркости излучения, прошедшего через газ в этой области спектра (рис. 211). Температура определяется по зависимости
Т = |
|
0,0144 Я |
+ |
ехр |
(0,0144ДГ 0 — 1) |
|
|
/п |
где Т0 •—• температура эталонного источника; 10 — коэффициент излучения эталона; X — длина волны.
Яркость фона регулируют до исчезновения линий натрия и затем оптическим пирометром замеряют температуру фона. Обычно в качестве эталонных ламп (источников сравнения) используют лампы накаливания с вольфрамовой лентой типа СИ-10-300 или
>
Рис. 211. Схема измерения температуры по методу обращения спек тральной линии натрия:
/ — спектограф; |
2 — пламя; |
3 — вольфрамовая |
л е н т о ч н а я л а м п а ; |
|
4 — |
пирометр |
|
СИ-8-200. Лента лампы для получения изображения в плоскости пламени фокусируется в плоскости пламени и в то же время сов местное изображение эталона и пламени подается на спектрограф.
Использование в качестве эталонного источника угольной дуги и введение в газ индия расширяет область измерения до 3800 К- Этот метод дает хорошие результаты при измерениях в однородной плазме по длине исследуемого объекта. При присутствии частиц, рассеивающих свет источника сравнения, метод дает значительную ошибку.
В настоящее время исследуются методы измерения темпера туры, основанные на регистрации абсолютных интенсивностей спектральных линий.
Зондовые измерения. Для измерения электронной температуры, потенциала плазмы и плотности используют электростатические зонды. На рис. 212, а показан зонд для работы в периферийных областях каналов. Рабочая длина зонда, диаметр которого может быть переменным, составляет около 3 мм. Зонд экранируют воль фрамовой трубкой, а иногда закрывают изолятором (рис. 212, б). Если к зонду приложить потенциал по отношению к заземленному
проводнику, находящемуся в контакте с плазмой, то через зонд по течет ток. Типичная зондовая характеристика, т.е. изменение тока / через зонд в зависимости от потенциала U показано на рис. 213.
Рис. 212. Зонд:
<з — с т а ц и о н а р н ы й л э н г м ю р о в с к п н з о н д ; б — с х е м а в к л ю ч е н и я з о н д а ; / — к е р а м и ч е с к и й
и з о л я т о р ; 2—вольфрамовый |
ц и л и н д р ; |
j — в о л ь ф р а |
м о в ы й с т е р ж е н ь д и а м |
е т р о м 0,063 мм; 4— |
.вольфрамовый с т е р ж е н ь |
д и а м е т р о м |
0,017 мм; 5 |
— и з о л я т о р ; 6—стенка; |
7 — г а з ; 8—зонд |
По оси к откладывают напряжение на зонде, а по оси у — ток, идущий на зонд из плазмы. Электронный ток Іе откладывают вверх
по оси, а ионный — вниз. Повышая |
напряжение на зонде, про |
ходим три различных участка зондовой характеристики. На уча |
стке А |
ток, идущий |
на зонд, со |
здается |
потоком положительных |
ионов, на участке В начинается |
быстрый рост электронного тока, |
а на участке С ток сохраняет по |
стоянную величину. |
При отрица |
тельном |
напряжении |
на зонде по |
|
|
|
|
|
ток электронов из плазмы закрыт, |
|
|
|
|
|
и |
на |
зонд |
идут |
положительные |
|
|
|
|
У ионы. |
Если |
задерживающая раз |
|
|
|
|
|
ность |
потенциалов |
составляет |
U, |
|
|
|
|
|
то |
на |
зонд |
попадут |
электроны, |
Рис. 213. Типичная вольт-амперная |
кинетическая энергия |
которых бо |
лее ell. |
Электронный |
ток на зонд |
|
зондовая характеристика |
|
может появиться лишь при соиз |
|
|
величинах kTe |
и eU. |
меримых |
При распределении |
электронов |
по |
энергиям |
по |
Максвеллу |
доля |
полного электронного |
потока |
иа |
|
|
|
cU |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
k T e , и общее выражение для тока на зонд имеет вид |
зонд |
равна |
/ = /, + / 0 е х р ( * |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
k — константа Больцмана; / 0 |
— электронный ток в отсутствии |
задерживающего поля; |
— ионная составляющая |
тока. |
|
Зависимость |
In I e = In / 0 |
eUlkTe |
позволяет |
определить |
тіг |
и вычислить |
электронную |
температуру Те. Зная |
Те, можно |
по величине полного электронного потока / 0 |
определить концентра |
цию |
электронов |
в плазме. |
|
|
|
Для того чтобы снизить время пребывания зондов в плазме и обеспечить незначительный прогрев зонда, применяют привод для ввода и вывода зондов из плазмы (рис. 214). Зонды монтируются на кругу, состоящем из двух изолируемых половин с электриче ским соединением по обоим концам оси. От зеркал на оси привода (я 900 об/мин) за время одного оборота подается один или два упра вляющих импульса. Подшипники и другие части вблизи плазмы экрани рованы и электрически соединены с электродами под плавающим по тенциалом.
|
|
Схема |
привода |
вращающихся |
|
|
|
зондов: |
|
/ |
— |
газ (плазма); |
2 |
- з о н д ; |
3 — ш е с т е р н я ; |
4 |
— |
у п л о т н е н и е ; |
5 • |
муфта; |
6 — з е р к а л о : |
7 |
— |
привод; 8 — ф о т о д и о д н |
трнггерныіі ге |
нератор
Полная схема зондовых измерений представлена на рис. 215. Следует отметить, что использование зондов осложняется наличием холодного пограничного слоя около зонда.
Теория зондов неприменима к плазме высокого давления, но зонды можно использовать для измерения распределения потен циалов.
Для предотвращения короткого замыкания направление оси зонда должно совпадать с направлением магнитного поля, и в ка нале МГД-генератора ось зонда должна быть расположена перпен дикулярно плоскости изоляционной стенки.
При достаточной протяженности неизолированной поверхности зонда потенциал на собирающей поверхности соответствует потен циалу точки с максимальной электропроводностью плазмы. Тогда контактная разность потенциалов (зонд—плазма) соответствует величине средней тепловой энергии электронов. Следует заметить, что для МГД-генераторов замкнутого цикла, использующих в ка честве рабочего тела инертные газы с легкоионизируемыми добав
ками (К, Cs), тепловая |
энергия электронов мала по сравнению- |
с разностью потенциалов |
в канале. |