ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 70
Скачиваний: 0
произведения 6ѵ2, где S — средняя доля энергии, |
пере |
||||
даваемой |
электроном при |
одном |
столкновении, |
а |
ѵ2 = |
Ѵ(?і! _і_ |
— суммарная |
частота |
столкновений |
электро |
|
нов с тяжелыми частицами — нейтралами и попами, вклю
чая упругие |
и |
неупругне |
процессы. С учетом условия |
||
ѵсе — ѵеі < |
övv |
получаем |
следующее |
выражение: |
|
|
,ФРЭ |
|
б с Г е іг |
^е11 б с т |
(B.2) |
Л и маис |
|
aei |
|||
|
|
«н |
сгс г ( I — ö) |
|
|
Действительно, в плазме со степенью ионизации, мень шей или равной той, которая определена неравенством (В.2), установление стационарной функции распределения электронов (ФРЭ) происходит при соударениях электронов
с нейтралами. Оценим |
степень |
ионизации |
газа Л'ІІШКС для |
|||||
условий |
типичного |
лабораторного эксперимента. |
Пусть |
|||||
k T е, как |
и |
ранее, |
составляет |
1 —10 |
зе; |
примем |
ае„ « |
|
яз 10~15 слі2 |
110—12], |
а кулоновское |
сечение соударения |
|||||
электронов |
с ионами |
а сі « 10'14 ел;2 |
111, |
14); согласно |
||||
[13], величину потерь энергии при столкновениях электро нов примем б « ІО'2. В результате получим оценку верх ней границы степени ионизации слабоиоиизованной плазмы
*і?макс С ІО“3- Ввиду того, что различие между сече нием соударения электрон — атом и электрон — ион мало по сравнению с различием сечений взаимодействий элект рон — атом и атом — атом, выражение (В.2) дает значи тельно большую величину степени ионизации, чем нера венство (В.1).
Резюмируя, отметим, что понятие слабоионизованная плазма условно и всегда связано с конкретным видом эле ментарного процесса, для которого рассматривают срав нительное влияние заряженных и нейтральных частиц. Одним из важнейших изучаемых в настоящей работе во просов является релаксация функции распределения элект ронов. Поэтому в дальнейшем слабоиоиизованной будем считать плазму со степенью ионизации л'и < ‘10_3.
Для многократно ионизованной плазмы степень иони зации равна единице. Сильно различающиеся степени иони зации плазмы обусловливают значительное отличие видов элементарных процессов и их характеристик в обоих слу чаях. Это позволяет расширить диапазон исследуемых физических явлений в низкотемпературной неравновесной плазме. В то же время сохраняется единый подход к ис следованию характеристик объемных элементарных про цессов в плазме с разной степенью ионизации. Таким обра-
14
зом, конкретной задачей экспериментов по изучению низ котемпературной плазмы является получение сведений о механизме и коэффициентах скорости элементарных процессов, временах релаксации параметров плазмы, функ циях распределения компонент по энергиям и др. Для изучения процесса релаксаций в обоих случаях исполь зовали плазму импульсного тока с временем нарастания или обрыва тока меньшим, чем время ионизационной релакса ции, причем исследовали как прямые процессы — возбуж дения и ионизации, так и обратные — дезактивации и ре комбинации. Изучение квазистационарного состояния и ионизационной релаксации производили также с единой кинетической точки зрения — осуществляли комплексные
иодновременные измерения параметров континуума сво бодных электронов (функция распределения по энергиям, средняя энергия их и концентрация), заселенностей воз бужденных энергетических уровней атомов и ионов и, нако нец, параметров частиц в основном состоянии (заселенность
итемпература). Тщательно контролировали макроскопи ческое поведение канала импульсного тока на всех стадиях его протекания. Для устранения влияния гидродинамиче
ских, электродинамических и т. п. явлений, усложняющих исследование плазмы в обоих случаях, методы создания и условия существования плазмы импульсного тока выбраны так, чтобы были удовлетворены специальные требования, сформулированные и рассмотренные ниже, в гл. 1.
В качестве основных исследуемых газов выбрали инерт ный одноатомный газ аргон и молекулярный газ азот. Исследование свойств аргоновой низкотемпературной плаз мы представляет интерес для целого ряда научных и при кладных задач. Среди них —изучение физических процессов в активной среде ионно-аргонового лазера; характери стик аргона как рабочего тела неравновесного МГД-гене- ратора, а также плазмообразующего газа плазмохимиче ского реактора и т. п. Важную роль в выборе исследуемого газа сыграла и сравнительно простая схема возбужденных уровней аргона. Использование азота обусловлено боль шим интересом к нему в связи с проблемой моделирования условий обтекания космических аппаратов, возвращаю щихся на Землю. В тех случаях, когда исследовали при менимость столкновителыто-излучательной модели, рассчи танной Бейтсом и др. [15], в диапазоне температур до 5—6..96 и начальных плотностей электронов до ІО18 см~3 опыты проведены и с водородом и гелием.
и м п у л ь с н ы й т о к
И МЕТОДЫ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА I
§ 1.1. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЫ
Изучение плазмы импульсного тока в газе обычно про водят как с целью определения закономерностей макроско пического поведения канала тока в целом при различных режимах, так и для выявления характеристик микропро цессов в плазме, влияющих на установление данных вели чин основных параметров газа. В связи с общей направлен ностью изложения главное внимание ниже будет уделено второму пути исследования. Поэтому сначала рассмотрены методы получения плазмы, позволяющие осуществить дос товерную диагностику микроскопических параметров плаз мы импульсного тока. Ввиду важности влияния величины тока на параметры плазмы удобно изучать их релаксацию на фронтах прямоугольного импульса тока. Далее будет изложен краткий анализ методов создания таких импульсов тока и приведено описание установок для получения им пульсной слабо- и снлыюионизованной плазмы, на которых производилось экспериментальное исследование. В заклю чение рассмотрены методы измерения, обеспечивающие опре деление параметров плазмы импульсного тока, а также ана лиз их точности.
Вследствие трудностей экспериментального исследова ния релаксации в плазме, вызванных неравновесностью и нестационарностыо свойств газа и большим числом эле ментарных процессов, протекающих одновременно и ока зывающих влияние друг на друга, требования к лаборатор ным методам создания релаксирующей плазмы весьма ве лики. Действительно, для получения достоверных опытных данных в столь сложных условиях необходимо возможно полнее устранить дополнительно усложняющие факторы. В связи с этим лабораторный метод создания неравновесной низкотемпературной плазмы должен обеспечить выполнение
ряда |
специальных требований. |
|
16 |
' |
• X . |
1. Получение заданных квазистационарных параметров газа для исследования самого квазистацноиарного состоя ния либо для использования в качестве начального (или конечного) состояния при изучении релаксации.
2. Однородность плазмы хотя бы по одной из пространст венных координат или осесимметричное радиальное рас пределение параметров газа — для цилиндрической формы объема плазмы; в последнем случае желателен пологий про филь изменения параметров по сечению.
3. Практическое отсутствие неустойчивостей, колебаний, макроскопических (гидроили электродинамических) те чений.
4. Возможность резкого изменения внешних условий за время, меньшее времени изучаемого релаксационного процесса.
5. Устойчивое воспроизведение параметров плазмы при последующих запусках установки.
6. Практическое отсутствие примесей посторонних ве ществ к исследуемому газу.
Проведем сравнительное рассмотрение различных ме тодов создания плазмы, исходя из этих требований. Необ ходимо также учесть, что параметры плазмы должны на ходиться в температурном диапазоне, верхняя граница
которого не превышает 5—10 эв. |
Анализ методов проведем |
в порядке возрастания степени |
ионизации. |
Рассмотрим методы получения слабоионизованной плаз мы с диапазоном концентраций электронов 1010— ІО13 си-3, что соответствует степени ионизации хв = 10~G— 10_3 при р — 1 mopp. Как известно, слабоионизованную плазму в настоящее время получают в пламени [16, 17], в ударных трубах [18, 19J н в газовом разряде [20—23].
В пламени наблюдают существенно неравновесную иони зацию, причины которой до сих пор достоверно неизвестны [17]; зона ионизованного газа весьма мала по размерам, степень ионизации газа практически трудно регулировать. Поэтому нецелесообразно использовать пламя в качестве модельной лабораторной установки для изучения элемен тарных процессов в слабоионизованной плазме.
Ударная труба — удобный метод создания и квазистационарного и релаксирующего нагретого газа. Большое ее достоинство пространственная однородность получаемого горячего газа и аналитическая зависимость между скоро стью ударной волны и параметрами ударно нагретого газа. При помощи ударной трубы успешно исследованы различ-
Гос. публичная |
17 |
научно-техническая
библиотека СССР
ПпЛ
ные виды релаксации' [19]. Однако для изучения иониза ционной релаксации ударная труба недостаточно удобна.
Во-первых, заметная степень ионизации |
газа (л'„ да ІО-3 -у |
|
может быть получена лишь |
при числах |
Маха |
/VI ^ 15—25, что сильно усложняет материальную |
часть |
|
установки. В частности, необходимы система высокого дав ления для толкающего газа (вплоть до 2000 атм), система приготовления тройных и более смесей, в том числе взры воопасных со значительным содержанием водорода и кис
лорода, система откачки |
рабочей секции до |
давлений |
р да 0,01-=-0,1 mopp и др. |
Увеличение скорости |
ударной |
волны вносит также усложнения и принципиального харак тера: растет влияние пограничных слоев, что вынуждает переходить на большие диаметры трубы; снижается длина «пробки» нагретого газа, что повышает требования к раз решающей способности регистрирующей аппаратуры; излу чение ударно нагретого газа существенно изменяет пара метры исследуемого газа перед фронтом ударной волны, что сильно затрудняет расчет параметров газа во фронте и за фронтом волны, а зачастую делает его практически невоз можным; значительно увеличивается влияние примесей со стенок трубы, так как энергия ионизации примесей, как правило, меньше энергии ионизации исследуемого газа.
Несмотря на все перечисленные трудности, в ударных трубах не удается достичь скорости волны более 30—40 звуковых [19], что соответствует равновесной температуре газа kT — 1-=-2 эв*. Наконец, отметим, что появление за ряженных частиц в газе, нагретом ударной волной,— самый длительный процесс, протекающий в атмосфере горячих тяжелых частиц. Ввиду малого начального количества заря женных частиц появление их зачастую обусловлено слож ным комплексом физических процессов; в большинстве из которых первоначально электроны вообще не участвуют — столкновения нейтральных частиц друг с другом, фотоио низация газа опережающим излучением, фотоионизация
из стенок ударной трубы и т. |
п. Поэтому непосредственное |
||
изучение прямого процесса |
ионизационной релаксации |
||
в ударной трубе затруднительно |
и может быть |
зачастую |
|
интерпретировано неоднозначно. |
Характерным |
примером |
|
служит работа Петчека и Байрона (см. в книге |
[18]), ре |
||
* В последнее время появились сообщения [27] о том, что при помощи двухдиафрагменной ударной трубы удалось повысить температуру газа j a отраженной ударной волной до 3 эв,
18 ■