Введение к работе
Актуальность работы. Высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны широко используются в спектральном анализе и являются основным элементом установок спектральной диагностики (ICP-spectrometers (ИСП-спектрометры)). Благодаря кольцевой форме индуцированных токов безэлектродный ВЧИ-плазмотрон является одним из немногих источников, позволяющих генерировать чистую плазму, не загрязненную материалами электродов. Основные особенности работы установки ИСП-спектрометрии заключаются в использовании маломощного (Р=1-4 кВт) ВЧИ-плазмотрона, работающего на инертном газе (в основном аргоне) при частоте генератора порядка десятков МГц и расходе газа несколько литров в минуту. Плазмотрон для спектрального анализа обычно состоит из небольшой кварцевой трубки диаметром 20-40 мм, помещенной внутри водоохлаждаемого индуктора из 2-3 витков. Для решения задач спектрального анализа разработан ряд ИСП-спектрометров на базе маломощных ВЧИ-плазмотонов. Известны зарубежные установки спектрометров ACTIVA-S, DEMON, ARCOS и др. Среди российских разработок можно выделить ИСП-спектрометр «Эридан-500», который позволяет проводить элементный анализ практически любых веществ, в том числе материалов и сплавов, сырья и готовой продукции, почв и пород, пищевых продуктов и биологических препаратов, масел и продуктов нефтепереработки, вод и водных растворов, кислот и щелочей, аэрозолей в воздухе и других газах и др.
Основным требованием работы ИСП-спектрометра является формирование стационарного ламинарного потока плазмы с примесями в канале ВЧИ-плазмотрона с равновесными свойствами. Такое требование связанно с особенностью оборудования, входящего в состав ИСП-спектрометра для регистрации спектров и оптических методов, используемых для определения, идентификации спектров плазмы и определения параметров плазмы на основе локальной термодинамической модели (ЛТР) плазмы. При этом для надежной и эффективной работы ИСП-спектрометров нужно точно определить состав и коэффициенты переноса плазмы (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и термодиффузии) особенно при малом и сверхмалом содержании примесей (доли и сотые доли процента).
Полученные коэффициенты переноса необходимы для дальнейшего определения поля температуры, скорости течения плазменного потока, а так же тепловых и электрических (напряженность электрического и магнитного поля, плотность тока, удельная мощность, электромагнитная сила и др.) характеристик ВЧИ-плазмотронов. Таким образом, для определения параметров ВЧИ-плазмотронов, в том числе тепловых и электрических характеристик, и повышения эффективности работы установок ИСП-спектрометров необходимо разработать методику исследования физических процессов в ВЧИ-плазме, которая позволяет установить физические картины внутри разряда и связь между внутренними параметрами плазмы с тепловыми,
электрическими и газодинамическими характеристиками плазмотрона, характеризующими режим его работы.
В настоящее время для теоретического исследования физических процессов разработаны двух- и трехмерные модели потоков плазмы в ВЧИ-плазмотронах (Дресвин СВ., Булос М., Сорокин Л.М., Нгуен К.Ш. и др.). Для определения распределенных параметров ВЧИ-плазмы широко используются методы математического моделирования. Однако разработанные программы недоступны, а опубликованные результаты расчетов не исчерпывают всех задач исследователей.
Это, с одной стороны объясняется исключительно широким многообразием и сложным характером взаимодействия физических процессов в плазме, с другой стороны, отсутствием эффективной методики моделирования плазменных процессов с расчетом точных коэффициентов переноса плазмы с примесями, что сдерживает развитие теоретического исследования плазмы и ограничивает возможность эффективного применения ИСП-спектрометров для решения задач спектральной диагностики.
Для более точного определения коэффициентов переноса плазмы с примесями требуется решать кинетическое уравнение Больцмана с более высокой степенью разложения по полиномам Сонина. В настоящее время опубликованные результаты расчета коэффициентов переноса плазмы на основе решения кинетического уравнения Больцмана со степенями разложения по полиномам Сонина только до N=4. Более того во многих случаях такие методики могут применяться только для расчета чистого газа без примеси.
Эти обстоятельства в значительной мере определяют актуальность диссертационной работы, которая заключается в разработке методики расчета тепловых и электрических параметров ВЧИ-разряда с примесями, в том числе методики уточненного расчета коэффициентов переноса плазмы на основе решения кинетического уравнения Больцмана с высокими степенями разложения по полиномам Сонина (7V>4).
Целью работы является разработка методики расчета тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотронов малой мощности для спектрального анализа с определением коэффициентов переноса плазмы на основе решения кинетического уравнения Больцмана в приближении высокого порядка.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Определение состава (концентрации электронов, атомов, ионов одно-, двух- и трехкратной ионизации) и термодинамических свойств (плотность, теплоемкость, энтальпия) аргоновой плазмы в широком диапазоне температуры (Т=500-45000 К) и определение сечений взаимодействия частиц аргоновой плазмы на основе классического и квантово-механического расчетов, в том числе рассеяния электронов на атомах, сечений взаимодействия заряженных частиц, сечения рассеяния атомов на ионах в упругих рассеяниях и резонансной перезарядке и сечений взаимодействия нейтральных частиц в аргоновой плазме.
Определение коэффициентов переноса аргоновой плазмы, в том числе диффузии, термодиффузии, теплопроводности, электропроводности и вязкости в диапазоне температур Т=500-45000 К на основе решения кинетического уравнения Больцмана с высокими степенями разложения по полиномам Сонина (7V>4) методом Чепмена-Энскога-Барнетта.
Определение тепловых и электрических характеристик, в том числе параметров электромагнитного поля ВЧИ-плазмотрона для спектрального анализа.
Измерение температуры, концентрации электронов и магнитного поля ВЧИ-плазмотрона для спектрального анализа.
5. Разработка пакета программ для расчета коэффициентов переноса
плазмы с примесями на основе решения кинетического уравнения Больцмана, а
так же для моделирования плазменных процессов в канале ВЧИ-плазмотронов
для спектрального анализа.
Объект исследования: ВЧИ-плазмотроны для ИСП-спектрометрии мощностью (Р= 1-4 кВт) с наиболее распространенной системой подачи газа с примесью по центральному каналу.
Предмет исследования: Физические процессы в ВЧИ-плазме с потоком газа с примесями, рассматриваемые на основе ЛТР моделей плазмы; распределенные и интегральные тепловые и электрические характеристики ВЧИ-плазмы в зависимости от входных параметров плазмотрона; алгоритмы решения кинетического уравнения Больцмана и расчета коэффициентов переноса для примеси газов и алгоритмы расчетов сечений взаимодействия частиц в плазме.
Методологической основой диссертации послужили научные работы таких авторов, как Нгуен Куок Ши, Дресвин С. В., С.Патанкар, Р.С. Девото, С. Чепмен, Т. Каулинг, В. Рат, И. Мейсон, Дж.С. Панаджотович, А.В. Филпс, С. Н. Нахар, А.Б. Мёрфи и др.
Цели и предмет изучения диссертационной работы соответствуют паспорту специальности 05.09.10 «Электротехнология» п. 1 «Области исследования».
Методы решения поставленных задач. В качестве основного метода математического моделирования процессов в ВЧИ-плазмотроне использовался численный метод контрольного объема, хорошо зарекомендовавший себя как метод, гарантирующий выполнение законов сохранения. При решении кинетического уравнения Больцмана использовался известный метод Чепмена-Энскога-Барнетта с применением разложения по полиномам Сонина. Так же для расчета электромагнитного поля, тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотронов использовались известные в физике плазмы методы расчетов. Для экспериментального определения температуры и концентрации электронов использовались методы относительных интенсивностей спектральных линий и штарковского уширения. Для измерения напряженности магнитного поля использовался зондовый метод.
На защиту выносятся:
Методика определения коэффициентов переноса плазмы с примесями (электропроводность, теплопроводность, вязкость, коэффициенты диффузии и термодиффузии) на основе решения кинетического уравнения Больцмана с высокими степенями приближения N=6.
Алгоритмы и результаты определения сечений взаимодействия электрон-атом, электрон-ион (одно-, двух- и трехкратный), атом-атом, атом-ион аргоновой плазмы при высокой степени приближения, необходимые для расчета коэффициентов переноса плазмы.
Результаты уточненного расчета коэффициентов переноса аргоновой плазмы, полученные при помощи разработанной методики и необходимые при определении тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотронов для спектрального анализа.
Экспериментальные и теоретические результаты определения тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотрона малой мощности для спектрального анализа.
Научная новизна результатов.
Разработана методика расчета коэффициентов переноса плазмы с примесями на основе решения кинетического уравнения Больцмана с высокими степенями приближения.
Получены алгоритмы и результаты расчета коэффициентов переноса высоких степеней приближения с квантово-механическим определением сечений взаимодействия частиц для аргоновой плазмы.
Методика определения тепловых и электрических характеристик ВЧИ-плазмотронов малой мощности для спектрального анализа с применением полученных коэффициентов переноса.
Практическая ценность работы. Разработана методика расчета коэффициентов переноса плазмы с примесью на основе решения кинетического уравнения Больцмана с высокими степенями приближения, которая позволяет определить необходимые тепловые и электрические характеристики ВЧИ-плазмотронов ИСП-спектрометров, особенно в случаях работы с малой и сверхмалой концентрациями примесей (доли и сотые доли процента).
Полученные коэффициенты переноса плазмы, а так же тепловые и электрические характеристики ВЧИ-плазмотрона позволяют определить наиболее оптимальные режимы работы ВЧИ-плазмотрона при стационарном и ламинарном течении потока равновесной плазмы с примесями и улучшить качество спектрального анализа ИСП-спектрометров.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на научно-технических семинарах кафедры ОФиЯС НИУ МЭИ (2010-2012), ОИВТ РАН, ФГУП «ВНИИТВЧ» и на следующих конференциях: 20-я Международная конференция по плазмохимии, (Филадельфия, США, 2011); Международная научно-практическая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (МИЭМ, 2010); 16-я и 17-я международные научно-технические конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 2010); 10-я и 14-я конференции физиков Ирана (Арак, 2003, 2007); 3-я и 4-я студенческие конференции для иранских студентов и аспирантов (Москва, 2010,2011).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 10 статей и тезисов докладов, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах (146 страниц текста, 57 рисунков, 4 таблицы), состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии из 112 наименований и одного приложения.
