Введение к работе
Актуальность работы. Электронно-пучковая плазма, генерируемая потоком электронов, выведенным в плотную газовую среду (в том числе в атмосферу), имеет широкие технологические возможности применения. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. В последние годы активизируются работы по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях. Вместе с тем открываются новые возможности применения пучковой плазмы для решения таких задач как неравновесная плазмохимия, очистка дымовых газов от токсичных примесей, аэрофизические эксперименты и т.д., что привело к созданию установок для реализации упомянутых выше технологий.
Существующие в настоящее время генераторы электронно-пучковой плазмы (ГЭПП), ввиду их больших масс и габаритов, представляют собой стационарные установки. Для расширения применимости ГЭПП необходимо, во-первых, понизить энергопотребление, во-вторых, улучшить массогабаритные характеристики. Выполнение этих двух условий приведет к возможности создания мобильных ГЭПП, которые, в том числе, могут функционировать, будучи расположенными на движущемся транспортном средстве.
Основными элементами ГЭПП являются: источник высокого напряжения, ускоритель электронов (или электронная пушка) и выводное устройство (ВУ), транспортирующее электронный пучок в плотную газовую среду из вакуумной области. Выводное устройство генератора плазмы рассматривается как ключевой элемент. Во многих разработанных установках ВУ представляет собой систему дифференциальной откачки (СДО), состоящую из ряда шлюзовых камер с автономной вакуумной откачкой. В литературе определены методы, позволяющие улучшить их массовые и габаритные характеристики. Одним из перспективных способов является метод замещающего газа с применением
газодинамического затвора в качестве ВУ. Суть метода замещающего газа состоит в замене натекающего в ГЭПП газа из рабочего объема (как правило, воздуха) на другой легкооткачиваемый. Например, при отсекании воздуха водородом последний попадает в С ДО. Производительность его откачки диффузии-онными насосами в несколько раз выше, что позволяет снизить массогабар-итные характеристики ВУ, повысить его надежность, маневренность, технологические возможности.
Расширение возможностей ГЭПП за счет усовершенствования работы ВУ, в частности, путем применения метода замещающего газа, является актуальной задачей.
Целью работы является: изучение основных закономерностей работы газодинамического затвора выводного устройства генератора пучковой плазмы при использовании метода замещающего газа, определение функциональных и ресурсных возможностей ВУ.
Основные решаемые задачи:
На основе анализа теплофизических характеристик различных веществ выбрать вещество для создания замещающего газа, позволяющего с помощью газодинамического затвора обеспечить перепад давлений, необходимый для работы выводного устройства.
Разработать и изготовить экспериментальный макет газодинамического затвора для конкретного замещающего газа и исследовать эффективность работы такой системы в зависимости от различных параметров (термодинамических, геометрических и т.д.).
Провести экспериментальные исследования газодинамического затвора с целью определения основных закономерностей его работы, функциональных и ресурсных возможностей, а также выработки рекомендаций по его применению.
4) Разработать математическую модель, описывающую процессы,
протекающие при работе газодинамического затвора, включая истечение пара
из сверхзвукового сопла в область пониженного давления и его конденсацию в
объеме.
5) Определить на основе расчетов, выполненных по указанной программе, возможное влияние конденсации на работу генератора пучковой плазмы. В случае существенного влияния сформулировать ограничения на рабочие параметры откачной системы.
Методы исследований: в работе применялись экспериментальные методы изучения работы газодинамического затвора, вопросы кластерообразования исследовались расчетными методами. Для исследований процессов истечения газов и эффектов конденсации и кластеризации, определения характеристик затвора использовалась установка «Иней», в которой реализовывались различные условия истечения замещающего газа в вакуумную камеру. В процессе проведения экспериментальных исследований изучалось влияние различных параметров установки на эффективность работы газодинамического затвора. Для описания процессов, протекающих в струе при истечении замещающего газа в вакуум, был разработан программный модуль.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Впервые экспериментально показана возможность создания многоразового выводного устройства генератора пучковой плазмы, способного работать без вакуумных насосов.
Впервые изучены ресурсные характеристики газодинамического затвора,
9 Л.
обеспечивающего перепад давлений в 4-5 порядков (10" -^ 10 Па) без применения внешних откачных средств.
3) Расчетными исследованиями показано, что массовая доля конденсированной
фазы (кластеров) в струе замещающего газа во всем диапазоне исследуемых
параметров газодинамического затвора не превышает 1 % и достигает
минимального значения при использовании звукового сопла. Это позволяет
утверждать, что процессы кластеризации не влияют на работоспособность
источника электронов.
Практическая ценность работы заключается, прежде всего, в том, что разработанная система вакуумной откачки на основе газодинамического
затвора позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики ГЭПП. Создание малогабаритных ГЭПП открывает новые возможности перед машиностроением и металлообрабатывающей отраслью, например, позволяет использовать ГЭПП в различных технологических процессах (резка, сварка металла, упрочнение поверхности) на производствах, которые расположены не только в индустриальных центрах, но и в удаленных населенных пунктах. Размещение подобных ГЭПП на транспортных средствах позволит сделать их мобильными и, следовательно, дополнительно расширить диапазон их применения. Кроме того, разработанная откачная система на базе газодинамического затвора помогает снизить энергопотребление по сравнению с существующими системами дифференциальной откачки, и, таким образом, может быть использована в вакуумнотехнических устройствах, работающих в аналогичных условиях.
В работе создан расчетный алгоритм, который позволяет рассчитывать истечение газа в вакуум с учетом процессов образования и роста кластеров. Данный алгоритм может использоваться не только для фундаментальных исследований газодинамических и теплофизических характеристик пара, истекающего в вакуум, но и для оптимизации различных технологических процессов, для которых параметры конденсации играют существенную роль (к ним относятся, например, синтез нанопорошков, нанесение покрытий и т.д.).
Расчетный алгоритм был разработан в рамках выполнения Государственного контракта № 300-И/009-08/7949-П от 06.11.2008 г. с ФГУП «ЦНИИ ХМ». Результаты расчетов, проведенных по данному алгоритму, вошли в научно-технический отчет о выполнении работ по Государственному контракту № П2481 от 19.11.2009 г. с Федеральным агентством по образованию в рамках Федеральной целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Было получено авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010611084 от 5.02.2010 г.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
Методика выбора вещества для формирования замещающего газа и схема его применения.
Экспериментальная установка для изучения газодинамического затвора с целью определения основных закономерностей его работы, функциональных и ресурсных возможностей, а также выработки рекомендации по применению.
Результаты экспериментальных исследований по использованию водяных паров в качестве замещающего газа в газодинамическом затворе.
Расчетный алгоритм по определению конденсации в струе, истекающей в область с пониженным давлением через различные сопла.
Результаты расчетных исследований истечения водяных паров в область пониженного давления с учетом эффектов объемной конденсации (кластеризации) в соплах газодинамического затвора. Достоверность полученных экспериментальных результатов
обеспечивается тщательным планированием эксперимента и качественным экспериментальным оборудованием, аттестованным Ростестом. Достоверность разработанной в диссертации расчетной методики подтверждена сравнением ее результатов с экспериментальными данными, полученными в работах других авторов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
XLVIII научная конференция МФТИ (г. Москва, 2005 г.);
XLIX научной конференции МФТИ (г. Москва, 2006 г.);
50-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы
фундаментальных и прикладных наук» (г. Москва, 2007 г.).
I Международная конференция «Функциональные наноматериалы и
высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2008 г.)
Научно-техническая конференция - конкурс молодых ученых,
посвященная 75-летию ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва, 2008 г.)
Первая Всероссийская конференция с элементами научной школы для
молодежи «Функциональные наноматериалы для космической техники" -
НАНОКОСМОС (г. Москва, 2009 г.)
Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии
функциональных материалов» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.)
III Международная конференция с элементами научной школы для
молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества»
(г. Суздаль, 2010 г.)
Публикации.
Работа содержит результаты, полученные в период с 2004 г. по 2011 г. и
изложенные в 7 печатных и 6 рукописных работах, из которых 2 - в
реферируемых журналах; получено авторское свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ. Объем работы. Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, глав,
выводов, списка использованных источников из 63 наименований, изложенных
на 140 страницах, 59 иллюстраций, 12 таблиц.
