Содержание к диссертации
Введение
1. Динамика импульсных потоков в электротермическом ускорителе для различных конфигураций разрядного узла и ствола 12
1.1. Ускорение и нагрев микрочастиц порошковых материалов в газоплазменном потоке 12
1.1.1. Физическая модель динамики ускорения и нагрева микрочастиц потоком аргоновой плазмы 13
1.1.2. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в плазменной части потока 20
1.1.3. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в области ударно-сжатого газа потока 22
1.2. Формирование области ударно-сжатого газа.27
1.3. Формирование области ударно-сжатого газа в ускорителе с бустерной частью ствола 31
2. Исследование электроэрозионных процессов в разрядном узле импульсного электротермического ускорителя 41
2.1. Экспериментальный макет импульсного электротермического ускорителя 43
2.2. Эрозия прямых электродов разрядного промежутка 45
2.3. Эрозия профилированных электродов разрядного промежутка 49
2.4. Измерение скорости ударных волн для различных электродных систем 54
3. Исследование абляционных процессов в разрядном узле импульсного электротермического ускорителя 58
3.1. Физическая модель для определения теплового излучения аргоновой плазмы импульсного разряда Л 58
3.2. Теплопроводностная модель абляции диэлектрических стенок разрядного промежутка 65
3.3. Анализ динамики абляционных процессов диэлектрических стенок разрядного промежутка 69
3.4. Экспериментальное определение абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка 72
4. Оптимизация разрядного узла электротермического ускорителя для его адаптации к промышленным условиям 76
4.1. Ресурсные испытания разрядных узлов экспериментальных макетов 76
4.2. Оптимизация размеров и конфигурации разрядного промежутка 82
4.3. Анализ тепловых процессов в элементах конструкции установки 93
4.3.1. Физическая модель и динамика нагрева элементов конструкции разрядного узла установки 93
4.3.2. Тепловой режим установки с охлаждением керамических втулок разрядного промежутка водой 100
4.3.3. Динамика нагрева элементов конструкции разрядного узла и ускорительного тракта 104
4.3.4. Экспериментальное определение температуры нагрева элементов разрядного узла и ускорительного тракта 109
Заключение 111
Литература
- Физическая модель динамики ускорения и нагрева микрочастиц потоком аргоновой плазмы
- Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в области ударно-сжатого газа потока
- Эрозия профилированных электродов разрядного промежутка
- Анализ тепловых процессов в элементах конструкции установки
Введение к работе
Уникальные возможности устройств мощной импульсной электрофизики позволяют им находить чрезвычайно широкое применение в научных исследованиях и современных технологиях. Одним из таких применений является использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий.
Лучшие образцы износостойких, жаропрочных и иных специальных покрытий из порошковых материалов обладают значениями пористости, приближающимися к 1%, и адгезии, доходящими до ЮМПа. Подобные покрытия получают с помощью установок газо-термического напыления. Здесь можно отметить HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) установки, детонационные пушки и плазмотроны. Вместе с тем наибольшие значения скорости микрочастиц в плазмотронах составляет 0,6 км/с, в детонационных пушках -1 км/с, в HVOF-установках — 1,2 км/с, что ограничивает дальнейшее увеличение адгезии. Имеются ограничения на минимальный размер микрочастиц порошков, препятствующие росту плотности покрытий. Данные установки не позволяют осуществлять глубокую и независимую регулировку скорости и температуры нагрева микрочастиц, что ограничивает диапазон технологического применения данных установок. HVOF-установки, обладающие наилучшими параметрами, требуют весьма большого расхода горючих компонент: десятков л/час кислорода, и десятков л/час керосина. Они, как и детонационные установки, требуют специальных мер по обеспечению взрывобезопасности.
Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов прошлого века [1-3]. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсотроны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами [4-6]. Появившиеся позже разработки [7] продемонстрировали принципиальную возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.
Новые результаты по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в результате проведенных исследований в МИФИ [8-10]. В частности, был разработан способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа в импульсном потоке, генерируемом в электротермическом ускорителе, а также способы формирования этой области. Полученные результаты позволяют начать разработку прототипа промышленного образца установки, которая будет обладать рядом принципиальных преимуществ перед установками газотермического напыления: плазмотронами, детонационными пушками, HVOF-установками. Среди этих преимуществ можно отметить следующие: существенно более высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку (в2т 3 раза выше существующих), что ведет к резкому улучшению качества покрытий; возможность независимой регулировки скорости и температуры нагрева микрочастиц, а также реализации заданного температурного режима ускорения; возможность нанесения покрытий в контролируемой по составу и давлению среде, в т.ч. в атмосферных условиях и в среде инертных газов; использование электрической энергии, которая экологически чище и безопаснее горючих газов; простота регулировки, перестройки режимов работы и адаптации к различным условиям нанесения покрытий.
Установка на базе импульсного электротермического ускорителя способна ускорять микрочастицы мелких и средних фракций (1 мкм и более) и имеет потенциальные возможности ускорять микрочастицы с размерами менее 1 мкм. Внутренний диаметр ствола установки может составлять величину от единиц миллиметров до 15-г-20 мм. Частота выстрелов определяется мощностью энергопитания установки, долговечностью ее узлов и может достигать десятков Гц, при этом средняя производительность нанесения покрытий не уступает детонационным установкам: 1,5 -^ 5 кг/час. Установка обладает малыми габаритами (0,5x0,5x1 м ), при этом имеется возможность размещать ее ускорительный блок в робототехнических устройствах.
Высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество покрытий. При более высоких скоростях покрытия получаются более плотными, твердыми и однородными, имеют более низкую пористость, более высокую адгезию и когезию, меньшие вносимые напряжения. Имеются потенциальные возможности создавать покрытия с рекордными значениями адгезии — более ЮМПа и пористости - менее 0,1%. Высокие скорости микрочастиц порошковых материалов дают также возможность отказаться от предварительной пескоструйной обработки подложки и значительно облегчить ее предварительную термическую обработку, что расширяет диапазон применения такой технологии. Кроме этого, высокие скорости позволяют получать высококачественные покрытия при больших углах наклона напыления. Температуры ускоряющих потоков позволяют доводить до плавления практически любой порошковый материал. Установка имеет потенциально большие возможности для нанесения комплексных покрытий, например, используя различные точки инжекции, можно создавать "слоеные" или комбинированные покрытия. Как было отмечено выше, установка способна наносить покрытия из мелкодисперсных порошков (1 мкм и менее), которые в последнее время привлекают к себе повышенное внимание. Малые размеры пятен на подложке (1 -s- 2 мм), которые способна реализовать установка, позволяют создавать точечные покрытия, весьма актуальные в ряде приложений.
Отмеченные преимущества рассматриваемого способа нанесения покрытий и возможности установки позволяют создавать покрытия с уникальными свойствами и реализовать перспективные многофункциональные технологии, недоступные другим способам.
Разработанный в МИФИ новый способ ускорения микрочастиц в импульсном газоплазменном потоке был использован также при разработке установки по нанесению покрытий на основе рельсотронного электродинамического ускорителя [11]. Этот же принцип использован в предложенном электротермическом ускорителе с предварительно создаваемым импульсным газовым давлением в стволе [12]. Среди работ, посвященных данной проблеме, можно выделить результаты исследований по ускорению больших масс порошковых материалов (единицы грамм) в импульсных электротермических ускорителях [13]. Следует также отметить, что рынок сбыта технологии газотермического напыления динамично развивается и его объем составляет десятки млрд. долларов ежегодно.
В диссертации рассмотрены вопросы, связанные с созданием установки на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов, предназначенной для работы в промышленных условиях.
Целью диссертации является:
Создание физической модели и анализ на ее основе динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсного потока аргоновой и воздушной плазмы.
Анализ формирования области ударно-сжатого газа импульсного потока в ускорителе с бустерной частью ствола.
Создание экспериментального макета, исследование эрозионного износа электродов в разрядном узле ускорителя, поиск- конфигураций электродов, минимизирующих эрозионный износ.
Создание физических моделей абляционных процессов в разрядном узле ускорителя.
5. Теоретическое и экспериментальное исследование абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка.
Экспериментальные исследования ресурса работы элементов разрядного узла ускорителя и методов его увеличения.
Теоретическое и экспериментальное исследования по оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя.
Анализ тепловых процессов в элементах конструкции ускорителя.
Научная новизна заключается в следующем:
Впервые проведен анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных частях импульсного потока аргоновой плазмы, установлены времена полного проплавлення микрочастиц и их скорости на момент полного проплавлення.
Впервые определены параметры области ударно-сжатого газа, формируемой в бустерной области ствола ускорителя. Показано, что протяженность данной области увеличивается в 4+5 раз по сравнению с мультиразрядной схемой разрядного узла.
3. Впервые экспериментально показано, что введение профилированных электродов в разрядный узел снижает их эрозионный износ более чем на порядок и позволяет реализовать безаварийную работу установки в течение нескольких рабочих смен.
4. Впервые разработаны физические модели, позволяющие определить влияние теплового излучения аргоновой плазмы на абляционный износ диэлектрических стенок разрядного промежутка, теоретически и экспериментально показано, что аблирующие слои проникают вглубь корундовых изоляторов на достаточно малую глубину, не превышающую 1+2 мкм, а сам износ для рассматриваемых уровней запасенной энергии составляет 1+2 мг/имп.
Впервые показано, что введение в цепь импульсного электропитания разрядного промежутка управляемого вакуумного разрядника позволяет снять ограничения на стабильную работу разрядного промежутка.
Впервые показано, что оптимизация размеров и конфигурации разрядного промежутка позволяет снизить на треть величину запасенной энергии, снизить эрозионные и абляционные потери, поднять эффективность преобразования энергии в два раза при сохранении скорости ударной волны.
7. Впервые показано, что увеличение внешнего диаметра корундовых изоляторов в разрядном промежутке и охлаждение их водой позволяет реализовать режим работы разрядных узлов и ускорительного тракта при частотах следования импульсов 15 Гц и выше.
Практическая ценность
Полученные в работе результаты позволяют создать промышленный образец установки по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая имеет существенные преимущества перед аналогами — установками газотермического напыления: газопламенными, детонационными, плазмотронными и HVOF-установками. Использование бустерной части ствола позволяет осуществить практически независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, производить перестройку ускорителя для различных режимов работы и адаптировать его к различным технологическим и производственным процессам. Это дает возможность проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном материалов и размеров и создавать покрытия с уникальными характеристиками.
На защиту выносится
Результаты анализа ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсных потоков аргоновой и воздушной плазмы.
Результаты анализа динамики импульсных потоков и формирования области ударно-сжатого газа в ускорителе с бустерной частью ствола.
Результаты исследования электроэрозионных процессов в разрядном узле электротермического ускорителя с прямыми и профилированными электродами.
Результаты моделирования и экспериментального исследования воздействия теплового излучения плазмы разряда на диэлектрические стенки разрядного промежутка ускорителя.
5. Результаты экспериментального исследования ресурса работы разрядного узла ускорителя с различными схемами построения разрядных узлов.
6. Результаты оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя для повышения его эффективности и ресурса работы.
7. Результаты расчетного и экспериментального исследования теплового режима элементов конструкции разрядного узла и ускорительного тракта.
Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов с использованием разработанных моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях:
11th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Saint Louis, France, 14-19 May, 2002;
12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Snowbird, Utah, USA, 25-28 May, 2004;
15th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2005), Monterey, California 13-17 June, 2005;
Научная сессия МИФИ-2002, Москва, МИФИ, 21-25 января 2002 г.;
Научная сессия МИФИ-2003, Москва, МИФИ, 27-31 января 2003 г.;
Научная сессия МИФИ-2004, Москва, МИФИ, 26-30 января 2004 г.;
Научная сессия МИФИ-2005, Москва, МИФИ, 24-28 января 2005 г.; XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2002)»,
Судак, Украина, 24-31 мая 2002 г.; XVI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2004)»,
Судак, Украина, 24-31 мая 2004 г.; XIX Международный семинар по ускорителям заряженных частиц,
Алушта, Украина, 12-18 сентября 2005г.,
Публикации.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников.
Общий объем работы - 119 страниц, из них 99 страниц основного текста, 73 рисунка, 6 таблиц.
Физическая модель динамики ускорения и нагрева микрочастиц потоком аргоновой плазмы
Пусть микрочастица сферической формы радиуса г ускоряется и нагревается в стационарном потоке аргоновой плазмы. Динамика ее ускорения может быть описана следующей системой уравнений: — = f dt J f-й (1.1) dx — = vn dt p
Здесь P- импульс микрочастицы; f- сила аэродинамического сопротивления (вязкостного трения); Е- внутренняя энергия микрочастицы; Q- энергия, подводимая к частице от потока в единицу времени; хр- расстояние, на которое перемещается микрочастица, vp — ее скорость.
Нагрев микрочастицы может последовательно содержать четыре стадии: нагрев до температуры плавления, проплавление всего объема частицы, нагрев до температуры испарения и, наконец, испарение, сопровождающееся изменением радиуса частицы вследствие потери ее массы. В соответствии с этим система уравнений (1.1) может быть представлена для каждой стадии нагрева следующим образом. 1) Нагрев микрочастицы до температуры плавления: 4лг з dv яг2 . . w .2 Y pp df= d p s v Vp v Vp 4 гг Рр-с = Ъ к.т-ф-Т,} (1.2) 3 rp p dt dx dt p 2) Плавление микрочастицы: — . V Здесь /?— доля расплава: отношение массы расплавленного материала частицы к полной массе этой частицы (0 Р 1). 3) Нагрев расплавленной микрочастицы до температуры испарения: 4л- з dvP та-2 . , w ч 3 Ир dt d 2 ry-pp-cp- - = 2nr ..Nu- ?p) (1.4) 3 гр р dt dx -p- = v dt p 4) Испарение микрочастицы: OV ) -Pp""" =Cj -p-sign(v-v-) (v-v ) 4я- T, dr3 7/ Рр-Я = -2 . .(7--1-,) (1.5) p p.ucn dx - = v
В приведенных выше уравнениях использованы следующие обозначения: v, р, Т - скорость, плотность, температура газа соответственно; Cd — коэффициент аэродинамического сопротивления частицы, являющийся функцией чисел Рейнольдса Re и Маха М; Тр — температура частицы; рр — плотность материала частиц; ср - теплоемкость материала частицы; Я -коэффициент теплопроводности аргона; Nu — число Нуссельта, являющееся функцией чисел Рейнольдса, Маха и Прандтля Рг\ Тр пя, Тр исп - температуры плавления и испарения материала частиц соответственно; Нт, Нисп — теплоты плавления и испарения частиц. Отметим, что приведенные системы уравнений (1.2ч-1.5) позволяют учитывать постепенное проплавление микрочастицы с определением доли жидкой фазы, а также испарение, сопровождающееся изменением радиуса частицы.
Определение входящих в выражения (1.2+1.7) транспортных коэффициентов аргоновой плазмы Я и rj представляет собой достаточно сложную задачу. В рассматриваемой модели эти параметры определяются на основе кинетического подхода, в силу чего предполагается, что как Я, так и rj пропорциональны произведению средней скорости частиц на среднюю длину их свободного пробега. В этом случае коэффициенты вязкости и теплопроводности могут быть представлены в следующем виде: Z(T,p) = constz -Ф{Т,р), T)(T,p) = constn МТ,Р), где Ф(т,р) и т(Г,р) - функции, подлежащие определению, a const х и const ч корректировочные множители, определяемые на основе сопоставления расчетных транспортных коэффициентов с экспериментальными.
Принимая во внимание аддитивность вкладов различного сорта частиц плазмы (электроны, ионы, нейтралы) в тепловой поток, функцию Ф{Т,р) выразим следующим образом cD(7 ) = (v}„o +{v)L„t +(v)L +(v.) ——- - средняя скорость тяжелых частиц плазмы (нейтралов, лтАг первых и вторых ионов), ШАГ — масса атома аргона, (ve}= —— - средняя скорость электрона, те — масса электрона. Величины Lno,Ln,Ln ,Lnt представляют собой средние длины пробегов для нейтральных атомов, первых, вторых ионов и электронов соответственно.
Так как рассматриваемая плазма считается равновесной, то в соответствии с максвелловским распределением можно получить выражения для средних длин пробега. Так, например, выражение для 1„о выглядит следующим образом [17-23]: ( т ,3/2 / пі A. = Т V p as) jB,(v 2 "VVV, (1.8) где m =- - и l(v)a Wo rr(v) + «+ (v) + «+ (v) (L9) "ofr (v) транспортное сечение упругого рассеяния нейтрального атома на нейтральном атоме (газокинетическое сечение), а $(У) транспортное сечение поляризационного рассеяния нейтрального атома на собственном ионе, o-,("(v) — транспортное сечение перезарядки иона на атоме, щ — концентрация нейтральных атомов аргона, п+ - концентрация первых ионов, Аналогичные выражения можно получить и для остальных средних длин пробегов частиц плазмы. Что же касается значений транспортных сечений, то они брались из [25].
Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в области ударно-сжатого газа потока
Как было отмечено выше, пространственная структура импульсного потока, генерируемого сильноточным разрядом в электротермическом ускорителе, содержит две области. На рис.5 изображены характерные распределения плотности и температуры потока по длине ствола ускорителя в произвольный момент времени.
Как видно из рис.5, в головной части потока вслед за ударной волной существует небольшая по протяженности область, характеризующаяся повышенным значением плотности и пониженным значением температуры газа по сравнению с остальной плазменной частью потока. Данная область образуется головной ударной волной, и по мере распространения последней происходит увеличение ее пространственной протяженности за счет присоединения находящегося в стволе газа. Плотность и температура газа в этой области связаны через ударную адиабату Гюгонио [29-32] (см. табл.1). В дальнейшем будем называть эту область — областью ударно-сжатого газа -ОУСГ. Проанализируем ускорение и нагрев микрочастиц порошковых материалов в данной области потока.
На рис.6,7 изображены зависимости относительной скорости микрочастиц корунда и времени их нагрева до момента полного проплавлення от температуры ОУСГ аргонового и воздушного потоков.
Как видно из рис.6,7, ускорение микрочастиц в ОУСГ радикально отличается от их ускорения в плазменной части потока. Благодаря относительно низким значениям температур и высоким значениям плотности газа значения скоростей микрочастиц достигают величины от 0,75 до 0,95 от скорости потока, что более чем на порядок превосходит аналогичные значения в случае ускорения в плазменной части потока. При этом не происходит быстрый, неконтролируемый нагрев микрочастиц, и времена достижения ими состояния плавления становятся намного больше.
Основными параметрами ОУСГ, которые обеспечивают заданный режим ускорения микрочастиц, являются ее пространственная протяженность и скорость. Пространственная протяженность ОУСГ вместе с плотностью образующего ее газа обеспечивает нахождение микрочастиц в данной области в течение всего цикла ускорения. Сокращение пространственной протяженности ОУСГ сверх некоторого минимального значения может привести к проскальзыванию микрочастиц в высокотемпературную плазменную область потока и нарушению заданного режима ускорения и нагрева микрочастиц. Что же касается скорости газа за ударной волной, т.е. скорости собственно ОУСГ, то именно она определяет конечную скорость микрочастиц и, следовательно, скорость их взаимодействия с подложкой.
Как следует из рис.8, увеличение диаметра микрочастиц и плотности их материала приводит к увеличению как пространственной протяженности ОУСГ, так и длины ускорения. В то же время наблюдается сильная зависимость рассматриваемых величин от относительной скорости микрочастиц к. Так, длина ОУСГ составляет единицы мм при малых к и достигает десятков см при приближении относительной скорости микрочастиц к единице. Также резко возрастает и длина ускорения по мере того, как величина скорости микрочастиц приближается к скорости потока. Подобные зависимости связаны с резким снижением величины ускорения, о чем свидетельствуют данные, приведенные на рис.9. Так, уже при =0,7 ускорение составляет 0,07 от максимального для микрочастицы корунда диаметром 5 мкм. Таким образом, по мере выравнивания скоростей потока и микрочастиц набор скорости микрочастицами происходит крайне неэффективно и сопряжен с большими длинами ускорения и, соответственно, с большими протяженностями областей ударно-сжатого газа. Вместе с тем, как это будет показано ниже, сформировать ОУСГ с большой пространственной протяженностью и высоким значением ее скорости, представляет собой большую проблему. В этой связи при выборе параметров ОУСГ разумно ограничить значение к величиной, равной 0,5. плотности газа, соответствующей ОУСГ, ускорение микрочастиц носит ударный характер, т.е. микрочастицы достигают значений скоростей к=0,5 за очень малые времена на малом пространстве ускорения. В то же время процесс нагрева микрочастиц в ОУСГ существенно более инерционен. В этой связи появляется возможность регулировать температуры нагрева микрочастиц за счет изменения длины ускорения, т.е. расстояния от места инжекции микрочастиц до среза ствола, с сохранением их скорости. Скорость же микрочастиц может регулироваться за счет изменения скорости ОУСГ, т.е. за счет энерговложения в разряд. Эти обстоятельства являются значительным преимуществом электротермического ускорителя для реализации различных технологий нанесения покрытий.
Эрозия профилированных электродов разрядного промежутка
Одним из требований, накладываемых на установку, созданную на базе импульсного электротермического ускорителя и работающую в промышленных условиях, является ее бесперебойная работа в течение всего технологического процесса нанесения покрытий. С этой целью необходимо решение проблемы увеличения срока службы элементов разрядного узла ускорительного тракта и, в частности, увеличения срока службы электродов, которые подвергаются интенсивному эрозионному износу. Последнее обстоятельство является причиной осаждения продуктов эрозии на изоляторы разрядного промежутка, снижения его электрической прочности, а также загрязнения покрытий. Помимо этого эрозионный износ приводит к нарушению электрических характеристик промежутка и гидродинамических течений, что является причиной нарушения заданного режима ускорения микрочастиц и снижения качества наносимых покрытий.
Эрозионный износ связан с разогревом поверхности электродов, контактирующей с разрядной плазмой, который происходит вследствие воздействия теплового потока разрядного канала, вызванным тепловым движением частиц в плазме, вследствие поглощения излучения с поверхности плазмы разряда и бомбардировки поверхности электродов ускоренными в приэлектродной области заряженными частицами. При этом считается, что последний источник нагрева вносит определяющий вклад [36]. Из-за невозможности в течение короткого импульса прогрева всей поверхности электрода разрядный ток протекает через т.н. катодные пятна, которые под воздействием электродинамических сил, а также процессов плавления и испарения материала электрода перемещаются по их поверхности. При этом плотность тока в катодных пятнах может находиться в диапазоне 10 -г-10 А/см .
Поток тепла на единицу поверхности пропорционален плотности тока в канале разряда и величине приэлектродного падения напряжения. При импульсном характере разряда в результате кратковременного воздействия мощных тепловых потоков и ограниченной теплопроводности материала электродов их поверхность может нагреваться до температур плавления и испарения. Соответственно с этим эрозия электродов происходит в жидком или парообразном состоянии.
В [37] показано, что эрозионная масса пропорциональна количеству электричества, протекающего через разрядный промежуток. В то же время существует некоторое пороговое значение заряда, начиная с которого эрозия электродов скачкообразно увеличивается, при этом в допороговой области преобладает эрозия в результате испарения материала электрода, в то время как в послепо-роговой области выброс металла происходит в основном в жидком виде. Величина порогового заряда зависит от материала электродов и параметров разряда (длительности и амплитуды разрядного тока) [38].
В [39] приводятся значения эрозионного износа стержневых электродов диаметром 7 мм, изготовленных из ряда материалов : латунь, молибден, вольфрам, сталь ст.З, сплав АВМ-30, жаропрочная сталь Х-1. Энергия в накопителях составляла 12 кДж, амплитуда первого полупериода разрядного тока достигала 46 кА, длительность полупериода — 23 мкс. Отмечено, что наибольший эрозионный износ (0,7 мг/имп) имела сталь Х-1, а наименьший (0,28 мг/имп) — молибден. При этом молибденовый электрод из-за эрозионного износа изменял свою форму, в то время как электрод из сплава АВМ-30 при большей величине эрозионного износа (0,4 мг/имп) практически свою форму не изменял.
В [40] показано, что величина удельной эрозии зависит не только от плотности тока, протекающего через катодное пятно, но и от условий горения разряда, в частности, характеристик катодных пятен.
В [41] приводятся данные по эрозии молибденовых электродов при исследовании поверхностных разрядов. Амплитуда разрядного тока составляла величину 350 кА, в разряд вкладывалась энергия порядка 1 кДж за время 20 мкс. Зафиксирован эрозионный износ величиной 0,2 мг/кДж за импульс.
В [42] описывается импульсный электротермический ускоритель, питаемый от емкостного накопителя. Запасенная в накопителе энергия составляла З кДж, при этом в разряд вкладывалось 2 кДж. Амплитуда первого полупериода разрядного тока достигала 4 кА, ее длительность — 26 мкс. В данном режиме со стального электрода эродировала масса величиной 20 мг/имп.
Отмечается, что в импульсных разрядах при плотностях токов на электродах менее 104 А/см2 удельная эрозия практически для всех материалов не превышает Ю г/Кл. Резкое увеличение эрозии наступает при плотностях токов, превосходящих 104 А/см2. В то же время, используя композиционные материа-лы, можно застабилизировать эрозионный износ на уровне 10 г/Кл.
В заключение данного раздела надо отметить, что эрозионному износу электродов посвящено довольно большое количество работ, однако практически все они связаны с исследованием эрозионной стойкости материалов электродов. В данном же случае исследования были сосредоточены на поиске форм (конфигураций) электродов, позволяющих минимизировать эрозионный износ.
Анализ тепловых процессов в элементах конструкции установки
Будем предполагать, что в силу высокой плотности плазмы и, что более важно, высокой степени ионизации, в ней устанавливается локальное термодинамическое равновесие, описываемое соотношением Саха (в силу быстрого протекания процессов ионизации, возбуждения электронных уровней, рекомбинации, процессов второго рода, связанных с ударами электронов). Вместе с тем, в силу малых размеров системы, излучение в рассматриваемых условиях не находится в равновесии с плазмой.
Будем также считать, что импульсный поток в ускорителе разбивается по пространству на две области. Первая область — это область ударно-сжатого газа (ОУСГ), следующая за ударной волной, которая распространяется вдоль разрядного промежутка и ствола ускорителя по покоящемуся газу. Вторая область - это основная высокотемпературная часть потока, в которую в рассматриваемой модели вкладывается энергия от внешнего источника. Малые линейные размеры системы, высокие температуры и высокие скорости звука во второй области потока позволяют рассматривать газодинамические явления в этой области в изобарическом приближении. Таким образом, давление считается постоянным по пространству вдоль ствола и зависит только от времени. Также только от времени зависят плотность и температура газа. Кроме того, считается, что скорость газа в ОУСГ постоянна по пространству, а скорость газа в основной части потока линейно растет от нуля у левой границы разрядной области до скорости потока в области ударно-сжатого газа. Вместе с тем эти величины зависят от времени.
Такое представление позволяет получить приемлемые количественные результаты для коротких импульсов энерговложения, когда область энерговыделения расширяется на величину, не намного превышающую длину разрядного промежутка. В рассматриваемых нами режимах работы ускорителя это соответствует времени вложения энергии 5- -20 мкс.
Как показали оценки, в энергетическом балансе рассматриваемой системы кинетической энергией газовых потоков можно пренебречь. Тогда основное уравнение модели, описывающее изменение внутренней энергии единицы объема газа є, которое следует из законов термодинамики, запишется следующим образом:
Здесь Qn — энергия, вкладываемая в единицу времени и единицу объема во вторую область потока, Qfad - энергия радиационного излучения плазмы, р -давление газа, L — координата правой границы плазменной части потока, v -скорость в ОУСГ: у + \У М) где М - число Маха, у = - показатель адиабаты одноатомного газа аргона, с0 - скорость звука в невозмущенном газе.
В рассматриваемой задаче учитывается двукратная ионизация аргона, а также возбуждение электронных состояний нейтральных атомов и ионов. В этой связи выражение для внутренней энергии единицы объема газа и его давления можно представить в следующем виде: р = {п«+пе)кТ в = _!_(„«+ йв г + n0±(eE)g ехр(- М + п(еЕ ехр(- М + где n суммарная концентрация нейтральных атомов и ионов, щ — концентрация нейтральных атомов, пе - концентрация электронов, Т — температура газа, к — постоянная Больцмана, щ, nj, щ — концентрации нейтралов, однократно и двукратно ионизованных атомов соответственно, }0), #Р, Е\2) - энергии /-го электронно-возбужденного состояния нейтралов, первых и вторых ионов соответственно; gj0), gP, gj2) - статистические веса указанных электронно-возбужденных уровней; І], І2 — первый и второй потенциалы ионизации аргона, е — величина заряда электрона. В модели учитываются / =424 уровня атома аргона, / =315 уровней однократно ионизованного атома аргона и i 2 = 115 уровней двукратно ионизованного атома аргона.
В последнем выражении первый член в правой части представляет собой энергию поступательного движения частиц; второй, третий и четвертый члены — энергию возбуждения электронных уровней нейтрала и первых двух ионов, пятый и шестой члены — энергию, затраченную на ионизацию.
