Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сильноточные импульсные дуги высокого давления и методы их диагностики 10
1.1. Разряды высокого давления 10
1.1.1. Сильноточные дуги 10
1.1.2. Эрозионные электродные струи 20
1.1.3. Эрозия электродов 31
1.2. Методы диагностики 35
1.2.1. Электротехнические, зондовые и магнитозондовые методы. Измерение импульсных давлений 36
1.2.2. Спектральные методы 38
1.2.3. Рентгеновская диагностика 40
1.2.4. Скоростная фотосъемка, интерферометрия, теневые методы, измерение оптического поглощения 41
1.3. Выводы 43
1.4. Постановка задач исследования 44
Глава 2. Экспериментальная установка и разработанные методы диагностики 45
2.1. Диагностическая разрядная камера 45
2.2. Система энергопитания. Система контроля, управления, измерения и регистрации 47
2.2.1. Источник питания 47
2.2.2. Система управления, контроля, измерения и регистрации 48
2.3. Разработанные методы оптической диагностики 49
2.3.1. Теневой метод 50
2.3.2. Скоростная фотография 55
2.3.3. Измерение оптического поглощения 56
2.3.4. Измерение яркостной температуры 60
2.3.5. Обработка данных экспериментов 63
2.4. Выводы 65
Глава 3. Исследование эрозионных электродных струй в разрядах воздухе и водороде
3.1. Электротехнические измерения
3.2. Оптические измерения
3.2.1 Общая картина согласно измерениям скоростной фотосъемки и теневого метода
3.2.2. Измерение яркостной температуры
3.2.3. Измерение оптического поглощения
3.2.4. Характер движения газа
3.3. Обсуждение результатов
3.3.1. Режимы течения электродных струй
3.3.2. Параметры приэлектродной плазмы
3.3.3. Области повышенного энерговыделения
3.3.4. Скорость плазмы и концентрация паров металла
3.3.5. Устойчивость
3.3.6 Механизм теплопередачи от разряда к газу
3.4. Выводы
Глава 4. Исследование особенностей эрозии электродов
4.1. Результаты экспериментов
4.2. Обсуждение результатов
4.3. Выводы
Заключение
Литература
- Электротехнические, зондовые и магнитозондовые методы. Измерение импульсных давлений
- Скоростная фотосъемка, интерферометрия, теневые методы, измерение оптического поглощения
- Система управления, контроля, измерения и регистрации
- Общая картина согласно измерениям скоростной фотосъемки и теневого метода
Введение к работе
Данная работа связана с исследованием мощных импульсных разрядов в газе высокой плотности с вкладываемой энергией на уровне 104 — 107 Дж при амплитуде разрядного тока 104 - I О6 А со скоростью его нарастания 109 — 10ю А/с.
Актуальность темы диссертации
Актуальность темы диссертации определяется усиливающимся научным интересом к физике газовых разрядов высокого и сверхвысокого давления, как составной части физики высоких плотностей энергии и экстремального состояния вещества. Исследования в области уравнения состояния вещества требуют новых надежных данных о термодинамических, оптических, электрофизических и других свойствах плотной плазмы, которые в некотором диапазоне значений в лаборатории доступны лишь в таких разрядах. В астрофизике в атмосферах звезд перенос энергии происходит подобно тому так, как в периферийных зонах газового разряда высокого давления.
С другой стороны, исследования разрядов высокого и сверхвысокого давления определяются прикладными задачами, поскольку их использование является основой для работы многочисленных устройств. Это и высокоинтенсивные источники видимого и ультрафиолетового излучения, и источники накачки мощных лазеров, и генераторы сверхзвуковых плазменных струй, и мощные генераторы плазмы. Испытание материалов на радиационную стойкость и получение высоких импульсных давлений, температурная обработка поверхностей и многое другое — все это сферы приложения мощного импульсного разряда в плотном газе.
Особый интерес представляет разряд в среде водорода высокой плотности, как наиболее перспективный, например, для применения в гиперскоростных электроразрядных ускорителях макротел с предельными параметрами, для создания моделей астрофизики.
В связи с многочисленными приложениями импульсный разряд интенсивно исследуется уже много десятилетий. Накоплен большой экспериментальный и теоретический материал. Однако, можно сказать, что круг вопросов, связанных с этими исследованиями не исчерпан и продолжает расширяться. Требуется все более детальное, разрешенное во времени и в пространстве, изучение процессов в таких разрядах. Несмотря на огромный практический интерес, в литературе имеется существенный недостаток в систематических данных о разрядах с энерговкладом 10*—107 Дж при амплитуде разрядного тока 104—106 А со скоростью его нарастания ЮМ О10 А/с. При указанных параметрах возникает разряд со специфическими свойствами: происходит резкий рост падений напряжения в зонах у электродов, достигающий ~1 кВ в дугах мегаамперного диапазона, величина эрозии электрода достигает величины ~10'2 г/Кл, а электродные эрозионные струи оказывают значительное влияние на параметры канала дуги и теплообмен между дугой и окружающим газом, концентрация заряженных частиц достигает 1019—1020 см"3. Происходящие при этом процессы исследованы недостаточно.
Параметры разряда отличает сильная неоднородность при их быстром изменении во времени. Диагностика таких процессов ставит большой комплекс проблем. Основные принципиальные трудности для диагностики связаны с высокой плотностью плазмы.
Электротехнические, зондовые и магнитозондовые методы. Измерение импульсных давлений
К электрическим разрядам высокого давления относятся дуги, давление рабочего газа в которых 102—104 мм рт. ст. (104—106 Па). К дугам сверхвысокого давления условно относятся дуги с давлением в десятки атмосфер и выше [1]. При этом мощный импульсный разряд в плотном газе отличает ряд специфических свойств [2, 3]. Параметр неидеальности плазмы 0.1-0.3. Характерная область изменения температуры 1-10 эВ, концентрации заряженных частиц достигают значений 108-1022 см-3. Длительность разряда 1-1000 мкс при линейном размере (толщине токового слоя —1 см). Оптическая толщина разряда значительна и, во многих случаях, его спектр можно считать близким к спектру абсолютно черного тела. При этом существенную роль играет поглощение излучения в переходной зоне дуга - окружающий газ, и внешние излучательные характеристики определяются этой зоной. Излучение становится доминирующим механизмом теплопереноса. С точки зрения параметров, определяющих характеристики импульсного разряда, в ряду важнейших следует считать начальное давление рабочего газа, общий уровень энергии, вкладываемой в разряд, и скорость ввода энергии [2,3].
В цикле работ Р.В. Митина с сотрудниками [4-10] (обобщение результатов можно найти в обзоре [9]) изучался импульсный разряд в водороде, гелии и аргоне при амплитуде тока до 70 кА с длительностью разряда 1 мс при скорости нарастания тока 106-107 А/с. Начальное давление газа варьировалось в пределах для водорода и гелия 0.1-40 МПа и для аргона 0.1-100 МПа. Импульсная дуга создавалась разрядом конденсаторной батареи на стационарную дугу, либо инициировалась электрическим взрывом проволочки. Также применялось инициирование разряда при помощи "лазерной искры [10].
Отмечена однородность столба разряда с равномерным распределением поля вдоль разрядного промежутка. При этом разряд в водороде отличается от остальных сильной нестабильностью, возрастающей с ростом начального давления газа. Так не удалось получить дуги в водороде с длиной более 20 мм [4]. Падение напряжения линейно растет с увеличением длины разрядного промежутка, при этом напряженность электрического поля монотонно увеличивается с ростом начального давления газа. В интервале токов 10-40 кА и начальных давлений газа 1—8 МПа напряженность электрического поля аппроксимируется формулами [9]:
При начальном давлении 10—40 МПа в аргоне и гелии напряженность поля не зависит от тока (20-60 кА) и зависит от давления согласно закону Р-23, а для водорода эта зависимость Е РК Для оценки падения напряжения вблизи электродов используется величина Уд-Е1д (Vd - полное напряжение на дуге , Е - напряженность поля и 1д - длина разрядного промежутка), получаемая аппроксимацией зависимости полного напряжения на дуге от длины разрядного промежутка на ноль, приведена в таблице 1.1. из работы [9]. Уд-Е1д увеличивается с ростом тока и начального давления для всех газов, достигая величины в несколько сотен вольт. При этом не обсуждается, чем обусловлена эта величина, отражает ли она действительно суммарную величину приэлектродных падений. Разряд характеризуется высокой степенью запертости излучения внутри переходной зоны дуга - нейтральный газ. Спектр излучения разряда сплошной с линиями поглощения, принадлежащими материалу электрода и инициирующей проволочки. Максимум излучения дуги наблюдается при начальных давлениях 3-4 МПа. Яркость нарастает пропорционально электрической мощности, вводимой в Дугу, но при дальнейшем повышении давления убывает, что обусловлено нарастающей ролью поглощения в переходной зоне. Концентрация примесных атомов, определенная по эквивалентной ширине линий поглощения, дает величину на два порядка меньшую концентрации атомов основного газа. Отмечено [4], что в случае сверхвысоких давлений наличие примесей (по сравнению дугами с различными способами инициирования разряда, что влияет на поступление примесей в разряд, а также преднамеренное внесение примесей различными способами) не вносит существенных изменений в характеристики разряда: напряженность поля, также как ток и световой сигнал не меняются. Температура поверхности разряда 1.0-1.2-104 К, в то время, как по оси разряда температура оценивалась в диапазоне 2—5-Ю4 К. В [11] исследовался разряд в водороде, гелии и аргоне при скорости нарастания тока 107-109 А/с с длительностью разряда 0.5-100 мс. Разряд исследовался при различных геометриях электродной системы (стержневые электроды, коаксиальная цилиндрическая система) и с различными системами электропитания (конденсаторные батареи, ударные генераторы). Амплитуда тока достигала величины —150 кА для конденсаторных разрядов и —300 кА для коаксиальной электродной системы при питании от ударных генераторов. Начальное давление газа 1—4 МПа. Общий характер зависимости напряжения на дуге от тока и давления соответствует работам Р.В. Митина с сотрудниками [4-Ю]. Предполагалось, что проводимость и оптические свойства определяются значительным содержанием металла инициирующей проволочки в плазме. Отмечено, что разряд в водороде при dJ/dt = 107—3-108 А/с носит турбулентный характер, т.е. после расширения канала разряда наблюдаются провалы интенсивности свечения, образование вихрей и сгустков плазмы. При этом численные оценки показывают, что турбулентный теплоперенос может полностью обеспечить требуемую передачу энергии газу. Зондовыми измерениями установлено наличие значительных приэлектродных падений. Суммарные приэлектродные падения для разрядов в диапазоне указанных выше параметров [11] получены в [12, 13] экстраполяцией зависимости падения напряжения от межэлектродного расстояния на ноль (рис. 1,1). Наибольшей величиной падений (-1 кВ) отличается разряд в водороде, в других газах эта величина составляет приблизительно 300 В.
В работе [14] при теоретическом рассмотрении работы катода при плотности тока 105 А/см2 для разряда в водороде при давлении 1-10 МПа расчет катодного падения приводит к небольшой его величине 10 В. Измерения при помощи зондов катодного и анодного падений [15] в водороде при начальном давлении 0.1-1 МПа и токах 50-80 к А в момент максимума тока дают величину катодного падения 10 В и анодного -160 В, с тенденцией роста при увеличении начального давления.
Исследование приэлектродных падений [16] для разряда в воздухе и гелии в диапазоне токов 0.5-35 к А и начальных давлений 0.1-6 МПа показало, что величина приэлектродных падений практически не зависит от рода и давления газа, и для различных материалов электрода суммарная величина падений составляет -15 В (W — 13 В, Мо - 12.5 В, медь Ml - 14.5 В, медь МО - 16 В). Напряженность поля при этом соответствует данным работ [4-10].
Скоростная фотосъемка, интерферометрия, теневые методы, измерение оптического поглощения
Работы [30, 31] посвящены исследованию быстрого самосжимающегося разряда в водороде, при скорости нарастания тока -5-І О11 А/с (начальное давление водорода і 0-200 мм рт. ст., амплитуда тока до 200 кА). Отмечен [30] сильно затянутый по времени (несколько сотен микросекунд) спад давления и проводимости, что связывается с запертостью излучения, поскольку в этих условиях лучистая теплопроводность играет доминирующую роль. Наличие примесей резко меняет характеристики разряда, так как сильная запертость излучения связана с появлением многозарядных ионов примесей. При формировании плазменного столба, при его расширении образуется мощная ударная волна, которая многократно отражается от стенок камеры и кумулирует на оси [31 ]. В [32] приводятся результаты исследования разряда в воздухе при атмосферном давлении и гелии при начальном давлении до 15 МПа. Скорость нарастания тока 6-10и А/с. Для разряда в гелии в максимуме тока 570 кА измеренное по оси давление 436 МПа близко к расчетному для пинча с равномерной плотностью тока. Оценка температуры канала разряда из баланса мощности в максимуме тока дает величину 105 К. Рост давления на стенке запаздывает по отношению к давлению по оси на 5-7 мкс, что соответствует скорости расширения области высокого давления (3-5) 103 м/с. За время сопоставимое с длительностью разряда выравнивания давления не происходит. На стенках камеры наблюдаются волны давления, амплитуда которых сравнима с максимальным давлением на оси. Согласно численному расчету [33] нагрев неионизированного рабочего газа в течение первого периода разряда при условиях, соответствующим работе [32], осуществляется, главным образом, ударными волнами, генерируемыми каналом дуги и отражающимися от стенок камеры. При исследовании сильноточного искрового разряда [34, 35] в воздухе, получаемого разрядом конденсаторной батареи на стационарную слаботочную дугу, при скорости нарастания тока до 6 10" А/с и с амплитудой тока до 30 кА получена температура канала (6-7)-104 К (в предположении локального термодинамического равновесия), что значительно превышает температуру в канале разряда при тех же амплитудах тока, но с более медленным энергоподводом [3, 29]. Кроме того, в этих условиях наблюдается фаза линчевания разряда [35]. Энергетический баланс в плазменном столбе при различной крутизне тока (до 3-Ю12 А/с) анализировался в [36]. При этом разряду с большей скоростью нарастания тока, но меньшей его амплитуде соответствовали значительно более высокие температуры. О высокой роли в энергетическом балансе ударных волн в быстрых разрядах говорится в работе [37], в которой описаны эксперименты с разрядом в воздухе при токах до 600 кА в коаксиальной электродной системе с периодом тока 30 мкс.
При скорости нарастания тока 109—10шА/с, промежуточной между быстрыми и медленными, исследовался искровой разряд в воздухе с амплитудой тока до 1.5 кА [38-40]. В начальной стадии скорость расширения канала объясняется фотоионизацией газа на фронте ударной волны [38, 40]. Наложение продольного магнитного поля приводит к уменьшению времени совместного распространения ударной волны и расширяющегося канала разряда.
Импульсный разряд в аргоне, воздухе, водороде с длительностью четверти периода 7.7 мкс при начальном давлении 0.1 МПа и расстоянии до 11.1 мм между вольфрамовыми электродами диаметром 15 мм исследовали в [41]. Максимальный ток достигал величины 265 кА. Отмечалось падение напряженности поля с увеличением длины разрядного промежутка. Расширение разрядного канала со скоростью порядка 10э м/с сопровождалось образованием ударной волны. Фоторазвертки разряда в водороде характеризуются многочисленными выбросами из центральной области. Температура канала для амплитуды тока 188 кА в воздухе, водороде и аргоне оценивалась в 7.2-104 К, 9.4-104 К и 16-104 К соответственно.
В работе [42] исследовался разряд в водороде в диапазоне начальных давлений 0.1-2.0 МПа и амплитудой тока до 350 кА при скорости нарастания тока 10 А/с. Использовались стержневые медные или вольфрамовые электроды диаметром 7 мм. При всех условиях разряд носит устойчивый характер. В канале разряда образуется перетяжка, которая сохраняется все время устойчивого состояния разряда. Спектральные измерения показали существенное отступление излучения канала разряда от излучения абсолютно черного тела в области длин волн короче 500 нм. Максимум мощности наблюдается при начальном давлении 0.5 МПа, при дальнейшем росте давления начинается спад. Мощность, развиваемая в разрядном промежутке, при использовании медных электродов меньше, чем в случае вольфрамовых. Наконец, в работах [21, 43, 44] приводятся сводные результаты исследований разрядов в водороде, гелии, азоте, воздухе и аргоне в широком диапазоне начальных давлений от 0.1 до 40 МПа при амплитуде тока до 2 МА с различными скоростями нарастания тока 108-10п А/с. Приведены исследования разряда с различными геометриями электродной системы (коаксиальная и осесимметричная) и разными материалами электродов. В диапазоне dJ/dt - (0.6-1.8)-1010 А/с при начальном давлении 5-40 МПа энерговклад в разрядный объем электроразрядного ускорителя, заполненный водородом или воздухом, достигал 2 МДж в режиме многократных пробоев по месту установки инициирующей проволочки. Эффективность передачи энергии газу от источника питания растет с начальным давлением газа и при начальном давлении выше 30 МПа достигает 70-80% [43-45], достигая насыщения. Аналогичная зависимость коэффициента превращения электрической энергии во внутреннюю энергию газа приводится в [46].
Эксперименты по исследованию разряда в водороде при начальном давлении газа 150-270 МПа (начальные концентрации водорода до 3-Ю22 см"3) с амплитудой тока 100-180 кА при скорости нарастания тока —109 А/с описаны в работах [47,48]. Была решена сложная задача инициирования разряда и поддержания горения водородной дуги при импульсном давлении до 350 МПа. Напряженность поля растет в зависимости от давления газа; при начальной концентрации (2.0-2.3)-1022 см"3 ее величина составляет 700 В/см, а при 3-1022 см"3 — 1700 В/см.
Система управления, контроля, измерения и регистрации
Проводились измерения падений напряжений на самом разрядном промежутке, на разрядниках и на клеммах конденсаторной батареи. Для регистрации импульсного давления в камере служили 4 пьезодатчика (два-Т6000 и два-Т500), расположенные по длине разрядного объема через равные промежутки. Регистрация этих данных проводилась с помощью двухканальных цифровых запоминающих осциллографов С9-8. Точность измерения токов и напряжений составляет 5 %, точность измерения давлений — 20 %. Все измерительные элементы были либо электрически изолированы от установки, либо соединялись с осциллографами через разделительный конденсатор или трансформатор. Для записи, обработки и хранения информации использовался персональный компьютер IBM PC 386DX40, который был соединен с регистрирующими осциллографами через стандартный КОП-интерфейс, а также с коммутатором и измерительным вольтметром системы измерения напряжения на модулях батареи. Для компьютера было разработано специальное программное обеспечение, позволяющее оперативно изменять установки осциллографов, формировать банк данных, а также производить обработку осциллограмм. В процессе каждого эксперимента регистрировались зарядное и остаточное напряжение на конденсаторной батарее, разрядный ток, падение напряжения на дуге, импульсное давление в разрядной камере.
Ко вспомогательному оборудованию относятся: вакуумный насос; мембранный компрессор МК-400, с помощью которого водород (либо другой газ) из баллонной рампы подается в разрядную камеру. Контрольно-измерительные приборы связаны со стендом измерительными кабелями РК-50, а также двумя многожильными кабелями, служащими для дистанционного управления оборудованием.
Работу установки сопровождает большой уровень электромагнитных помех, в этом случае для изучения характеристик разряда наиболее приемлемыми оказываются оптические методы с фотографической регистрацией.
Для проведения исследований в условиях импульсного сильноточного разряда высокого давления были развиты следующие методы оптической диагностики: Фоторегистрация при диагностике выбранными методами во всех экспериментах велась при помощи скоростной ждущей фотокамеры ЖЛВ-2. Эта фотокамера имеет два яруса фотопленки—верхний и нижний, экспозиция которых производится друг за другом в четырех секторах. При кадровой съёмке можно получить 300 кадров при частоте съёмки до 1млн. кадров/с с использованием двухрядных линзовых вставок, или 125 кадров при частоте до 500 тыс. кадров/с с использованием однорядных линзовых вставок. Фотографическое разрешение до 25лин/мм. Нами использовались режимы с использованием однорядных линзовых вставок при скоростях съемки в 500, 250, 125 тыс. кадров/с. Использование однорядных линзовых вставок позволяет получить большее фотографическое разрешение при кадре большего размера и более простое оптическое согласование камеры с оптическими элементами в указанных выше диагностических методах. Более подробно принципы работы и характеристики камеры ЖЛВ-2 описаны в [129].
На нашей установке реализован метод визуализирующей диафрагмы в фокусе [130]. Оптическая схема приведена на рис. 2.4. Сущность метода состоит в расположении в фокусе приемного объектива 6 теневой установки круглой визуализирующей диафрагмы 4 заданного диаметра для качественных исследований (или пространственного фильтра с известной функцией пропускания для количественных измерений). Выбор этого метода связан с тем, что он позволяет сильно ослабить собственное излучение разряда и, вместе с тем, выделить необходимый интервал отклонения лучей в пучке света просвечивающего источника. В качестве зондирующего источника света VI используется непрерывный аргоновый лазер ЛГН-402 15. Выбор лазера в качестве источника света связан с тем, что спектральная яркость его излучения превышает спектральную яркость любого другого доступного источника света. Высокая спектральная яркость лазерного излучения и применяемая оптическая схема метода позволяют выделить зондирующее излучение на фоне излучения разряда. Излучаемая лазером ЛГН-402 оптическая мощность 4 Вт распределена между 5 генерируемыми длинами волн: 514.5 , 496.5, 488.0, 476.5 и 457.9 нм. Наибольшая интенсивность приходится на 514.5нм и 488.0 нм.
Общая картина согласно измерениям скоростной фотосъемки и теневого метода
В большей части экспериментов для фотосъемки использовалась аэрофотонленка Изопанхром тип 42Л светочувствительностью 1000 ед. ГОСТ с коэффициентом контрастности 1.9. Ввод изображений в компьютер с проявленных фотоплёнок осуществлялся при помощи сканера пленок Aser ScanWit 2740S, позволяющий сканировать изображение с разрешением 2700 dpi. Кроме того, при измерении яркостной температуры для сравнения применялось фотометрирование фотопленки посредством автоматизированного микрофотометра МФ-2 с последующим вводом данных в компьютер посредством сопряжения с системой КАМАК.
Каждый кадр с пленки соответствующим образом нумеровался и сохранялся в bmp формате. Изображение представляется в 256 градациях серого цвета. Калибровка сканера по величине коэффициента пропускания и оптическим плотностям осуществлялась сканированием калиброванного 9-тиступенчатого ослабителя и сравнивалась с результатами сканирования ослабителя на микрофотометре [142]. Шум сканера (измеренный повторными сканированиями) составляет 1—3 градации или —1 %.
Изображение сканировалось с разрешением 675 dpi ( 27 лин/мм) с небольшим превышением разрешения над фотографическим разрешением изображений на фотопленках. Пространственное разрешение при всех использовавшихся фотографических методах диагностики определялось параметрами скоростной фотокамеры ЖЛВ-2 и составляло величину 0.15 мм.
Геометрическая точность совмещения точек от кадра к кадру в основном определялась линзовыми вставками, формирующими изображение на фотопленке от вращающихся коммутирующих зеркал камеры. Децентровка линз приводит к смещению изображения от кадра к кадру для отдельных кадров до 0.2 мм. Это приводит к значительным сложностям в точном совмещении последовательных изображений кадров и неточности совмещения порядка фотографического разрешения. Кроме этого, это приводит к неодинаковой освещенности поля кадров (особенно на краях) даже в одном и том же канале камеры ЖЛВ-2.
В верхнем канале ЖЛВ-2 свет проходит с ослаблением в 1.5 раза большим, чем в нижнем канале. Кроме того, разномасштабность изображений особенно велика между каналами и достигает величины 5 %. При измеренной нестабильности яркости просвечивающего источника (лазера) на уровне 10 % и суммарной погрешности в определении светового потока 10 %, погрешность в определении величины поглощения согласно формулам 5.15 и 5.16 работы [132, с. 186] составляет 25 % в случае значительного превышения яркости просвечивающего источника над собственным излучением. Предельная величина оптической плотности г согласно [132] при уровне погрешности превышающем указанную вдвое, т.е. 50%, определяется выражением где г — оптическая плотность (оптическая толщина), Ь\ — яркость просвечивающего источника без поглощения, й т — яркость собственного излучения. Предельная величина оптического поглощения г, измеряемая по схеме рис. 2.4, составляет 1 при уровне погрешности 50% и сравнимой величиной яркости объекта с яркостью просвечивающего лазера. Предельная величина поглощения канала разряда г, измеряемая по схеме рис. 2.5, составляет —5 при погрешности 50%, поскольку яркость лазера в выделяемом спектральном диапазоне приблизительно в 100 раз ярче канала разряда. Схема рис. 2.6 дает величину поглощения —1 при погрешности 50% (яркость источника Подмошенского сравнима с яркостью канала разряда). Измерение поглощения по схеме на рис. 2.4 вдали от канала разряда непосредственно по формуле 2.1 и сравнение результата расчета по обратному преобразованию Абеля [115,132] дает приблизительно одинаковую величину, что позволяет делать расчет по формуле 2.1. При измерении поглощения канала разряда (рис. 2.5, 2.6) рефракция сильно искажает изображение пятна просвечивающего источника. Яркость в этом случае определяется усреднением по всей площади пятна изображения, и поглощение определяется по формуле 2.1. Согласно анализу приведенных выше данных погрешность измерения яркостной температуры 25%. Измерения скорости движения фронтов, оптических неоднородностей и т.п. производились по данным скоростных оптических измерений по развитым в работах [108, 123,129] методам. В ряде случаев удается из теневых съемок получить количественные результаты по распределению плотности окружающего канал разряда газа. Поле углов отклонения определяется на основе анализа нескольких экспериментов, в результате которых определялись усредненные поля распределения яркости собственного свечения и максимальных углов отклонения. Распределение плотности окружающего канал дуги газа определялось из анализа теневых фотографий в предположении цилиндрической симметрии [130, 131]. При невысокой точности такие расчеты дают важные данные о распределении газа в объеме. Последовательный ввод изображения кадров с фотопленок в компьютер позволяет производить потоковую обработку экспериментальных данных. Появляется возможность визуализировать пространственное изменение параметров разряда во времени. Многие моменты, трудно различимые в статических фотографиях, отчетливо проявляются в динамике. Поэтому часть экспериментальных фотопленок для лучшего понимания физики разряда были анимированы, и на основе анализа полученных фильмов производились конкретные диагностические выводы.1. Экспериментальный стенд, имеющий в своем составе емкостный накопитель энергии с энергозапасом до 3 МДж, позволяет исследовать мощные газовые разряды в водороде, воздухе и др. газах. Для целей оптической диагностики используется модельный генератор плотной плазмы -диагностическая разрядная камера, использовавшаяся при следующих параметрах: длительность разряда 500 мкс, начальное давление газа О Л-4.0 МПа, ток до 500 кА, импульсное давление до 25 МПа. Система включает в себя возможность дистанционного управления, контроля и измерения. 2. Создан комплексный оптический диагностический комплекс для изучения плазменных явлений в сильноточном импульсном разряде высокого давления с силой тока свыше 100 кА наряду с электротехническими измерениями и измерениями давления. Оптическая диагностика включает в себя скоростную фотосъемку, скоростную теневую фотографию, измерение оптического поглощения, измерение яркостной температуры. Схемы методов методически обоснованы. Указанные методы взаимно дополняют друг друга, гарантируя достоверность полученных результатов. Ведущая роль при этом отводится теневому методу. О применении теневых методов к исследованию разрядов с указанными выше параметрами нам не известно. Разработанный комплекс диагностик позволяет проследить динамику разряда, изучить параметры газа, окружающего канал разряда, и непосредственно канал разряда, что дает возможность изучать разряд как целостную систему. 3. Система компьютерной потоковой обработки данных и визуализации измерений позволила получить ряд новых физических результатов, не обнаруженных ранее. Визуализация оптических измерений дает возможность проследить динамику изменения исследуемых параметров (таких, как температура, характер движения газа и пр.) во времени и пространстве и получить наиболее полную картину исследуемого явления.
Похожие диссертации на Исследование процессов в сильноточном разряде высокого давления, обусловленных электродными плазменными струями
