Введение к работе
Актуальность темы
Исследование процессов в плотных ионизованных газовых смесях актуальны для различных областей физики - газовых разрядов, газовых лазеров и лазеров на парах металлов, а также плазмохимии высоких давлений. Это связано как с необходимостью разработки мощных лазерных систем, возбуждаемых объемными разрядами, импульсными электронными пучками или продуктами ядерных реакций, так и созданием, эффективных плазмохимяческнх . технологий, в том числе, новых технологий очистки газообразных промышленных отходов от экологически вредных примесей.
Построение сложных лазерных устройств так же, как и разработка физических основ новых технологий, невозможна без глубокого пот.мания всей совокупности процессов, протекающих в ионизованных средах. Многообразие способов ионизации и состава применяемых газовых смесей диктуют необходимость рассмотрения тех или иных проблем в конкретных условиях.
Создание мощных лазерных систем возможно при использовании в качестве источников возбуждения сильноточных ускорителей электронов. Накачка в этом случае осуществляется либо непосредственно электронами пучка, либо в результате зажигания несамостоятельного разряда. Такие разряды обладают значительной устойчивостью объемного горения. Однако применение ускорительной техники усложняет создание іг эксплуатацию подобных систем, а также создает проблемы обеспечения специальной радиационной защиты от тормозного излучение.
Альтернативой является применение систем на основе самостоятельных объемных разрядов. В таких устройствах к газовому промежутку, в -котором предварительно с помощью ультрафиолетового излучения вспомогательных разрядов создана начальная концентрация электронов, прикладывается импульс напряжения с амплитудой, превышающей пробивное. Однородное зажигание разряда происходит за счёт процессов ионизационного размножения инициирующих электронов. Увеличение длины разрядного промежутка существенно повышает неоднородность начальных условий зажигания объемного разряда. Поэтому развитие систем с большими объемами газоразрядной плазмы, использующих самостоятельный разряд, требует детального понимания процессов, приводящих к формированию однородных разрядов.
Самостоятельные объемные разряды повышенного давления могут найти применение и для возбуждения лазеров на смесях паров металлов с газами. Использование плотных смесей позволяет реализовать новые, в частности, рекомбинационный, механизмы создания инверсной населенности.
Для накачки плотных парогазовых смесей, как правило, обладающих низким порогом возбуждения, применяются продукты ядерных реакций, что позволяет создавать мощные лазерные системы. Однако оперативное проведение исследований лазеров при ядерном возбуждении затруднено из-за понятных сложностей эксплуатации реакторов. Весьма привлекательным поэтому является экспериментальное моделирование ядерной накачки с 'помощью электронных пучков.
Освоение способов однородной ионизации значительных газовых объемов высокого давления стимулирует их применение для решения задач плазмохимии, в частности, проблем удаления токсичных примесей из воздуха. Исследования процессов в ионизованном воздухе представляли интерес, в основном, с точки зрения пробоя изоляционных промежутков. Однако развитие плазменных технологий как синтеза, так и деструкции различных химических соединений, приводит к необходимости исследования процессов в низкотемпературной плазме, создаваемой в атмосферном воздухе электронными пучками и объемными разрядами.
Цель работы состояла в исследовании процессов формирования и устойчивого горения самостоятельных объемных разрядов в смесях атмосферного давления, процессов в плазме плотных парогазовых смесей, приводящих к возникновению лазерной генерации, и установление закономерностей разрушения токсичных примесей в ионизованном воздухе.
Научная новизна
Основные результаты^ работы относятся к категории
полученных впервые. Наиболее важные из них:
1. Экспериментально изучена динамика формирования самостоятельного объемного разряда высокого давления при инициировании ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Определены условия зажигания однородного разряда в межэлектродных промежутках длиной в десятки сантиметров. Исследованы энергетические и спектральные, характеристики
объемного разряда в смеси пароп кадмия и гелия высокого давления.
-
На примере гелий-кадмиепого лазера высокого давления показано, что для экспериментального моделирования лазеров с ядерной накачкой можно использовать импульсные электронные пучки с эквивалентной мощностью накачки. Выполнено такое экспериментальное моделирование, и впервые получена ультрафиолетовая генерация на ионе кадмия при квазистационарной накачке.
-
Проведены систематические экспериментальные исследования процессов удаления окислов серы из воздушной смеси, ионизуемой импульсными электронными пучками и объемными разрядами. Показано наличие оптимальных плотности тока и длительности импульса электронного пучка, а также напряженности внешнего электрического поля.
4. Обнаружены два режима удатения примеси сероуглерода из
. ионизованного импульсными электронными пучками и
несамостоятельными объемными разрядами воздуха,
отличающихся как процессами деструкции сероуглерода, так и конечными продуктами.
5. Показана возможность применения иинульсньгх электронных
пучков для удаления из воздуха примесей органических веществ.
Положения, выносимые на защиту
1. Формирование^ самостоятельного объемного разряда происходит при инициировании начальных электронов в объеме газового промежутка. В случае инициирования электронов на поверхности катода в промежутке на стадии запаздывания пробоя формируются нитевидные каналы. Вследствие конечной длительности фронта шїпульса напряжения при объемном инициировании вблизи катода возникает зона, в которой плотность электронов мала и недостаточна для перекрытия электронных лавин. В этой зоне формируются нитевидные каналы, являющиеся зачатками, искровых. Исключить это явление можно', производя засветку промежутка в течение всей длительности фронта питающего импульса.
2. Для инициирования самостоятельного объемного разряда в больших межэлектроднмх промежутках целесообразно использовать рентгеновское излучение с максимальной энергией квантов 20 - 40 кэВ. В этом случае на длине в десятки сантиметров создается
равномерное распределение начальных электронов, концентрация которых равна 10 7 - 109 см~3, что достаточно для формирования однородного разряда. Объемный разряд, инициируемый таким рентгеновским излучением в смесях COj- N2- Не атмосферного давления, устойчиво загорается при длине разрядного промежутка до 20 см. Достигнута длительность горения разряда 1 - 1,5 мке при удельном энерговкладе до 0,2 Дж/см3.
-
В смесях инертных газов с парами металла, в частности, в гелий - кадмиевой смеси, самостоятельный объемный разряд имеет две формы горения: слаботочную и сильноточную: В последнем случае в промежутке наблюдаются многочисленные диффузные каналы, имеющие привязку на катоде к катодным пятнам. При этом реализуются энерговклады до 1 Дж/см3, и длительность горения разряда превышает 1 мкс. Такой объемный разряд может быть использован для накачки лазеров на парах металлов.
-
На примере гелий - кадмиевого лазера высокого давления показано, что для экспериментального моделирования лазеров с ядерной накачкой можно -использовать импульсные электронные пучки. Выполнено такое моделирование лазера с ядерной накачкой на ионе кадмия, генерирующего излучение с длинами волн 441,6 им и 325,0 им. Экспериментально выявлена причина отсутствия ультрафиолетовой генерации при квазистационарной накачке. Впервые в условиях квазистациоиарного возбуждения получена лазерная генерация на длине волкы 325,0 нм, что стало возможным благодаря добавкам в рабочую смесь малых количеств четыреххлористого углерода.
-
Применение импульсных электронных пучков с повышенной плотностью тока позволяет, б отличие ст непрерывных,' реализовать более эффективный процгес удаления окислов серы из дымовых газов. Повышение эффективности достигается за счет такой организации плазмохимических процессов б ионизованном воздухе, при которой возможно осуществление цепного механизма окисления SO2. Управление длительностью импульса к плотностью тока импульсного пучка электронов, позволяет реализовать оптимальный режим очистки газа при этом достигается высокая степень очистки до 90% и минимальное значение затрат энергии на удаление одной токсичной молекулы - до 0,7 эВ/мол, что более чем на порядок меньше реализуемых при использовании непрерывных пучков величин. Возможна интенсификация цепного процесса удаления SO2 с малыми затратами энергиии за счет зажигания в облучаемом
объеме -несамостоятельного разряда с низкой напряженностью электрического ноля.
Состав облучаемого газа влияет на процесс его очистки от окислов серы. В зависимости от содержания SOj возможна реализация как нецепного механизма окисления, для которого характерно малое количество удаляемых молекул и высокое значение затрат энергии, так и цепного с типичными для него затратами энергии в единицы эВ/мол.
6. В плазме, создаваемой импульсными электронными
пучками, эффективно протекают процессы деструкции сероуглерода.
Реализованные затраты энергии ~ 1 эВ/мол существенно ниже
энергии диссоциации молекулы СБд. Наложение внешнего
электрического поля с низкой напряженностью ~ 30 - 40 В/см
приводит к уменьшению затрат энергии в 1,5 - 2 раза. Обнаружены
два режима удаления примесей сероуглерода. При использовании
сильноточных объемных разрядов, инициируемых электронными
пучками, реализуется цепной механизм окисления CS2 с
образованием окислов серы и углерода. Применение слаботочных
разрядов, контролируемых электронным пучком, позволяет
реализовать механизм полимеризации сероуглерода с образованием
конечного продукта в виде твердого порошка.
7. Импульсные электронные пучки могут эффективно
применяться для очистки воздуха от примесей органических
соединений. В плазме, создаваемой такими пучками, возможна
реализация реакции полимеризации, при этом конечные продукты
образуются в твердом виде.
Практическая ценность работы
На основе полученных в диссертации результатов предложен перспективный путь решения проблемы зажигания самостоятельных объемных разрядов в больших межэлектродных промежутках, заключающийся в использовании для предварительной ионизации газовой смеси рентгеновского излучения невысокой энергии. Исследования, выполненные в парогазовых смесях, свидетельствуют 6 правомочности моделирования ядерной накачки электронными пучками, что позволяет значительно сократить время и затраты на исследования лазеров с ядерной накачкой. Указан простой путь создания ультрафиолетового лазера _ на ионе кадмия ' с ядерной накачкой. Созданы предпосылки для разработки экономичной электрофизической технологии очистки воздуха от токсичных
органических и неорганических примесей с помощью импульсных электронных пучков и несамостоятельных разрядов.
Публикации н апробация результатов работы
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по физике газового разряда (1982, Махачкала; 1984, Тарту; 1988, Махачкала; 1990, Омск; 1992, Казань), Всесоюзной конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряжённых частиц (1991, Свердловск), Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (1990, Свердловск; 1992, Екатеринбург), Всесоюзном семинаре по лазерам иа парах металлов и их применению (1989, Новороссийск; 1991, Сочи), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике КиНО-91 (1991, Ленинград), Всесоюзной конференции по импульсным лазерам иа переходах атомов и молекул (1992, 1995, Томск), Межотраслевом семинаре по лазерам с ядерной накачкой (1989,- Челябинск - 70), Международной конференции "Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой" (1992, Обнинск), International Conference on Phenomena in Ionized Gases (1983, Dusscldorf, Germany; 1985, Bucharest, Romania; 1993, Boehum, Germany; 1995, Hoboken, USA), International Conference on High Power Particle Beams (1992, Washington, USA; 1994, San Diego, USA), International Symposium on High Power Lasers (1991, Los Angeles, USA), International Conference on Lasers (1994, Quebec, Canada), International Symposium "Novel Application of Lasers and Pulsed Power" (1995, San Jose, USA), International Conference on Plasma Science (1995, Madison, USA), а также на семинарах в Институте сильноточной электронике СО РАН, Томск, Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики, Сиежинск, Институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 55 печатных работах, из которых 34 - статьи в центральной печати.
Структура и объем диссертации
