Введение к работе
Актуальность тегж.
Одним из интенсивно развивающихся направлений в физике плазмы в последние года остается изучение физических процессов в плазмодинамических разрядах, в частности, в плазменных струях, инжектируемых в плотный" газ. Интерес к этим исследованиям обусловлен прежде всего широкими возможностями использования направленных плазменных потоков для решения целого ряда фундаментальных физических и прикладных задач. Сюда можно отнести Еопросы формирования и природы устойчивых долгокивущих плазменных образований, имеющие непосредственное отношение к решению проблемы шаровой молнии, сохранения и транспорта энергии в пространстве, получение сверхскоростных плазменных потоков с малой расходимостью, обусловленных большой осевой составляющей скорости потока.
. Кроме того, весьма широк и диапазон возможных практических применений плазменных струй в науке, технике и технологии. Это -вопросы, связанные с разработкой и созданием мощных источников излучения ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов спектра, использование плазменных потоков для различных технологических целей (плазменная металлургия, обработка поверхности металлов и диэлектриков, нанесение различного типа покрытий на поверхность), разработка плазменных движителей, моделирование условий сильного взрыва и т.д.
При этом надлежащим выбором плазмообразующего вещества, плотности плазмы, конфигурации электродного узла источника, параметров разрядной цепи, сорта и давления окружающего газа можно получать плазму в потоке с заданными параметрами -определенным химическим составом, температурой и концентрацией заряженных частиц.
В данной работе осноеноє внимание уделено изучению физических механизмов, способствующих формированию и получению высокоскоростных плазменных потоков в плотном газе - воздухе нормального давления и физическим закономерностям дозвуковых ламинарных плазменных струй в воздухе, формирующихся в условиях длительного энерговклада в разряд.
Актуальность темы исследований определяется, с одной стороны, необходимостью дальнейшего углубления наших знаний ос основных физических закономерностях, присущих плазменным струяь в плотных газовых средах, с другой - выяснению возможностеї управления параметрами плазмы с целью достижения оптимальны? режимов ее работы в различных технологических процессах.
Целью работы являлось получение достаточно полного набор: данных об особенностях формирования, динамики и структурі плотных плазменных струй в воздухе нормального давления, генерируемых импульсными плазмотронами различных типов, а также анали: работы коаксиального инжектора плазмы с коническими электродам] с целью выяснения влияния его конструктивных особенностей Ні процесс формирования высокоскоростных плазменных потоков.
Научная новизна определяется совокупностью новых физически результатов, полученых в работе. В ней впервые:
-
детально проанализированы условия работы кумулятивного им пульсного плазмотрона с конической геометрией электродов предложена физическая^модель светоэрозионного плазмодинами ческого источника высокоскоростных плазменных потоков;
-
экспериментально показана возмсжкость форьсгревания високе скоростных плазменных потоков в воздухе за счет ионизащ;
газа вблизи сопла кумулятивного плазмотрона непосредственно перед вылетом плазмы нарушу;
-
изучена динамика и структура гиперзвуковых скоростных плазменных потоков в воздухе и определены параметры плазменной струи;
-
тщательно исследовано формирование, динамика и структура ламинарных, дозвуковых плазменных струй в иоздухе при длительном энерговкладе в разряд, определены пространственно-временные распределения параметров плазмы струи;
-
показано, что воздействие ламинарной плазменной струи на поверхность металлов носит тепловой характер.
Практическая ценность работы определяется рядом перспективных применений импульсных плазменных струй в новых устройствах и технологиях, а ноЕые научные результаты существенно дополняют физическую картину эволюции импульсных плазменных струй.
Основные положения, выносимые на зашиту.
1. Теоретический анализ процессов в коническом плазмотроне
на стадии слабого эрозионного Еыхода частиц с поверхности
электродов свидетельствует о возможности существенного
ускорения плазмы в разрядном канале и бозмоязюсти получения
сверхскоростных плазменных потоков в плотном газе.
2. Процессу генерации плазменной струи в коническом кумуляти
вном плазмотроне сопутствует Еысокоинтенсивное широкополос
ное излучение, в поле которого возникает нелазерный опти
ческий разряд, развивающийся в воздухе в области вблизи
сопла плазмотрона и способствующий значительному увеличе
нию скорости потока плазмы на начальной стадии развития
разряда.
-
Газодинамическая структура течения гиперзвукового плазменного потока сильно изменяется со временем. Начальная скорость плазмы, в значительной мере, определяется начальными параметрами (скоростью изменения энерговклада, эрозионной способностью диэлектрика, размером сопла плазмотрона).
-
Ламинарное истечение плазмы в воздух из капиллярного инжектора при длительном энерговкладе приводит к формированию устойчивых плазменных струй, имеющих характерную "кинжальную" форму с параметрами пе< 5-Ю16, Т < 104 К. Отличительной особенностью такой плазменной струи является наличие узкой, протяженной зоны, расположенной в центральной части струи, так называемого "керна", (г =* 2 мм, z * 20 мм), значение электронной плотности в котором более чем на порядок величины превосходит ее значение в периферийной области.
-
Воздействие дозвукового плазменного потока на поверхность металлических образцов носит тепловой характер и аналогично, в первом приближении, наличию на поверхности образца "точечного" теплового импульсного источника.
. Апробация результатов. Материалы, содержащиеся в диссертационной работе докладывались и оОсувдались на II Всесоюзном Симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1991 г.), на XXIV научной конференции факультета физико-математических и естественных наук Университета Дружбы Народов им. П.Лумумбы (Москва, 1991 г.), на научных семинарах лаборатории физики плазмы кафедры физической электроники физического факультета
МГУ.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях в научных журналах и 3 тезисах докладов в трудах научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав, содержит 106 страниц машинописного текста, 49 рисунков, библиография включает в себя 110 наименований.
