Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы по электропроводности слабоионизо-ванной плазмы щелочных металлов 6
Глава II. Труба адиабатического сжатия для генерации идеальной плазмы щелочных металлов 15
2.1.Метод адиабатического сжатия 15
2.2.Конструкция установки 17
2.3.Диагностическое оснащение установки 24
2.4.Измерение начальных параметров паров щелочных металлов 26
Глава III. Измерение параметров плазмы щелочных металлов на изэнтропе сжатия. 30
3.1. Регистрация плотности плазмы 30
3.2.Регистрация электропроводности плазмы. 33
3.3.Оценка степени изэнтропичности процесса сжатия 37
Глава ІV.Экспериментальные результаты и анализ полученных значений электропроводности 42
4.1. Обсуждение вопроса о возможной конденсации 42
4.2.Определение термодинамических параметров на изэнтропе сжатия. 46
4.3.Погрешность измерений. . 51
4.4.Результаты измерения электропроводности 54
Заключение . 59
Литература . 61
Таблицы 75
Рисунки. 77
- Обзор литературы по электропроводности слабоионизо-ванной плазмы щелочных металлов
- Труба адиабатического сжатия для генерации идеальной плазмы щелочных металлов
- Регистрация плотности плазмы
- Обсуждение вопроса о возможной конденсации
Введение к работе
Возросший в последнее время интерес к исследованию электрофизических свойств неидеальной плазмы связан с разработкой ряда перспективных энергетических устройств, действие которых основано на высокой концентрации энергии в плотных средах. К таким устройствам относятся магнитогидродинамические генераторы, газофазные ядерные реакторы, взрывные магнитокумулятивные генераторы, установки импульсного управляемого термоядерного синтеза, плазменные двигатели, устройства плазмохимической промышленной технологии и т.д. Плазма высокой плотности возникает так же при воздействии концентрированного лазерного излучения, мощных ударных волн, электронных пучков на конденсированное вещество и во многих других ситуациях. для физического анализа и оптимизации таких процессов необходима детальная информация о кинетических коэффициентах плотной высокотемпературной среды в промежуточной между жидкометаллической и газовой области параметров. Кроме, того, исследование физических свойств неидеальной плазмы представляет значительный общенаучный интерес, позволяя проследить за изменением характеристик вещества в обширной и крайне труднодоступной для теории и эксперимента области фазовой диаграммы.
Электропроводность плазмы щелочных металлов, хорошо изучена в предельных случаях малых плотностей для хаотического распределения слабовзаимодействующих частиц, где применима модель газовой плазмы, и в случае конденсированных сред, где большое количество экспериментов удовлетворительно описывается методами зонной теории и псевдопотенциальными моделями.
При промежуточных плотностях, в условиях сильного межчастичного взаимодействия, адекватные кинетические уравнения пока не сформулированы, а предлагаемые модели предсказывают появление принципиально новых физических эффектов типа кластеризации, металлиза- - 4 -ции и образование плазменных фаз.
Поэтому в этой области основное внимание уделяется экспериментальным исследованиям и построению на их основе модельных приближений.
Б тоже время экспериментальное изучение свойств плазмы в этой области фазовой диаграммы связано с серьезными трудностями, обусловленными, в частности, отсутствием подходящих методов диагностики ввиду оптической непрозрачности такой плазмы и условностью разделения электронов на свободные и связанные. Эти трудности в разной степени удалось преодолеть лишь в последнее время, в результате чего сформировалось два выраженных направления: электрические и динамические методы генерации плазмы. В первом из этих методов плазма возникает в результате джоулева нагрева вещества при пропускании через него мощных импульсов электрического тока, во втором -ударно-волнового или адиабатического сжатия.
К началу настоящей работы имелось крайне ограниченное количество экспериментальных результатов по электропроводности в данной области термодинамических параметров. Статистические эксперименты ограничены термостойкостью конструкционных материалов ( Т 2500К), а данные по ударно-волновому сжатию и изобарическому взрыву проводников выходят за интересующую нас область температур и давлений (Т > 4 I03K, Р = 4 * 10 МПа).
Цель настоящей работы состояла в экспериментальном исследовании электропроводности плазмы щелочных металлов в слабоизученной ранее области термодинамических параметров.
Для этого создана установка адиабатического сжатия, позволяющая проводить исследования электропроводности плазмы щелочных металлов в диапазоне температур Т = 2,0 I03 4-4,5 I03 К и давлений Р = I * 15 МПа и проведены измерения электропроводности плазмы щелочных металлов в этом диапазоне, который с одной стороны непос- _ 5 - родственно примыкает к области, исследованной статическими методами, с другой - к области динамических экспериментов.
Проведен экспериментальный анализ влияния возможной конденсации паров щелочных металлов на измерения плотности и электропроводности. Определены значения электропроводности вдоль изобар цезие-вой плазмы в диапазоне Р = 2 * 12,5 МПа, уточнены известные результаты стационарных экспериментов.
Полученные данные по электропроводности могут быть использованы для создания теоретических моделей электронного переноса в неидеалъных неупорядоченных средах.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов.
Б первой главе дается краткий обзор современных теоретических представлений по электропроводности неидеальной плазмы щелочных металлов. Рассмотрены экспериментальные методы и результаты исследований, полученные в статических и импульсных экспериментах.
Во второй главе рассмотрен метод адиабатического сжатия паров щелочных металлов,описана конструкция установки и ее диагностическое оснащение. Определены параметры плотной плазмы щелочных металлов, реализуемые в условиях эксперимента.
В третьей главе описаны примененные в настоящей работе методы регистрации плотности и электропроводности в процессе адиабатического сжатия паров щелочных металлов и приведены оцененки степени нарушения изэнтропичности процесса сжатия.
В четвертой главе обсужден вопрос о возможной конденсации паров на стенки измерительного объема и ее влияния на измерение электропроводности, о точности расчета термодинамических параметров на изэнтропе сжатия. Приведены результаты измерений термодинамических параметров и электропроводности, проведено сравнение с экспериментальными и расчетными результатами по электропроводности с данными других авторов.
В заключении представлены основные выводы данной работы.
Обзор литературы по электропроводности слабоионизо-ванной плазмы щелочных металлов
Электропроводность плазмы, в которой межчастичное взаимодействие слабо (идеальная плазма), исследована достаточно подробно /1,27. Изучению влияния неидеальности на физические свойства плазмы, активно проводившемуся в последнее десятилетие, посвящено значительное количество обзоров и монографий (см.например /3-67).
Основные результаты экспериментального исследования электропроводности плазмы в условиях сильного взаимодействия в области температур Т . 2000 К и плотностей ҐІ = І019 - І022 см" 3 получены для цезия, т.к. он имеет наинизший потенциал ионизации / IQ% =3,89эВ/ из практически доступных металлов, что позволяет получать высокую концентрацию зарядов при умеренных температурах и обеспечивает тем самым значительную величину параметра неидеальности при относительно невысоких энерговкладах в изучаемое вещество.
Эксперименты проводились при стационарном омическом нагреве измерительных ячеек в печах /7, 8, 9/, при импульсном джоулеве нагреве цезиевой проволочки /10,117, на цезиевой ударной трубе /12/ и при изэнтропическом сжатии паров цезия /13,147.
Область исследования цезия стационарным методом ограничена температурой Т Г 2200 К из-за низкой химической стойкости используемых материалов ячейки /в основном керамики/ при воздействии агрессивного при высоких температурах цезия, и вследствие увеличения электропроводности изоляционного материала при нагреве.
Труба адиабатического сжатия для генерации идеальной плазмы щелочных металлов
Для построения единого уравнения состояния и проверки ряда существующих теорий во всем диапазоне возможного существования не-идвальной плазмы необходимы исследования методами, перекрывающими всю эту область, т.е. статическими и импульсными. Метод адиабатического сжатия сравнительно недавно используется для исследования теплофизических и переносных свойств плазмы в области, трудно доступной для статических экспериментов (Т 2500К) и импульсных методов (Т / 4000К). Основа метода состоит в том, что предварительно подогретые пары щелочного металла в цилиндре быстро сжимаются поршнем, при этом происходит адиабатическое повышение давления и температуры газа.
В отличие от ударно-волнового, такое сжатие изэнтропийно при условии незначительности теплоотвода и отсутствии ударновол-новых процессов и конденсации плазмы на стенках устройства.
Первые варианты адиабатических труб представляли собой ружье, в котором герметически закрывался выходной торец ствола. Установки такого типа предназначались для создания высоких давлений и температур и появились в двадцатых годах.
Существенными в развитии техники адиабатического сжатия стали работы Ю.Н.Рябинина /52 - 55/. Установка имела следующие технические данные: внутренний диаметр 25,62 мм, длина рабочей части ствола 365 мм, начальный объем сжимаемых газов 187,5 см3, вес поршня 187 г, зазор между поршнем и стволом 0,01 - 0,02 мм.
На установке получили давление до I03 МБа. Время движения поршня от нижней мертвой точки до верхней составляло около 0,01с.
Осуществлялось сжатие аргона, азота, воздуха. Исследовано влияние температуры и давления на электропроводность газов, особенности свечения газов при высоких температурах и давлениях.
Труба адиабатического сжатия для генерации идеальной плазмы щелочных металлов
Регистрация плотности плазмы
Плотность плазмы измерялась в процессе сжатия методом импульсной рентгенографии /"47, 68, 747, основанным на регистрации прошедшего через плазму "мягкого" рентгеновского излучения.
Ввиду того, что поглощение рентгеновского излучнния осуществляется при возбуждении внутренних электронных оболочек /73/, характер поглощения при неизменной плотности практически не зависит от температуры, внешнего давления, степени ионизации и прочих макроскопических параметров, за исключением случаев экстремально интенсивных внешних воздействий, приводящих к заметному смещению внутренних энергетических уровней, либо к ионизации с этих уровней.
Обсуждение вопроса о возможной конденсации
Ошибка в измерениях электропроводности индукционным методом может существенно зависеть от погрешности, вносимой возможной конденсацией паров щелочного металла на стенки керамического датчика и измерительного объема.
Толщину пленки конденсата жидкого щелочного металла іїпл можно оценить сверху /50/, где для толщины пленки конденсата на поверхности цилиндра получено материала датчика ( г (/з ) взятые из работы /867, Tus - начальная температура стенок, Тнйс(Р)- температура насыщенного пара в докритической области или температура, при которой происходит резкое изменение проводимости в закрити-ческой области /20/, І. - длительность процесса, &ппл.к - удельная энтальпия перехода плазмы в жидкость. В условиях эксперимента Т w = 1150 К, І 5 Ю"3С, при Р = 20 МПа и Т = 3000 К, $м 0,01 см, т.е. существенного влияния на термодинамическое состояние паров она не имеет.
Однако, независимое определение концентрации (рентгеновское просвечивание) и объема (индукционный датчик перемещения), позво - 43 -ляют более четко оценить степень конденсации паров щелочного металла на стенки датчика проводимости. Так, при определении концентрации частиц по поглощению "мягкого" рентгеновского излучения, результаты будут существенно различны для случаев, когда пары щелочного металла занимают равномерно весь объем или когда они конденсируются на стенках.
Можно показать, что во втором случав поглощение рентгеновского излучения будет меньше, чем в первом случае, когда пары равномерно занимают весь объем.
