Введение к работе
Исследования физико-химических процессов происходящих в эерхзвуковых потоках газа плазмы вызывают большой интерес как с ^ндаментальной точки зрения, так и для большого числа прикладных і дач. Большинство кинетических процессов протекающих в высоко-їнпературнон релакснрующем газе сопровождается интенсивный излу-эняем во всех областях спектра. Изучение интенсивности и структу-4 спектра позволяет получать реальные значения заселенностей ітическн активных состояние как атомов, так и молекул.
Особый интерес в наибольшую сложность представляет изучение эравновесных процессов при формировании сверхзвуковых высокоэн-ільпийкьіх струй газа п плазмы. Оно связано как с исследованием эст&ционарных газодинамических явлений, так и с исследованием »зличных радиационных рекомбинацнонных процессов.
Актуальность исследования неравновесных радиационных и
жокбннацнонных процессов при формировании недорасширенных струй іределяетея в первую очередь необходимостью разработки модельных ісчетов газодинамических термодинамических параметров инпуль-кых струйных течений, о также получением знания о кинетики армирования населонностей отдельно взятых уровней рекомбинирующих гомов я ионов в сверхзвуковых стру.ях. Практическое использование го находят в разработке газодинамических и плазнединамических Озеров, в создании инженерных расчетов выхлопных струй ракетных багателей на нестационарном режиме работы.
Цвлью работы явилось экспериментальное исследование неравм-actkix процессов с участием электронно-возбужденных состояний томов а ионов а высокотемпературных сверхзвуковых потоках.
Дли достижения этой цели были поставлены следующие задачи; . Разработка а создание комплекса экспериментальной аппаратуры и тоже» диагностики для локального измерения плотностей, онцентрацай а засоленностей электронно-возбужденных состояний в ипульсных струях.
Анализ особенностей процесса формирования газодинамических азрывов а сверхзвуковых струях.
Применение спектроскопической диагностики для регистрация и нализд неравновесных распределений электронно-возбужденных
состояний атомов к ионов.
4. Разработка и, применение метода резонансного поглощен!
лазерного излучения для исследования процессов ионизации
рекомбинации,в аргоне.
5. Исследование я., анализ энергорбменных процессов атомов шелочно і
металла с втокани инертного газа в высокотемпературных газовъ
потоках.
в. Экспериментальное нсследовение кинетики электронно-возбуклета состоянии:, атомов и ионов пра электрон-яонной рекомбинации высокотемпературных струях Аг с примесью Na.
Научная новизна работы состоят в следующем:
-
Разработан и,: создан комплекс, электронно-пучковой дпагностиі нестацяонарныхяпотоков разреженного газа, позволяющий производя! непрерывные, из,иеренил плотности, концентраций я заселенності электронно-возбужденных уровней в импульсных струях как приосевой, так и в периферийных' областях потока.
-
Впервые измерено распределение плотности в нестацяонар» струях эмиссионно-пучковым методом при одновременных измерение плотности методом поглощения электронного пучка.
-
Получены эмпирические уравнения движения стартовых разрыв' (первичной ударной волны, < фронта истекающего газа, вторячю ударной волны) при запуске недсрасояреннон струя в обобщенна координатах, обобщающие все экспериментальные результаты.
-
Впервые применена резонансная лазерно-абсорбционная спектро копия для исследования процессов ионизации я рекомбинация Аг высокотемпературных газовых потоках.
-
Впервые обнаружена инверсная заселенность на 4р'-4е' перехо irl в неравновесно-рекомбиннрующей струе, измерен коэффяцпе усиления на длине волны 852 им я его зависимость от параметрі потока.
6. Впервые экспериментально определено распределение заселенно
тэй уровней нона я атона аргона в неравновесно-ионизованной струї
Получены экспериментальные результаты по температурам заселен:
электронно-возбужденных состояний в Arl, Aril я температу;
2 '"'- заселення состояния 3 Р Na, которые дают информацию о поуровнев
распределения энергии в процессе реконбинацни>?ударно- нагрет
струе аргона.
Научная и практическая ценность работы определяется тен, что йдены обобщенные газодянакические закононерностн описывающие оцесс формирования струи, исследована кинетика процесса заселе-я отдельных электронно-возбуялаиных уровней атока и иона аргона,
также естественной принеси натрия в неравнозесно-реконбиннру-;пх струях и найлоны условия возникновения инверсной заселенности
длина волны 852 ни перехода 4p'-4s' Arl.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и суждалясь на II я IY школах-конференциях "^Кинетические и газо-наначеские процессы в неравновесных средах" (Москва, 1984, 88), на IY Всесоюзной школе-конференции по «вюдаи азрофязячес-ж исследований .(Нодесдабгузск, 1ЭЕ6), інз Х я X Всесовзных нференциях по др.аамнка раз(реікв>нньк газов '.(Са-а>ялозск, 1987, скза, 1989), «а XI Международном симпозиуме по герани» (Варшава, 87) , на III Всесоюзной конференции молодых исследователей ктуальныэ вопросы теплофизики и физической гидрогазодянамакя" овосябирск, 1989), на III Всесоюзной соэещании "Физика в зодвнамика ударных волн" (Владивосток, 1939), на XY Всесоюзной ;t и.чар о по газовым струям (Ленинград, 1990), на XIII ждународном симпозиуме по динамике взрыва я реагяруащах сястен агайя, ІЗЗІ), а также на конференциях НФТИ, НВТАН, МГУ, ИТФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, исок которых приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из введення а четырех глав. Полный объем ссвртацни составляет -/62 страниц, в том числе ^/страниц текста, Z рисунков, 2 таблицы я список литературы, содержащий -/vt? цяановашів.
Во ВВЕДЕНИИ сформулирована постановка задачи и основные ложаная вынасмиыо на защиту.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ представлен обзор основных результатов по сперннентальному я теоретическому изучении особенностей зодянамических, кинетических и радиационных процессов в дорасширонных струях. Показано, что для исследования зико-хинкческих процессов происходящих при формировании струи обходимо надежное знание распределения газодинамических и ірмодинакнческнх параметров в истекающем газе.
Сопостаг.чинив ранее проведенных экспериментальных ланных по
исследованию нестационарных процессов при запуске недорасширенны: струй с численными расчетами [1] проведенное в работе (г], выявит достаточно хорошее согласие, что позволяло проводіть качественны! оценки реальных параметров импульсных струй, однако получении) экспериментальные данные охватывают далеко не весь діапазої нерасчетностей, вида исследованных газов, мерности потоков ялі надежного анализа неравновесных процессов в лабораторных импульсных струях необходимо иметь непосредственную ннформацив о газодинамических параметрах в исследуемых режимах. Поэтому в предлагаемой диссертации были проведаны самостоятельные экспериментальны) исследования по уточнению газодинамических закономерностей прі формировании недорасширенкых струй, используемых для изученяі неравновесных радиационных и рекомбанационных процессов.
Проведен обзор работ по исследованию неравновесных процессов, происходящих при ионизации и рекомбинация в потоках высокотемпературного газа. Отмечено, что протекание этих процессов неизбежні приводит к отклонению от равновесия в функціях распределения высоковозбужденных энергетических состояний частиц газовоп потока. Одним из важнейших проявлений этого процесса являете) неравновесное излучение электронно-возбужденных атомов и ионов.
В представленной обзоре показано, что при разлете плазмі происходит «замораживание» степени ионизация в рекомбннирумдеі струе и может происходить вознлкновение кваз«стационарной инверсии, обусловленное быстрым радиационным распадом нижних рабочвд уровней. Пря этом электронная температура и температура тяжелы] частиц значительно превышают поступательную температуру потока.
Описана схема численного иоделсрованпя процессов определяют*] формирование функції распределения частиц в рекомбиняруютеи поток» аргона. Представленная схема к проведенные по неб расчет* выполненные Шумовой В. В. использованы для анализа полученных і диссертации экспериментальных результатов {Ей.-12].
Во LГОРОЙ ГЛАВЕ дан обзор к проанализированы различные метою электронно-пучковой диагностики. Описан разработанный и создании! на стенде "ИРИС" ИВТ АН комплекс электронно-пучковой диагностики, включающий в себя систему формирования электронного пучка, систем} вакууиярования электронной пушки, евстеиу регистрация тока пучка, систему регистрации излучения и систему евнхронизацнп регистрирующей аппаратуры (ряс. П.
Истечение газа происходит через осесиииетричное звуковое
Рас. I. Зкспвркнонтаяыгая установка "НРНС" для электронно-пучковой а) я спектроскопической б) деегностякя янпуяьсвызе'струа. 1-ударная труба, 2-плоская камера, 3-ивлввоа сопло, 4-Люмен, 5 - рекокбанируиі^ая струя, в-фяльтры, 7-*эу, 3-осниллографы С9-8. 9 - IBM-AT-28S
сопло г#«С,25 мм, отделенное диафрагмой от вакуумної камеры, система откачка которой создает разрежение ю"2-ю"3торр. Координатное устройство позволяет располагать сопло на различных расстоянаях от дтагностаческого электронного пучка, пересекающего исследуемую импульсную струе
Созданные комплекс аппаратуры позволяет производить непрерывные измерения плотности, концентрации к засоленностей электронно-возбужденных уровней в импульсных струях в теченаа всего рабочего времена установка от начала истечения до возмущения состоянвя газа у торца трубы, т. е. в теченхя - 1000 мне. Система
регистрации «злученая обеспечивает пространственное разрешение не
3 хуже 1 мм при временном разрешении не менее 1-3 икс. Созданная
аппаратура позволяет проазводать язмеренае концентрация а
засоленностей в диапазоне 10 -10 см с точность» 20-30%.
Регистрация тока пучка позволяет, используя метод поглощения, производить независимые измерения плотности потока в пределах от 10-Ю см . Координатное устройство и устройство для перемещения сопла дает возможность производить измерение по всему полю течения, как в праосевой, гак в в перефирхйных областях потока.
Для количественных измерений плотностей я концентраций проведена серия калибровочных экспериментов с медленным (за 2-5 сек) наполнением барокамеры при непрерывной регистрации давленая, тока на коллекторе и интенсивности излучения, вызываемого электронным пучком в газе. Согласно калибровочным экспериментам определена манакальная величина регистрируемых концентраций для интегрального'
метода поглощения электронного пучка п. = 7,5-10 си . Нижний предел концентраций, регистрируемых в локальных энясснонно-пучковых измерениях в интегральной полосе 6А«2000 > 6S00 Я в Аг составил Пщіп-5>6-113 си~3' а в «ИНН* А-4880 і 10 Я » Аг пФ =31014 си , верхний предел по всем методам составлял п_^« Ю см .
На стенде "ИРИС* впервые с использованием локальной эмнесаон-но-пучковой диагностами при одновременной регистрации поглощения электронного пучка был исследован процесс формирования струй азота а аргона, истекающих в пространство с давлением Рю ~ 11+S) 10" Торр. при параметрах торможения PQ « 5+6 атм, TQ» 300 К. Рассматриваемые значения нерасчетностя N « 10 и геометрия течения. определяемая диаметром сопла, охватывают ранее неисследованный диапазон определяющих параметров.
Совокупность полученных данных дала возможность проаиалязи-
ровать динамику заполнения фонового пространстве и распределения плотности вдоль оси струи.
Для анализа динамики развития струи в пери&оряйной зоне были проведены измерения плотности в двух поперечных сечениях потока на расстояниях X » 5мм к I « 54им от среза сопла. На расстояния Х»5мм пзнороняя проводились как локальным эниссяонно-пучковык методом, так и методом поглощения электронного пучка с последующим решением интегрального уравнения Абеля.
На рис.2 с левой стороны представлены полученные таким образом распределения плотностей в Аг и N. в различные моменты' времени, а с правой стороны - распределение плотности в этом же сечении в те же моменты временя, полученные по эннссяокно-пучковым измерениям.
Сопоставляя полученные различными методами результаты, можно отметить, что в азоте лучше согласуется данные для начальной стадия течения, а в аргоне блазкння оказались распределения, соответствующие более поздним моментам временя. Большие значения плотностя на ося струя полученные по поглощению электронного пучка в начальные моменты временя в Аг, чем значения плотностя полученные локальным методом, могут явиться следствием осевой ассямнетряя струи, что наблюдалось в работе [3]. Кроме того плотность на ося формирующейся струя в азоте для х/г# » 20 яэменяется со временем но монотонно. Максимальное из приведенных на рис. 2 значение р /ри достигается для 14мкс 1р/р * 500), а затем оно падает до - 430*420 р для 19мкс - 320+260 р - для 85мк'.-. В Аг не получено подобной немонотонности. Плотность на ося растет со временен как для х/г, « 20, так я в более далекой зоне течения. Причиной этой немонотонности может быть возникновение вторичной ударной волны в Н_ уже на близком расстояния от среза сопла, в то время как в Аг на таком расстояния вторячная волна еще не сформировалась.
Полученные распределения определяют общуа геометрию струя, формирование боковых висячих скачков я характер изменения плотности в приосевой зоне - прохожденвя участка уплотнения в N, и плавное нарастание плотности в Аг.
Данные, полученные по динамике движеняя характерных неодно-родностей вдоль ося потока, дают возможность определкть масштаб времени распространения всей нестационарной сталям течения.
На установке "Диоген", любезно предоставленной Голубом В. В. и
to to Ряс. 2. Распределена» пдотяостя і и2 я а Аг в различные кохввты
времена> справа - получение» па зкяссхоішо-пучковым квмере-
кимі слова - полученное путвк чвсявнного реаенхя уравнения
_хбала для яктягрального погаочавяя пучка
іЛ4*
Рве. 3. Сопоставление обобцаввшх «аввеккоетев для фронти истекающего ґава
Шульнейстером A.M. для проведения экспериментов, исследовалось формирование волновой структуры двумерных импульсных струй Ar, N. и СО . Истеченяе лронсходяло яз щелевого сопла с лолушяриной г, » I, 15нн, длиной d = 40мм. установленного в конце ударной трубы, соединенной с вакуумной камерой, в которой была смонтирована спе-цяальная пряставка, организующая двумерность течения. Процесс истечения регистрировался илирен-методом с использованием стандартного прибора ИАБ-451 я искрового источника света, янтенсявность которого пря временя экспозиция - 1 нкс, обеспечивала возможность регистрировать картину течения в импульсной струе с 2-Х' кратным уменьшением. Регистрация процесса пря большом размере кадра позволяла анализировать детали структуры я определять координаты поверхностей разрыва относительно среза сопла. Случайная ошибка определения скоростеЯ волны при покадровой регистрация составляля величину - 1%.
Теплерогранкы процесса истечения получены в двух плоскостях для разных стадяй, начиная от 7+10 икс с момента появления истекающего газа на срезе, и кончая картиной течения, соответствующей - 300 нкс от начала истечения. Максимальное время наблюдения ограничено размерами двумерной приставки - 200 мм. В проведенных экспериментах числа Маха падающей волны в ударной трубе составляли М = 8+3, что обеспечивало Т « 3000+1000 в СО_, Т = 5000+1500 в N, я Т = 13000+2SOO в Аг. Исходная нерасчетность изменялась в пределах N « ?0/Р > 1000+50.
В работе [2] изучение закономерности движения фронта
истекавшего газа яз осесямметричного сопла позволяло обобщить
экспериментальные денные для Аг і N. в координатах подобия
л X _ t-u»
, г* Н г* / И
( и» « _ ,-С - максимальная скорость нестационарного истечения
в вакуум), и получить эмпирические уравнения движения фронта N, и Аг в этих координатах.
Результаты настояшях экспериментов по динамике фронта исте
кающего газа, представленные в подобных координатах * - =-у- и
r*'N в - *"*ц*, - , ( где степень l/а учитывает мерность течения: а і
г**м - двумерная струя, о » 2-.'.-. осесякнетрячная струя) как в одном газе
для разных режимов течения, так и в разных газах для близких режимов течения обобщить не удается. Расхождения между данными для аргона и СО, достигает. 100Х. Таким образом, чтобы найти обобщенное
уравнение движения фронта истекающего газа, необходимо было продолжать повск критериев подобая, отражающих как разные режкиы точеная, так а физические свойства разных газов.
На первом этапе было получено обобщение в каждой газе для различных режимов течения. Режимы течения отличается по нерасчет-ностя N температуре. Так как в коордвнату * нерасчетность уже входят в от варьирования ее степени обобщения не получается, то нвобходяио было дополнить * сомножителем, учитывающим температурный фактор. В работе {1} этот сокножхтель входкл в координаты подобия в виде ( Т /т )0'5, однако для настоящих экспериментов это не привело к обобщению.
При анализе полученных результатов было замечено, что обобщение в каждом газе получается в том случае, когда степень температурного фактора, входящего в координату *, имеет разное значение для каждого газа. Сопоставление этих значения позволило записать общее выражение для степени в виде; ((7-1)/2). Таким образом, координата * представленная в следующей форме:
*i - :^w IrJ
обобщает асе полученные режимы течения в каждом газе. Расхождение
данных, полученных в разных режямах, не превышает в этих координа
тах ex.. однако различая между данными в разных газах такие коорди
наты не устраняет. О
На втором этапе необходимо было дополнить коордянату'сомно-жителеи отличающимся для каждого газа, іяалаз данных по движению фронта истекающего газа вдоль оси потока показал, что при использовании в координате в скорости нестационарного истечения в вакуум (и* « 2С /(7-1)) или скорости стационарного истечения -- (и. « С -V2/(г-1)) обобщения в разных газах не получается. Однако при введении в координату в сомножителя ((7-1)/2) удается обобщать данные по движению фронта для всех исследуемых газов. Таким образом в следует записать, в виде:
е ш ь , Г-1 .с 1 7~й^ 2 обобщенное уравнение движения фронта истекающего газа в этил координатах имеет вид:
в1 ш о,1 *х * 0,1 ** Ш
которое с точностью 10% справедливо для двумерной струи в Ar, N, » С0_ при *, » 0,05 -'2',3.
Сопоставление результатов настоящих экспериментов ( прямая 1
с ранее полученными зависимостями для движения фронта истекающего
газа в осесямметрячиых струях в координатах Ід*, я 1д9Л приведено
на ряс. 3. : 1а - Аг, 1б - И^ пря N » 108, Т /Тв - 1 [2J ; 2а - Аг,
26 - М2 пря U = 106, Т0/Тш - 1 [Ен-6] ; За - Аг, 36 - »2< Зв - C0g
при N = 50 - 100, Т /Т 6 - 12 [4 J. Из сопоставления всех ранее о <*
полученных результатов для движения фронта струя истекающего газа
вядно, что полученное уравнение в найденных параметрах подобая *,
к 9. наиболее полно описывает движение фронта. Это уравнение может
быть рекомендовано для опясанхя двяженяя фронта струя истекающего
газа на нестационарное стадія течения.
Подобному аналяэу были подвергнуты экспериментальные
результаты по дянамяме вторичной и первично! ударної волны,
распространяющейся в истекающем газе. Экспериментальные данные по
движению вторично* ударної волны хорошо обобщаются в полученных
координатах. Ее уравнение движения запишется в виде:
вх ш -0,О7 *г + 0,8 *^ ,
где *- изменяется в пределах *, 0,25 -2,3. Отрицательны!
коэффициент при линейном члене отражает тот фаит, что вторичная
ударная волна возникает не у среза сопла, а на некотором рассто-
2 яняя от него *. > 0,1. Коэффициент пря *. имеет большее значение,
чем в формуле (1), что отражает значительное замедление движения вторично! волны к ев отставание от фронта истекающего газа.
для первично» ударной волны обобиения в полученных координатах не получилось и координату в. пришлось немного изменить-.
« . —t .7ЕЕ.С 2 r<.„i/a Г-т- S>
При этом экспериментальные данные по движению первичной волны в Аг, М, я со„ описываются уравнением:
92 - 0.U *г * 0,09 *х я хорошо обобщаются (с точность» 10%) в координатах е_, *,. Полученные уравнения двяженяя стартовых разрывов были использованы пря разработке численных моделе! неравновесного излучения импульсных стру» [5].
ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена развитию экспериментальных методов диагностика электронно-возбужденных состояние атомов и ионов в неравновесном потоке ударно-нагретого газа. В экспериментах были использованы разнообразные методы спектроскопической диагностики, дающие разностороннюю информацию о высоковозбужденных атомах и ионах. Помимо спектральных лини! основного газа выделялись сильные
резонансные лінія примесей щелочных металлов, являющееся весьма удобным сродством для экспериментального определения целого ряда свойств изучаемой среды .
Эксперименты проводились на стенде "ИРИС" состоящем из ударной трубы діаметром 50 км состыкованной с ней плоской вакуумної камеры, шириной 45 кк (рис.1.). Стенд оснащен многоканальной эмисснонно-абсорбционной спектроскопией н лазерной диагностикой, в качестве источников сравнения для спектроскопических измерений использовались: ленточная вольфрамовая лампа ТРУ-2300-2350 калиброванная с точностью до 1 К. прибор "Люмен" на основе дуговой ксено-новой лампы высокого давления ДКСШ-200 (с яркостной температурой ~ 4200 К). Приемниками излучения служили ФЭУ-86, ФЭУ- 140-Фотон, ФЭУ-62 выход которых был согласован со входом цифрового осциллографа СЭ-8. Измерения проводились с использованием интерференционных фильтров фирмы "Spectrum System" и Киевского завода "Арсенал". Все оптические детали схемы, включая окна, линзы, полупрозрачные зеркала выполнены из CaF прозрачного от О. 2 до 8 ккк.
Для средств лазерко-абсорбционной диагностики использовался непрерывный аргоновый лазер ЛТН-503 на длине волны X = 488 ни.
В одном эксперименте информация может поступать по 10 параллельным каналам ( ФЭУ, датчики давления) на вход осциллографов C9-S, которые запоминают их в цифровой форме с частотой опроса = 1 Мгц, длительностью опроса до 1 мсек и отображают на экране. Осциллограф СЭ-в связан по линии КОП (канал общего пользования) с интерфейсной платой IBM PC/AT. Экспериментальные данные, полученные с С9-8 поступают в ЭВМ, записываются на магнитные носители я могут выдаваться на печатное устройство. Аппаратура позволяет изменять масштаб осциллограмм как по горизонтальной, так я по вертикальной оси, что расширяет возножностк изучения нестационарных процессов различной длительности я амплитуды.
В работе были проведены спектроскопические измерения уровня электронного возбуждения и концентрации атомов Na за отраженными ударными волнами в аргоне при температурах 2000-3000 К. Измерения проводились обобщенным методом обращения спектральных линий, т.е. в каждом эксперименте регистрировались абсорбционные и эмиссионные сигналы на длине волны S89 ни Д-линии натрия, эксперименты проводились при начальных давлениях от 50 до 6О0 мк рт ст. , а чксла «аха падающих ударных волн менялись от 2.8 до 3, 5. Прк этом равновесная температура менялась от 1800 до 2700.
По полученный осциллограмман поглощения н излучения на длине волны Д-линяи Na был рассчитан ход температуры электронного возбуждения натрия в каждом эксперименте.
На рис.4. представлена зависимость сечения тушеная натрия аргоном ( <г ), определенного по времени релаксации эмиссионного и абсорбционного сигналов <т =1/N-v-t, от температуры аргона. Видно,
что в диапазоне температур от 1800 до 2800 К. а лежит в пределах
-21 2 (5 ї 3)-10 см и не меняется с температурой. Полученное сечение
примерно в 10-10 раз ниже чем сечения энаргообмена натрия с двухатомными молекулами. Столь низкое значение сеченяя энергооб-мака натрия с аргоном в целом ряде ситуаций может явиться источником возникновения неравновесного уровня заселения электронно-возбужденного состояния натрия в атмосфере аргона.
Следующая серия экспериментов за ударными волнами была посвящена отработке методов эмиссионных и абсорбционных измерения заселонностеН отдельных электронно-возбужденных состояние атома и иона аргона. Эксперименты проводились га отраженными ударными волнаме при Т - 70О0-12000 к и давлениях Pg = 2-го атм. Измерения выполнены в ударнсВ трубе на расстоянии 7 нм от торца.
Регистрация излучения производилась одновременно по четырем каналам с помощью ФЭУ-140-"*0Т0Н", «ЭУ-86 и *ЭУ-51, перед которыми устанавливались интерференционные светофильтры с полосой пропускания 20-90 нм. Пространственное разрешение схемы составляло не более 2 мм, временное -1 мкс. Начальное давление в ударной трубе менялось а пределах от 2 до 55 Торр, числа маха падающей ударної волны от 6, 1 до 11,3.
Обработка получэккых данных дала возможность определить эффективные сеченая я энергии нижних уровней выделенных оптических переходов, что позволяет однозначно и достаточно надежно интерпретировать наблюдаемые экспериментальные сигналы. На рис. 5 приведен пример экспериментальное зависимости интенсивности эмиссионного сигнала на дляне волны А=852/ш. В дальнейшем эти сечения были использованы для получения количественной информации о засоленностях различных энергетических состояний в неравновйсно-рекоч-бмкнрующей ударно-нагретой струе.
D ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты экспериментального исследования кинетики формирования населанностей возбужденных уровней атома Arl и иона Aril в расширяющемся сверхзвуковом потоке на основе прямого спектроскопического наблюдения за концентрациями
2 с (cm )
-20. 10 -
10 -і
***%*%% * **
in ~ iiimiiiii4ii'iii|iiiiiiiii|iiiiiiiii|iiiiiiii i|iiiiiiiiii 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2000
Ряс. 4. Свчвкжв тушвняя состояния 3*Р На аргоном
Ли1п
-44т і
-46^ -48^ -50І -52-j
-5+: -5#
- In 0---М." Е,/ісТ
„а - ІД 10
-58- ІІІІІІІЛІІНІІІНІІЧІІІІІІІІІНІІІІІМІІІІІІІІЦІІІІІІІІІІНІІІИНІ
0,40 0,60 0.80 1.00 1.20 1.40 І.бЬ 1.80 Ряс.З.Температурная завясяносгь результатов эмиссионных язиа-
реннй для X - В52ни. Пряная - линейная апроксимація МНК
І4;.'
возбужденных уровней, а также проведен аналаз полученных данных на основаній сравненая с расчетон, выполнении Шумовой В. В. (Ем-12], на основе численной надела канетякв заселенностей электронно-возбуж-денных состоянай рекомбиннрумцего аргона в сверхзвуковом потоке. Аналаз результатов спектроскопаческіх аэиеренаи в струе проводился с использованием данных о газодинамике струи, полученных в главе 2 Истечение газа, нагретого ударной волной, лроасходіло вэ звукового щелевого сопла полушарпной п,»1 кн. Камера назкого давленая ударной трубы а вакуумная камера наполнялась всследуекым газом до давлений Р,=2+80 Торр. Перед наполненаем системы аргон
подвергался очистке в азотной ловушке, после чего уровень прямесей
-з не превышал 5,0x10 %. Давленае толкающего газа (вспользовален Не)
сост&аяняо 30*60 атм. Рассчитанные равновесные параметры газа за отраженной ударной волной, т.е. параметры торможения истекающей струа, составляла: Т «7000+13000 К а р »і+2о атм. спектроскопические измерения эмиссионных а абсорбционных свойств патока просалены на оса струа иа расстоянаа 4,3 мм от среза сопла.
В проведенных экспериментах была получены эмиссионные и абсорбционные сигналы на одних я тех же длинах волн, прв гех же значеннях D ( аппаратного коэффициента ), что а в экспериментах за ударным» волнамя.
На длине волны 48внн помимо энассаонно-абсорбцаоиных измерений проведаны также измерения методом резонансного поглощения лазерного излучения ( использовался лазер на ионе Аг ЛГН-50Э). в диапазоне температур торможения от 12500 до 10100 К получено как поглощение так в усиление лазерного излучения.
Анализ полученных осциллограмм показал, что на длине волны 852, нм, отвечающей переходу 4р'-4з' в атоме Аг, евгнал в абсорбционном канале (отражавший усаление интенсивности излучения источника сравнения) в несколько раз превышает эмиссионный сигнал. Этот факт свидетельствует о большей заселенности верхнего состояния (4р), чом нижнего (4s), т.е. об инверсном заселенности оптического перехода. При совместноЯ обработке абсорбционных * эмиссионных сигналов был определен коэффициент усялпния
к - (1/1) In
на длине волны 852 нм. зависимость которого от температуры торможения струи представлена на рис.6. Погрешность единичного измерения «: определялась приборной погрешностью и погрешностью измерения амплитуды сигнала в зависимости от высокочастотного шумл
4000.0 6000.0 8000.0 10000.0 12000.0 14000.0 Ряс. в. Экспержкенталъвая ж расчетная эавжсямость коэффжцяента усж-яенжя ва длжве водны 832 их в аргоне от температуры тормояе-няя. о - окспержиентальные значеная прж Р 5 » го атк, * - то же прж PQ 1 3 ати. Яжнжж: 1 - расчет прж Р і ати, г - расчет прж Р » 20 атн.
0(
Рис. 7. Экспериментальная ж расчетная зависимость коэффжцяента поглощения ж усиления на длжве волны 488 ни в воне аргона от температуры ториоженжя.
я составляла - 4%. Погрешность определения температуры Т_ аргона эа отраженно! ударної полной по скоростя падающей волны U-оценавается в -lot.
На ряс. 6. -экспериментальные дынные полученные на расстояния 4,5 нм от среза сопла сопоставлены с расчетными зависимостями коэффициента усилении от температуры торножания струи пря Р «1 я PQ=20 атм. Разброс экспериментальных значений к пря высоких температурах, заметный на рис.6., обусловлен тем, что она получены пря разных значеннях Р . Из ряс.6. видно, что при возрастания температуры торноженяя от -7000 к до -13000 К коэффициент усяленяя
возрастает более чем в 300 раз, я его максимальное значение в
-2 -1 усяовяях наших экспериментов составляет 5 10 см Среди причин
расхожденяя экспериментальных я расчетных велячян коэффициента
усяленяя в области няэкхх температур пря высоком давлении в первую
очередь следует указать оценочный характер использованных констант
столкновятельных переходов с участием высоковозбужденных атомов
аргона, а также схематичность рассмотрения высоковозбужденньгх
атомных уровней (со значениями главного квантового числа п>7). пря
которой не рассматривалась ях структура. Завытенае расчетного
коэффициента усяленяя отчасти может быть связано с также с тем,
что в кинетической моделе не была принята во вникание дезактивация
атомов аргона на возможных примесях (Н,0, Н_).
Характер распределения по электронно-возбужденным уровням иона аргона, в отлячяе от атомных уровней А г, не является результатом рекомбянацяоиных процессов в струе а рассматриваемом диапазона температур я давлений. Пря температурах торможения т »7000-13000 к я давлениях в несколько атмосфер концентрации двукратно ионизованных атомов Аг** не превышают 0, 1% от обшей концентрации частиц, и вклад реакция рекомбинация
Аг+* + е + е --> Ar* + е в формирование населвнностей уровней Аг+, как показали расчеты, не превышает несколькях процентов их величины. Таким образом. неравновесный характер заселения уровней Аг может быть обусловлен только различием друг относительно друга радиационных времен жизни отдельных возбужденных уровней я скоростей столкноиительных переходов между ниня.
на ряс.7. представление зависимость (коэффициента поглощения и коэффиняента усяленяя) на лляне волны ияз ни от температуры торможения'струи, рассчитанная для точки, удаленной на 4.5 калибра
от среза сопла совместно с экспериментальными данными. Расчет проведен аналогично тону, как это было сделано для перехода 4р-4в атока аргона. Экспериментальные данные полученные при давлениях торможения Ро > Юатн разбиты на две группы: звездочки соответствуют эмяссионно-абсорбционным экспериментам, а квадратные значки -экспериментам полученным по резонансному поглощению лазерного излучения.
Можно констатировать удовлетворительное соответствие расчетных я экспериментальных результатов в диапазоне температур Т от 7000 до 8000К я от 9600 до 11000. Экспериментальные данные полученные по резонансному поглощению лазерного излучения соответствуют наклону расчетной зависимости при падении коэффициента усиления и переходу его в область поглощения. Необходимо однако отметить, что узкий максимум в коэффициенте усиления, предсказанный расчетами в узком температурном диапазоне 9000- 1000 К в экспериментах не был зафиксирован, что можно отнести кан на не учет в расчетах процессов тушения возбужденных состояний кока на атомах и ионах, так и иа недостаток экспериментальных данных в области Т - 9000 К пря Р > 10 атк.
Помимо найденных значений коэффициентов усиления и поглощения для различных переходов, полученные экспериментальные результаты дала возможность непосредственно проследвть за тенператур&мя заселения возбужденных состояний атома иона аргона.
Действительно, коэффициент усиления, полученный в эксперименте может быть выражен как отрицательные коэффициент поглощения и связан с заселенносгямя состояний:
к * - V ж аэфф. ( М2 Н'Ъ - >V ' <3>
где Н1# Н- - заселенности состояний 4е а 4р соответственно. Тогда
используя формально соотношение Больцмана, связывающее N с температурами заселення состояний:
М1 » Noexp(- Ej/k Т±*) :(4)
(Т\ - температура заселения i-ro уровня. В.- его энергия. N -концентрация ионов) я проведя расчеты с яспользованяек эффективных сечений переходов, найденных в главе 3, были подучены значения температур заселения я значения засоленностей излучающих состояний. На рис. 8а). представлены раскатанные по экспериментальным данным температуры заселения состояний 4р к 4s Arl в зависимости от температуры ториоженяя для сечения х * 4,5 hi Температура заселения состояния 4р лревышаег^заселетд* состояния 4s во всем
21000- T
и- і и і її г» 1111 in и 11111111 її и і її hi in мі и in n її 40D0 6000 80D0 10000 12000 14000
-1 * T »
8000:
7000: Бооо:
О- I III lit III II НІНІ ЦИНІЧНІ III I II 14 МИНИ I'll I
4000 6000 8000 10000 12000 14000 b) Pic, 8. Температури зяс«я«н*я электронно-возбужденных состояли» 4р 4в Arl - в) я згР Ыа - о") в ударно-нагрето* струе аргона.
исследованном діапазоне температур.
Подобным образом была получены температуры заселения состояний 4d4 а 4р в температура перехода на длине волны 352 им в Aril. Температуры заселеная этих состояний практически равны нежду собой находятся в пределах от 3400 до 4200 К.
Температура заселения состояния З Р На представлена на рис.86). Видно, что температура заселения этого состояния в начале (в пределах ошибки измерений) растет пропорционально поступательной температуре (при Т < 8000 К), затек рост температуры заселеная состояния 37 Na занетно ускоряется. Это можно объяснять, рас-
смотрев кинетическое уравнение для концентрация состояния з Р На
^r^-VV^ - ***J
где k - константа тушения с высоколежашях уровнен на уровень 3 Р.
г 2
к. - константа тушения состояния З Р в основное состояние катряя,
Kv,,,~ константа радиационного перехода, к - константа возбуждения
Na из основного состояния 3 S в состояние З Р, N - полная
концентрация яонов в высоколеаащях состояний атома натрия. К -концентрация электронов, [На*], [На] - концентрации возбужденного
I3F) і основного (3 S) состояняі На. Решаняе этого кинетического
(З Р) и основного (3 S) состояняй На уравнения может быть записано в вида
гнант, - ехр { - <*dm.VT> ^) ^\%*1к1Т]-н-
Таким образом, при низках температурах концентрация состояния З Р Na определяется в основном константой радиационного перехода , что и видно не рисунке, nps Т < 8000 К температура заселения электрон-
2 '
но-возбужденного состояния ЭР катряя растет практически пропорционально Т. В дальнейшей при росте температуры и относительном росте Н наибольшей вклад вносят процессы электронного возбуждения натркя в столкновениях с электронами* я Т„ t приближается к температуре электронов в исследуемой точке потока.
