Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованиям тлеющего разряда в турбулентном сильнозакрученном потоке газа и направлена на решение принципиальной проблемы повышения устойчивости разряда к шнурованию.
Актуальность темы исследования
В последние десятилетия появились новые приложения газового разряда, требующие получения неравновесной среды при повышенных плотностях газов. К ним относится использование тлеющего разряда для накачки активных сред газовых лазеров, для работы плазмохимических реакторов, для обработки металлических поверхностей. Повышение эффективности данных устройств связано с ростом плотности газовой среды. Однако повышение плотности газа вызьшает раннее начало шнуровой неустойчивости. Явление шнуровой неустойчивости заключается в переходе газового разряда из объемно-однородной формы в неоднородную, шнуровую, при которой ток концентрируется в одном или нескольких шнурах, замыкающих газоразрядный промежуток. Состояние плазмы в токовых шнурах приближается к равновесному, что делает ее непригодным для практического использования. Шнуровая неустойчивость ограничивает рабочее давление в большинстве практически значимых устройств. Их рабочее давление не превышает (103н-104)Па, (10-=-100 )Торр, а достигнутые удельные вклады электрической энергии в разряд, соответственно, (10 4- 50) Вт/см3. К настоящему времени в предположении пространственной однородности исходного состояния рассмотрено достаточно большое число неустойчивостей, наиболее типичной из которых является тепловая. Однако в экспериментах при давлениях газа Р > 30 Торр времена развития шнуровой неустойчивости и, соответственно, максимально достижимые энерговклады оказываются меньше рассчитанных теоретически. Недостижимость на практике теоретического предела по энерговкладу в диффузігую форму тлеющего разряда связана с влиянием неоднородностей, всегда реально возникающих (или существующих) в разряде. Наиболее важными для оценки из них являются неоднородности, устранить которые практически невозможно: неоднородное распределение эмиссионных свойств катода и неоднородности газовой плотности, вьгзваншые турбулентностью потока. Выявление общих закономерностей, присущих процессу шнурования в различных газовых смесях, при разных степенях турбулентности и различных поверхностных свойствах электродов является важной и актуальной задачей.
Сформулируем кратко проблемы, нерешенные на момеїгг постановки задачи: 1. Не определено влияние неоднородности поверхности катода їй порог шнурования, нет методик определения необходимой степени однородности поверхности, объективизирующих контроль кондиционирования катодов в производстве газоразрядных устройств.
2. Не определено влияние турбулентного потока на горение тлеющего разряда из-за отсутствия физической модели, описывающей процессы генерации, диффузионно-конвективного переноса и гибели заряженных частиц в условиях неоднородного распределения плотности газа и поля скоростей.
Вышеперечисленные проблемы определяют содержание и следующие цели
работы: "
-
Построение физической модели тлеющего разряда в плотных газовых потоках с учетом неоднородного распределения параметров, как в объеме газовой среды, так и на поверхности катода.
-
Решение проблемы предотвращения шнуровой неустойчивости тлеющего разряда при повышенных плотностях газовой среды, принципиально важной для повышения удельных характеристик газоразрядных устройств. ;
-
Разработка рекомендаций для создания газоразрядных устройств нового поколения.
Для достижения данных целей были поставлены следующие задачи:
1. Исследование влияния неоднородного распределения эмиссионных характеристик
по поверхности катода и условий формирования токовых неоднородностей в прикатод-
ном слое для выработки критерия гладкости электрода.
2. Построение математической модели расчета стационарного тлеющего разряда в
осесимметричном вихревом газовом потоке с учетом радиальной неоднородности плот
ности газовой среды и обобщенных эмпирических зависимостей коэффициентов пере
носа в турбулентном вихревом потоке.
3. Исследование влияния распределения газовой скорости в потоке с модельным ти
ном вихревой турбулентности и условий формирования токовых неоднородностей в
объеме для выработки критерия турбулентности.
-
Экспериментальные исследования квазистационарного самостоятельного тлеющего разряда в формирующемся вихревом потоке газа при различных схемах питания и выявление возможных механизмов стабилизации тлеющего разряда;' осуществление разряда данного типа при повышенной плотности газа (вплоть до атмосферного давления при комнатной температуре) и создания на его основе газоразрядного лазера.
-
Разработка практических рекомендаций по созданию газоразрядных лазеров и иных устройств нового поколения.
Научная новизна 1. Предложен способ построения функционала для нового вариационного принципа, как эквивалента определенной краевой задачи. Данный подход свободен от ограничений термодинамических принципов и может применяться к открытым потоковым системам, далеким от равновесных.
1.1. Для самостоятельного тлеющего разряда в однородном потоке газа установлена решающая роль распределения эмиссионных характеристик катода для определения порога распада однородного катодного слоя на катодные пятна. Показано, что порог
распада определяется не только свойствами катода, но также определяется параметрами процессов в глубине положительного столба. Определены критерии этого порога для совокупности "катод - положительный столб" для различных типов тлеющего разряда.
-
Предложено использовать в качестве критерия однородности катодной поверхности фрактальную размерность распределения коэффициента вторичной эмиссии, как двухмерной случайной функции.
-
Объяснено появление в ряде случаев мелкопятнистой структуры катодного слоя. Для несамостоятельного разряда установлено, что принцип наименьшего действия приводит к появлению регулярной картины пятен. Показана причина линейной зависимости плотности тока в таких пятнах с ростом давления.
-
Вследствие наличия турбулентности тлеющий разряд в таких потоках газа качественно отличается от обычного тлеющего разряда в покоящемся газе или в ламинарном потоке. Наличие турбулентных неоднородностей плотности газа в совокупности с экспоненциальной зависимостью частоты ионизации от отношения напряженности электрического поля к плотности газа приводит к появлению нового свойства - перемежаемости хароугеристик в разрядной зоне как фундаментального свойства случайных полей со слабоспадающей негауссовой функцией распределения.
-
Предложена принципиально новая методика определения мгновенной структуры турбулентного газового потока, не вносящая нскажешія в измеряемый поток.
-
Определен возможный механизм стабилизаігші иошвацнонно-перегревной неустойчивости самостоятельного тлеющего зарч in t* газовом потоке с вихревым типом турбулентности. Получен новый критерий качества турбулентного потока для осуществления тлеющего разряда без контрагирования.
Практическая значимость
На основе данных исследований могут быть разработаны методики тестового контроля однородности поверхности электродов в производстве газоразрядных устройств с широкой геометрией электродов.
Экспериментально реализованная высокая устойчивость тлеющего разряда в вихревом потоке газа позволит создать технологические СО- и СОг-лазеры, плазмохимиче-ские реакторы с высокой производительностью, устройства по обработке металлических поверхностей тлеющим разрядом и другие мощные газоразрядные устройства нового поколения.
Предложенная новая методика определения мгновенной структуры турбулентного газового потока, не вносящая искажения в измеряемый поток, может быть использована для диагностики сверхзвуковых турбулентных силыгозакрученных сжимаемых потоков. Выносимые на защиту положения:
1. Установленные закономерности появление катодных пятен, включая определяющую роль катодного слоя в самостоятельном тлеющем разряде в режиме нормальной плотности тока и, соответственно, распределения коэффициента ионно-
электронной эмиссии по поверхности катода на формирования токовой неоднородности и определяющую роль объемных процессов в несамостоятельном разряде.
-
Установленные критерии однородности катодной поверхности, определяющие порог распада однородного катодного слоя на катодные пятна.
-
Математическая модель расчета электронной плотности квазистационарного тлеющего разряда в осесимметричном вихревом газовом потоке с учетом радиальной неоднородности плотности газовой среды и обобщенных эмпирических зависимостей коэффициентов переноса в турбулентном вихревом потоке.
-
Физическая модель стабилизации ионизационно-перегревной неустойчивости тлеющего разряда газовым потоком с турбулентностью вихревого типа и, выработанные на его основе, критерии уровня турбулентности.
Апробация работы. Материалы исследований и основные разделы диссертационной работы доложены на Втором Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (г. Тарту Эстонской ССР, 1982г.), на Всесоюзных научно - технических конференциях по вихревому эффекту и его применению в технике (г.Куйбышев, 1988 г., Самара, 1993г.), на Х-ом Всесоюзном семинаре по статистическим и стохастическим процессам (г. Куйбышев, 1987г.), на семинаре в Institut f. Laser- und Plasmatechnik і. G. WIP AG Niedertemperaturplasmen (г. Берлин, 1993), на научных семинарах Куйбышевского филиала ФИАН СССР, научно - технических семинарах кафедры "Физики и экологической теплофизики" СамИИТ (1989-1997г.), а также опубликованы в 11 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
