CC BY
27
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СИСТЕМЫ
УДК 629.78:628.9.041:621.31:535.3
ПРИМЕНЕНИЕ АРГОНА В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБРАЗЦОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
DESIGNING OF ARGON ARCJET PROPULSION SYSTEM
В. И. Горбунков, А. Ю. Власов, В. А. Гриневич, В. В. Шалай
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
V. I.Gorbunkov, A. Y.Vlasov, V. A.Grinevich, V. V.Shalay
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Методами эмиссионной спектроскопии в приближении частичного локального термического равновесия получено значение температуры плазмы дугового электротермического микродвигателя (ЭТМД), у которого в качестве рабочего тела используется аргон. Найденное значение скорости звука позволило связать конструктивные параметры микродвигателя с его динамическими характеристиками, что допускает применение этой методики при проектировании электротермических микродвигателей, а также аргоновых горелок для плазменного напыления.
Ключевые слова: электродуговой микродвигатель, аргоновая плазма высокого давления, эффективная скорость истечения рабочего тела, эмиссионная спектроскопия.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-123-130
I. Введение
Известно, что для получения эффективной скорости истечения продуктов разложения при бесконечном расширении газа применение аргона в качестве рабочего тела ЭТМД малопродуктивно. Высокий показатель ударной адиабаты аргона (у ~ 1,67) ограничивает потенциальные возможности плазмообразующего газа, по сравнению, например, с аммиаком NH3 (у = 1,4) или азотом N2. Тем не менее, при отработке перспективных образцов микродвигателей ряд авторов [1, 2] в качестве рабочего тела рассматривают аргон. Объяснение этому находится в том, что он является одноатомным газом, в условиях которого концентрация частиц, а также их распределение в составе плазмы приближается к конечному термически равновесному состоянию. В случае молекулярных газов скорость установления равновесия замедляется за счет затраты энергии на диссоциацию, поэтому в одноатомных газах могут быть изучены явления ионизации в отсутствие диссоциации. Благодаря отсутствию некоторых степеней свободы, которыми обладают молекулярные газы, в одноатомных газах также легче достигаются высокие температуры 15 000...20 000 К. Необходимо отметить еще одну причину, согласно которой в качестве рабочего газа используется аргон: имеется множество физических данных об атомных свойствах аргона. К большому числу работ, посвященных плазменному струйному разряду в аргоне [3-5] следует отнести работу [6], в которой на основе эмиссионной спектроскопии исследованы характеристики аргонового разряда в воздушной среде, однако точные сведения о газовой температуре отсутствуют. Между тем этот параметр является важнейшим для оценки динамических параметров ЭТМД, имеющим тенденцию к равновесности. В ряде статей было найдено значение равновесной температуры без строгого обоснования методики оценки газовой температуры с использованием спектральных характеристик испускания аргоновой плазмы.
Предложенный в [7] подход авторы сочли перспективным для исследования влияния молекулярно-кинетических процессов в плазме на динамику газа, обтекающего разряд в камере ЭТМД, а также для нахождения соотношений между параметрами плазмы, особенностями поведения рабочего тела и конструктивными параметрами электротермического микродвигателя.
II. Постановка задачи
На примере применения аргона в качестве плазмообразующего газа продемонстрируем получение соотношений между конструктивными параметрами микродвигателя и его динамическими характеристиками.
III. Описание экспериментальной установки
Полное представление об исследуемой модели дугового электротермического микродвигателя можно получить из рис. 1 и 2.
Рис. 2. Демонстрационный дуговой электротермический микродвигатель [8]: 1 - сопло, 2 - анод (вставка), 3 - кварцевое стекло, 4 - катод, 5 - канал подачи газа, 6 - токоввод
Демонстрационный дуговой электротермический микродвигатель представляет собой упрощенный вариант дугового двигателя, в котором сохранены основные конструктивные отношения. Межэлектродное расстояние между катодом и кромкой кольцевого анода составляет 3.. .5 мм. Материал электродов - вольфрам. Рабочий газ аргон подавался в полость под давлением (1.03...1.08)х101.3х103 Па.
Питание осуществлялось стабилизированным блоком питания. Ток разряда измерялся с помощью шунта сопротивлением 1 Ом, а напряжение на разряде с использования омического делителя 11,9/43,8 кОм с помощью осциллографа RIGOLDS 2202. Конструкция блока питания разряда предусматривала регулировку напряжения, поэтому регистрация параметров разряда была проведена при токе 1и = 3,0 А и соответствующем падении напряжения Пк= 19.0 В.
Спектральные измерения проводились с помощью пятиканального модульного калиброванного радиометрического комплекса Ava-Spec-ULS204L-5-RM, спектральный диапазон которого составлял 235.815 нм, оптическое разрешение в диапазоне 605.815 нм не менее 0,15 нм. Для одновременного задействования пяти каналов использовалась фокусируемая коллимационная линза 25 мм с адаптером SMA. Динамический диапазон изменения интенсивностей спектральных линий достигал 60 000. Экспозиция могла меняться от 50 мс до 1 мин. Это обеспечивало возможность регистрации спектра в линейном режиме изменения интенсивностей исследуемых спектральных линий.
Исследовался спектр осевого излучения разряда через сопло модели ЭТМД. Расстояние между срезом сопла и коллимационной линзой составляло 170 мм. Оптические измерения проводились после выхода модели электротермического микродвигателя в стационарный режим работы за единовременный сеанс регистрации всего спектра.
Температура помещения лаборатории составляла 20 °С.
IV. Теоретические положения
Интенсивность спектральных линий. На рис. 2 представлена схема квантовых переходов в случае двух спектральных линий с общим нижним уровнем, возникающих при переходах 1^-1 и
Рис. 3. Энергетические уровни атома с двумя квантовыми переходами
Интенсивности спектральных линий определяются населенностями их верхних уровней
!ы=^Аыкл>ы,
(1)
здесь Ак - вероятность перехода, vki - частота перехода, к - постоянная Планка.
Так как в зависимости от условий возбуждения, заселенность верхних уровней может оказаться различной, то и отношение ЩМк может принимать различные значения, в том числе и равновесного заселения уровней I и к, удовлетворяющего закону Больцмана
NI Nк
Шк
Е - Ек квт
(2)
где кв - постоянная Больцмана, Т - температура распределения, - статистический вес уровня I, к.
В общем случае, заселенность верхних уровней может быть произвольной, но поскольку излучение, исходящее из замкнутой полости имеет тенденцию к равновесности, имеем основание полагать заселенность уровней I и к равновесной, то есть определяемой законом распределения Больцмана. Полученное выражение
Т =
ку
1к
(3)
кв 1п
N
N
позволяет по отношению интенсивностей выбранных спектральных линий оценить локальную температуру газоразрядной плазмы. Оценка температуры может быть произведена как среднее по серии экспериментальных данных, поскольку заселенности группы уровней по отношению к заселенностям основного состояния могут не удовлетворять закону (3), но отношение заселенностей для любой пары из этой группы уровней может удовлетворять закону Больцмана с одной и той же температурой распределения.
Для уточнения значения температуры распределения были применены условия выборочной дисперсии [14] заселенности шести (т = 6) верхних уровней аргона
1 т 2 — X ((пВ )( - (пехр )() = тП
т1=1
Параметры дугового разряда. Поток электронов под действием внешнего электрического поля возбуждает плазму газового разряда. Поток заряженных частиц нагревает электроды до весьма высокой температуры и, судя по эрозии катода и регистрируемому богатому эмиссионному спектру вольфрама [7], достигает температуры плавления Т№ ~ 3700 К, что позволяет по давлению насыщенных паров оценить концентрацию атомов вольфрама [9]. Концентрация паров вольфрама, соответствующая давлению р„ = 5*10-2 мм. рт. ст. (6,67Па) при ТК = 3655 К, составляет N1,32*1014 см3, величину, существенно низкую, по отношению к концентрации ар-
е
гона (рАг = 1,043.1,094 х103 Па). Аргон оказывает определяющее влияние на дрейфовую скорость электронов Уа и на теплопроводность плазмы, а роль паров вольфрама, как малой добавки с низким потенциалом ионизации, сводится к формированию концентрации пе и температуры электронов Те. В аргоновой плазме при давлении Аг 1 атм. Те ~ 11600 К [10]. Оценка температуры плазмы аргона в камере дугового ЭТМД производилась при рабочих параметрах блока питания и сечении SR положительного столба разряда диаметром d = 0,5.1,0 мм. Полученная плотность тока j = = (382,2.1530,6) А/см2 позволила оценить величину электронной
концентрации в дуговом разряде. Необходимая дрейфовая скорость электронов Vd была найдена из соображения, что электроны в газовом промежутке Le = 0,3 .0,5 см движутся в атмосфере аргона, концентрация которого №Аг = рА/кТ = 2.45*1019см-3. Принимая во внимание зависимость дрейфовой скорости электронов в аргоне от приведенной напряженности электрического поля [10]
" Е
Г т? V'27
V = V
К ^ У
(4)
где V) = 3,1*105 см/с, Е/Ы^ = 0,15-0,26 Тд в приближении малой плотности электронов, искомое значение V = (1,90.2,15) *105 см с-1. По плотности тока дугового разряда
} = ец,^ =(382,2 .1530,6) А/см2 проведена оценка электронной концентрации пе=(1,2.. .4,8)*1015 см-3 .
Спектр излучения аргона. Спектр атома аргона [11] (табл. 1) дополнен значениями интенсивности, полученными экспериментально [12] и концентрации, вычисленной согласно (1).
ТАБЛИЦА 1 СПЕКТР АТОМОВ АРГОНА
№ п/п Длина волны Хтаб,нм Переход (по Пашену) Интенсивность относит.ед. Вероятность перехдоа Аь*106,с-1 Концентрация Ык, см-3
1 667,728 1Р1^Р1 206,04 0,24 2,89Е+09
2 696,543 ^1^2 2р2^5 29 377,98 6,4 1,61Е+10
3 706,722 3Р2^3Р2 2рэ^5 26 526,86 3,8 2,48Е+10
4 714,704 3Р1^3Р2 2р4^5 4 916,66 1,14 8,85Е+09
5 727,294 1Р1^3Р1 2р2^4 8 810,70 1,8 1,79Е+10
6 738,398 3Р2^3Р: 2рэ^4 37 539,00 8,5 1,64Е+10
7 750,387 2р1^2 34 085,90 44 2,93Е+09
8 751,465 3Рс^3Р1 2рз^4 36 983,80 40 3,5Е+09
9 763,511 ^2^2 2р6^5 62 865,50 26 9,3Е+09
10 772,376 ^1^2 2р7^5 35 126,96 5,1 2,68Е+10
11 794,815 3Р1^3Рс 2р4^3 21 754,90 19 4,58Е+09
12 800,616 2р6^4 10 852,00 4,9 8,93Е+09
13 801,479 ^2^2 2р8^5 18741,40 9,3 8,13Е+09
14 810,369 23 290,40 2,5 3,8Е+10
15 811,531 ^3^2 2р9^5 48 948,80 33 4,53Е+09
16 826,452 3Р1^1Р1 2р2^2 13 125,70 15 3,64Е+09
17 840,821 3Р2^1Р1 2рв^2 21 796,00 22 4,19Е+09
18 842,465 3Э2^3Р1 2р8^4 19 594,50 21 3,96Е+09
Представленные спектры имеют ярко выраженные максимумы в центрах линий, не имеют плоских вершин, края линий симметричны относительно центра, что свидетельствует об отсутствии самопоглощения в линиях переходов.
Наиболее важной из всех аргоновых спектральных линий является линия при X = 750 нм с энергией, равной 13,48 эВ [6] и временем жизни 22 нс (рис. 3). Эта линия создается прямым электронным возбуждением из основного состояния и в ряде случаев может хорошо представлять, во-первых, порядок плотности ионов в плазме, а во-вторых, использоваться для контроля плотности атомов аргона в его основном состоянии. Из представленного на рис. 3 атомного спектра аргона видно, что верхние линии атома имеют переходы на резонансные 182 и 134 или метастабильные 183 и 135 уровни энергии. Время жизни атомов на резонансных уровнях существенно меньше, чем на метастабильных уровнях энергии. Метастабильные уровни энергии аргона имеют большое время жизни и играют роль резервуара энергии. Получим представление о метастабильной плотности аргона на основе спектрального излучения на тех линиях, на которых более низкая энергия является метаста-бильной. Полученные значения концентраций были разбиты на серии, согласно схеме уровней спектральных
линий с общим верхним уровнем (рис. 3). Оценивание параметров заселенности уровней проведено по среднему значению концентраций выборки, полученной по результатам наблюдений. Оценка температуры газа была произведена по (3), найденное среднее по серии экспериментальных данных значение Т~ 6850 К можно было принять в качестве температуры распределения [12].
Рис. 3. Переходы между 3p5 4p и 3p54s состояниями аргона [11]
Наиболее существенным для дальнейших исследований является выяснение вопроса о наличии самопоглощения в линиях. Для проверки соотношения интенсивности в линиях наблюдают уменьшение интенсивности самой сильной или метастабильной линии внутри мультиплета по отношению к самой слабой спектральной линии. Если отношение спектральных линий в мультиплетах остается постоянным, то плазма считается оптически тонкой и коррекции для самопоглощения не требуется.
Температура в камере двигателя является важнейшим конструктивным параметром, связанным с фотохимическими процессами плазмы дугового разряда, методы ее определения основаны на применении кинетической теории газов, поскольку непосредственная регистрация температуры, например зондовыми методами затруднительна. Известно, что при нагревании газа без теплообмена с окружающими телами за счет роста температуры газа наблюдается адиабатическое сжатие, которое является источником собственных колебаний [13].
Эффективная скорость истечения рабочего тела. Определяет предел идеальной скорости истечения продуктов разложения топлива в зависимости от температуры ^при бесконечном расширении газа в сопле ЭТМД
2 •-
У
ЯТ
у-1 М
(5),
где у - показатель ударной адиабаты рабочего тела, R - универсальная газовая постоянная, M - молекулярная масса рабочего тела. Эффективная скорость истечения определяет потенциальные возможности топлива, так как максимальная теоретически достижимая величина скорости истечения определяется его физическими свойствами безотносительно к условиям применения [14]. Полученное значение температуры позволяет определить соответствующую скорость звука
С0 =лУ
ЯТ^ М
(6)
а также собственную частоту колебаний [13]. Благодаря выходу газа наружу осуществляется выравнивание внутреннего и внешнего давления, в результате чего появляются колебания, сопровождающиеся обменом газа
между резонатором и внешней средой. Из-за связи между давлением внутри катодной полости и напряжением дуги наблюдается резонансный эффект, который приводит к модуляции скорости входного потока газа в суживающую часть сопла.
V. Результаты измерений и обсуждение
Восстановленная по среднему значению выборки концентрация метастабильного уровня атома аргона по линиям: 696.543 нм, 706.722 нм, 714.704 нм,763.511 нм, 772.376 нм, 801.479 нм и 811.531 нм показала существенное (от 70 до 100%) отклонение плотности атомов аргона от равновесной концентрации в состоянии при Т~ 6850 К.
Полученный вывод не оказался неожиданным, поскольку основными кинетическими процессами уровней 2р аргона является электронно-ударное возбуждение от уровней Когда электронная плотность превышает 1017 см-3, электронное воздействие является доминирующим процессом выравнивания населенности, в результате чего уровни 2р имеют больцмановское распределение заселенности, а плотности 2р2 и 2р3 близки из-за равных по величине электронных ударов. Когда электронная плотность мала (близка, как в нашем случае, к 1011 см-3), доминирующим процессом распределения заселенности становятся межатомные столкновения, в результате которых выравнивание заселенности наблюдается у более низких уровней, например 2р9. Обобщая полученные результаты, можно утверждать, что в исследуемом нами случае при ц ~ 1015 см -3спектральные линии при X = 750 нм создаются под действием прямого электронного возбуждения из основного состояния, а возбуждение линии при X = 811нм чувствительны к электронам с низкой энергией, концентрация которых оказалась низкой.
На этом основании при оценке температуры нам пришлось принимать во внимание концентрацию верхних пяти уровней. Согласно (2) и общей характеристике наблюдений был найден уточненный термодинамический параметр - температура распределения. Ее значение Т = 6725 ± 740 К можно считать локальной газовой температурой аргона в камере дугового электродвигателя. Величина этой температуры характеризует тепловую (кинетическую) энергию атомов аргона. Для более наглядного представления соответствия экспериментальных данных больцмановскому распределению выражение (2) представим в логарифмическом виде
Е1 - Ек квТ
= 1п
где левая часть при фиксированном значении Ег и параметра Т представляет собой прямую с, tgф = - (квТ)-1, а правая часть - отношение числа атомов, приходящееся на одно состояние различных уровней.
Рис. 4. Отношение (Е1 - Ек)/(квТ) для девяти верхних уровней аргона при Т = 6850 К (линия 2), 1, 3 - пределы изменения угла наклона
Из рис. 4 видно, что пределы изменения угла наклона не выходят за нижние пределы групп атомов уровней 13.27_13.28 эВ и верхние пределы групп 13.0 ...13.33 эВ. Эти пределы и определяют высокую точность оценки температуры Т^ ~ 6725 К.
В соответствии с найденной температурой Т% ~ 6725 К максимальная теоретически достижимая скорость истечения аргона в камере ЭТМД составляет Wmax = 2,64 км/с. Полученное значение температуры позволило согласно (6) определить соответствующую скорость звука С0 = 1520 м/с.
Исследование колебания плазменной струи аргона было проведено по осциллограмме падения напряжения дуги, копия экрана которого приведена на рис. 5.
Рис. 5. Колебания напряжения дуги с частотой f ~ 6,25 кГц, снимок с экрана
Резонансный эффект, наблюдаемый из-за связи между давлением внутри катодной полости и напряжением дуги, является проявлением влияния диссипации энергии на движение газа.
Поскольку адиабатическое сжатие за счет роста температуры газа является источником собственных колебаний, в качестве резонатора нами был рассмотрен канал подачи газа (рис. 2) с выходом газа наружу через сопло. Благодаря этому осуществляется выравнивание внутреннего и внешнего давления, и появляются колебания, сопровождающиеся обменом газа между резонатором и внешней средой. Наименьшая из собственных частот резонатора, как известно из [13], пропорциональна C0/l, где l - линейные размеры резонатора. Определив l ~ 3,87 см как расстояние между анодной вставкой в сопло и отражающей стенкой (рис. 2), получили значение собственной частоты ~ 6,25 кГц.
Этот результат дает хорошее приближение экспериментально зарегистрированной частоте при работе микродвигателя при рабочем давлении PAr = 101.3*103 Па, токе ЗА, удельном расходе аргона 5*10-2 Гс-1 (рис. 5), а также вполне укладывается в пределы собственных частот резонаторов аргоновых горелок для плазменного напыления [4, 5].
VI. Выводы и заключение
Получено значение газовой температуры дугового ЭТМД, в котором в качестве рабочего тела использован аргон. Проведено обоснование метода оценки значения температуры.
Исходные данные получены с применением методов эмиссионной спектроскопии.
Найденное значение скорости звука позволяет связать конструктивные параметры микродвигателя с его динамическими характеристиками, что допускает применение методики в проектировании перспективных образцов электротермических микродвигателей, а также аргоновых горелок для плазменного напыления.
Список литературы
1. Mazouffre S. Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches // Plasma Sources Science and Technology. 2016. Vol. 25 (3). P. l-2l. DOI: 10.10SS/0963-0252/25/3/033002.
2. Bijie Yang, Quanhua Sun. Numerical Analysis of the Plasma Flow in an Arcjet Thruster // AIP Conference Proceedings. 2014. Vol. 162S. P. 1132-113S.
3. Vardelle A., Moreau C., Themelis N., Chazelas C. A Perspective on Plasma Spray Technology Received // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2014. DOI 10.1007/s11090-014-9600-y.
4. Baudry C., Vardelle A., Mariaux G.Three-dimensional and time-dependent model of the dynamic behavior of the arc in a plasma spray torch. Thermal Spray 2004 Advances in Technology and Application 10-12 May 2004 Osaka, Japan Proceedings of the International Thermal Spray Conference.
5. Krowka J, Rat V and Coudert J F. Investigation and control of dc arc jet instabilities to obtain a self-sustained pulsed laminar arc jet // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. Vol. 46. D0I:10.1088/0022-3727/46/50/505206.
6. Cullen P. J., Milosavljevic V. Spectroscopic characterization of a radio-frequency argon plasma jet discharge in ambient air // Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2015. 17 p. DOI: 10.1093/ptep/ptv070.
7. Gorbunkov V. I., Kositsin V. V., Ruban V. I., Shalay V. V. Multicomponent arcjet plasma parameters // Journal of Phyicss: Conf. Ser. 2018. Vol. 944. DOI: 10.1088/1742-6596/944/1/012040.
8. Blinov V. N., Ruban V. I., Shalay V. V. [et al.]. Design features and experimental researches of an arcjet thruster for small satellite // IEEE Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 2016. DOI: 10.1109/Dynamics. 2016.7818983.
9. Розбери Ф. Справочник по вакуумной технике и технологии / пер. с англ. М.: Энергия 1972. 456 с.
10. Smirnov B. M. Compression of the positive column of a high-pressure arc // High Temperature. 1997. Vol. 35 (1). P. 14-18.
11. Smirnov B. M. Theory of gas discharge plasma // Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics. 2015. Vol. 84. 423 p.
12. Горбунков В. И., Косицын В. В., Рубан В. И., Шалай В. В.. Оценка температуры плазмы дугового разряда электротермического микродвигателя. Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. Том 2, №3. 2018, С.44-49.
13. Landau. L.D. & Lifshitz E.M. Fluid Mechanics. Volume 6 of A Course of Theoretical Physics. Pergamon Press, 1959.
14. Беляев Н. М., Белик Н. П., Уваров Е. И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов / под ред. Н. М. Беляева. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.
УДК 541.183
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
СИСТЕМЫ CdTe-CdSe
CONCERNING SOME PROPERTIES OF SEMICONDUCTING SYSTEMS CdTe-CdSe
И. А. Кировская1, Т. Л. Букашкина1, Л. В. Новгородцева1, А. В. Юрьева1, В. И. Крашенинин2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Кемеровский государственный университет, г. Кемерово, Россия
I. A. Kirovskaya1, T. L. Bukashkina1, L. V. Novgorodtseva1, A. V. Yureva1, V. I. Krasheninin2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Kemerovo State University, Kemerovo, Russia
Аннотация. Изучены химический состав и кислотно-основные свойства поверхностей твердых растворов замещения (CdTe)x(CdSe)1-x, полученных по специально разработанной методике, в сравнении с исходными бинарными соединениями (CdTe, CdSe). По кислотно-основным свойствам поверхности компонентов системы CdTe-CdSe относятся к слабокислой области, что отвечает их повышенной активности по отношению к основным газам. Последняя зависит не только от состава, но и от габитуса исследуемого образца. Показана роль локального и коллективного факторов. Установлены закономерности в изменениях изученных свойств, тесная взаимосвязь между поверхностными и объемными свойствами, которая может быть использована для менее затратного поиска новых материалов - первичных преобразователей полупроводниковых газовых датчиков.
Ключевые слова: твердые растворы замещения, поверхностные свойства, состав, габитус, взаимосвязанные закономерности, новые материалы.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-130-135
