CC BY
59
УДК 621.793 535:21
Ю. С. Протасов, М. В. К у т ы р е в, Ю. Ю. Протасов, Т. С. Щепанюк
РЕГИСТРАЦИЯ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ
Экспериментально реализована методика абсолютных измерений мощных (10 > 106 Вт/см2) потоков вакуумного ультрафиолетового излучения в диапазоне энергий квантов Ни и 10... 100 эВ, основанная на определении скорости волн равновесной ионизации в смеси газов. При исследовании эмиссионных характеристик газоразрядной плазмы сильноточных излучающих плазмодинамическихразрядов, c использованием разработанной методики, металлических болометров и двойной открытой ионизационной камеры, показано, что турбулентная модификация контактной границы плазмы и газа значительно повышает выход вакуумного ультрафиолета открытых плазмодинамических разрядов с мощностью потоков излучения (при умеренном энерговкладе т0 < 104 Дж), превышающих 10 и 107 Вт/см2, что сравнимо с потоками коротковолнового ультрафиолетового излучения при взрывных экспериментах.
Как известно, сложность экспериментального исследования эмиссионных свойств мощных коротковолновых излучателей обусловлена отсутствием надежных методов диагностики и метрологии в ближней зоне для интенсивных потоков вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения, под действием которых испаряется поверхность любого приемника, а относительно холодные и плотные пары в значительной степени экранируют исследуемое излучение. Так, надежные сведения о поле излучения в ближней зоне плазмодинамических разрядов по дистанционным измерениям получить достаточно сложно. Во-первых, вакуумный ультрафиолет заметно поглощается на транспортном участке пути газом и примесями в нем, во-вторых, пересчет по дальним измерениям к ближней зоне затруднен из-за переменного эмиссионного спектра и сложной нестационарной формы тела свечения, так что требуется высокое пространственно-временное и спектрально-энергетическое разрешение измерений. Эта проблема существует и при исследовании излучения лазерной плазмы, ударных волн сильного взрыва, мощных излучающих разрядов и т.д. Наиболее пригодная из разработанных для решения этих задач методика — это измерение потоков коротковолнового излучения в ближней зоне по прогорающим алюминиевым пленкам [1, 2], которая при абсолютных измерениях имеет погрешность 50... 100% и дает сведения лишь об интегральном по спектру потоке излучения.
В настоящей работе развита методика измерения мощных потоков вакуумного ультрафиолетового излучения, основанная на определении скорости волн фотоионизации основного газа и примесей,
о
(TJ
X
Рис. 1. Схема тепловых волн в смеси газов (GP — плазмодинамический генератор плазмы, Р — излучающая плазма, стрелками обозначены радиационные потоки)
характеризующаяся значительно большими по сравнению с известными методиками регистрации потоков ВУФ излучения высокой плотности мощности (основе открытых двойных ионизационных камер, металлических болометров с висмутовым термосопротивлением) точностью и пространственно-временным разрешением, а также новыми возможностями спектрально-энергетического разрешения. Приведены результаты измерения интенсивных потоков вакуумного ультрафиолета в ближней зоне открытых плазмодинамических разрядов в газах, генерируемых магнитоплазменным компрессором эрозионного типа.
Методика измерений. Динамика полей (пространственно-временных распределений) электронной концентрации Ые или равновесной температуры Т в газе в ближней зоне плазмодинамических разрядов при определенных условиях позволяет судить о параметрах потоков вакуумного ультрафиолетового излучения. Рассмотрим для этого взаимодействие широкополосного излучения плазмодинамического разряда с газом С, содержащим примесь другого газа Е с меньшим потенциалом ионизации: 1р < 10 (рис. 1). Как известно, через слой такой смеси при характерных размерах Ь « 1... 100 см длинноволновое излучение с энергиями квантов Ни < 1р проходит почти беспрепятственно — соответствующие коэффициенты поглощения ^ Ь-1.
При 1р < Ни < 1с излучение поглощается примесью на длинах (к'„)-1 ^ )-1, причем при (к'и)-1 ^ Ь образуется тепловая
волна ТВР, соответствующая ионизации Е (здесь — сечение фотоионизации; — концентрация примеси); она движется по смеси газов со скоростью [3]
vF = (Sf - So)/(NU(Tf) - e(To)));
(1)
1о
Бр — Б0 ~ J Бирйь>. (2)
Здесь N = Ир + Иа; Б — поток излучения (индексом "0" обозначены параметры перед ТВР, — за ТВР); под энергетической характеристикой е для данной температуры Т при ур > ар (а — скорость звука) следует понимать внутреннюю энергию. Аналогично излучение с /а < Ну < /а+ (С+ — ион С) поглощается с образованием тепловой волны ионизации газа ТВа, движущейся со скоростью
Уа = (Бо — Бр )/(И (е(То) — е(Тр))); (3)
1о+
Ба — Бр ~ ^ Б„айи. (4)
1о
Анализ кинетики плазмы за ТВР показывает, что при характерных параметрах смеси инертных газов Ир > 3-1017 см-3 и Иа/Ир < 10 электронный газ быстро приходит в равновесие с ионизационным составом (Ие = Ир), а время релаксации определяется передачей энергии тяжелой компоненте при диссоциативной рекомбинации и электронном теплообмене, причем характерные времена не превышают 0,1... 0,2 мкс. Для молекулярных газов эти времена еще меньше. Таким образом,
при Vр ~ 10 км/с и Ь « 1... 3 см неравновесностью плазмы за ТВр можно пренебречь, а значения е и находить по методикам для равновесной плазмы [5], для чего достаточно знать Тр и Ир, Иа. За ТВа плазма также равновесная. Поэтому, измерив скорости ур и уа, определив Тр и Та, можно найти мощность поглощаемых средой световых потоков вакуумного ультрафиолета: Бр — Б0 — для 1р < Ни < 1а и Ба — Бр — для 1а < Ну < 1а+. Положение ТВр и ТВа можно определить, например, по скачкам в пространственных распределениях Ие, а е — из соотношений вида
3 f2Np + Ng\ NpIp
6(tf) = ö ar 1 ar TF +
2 V Np + NG ) p Np + Ng Ng NP
e(TG) = 3TG + IgV^V + IF- F
(5)
' Ир + Иа р Ир + Иа' где
Тр = 1р/7, Та = /а/7. (6)
Соотношения (2), (4), (6) выполняются не для всех широкополосных спектров. Они нарушаются, например, при преобладании длинноволнового излучения и наличии полос поглощения газа в этой области спектра. Проверку конкретного спектра можно провести по упрощенной методике, изложенной в работе [4]. Такая проверка указывает на
корректность применения зависимостей (2), (4), (6) для рассматриваемых плазмодинамических разрядов (следует отметить некоторое смещение в длинноволновую сторону границ групп квантов, для которых измеряются потоки излучения, что связано с припороговым поглощением в плазме). Таким образом, измерение световых потоков удается свести к измерению скоростей тепловых волн в примесях или в основном газе; идентификация положения фронта тепловой волны при этом может проводиться, например, по скачку электронной концентрации. При таком методе измерения определяются интегралы световых потоков в полосе спектра, ограниченной энергиями ионизации присутствующих атомов (ионов), в момент прохождения данной точки волной ионизации. В случае хорошей воспроизводимости исследуемого явления можно достаточно подробно найти пространственно-временные распределения потоков излучения путем варьирования концентрации примеси и тем самым изменения скорости ТВР, т.е. получить множество точек, в которых измеряется поток излучения. При измерениях в вакууме или газово-плазменных средах контролируемого состава, не соответствующего области применимости методики, возможно использование прозрачных емкостей с нужной смесью газов, отделенной от среды прогорающей пленкой. Описанная методика применена (как пример реализации) для экспериментального анализа влияния эффекта турбулентной модификации параметров плазмодинамических разрядов в газах на пространственно-временные и энергетические характеристики ВУФ излучения.
Экспериментальные условия. Исследовались плазмодинамиче-ские излучающие разряды, формируемые в импульсном электромагнитном плазменном ускорителе эрозионного типа с электродами торцевой геометрии и (С2Б4)п-плазмообразующей средой. Газоразрядная камера вакуумировалась до давления р0 < 1 Па и заполнялась газом (Не, №, Лг, Хе) до р0 = 2-103... 105 Па. Емкостной накопитель (Со~36 мкФ, 25 кВ) коммутировался с электродами вакуумным разрядником: разряд периодический с затуханием (7-9 полупериодов тока); полный энерговклад в разряд у)0 ~ 6,5 кДж, из них 2,5 кДж вкладывались в первом полупериоде тока; максимум разрядного тока «430 кА, полупериод 5,6 мкс.
Лазерная диагностика плазмы осуществлялась на базе голографи-ческой установки с применением метода двухэкспозиционной голо-графической интерферометрии. Импульс излучения рубинового лазера формировался электрооптическим затвором типа МДЭ-2. Синхронизация с разрядом достигалась подачей последовательных импульсов напряжений: на поджиг ламп накачки лазера, через 750 мкс — на поджиг вакуумного разрядника, а затем, с требуемой задержкой (0 ... 15 мкс) —
на электрооптический затвор. Момент срабатывания лазера по отношению к току разряда контролировался на осциллографе С8-13, в один канал которого поступал сигнал с пояса Роговского, а в другой — сигнал с фотоэлемента ФЭК-09, регистрировавшего импульс лазерного излучения.
Положения фронтов волн ионизации находились по излому интерференционных полос, соответствующему скачку электронной концентрации N. Скорости движения этих фронтов ур, уа определялись по интерферограммам, снятым с различными контролируемыми задержками от начала разряда. Статистическая обработка результатов для 10-30 разрядов при идентичных условиях дает погрешность нахождения скорости « 20 %, что определяется, в основном, воспроизводимостью пространственно-временной структуры разрядов. Такая погрешность вполне допустима для решения поставленной задачи и при необходимости может быть снижена, например, путем двукратного определения положения волны ионизации за один разряд, что можно осуществить при некоторой модификации метода двухэкспозицион-ной голографической интерферометрии (с получением экспозиции во время одного разряда).
Анализ результатов. О влиянии эффекта турбулентной модификации контактной границы плазма-газ на эмиссионные характеристики в ВУФ области спектра. Суть эффекта турбулентной модификации оптических характеристик сводится к следующему. При квазиодномерном истечении плазмы в плотный газ образуется структура типа распада разрыва — пробка сжатого газа между ударной волной и плазмой является препятствием для выхода вакуумного ультрафиолета в невозмущенный газ, что может существенно снижать эмиссионную эффективность разрядов. Однако в плазмодинамических разрядах, генерируемых магнитоплазменным компрессором эрозионного типа в газе, в отличие от разрядов с омическим нагревом плазмы на значительной части границы газа и плазмы существует тангенциальный разрыв скоростей, неустойчивый относительно турбулизации. Последняя должна приводить к перемешиванию сжатого газа с плазмой, интенсификации переноса массы, импульса и энергии, т.е. к разрушению поглощающего слоя и облегчению выхода вакуумного ультрафиолета в невозмущенный газ. При коаксиально-торцевой геометрии электродов магнитоплазменного компрессора турбулентная модификация должна наблюдаться в головной и боковой частях плазменного образования, но этот эффект не имеет условий для возникновения (тангенциального разрыва скоростей) у электродов. Таким образом, согласно развитым представлениям, следует ожидать, что потоки выходящего из плазмы вакуумного ультрафиолета максимальны вблизи головной и боковой
частях "плазменного поршня" и минимальны в приэлектродной зоне ускорителя. Полученные экспериментальные результаты подтверждают вышесказанное. Анализ интерферограмм плазмодинамического излучающего разряда в смеси газов (№ + Хе) для различных моментов времени показывает, что в течение всего разряда вблизи электродов нет признаков турбулизации и здесь регистрируется более медленная, чем на других участках границы плазма-газ, волна. В боковой и головной частях "плазменного поршня" (рис. 2) наблюдаются характерные признаки гидродинамической неустойчивости и турбулизации: неровная граница плазма-газ, флуктуации электронной концентрации, выражающиеся в изгибе и размытии интерференционных полос. Для области в газе перед плазмой на интерферограммах регистрируется сдвиг полос, соответствующий полной ионизации примеси. Переход от нейтрального ксенона к полностью ионизованному происходит на длине порядка длины свободного пробега жестких квантов, которая в условиях эксперимента составляет (аиР)-1«0,4мм. Распределение потока излучения в полосе поглощения ксенона, Бр — Б0 по поверхности, занимаемой ТВР в момент времени £ = (£а + ¿2)/2, можно найти по формулам (1)-(6), определив скорость движения фронта по двум положениям фронтов ТВР — для £1 и £2, причем это распределение повторяет зависимость смещения фронта с постоянным коэффициентом пропорциональности. Существенно, что в боковой и головной частях разряда, где проявляется эффект турбулентной модификации параметров плазмы и газа, потоки излучения в 3-10 раз больше, чем у электродов, где турбулизация отсутствует. Энергозатраты (в пересчете на тяжелую частицу) е«5 эВ состоят из энергии ионизации ксенона и кинетической энергии частиц в пропорции «2:3. Максимальная мощность потоков излучения в полосе поглощения ксенона (1р = 12,1 < Нр < 1с = 21,6 эВ) составляет «2-106 Вт/см2 (при данном энерго-мощностном уровне). Резкий сдвиг полос на 2. . . 4 мм от боковой поверхности электроразрядной плазмы (см. рис. 2) представляет собой волну фотоионизации в газе (ТВс), которая отрывается от границы разряда на расстояние, большее, чем толщина фронта (аиСЫс)-1 ^ 1 мм.
Энергозатраты в расчете на тяжелую частицу е(Тс) = 29,3 эВ на 2/3 определяются энергией ионизации. При скорости фронта ус « 9 км/с потоки излучения в полосе 1с = 21,6 ^ Нр ^ 1+ = 41 эВ составляют Б0 — Бр = 7-106 Вт/см2. В головной части ТВс не регистрируется, поскольку скорость ее движения меньше скорости "плазменного поршня", составляющей в этом направлении у.р « 15... 20 км/с. Следует отметить отсутствие ТВс и вблизи электродов, где нет условий для
Рис. 2. Интерферограмма (а) и распределение концентрации электронов (б) при плазмодинамическом разряде в неоне (р = 550 Торр, t = 6,9 мкс)
турбулизации, несмотря на малые значения ур < 5 км/с в этом направлении. Отсюда следует, что световые потоки в полосе 21, 6 ... 41 эВ также намного меньше, чем в боковой и головной областях плазменного образования, где проявляется эффект турбулентной модификации.
Эти данные хорошо соответствуют результатам измерения потоков ВУФ излучения (рис. 3) с помощью двойной открытой ионизационной камеры (как детектора ВУФ излучения, не требующего абсолютной калибровки). Когда мощность энерговклада в разряд после первого полупериода падает до нуля, скорость плазменного поршня уменьшается и от него (поршня) отрывается ударная волна — вновь появляется прослойка ударно-сжатого газа. Скорости волн ионизации
при этом быстро падают, т.е. световые потоки резко уменьшаются. Данные экспериментальные результаты показывают, что турбулентная модификация границы плазмы существенно усиливает перенос вакуумного ультрафиолета в окружающий невозмущенный газ. Отметим, что этот эффект может проявляться не только в плаз-модинамических разрядах, но и при других явлениях, связанных с высокоскоростными плазменными потоками [5-8]. Кроме того, возможности данной диагностики мощных потоков вакуумного ультрафиолета в ближней зоне могут использоваться при исследовании различных интенсивно излучающих плазменных образований [8]. Экспериментальное исследование потоков вакуумного ультрафиолета, генерируемых плазмодинамическими разрядами в газах, подтверждает высокий (107 Вт/см2) уровень их мощности, сравнимый с получаемыми при взрывных экспериментах [9], что существенно при решении ряда задач радиационно-плазмодинамической технологической модификации поверхностей твердых тел, исследования многофакторных процессов взаимодействия мощных широкополосных потоков ВУФ излучения с веществом, лабораторного моделирования воздействия на конденсированные среды излучающей лазерной плазмы и сильных ударных волн, т.е. традиционных задач радиационной плазмодина-мики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ц и к у л и н М. А., П о п о в Е. Г. Излучательные свойства ударных волн в газах. - М.: Наука, 1977. - 298 с.
2. Arves J. P., A k y u z l u K. M. An analytical study of the effect of combined radiation and convection on the initiation of ablation in isotropic solids // AIAA paper. - 2000. - No. 2000-92. - 6 p.
З.Зельдович Я. Б., Райзер Ю. В. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. - М.: Наука, 1966. - 686 с.
4. Протасов Ю. Ю., Т е л е х В. Д. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных энергетических установок: Ч. III. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 438 с.
5. Протасов Ю. Ю., Т е л е х В. Д., Ч у в а ш е в С. Н. Газоразрядная электроника. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 723 с.
Рис. 3. Зависимость спектральной яркости плазмы в области спектра Ни « 15,8... 28 эВ от энергии разрядного импульса:
1 — (СН20)п; 2 — (С2¥4)п; з — (СН2)п
6. P r o t a s o v Y u. Y u., Shchepanyuk T. S. // J. of Appl. Spectroscopy. -2003. - V. 70, no. 1. - P. 124-129.
7. Анисимов С. И., З е л ь д о в и ч Я. Б. // Письма в ЖТФ. - 1977. - Т. 20, №3.-С. 1081-1084.
8. Энциклопедия низкотемпературной плазмы: В 4 кн.: Вводный том / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2001.
9. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002. - 399 с.
Статья поступила в редакцию 27.02.2008
Юрий Юрьевич Протасов — д-р техн. наук, доцент кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные установки" МГТУ им. Н.Э.Баумана. Автор более 100 научных работ в области фотонной энергетики.
Yu.Yu. Protasov — D. Sc. (Eng.), assoc. professor of "GasTurbine and Non-Traditional Facilities" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 100 publications in the field of photon power-engineering.
Тадеуш Сигизмундович Щепанюк — канд. техн. наук, научный сотрудник объединенного УНЦ фотонной энергетики. Автор более 30 научных работ в области радиационной динамики плазмы.
T.S. Shchepanyuk — Ph. D. (Eng.), researcher of United Scientific Center for Photon Power-Engineering. Author of more than 30 publications in the field of radiation plasma dynamics.
Михаил Владимирович Кутырев — научный сотрудник ИПМ РАН, автор более 20 научных работ в области плазмодинамики.
M.V. Kutyrev - researcher of the Institute of Applied Mathematics of RAS. Author of more than 20 publications in the field of plasma dynamics.
В издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 г. вышла в свет книга
Емельянов В.В. Ясиновский С.И.
Имитационное моделирование систем: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 584 с. (Информатика в техническом университете).
Изложены основы имитационного моделирования применительно к анализу и управлению сложными производственными системами; описаны языки и системы имитационного моделирования (GPSS, AweSim, SIMAN, ARENA, G@, ReThink+G2). Основное внимание уделено описанию интеллектуальной среды имитационного моделирования РДО (ресурсы-действия-операции), основанной на системе модифицированных продукционных правил, которая позволяет с единых позиций описывать и моделировать разнообразные сложные системы и процессы независимо от изх природы. Рассмотрены элементы языка и редактор РДО-моделей; приведены примеры моделирования различных дискретных систем и процессов.
Содержание учебного пособия соответствует курсам лекций, читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов старших курсов высших технических учебных заведений и аспирантов, обучающихся по направлениям системотехники, автоматизации технологических процессов и производств, а также для системных аналитиков и научных работников.
По вопросам приобретения обращаться по тел. (499) 263-60-45; e-mail: press@bmstu.ru
'W
