книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме
..pdfПосле прекращения протекания тока через разрядный промежуток и, следо вательно, окончания поступления энергии в ТК наступает стадия затухания разряда и восстановления исходного состояния газа. На этой стадии происхо дят два тесно связанных между собой процесса: восстановление электрической прочности разрядного промежутка и охлаждение газа после искрового разряда.
В работах [1.15,1.16] на основе электрических и оптических измерений уста новлено влияние длительности и мощности импульсов на восстановление электрической прочности разрядных промежутков и на охлаждение газа.
После длинных импульсов тока небольшой амплитуды (1т = 650 А, /„ = 1500 мкс) искровые промежутки длиной 2... 10 мм в течение первых 1...2,5 мс после прек ращения разряда имеют низкую прочность (300...900 В). В дальнейшем проч ность восстанавливается до ~ 90 % начального значения примерно по экспо ненте за 25... 100 мс в зависимости от теплопроводности материала электродов и расстояния между ними.
После коротких импульсов тока ( / = 20 кА, ти = 10 мкс; 1 = 4 кА, ти = 3 мкс) электрическая прочность искровых промежутков начинает восстанавливаться спустя ~ 200 мкс после прекращения тока разряда примерно по экспоненте и восстанавливается практически полностью за 5... 10 мкс. Время восстановления электрической прочности несколько сокращается при уменьшении расстояния между электродами. Влияние материала электродов на скорость восстановле ния электрической прочности практически не проявляется.
Охлаждение газа в межэлектродном промежутке происходит значительно быстрее, чем это можно ожидать из теории теплопроводности. Кроме того, оно не сопровождается уменьшением объема, занимаемого горячим газом, как это должно быть, если бы тепловая энергия из объема отводилась на электроды. Объем нагретого газа увеличивается к концу процесса охлаждения в несколько раз. Это свидетельствует о том, что энергия горячего газа постепенно распрост раняется на прилегающие слои холодного газа, нагревая его и вовлекая в об ласть с высокой температурой, граница которой за счет этого перемещается в сторону холодного газа.
Оценка характера изменения температуры газа в искровом промежутке по из менению объема, занимаемого горячим газом, и по закону Пашена с использова нием экспериментальных данных по восстановлению электрической прочности показала их хорошее совпадение. Это указывает на то, что охлаждение газа после искрового разряда происходит главным образом за счет передачи тепла окружа ющему холодному газу, на который распространяется область возмущения. На холодные электроды может отводиться только незначительная часть тепла, срав нительно заметная только при длительных импульсах с небольшой амплитудой.
Охлаждение канала разряда после прекращения импульса тока сопровожда ется движением газа к центру охлаждаемого объема с периферии. После дли-
тельных импульсов движение носит ламинарный характер, после коротких — уже через 150...200 мкс после прекращения разряда становится турбулентным, приводя к интенсивному перемешиванию газа и, следовательно, выравнива нию температуры по всей зоне возмущения.
Одним из основных параметров плазмы является ее температура. Первые на иболее достоверные измерения температуры импульсной плазмы проделаны Г.Г. Долговым [1.10]. Используя для метода относительных интенсивностей линии с наиболее высоким потенциалом возбуждения, присутствующие в спектре, он получил значения Т = (З5...40)*103 К. В работе [1.18] было определено, что после установления теплового равновесия (т < 0,2 мкс) в плазме конденсаторного разря да температура может достигать (50...60)103 К, а затем уменьшается со временем.
Измерение температуры канала разряда показало, что она изменяется в про цессе самого разряда [1.17, 1.18]. Согласно [1.19] при давлении, близком к ат мосферному, и токах порядка 102 А через 0,1 мкс после пробоя температура ка нала была ~ 5104 К, через 0,5 мкс —2104 К, а через несколько микросекунд — 1,5*ДО4 К. В работе [1.20] температура канала конденсаторного разряда в водо роде в первые 10 мкс составляла (33...38)*103 К, затем в течение 10...15 мкс тем пература плазмы падает до (14...12)*103 К. Наиболее длительная стадия характе ризуется постепенным падением температуры до 6000 К, после которой, как от мечает автор, наступает дробление сгустка и дальнейшее падение температуры до начальной.
В работе Н.И. Фальковского [1.21] приведены результаты исследования тем пературы сильноточного разряда с номинальной энергией 200 кДж (С = 118 мкФ, U = 150 кВ). Температура максимальна в начале разряда (т < 0,2 мкс) и состав ляет (60...65)*103 К при токах 20... 100 кА и 55000 К при токе 12 кА. С развитием разряда она уменьшается линейно по уравнению Т = (62 —4,8т)* 103 К. Для тока / = 10 кА т = 0,2...7 мкс. Если излучение канала сравнительно велико, то харак тер изменения температуры описывается более быстро спадающей кривой:
Т =(70-15т0,35)*Ю3К. |
(1.1) |
Для I —100 кА, т = 0,2...12 мкс.
С ростом амплитуды тока разряда примерно до 20...30 кА возрастает только начальное значение температуры, а дальше (до 100 кА) она остается на уровне (60...65)*103 К. По длине канала разряда температура неодинакова: она повыша ется у электродов (~ на 10 %), а наименьшее ее значение —между серединой про межутка и анодом. На основе изучения потерь на излучение, которые составля ют при импульсных токах 100 кА примерно 1/2 энергии, вводимой в канал, ав тор предположил, что с помощью импульсных генераторов нагрев плазмы до (60...70)*103 К проблематичен из-за больших потерь энергии излучением.
К
Поскольку характер развития импульсного разряда, его параметры во мно гом зависят от электрических схем, используемых для его генерирования, от конструктивных особенностей разрядной камеры, несомненный интерес представляют результаты исследований импульсного конденсаторного разряда, генерируемого на установках импульсной плазмы, применяемых для процессов получения и обработки различных материалов, описываемых ниже. Разряд ге нерировался в водороде и аргоне при атмосферном давлении в плазмохимичес ких реакторах с коаксиально расположенными электродами при напряжении на батарее конденсаторов до 12 кВ, ее емкости до 24 мкФ.
Фотографирование разряда велось сверхскоростной фоторегистрирующей камерой в режиме «лупы времени» со скоростью 250 000 кадров в секунду.
Оно позволило оценить скорости движения ударной волны и канала разря да. Скорость ударной волны для водорода изменялась от 2800 в начале разряда до 450 м/с у стенки реактора, для аргона —от 2000 до 150 м/с. Скорость движе ния канала на начальных стадиях развития разряда совпадала со скоростью движения УВ. Начиная примерно с ~ 10“7 с она уменьшается, при ~ 10~6 с она составляет - 60 % от скорости движения УВ. Была определена зависимость ди аметра токопроводящего канала от времени (рис. 1.1, 1.7).
Рис. 1.1. Изменение диаметра канала импульсной водородной плазмы от времени при разных напряжениях электрического пробоя межэлектродного промежутка, кВ: 1 —4; 2 —6; 3 —8
Осциллографические исследования электрических характеристик проводи ли с помощью осциллографов С1-17 и С 1-96, развертка которых запускалась одновременно с инициированием разряда. При определении тока разряда на вход осциллографа подавался сигнал с измерительного сопротивления, после довательно включенного в цепь разряда. В качестве измерительного сопротив ления использовались коаксиальные шунты Яш = 1,68 мОм и Яш= 7,208 мОм. Величина тока в каждый момент времени рассчитывалась по формуле
h |
(1.2) |
Кщ » ’
где URm—падение напряжения на измерительном сопротивлении, В; Rm—вели чина активного сопротивления шунта, Ом; h —отклонение луча по вертикали, мм; К —чувствительность осциллографа, мм/В.
При определении напряжения на батарее конденсаторов на вход осциллог рафа подавался сигнал с делителя напряжения, включенного в схему парал лельно батарее конденсаторов. Использовался омический делитель с коэффи циентом деления N = 300. Величина напряжения на батарее конденсаторов рас считывалась по формуле
U =N (h/K), |
(1.3) |
где N —коэффициент деления.
Ошибка в определении величины тока импульсного разряда и напряжения на батарее конденсаторов составляла 20 %.
Анализ осциллограмм разрядного тока и напряжения на батарее конденсато ров, полученных для разрядов в различных средах, позволяет оценить индук тивность (L) и сопротивление (г) цепи разряда. Для этого рассчитывается энер гетический баланс разрядной цепи по методике, предложенной в работе [1.22], суть которой заключается в том, что в каждом полупериоде разряда допускает ся постоянство сопротивления канала импульсной дуги и его уменьшение от полупериода к полупериоду. В момент максимумов напряжения на батарее конденсаторов за каждый полупериод на активном сопротивлении выделяется определенная часть энергии. По доле энергии, рассеянной в первом полупери оде, в соответствии с номограммой определяется отношение активного сопро тивления цепи разряда к ее критическому сопротивлению, время достижения током первого максимума и период собственных колебаний разрядного конту ра. После этого находят индуктивность цепи разряда (Zup), критическое сопро тивление (г,ф) и активное сопротивление цепи разряда (гцр):
IbP=jj/4JC; |
(1.4) |
'*кР = 2А . р / с ; |
(1.5) |
''u .p=('u .p /Ç pV |
(1.6) |
Аналогичные вычисления производятся для всех последующих полупериодов. По осциллограммам разрядного тока в различных средах и напряжения на батарее конденсаторов были определены законы изменения их во времени
(рис. 1.2,1.3), по которым были рассчитаны параметры разрядного контура. Результаты расчетов для первого полупериода разряда приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Параметры разрядного контура при инициировании импульсного конденсаторного раз ряда в газовых и газодисперсных средах
Среда |
исо> |
то, |
|
Aip> |
ГЦ.р, |
А», кА |
dl |
/, см |
|
~Т~ , кА/мкс |
|||||||
|
кВ |
МКС |
МКС |
мкГн |
Ом |
|
их |
|
Водород |
8,5 |
27 |
6,5 |
1,5 |
0,043 |
50,8 |
7,8 |
1,4 |
Аргон |
9 |
26 |
6,3 |
1,4 |
0,045 |
31,1 |
4,9 |
1,4 |
Аг—AI2O3 (размер частиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
оксида 40..Л00 мкм) |
4,3 |
25,8 |
6,2 |
1,4 |
0,095 |
10,5 |
1,95 |
2,5 |
Ar-TiC (размер частиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
карбида 40...100 мкм) |
5,5 |
25 |
6,0 |
1,3 |
0,075 |
14 |
2,1 |
2,5 |
Аг—Ni (размер частиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
металла 10...20 мкм) |
6 |
25 |
6,0 |
1,3 |
0,062 |
16,3 |
2,3 |
2,5 |
В табл. 1.1 UCo—напряжение на конденсаторах; т0 —период осцилляций; тт — время достижения 1-го максимума разрядного тока; Lu p —индуктивность цепи
r |
„ |
dl |
разряда; гц р — сопротивление цепи разряда; 1т —разрядный ток; |
— — ско- |
|
dx
рость нарастания тока; / —разрядный промежуток.
Следует отметить, что Хц р практически не зависит, а гц р слабо зависит от сре ды, в которой осуществляется разряд. Это связано с тем, что индуктивность ус тановки на несколько порядков, а активное сопротивление —на порядок пре вышают соответствующие величины импульсной дуги. Ошибка при определе нии сопротивления цепи разряда составляет около 20 %.
С целью измерения интегральной во времени и пространстве температуры им пульсной плазмы были проведены спектральные исследования плазмы методом Орнтштейна по относительным интенсивностям спектральныхлиний в предположе нии нахождения импульсной плазмы в состоянии локального термодинамического равновесия [1.23-1.25].
Рис. 1.2. Зависимость разрядного тока и напряжения при генерировании импульсной плазмы от
времени: а —разряд в аргоне; б —разряд в водороде ( — эксперимент,--------- расчет)
Рис. 1.3. Зависимость разрядного тока и напряжения при генерировании импульсной плазмы в газодисперсных средах от времени: а —Аг—AI2 O3 ; б —Аг—TiC; в —Аг—Ni
Согласно этому методу температура плазмы определяется соотношением
Т = b z Æ . in-1 IiXlA2g 2 |
(1.7) |
Е |
|
где Е —энергия возбужденного состояния; I —интенсивность спектральной ли нии; К —константа Больцмана; А —вероятность перехода; g —статистический вес состояния.
В формуле (1.7) индексами 1 и 2 обозначены два различных возбужденных уровня одного и того же атома с энергиями возбуждения Е хи Е2соответствен но. В работе использовался спектрограф СТЭ-1. Для уменьшения влияния пос лесвечения плазмы на входную щель спектрографа в нем был смонтирован зат вор от скоростного фоторегистратора.
Измерение температуры проводилось по относительной интенсивности ли ний железа, входящего в состав электродов, в интервале длин волн 3565...3767 Â. Вероятности переходов для этих линий, потенциалы возбужде ния и статистические веса состояний брались из работы [1.26].
Результаты измерения температуры плазмы водорода позволили определить ее значение ~ 35 000 K(t7Co= 4 кВ, С = 12 мкФ). При изменении начального нап ряжения на батарее конденсаторов до 8 кВ наблюдается рост температуры до 43 000 К. Для плазмы аргона эти значения несколько ниже и составляют соответ ственно 28 000 К и 35 000 К.
Для оценки температуры периферийных участков импульсной плазмы и температуры плазмы на стадии затухания разряда был использован метод опре деления цветовой температуры [1.27]. Она определялась по отношению интен сивностей излучения в двух определенных участках спектра, выделяемых с по мощью светофильтров, каждый из которых характеризуется эффективной дли ной волны 1 и 2. Для рассматриваемого случая 1 —0,42 мкм и 2 = 0,68 мкм. Ко эффициент степени черноты плазмы брался из справочника [1.28]. Предвари тельно строился градуировочный график отношения интенсивностей излуче
ния для выбранных эффективных длин волн от температуры |
/ ( 1 / Г ) с |
помощью образцовой температурной лампы и набора светофильтров. Исследование излучательной способности плазмы проводилось с помощью
съемки ее на установке СФР на соответствующих участках спектра с 1 и 2. Оп
ределялось отношение lg |
» по которому с помощью градуировочного |
J
графика находили значение температуры.
Установлено, что после 1-го полупериода разрядного тока температура плаз мы начинает падать, что связано с выделением к этому времени большей части энергии, накопленной на конденсаторах. К 20...30-й мкс (после 1-го периода осцилляции разрядного тока) температура снижается примерно до 15 000 К. К 60...80-й мкс (к моменту дробления плазменного сгустка) температура уменьша ется до 6000...7000 К (результаты приведены для водородной плазмы с парамет рами разряда: UCQ= 4 кВ, С = 12 мкФ). На 100-й мкс, после окончания разрядно го тока, происходит охлаждение плазмы до температуры окружающего газа.
/#
Характер изменения температуры плазмы представлен на рис. 1.4 (кривая I). По этой зависимости была проведена оценка скорости охлаждения высокотем пературного состояния, достигнутого газовой средой под воздействием им пульса разрядного тока, она составила 107...108 К/с.
Рис. 1.4. Изменение температуры на оси импульсной водородной дуга: 1—эксперимент; 2 —расчет по МЩ-модели; 3 —расчет по изменению электросопротивления; 4—расчет методом энергетического баланса
Для расчета температуры импульсной плазмы в ряде случаев пользуются экспериментальными данными о ее электрофизических характеристиках [1.29, 1.30], принимая ряд допущений: 1) рассматривается единичный разрядный им пульс между двумя бесконечными пластинами, расстояние между которыми равно 1 см; 2) канал импульсной дуги должен обладать аксиальной симметрией
иоднородностью в осевом и радиальном направлениях [1.31].
Вработе [1.14] показана корректность последнего допущения, поскольку из менение радиуса канала разряда нечувствительно к виду распределения темпера туры по сечению и определяется суммарной вкладываемой энергией. Учитывая это, изменение температуры во времени в канале импульсного разряда может быть определено по осциллограммам тока и напряжения разряда, а также по по лученной зависимости диаметра токопроводящего канала от времени.
Согласно [1.12] энергия, подводимая к разрядному промежутку, расходуется на увеличение внутренней энергии системы, равной сумме кинетической энер гии плазмы, энергии диссоциации (erf),энергии ионизации (е,), и на потери энергии из канала разряда излучением и теплопроводностью. Выражение для
внутренней энергии двухатомного газа с учетом однократной ионизации может быть записано следующим образом:
е = [22Щ1 + а) + zd+ 2ае,] V, |
(1.8) |
где V—объем канала плазменного разряда; R —универсальная газовая постоян ная; а - степень ионизации, которая описывается выражением
0,532о(/ие7 )1/2 Л
е2 |
(1.9) |
У |
|
Здесь т е —масса покоя электрона; е - |
его заряд; Q —поперечное сечение |
столкновения электронов с атомами и молекулами; о —удельная электропро водность плазмы, значение которой было выбрано на основании данных [1.22J равным 222 Ом-1см-1.
Энергия, подводимая к разрядному промежутку в каждый момент времени Ат, определялась как
Ае = 1ЦдАт, |
(1.10) |
где U, - напряжение на дуге, равное Ua = —их |
иси 1 —опытные зна- |
чения напряжения на батарее конденсаторов и тока разряда, которые хорошо описываются выражениями
UСо |
е |
-Ьх |
( 1.11) |
Uc=-<0, |
smco0T+\j/0; |
||
|
|
|
1 = — 7—éf^sintüoT. |
(1.12) |
®<АР |
|
Здесь UCo- напряжение пробоя; С - емкость батареи конденсаторов; Ln v>- индуктивность цепи разряда, RQ—активное сопротивление разрядного конту ра, ©о—резонансная частота контура; b - коэффициент затухания.
Поскольку затухающий характер напряжений и тока разряда, а также зави симость радиуса канала разряда от времени связаны с потерями энергии из ка нала разряда излучением и теплопроводностью [1.23], можно принять, что при расчете энергии, выделившейся в разрядном контуре, эти потери учитываются по экспериментально определенным осциллограммам тока и напряжения.