ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 4, с. 375-384
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.!
ДОЛГОЖИВУЩИЕ ПЛАЗМОИДЫ, КАК ИНИЦИАТОРЫ ГОРЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
© 2004 г. И. А. Коссыый, В. П. Силаков, H. М. Тарасова, М. И. Тактакишвили, Д. ван Ви*
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН * Johns Hopkins University, Laurel, MD, USA Поступила в редакцию 02.07.2003 г.
Проведены экспериментальные исследования скользящего поверхностного разряда, возбуждаемого вдоль многоэлектродной металлодиэлектрической системы в химически активной (горючей) газовой смеси (CH4 + O2). Представлены результаты, полученные с помощью скоростной фотографии, теневой фотографии, пьезодатчика и оптической спектроскопии. Показано, что сильноточный скользящий поверхностный разряд является источником высокотемпературных терморавновесных металлических плазмоидов, время жизни которых много выше плазменных рекомбинационных времен ("долгоживущие" плазмоиды). Экспериментальные результаты позволяют описать динамику плазмоидов, вводимых в горючую газовую среду, и приводят к выводу об определяющей роли среды в значительном возрастании продолжительности жизни плазмоида и роли плазмоидов в инициации горения газовой смеси.
1. ВВЕДЕНИЕ
Плазменные образования с аномально затянутой стадией распада ("долгоживущие плазмоиды") были зарегистрированы в лазерных искрах [1, 2], в микроволновых разрядах [3, 4], в сильноточных дуговых разрядах [5, 6] и т.д. Интерес к долгоживущим плазмоидам, генерируемым в лабораторных условиях, стимулировался, прежде всего, попытками осуществить моделирование такого не понятого до конца и продолжающего интриговать исследователей явления, как шаровая молния [7, 8].
В последнее время, однако, круг возможного использования долгоживущих плазмоидов заметно расширился, и в него, в частности, вошла проблема электроразрядной инициации горения в сверхзвуковых (гиперзвуковых) потоках газов.
Поджиг такого рода потоков с помощью обычных искровых систем (аналогов автомобильной свечи) существенно затруднен из-за, в частности, малого времени тс ~ 5/v взаимодействия газовой струи с электроразрядной плазмой (5 -характерный размер области локализации разряда, а v - скорость потока). При относительно малых 5 и больших значениях v время взаимодействия может оказаться меньше характерных "индукционных" времен (т), необходимых для возгорания смеси (тс < ).
Существует ряд вполне очевидных вариантов увеличения тс вплоть до значений, превышающих Один из них заключается в значительном увеличении размеров 5 по сравнению с размерами обычных искр, поджигаемых между двумя электродами. Для реализации этого способа продления време-
ни взаимодействия необходимо создание протяженных вдоль потока поджигающих систем.
Возможен, однако, и иной способ решения задачи, заключающийся в организации электрического разряда так, чтобы плазменное образование "отрывалось" от электроразрядного источника и "вбрасывалось" в газовый поток в виде плазмоида, уносимого потоком "вниз по течению". В этом случае время взаимодействия поток-плазма определяется временем жизни плазмоида (тс ~ тр), и если последнее превышает характерное индукционное время т¡, то возможно возгорание движущейся газовой среды. Такого рода процесс инициации аналогичен варианту "впрыскивания" в газовый поток нагретых до высоких температур металлических частичек [9] с той лишь разницей, что роль раскаленных частичек играют долгоживу-щие плазмоиды.
Оба рассмотренных выше способа могут быть реализованы с помощью многоэлектродных разрядников, сконструированных и используемых в ИОФ РАН для целого ряда приложений, включая проблему инициации горения в статических (неподвижных) газовых смесях (см. [10-12]). В настоящей работе впервые продемонстрирована возможность использования сильноточных скользящих поверхностных разрядов, возбуждаемых в многоэлектродных разрядниках, в качестве источников долгоживущих плазмоидов, вбрасываемых в химически активную среду (горючие смеси СН4 + 02 или СН4 + 02 + фреон).
Рис. 1. Схема эксперимента.
1 - многоэлектродный разрядник; 2 - камера реактора; 3, 10 - фотоэлектронный регистратор ФЭР-7; 4 -азотный лазер; 5 - телескоп; 6 - линза; 7 - диафрагма; 8 - фильтр УФСб; 9 - фотоаппарат; 11 - спектрограф (82000 или НЯ2000); 12 -фотоэлектронный умножитель; 13 - пьезодатчик.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема реактора с электроразрядной инициацией горения показана на рис. 1.
Камера в реакторе 2 представляет собой цилиндрическую кварцевую трубу диаметром 0с = 50 мм и длиной Ьс = 100-200 мм. Камера откачивалась до давления р < 10-2 Тор и наполнялась рабочим газом при давлениях 100 < р < 500 Тор.
Инициатором горения является многоэлектродный разрядник 1, описанный в ряде работ (см., например, [13, 14]). Схематически разрядник, использованный в настоящих исследованиях, изображен на рис. 2. Он представляет собой систему кольцевых электродов, определенным образом располагаемых на диэлектрической трубке (керамика, фторопласт, оргстекло) диаметром = б мм. Через трубку так, как показано на рис. 2, проходит обратный токопровод. Геометрия разрядника рассчитана таким образом, что при подаче высоковольтного импульса с достаточно резким передним фронтом вдоль разрядника распространяется высокоскоростная волна ионизации, закорачивающая за доли микросекунды разрядник и приводящая к формированию сильноточного (I < 1-10 кА), низкопорогового скользящего поверхностного разряда, представляющего собой последовательность плазмоидов, возникающих в межэлектродных промежутках. Для возбуждения скользящего разряда в настоящих экспериментах применялся генератор высоковольтных импульсов с амплитудой импульса и > 20 кВ и длительностью импульса тн = 10-20 мкс. Характерные ос-
Рис. 2. Схематическое изображение многоэлектродного разрядника.
1 - кольцевые электроды; 2 - диэлектрическая трубка (кварц, керамика, фторопласт); 3 - обратный токопровод; 4 - плазма скользящего разряда; 5 - кварцевая изолирующая трубка.
циллограммы напряжения и тока при разряде приведены на рис. 3.
Динамика свечения газа в реакторе исследовалась с помощью скоростных фотоэлектронных регистраторов ФЭР-7 (3, 10 на рис. 1). Щели фоторегистраторов располагаются вдоль или поперек оси z камеры с тем, чтобы иметь возможность регистрировать как аксиальную, так и радиальную динамику свечения. Временные характеристики свечения, интегральные по спектру, определялись с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-106 (12 на рис. 1).
Спектральные характеристики излучения из разряда исследовались с помощью спектрографов S 2000 и HR 2000 фирмы Ocean Optics (11 на рис. 1).
Газодинамические возмущения среды регистрировались с помощью теневой методики, базирующейся на ультрафиолетовом азотном лазере (4 на рис. 1).
Вариации давления газа на стенке камеры фиксировались с помощью пьезодатчика (13 на рис. 1).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Поведение во времени свечения из реактора исследовалось как в аксиальном направлении (щель ФЭР-7 ориентирована вдоль оси камеры, выделяя в радиальном направлении один из межэлектродных промежутков), так и в радиальном направлении (щель ориентирована перпендикулярно оси камеры). Скоростное фотографирование проводилось как при работе разрядника в химически нейтральной газовой среде (кислород, аргон, метан), так и в химически активной (горючей) среде (метан + кислород, метан + кислород + фреон).
Временная развертка на фотографиях менялась от относительно малой (75-250 мкс/дел) до относительно большой (750 мкс/дел). В первом
случае исследованы ранние (предшествующие горению) стадии, во втором - промежуток времени, захватывающий объемное горение в реакторе.
Типичные фотографии, полученные с помощью фотоэлектронного регистратора, представлены на рис. 4-6. Основные выводы, которые могут быть сделаны при анализе высокоскоростных фотографий, заключаются в следующем.
- Установлено, что во всех газовых средах (как химически нейтральных, так и химически активных) разрядные промежутки являются источниками плазмоидов, которые "отрываются" от поверхности многоэлектродного электроразрядного устройства и движутся вдоль оси г реактора (рис. 4 и 6а);
- В том случае, когда реактор наполнен одно-компонентным газом (аргон, метан, кислород), плазмоиды, генерируемые многоэлектродным разрядником, живут в течение 200-300 мкс, отходя за это время на расстояние 2-3 см от области генерации и исчезая на этих расстояниях (рис. 4 и 6). Время жизни существенно превосходит разрядное время (~10-20 мкс) и характерные рекомби-национные времена. Скорость аксиального движения плазмоидов, как правило, дозвуковая (или приближающаяся к скорости звука);
- Если разрядная камера заполнена горючей газовой смесью (СН4 + 02; СН4 + 02 + фреон), времена жизни плазмоидов существенно увеличиваются. Аксиальное движение плазмоидов длится в течение 1-3 мс до тех пор, пока не начинается объемное возгорание газовой среды. При этом наблюдается трансформация исходного плазмои-да в менее интенсивно светящиеся и меньшего размера плазмоиды, продолжающие аксиальное движение (рис. 5);
- Скоростные фотографии, полученные со щелью, ориентированной перпендикулярно оси г (рис. 6), показывают, что трансформированные (вторичные) плазмоиды (так же, как исходные) имеют относительно малые поперечные размеры, сравнимые с размерами аксиальными.
Спектры излучения исходного плазмоида, полученные с помощью спектрографов Б 2000 и НЯ 2000, содержат как непрерывные, так и линейчатые компоненты. Типичные спектры в УФ области приведены на рис. 7. На рис. 8 представлены результаты обработки сплошного спектра в области длин волн 4500 А < X < 6500 А. Спектральная интенсивность 1Х в этой области длин волн оказывается близкой к равновесной [15]
1Х = (еош^4)[ехр(Не/ХкТ) -1 ]-1. (1)
Рис. 3. Осциллограммы напряжения на разряднике
(верхний луч) и тока через разрядник (нижний луч).
Разряд в воздухе. р = 200 Тор.
Временная развертка 500 мкс/дел.
Так как в рассматриваемой спектральной области выполняется неравенство ехр(йс/ХкТ) > 1, то соотношение (1) может быть сведено к виду
1.4388 х 108/X = В - Т 1п(/хХ4), (2)
где X - в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.