ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 856-864
УДК 537.525
ПОПЕРЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ВОЗДУХА. МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА
© 2004 г. А. П. Ершов, А. В. Калинин, О. С. Сурконт, И. Б. Тимофеев,
В. М. Шибков, В. А. Черников
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Поступила в редакцию 26.06.2003 г.
Спектроскопическими и зондовым методами измерены микроскопические параметры плазмы импульсного и стационарного поперечного разрядов в сверхзвуковой струе воздуха, истекающей в затопленное пространство. Измерения проведены для числа Маха потока М = 2, давлений затопленного пространства р = 5-30 кПа, степени нерасчетности струи п ~ 2 и разрядных токов I = 1-10 А. Для режима разряда, близкого к режиму генератора тока, измерены зависимости средних значений температуры газа, концентрации заряженных частиц и приведенного электрического поля от разрядного тока. Измеренные значения температуры газа лежат в диапазоне 1-3 кК, концентрации заряженных частиц - 1013-1014 см-3, приведенного электрического поля 40-20 Тд. Аксиальное распределение температуры характеризуется высокими значениями температуры уже на малых расстояниях от электродов и медленным спадом вдоль потока.
ВВЕДЕНИЕ
Сведений о микроскопических параметрах плазмы электродных разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха очень немного. В [1] исследовался поперечный разряд в аэродинамической трубе закрытого типа. В спектре разряда в потоке воздуха с числом Маха М = 3 и статическим давлением р = 4 кПа наблюдались интенсивные полосы второй положительной системы азота. По относительной интенсивности полос этой системы были определены значения колебательной температуры в разряде. Для межэлектродного расстояния Д0 = 10 мм колебательная температура в сечении, расположенном на расстоянии 70 мм вниз по потоку, при разрядном токе I = 2 А составила за электродами примерно 4500 К, на оси - около 2000 К. В то же время калориметрические измерения в следе за разрядом, выполненные в близких условиях (М = 3, р = 8 кПа, Д0 = 15 мм, I = 2.5 А) дали существенно более низкие значения: за катодом -~650 К, за анодом - ~450 К, на оси - ~400 К.
Комбинированный поперечно-продольный разряд постоянного тока в аэродинамической трубе с числом М = 2.5 потока в диапазоне статических давлений воздуха 6-9 кПа исследовался в [2]. В разряде также наблюдались интенсивные полосы второй положительной системы азота. По относительной интенсивности вращательных линий полосы (0, 3) с длиной волны канта X = 405.9 нм этой системы была измерена вращательная температура. При токах I ~ 0.5-0.9 А температура в катодной полосе лежала в интервале 1700-2900 К, в анодной 2000-2400 К. В этой же работе в следе за про-
дольным разрядом при тех же внешних параметрах была измерена температура с помощью термопары. Максимальное приращение температуры газа относительно начальной температуры потока (7^(0) = 130 К) составило ~300 К. Таким образом, аналогично [1] температура, измеренная контактным методом, оказалась существенно ниже температуры, измеренной спектроскопическим методом. В этом же разряде при токе I ~ 1 А по напряжению, степени нагрева газа и току были оценены значения напряженности электрического поля Е, приведенного поля Е/И и концентрации электронов Ие, которые составили соответственно Е ~ 140 В/см, Е/И ~ 10 Тд, N ~ 1013 см 3. Подробный анализ экспериментальных данных [2] был выполнен в [3]. Однако весьма узкий диапазон разрядных токов и давлений газа, оценочный характер данных, обусловленный глубокой модуляцией тока и напряжения разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке воздуха и, соответственно, его протяженности по потоку, не позволил выявить однозначную картину механизмов поддержания разряда.
Таким образом, систематические данные о влиянии внешних параметров на микроскопические характеристики разрядов в сверхзвуковых потоках воздуха - температуру и концентрацию плазмы, приведенное электрическое поле - по сути отсутствуют. Целью настоящей части является возможное восполнение этого пробела.
Экспериментальная установка для создания импульсных разрядов и разряда постоянного тока в сверхзвуковой струе описана в [4]. Она была оснащена автоматизированными схемами спектро-
скопических и зондовых измерений. Спектроскопическими методами определялись вращательная и колебательная температура плазмы, а также концентрация электронов. Зондовым методом измерялись концентрация положительных ионов, а также электрическое поле и распределение потенциала в разряде [5].
могла использоваться цифровая фильтрация сигнала.
Пространственное разрешение оптической системы в рассматриваемом случае определялось числом и размерами светочувствительных элементов ПЗС-линейки и составило величину ~1 мм.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИИ
Использованная оптическая схема включала в себя спектрограф СТЭ-1, монохроматор МДР-23, систему линз и зеркал, многоканальный оптический регистратор спектра и персональный компьютер. Изображение разряда проецировалось через выходное окно барокамеры с помощью кварцевых линз и зеркал на щель спектрального прибора. Диаметры и фокусные расстояния линз выбирались такими, чтобы на щели спектрографа получить уменьшенное (1 : 10) изображение разряда и полностью использовать при этом светосилу прибора. Для измерения пространственного распределения параметров плазмы вдоль потока использовалась поворотная призма (призма Дове), позволяющая изменять ориентацию разряда на 90° по отношению к входной щели спектрографа. Обратная линейная дисперсия спектрографа СТЭ-1 и монохроматора МДР-23 в спектральном диапазоне 300-400 нм составляла 0.35 нм/мм и 1.3 нм/мм соответственно.
Приемником излучения служила ПЗС-линейка Toshiba TCD 1300D с числом светочувствительных элементов 3648 и размерами элемента 8 х 8 мкм. Линейка формировала видеосигнал, пропорциональный интенсивности излучения в спектральном диапазоне 300-900 нм. Видеосигнал подавался на широкополосный дифференциальный усилитель, предназначенный для компенсации постоянной составляющей и усиления сигнала до величины, достаточной для эффективного кодирования 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем. После обработки сигнала компьютером исследуемый спектр выдавался на экран.
Система могла работать в двух режимах: синхронном и асинхронном. В первом из них импульсы формирования разряда синхронизованы с циклами экспозиции и считывания ПЗС-линейки. Такой режим позволяет исследовать одиночные разряды либо синхронно накапливать информацию об им-пульсно-периодических разрядах. Асинхронный режим дает усредненный за время наблюдения спектр и может использоваться для исследования разрядов постоянного тока. Время регистрации одного кадра изображения ~20 мс, в течение одного пуска (с продолжительностью потока ~2 с [4]) регистрировалось несколько спектров. Дополнительно для уменьшения влияния шумов усилительного тракта и теплового шума сенсора
СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ
Спектр излучения плазмы исследуемых поперечных разрядов в сверхзвуковом потоке воздуха при минимальном в данных экспериментах давлении в ресивере компрессора (полном давлении) Р0 ~ 105 Па и соответствующем ему давлении в барокамере р < 104 Па качественно мало отличается от спектров разрядов в неподвижном воздухе в той же области давлений р < 104 Па. Наблюдаются молекулярные полосы первой и второй положительной системы N2, полосы СК полосы первой отрицательной системы молекулярного иона
азота N, линии атомарного кислорода и ряд атомарных линий элементов, появляющихся в плазме за счет эрозии электродов. Однако, как правило, излучение второй положительной системы азота являлось доминирующим в области длин волн 370-390 нм (рис. 1), и именно оно использовалось для измерения температуры газа в воздушной плазме.
Температура газа отождествлялась с вращательной температурой Тк основного электронного
состояния X1Х+. В эксперименте Тк измерялась по относительным интенсивностям линий вращательной структуры полосы (0, 2) второй положительной системы азота (переход С3ки-Б3к§) с длиной волны канта X = 380.5 нм (рис. 2). Для определения Тк использовалось выражение
0.891и(4/0 = С - ] *( ] * + 1)/Тл,
где 1гк - интенсивность излучения спектральной линии вращательной структуры молекулярной полосы, соответствующей переходу молекулы из энергетического состояния г в состояние к, ]* -суммарный момент количества движения молекулы, г - фактор интенсивности, определяемый вероятностью перехода и статистическим весом начального вращательного уровня, С - постоянная величина. В этом упрощенном выражении частота излучения, соответствующая переходу г - к, полагается постоянной в пределах полосы и входит в величину С. Множитель перед логарифмом определяется отношением постоянной Больцма-на к вращательной постоянной молекулы Б' для верхнего электронного состояния С3пи. Ее значение полагалось Б' = 1.826 [6]. Поскольку оно мало отличается от вращательной постоянной Б" = 2.01
I, отн. ед.
X, нм
Рис. 1. Спектр излучения разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке воздуха для области длин волн 370-390 нм при р = 5.3 х 103 Па, Рд = 105 Па, М - 2, Д = 10 мм, I = 2.5 А, I = 1 см. По оси X отложены порядковые номера ячеек ПЗС-линейки и длина волны, по оси У - величина измеренного сигнала в относительных единицах.
основного состояния X1 £ +, измеряемая температура практически соответствует вращательной температуре основного состояния, т.е. температуре газа.
I, отн. ед.
180 г
170 -
160 " Л
150 - /
140 л/
130 Л
120 1
110
100
90
80 1
2000 2200 (1, 3)М2 375.5 нм
2400 2600 2800
3000 3200 (0, 2)М2 380.5 нм
Рис. 2. Спектр излучения полосы (0, 2) с длиной волны канта X = 380.5 нм второй положительной системы азота в разряде постоянного тока в сверхзвуковом потоке воздуха при р = 5.3 х 103 Па, Р0 = 105 Па, М « 2, Д0 = 10 мм, I = 2.5 А, ^ = 1 см.
Однако интенсивность полос второй положительной системы молекулярного азота очень быстро падает с ростом Р0. На рис. 3 представлен спектр излучения импульсно-периодического разряда при величи
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.