ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 1, с. 23-30
УДК 533.95
СТРУКТУРА СГУСТКОВ И СТРУЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ, РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ В ВАКУУМ
© 2004 г. В. А. Шувалов, М. Г. Быстрицкий, Г. С. Кочубей, А. Е. Чурилов
Институт технической механики Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск
Поступила в редакцию 14.03.2003 г.
Экспериментально определены пространственно-временные распределения основных кинетических параметров плазмы при разлете сгустков и струй в вакуум. Показано, что динамику и структуру плазмоидов, инжектируемых импульсными эрозионными плазменными ускорителями электротермического типа, характеризуют две последовательные стадии - два режима ускорения: джоулев нагрев электронов на начальном участке трассы и бесстолкновительный разлет разреженной плазмы.
ВВЕДЕНИЕ
Технические приложения струй плазмы, расширяющейся в вакуум, многообразны. Сгустки и струи импульсной плазмы широко используются в промышленных и лабораторных установках для модификации и обработки поверхностей, нанесения пленок и покрытий, в плазмохимических технологиях синтеза новых веществ и материалов, при моделировании воздействия космической плазмы на элементы конструкций космических аппаратов, разработке и создании перспективных электрореактивных двигателей и плазменных ускорителей, проведении активных экспериментов в ионосфере и космическом пространстве [1-3].
Преимущества технического применения струй импульсной плазмы, импульсных плазменных ускорителей и электрореактивных двигателей нередко сложно реализовать из-за недостаточно полного и достоверного знания динамики, структуры, пространственно-временного распределения параметров сгустков и струй плазмы, расширяющейся в вакуум. Это вызвано трудностью диагностики импульсной плазмы и обусловлено рядом специфических особенностей, связанных, прежде всего, с малыми временами существования плазмы, кратковременностью протекания процессов и высокими скоростями движения плазмоидов.
Решение задачи о разлете плазменных сгустков и струй, о взаимодействии струй импульсной плазмы с преградами имеет самостоятельное научное значение. При этом особый интерес представляют сгустки и струи, инжектируемые импульсными плазменными ускорителями эрозионного типа с твердым диэлектриком в качестве рабочего тела, поскольку они охватывают широкий спектр эффектов и явлений, характеризующих процесс расширения импульсной плазмы в вакуум.
Методика измерений. В [4] для исследования сгустков и струй импульсной плазмы разработан способ комплексной диагностики с синхронным применением различных по физической природе методов диагностики - зондового, СВЧ- и фотометрического. Этот способ, позволяющий исследовать процессы разлета и динамики плазменных сгустков и струй в вакууме с характерными временами порядка десятков и сотен микросекунд независимо от способа генерации и предыстории движения плазмы, основан на синхронной регистрации тока на электрический зонд, амплитуды СВЧ-сигнала, проходящего через плазму в области размещения зонда, и фоторегистрации плазменного образования.
Характерный вид регистрируемых сигналов представлен на рис. 1. Кривые 1 и 2 показывают изменение во времени мощности, прошедшей и отраженной от сгустка электромагнитных волн; 3 -осциллограмма плотности ионного тока насыщения на зонд, ориентированный по нормали к направлению движения плазмы. Моментам времени ^ и ¿2 на осциллограмме СВЧ-сигнала 1 соответствует значение критической концентрации электронов Ие = Ик для частоты зондирующей волны. На осциллограмме 3 им соответствуют значения плотности ионного тока ] , = еМ,У, N = N -концентрация ионов; У - скорость ионов; е - элементарный заряд). Это позволяет определить скорости У1, 2 переднего и заднего фронтов плаз-моида с критической концентрацией электронов. Работая в широком частотном диапазоне и применяя разветвленную систему стационарных либо подвижных электрических зондов, можно построить пространственно-временное распределение параметров плазменного образования (ПО) вдоль трассы его движения. Для источников с высокой воспроизводимостью структуры и параметров плазменных сгустков разработанный метод позволяет получать распределения N и У в от-
(а)
ч
Рис. 1. Регистрируемые сигналы: 1 - изменение мощности, прошедшей сгусток электромагнитной волны; 2 - изменение мощности, отраженной от сгустка электромагнитной волны; 3 - осциллограмма плотности ионного тока насыщения на зонд, ориентированный по нормали к направлению движения плазмы.
дельном сгустке на любом участке трассы (рис. 2 из [4]).
Так как осциллограммы зондового тока воспроизводят продольные (вдоль направления ин-жекции плазмы) сечения плазменного образования в координатах "время - зондовый ток", то, изменяя потенциал зонда, можно для любой точки построить вольт-амперную характеристику, обработка которой производится по методам теории зондов [5, 6].
Детальный анализ структуры осциллограммы отраженного от плазмы сигнала позволяет определить положение границы области с N > N и скорость ее перемещения вдоль направления СВЧ-зондирования при движении плазмоида. Это дает информацию о поперечных размерах, форме плазменного образования и динамике его расширения. Основой для такого анализа служат эффекты интерференции между СВЧ-сигналом, отраженным от плазмы, и опорным сигналом, формируемым в измерительном тракте.
Техника эксперимента. В данной работе метод [4] применен для исследования пространственно-временного распределения параметров, структуры сгустков и струй, инжектируемых импульсными плазменными ускорителями (ИПУ) эрозионного типа с твердым диэлектриком в качестве рабочего тела.
Конструктивные схемы ИПУ приведены на рис. 2. На рис. 2а представлен ИПУ-1 с энергией разряда Wp1 ~ 1000 Дж, длительностью импульса
¿р!
145 мкс и рабочим телом из фторопласта-4
(С2Б4). Диаметр разрядной камеры составляет й
р!
и
Рис. 2. Конструктивные схемы импульсных плазменных ускорителей: (а) - ИПУ-1, (б) - ИПУ-2, (в) -ИПУ-3; 1 - анод, 2 - рабочее тело, 3 - катод, 4 - электрод поджига, 5 - канал истечения плазмы.
= 20 мм, длина разрядной камеры - 1р1 = 65 мм, диаметр среза конического сопла (диэлектрик) -= 2Я1 = 60 мм, длина конического сопла - ¡к1 ~ ~ 80 мм. Разрядный канал ИПУ-2 (рис. 26), образованный торцами анода 1, катода 3 и внутренней поверхностью рабочего тела 2 (фторопласт-4), имеет диаметр йр2 ~ 20 мм и длину 1р2 ~ 50 мм. Истечение плазмы, образующейся в разряде, происходит через канал длиной ~30 мм прямоугольного сечения с эквивалентным радиусом Я2 ~ 11 мм.
5
1
2
4
3
г
г
2
2
Разряд с энергией Wp2 - 30 Дж, длительностью импульса ¿р2 - 9 мкс протекает в закрытом цилиндрическом канале.
Схема ИПУ-3 представлена на рис. 2в ("Ариэль", [3, 7]): рабочее тело - ВаС12 с полиуретаном в качестве связующего, энергия разряда Wp3, - 600 Дж, время разряда гр3 - 36 мкс, длина цилиндрической части разрядной камеры I - 40 мм, ее диаметр й -- 20 мм. Длина конической части разрядной камеры I - 25 мм, диаметр среза ускорителя 03 = 2Я3 = = 35 мм.
Исследования проводились в вакуумной камере плазмодинамического стенда с цилиндрической рабочей частью диаметром 1.2 м, длиной 3.5 м и скоростью безмасляной откачки ~100 м3/с. Статическое разрежение в камере составляло ~10-5 Па, а при работающем ускорителе —10-4 Па. ИПУ и антенны СВЧ-измерительных установок с диапазоном рабочих частот от 3 до 37.5 ГГц размещены внутри камеры. Для предотвращения паразитных переотражений внутренние поверхности вакуумной камеры, координатники и ИПУ покрыты типовым радиопоглощающим материалом В2Ф2 и В2Ф3. Рабочей частью установки является вакуумная безэховая камера [6, 8]. Ускоритель и гребенка из 16 электрических зондов размещены на подвижных платформах соответственно нижнего и верхнего координатников, с четырьмя степенями свободы каждый, обеспечивающих продольное и поперечное перемещение в горизонтальной плоскости, перемещение в вертикальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси до ~360° с точностью отсчета ~0.5 мм и 0.5°. Это позволяет с высокой точностью [6] контролировать перемещение и взаимное расположение плазменного ускорителя, электрических зондов и плазменного сгустка относительно апертур антенн СВЧ-установок в пространстве. Электрические зонды гребенки, выполненные из вольфрамовой нити диаметром 0.15 мм и длиной 5 мм, расположены перпендикулярно направлению распространения плазмоидов. Для предохранения от загрязнения продуктами пиролиза и деструкции рабочего тела ИПУ зонды вводились в поток попеременно, при этом неработающие зонды были прикрыты защитным экраном. Непосредственно перед измерениями проводился принудительный прогрев зондов до температуры ~1700 К, что позволяло исключить влияние загрязнений на результаты измерения вольтампер-ных характеристик. Импульсы зондового тока и сигналы с пояса Роговского, пропорциональные разрядному току ИПУ, регистрировались цифровым запоминающим осциллографом с высокой разрешающей способностью.
Измерения проводились на трассе 0 < г < 325 см, где г - расстояние от среза иПу вдоль продоль-
ной оси камеры, и -50 < y < 50 см, y - координата перемещения в поперечном направлении.
СВЧ-диагностика плазменных образований была реализована на нескольких фиксированных частотах 5.08, 5.45, 7.61 и 10.02 ГГц направленными волнами с длиной зондирующей волны X ~ 3, 4, 5.5 и 6 см.
Измерялись амплитуды и фазы прошедшей через плазму и отраженной от плазмы электромагнитных волн. При фазовых измерениях СВЧ-установки использовались как интерферометры Майкельсона.
Результаты эксперимента и обсуждение. Для ИПУ, схемы которых приведены на рис. 2, характерен электротермический режим разгона плазмы. При этом для ИПУ-3 ("Ариэль") возможен комбинированный режим с переходом в электромагнитный режим ускорения [1]. Свидетельством идентичности процессов и механизмов истечения сгустков и струй импульсной плазмы в вакуум являются распределения нормированной плотности и ионного тока плазмоида на зонд ji (L)/ji0 вдоль трассы расширения, представленные на рис. 3 а (L = z/Ra, ji0 - ионный ток насыщения на зонд на срезе ИПУ L = 0). Точки
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.