Состав плазмы и диффузия в пристеночной области капиллярного разряда

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрена внутренняя структура разрядной плазмы в капилляре с испаряющимися стенками из соединений СН2 и СF2. Полученные для центральной области экспериментальные данные позволяют выделить два пристеночных слоя (кольца) со своими особенностями состава плазмы и кинетики процессов переноса. Установлены механизмы радиального разделения компонентов смесей, начинающегося с термодиффузии в нейтральном газе у стенки и усиленного амбиполярной диффузией ионов углерода с электронами из ионизованного слоя пристеночной области. В результате движение к центру легкого компонента многократно ускоряется, а тяжелого замедляется так, что центральная область наполняется легким газом (ионами Н или С), а пристеночная ‒ преимущественно тяжелым (атомами и ионами С или атомами F). Определены направления дальнейшего исследования.

About the authors

О. В. Коршунов

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

А. С. Пащина

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Author for correspondence.
Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

В. Ф. Чиннов

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Огурцова Н.Н., Подмошенский И.В., Шелемина В.М. Зависимость температуры и давления плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой от геометрии капилляра и тока разряда // ТВТ. 1968. Т. 6. № 1. С. 48.
  2. Минько Л.Я. Получение и исследование импульсных плазменных потоков. Минск: Наука и техника, 1970. 184 с.
  3. Ibrahim E.Z. The Ablation Dominated Polymethylmethacrylate Arc // J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. V. 13. № 9. P. 2045.
  4. Keidar M., Boyd I.D. Ablation Study in the Capillary Discharge of an Electrothermal Gun // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. № 5. P. 053301.
  5. Ruchti C.B., Niemeyer L.E. Ablation Controlled Arcs // IEEE Trans. Plasma Sci. 1986. V. 14. № 4. P. 423.
  6. Zhang J., Li X., Hang Y., Yang W. An Electrothermal Plasma Model Considering Polyethylene and Copper Ablation Based on Ignition Experiment // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. № 23. P. 235204.
  7. Niemeyer L.E. Evaporation Dominated High Current Arcs in Narrow Channels // IEEE Trans. Power Appar. Syst. 1978. V. PAS-97. № 3. P. 950.
  8. Kim J.U., Clemens N.T., Varghese P.L. Experimental Study of the Transient Underexpanded Jet Generated by an Electrothermal Capillary Plasma // J. Propuls. Power. 2002. V. 18. № 6. P. 1153.
  9. Kameshima T., Kotaki H., Kando M. et al. Laser Pulse Guiding and Electron Acceleration in the Ablative Capillary Discharge Plasma // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. № 9. P. 093101.
  10. Kaganovich D., Sasorov P., Cohen C., Zigler A. Variable Profile Capillary Discharge for Improved Phase Matching in a Laser Wakefield Accelerator // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. № 6. P. 772.
  11. Edamitsu T., Tahara H. Experimental and Numerical Study of an Electrothermal Pulsed Plasma Thruster for Small Satellites // Vacuum. 2006. V. 80. № 11–12. P. 1223.
  12. Ryzhkov S.V. Current State, Problems, and Prospects of Thermonuclear Facilities Based on the Magneto-inertial Confinement of Hot Plasma // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2014. V. 78. № 5. P. 456.
  13. Witherspoon F.D., Case A., Messer S.J., Bomgardner R., Phillips M.W., Brockington S., Elton R. A Contoured Gap Coaxial Plasma Gun with Injected Plasma Armature // Rev. Sci. Instrum. 2009. V. 80. P. 083506.
  14. Rott M. The LRT/TUM Small Caliber Electrothermal Accelerator // IEEE Trans. Magn. 1993. V. 29. № 1. P. 597.
  15. Dyvik J., Herbig J., Appleton R., O’Reilly J., Shin J. Recent Activities in Electrothermal Chemical Launcher Technologies at BAE Systems // IEEE Trans. Magn. 2007. V. 43. № 1. P. 303.
  16. Baranov O., Bazaka K., Kersten H., Keidar M., Cvelbar U., Xu S., Levchenko I. Plasma under Control: Advanced Solutions and Perspectives for Plasma Flux Management in Material Treatment and Nanosynthesis // Appl. Phys. Rev. 2017. V. 4. № 4. P. 041302–1.
  17. Samal S. Thermal Plasma Technology: The Prospective Future in Material Processing // J. Clean. Prod. 2017. V. 142. P. 3131.
  18. Авраменко Р.Ф., Бахтин Б.И., Николаева В.И., Поскачеева Л.П., Широков Н.Н. Исследование плазменных образований, инициируемых эрозионным разрядом // ЖТФ. 1990. Т. 60. № 12. С. 57.
  19. Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Юсупалиев У. Плазменный тороидальный вихрь в воздухе // ТВТ. 1988. Т. 26. № 4. С. 639.
  20. Андрианов А.М., Синицын В.И. Использование эрозионного разряда для моделирования одного из возможных видов шаровой молнии // ЖТФ. 1977. Т. 47. № 11. С. 2318.
  21. Пащина А.С., Ефимов А.В., Чиннов В.Ф. Оптические исследования многокомпонентной плазмы капиллярного разряда. Дозвуковой режим истечения // ТВТ. 2016. Т. 54. № 4. С. 513.
  22. Пащина А.С., Ефимов А.В., Чиннов В.Ф. Оптические исследования многокомпонентной плазмы капиллярного разряда. Сверхзвуковой режим истечения // ТВТ. 2017. Т. 55. № 5. С. 669.
  23. Leonov S., Nebolsin V., Shilov V. Effectiveness of Plasma Jet Effect on Bodies in an Airflow // I Int. Workshop Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace Applications / Ed. Bityurin V. Moscow: IVTAN, 1999. P. 58.
  24. Пащина А.С., Дегтярь В.Г., Калашников С.Т. СВЧ-антенна на основе импульсной плазменной струи // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 839.
  25. Pashchina A.S., Karmatsky R.E., Klimov A.I. The Creation of Hypersonic Flows by a Powerful Impulse Capillary Discharge // Tech. Phys. Lett. 2017. V. 43. № 11. P. 1033.
  26. Pashchina A.S., Karmatsky R.E. Using Triple Langmuir Probe Method for Study High-speed Plasma Flow Created by a Pulsed Capillary Discharge // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1112. P. 012023.
  27. Белов С.Н. Расчет осевого распределения параметров плазмы капиллярного разряда с испаряемой стенкой // Журн. прикл. спектроскопии. 1978. Т. 28. № 4. С. 605.
  28. Zhang J., Li X., Chen L., Zhao Y., Liang L., Xiao X. Investigation of Geometric Effect in Capillary Discharge Plasma Generator Using an Improved Ablation Model // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. № 23. P. 235201.
  29. Wang W., Kong L., Geng J., Wei F., Xia G. Wall Ablation of Heated Compound-materials into Non-equilibrium Discharge Plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 7. P. 074005.
  30. Li R., Li X., Jia S., Murphy A.B. A Two-dimensional Capillary Discharge Model Considering the Ablation and Deposition Processes // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 9. P. 093302.
  31. Kovitya P., Lowke J.J. Theoretical Predictions of Ablation-stabilised Arcs Confined in Cylindrical Tubes // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. V. 17. № 6. P. 1197.
  32. Kim K., Peterson D.R. A Low Aspect Ratio Electrothermal Gun for Metal Plasma Vapor Discharge and Ceramic Nanopowder Production // J. Mech. Sci. Technol. 2008. V. 22. № 7. P. 1408.
  33. Keidar M., Boyd I.D., Beilis I.I. Model of an Electrothermal Pulsed Plasma Thruster // J. Propuls. Power. 2003. V. 19. № 3. P. 424.
  34. Kozakov R., Kettlitz M., Weltmann K.-D., Steffens A., Franck C.M. Temperature Profiles of an Ablation Controlled Arc in PTFE: I. Spectroscopic Measurements // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. № 8. P. 2499.
  35. Schneidenbach H., Uhrland D., Franke S., Seeger M. Temperature Profiles of an Ablation Controlled Arc in PTFE: II. Simulation of Side-on Radiances // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. № 8. P. 7402.
  36. Pashchina A.S. Demixing in the Plasma Created in Capillary Discharges with Polymeric Wall // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012002.
  37. Pashchina A.S. The Influence of Spatial Inhomogeneity of Pulsed Capillary Discharge on the Gas Dynamics of Multicomponent Plasma // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1112. № 1. P. 012013.
  38. Pashchina A.S. Measurements of Electron Number Density and Temperature in a Supersonic Plasma Jet by Optical Emission Spectroscopy // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012003.
  39. Pashchina A.S., Chinnov V.F., Efimov A.V. Estimation of Gas-dynamic Characteristics of Supersonic Plasma Jets Based on Spectroscopy Results // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1698. № 1. P. 012009.
  40. Becerra M., Pettersson J., Franke S., Gorchakov S. Temperature and Pressure Profiles of an Ablation-controlled Arc Plasma in Air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 52. P. 434003.
  41. Pashchina A.S. On the Reasons of Spatial Heterogeneity of the Plasma Chemical Composition in Ablation Controlled Discharges // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1698. № 1. P. 012008.
  42. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980. 240 с.
  43. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 378 с.
  44. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2006. 472 с.
  45. Преображенский Н.Г., Пикалов В.В. Неустойчивые задачи диагностики плазмы. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.
  46. Пикалов В.В. Томография плазмы. В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 2 / Под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2002. С. 563.
  47. Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые струи плазмы. Л.: Машиностроение, 1985. 264 с.
  48. Burton R.L., Turchi P.J. Pulsed Plasma Thrusters // J. Propuls. Power. 1998. V. 14. № 5. P. 716.
  49. Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизированной плазме. М.: Атомиздат, 1975. 336 с.
  50. Смирнов Б.М. Свойства газоразрядной плазмы. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 363 с.
  51. Raizer Yu.P. Gas Discharge Physics / Ed. Allen J.E. Berlin‒Heidelberg: Springer, 1991. 449 p.
  52. Коршунов О.В., Кавыршин Д.И., Чиннов В.Ф. Диффузия и плотность атомов в сильноионизованной неоднородной плазме He // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 803.
  53. Коршунов О.В., Кавыршин Д.И., Чиннов В.Ф. Диффузия столкновительной плазмы на примере сильноточной дуги в Не. Бинарная и тринарная ионизованные смеси // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 645.
  54. Мак-Даниэль И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах / Под ред. Смирнова Б.М. М.: Мир, 1976. 422 с.
  55. Ferziger J.H., Kaper H.G. Mathematical Theory of Transport Processes in Gases. Amsterdam–London: North-Holland Pub. Co., 1972. 555 p.
  56. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Изд-во Физ. ин-та им. П.Н. Лебедева РАН, 1998. 338 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».