Том 49, № 5 (2023)
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
Феноменология сильноточного разряда в азоте и гелии при среднем давлении между двух электродов рельсовой геометрии
Аннотация
Плазменные ускорители, которые формируют высокоскоростные плазменные струи за счет силового воздействия собственного магнитного поля, работают при больших токах. Из-за этого на их электродах могут возникать токовые пятна с высокой плотностью тока, которые приводят к эрозии электродов и ограничивают срок их службы. В данной работе исследуются токовые режимы плазменного ускорителя как без токовых пятен, так и с токовыми пятнами на электродах. В последнем случае была исследована динамика токовых пятен в процессе ускорения плазмы. Этот вопрос был изучен на примере сильноточного (I ≤ 25 кА) импульсного разряда, создаваемого между двумя длинными (l = 30 см) и параллельными электродами из нержавеющей стали цилиндрической формы диаметром 10 мм. Использовались два расстояния между осями цилиндров, h = 30 и 22 мм. Были исследованы две конфигурации зоны разряда. В одном из них зона разряда не ограничена боковыми диэлектрическими стенками. В другом случае зона разряда ограничена прозрачными диэлектрическими стенками, расположенными на расстоянии 12 мм. Сильноточный разряд был исследован в азоте и гелии при давлениях от 4 до 50 Торр. Большой ток был обеспечен за счет разряда конденсаторной батареи C = 1000 мкФ, заряженной до напряжения U ≤ 5 кВ. Разряд инициировался локально на одном конце электродов, а затем образовавшаяся плазма быстро перемещалась к противоположному концу под сильным силовым воздействием собственного магнитного поля. В конце концов, плазменный сгусток вылетает из зоны разряда.
Некоторые методы диагностики холодных плазменных струй на основе СВЧ-разряда атмосферного давления
Аннотация
С использованием различных методов диагностики исследовалась холодная плазменная струя атмосферного давления, представляющая собой потоковое послесвечение межэлектродного СВЧ‑разряда в аргоне. Источником холодной плазмы являлась внешняя электродная плазменная горелка СВЧ-плазмотрона (2.45 ГГц) волноводного типа. Для получения пространственно-временной структуры плазменной струи применялся метод высокоскоростной тенеграфии. Периодический характер генерации плазмы исследовался с помощью измерений осциллограмм плавающего потенциала электрического зонда в струе.
Коррозия железа в радиационной плазме влажного воздуха
Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований по измерению скорости коррозии железа в низкотемпературной плазме влажного воздуха, формируемой под действием пучка быстрых электронов, в зависимости от величины относительной влажности воздуха. Показано, что поток быстрых электронов, который является идеальным имитатором действия радиоактивного β-излучения, значительно интенсифицирует коррозию железа в плазмообразующей газовой среде, в которой одновременно присутствуют кислород и пары воды. Установлено, что скорость коррозии в условиях радиоактивного облучения резко возрастает, когда относительная влажность воздуха превышает 10%. Проведено численное моделирование ионного состава плазмы с учетом 12 положительных и 12 отрицательных гидратированных ионов при разных интенсивностях источника внешней ионизации и при разных значениях относительной влажности от 10–6 до 100%. На основе проведенных оценок выдвинута гипотеза об определяющей роли кластерных гидратированных ионов, обильно образующихся в плазме влажного воздуха при атмосферном давлении, в гетерогенных процессах окисления железа.
Перепробой продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха
Аннотация
Представлена физическая и численная модель продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха. Рассматриваемая модель учитывает не только традиционные механизмы взаимодействия разряда и потока (конвекция, диффузия, тепловыделение, термохимическая неравновесность), но и процессы диссоциации и ионизации в сильных приведенных электрических полях. Показано, что в рамках двумерной модели разряда постоянного тока токовая петля уносится потоком до тех пор, пока скорость ионизации за счет сильного приведенного электрического поля в непосредственной близости от электродов не обеспечит достаточную ионизацию для формирования альтернативного канала тока: начинает формироваться новая петля тока, а старая затухает. Этот рассматриваемый процесс перепробоя разряда имеет периодический характер, при этом частота перепробоев в токовой петле пропорциональна амплитуде тока.
Образование атомарного кислорода в продольно-поперечном разряде
Аннотация
Представлены результаты численного моделирования разряда постоянного тока в высокоскоростном воздушном потоке с использованием газодинамического кода Plasmaero. Моделирование плазмы разряда было выполнено с использованием одножидкостного МГД-приближения и детальной схемы плазмохимических реакций. В расчетах была получена динамика разряда постоянного тока (в том числе, возникновение перепробоя), которая качественно соответствует экспериментальным данным. Была получена и проанализирована концентрация атомарного кислорода в разных частях разряда. В нульмерном расчете получена оценка влияния наработанного атомарного кислорода на горение этилен-воздушной смеси. Было показано, что наработка атомарного кислорода в разряде постоянного тока может значительно уменьшить время индукции, что важно для стимулирования горения в высокоскоростном потоке.
Характеристики холодной плазменной струи при возбуждении синусоидальным и положительным импульсным напряжениями для медицинских приложений
Аннотация
Низкотемпературные плазменные струи при атмосферном давлении, генерируемые синусоидальным и положительным импульсным напряжением, по-разному взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью. В эксперименте и в численном моделировании сравниваются режимы работы струи гелиевой плазмы для этих типов рабочих напряжений. Ток разряда на обрабатываемой поверхности с течением времени, и нагрев поверхности изучены для различных параметров разряда, допустимых для противораковой терапии. Для повышения эффективности плазменной струи анализируется интенсивность спектра излучения. Нагрев поверхности контролируется для того, чтобы удовлетворить условиям безопасного плазменного воздействия на биологические объекты. Обсуждается влияние длительности импульса напряжения на интенсивность взаимодействия плазмы с поверхностью. Результаты воздействия на раковые клетки A549 и MCF-7 демонстрируют высокую эффективность холодной плазменной струи, генерируемой в оптимальных режимах.
Исследование восприимчивости ламинарного бафтинга к возмущениям генерируемыми электрическим разрядом
Аннотация
Проведено экспериментальное исследование влияния диэлектрического барьерного разряда на ламинарный трансзвуковой бафтинг при малых числах Рейнольдса (0.5–0.7) × 106. Для исследования характеристик течения использовалась высокоскоростная шлирен-визуализация и метод PIV. Плазменный актуатор, на основе диэлектрического барьерного разряда, размещался вблизи передней кромки профиля. В ходе экспериментов было исследовано влияние частоты разряда на характеристики трансзвукового бафтинга. Установлено, что возмущения, создаваемые электрическим разрядом малой мощности, оказывают существенное влияние на ламинарный трансзвуковой бафтинг.
Цифровой метод коррелированного по времени счета одиночных фотонов для диагностики барьерного разряда
Аннотация
Для изучения развития поверхностного барьерного разряда, питаемого синусоидальным переменным напряжением, был реализован метод подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией (TCSPC) с цифровой постобработкой. Показано, что разрешение, полученное при цифровой реализации метода TCSPC, не хуже 300 пс при времени нарастания функции фотоприемников 15 нс и частоте дискретизации осциллографа 10 ГГц. Отбор импульсов после на этапе постобработки позволил изучить многоимпульсный режим ДБР, получить пространственно-временные диаграммы светового излучения разряда и оценить скорость распространения отрицательных и положительных микроразрядов.
Конвертация конденсированного вещества в поток низкотемпературной плазмы для задач плазменной масс-сепарации с потенциальной ямой
Аннотация
Концепция плазменной масс-сепарации с потенциальной ямой предполагает создание специализированных источников плазмы, отвечающих ряду требований. В качестве основных можно выделить следующие: высокая степень ионизации плазменного потока, однократная ионизация, возможность работы со сложной смесью оксидов и металлов в качестве рабочего вещества, высокая производительность (до 1 кг/ч), кинетическая энергия на уровне нескольких десятков электрон-вольт. Одним из возможных применений этой концепции является разделение компонентов отработавшего ядерного топлива по группам масс. Преобразование конденсированного вещества в поток низкотемпературной плазмы и его дальнейшая инжекция в камеру сепарации является начальным этапом процесса и во многом определяет эффективность технологии. В данной работе представлены результаты исследований энергетического распределения ионов свинца в плазменной струе источника, созданного на основе несамостоятельного дугового разряда с горячим катодом в магнитном поле. Проанализировано влияние этого распределения на процесс разделения.
Исследования привязки аргоновой дуги к катоду плазмотрона постоянного тока
Аннотация
Проведены эксперименты по исследованию стационарной привязки аргоновой дуги атмосферного давления к поверхности чистого, торированного и лантанированного вольфрама. Спектральными методами получены температуры и концентрации электронов в плазме положительного столба вблизи катода при токе дуги 200 А и расходе плазмообразующего газа 1.5 г/с, средние значения которых Te ~ 2.6 эВ для чистого вольфрама, Te ~ 2 эВ для торированного и лантанированного с ne ~ 1017 см–3. При этом наименьшей температурой рабочей поверхности обладает катод со вставкой из лантанированного вольфрама (3100 К) из-за меньшей эффективной работы выхода, когда как для торированного и чистого вольфрама 3300 К и 3800 К соответственно. При этом установлено, что при токе 200 А вершина поверхности чистого вольфрама находится в жидкой фазе в отличие от торированного и лантанированного вольфрама.
Исследование газокапельного потока в присутствии электрического разряда
Аннотация
Экспериментально исследовано взаимное воздействие друг на друга электрического разряда и воздушно-капельного потока, формируемого центробежной форсункой при подаче на нее проводящей жидкости (раствор поваренной соли в воде) под давлением. С помощью метода цифрового двойного микрофотографирования с дальнейшей компьютерной обработкой фотографий получены основные характеристики распыла в присутствии электрического разряда и без него: средний диаметр, средний объемно-поверхностный диаметр, распределение компонент вектора скорости по величине диаметра капель и другие. Показано, что наличие распыла жидкости приводит к уменьшению эффективной величины пробойной напряженности электрического поля. В свою очередь обнаружено, что энерговыделение в воздушно-капельный поток приводит к изменению величины среднего объемно-поверхностного диаметра, а наличие высокого напряжения в области измерения приводит к ускорению капель относительно малого диаметра.
Влияние тока и межэлектродного расстояния на характеристики продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке воздуха
Аннотация
Изучена проблема устойчивой работы продольно-поперечного разряда в сверхзвуковом потоке и его параметры. Рассмотрен продольно-поперечный дуговой разряд в воздушном потоке с параметрами M = 2, V ~ 500 м/с, Tg = 170 K, Pst = 22 кПа. Для получения данных об изменении длины разряда, тока и напряжения во времени использовались высокоскоростная съемка и запись осциллограмм. Исследована динамика разряда постоянного тока и описаны связи между его геометрическими и электрическими параметрами. Эксперименты были направлены на получение подробных данных о влиянии межэлектродного расстояния и тока на длину разряда и, соответственно, на напряжение и выделяемую мощность, а также на определение типичных частот перепробоя в зависимости от параметров разряда. Также было определено падение напряжения в приэлектродных слоях.
Параметры продольного разряда постоянного тока в сверхзвуковом потоке воздуха
Аннотация
Исследованы свойства электрического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха и проблема определения температуры контрагированного плазменного канала с радиальным распределением температуры. Рассмотрен прямой разряд длиной 30 мм вдали от стенок канала в ядре сверхзвукового потока с параметрами: число Маха M = 2, скорость потока V ~ 500 м/с, температура торможения T0 = 300 K, статическое давление газа Pst = 22 кПа. Осесимметричная геометрия экспериментов в конфигурации с двумя соосными электродами, расположенными параллельно потоку, была выбрана во избежание появления части канала тока, перпендикулярной потоку, и соответствующих пульсаций разряда. Получена вольтамперная характеристика разряда, и с помощью эмиссионной спектроскопии были установлены зависимости температуры электроразрядной плазмы от электрических параметров разряда. Также с помощью метода теневой визуализации и высокоскоростной съемки была получена оценка толщины теплового конуса, размера разрядного канала и их зависимость от тока разряда.
Колебания потенциала плазмы в отражательном разряде с термокатодом
Аннотация
Одним из перспективных применений низкотемпературной плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях является плазменная сепарация. Для ее реализации необходимо создать замагниченную плазму с заданным пространственным распределением электрического потенциала. Распределение потенциала плазмы определяет траектории частиц в процессе сепарации. Одной из трудностей, стоящих на пути создания эффективного плазменного сепаратора, являются колебания потенциала, возникающие в результате развития различного рода неустойчивостей. В настоящей работе исследуются флуктуации потенциала плазмы в отражательном разряде с термоэмиссионным катодом. Представлен анализ частот колебаний потенциала плазмы для магнитных полей в диапазоне 1–1.4 кГс. Приведены измерения радиальных профилей среднеквадратичного отклонения потенциала плазмы.