Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ЖОВТЯНСЬКИЙ Віктор Андрійович

УДК 533.95

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

ЩІЛЬНОЇ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОЇ НЕОДНОРІДНОЇ ПЛАЗМИ

Спеціальність 01.04.08 - фізика плазми

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

КИЇВ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти доктор фіз.-мат. наук,

професор, академік НАН України

Корчевой Юрій Петрович

Науково-технічний центр вугільних енерготехнологій

НАН України та Мінпаливенерго

директор

доктор фіз.- мат. наук, професор

Кириченко Георгій Сергійович

НЦ "Інститут ядерних досліджень" НАН України

завідувач відділу фізики плазми

доктор фіз.- мат. наук, професор

Мальнєв Вадим Миколайович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

професор кафедри квантової теорії поля

Провідна установа ННЦ "Харківський

фізико-технічний інститут"

(Інститут фізики плазми), м. Харків

Захист відбудеться "29" січня 2001 р. о 10 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.31 у Київському

національному університеті імені Тараса Шевченка

(03022, м. Київ, просп. акад. Глушкова, 6, радіофізичний факультет)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка

(01033, м. Київ, вул. Володимирська 58)

Автореферат розісланий "28" грудня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Шкавро А.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми зумовлена нерозробленістю задачі комплексного дослідження властивостей щільної неоднорідної плазми та адекватних методів її діагностики з точки зору з'ясування загальних закономірностей впливу просторово-часової неоднорідності плазми на її фізичні властивості в цілому та на відхилення від рівноважного стану зокрема.

Враховуючи, що у кінцевому підсумку фізичною причиною тих чи інших відхилень від рівноваги є втрати енергії з об'єму плазми, вирішення подібної проблеми має важливий практичний аспект, пов'язаний з визначенням непродуктивних втрат енергії або, навпаки, ефективності технологічного впливу тих чи інших плазмових пристроїв, у яких як робоче тіло застосовується електродугова плазма, зокрема, технологічних плазмотронів, комутаторів високої напруги, в плазмохімічних і електрозварювальних технологіях, при використанні імпульсних електричних дуг як джерела іонів у техніці прискорювачів. В останні роки такі застосування активно розробляються в Україні.

Таким чином, тема дисертації орієнтована на вирішення важливої наукової проблеми – фізичних основ отримання та використання щільної низькотемпературної плазми, безпосередньо пов'язаної з розвитком новітніх наукомістких технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрям досліджень і одержані результати стали основою для виконаних під науковим керівництвом здобувача в Київському університеті понад десяти науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, у тому числі – трьох державних і одного міждержавного науково-технічного проекту. Тематика досліджень відповідає державній науково-технічній програмі 09.02.02 "Керований термоядерний синтез і плазмові процеси" і пріоритетному науково-технічному напряму "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології".

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є встановлення загальних властивостей щільної низькотемпературної плазми обмежених розмірів, зокрема особливостей відхилень від рівноважного стану, зумовлених її просторово-часовою неоднорідністю.

Для досягнення цієї мети застосовані спеціально розроблені або удосконалені методи діагностики щільної нестаціонарної плазми, зокрема:

- принципово нові методики емісійної і абсорбційної томографічної спектрометрії плазми на основі просторової модуляції випромінювання і застосування біфокальної оптики. Показані переваги методів дисекції зображень для реєстрації просторового розподілу інтенсивності випромінювання в швидкоплинних процесах;

- метод подібності для діагностики плазми інертних газів за відносними інтенсивностями спектральних ліній, випромінюваних плазмоутворюючими частинками послідовних кратностей іонізації;

- метод обчислювально-адаптивної спектрометрії в умовах відхилень плазми від рівноважного стану та самопоглинання діагностичних ліній, що дає можливість ідентифікувати параметри штарківського розширення спектральних ліній;

- метод подвійних зондів у щільній зіткнювальній плазмі, що дає можливість на якісному рівні ідентифікувати режим роботи зонда щодо співвідношення його радіуса та характерної довжини іонізації в плазмі; зонд при цьому є, фактично, інструментом для інтегральних вимірювань властивостей пристінкової плазми.

Досягнення поставленої мети забезпечувалось розв'язанням задач досліджень таких процесів:

- розпаду низькотемпературної плазми імпульсної електричної дуги в аргоні та гелії. Ці типові представники інертних газів мають істотно відмінні потенціали іонізації (15.7 і 24.5 еВ, відповідно), маси атомів і, внаслідок цього, характерні кінетичні температури частинок плазми (близько 1 і 3 еВ, відповідно). Завдяки цьому в дослідженнях рекомбінуючої плазми вдається розділити ефекти, пов'язані як з дифузійними, так і теплопровіднісними процесами. Виконані при цьому теоретичні оцінки дозволили пояснити експериментально одержані залежності;

- розпаду розширюваної аргонової і гелієвої плазми в плоскій і циліндричній геометріях розширення, що дозволяє реалізувати різноманітні режими розповсюдження плазми в навколишній газ. Завдяки цьому можливе виокремлення ефектів, пов'язаних з впливом розширення плазми (іншими словами, градієнту тиску) на темп її розпаду, утворенням ударних і теплових хвиль. Ця задача вирішена на основі експериментальних досліджень, результати яких отримали повне якісне і кількісне підтвердження в рамках виконаного теоретичного розгляду;

- роботи циліндричного зонда в щільній плазмі, що дозволило досліджувати поведінку температури важкої компоненти плазми в пристінковій області;

- теоретичного обґрунтування умов формування локальних плазмових згустків у газі і вакуумі, що дозволило виявити глибинний зв'язок між механізмами контрагування плазми електричного розряду, як засобу отримання щільної низькотемпературної плазми, і процесами, що визначають її нерівноважні властивості;

- експериментальних і теоретичних досліджень перенесення випромінювання і частинок плазми в каналі і зовнішній зоні вільнопідтримуваної електричної дуги між мідними плавкими електродами в атмосферному повітрі, що дало можливість зробити узагальнюючі висновки щодо ролі перенесення випромінювання у формуванні (не)рівноважних властивостей плазми.

Перераховані комплексні дослідження фізичних властивостей щільної неоднорідної плазми у взаємозв'язку з вивченням умов відхилення її стану від рівноважного проведені на прикладі низькотемпературної плазми газорозрядного походження. Необхідно підкреслити, що це не звужує задачу до рівня, наприклад, плазми електричної дуги. Справді, газорозрядні засоби є найбільш технологічними для отримання щільної низькотемпературної плазми в лабораторних умовах; разом з тим одержані результати в цілому – за винятком спеціально обумовлених випадків – не пов'язані з якимись особливими властивостями саме газорозрядної плазми (наприклад, специфічною радіальною структурою каналу розряду, особливостями вольт-амперних характеристик, прикатодних шарів і т.ін.). Таким чином, наведені в дисертації результати є характерними і для щільних плазмових об'єктів іншого походження.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі одержані такі результати:

1. Показана обмеженість існуючих підходів до вивчення нерівноважних властивостей плазми, що грунтуються на розгляді кінетичних процесів у ній в умовах заданих градієнтів концентрації електронів як зовнішнього фактора. Причиною нерівноважності плазми можуть бути градієнти будь-яких її параметрів: температури, концентрації заряджених частинок, тиску в певній ієрархії.

2. Уточнена роль дифузійних процесів у діапазоні проведених експериментальних досліджень як досить обмеженого фактора нерівноважності плазми внаслідок їх вибіркового впливу переважно тільки на заряджену компоненту плазмоутворюючих частинок завдяки амбіполярному полю разділення зарядів. Стосовно щільної низькотемпературної плазми дифузійні процеси, є, як правило, вторинними по відношенню до теплопровіднісних, враховуючи, що останні в умовах постійності тиску вносять свій вклад головним чином в формування градієнтів концентрації лише заряджених частинок.

Показано, що впливом дифузійних процесів на кінетику рекомбінаційних процесів у щільній плазмі наближених до досліджуваних параметрів, як і на формування її радіальної структури, як правило, можна знехтувати.

3. Уперше класифікована роль випромінювання в плазмі з точки зору його впливу на рівноважні властивості плазми залежно від співвідношення таких параметрів:

- у випадку, коли довжина вільного пробігу <l> резонансних фотонів є порівнянною або перевищує характерний розмір плазми R (<l> і R), то рівноважний стан можливий тільки при значних концентраціях електронів, коли частота термалізуючих зіткнювальних процесів достатня для подолання ефекту дезбудження частинок внаслідок виходу випромінювання з об'єму; в протилежному випадку плазма різко нерівноважна, причому резонансний рівень є недозаселеним по відношенню до основного рівня при наявній кінетичній температурі плазмових частинок;

- коли <l> << R, то плазма є рівноважною при помірних концентраціях електронів, що найбільш типово для дуг, стабілізованих стінкою, коли на довжині вільного пробігу випромінювання можна знехтувати різницею температур, тобто (dТ/dr)<l> << Т. При цьому роль випромінювання завдяки значній енергії, що перепоглинається плазмою, є стабілізуючою по відношенню до можливості відхилень від рівноважного стану;

- якщо останнє співвідношення не реалізується, тобто на довжині пробігу випромінювання має місце відчутний перепад температур, то в областях понижених температур і концентрацій заряджених частинок може виникати нерівноважність, що характеризується перезаселеністю поглинаючого рівня плазмоутворюючих частинок.

4. Показано, що найбільш загальним за своєю фізичною суттю фактором нерівноважності є градієнт тиску, особливість якого полягає в однаковому впливу на всі частинки плазми викликаних ним макроскопічних сил. Зумовлена цим фактором зміна об'єму щільної плазми неминуче супроводжується зміною її іонізаційного стану.

Основним стабілізуючим фактором відносно підтримання рівноважного стану плазми, що розширюється, як і нерухомої однорідної плазми, є самопоглинання резонансного випромінювання плазмоутворюючих частинок; критерій настання рекомбінаційної нерівноважності такої плазми визначається швидкістю розширення плазми, коефіцієнтом рекомбінації заряджених частинок, концентрацією електронів і ступенем її іонізації.

5. Уперше показано, що розпад щільної гелієвої плазми, як і аргонової, підпорядковується закономірностям двочастинкової рекомбінації заряджених частинок при нехтуванні їх дифузійними втратами. Визначальним фактором розпаду щільної імпульсної гелієвої плазми – як обмеженої стінкою, так і з відкритою поверхнею – є теплопровідність.

У щільній гелієвій плазмі, обмеженій стінкою, характерний час розпаду плазми зумовлюється темпом тепловіддачі з її об'єму на стінку і визначається характерним розміром плазми, температурою плазми і потенціалом іонізації плазмоутворюючих частинок.

В гелієвій плазмі з відкритою поверхнею процес просторової еволюції плазми вироджується в теплову хвилю; тут механізм (променевої) теплопровідності сприяє вирівнюванню тиску за відсутності перенесення маси. В цьому аспекті самопоглинання випромінювання на розпад плазми має додатковий стабілізуючий ефект, що сприяє усуненню першопричини нерівноважності – градієнта тиску.

6. Уперше одержані:

- рівняння стану стосовно найбільш характерних для щільної плазми умов, коли плазмоутворюючі частинки першої кратності іонізації є у стані локальної термічної рівноваги (ЛТР), а другої – у стані часткової ЛТР (ЧЛТР);

- критерії подібності для діагностики плазми інертних газів за відносними інтенсивностями спектральних ліній послідовних кратностей іонізації;

- показник ефективності електророзрядних плазмодинамічних систем;

- закономірності зміни іонізаційного стану щільної плазми при зміні її питомого об'єму;

- характерний час розпаду щільної обмеженої гелієвої плазми.

7. Дістало подальший розвиток питання щодо температури важкої компоненти щільної плазми у пристінковому шарі; уперше визначено температуру такої компоненти в призондовому шарі циліндричного зонда.

8. Уперше встановлена наявність області нерівноважної плазми в електричній дузі, що вільно підтримується в парах міді.

9. Уперше показано, що по відношенню до умов перенесення випромінювання можна виділити дві просторові моди існування вільнопідтримуваних електричних дуг: коротку і довгу.

10. Уперше вказано на глибинний зв'язок між рівноважними властивостями плазми електричної дуги та мінімальними втратами на передачу електричної енергії в її каналі, а також між механізмами контрагування плазми електричного розряду і процесами, які визначають стан рівноваги плазми. Істотним фактором формування каналу контрагованого розряду є проблема відведення теплової енергії, яка виділяється в розрядній плазмі.

11. Ідентифіковані параметри розширення Штарка для спектральних ліній CuI 510,5 і 515,3 нм.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень дисертаційної роботи можуть використовуватись:

- при аналізі процесів у щільній низькотемпературній плазмі лабораторних розмірів з точки зору визначення її стану. Для цього може використовуватися як весь арсенал розроблених методик оптичного і зондового дослідження плазми, включаючи безпосереднє визначення ступеня іонізації, кінетичної температури і концентрації заряджених частинок, заселеності нижніх і верхніх збуджених рівнів атомів і іонів, так і методи аналізу ролі тих або інших процесів перенесення в плазмі;

- при аналізі результатів досліджень рекомбінаційних процесів у щільній низькотемпературній плазмі, враховуючи що вони зводяться до формально двочастинкового механізму об'ємної рекомбінації при майже постійному коефіцієнті рекомбінації у випадку низьких температур плазми, а при високих температурах останньої – характерний час розпаду визначається характерним розміром плазми, температурою і потенціалом іонізації плазмоутворюючих частинок;

- в дослідженнях гідродинамічних явищ, що виникають в різноманітних плазмодинамічних системах, а також при розрахунках ефективності таких систем. Як показують результати роботи, при імпульсному енерговиділенні в плазмі часто досягаються відносно високі температури, коли звичайні ударно-хвильові процеси вироджуються в теплову хвилю. При повній подібності характеру розповсюдження фронтів, що виникають в цих випадках, має місце радикальна відмінність у характері розповсюдження потоків плазми. Стосовно оцінки ефективності роботи електричних ударних трубок, в яких для ініціювання подібних процесів застосовується імпульсний електричний розряд, отримано співвідношення, яке дозволяє оцінювати ефективність таких пристроїв через взаємозв'язок енерговитрат і досягнутого приросту тиску в розрядному об'ємі;

- при оптимізації конструкцій і режимів роботи комутаторів високої напруги. Тут дуже важливо забезпечити умови, сприятливі ефективному розпаду плазми, одержуваної в результаті розмикання електричних контактів, з метою виключення повторних пробоїв розрядного проміжку. Для цієї мети важливими є результати цієї роботи в частині дослідження вільно підтримуваних електричних дуг в парах міді;

- при розробці різноманітних пристроїв на основі безпосереднього застосування електродугової плазми, як робочого тіла, наприклад, плазмових високоінтенсивних джерел випромінювання, в плазмохімічних і електрозварювальних технологіях. У першому з наведених пристроїв важливо створити таку конфігурацію плазмового об'єму, щоб пристінкові або граничні ефекти не перешкоджали виходу випромінювання з основного об'єму. В двох інших випадках технологічний вплив плазми здійснюється через пристінкові шари. У зв'язку з цим необхідно враховувати результати наведених тут досліджень про властивості плазми пристінкового шару;

- для оптимізації конструкцій і технологічних застосувань плазми на основі плазмотронних технологій. В цих приладах мають місце, принаймні три групи процесів, що досліджуються в дисертаційній роботі: генерування плазми у відносно вузькому каналі плазмотрона, де є дуже важливими пристінкові ефекти, розповсюдження плазми поза електродною частиною плазмотрона, де характерні ефекти для плазми з вільними границями, і зона власне технологічного впливу, специфіка якої обговорювалася вище;

- для розвитку оптичних і зондових засобів діагностики плазми. Зокрема, запропоновані технічні рішення дозволяють розвинути новий напрямок в оптичному приладобудуванні – швидкісної томографічної спектрофотометрії, у тому числі високої роздільної здатності;

- в техніці оптико-фізичних вимірювань в умовах швидкоплинних процесів на основі застосування засобів дисекції зображення.

Частина розробок доведена до рівня патентів і реалізована в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційну роботу включені результати експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних здобувачем самостійно або під його науковим керівництвом. Аналіз цих результатів, а також постановка питань, досліджених в дисертації, проведені здобувачем особисто. Здобувач, зокрема, самостійно визначив всі закономірності, що стосуються фізичних процесів у імпульсній плазмі інертних газів.

Апробація результатів роботи. Матеріали робіт, на основі яких підготовлена дисертація, доповідались на міжнародних, європейських, всесоюзних і міждержавних конференціях та симпозіумах, тематика яких пов'язана з фізикою плазми, у тому числі на Міжнародних конференціях з явищ в іонізованих газах: 19-й (Белград, 1989), 20-й (Піза, 1991) і 23-й (Тулуза, 1997); на Європейських секційних конференціях з атомної і молекулярної фізики іонізованих газів: 11-й (Санкт-Петербург, 1992), 12-й (Ноордвійкергоут, 1994) і 13-й (Попрад, 1996); Міжнародних конференціях з плазмохімії: 12-й (Міннеаполіс, 1995) і 13-й (Пекін, 1997); Європейських конференціях з керованого синтезу і фізики плазми: 22-й (Борнмаут, 1995) і 23-й (Київ, 1996); "Фізика і техніка плазми" (Мінськ, 1994 і 1997), 6-й Українській конференції з фізики плазми і керованого термоядерного синтезу (Алушта, 1998), а також багатьох інших.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано понад 140 робіт, у тому числі отримано 10 авторських свідоцтв на винаходи і 5 патентів; основні наукові результати викладені в 37 роботах, серед них: 22 – в наукових журналах (1 – "Физика плазми"; 2 – "Журнал технической физики"; 1 – "Письма в ЖТФ"; 2 – "Приборы и техника эксперимента"; 5 – "Журнал прикладной спектроскопии"; 4 – "Український фізичний журнал", 1 – "Вопросы атомной науки и техники"; 2 –"Инженерно-физический журнал", 4 – "Вісник Київського університету"), 2 – в збірниках наукових праць, 10 – в збірниках праць міжнародних конференцій, 3 – в авторських свідоцтвах і патентах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із переліку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел загальним обсягом 300 сторінок і включає 59 рисунків, 7 таблиць та 318 найменувань використаних джерел.

Зміст роботи

Вступна частина дисертації визначає місце проведених досліджень у колі загальних питань фізики низькотемпературної плазми.

Особливістю реальної плазми лабораторних розмірів є відсутність термодинамічної рівноваги внаслідок, принаймні, втрат випромінювання безповоротного характеру із об`єму плазми. Разом з тим, цілком логічним є намагання привести об'єкт вивчення до тих чи інших рівноважних моделей, які б дозволяли найпростішим чином описувати найбільш загальні властивості плазми.

Однією з таких моделей є локальна термічна рівновага (ЛТР), яка дозволяє характеризувати плазму тими ж закономірностями, що й повністю рівноважну, за винятком випромінювання. Вона справедлива стосовно реальної плазми обмежених розмірів, якщо вона є настільки щільною, що зіткнювальні процеси заселення збуджених рівнів є переважаючими над випромінювальними як фактором нерівноважності плазми. Чотири групи дослідників внесли у 60-х рр. найвагоміший вклад у розробку критеріїв нерівноважності плазми: Д. Бейтса, Г. Гріма, Г. Дравіна і Л.М. Бібермана. Ці критерії є досить жорсткими, якщо не враховувати самопоглинання випромінювання, яке ефективно зменшує такого роду втрати енергії із плазми.

Незамкнутість реальної плазми зумовлює те, що її стан змінюється від точки до точки, іншими словами, приймає локальний характер. Як результат, додатковим фактором безповоротних втрат із плазми стають процеси перенесення частинок і випромінювання. Відповідні критерії, яким повинна задовольняти плазма для досягнення ЛТР по відношенню до просторової або часової неоднорідності концентрації електронів Ne, враховують, як правило, неоднородність по Ne, що є деяким зовнішнім фактором. Проте ця неоднорідність у практиці досліджень найчастіше сама є функцією від стану плазми та самоузгодженого впливу сукупності її параметрів (у першу чергу, градієнтів температури та тиску) і процесів (дифузійних, теплопровіднісних, іонізаційно-рекомбінаційних тощо). Особлива роль у рамках цих обставин належить пристінковим ефектам, а для плазми з вільними границями – гідродинамічним, що визначають динаміку її просторово- часової структури. Тим більше, що характерний час останніх з них звичайно є порівнянним з характерним часом розпаду плазми. Як результат, має місце своєрідний парадокс: критерії нерівноважності, маючи досить загальний характер, внаслідок цих же причин є мало прийнятними для аналізу конкретних процесів у реальній лабораторній плазмі.

Щільною у цій роботі вважається плазма, параметри якої у випадку однорідності були б достатніми для підтримання стану ЛТР у центральній її частині в існуючих межах. Діапазон досліджень по Ne склав від 1015 до 1017 см -3, а по температурі – від 0,5 до 3,5 еВ залежно від сорту плазмоутворюючих частинок (гелій, аргон, мідь).

У вступі також охарактеризовано актуальність теми дисертації, визначено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами та сформульовано мету і задачі дослідження. Обгрунтовані наукова новизна одержаних результатів, їх практичне значення, охарактеризовано особистий внесок здобувача в процесі їх одержання.

Перший розділ дисертації присвячений огляду процесів, що зумовлюють відхилення стану плазми від рівноважного. На відміну від широко відомих монографій Г.Гріма "Спектроскопія плазми", Бібермана Л.М., Воробйова В.С., Якубова І.Т. "Кінетика нерівноважної низькотемпературної плазми", Гудзенка Л.І., Яковленка С.І. "Плазмові лазери" тут максимально охоплене коло чинників нерівноважності.

Представлені типові моделі стану, характерні для щільної плазми, у взаємозв'язку з чинниками, що визначають відхилення від рівноваги, які, в кінцевому результаті, зводяться до неоднорідності тих або інших її параметрів і зумовлених ними енергетичних втрат. Особлива увага приділена ролі пристінкових областей плазми, в яких, з одного боку, зосереджені градієнтні ефекти в плазмі, а з іншого, – вони, внаслідок істотної відмінності своїх властивостей від плазми в основному об'ємі, мають визначальний вплив на рівень енергетичних втрат.

Стосовно проблем вивчення впливу просторово-часової неоднорідності плазми окремо викладені також особливості гідродинамічних процесів, що характеризують процеси розширення плазмових згустків.

Привабливість термодинамічно рівноважної моделі (ТДР) полягає в тому, що для повного опису плазми досить усього двох параметрів, наприклад, температури і тиску. Умовою її досягнення є принцип детальної рівноваги, коли кожний атомний процес йде з такою ж швидкістю, що і зворотний йому. З урахуванням властивих плазмі принаймні втрат енергії на випромінювання, повністю рівноважними можуть бути лише однорідні плазмові об'єкти нескінченних розмірів. У них поведінка загального ансамблю частинок і випромінювання в повній мірі описується єдиною температурою.

Стосовно реальних, обмежених розміром об'єктів, повністю рівноважною могла б вважатися плазма з постійною температурою, обмежена стінками з такою ж температурою в порожнині "чорного тіла". Оскільки фізична реалізація таких стінок неможлива, то неминуче має місце дисипація енергії, зумовлена випромінюванням і теплопередачею, а також втрата частинок за рахунок перенесення маси. Таким чином, строго кажучи, термодинамічно рівноважна плазма лабораторних розмірів неможлива.

Модель локальної термічної рівноваги (ЛТР) враховує, що в досить щільній плазмі, коли зіткнювальні процеси заселення збуджених рівнів грають переважаючу роль, результуючий стан плазми можна описати тими ж закономірностями, що і в ТДР, за винятком випромінювання. Розподіл концентрацій частинок по збуджених рівнях підкоряється розподілу Больцмана, а концентрація заряджених частинок – рівнянню Саха.

По мірі зменшення Ne в плазмі, що знаходиться в ЛТР, поступово наступає ситуація, коли радіаційні процеси починають грати вирішальну роль по відношенню до заселення окремих збуджених станів атома. Оскільки інтенсивність радіаційних процесів істотно спадає із зменшенням енергії зв'язку рівня (пропорційно k-3, де k - головне квантове число збудженого рівня), а ефективність зіткнювальних процесів, навпаки, різко зростає (так як переріз атома q ~ k4), то найбільш підпадають під цей вплив низько розташовані рівні. Таким чином, плазма переходить в стан часткової ЛТР (ЧЛТР), в якому один або декілька низько розташованих збуджених рівнів виявляються недозаселеними по відношенню до рівноважних значень, відлічених від основного рівня при даній кінетичній температурі частинок. У ЧЛТР рівняння Больцмана справедливе тільки для верхніх збуджених станів, що знаходяться в рівновазі з континуумом.

Як рівнянням стану можна користуватися так званим узагальненим рівнянням Саха, що містить, на відміну від ЛТР, додатковий коефіцієнт Y(z)(T,Ne), який характеризує відхилення істинного значення коефіцієнта іонізації w(z) частинок із зарядовим числом z в ЧЛТР-плазмі від її значення w(z)0 у випадку ЛТР:

w(z) = w(z)0/Y(z) (1)

У основі критеріїв рівноважного стану по відношенню до випромінювальних втрат лежить визначення параметрів плазми, при яких швидкості зіткнювальных процесів перевищують швидкості випромінювання зі збуджених рівнів і радіаційної рекомбінації.

Кількісною основою критерію Гріма відхилень від ЛТР є відношення h швидкостей зіткнювальних процесів заселення основного стану з першого збудженого і конкуруючих з ними резонансних радіаційних процесів:

h = (dN1/dt)рад/(dN1/dt)зт. (2)

Для того щоб ЛТР виконувалася з точністю біля 10%, це відношення повинно становити h=0,1. Такий підхід відповідає дворівневій моделі атома з двома енергетичними станами – основним і збудженим.

При значному впливі чинників нерівноважності можна розглядати аналогічно процеси між другим і третім рівнями атома, характеризуючи їх відхилення від рівноваги своїми параметрами у2, у3, і т.д. Результуючою нерівноважності заселеності окремих рівнів є іонізаційна нерівноважність плазми (див. (1)):

Y = у1 у2 у3... (3)

Випромінювальним втратам відповідає чинник нерівноважності Y>1 і, отже, зниження ступеня іонізації плазми згідно з співвідношенням (1).

Критерії рівноважного стану уточнені групою Бібермана Л.М. в рамках модифікованого дифузійного наближення (МДП). При цьому точно враховуються переходи на сусідні рівні і – приблизно – на подальші.

Роль перенесення випромінювання у встановленні рівноважних станів в однорідній плазмі полягає переважно в зниженні порогової концентрації електронів Ne р, при якій досягається ЛТР в оптично тонкій плазмі. Наприклад, для воднеподібних частинок вона виявляється надто високою – біля 1018 см-3, – щоб реалізуватися в більшості практичних застосувань.

Як уже відмічалося, найскладніше забезпечити рівноважні умови для резонансних переходів плазмоутворюючих частинок. Дійсно, як це випливає з рівняння Саха, температура плазми T*, при якій досягається максимум іонізації частинок певного сорту, складає біля

T* = 0,1Еi, (4)

де Еi – потенціал іонізації цих частинок. З іншого боку, енергія збудження резонансного рівня для більшості газів складає (0,7–0,8)Еi, а для більшості металів, що використовуються в плазмових технологіях, – (0,4–0,5)Еi. Таким чином, при температурі T* в плазмі присутні відносно мало електронів, енергія яких достатня для впливу на заселеність резонансного рівня з боку основного рівня. Навпаки, інтенсивність випромінювання резонансної лінії, як правило, істотно перевищує інтенсивність випромінювання інших спектральних ліній. Тому самопоглинання (резонансного) випромінювання ефективно знижує роль випромінювального дезбуждення енергетичних рівнів, знижуючи також поріг Ne р.

Однак у разі неоднорідної плазми самопоглинання випромінювання приводить до протилежного ефекту. У кінці 60-х рр. в Інституті високих температур (м. Москва) уперше була виявлена перезаселеність резонансного рівня плазмоутворюючих частинок на периферії дуги в аргоні з домішкою калію при атмосферному тиску.

Вплив процесів перенесення частинок часто переоцінюється дослідниками внаслідок некоректного поширення на плазму електричної дуги характерного часу дифузії, властивого дифузійному розряду, тобто

tD = (R/2,4)2/Da, (5)

де R – характерний розмір (радіус) плазми, Da – коефіцієнт амбіполярної дифузії.

Пристінкові процеси в плазмі докладно досліджувалися в роботах школи Фізико-технічного інституту ім. А.Ф.Іоффе (м. Санкт-Петербург), а також в роботах М.С. Бенілова і Дж. Ловке стосовно переважно плазми електричної дуги в аргоні при атмосферному тиску з характерними температурами, відповідно, електронів і важкої компоненти Тe @ Тh @ 104 K і концентрацією частинок Ne @ Ni @ Na @ 1017 см-3.

Пристінкова область плазми є своєрідним фільтром, що визначає значною мірою характер процесів перенесення з об'єму плазми на навколишні стінки. Це диктує необхідність адекватного врахування її впливу, по-перше, на термодинамічний стан плазми у взаємозв'язку з рівнем енергетичних втрат з її об'єму, по-друге, при діагностуванні щільної плазми контактними і безконтактними (наприклад, оптичними) методами; по-третє, при технологічній дії плазми в її практичних застосуваннях.

Основою ієрархії характерних довжин цієї області є беззіткнювальний ленгмюрівський L0 і іонізаційний Li шари. У випадку, коли довжина іонізації атомів електронами Li значно перевищує довжину пробігу іонів в плазмі li:

Li >>li (6)

(при відносно низьких Тe), то реалізується дифузійна модель, коли Ni біля поверхні зонда значно менша відносно рівноважної в незбуреному об'ємі плазми. Тут необхідне врахування зіткнювальних процесів, оскільки вони визначають іонізацію і рекомбінацію частинок, обмін енергією між компонентами плазми, їх дифузію і перенесення зарядів.

У розрахунках пристінкової області дуги при атмосферному тиску, як правило, враховується три типи відхилень від ЛТР в шарі: відмінність температур електронів і важких частинок, порушення іонізаційної рівноваги і порушення квазінейтральності. Ці відхилення характеризуються, відповідно, трьома характерними масштабами: довжиною релаксації енергії електронів Le, рекомбінаційною довжиною Lr і дебаєвським шаром; максимальна з них визначає товщину пристінкового шару. Розрахунки звичайно виконуються для співвідношення параметрів

L0 << lia << Le << Lr, (7)

що дозволяє розглядати кожний шар незалежно від інших (тут lia – довжина пробігу іонів в атомах).

У цих допущеннях звичайно має місце постійність Тe в іонізаційному шарі. При цьому зміна температури важких частинок від температури катода (стінки) до рівноважної температури в плазмі реалізується в просторовому масштабі біля 0,04 мм.

Стисло розглянуті також гідродинамічні процеси в плазмі, що розширяється. Це необхідно як для розуміння ефектів, що мають місце в такій плазмі, так і для виконання оцінок щільності важкої компоненти плазми в умовах плазмодинамічного експерименту. Справа в тому, що безпосереднє вимірювання часової зміни останньої величини часто виявляється складним, тому для її визначення залучають ту чи іншу теоретичну модель, що описує розширення плазми. Особлива увага приділена універсальним за своїм застосуванням процесам в точковому вибуху, зокрема – поширенню ударних і теплових хвиль.

Для оцінки вкладу розширення щільної плазми в умовах цієї роботи можна користуватися, як правило, звичайними гідродинамічними уявленнями. Вплив електричних полів істотний лише в розрідженій плазмі або на границі плазмового згустка, що розширяється.

Розглянуті також методи експериментальних досліджень розширюваної плазми в об'єктах типу електрична ударна трубка, в яких імпульсна плазма у процесі розпаду може розширятися в навколишній об'єм в лінійній або циліндричній геометрії. Для спостереження розширення плазми в лінійній геометрії може викростовуватись скляна трубка з ввареними в неї кільцевими електродами (ЕУТ). Для аналогічних досліджень в циліндричній геометрії електророзрядна плазма створюється в приосьовій області циліндричної камери (ЦЕУТ). Важливо забезпечити контрагування розряду, бо в іншому випадку ефекти розширення практично відсутні. Оскільки питання переходу газового розряду в контрагований стан розроблені недостатньо, то область його існування визначалася емпіричним шляхом; цей стан досягався при тиску гелію понад 300 Па незалежно від величини розрядного струму.

З метою формування плазмових згустків невеликого характерного розміру застосовується спеціальна система діафрагм – скляних дисків з отворами відповідного діаметру, що розміщалися на осі камери. Подальшого нарощування швидкості еволюції об`єму плазми можна очікувати при її розширенні у вакуум. Такий згусток плазми формувався шляхом іонізації попередньо зформованого уздовж осі камери газового струменя.

У другому розділі розглянуті взаємопов'язані питання вибору об'єктів для досліджень впливу неоднорідності щільної плазми на її фізичні властивості, особливості утворення плазми в таких об'єктах і розробки адекватних методів її діагностики. Для спостереження щільної неоднорідної плазми вибрані ЕУТ і ЦЕУТ, а також вільнопідтримувана електрична дуга між плавкими мідними електродами в атмосферному повітрі.

ЕУТ для спостереження розширення плазми в лінійній геометрії – це скляна трубка діаметром 1,6 см, в яку вварені кільцеві коварові електроди на відстані 5–7 см між собою.

ЦЕУТ являла собою циліндричну камеру діаметром 28 і довжиною 9 см з електродами діаметром 2,5 см в центрі торцевих стінок. Для забезпечення найбільшої однорідності розряду застосовувались електроди із графіту або композитні – на основі вольфрамової губки, насиченої розплавом міді з включеннями емісійно-активної фази LaB6.

Плазма в ЕУТ і ЦЕУТ утворювалася одиночними імпульсами струму у формі півперіоду синусоїди тривалістю по основі 3–6 мкс і амплітудою до 20 кА. Початковий тиск аргону або гелію, якими наповнювались ЕУТ і ЦЕУТ, відповідно, складав 65–1300 Па.

Імпульсний режим досліджень дозволяє розділити у часі ефекти, що супроводжують розпад плазми, принципово нероздільні в умовах стаціонарних процесів.

Дуговий розряд в парах міді створювався між торцевими поверхнями неохолоджуваних мідних електродів циліндричної форми діаметром 6 мм кожний; віддалених на 2–8 мм один від одного. З метою уникнення оплавлення електродів і утворення крапель розплаву при великих струмах розряд створювався одиночними імпульсами, близькими до прямокутних, тривалістю 30 мс, які накладаються на постійний підтримуючий розряд відносно невеликого струму.

Адекватна діагностика нестаціонарної плазми в обох випадках здійснювалась методами швидкісної емісійної і абсорбційної томографічної спектрометрії та зондової методики у зіткнювальному режимі роботи подвійних циліндричних зондів різних діаметрів. Запропоновані принципово нові методики емісійної і абсорбційної томографічної спектрометрії плазми на основі просторової модуляції випромінювання та застосування біфокальної оптики, придатні для застосування в умовах однократних швидкоплинних процесів. Показані переваги застосування методів дисекції зображень для реєстрації розподілу випромінювання в таких процесах.

Таким чином, дослідження нестаціонарних дугових розрядів неминуче вимагало переходу від традиційних методів спостережень випромінювання “від точки до точки” до практично миттєвої реєстрації його розподілу “по полю зображення”. Це є своєрідною платою за простоту об`єктів досліджень. З іншого боку, саме перехід до просторово-часових спостережень забезпечив отримання того об`єму інформації, який є необхідним для заключень щодо взаємозв`язку просторової структури і властивостей щільної плазми, тобто досягнення кінцевої мети дисертаційної роботи.

У третьому розділі аналізуються взаємопов'язані питання ролі самопоглинання випромінювання в щільній електродуговій плазмі і особливості вимірювання температури в плазмі, що розпадається. Оскільки внаслідок самопоглинання резонансного випромінювання розпад щільної плазми відбувається в умовах відносно незначних температурних змін, важливе значення має питання точності вимірювань.

Стосовно вирішення задачі забезпечення високоточних температурних вимірювань в щільній плазмі інертних газів вдосконалений раніше розроблений автором метод подібності для визначення характеру відхилень від ЛТР в такій плазмі за рахунок втрат випромінювання, виходячи з відомих розрахунків Р.Меве та М.А.Мазінг і В.А.Слемзіна для гелієвої плазми у стані ЧЛТР. Отримані критерії подібності, що дозволяють поширити результати цих розрахунків на представників всіх інертних газів і на їх основі забезпечити вимірювання температури релаксуючої плазми інертних газів в умовах переходу від ЛТР до ЧЛТР за відносними інтенсивностями спектральних ліній, випромінюваних частинками послідовних кратностей іонізації.. При цьому виключається необхідність проведення детальних числових розрахунків кінетики переходів між енергетичними рівнями частинок.

При розробці методу подібності вважається, що ступені іонізаційної нерівноважності (див. (1) і (3)) для гелію Y та довільного інертного газу Y* є однаковими за умови рівності відношення h швидкостей зіткнювальних та резонансних радіаційних процесів:

h = h*. (8)

Коефіцієнтом подібності по температурі є відношення

T*/T = Er*/Er, (9)

де Er характеризує енергію збудження резонансного рівня. Відмінності у структурах іонів інертних газів враховані застосуванням методу МДП (див. виклад змісту першого розділу). Інші коефіцієнти подібності визначаються на основі конкретизації виразу (8).

Визначальною для цієї методики і подальшого викладу матеріалу є, як з`ясувалося, відсутність, на відміну від ЛТР, залежності від Ne результатів вимірювань температури за відносними інтенсивностями спектральних ліній, випромінюваних частинками послідовних кратностей іонізації, в області переходу ЛТР–ЧЛТР. Це означає, що має місце співвідношення

Y(1)Ne ” Ne** = const, (10)

де Ne** характеризує електронну концентрацію, при якій стають істотними відхилення плазми від ЛТР. Ця обставина дозволяє ввести спрощене рівняння стану для типової для електродугової плазми ситуації, коли плазмоутворюючі частинки першої кратності іонізації є у стані ЛТР, а другої – в ЧЛТР.

В аргоновій плазмі температурні вимірювання здійснювалися за співвідношенням інтенсивностей спектральних ліній ArII 362,2 і ArI 360,6 нм. На основі застосування цього методу, похибка якого не перевищує ±2,5%, встановлено, що у цій плазмі навіть у режимі розширення температурні зміни залишаються незначними. У зв'язку з цим припущено, що визначальну роль у процесі розпаду плазми має самопоглинання випромінювання. При цьому стабілізатором температури виступає енергія резонансного випромінювання, практично повністю замкненого в умовах щільної плазми електричної дуги в її об'ємі. Для попереднього підтвердження цього припущення проведені оцінки довжин вільного пробігу <l> для найбільш інтенсивних ліній lr, які випромінюються з резонансних рівнів Еr атомів найбільш поширених газів, що використовуються для створення електричних дуг при атмосферному тиску:

<l> = k0-1, (11)

де k0 ~ N1/Dl – коефіцієнт самопоглинання (N1 – концентрація плазмоутворюючих частинок в основному стані, Dl - ширина контура спектральної лінії) При визначенні N1 плазма вважалася рівноважною по Саха-Больцману. При цьому вибране характеристичне значення температури дуги згідно з (4); прийнятий механізм Доплера розширення резонансних ліній.

Аналогічні оцінки проведені також стосовно плазми електричної дуги, що створюється при тих же характеристичних температурах в парах найбільш поширених металів при тиску p = 0,01 атм, що є типовим для власне металевих парів, у випадку, коли дуга підтримується за рахунок випаровування електродного матеріалу в атмосфері довільного інертного газу.

З цих оцінок випливає, що <l> у газовій плазмі згаданих вище параметрів складає 10-3–10-4 см, а в металевій – 10-2–10-4 см. Таким чином, для всіх плазмоутворюючих речовин резонансні фотони, які випромінюються в розрядному каналі дуги, багаторазово перепоглинаються плазмою, формуючи її просторовий профіль і підтримуючи рівень температури. Оскільки енергія резонансного рівня плазмоутворюючої речовини майже в десять разів перевершує теплову енергію частинок плазми, то вона достатня у випадку дисипації в зіткнювальних процесах для підтримки на постійному рівні теплової енергії значної кількості плазмових частинок. Разом з тим, практично виключаються безповоротні радіаційні втрати з каналу дуги, зумовлюючи тим самим мінімальні втрати енергії на передачу електричної потужності в струмопровідному каналі.

Додатковим аргументом щодо ролі самопоглинання (резонансного) випромінювання є оцінки ролі радіаційних втрат в електродуговій плазмі для гіпотетичних умов відсутності самопоглинання, які показують, що для наведених вище умов потужність цих втрат з одиниці об'єму склала б для газової плазми 103–105 Вт/см-3, а для металевої – 10–102 Вт/см-3. Такий рівень лише радіаційних втрат у згаданому гіпотетичному випадку вимагав би значних витрат електричної енергії для їх компенсації або, іншими словами, значних втрат енергії на передачу електричної потужності в струмопровідному каналі.

Ці результати підкреслюють особливу роль самопоглинання резонансного