Вакуумная плазменная технология высоких энергий (стр. 3 из 5)
Рисунок 2.2 - зависимость реактивной длины от типа газового потока
На данной диаграмме обе кривые растянуты. Черная кривая, отмеченная квадратными символами, описывает зависимость газового потока, а серая показывает оптимальное пиковое значение поданного напряжения, где в соответствии с типом потока была соблюдена максимальная длина реактивного потока.
Длина реактивного потока имеет максимум по типу потока в точке 13 1/min. Вне этой точки реактивный поток становится все меньше и меньше, независимо от значения напряжения. Еще одно важное наблюдение заключается в том, что значение подводимого напряжения для достижения максимальной длины реактивного потока становится меньшим по отношению к растущему типу газового потока.
Какова же причина для этой зависимости от типа потока? В литературе важную роль в метастабильном состоянии играют атомы и молекулы, необходимые для того, чтобы выдержать APP при данном «способе накала (жара)», что описывает графа [11]. Плазма, о которой мы говорим, и есть плазма при данном способе накала. Это может быть замечено из текущей характеристики напряжения, показанной на рисунке 2.3, взятой из мультиреактивного источника, который будет описан позже. Принцип его работы тот же, но он содержит в себе множество отдельных реактивных источников, работающих параллельно так, что пиковое значение потока iпик не совпадает с номерами реактивных потоков.
Рисунок 2.3 - характеристика импеданса реактивного источника
Из этой характеристики полного сопротивления ясно, что это плазма, работающая при методе накала, а не в виде потока [11]. Плазма при методе накала пространственна и способна разлаживаться на зоны, в которых присутствуют лишь слабые электрические поля. Но они могут существовать лишь при определенных условиях. Например, очень важно избегать контакта с кислородом, потому что молекулы кислорода очень эффективно подавляют метастабильные возбужденные атомы гелия [11]. Отсюда вытекает вопрос: «Где область высокой чистоты гелия?». Действительно ли реактивная зона – это зона, где присутствует высокая концентрация гелия?
Чтобы пролить свет на этот вопрос, мы должны приблизительно представить динамический поток (i), состоящий из благородного газа (например гелия), текущий в окружающую воздушную среду, и процессы распространения (ii), создающие перенос воздуха (особенно молекул кислорода) в зоны гелия.
2.2.1 Динамический реактивный поток
На рисунке 2.4 показаны две перевернутые фотографии реактивной струи для различных типов потока.
Рисунок 2.4 - ламинарный (а) и бурный (б) отток, поляризация электродов подобно рисунку 2.1(а)
Рисунок 2.4(а) был взят при 11 1/min (что соответствует средней газовой скорости 14,6 м/с), а рисунок 2.4(б) при 21 1/min (что соответствует средней газовой скорости 27,9 м/с). Очевидно, что структура газовых потоков является полностью различной.
Механика потока характеризуется двумя способами оттока газа: бурным и ламинарным (пластинчатым) способом. При ламинарном способе оттока векторы газовой скорости частицы сонаправлены с вектором газового потока. При бурном способе они могут иметь различные направления. На рисунке 2.5 показан типичный профиль оттока [11].
Рисунок 2.5 - профиль газового выхода
Дело в том, что всегда существует область, где не было никакого плавного смешивания газа с окружающим воздухом, за исключением смешивания, вызванного процессами распространения. Эту область называют «основной зоной» ее длина Хр существенно отличается для двух способов оттока. Если в воздух проникают вентиляционные струи, то эта длина может быть представлена как Хр=d/m, где d – диаметр выхода, а m – параметр, который изменяется от 0,1 для полностью ламинарного оттока до 0,3 для бурного оттока. Для оттока газа, который имеет другой состав по отношению к окружающему газу (например гелий в воздух) значение m может быть различно, вследствие чего должно быть проведено моделирование течения.
2.2.2 Процессы распространения в реактивной зоне
Для того, чтобы показать, что основная область является областью высокой чистоты гелия, необходимо оценить процессы распространения. Это возможно при помощи второго закона распространения Фика. Для трехмерного случая он может быть записан как:
,где D – постоянная распространения, с – местная концентрация.
Для двумерных и трехмерных случаев не существует никакого простого аналитического решения данного уравнения, но для одномерного случая:
.Этого достаточно для предварительной оценки этих процессов. Рисунок 2.6 описывает ситуацию.
Рисунок 2.6 - оценка процессов распространения в границах APPJ
Гелий вытекает из трубы, производящей в окружающем воздухе конусовидную основную зону, наподобие описанной прежде. Если из основной зоны выделить маленький диск, то цилиндрический объем гелия будет окружен воздушной оболочкой. Конечно, в действительности эта ситуация является очень динамической, т. к. объем гелия постоянно изменяется. Но если объем гелия не будет изменяться все время, то это будет описано в терминах процессов распространения. Если эта ситуация постоянного гелия не является критической, то реальный процесс не будет критическим так или иначе.
Поскольку длина распространения обоих газов (< 1 мкм) является намного меньшей, чем рассмотренный здесь диаметр цилиндра гелия (4 мм), то это позволяет использовать одномерное решение второго закона Фика.
Для с0=100%, DHe-O2=0,45 см2/сек и с(2мм, t5%)=1% мы получаем t1%=26мсек. Это означает, что если все газовые скорости равны нулю, то на это потребуется 26 мсек, пока концентрация гелия в средней линии цилиндра гелия (средняя линия реактивного потока) не упала до 99%.
Теперь же если мы вернемся к реальной ситуации и примем во внимание то, что обычно частицы гелия перемещаются со скоростью 10 м/с, то газовые частицы займут расстояние в 30 см вокруг! Это означает, что процессами распространения можно пренебречь по сравнению с процессами потока, протекающими здесь.
Эти простые вычисления показали, что основная зона на рисунке 2.5 является зоной высокой чистоты гелия, где атомы гелия могут существовать в метастабильных состояниях, чтобы участвовать в плазменных процессах. Разгрузка жара (накала, температуры) и генерация заряженных частиц, описанные позже, далеки от зоны производства плазмы, что возможно рассмотреть как APPJ явление, описанное здесь.
2.3 ICCD наблюдения
Существует не так много методов проведения диагностики APP (плазмы атмосферного давления). Один очень мощный инструмент – это ICCD-камера (усиленная нагрузка соединительных устройств). При помощи такой камеры возможно произвести высокоскоростное фотографирование со временем задержки, стремящимся к диапазону наносекунды. Если фотографии реактивного потока выполнены со временем задержки порядка 10-2 – 10-3 секунды, подобно рисунку 2.1 и рисунку 2.4, то и плазма в трубе, и реактивный поток покажутся гомогенными. Это иллюзия. На рисунке 2.7 представлены фотографии со временем задержки 100 наносекунд.
Рисунок 2.7 - ICCD фотографии боковой стороны APPJ (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входное напряжение)
Из-за низкой интенсивности реактивного потока для получения одной фотографии были скомбинированы 1000 отдельных снимков. Каждый отдельный снимок был синхронизирован с поданным напряжением. Это было возможно из-за периодического характера реактивного потока, и это реальный отдельный снимок, сделанный для всех фотографий на рисунке 2.7, кроме увеличения (zoomed) один.
На рисунке черные пунктирные линии отмечают границы источника. Источник прозрачен по всей своей длине. Это возможно, если сделать разрез в параллели электродов к газовому направлению потока. Влияние на внутреннее поддерживаемое распределение незначительно. Может быть замечено, что реактивный поток не постоянен во времени. Фактически, это «плазменная пуля», выстрелянная из трубы со скоростью, которая намного превышает газовую скорость. На рисунке 2.7 «пуля» проходит расстояние в 7,5 см за 5мсек. Это соответствует скорости 15 км/сек. В среднем расчетная газовая скорость составляет 16,5 м/сек. Вот еще один дополнительный аргумент для утверждения, что это не явление потока.
«Пуля» всегда появляется при повышении наклона кривой поданного напряжения. Еще одно важное открытие состоит в том, что полное истечение времени реактивного распространения является почти независимым от частоты и формы кривой поданного напряжения в исследованном диапазоне (1..50 кГц, синусоидальная, прямоугольная и треугольная форма кривой напряжения). «Пуля» вылетает в течении нескольких микросекунд в одной и той же точке на стадии каждого периода.
Структура «пули» не является строго эллипсоидальной, как кто-либо мог бы предположить по отснятым фотографиям рисунка 2.7. Это явление не является строго периодическим (увеличенная часть рисунка 2.7). То, что является реальным отдельным выстрелом (снимком), обнаруживает ореол сформированной структуры. Но для настоящего открытия нужно больше. Рисунок 2.8 показывает фронтальный вид «плазменной пули» при различных позициях относительно источника.