Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 |

i После нахождения распределения параметров плазмы в приэлектродных областях аналогично [5] находим скачки потенциала в ленгмюровском слое 1, в приэлектродной области T и другие параметры, входящие в правую часть выражения (1).

1. Результаты расчетов и их анализ На рис. 1-4 показаны характерные распределения параметров плазмы в приэлектродных областях ТЭПЛ.

Показанные распределения рассчитаны при температуре электрода TE = 1000 K, температуре плазмы на приэлектродной границы ядра НОР TT = 10 000 K, давлении основного газа (аргона) P = 5 104 Pa, плотности тока эмиссии электронов с электрода eJE = 0, плотности Рис. 1. Концентрации атомов (1) и ионов (2) добавки при n(a) = 1014 cm-3.

Рис. 3. Концентрации ионов основного газа (1), ионов добавки (2), электронов (3), температура тяжелых компонент плазмы (4) при: a Ч n(a) = 1 1016 cm-3, i(a) = 3.5 10-15 cm2;

b Ч 2.5 1016 cm-3, 3.5 10-15 cm2; c Ч 2.5 1016 cm-3, 3.5 10-16 cm2.

тока eJT = 0 и различных суммарных концентрациях атомов и ионов добавки у электрода n(a). Безразмерные величины на рисунках n = n/n(0), n i = ni/n(0), T T n (a) = n(a)/n(0), n (a) = n(a)/n(0) Ч концентрации элекa i i T a T троднов, ионов основного газа, ионов и атомов добавки; = e/TT Ч потенциал электрического поля; x = x/L(0) Ч пространственная координата. Здесь iT Рис. 2. Концентрации атомов (1, 1, 1 ) и ионов (2, 2, 2 ) n(0) Ч равновесная концентрация электронов на приT электродной границе ядра НОР в ТЭПЛ с однодобавки, электронов (3, 3, 3 ) при 1, 2, 3 Ч n(a) = 1016 cm-3, компонентным наполнением (в отсутствие добавки).

i(a) = 3.5 10-15 cm2; 1, 2, 3 Ч 2.5 1016 cm-3, 3.5 10-15 cm2; 1, 2, 3 Ч2.5 1016 cm-3, 3.5 10-16 cm2. На рис. 1, 2 показаны распределения параметров плазЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Приэлектродные области термоэмиссионного преобразователя энергии лазерного излучения... значительный вклад в полную концентрацию ионов, равную концентрации электронов, во всей первой подобласти. Непосредственно у электрода этот вклад является определяющим, что приводит к существенному снижению напряженности электрического поля у электрода.

Спад концентрации ионов добавки при удалении от электрода сопровождается ростом концентрации ионов основного газа, так что концентрация электронов в подобласти изменяется слабо. В результате изменение электрического потенциала в квазинейтральной плазме первой подобласти оказывается на порядок меньше, чем в первом случае (n(a) = 10-14 cm-3).

На границе раздела подобластей концентрация ионов Рис. 4. Потенциал электрического поля при i(a) = добавки оказывается достаточно большой ( 0.15n(0)).

T = 3.5 10-15 cm2 и 1 Ч n(a) = 1 1014, 2 Ч 1 1016, 3 Ч Тем не менее с удавлением от электрода во второй 2.5 1016 cm-3.

подобласти (рис. 3, a, кривая 2) концентрация ионов добавки спадает на расстоянии порядка 10-2L(0) вследiT ствие роста электрического потенциала и температуры мы в первой подобласти, на рис. 3, 4 Ч во втоионов и при x = 1 оказывается порядка 10-4n(0). Спад T рой. В рассматриваемых условиях n(0) = 1.1 1016 cm-3, T концентрации ионов добавки сопровождается ростом L(0) = 6.7 10-2 cm. концентрации ионов основного газа. В результате конiT В основных расчетах сечение ступенчатой иониза- центрация электронов монотонно увеличивается. Однако ее изменение значительно меньше, чем в первом слуции атомов добавки (цезия) i(a) принималось равным чае, что ведет к уменьшению изменения электрического величине 3.5 10-15 cm2, которая следует из экстрапотенциала в подобласти (рис. 4, кривая 2) и снижению поляции расчетов i(a) при температурах электронов скачка потенциала в приэлектродной области T на Te 5000 K [7] в область температур электронов, хараквеличины 3TT /e по сравнению с первым случаем (ср.

терных для приэлектродных областей ТЭПЛ. Сечение (a кривые 1 и 2 на рис. 4).

столкновений атомов цезия и аргона aa) оценивалось на С дальнейшим повышением концентрации добавки основе данных, приведенных в [14], и полагалось равным n(a) до 2.5 1016 cm-3 (рис. 2, кривые 1 Ц3 ) происходит 6 10-15 cm2. повышение концентрации ионов добавки и электронов в При низкой концентрации добавки у электрода первой подобласти. Во второй подобласти по мере уда(рис. 1), как и в [6], концентрации атомов и ионов ления от электрода происходит снижение концентрации добавки быстро спадают при удалении от электрода.

ионов добавки (рис. 3, b, кривая 2), вначале быстрое, Концентрация атомов спадает вследствие интенсивной затем более медленное, и рост концентрации ионов ионизации электронами, концентрация ионов Ч вследосновного газа. При этом концентрация электронов в ствие их отвода к электроду сильным электрическим подобласти изменяется слабо. Это приводит (рис. 4, полем, которое в этом случае определяется, в основном, кривая 3) к очень небольшому изменению потенциала в распределением ионов инертного газа. Причем при удаподобласти. Концентрация ионов добавки к границе ядра лении от электрода концентрации атомов и ионов добавНОР спадает до уровня 7.2 1014 cm-3, в 30 и более раз ки становятся пренебрежимо малыми (n(a), n(a) ni) до a i меньшего, чем концентрация атомов и ионов добавки у того, как они выйдут на ионизационное равновесие. Расэлектрода n(a).

пределения параметров плазмы во второй подобласти На рис. 5 показаны распределения во второй поаналогично соответствующим распределениям в ТЭПЛ добласти концентраций ионов основного газа и добавс однокомпонентным наполнением [5]. Таким образом, в рассматриваемом случае добавка сосредоточена в преде- ки при n(a) = 1 1016 cm-3, P = 5 104 Pa, TE = 2000 K, лаx первой подобласти в тонком приэлектродном слое JE = JT = 0 и различных температурах плазмы на пришириной менее 10-2 ширины неравновесной приэлек- электродной границе ядра НОР. С увеличением темтродной области, которая характеризуется параметром пературы плазмы TT и равновесной концентрации n(0) T L(0) [5]. на приэлектродной границе ядра НОР, когда снижается iT вклад ионов добавки в суммарную концентрацию ионов, С повышением концентрации добавки n(a) (рис. 2, глубина проникновения ионов добавки в приэлектродкривые 1Ц3) увеличивается скорость спада концентраную область уменьшается.

ции атомов n(a) вследствие увеличения концентрации a Таким образом, при невысоких концентрациях примеэлектронов и скорости ионизации атомов. Однако конси у электрода n(a), когда концентрация ионов примеси центрация ионов добавки в этом случае спадает при в первой подобласти существенно меньше равновесной удалении от электрода значительно медленнее, чем в первом случае (рис. 1), так что ионы добавки вносят концентрации электронов n(0), примесь сосредоточена в T 2 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 20 В.А. Жеребцов (кривые 1 Ц3 ) и 3, c для n(a) = 2.5cm-3. Уменьшение сечений приводит к увеличению глубины проникновения атомов добавки в приэлектродную область примерно (a пропорционально 1 i(a)aa), однако качественно не изменяет распределение атомов в приэлектродной области. Уменьшение величины сечения ионизации i(a) до 3.5 10-16 cm2 приводит к снижению концентрации ионов добавки у электрода n(a), уменьшению глубины iпроникновения ионов добавки в приэлектродную область и уменьшению абсолютной величины плотности потока энергии S(a) до 310 W/cm2. Уменьшение велиi(a чины сечения рассеяния aa) приводит к увеличению концентрации ионов добавки у электрода и плотности Рис. 5. Концентрации ионов основного газа (1, 1 ) и добавки (2, 2 ) при 1, 2 Ч TT = 10 000, 1, 2 Ч 11 000 K.

потока энергии S(a).

iЗаключение тонком слое у электрода. При больших концентраци ях n(a) ионы примеси могут оказывать существенное Разработана математическая модель приэлектродных влияние на структуру всей приэлектродной области областей термоэмиссионного преобразователя энергии и в значительных количествах проникать вплоть до лазерного излучения в электрическую энергию с биприэлектродной границы ядра НОР.

нарным наполнением в условиях, когда основной газ Из сравнения кривых 1 и 4 на рис. 3, a, b видно, что в областях слабоионизован, и исследована их структуувеличение концентрации добавки n(a), и соответственно ра. Выявлены особенности распределения концентраций концентрации электронов, приводит к значительному ионов основного газа, ионов и атомов добавки, темувеличению скорости роста при удалении от электрода пературы тяжелых компонент плазмы, электрического концентрации ионов основного газа вследствие увелипотенциала при различных суммарных концентрациях чения скорости ионизации атомов газа и к увеличеатомов и ионов добавки у электрода n(a).

нию скорости роста температуры тяжелых компонент Показано, что при концентрациях ионов добавки у плазмы вследствие увеличения скорости передачи им электрода, существенно меньших равновесной конценэнергии от электронов. Увеличение скорости передачи трации электронов на приэлектродной границе ядра от электронов энергии тяжелым компонентам плазмы приводит к росту абсолютной величины плотности по- НОР n(0) добавка сосредоточена в тонком приэлекT тока энергии SH1, отводимой тяжелыми компонентами тродном слое шириной порядка 10-2-10-1 ширины неравновесного приэлектродной области. Однако и в на электрод. Так, если при n(a) = 1014 SH1 = -186, то при n(a) = 1016 SH1 = -212 и при n(a) = 2.5 1016 cm-3 этом случае ионы добавки могут существенно влиять 1 на параметры плазмы вблизи электрода. C повышеSH1 = -286 W/cm2.

нием концентрации добавки n(a) ионы примеси могут Ионизация атомов добавки приводит к отводу от оказывать существенное влияние на структуру всей границы НОР большой плотности потока энергии, приэлектродной области и в значительных количествах затрачиваемой на генерацию ионов добавки, S(a) = i проникать в глубь области вплоть до приэлектродной = Ei(a) + 2TT + e 1 j(a) - j(a), см. (1). Так, при i1 iT границы ядра НОР.

n(a) = 1014 S(a) = -0.8, при n(a) = 1016 S(a) = -300, 1 i1 1 iС увеличением концентрации добавки n(a) значительа при n(a) = 2.5 1016 cm-3 S(a) = -1200 W/cm2. Столь но возрастает плотность потока энергии, затрачиваемой 1 iвысокие плотности потока энергии могут существенно на генерацию ионов добавки, увеличивается также плотповлиять на характеристики НОР.

ность потока тепла, переносимого на электрод тяжелыВ настоящее время в литературе отсутствуют данные ми компонентами плазмы.

о сечениях ступенчатой ионизации атомов цезия i(a) В заключение автор благодарит П.П. Дьяченко и в условиях, характерных для приэлектродных областей И.И. Касикова за внимание к работе и полезные обсуНОР в ТЭПЛ. Нет также надежных данных о сечении ждения.

(a рассеяния атомов цезия в атомах аргона aa) в этих условиях. Для оценки чувствительности результатов расИсследования проведены при финансовой поддерж(a четов к величинам i(a) и aa) были проведены расчеты ке Российского фонда фундаментальных исследовапри уменьшенных на порядок значениях этих сечений. ний и правительства Калужской области (проект Результаты некоторых расчетов показаны на рис. 2 № 04-02-97218).

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Приэлектродные области термоэмиссионного преобразователя энергии лазерного излучения... Список литературы [1] Козлов Н.П., Пекшев А.В., Протасов Ю.С., Суслов В.И.

Радиационная плазмодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1991. Т. 1. С. 462Ц498.

[2] Алексеева И.В., Будник А.П., Дьяченко П.П. и др. // ЖТФ.

2000. Т. 70. Вып. 11. С. 91Ц98.

[3] Будник А.П., Жеребцов В.А. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 6.

С. 60Ц65.

[4] Алексеева И.В., Будник А.П., Жеребцов В.А. // Атомная энергия. 2004. Т. 96. № 2. C. 98Ц107.

[5] Жеребцов В.А. // ТВТ. 2004. Т. 42. № 5. C. 690Ц697.

[6] Жеребцов В.А., Касиков И.И. // Письма в ЖТФ. 2005.

Т. 31. Вып. 17. С. 1Ц6.

[7] Бакшт Ф.Г., Дюжев Г.А., Марциновский А.М. и др. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. М.: Наука, ГРФМЛ. 480 с.

[8] Стаханов И.П., Степанов А.С., Пащенко В.П., Гуськов Ю.К. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии. М.: Атомиздат, 1968. 390 с.

[9] Стаханов И.П., Черковец В.Е. Физика термоэмиссионного преобразователя. М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

[10] Смирнов Б.М. // УФН. 1967. Т. 92. № 1. C. 75Ц103.

[11] Жеребцов В.А. Препринт № 3043. Обнинск: ФЭИ. 2004.

27 с.

[12] Черковец В.Е., Шестакова Н.Г. // ЖТФ. 1978. Т. 48.

Вып. 2. С. 266Ц276.

[13] Бакшт Ф.Г., Иванов В.Г. // ЖТФ. 1978. Т. 48. Вып. 4.

С. 700Ц706.

[14] Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизованной плазме. М.: Атомиздат, 1975. 333 с.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам