Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
На правах рукописи
ШИБКОВА ЛИДИЯ ВЛАДИМИРОВНА
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДВИЖУЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ИНЕРТНЫХ И ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СМЕСЕЙ
Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва - 2007
Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Александров Андрей Федорович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Коссый Игорь Антонович доктор физико-математических наук Леонов Сергей Борисович доктор физико-математических наук, профессор Сысоев Николай Николаевич
Ведущая организация: Институт проблем механики Российской Академии Наук
Защита диссертации состоится 31 октября 2007 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13/19, Институт высоких температур РАН, Экспозиционный зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан л____________________2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.110.доктор технических наук В.А.Зейгарник I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В целях достижения оптимальных параметров плазменных устройств часто приходится идти по пути усложнения химического состава рабочей среды. При этом в разрядах в многокомпонентных смесях протекают процессы, несущественные для однокомпонентных сред. Например, в смеси инертных газов возникает пространственно-неоднородное перераспределение компонентов смеси, что может приводить к снижению эффективности работы таких плазменных устройств, как газоразрядные лазеры, газоразрядные источники света и др.
Неучет влияния пространственного разделения смеси также приводит к значительным ошибкам в определении концентрации химически активных компонентов при использовании актинометрического метода диагностики в плазменных реакторах. Еще одна важная проблема, которая решается с помощью плазменных технологий, это очистка инертных газов от примесей, так как потребность в чистом веществе возрастает непрерывно, а требования к его чистоте ужесточаются.
В химически активных смесях возникают нехарактерные для инертных газов процессы, приводящие к частичному или полному качественному изменению состава смеси. Так разряды, создаваемые в молекулярных газах (воздух, водород, азот, кислород и их смеси), приводят к эффективной диссоциации молекул, наработке активных радикалов и нагреву рабочей среды, что не наблюдается в смесях инертных газов. А эти процессы в разрядах в горючих воздушно-углеводородных смесях могут привести к полному изменению первоначального состава, что связано, в частности, с процессами воспламенения и горения. Исследование влияния различных типов газовых разрядов на эти процессы актуально с точки зрения необходимости в условиях высокоскоростных потоков обеспечить быстрое объемное воспламенение углеводородного топлива, что актуально для развития современной авиации. Изучение процесса воспламенения и горения углеводородных смесей в условиях низкотемпературной плазмы важно как с точки зрения фундаментальных исследований механизмов и кинетики атомно-молекулярных превращений при наличии сильных электрических полей, так и с точки зрения оптимизации плазмохимических процессов.
Возникла задача поиска оптимальных способов создания низкотемпературной плазмы в высокоскоростных потоках газа, изучения влияния газового разряда на газодинамические характеристики потока вблизи обтекаемого тела и выявления механизма быстрого воспламенения углеводородных топлив. Поэтому для более глубокого понимания физикохимических процессов, протекающих при воспламенении углеводородных смесей в газовой и жидкой фазах с помощью низкотемпературной плазмы, актуальным является проведение, как экспериментальных исследований, так и сопоставление их с расчетами в рамках физических моделей влияния газового разряда на инициирование горения.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование фундаментальной научной проблемы, связанной с изучением физических процессов, протекающих в движущейся неравновесной низкотемпературной плазме, создаваемой в многокомпонентных смесях инертных газов, а также в многокомпонентных смесях химически активных молекулярных газов.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- экспериментальное исследование степени пространственно-временного перераспределения компонентов смесей инертных газов и выявление ответственных за наблюдаемое разделение механизмов в условиях диффузионного режима существования стационарного и импульсного разрядов;
- изучение пространственно-временной эволюции параметров неравновесной плазмы, создаваемой на диэлектрической антенне новой разновидностью самостоятельного поверхностного СВЧ разряда, а также исследование газодинамических возмущений, возникающих в условиях изучаемого разряда;
- реализация быстрого плазменно-стимулированного воспламенения и горения газообразных и жидких углеводородов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы поверхностного СВЧ разряда в неподвижном воздухе и высокоскоростных газовых потоках;
- проведение математического моделирования с целью выявления основного механизма, ответственного за воспламенение углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы, и с целью изучения возможности уменьшения локального коэффициента турбулентного трения с помощью поверхностного СВЧ разряда.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертации использовался широкий набор методов исследования с применением следующего диагностического оборудования: монохроматоры и спектрографы с цифровой регистрацией спектра; блок зондовой диагностики с цифровой регистрацией вольт-амперных характеристик двойного и одиночного зондов; высокоскоростная камера; установка теневой диагностики; рефракционные лазерные датчики; система измерения проводимости пламени; цифровые фотоаппараты и видеокамеры; цифровые осциллографы; компьютеры. Для решения поставленных задач применялись как бесконтактные, так и контактные диагностические методы. Исследования проводились, как в разряде постоянного тока, так и в режиме импульсной модуляции разрядного тока, а также в условиях импульсного самостоятельного поверхностного СВЧ разряда. Измерения основных параметров плазмы проводились с временным и пространственным разрешением. Применение импульсного разряда позволяло изучить временной ход основных параметров плазмы в активной фазе разряда, а также в стадии послесвечения, где процессы могут быть "разрешены" во времени.
Пространственно-временное распределение концентраций атомов многокомпонентных смесей инертных газов определялось по относительным интенсивностям спектральных линий атомов примесей и буферного газа.
Функция распределения электронов по энергиям определялась из вольтамперных характеристик тока на зонд с последующей обработкой по методу регуляризации А.Н.Тихонова и из вторых производных по потенциалу зондового тока. Временной ход напряженности электрического поля в плазме определялся по разности потенциалов пространства двух зондов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга.
Концентрация метастабильных атомов измерялась методом поглощения с учетом сверхтонкой структуры спектральных линий. Для получения информации о кинетике убегающих электронов на начальной стадии импульсного разряда использовались зондовый метод, метод задерживающих потенциалов и метод селекции электронов по скоростям с помощью поперечного магнитного поля. Концентрация заряженных частиц в послесвечении измерялась методом зондирующего импульса малой амплитуды и длительности. При измерении радиального распределения ионов примеси использовался метод С.Д.Вагнера, основанный на теории тока на зонд в двухкомпонентной плазме. Динамика пространственного перераспределения компонентов бинарной пеннинговской смеси исследовалась по изучению времени релаксации метастабильных атомов буферного газа в стадии деионизации плазмы.
Общий вид поверхностного СВЧ разряда и динамика его развития фиксировались с использованием скоростной цифровой фотокамеры.
Теневое фотографирование использовалось для визуализации газодинамических возмущений (ударные волны, каверны плотности), возникающих при создании поверхностного СВЧ разряда. Температура газа определялась спектроскопическим методом, основанным на регистрации распределения интенсивностей линий вращательной структуры полос двухатомных молекул N2, CN, H2 и C2. При измерении временного хода температуры газа использовался полихроматор на базе двух монохроматоров с фотоэлектронными умножителями в качестве приемников излучения. При измерении средней за длительность СВЧ импульса температуры газа использовался спектрограф с ПЗС линейкой в качестве приемного устройства излучения. Концентрация электронов измерялась зондовым методом с использованием как одиночного, так и двойного зондов. Концентрация электронов в плазме поверхностного СВЧ разряда в воздухе измерялась также спектроскопическим методом по регистрации штарковского уширения спектральной линии H с длиной волны =486,1 нм с учетом таких уширяющих факторов, как аппаратная функция монохроматора, эффект Доплера, внешний микроволновой эффект Штарка и влияние ширины входной щели монохроматора. Период индукции определялся несколькими способами, а именно: по минимальной длительности СВЧ импульса, приводящего к появлению характерного свечения пламени; по резкому возрастанию интенсивности свечения молекулярной полосы возбужденного радикала CH с длиной волны канта 431,5 нм (полоса (0;0) перехода A2X2); по времени появления сигнала с двойного зонда; по времени возникновения тока через плоский конденсатор. Воспламенение высокоскоростного потока детектировалось также по резкому изменению общего вида спектра излучения плазмы и по резкому увеличению температуры газа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые выполнено комплексное исследование явлений переноса, определяющих степени радиального и аксиального разделений компонентов в бинарных и тройных смесях инертных газов в положительном столбе газового разряда;
- впервые экспериментально показана взаимосвязь аксиального и радиального разделения компонентов смесей инертных газов в положительном столбе газового разряда;
- впервые обнаружено явление уменьшения эффективной диффузионной длины разряда для атомов примеси, оказывающее существенное влияние на динамику радиального разделения компонентов смеси;
- предложен и реализован высокопроизводительный, экологический, безотходный, плазменный метод очистки технического гелия;
- впервые в широком диапазоне давлений воздуха (р = 10-3 - 103 Тор) выполнено комплексное систематическое исследование параметров низкотемпературной плазмы, создаваемой новой разновидностью СВЧ разряда, поддерживаемого поверхностной волной на диэлектрических антеннах, а также газодинамических возмущений, возникающих в условиях изучаемого разряда;
- впервые реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение и горение газообразных (пропан) и жидких (спирт, бензин, керосин) углеводородов в условиях поверхностного СВЧ разряда в неподвижном воздухе и высокоскоростных газовых потоках и проведено комплексное систематическое исследование этих процессов;
- на основе математического моделирования показано влияние плазменных эффектов на быстрое воспламенение углеводородного топлива в условиях низкотемпературной плазмы.
Эти результаты являются оригинальными и получены впервые.
Достоверность полученных результатов. Экспериментальные результаты получены с помощью комплекса независимых диагностических методик на различных экспериментальных установках, подтверждаются сравнением измеренных величин с результатами теоретических и экспериментальных работ других исследователей в России и за рубежом, а также данными численного моделирования исследуемых явлений. Таким образом, полученные результаты является вполне обоснованными и достоверными.
ичный вклад автора. Вклад соискателя в работы, написанные в соавторстве и вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором по научному направлению, связанному с изучением физических процессов в многокомпонентных смесях инертных газов, сформулирована постановка проблемы, разработаны и созданы экспериментальные установки, проведены комплексные экспериментальные исследования и численное моделирование, выполнен анализ полученных результатов. По научному направлению, связанному с изучением физических процессов в химически активных газах, автором проведено систематическое исследование свойств новой разновидности поверхностного СВЧ разряда в широком диапазоне условий его существования, впервые осуществлено применение данного разряда для быстрого воспламенения жидких углеводородов, поставлены задачи для численного моделирования влияния поверхностного СВЧ разряда на характеристики погранслойного течения и на воспламенение пропанвоздушного сверхзвукового потока, проведен анализ влияния плазменных эффектов на процесс быстрого нетеплового воспламенения в условиях низкотемпературной плазмы, а также анализ результатов численного моделирования влияния поверхностного СВЧ разряда на характеристики погранслойного течения.
Практическая значимость работы. Полученные в работе данные о степени пространственного разделения компонентов бинарных и тройных смесей инертных газов и времени установления стационарного уровня разделения в зависимости от параметров разряда могут быть использованы для оптимизации работы существующих устройств и для целенаправленной разработки и конструирования новых приборов, использующих в качестве рабочего вещества многокомпонентные смеси газов. Полученные в диссертации результаты явились фундаментальной основой для разработки и создания лабораторного прототипа разделительной установки. На способ и устройство для очистки газов, преимущественно инертных, от примесей автором получен патент.
Результаты, касающиеся поверхностного СВЧ разряда, представляют не только академический интерес, но являются научной базой для выработки рекомендаций по использованию газоразрядной плазмы при создании летательных аппаратов нового поколения, для оценки влияния плазменных образований на погранслойное течение и ускорение воспламенения.
Квалификационная ценность результатов исследований признана российским и международным научными сообществами, в частности, посредством предоставления грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты РФФИ № 02-02-17116, № 05-02-16532, № 05-0230054), грантов Международного Научно-Технического Центра (проекты МНТ - № 443, № 1866, № 2248) и Нидерландского научного общества (проект NWO № 047-016.019).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных и национальных конференций, симпозиумах, рабочих семинарах и совещаниях, в том числе: на Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП, Киев, 1979, Ленинград, 1983, Киев, 1986, Минск, 1991, Петрозаводск, 1995); на Европейских симпозиумах по атомно-молекулярным столкновениям в ионизованных газах (ESCAMPIG - Дубровник, 1980, Оксфорд, 1982, Бари, 1984, Орлеан, 1990, Санкт-Петербург, 1992, Дублин, 1998); на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (ICPIG - Прага, 1973, Минск, 1981, Дюссельдорф, 1983, Сванси, 1987, Нью-Йорк, 1995, Тулуза, 1997); на Всесоюзных конференциях по электрон-атомным столкновениям (ВКЭАС - Ленинград, 1981, Чебоксары, 1991); на Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983); на Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984); на Всесоюзной конференции по процессам ионизации с участием возбужденных атомов (Ленинград, 1988); на Международных конференциях Мощное СВЧ излучение в плазме (Strong microwave in plasmas - Звенигород, 1994, Нижний Новгород, 1990, 2000, 2003, 2005); на Международных рабочих семинарах СВЧ разряды: основные свойства и применения (Microwave discharges: Fundamentals and applications - Франция, Аббей, Рояль Фонтевро, 1997, Звенигород, 2000, 2006); на Международных совещаниях по магнитной и плазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications - Москва, 2000, 2004, 2005, 2007); на Международных рабочих семинарах по физике слабоионизованных газах (Weakly Ionized Gases Workshops - Анахайм, 2001, Рино, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007); на Международном симпозиуме по плазмохимии (Plasma Chemistry - Орлеан, 2001); на Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPS - Иваново, 2002); на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (PLTP - Киев, 2003); на Международных симпозиумах Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике (Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2006); на Международной конференции по микро- и наноэлектронике (Micro- and nanoelectronics - Москва-Звенигород, 2003); на Международных конференциях по физической электронике (Махачкала, 1999, 2004, 2006); на научных школах-конференциях Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики (Алушта, 2004, 2005, 2006); на Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1997); на Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2000, 2001, 2003, 2006);
на Международной конференции по термохимическим и газодинамическим явлениям (Thermophysical and gasdynamical phenomena - Киев, 2006), на научной конференции Московского государственного университета Ломоносовские чтения (секция газодинамика, термодинамика и ударные волны, Москва, 2007) и на научных семинарах кафедры математики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, кафедры оптики физического факультета Ленинградского государственного университета, лаборатории физики плазмы Института общей физики РАН, Института проблем механики РАН, кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 75 научных публикациях, в том числе: в 1 монографии, в статьях в реферируемых научных журналах, в 1 патенте, в 46 статьях в книгах, научных сборниках, материалах международных и российских конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 341 странице машинописного текста, включая 168 рисунков и таблиц. Работа состоит из введения, шести глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы. Список цитируемой литературы содержит 368 наименований.
II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показаны новизна, научная и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях.
В первой главе основное внимание сосредоточено на экспериментальных исследованиях физических процессов, протекающих в газоразрядной плазме в бинарных и тройных смесях инертных газов, в которых эффективно происходит пространственное перераспределение компонентов смеси (рис. 1). К пространственному перераспределению компонентов смеси инертных газов могут приводить такие механизмы, как ионный ветер;
термодиффузия; катафорез и некоторые другие.
Для нахождения основного механизма, ответственного за пространственное разделение смеси в условиях газоразрядной Рис. 1. Общий вид разряда в техническом гелии при различных давлениях.
плазмы, исследования вначале были выполнены в бинарной гелий-ксеноновой смеси, отличающейся наибольшей разностью в соотношении потенциалов ионизации и масс атомов. Эксперименты проводились при следующих условиях для тока, парциальных давлений буферного и примесного газов: i = 0,01-0,25 А, рНе=0,1-0,5 Top, рХе=210-4510-3 Тор.
Результаты измерений радиального распределения концентрации атомов примеси в Не-Хе смеси показывают, что степень разделения компонентов бинарной смеси возрастает с увеличением разрядного тока, расстояния от катода и давления гелия, тогда как с увеличением доли примеси в разряде степень радиального разделения уменьшается.
Полученные экспериментальные результаты хорошо объясняются с помощью такого механизма разделения, как катафорез, связанного с непосредственным переносом материи ионами, которые, нейтрализуясь у стенок, создают около них область повышенной плотности легкоионизуемого компонента смеси. Для подтверждения этого были проведены расчеты радиального разделения бинарной смеси за счет различных механизмов. Так как в экспериментальных условиях в центральных областях разрядной камеры измеренный градиент температуры не превышает 20 градусов на радиус трубки, то это соответствует степени термодиффузионного разделения не больше 5%. Так как концентрация примесного газа в прианодных и центральных областях разрядной трубки мала, то длина свободного пробега ионов примеси по отношению к резонансным перезарядочным столкновениям превышает поперечный размер трубки. Поэтому и радиальное разделение смеси за счет ионного ветра пренебрежимо мало.
На рис. 2 приведено сравнение экспериментально полученных результатов с данными математического моделирования в предположении, что основным механизмом является катафорез. Видно удовлетворительное согласие рассчитанных и экспериментальных данных. Однако эксперимент четко показывает, что при приближении к катоду начинает нарастать разница между экспериментом и расчетом. Это связано с тем, что в эксперименте за счет продольного переноса атомов примеси их концентрация около катода 1,возрастает, длина свободного пробега ионов примеси резко уменьшается по отношению к резонансным перезарядочным столкновениям, и 0,возрастает вклад ионного ветра в перенос примеси к стенкам разрядной трубки, что ведет к увеличению степени радиального разделения смеси.
0,02040z, см Если же перераспределение компонентов происходит в основном Рис. 2. Зависимости радиального за счет явления катафореза, то оно разделения компонентов бинарной НеХе смеси от продольной координаты.
должно быть тем сильнее, чем Пунктирная кривая (1) - расчет для больше разница в потенциалах и i = 0,2 А, рНе = 0,3 Тор, pХе = 10-3 Тop, массах компонентов. Поэтому был сплошные кривые экспериментальные введен параметр, равный данные для i = 0,2 А, pХе=10-3 Тop и трех значений давления гелия рНе, Тор:
произведению разности потенциалов 2-0,1; 3-0,3; 4-0,5.
ионизации компонентов на разность их масс. Значения этого множителя равны 46,88; 844,04; 1049,55; 1586,16 для смесей He-Ne; Не-Кr; Nе-Хе и НеХе соответственно. Исходя из этих данных, можно предположить, что по возрастанию степени пространственного разделения компонентов бинарные смеси инертных газов должны стоять в ряду: He-Ne; He-Kr; NeXe и Не-Хе. Полученные зависимости радиального и продольного распределений концентраций атомов примеси в бинарных смесях инертных Xe Xe n (0)/ n ( R ) газов подтвердили это предположение (смотри рис. 3 и рис. 4). Видно, что чем больше отличаются друг от 1,0 друга потенциалы ионизации и массы компонентов, составляющих бинарную смесь, тем сильнее происходит их разделение.
0,Исследование разрядов в тройных смесях инертных газов, показало, что малая добавка третьего компонента слабо влияет на 0,0,0 0,5 1,0 продольное и радиальное разделение r/R смеси.
Во второй главе диссертации Рис. 3. Поперечное распределение изучается динамика установления относительных концентраций атомов неона в разряде в бинарной He-Ne смеси (кривая 1), пространственного распределения криптона в He-Kr смеси (кривая 2), ксенона в плотности примеси. Для этого Ne-Хе смеси (кривая 3) и ксенона в Не-Хе использовался импульсный режим смеси (кривая 4). рНе = 0,3 Тор, давление примесного газа рпримеси = 10-3 Тop, i = 0,1 А. разряда и измерения проводились с временным разрешением. Так как время установления продольного разделения в 100-1000 раз больше времени установления радиального катафореза, то в течение длительности импульса 100 - 200 мкс не происходит заметного продольного разделения 1,смеси, плазма в аксиальном направлении остается однородной, и измерения радиального профиля 0,интенсивностей линий можно проводить с торца разрядной трубки.
При этом нет необходимости применять инверсию Абеля для 0,вычисления локальных значений 0 2040z, см интенсивностей. Не-Хе смесь является пеннинговской смесью, Рис. 4. Продольное распределение поэтому в ней эффективно протекает относительных концентраций атомов неона в разряде в бинарной He-Ne смеси (кривая 1), реакция тушения метастабильных криптона в He-Kr смеси (кривая 2), ксенона в атомов гелия атомами ксенона. На Ne-Хе смеси (кривая 3) и ксенона в Не-Хе этой основе в диссертации был смеси (кривая 4). рНе = 0,3 Тор, давление предложен и разработан метод примесного газа рпримеси = 10-3 Тop, i = 0,1 А.
исследования динамики радиального катафореза по изучению времени релаксации метастабильных атомов гелия в стадии деионизации плазмы. Данным методом, а также по относительным интенсивностям спектральных линий атомов ксенона и гелия, была исследована динамика установления радиального разделения Не-Хе смеси в зависимости от внешних параметров (разрядный ток, парциальные давления буферного и примесного газов). Показано, что с ростом разрядного тока при a a n ( r )/ n ( R ) a a n ( z )/ n (0) всех исследованных давлениях основного и примесного газов время tst установления радиального разделения компонентов смеси уменьшается, тогда как при неизменных разрядном токе и парциальном давлении гелия с ростом давления ксенона время установления катафореза увеличивается.
Были проведены также измерения времени восстановления 1,однородного по радиусу разрядной трубки распределения атомов ксенона после окончания импульса 0,разрядного тока. С этой целью на разрядную трубку подавался второй импульс с задержкой относительно им заднего фронта первого импульса, и 0,0 100 200 300 400 500 6проводились измерения радиального t, мкс профиля концентрации атомов Рис. 5. Временной ход концентрации атомов ксенона в основном состоянии в ксенона в основном состоянии на оси моменты времени, соответствующие разрядной трубки за время импульса начальным участкам второго разрядного тока (им = 100 мкс) и после его окончания. рНе=0,25 Тор, рХе=10-3 Тор, i=0,15 А.
импульса (t = 3 мкс). Из результатов измерения (рис. 5) видно, что время восстановления в условиях эксперимента порядка 300400 мкс, что близко к времени, необходимому для выравнивания концентрации атомов ксенона по радиусу разрядной трубки за счет диффузии нейтральных атомов ксенона, тогда как в импульсе разрядного тока время установления стационарного уровня разделения компонентов смеси значительно меньше (~60 мкс) этой величины.
Другой важный результат был 1получен при исследовании зависимости времени установления 1стационарного значения радиального распределения от давления буферного газа (рис. 6).
Время установления при низких давлениях уменьшается, несмотря на то, что с ростом давления 0,1 0,2 0,3 0,4 0,основного газа диффузия атомов рНе, Тор ксенона от стенок в разряд Рис. 6. Время установления стационарного затрудняется, и время, необходимое уровня радиального катафореза в Не-Хе смеси в для возврата нейтральных атомов, трубке радиусом 1,5 см при рХе = 10-3 Тор в должно увеличиваться. При зависимости от давления гелия для различных значений разрядного тока i, А: 1 - 0,06; 2 - 0,15;
дальнейшем увеличении давления 3 - 0,3.
буферного газа (рНе > 0,2 Тор) время установления радиального градиента примеси начинает постепенно расти.
Для объяснения полученных зависимостей было сделано предположение, что по мере увеличения радиального разделения Xe Xe n (0, t )/ n ( R, t ) st t, мкс компонентов смеси, т.е. роста концентрации примеси у стенок, положение максимума в распределении ионов ксенона по радиусу должно постепенно перемещаться из центра к стенкам разрядной трубки, т.е. в этом случае атомы примеси не возвращаются в центр разрядной трубки, а на некотором расстоянии от стенок ионизуются и вновь уходят на стенки. При этом происходит уменьшение эффективной диффузионной длины ef, определяемой в этом случае расстоянием между максимумом в распределении ионов примеси и стенкой разрядной трубки. Для подтверждения этой гипотезы были проведены измерения радиального распределения ионов примеси с помощью метода С.Д.Вагнера, основанного на теории тока на зонд в двухкомпонентной плазме.
Результаты измерений, приведенные на рис. 7 и рис. 8, подтверждают высказанные нами nXe+(r,t)/nXe+(0,t) предположения, о том, что максимум ионизации примеси сдвинут к стенкам t, мкс 1,0 разрядной трубки, и эффективная 1диффузионная длина для атомов 0,примеси резко уменьшается с ростом 0 давления гелия.
0 0,5 1,0 r/R С учетом того, что время tst Рис. 7. Изменение во времени радиального установления стационарного уровня распределения ионов ксенона в разделения смеси при различных импульсном разряде в Не-Хе смеси при рНе = 0,25 Тор, рХе = 10-3 Тор, i = 0,15 А.
условиях эксперимента определяется временем установления равенства 1,потока ионов из разряда на стенку и обратным потоком атомов ксенона в разряд, получена формула 0,nXe nXe 2 pHe ef tst = =, (bXe+ nXe+ Xe+ nXe+ 760bXe+ kTe - подвижность ионов ксенона в гелии, 0,0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,k - постоянная Больцмана, Te - pHe, Тор температура электронов), позволяющая Рис. 8. Зависимость эффективной качественно оценить зависимости диффузионной длины ef от давления времени установления разделения гелия при рХе = 10-3 Тор, i = 0,15 А.
компонентов бинарной смеси от условий эксперимента. Согласно этой формуле характер изменения времени установления радиального разделения от параметров разряда хорошо согласуется с экспериментальными данными. Время установления радиального катафореза должно увеличиваться с ростом концентрации атомов ксенона, т.е. парциального давления ксенона, и уменьшаться с ростом концентрации ионов ксенона, т.е. разрядного тока, что и наблюдается в эксперименте. Что касается зависимости tst ( pHe), то при малых рНе / R ef увеличение парциального давления гелия, затрудняющее диффузию, должно бы вести к росту tst, но из-за резкого уменьшения эффективной диффузионной длины (см. рис. 8) время разделения уменьшается. При дальнейшем увеличении давления гелия (рНе > 0,2 Тор) квадрат эффективной диффузионной длины меняется незначительно, поэтому рост парциального давления гелия приводит к увеличению времени установления поперечного разделения смеси. Было проведено также математическое моделирование динамики разделения гелий-ксеноновой смеси. Нестационарное уравнение диффузии решалось методом итерации. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
На основе проведенных исследований в нашей лаборатории был предложен высокопроизводительный, экологически чистый, безотходный плазменный метод очистки технического гелия от примесей. Были созданы однокаскадный и двухкаскадный макетные образцы промышленной установки, позволяющие производить глубокую очистку гелия в неравновесной плазменной среде.
Вначале для проверки эффективности работы установки 1было осуществлено разделение компонентов модельной бинарной Не-Хе смеси. Было показано, что с 10-увеличением разрядного тока время продольного разделения компонентов Не-Хе смеси уменьшается и, например, при токе 10-0 50 100 10,2 А равно 5 с. Затем были t, с проведены эксперименты по очистке Рис. 9. Временной ход концентрации легкоионизуемой примеси в прикатодной технического гелия марки Б. В области разделительной камеры. Технический качестве примера на рис. гелий марки Б, рНе = 3 Тор, i = 0,16 А.
приведена временная зависимость концентрации легкоионизуемой примеси в прикатодной области однокаскадной разделительной камеры. Видно, что концентрация примеси у катода увеличивается на два порядка величины, т.е. эффективность работы разделительной установки достаточна большая. Следует отметить, что эффективность разделения на втором каскаде еще выше, так как чем меньше концентрация атомов примеси, тем больше разделение компонентов смеси.
В третьей главе диссертации исследована кинетика неравновесной плазмы импульсного разряда. В настоящее время импульсный режим работы широко используется в целом ряде устройств. В частности, получить на практике высокие температуры электронов гораздо проще на импульсных установках, чем на стационарных. Применение импульсного разряда позволяет исследовать характерные времена релаксации важнейших параметров плазмы, таких как функция распределения электронов по энергиям, концентрация электронов и метастабильных атомов в зависимости от условий разряда. Кроме того, импульсный режим позволяет выявить, st n ( t ) / n какие именно процессы определяют стационарный уровень исследуемых параметров. В силу всего этого и возникает необходимость изучения кинетики неравновесной плазмы импульсного разряда. Полученные в этой главе данные о функции распределения электронов по энергиям, концентрации метастабильных атомов буферного и примесных газов, концентраций заряженных частиц использовались для оценок границ применимости оптических методов исследования пространственного перераспределения компонентов смесей инертных газов, а также для проведения численного моделирования исследуемого явления.
Результаты измерений зондовым методом функции распределения электронов по энергиям в плазме импульсного разряда в гелии показали, что в начальной стадии разряда максимум функции распределения сдвинут в область больших энергий электронов, функция распределения обогащена быстрыми электронами по сравнению со стационарным видом. Для получения информации о кинетике электронов на начальной стадии импульсного разряда в гелии использовались также методы задерживающих потенциалов и селекции электронов по скоростям с помощью поперечного магнитного поля. В импульсном режиме при многократном перенапряжении возможен переход электронов в режим убегания в кратковременной переходной начальной стадии разряда. Для осуществления режима непрерывного ускорения электронов необходимо, чтобы величина приведенной напряженности электрического поля Е/р превышала некоторое критическое значение (критерий Драйсера). Для гелия (E / p)Др 50 В/(смТор). В наших условиях E / p меняется от 15 В/(смТор) при давлении 0,6 Top до 250 В/(смТор) при р = 0,02 Тор.
Функция распределения электронов в стадии пробоя в условиях, когда возможен переход к режиму непрерывного ускорения электронов, представлена на рис. 10. Видно, что функция распределения имеет сугубо неравновесный вид. Она обогащена быстрыми электронами по сравнению с равновесной =U/Uфункцией, причем в области 2,1,энергий 20 эВ < 60 эВ 2,наблюдается пучок электронов, что 0,1,подтверждается измерениями, проведенными при различной 0 20 40 60 10, эВ ориентации зонда. При этом Рис. 10. Функция распределения электронов выяснилось, что выделенное в стадии пробоя при рНе = 0,45 Тор в направление существует лишь в зависимости от перенапряжения = U/U0 на начале разрядного импульса, тогда разрядном промежутке.
как в более поздней фазе такое направление отсутствует. С увеличением давления газа, а, следовательно, и частоты столкновений, количество быстрых электронов уменьшается, и f( ), отн.ед.
немонотонный вид функции распределения электронов в области больших энергий исчезает. Так, например, при давлении гелия 1 Top пучок быстрых электронов практически не наблюдается.
Кинетика низкотемпературной плазмы определяется совокупностью большого числа элементарных процессов, в частности, на развитие разряда и формирование функции распределения электронов по энергиям оказывают заметное влияние процессы с участием метастабильных атомов. Согласно полученным экспериментальным данным, время выхода концентрации метастабильных атомов на стационарный уровень и стационарное значение st заселенности nm метастабильных состояний зависят как от разрядного тока, так и от давления гелия. При этом концентрация метастабильных атомов монотонно нарастает до стационарного уровня, тогда как nm(23S) концентрация метастабильных атомов проходит через максимум.
nm(21S) Различный временной ход концентраций атомов гелия в состояниях 23 S и 21S связан с различной зависимостью констант заселения и разрушения этих состояний электронным ударом от функции распределения электронов по энергиям, которая сильно меняется в начальной стадии формирования разряда. Это подтверждается также данными математического моделирования временного поведения концентраций метастабильных атомов при импульсном включении разряда с учетом изменения в течение импульса функции распределения электронов по энергии.
Была также изучена кинетика заселения метастабильного состояния Xe(3P2) в импульсном разряде Не-Хе смеси при различных парциальных давлениях примесного и основного газа, а также разрядного тока.
Определены основные процессы, приводящие к исчезновению метастабильных 3P2 атомов ксенона из разрядного промежутка, и процессы, ответственные за установления Tg, K стационарного уровня их заселенности.
9Усложнение состава смеси и, в частности, переход к разрядам в молекулярных газах (водород, кислород, 6азот, и их смеси) приводит к качественному изменению физических процессов, протекающих в плазме. На 3рис. 11 и рис. 12 представлены 10-1 100 101 1t, мкс временные зависимости температуры и степени диссоциации в плазме Рис. 11. Временной ход температуры газа в условиях импульсного разряда в импульсного разряда в молекулярном водороде при р = 0,6 Тор, i = 0,5 А.
водороде. Видно, что при тех же самых условиях (разрядный ток и давление), что и в разряде в инертных газах, в импульсном разряде в водороде наблюдается быстрый эффективный нагрев газа со скоростью 100 К/мкс до температуры порядка 1000 К, тогда как в инертном газе при этих условиях нагрев газа не превышает 20-50 К.
Происходит также диссоциация молекулярного водорода. Из рис. 12 видно, что степень диссоциации водорода к концу импульса длительностью 200 мкс достигает 20 %. В условиях нашего эксперимента такой быстрый нагрев газа может быть обеспечен за счет предложенного В.П.Силаковым механизма, связанного с возбуждением электронным ударом нестабильного состояния водорода b3u, которое распадается на два атома водорода за времена, сравнимые с характерным периодом молекулярных колебаний (~10-14 c). При этом часть энергии возбуждения данного состояния переходит в нагрев газа.
Рассчитанная скорость нагрева газа за счет процесса диссоциации водорода, хорошо согласуется с полученными нами экспериментальными данными ~100 К/мкс. Такие же особенности импульсного разряда наблюдались нами и d, % в случае разряда в азоте, смеси кислорода с азотом при разных процентных составах смеси (доля кислорода изменялась от 0 до 20 %) и в воздухе. Однако, существуют другие типы разрядов, например, самостоятельный безэлектродный СВЧ разряд, который существует при больших значениях приведенного поля, где 050 100 1t, мкс скорость нагрева газа достигает Рис. 12. Временной ход степени 300 К/мкс и наблюдается очень высокая диссоциации в условиях импульсного степень его диссоциации (50-60%).
разряда в водороде при р = 0,6 Тор, i = 0,5 А.
Такие особенности импульсных разрядов очень перспективны для быстрого воспламенения и поддержания горения углеводородных химически активных смесей. В настоящее время эта проблема является очень актуальной с точки зрения новой области физики, а именно, плазменной аэродинамики, где одним из главных направлений является задача максимального сокращения времени задержки воспламенения сверхзвуковых потоков углеводородного топлива, что возможно осуществить с помощью газоразрядной плазмы. К тому же применение газовых разрядов в плазменной аэродинамике позволяет также влиять на характеристики потока газа вблизи летательного аппарата. Для этих целей требуется поиск оптимального режима создания газоразрядной плазмы. Как указывалось выше, особенности СВЧ разряда являются очень перспективными для решения задач плазменной аэродинамики.
В четвертой главе рассматриваются основные свойства поверхностного СВЧ разряда. В настоящее время в различных лабораториях изучаются электродные разряды постоянного тока, импульснопериодические и высокочастотные разряды, а также скользящие по поверхности диэлектрика разряды и свободно локализованные СВЧ разряды в высокоскоростном потоке воздуха. Что касается электродных разрядов, то такие разряды приводят к сильной эрозии электродов и поверхности модели и надежно не воспроизводятся в различных экспериментах. Перед нами возникла задача поиска оптимальных способов создания неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке газа. В нашей лаборатории для этой цели была предложена новая разновидность СВЧ разряда, создаваемого на диэлектрической антенне поверхностной волной. Этот разряд может быть очень эффективным средством для воспламенения углеводородного топлива и воздействия на погранслойное течение.
Известно, что при создании СВЧ разряда внутри заполненной газом трубки с диэлектрическими стенками, подводимая к системе электромагнитная энергия трансформируется в поверхностную волну. При этом возникает самосогласованная система, когда для существования поверхностной волны необходима плазменная среда, создаваемая самой поверхностной волной. При этом волна распространяется в пространстве до тех пор, пока ее энергия достаточна для создания плазмы с концентрацией электронов не меньше, чем критическая концентрация nec=m(2+en2)/(4e2), где e и m - заряд и масса электрона, - круговая частота поля, en - частота столкновений электронов с нейтральными молекулами газа. За границу области пространства, где концентрация электронов уменьшается до значения nec, поверхностная волна не проникает и поверхностный разряд в этих местах не существует. Этот способ достаточно подробно исследован и широко используется, например, в плазмохимии. В этом случае мы имеем систему плазма-диэлектрик-свободное пространство, т.е. внутри разрядной трубки, заполненной газом при пониженном давлении, существует создаваемая поверхностной волной плазма, ограниченная стенками диэлектрической трубки, разделяющими плазму и окружающее разрядную трубку свободное пространство. В данной работе предлагается вывернуть рассмотренную выше систему наизнанку. В этом случае внутри располагается диэлектрик, на поверхности которого создается плазма, существование которой поддерживается поверхностной СВЧ волной.
Экспериментальная установка состоит из вакуумной камеры, магнетронного генератора, системы для ввода СВЧ энергии в камеру и диагностической системы. Для создания поверхностного СВЧ разряда использовался импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн с параметрами: длина волны = 2,4 см; длительность СВЧ импульса = 5 - 200 мкс; импульсная СВЧ мощность Wим = 10 -100 кВт; скважность в режиме повторяющихся импульсов 1000;
средняя СВЧ мощность меньше 100 Вт. Экспериментальные исследования проводились в широком диапазоне давлений воздуха от 1 мТор до 1 атм. При этом можно выделить три характерных диапазона давлений, в каждом из которых внешний вид разряда и его основные свойства имеют свои особенности. Первый диапазон давлений это низкие давления воздуха (р < 10 Тор), когда частота столкновений en электронов с молекулами много меньше круговой частоты электромагнитного поля (en < ). Второй случай это средние давления воздуха (р = 10 - 50 Тор), когда en . И наконец область высоких давлений воздуха (р > 50 Тор) В этом случае частота столкновений en электронов с молекулами много больше круговой частоты электромагнитного поля.
В диссертации рассмотрены вначале основные свойства поверхностного СВЧ разряда при средних давлениях. На рис. 13 вверху представлена фотография антенны без разряда (толщина антенны равна 9 мм), а внизу - общий вид поверхностного СВЧ разряда при давлениях воздуха 40 Тор и импульсной СВЧ мощности 50 кВт.
Рис. 13. Общий вид поверхностного СВЧ Видно, что разряд представляет собой разряда при средних давлениях воздуха.
плазменное образование толщиной не более 1 мм, равномерно покрывающее в данных условиях всю поверхность антенны. Математическое моделирование также показывает, что поверхностная волна проникает в плазму на глубину не более 1 мм, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Этот факт очень важен с точки зрения уменьшения поверхностного трения при использовании поверхностного СВЧ разряда для ввода энергии в пограничный слой, существующий вблизи тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком газа.
Вокруг поверхностного разряда можно видеть также слабо светящееся гало, за существование которого может быть ответственно собственное ультрафиолетовое излучение разряда. Экспериментально показано, что мощность используемого магнетронного генератора достаточна для создания поверхностного СВЧ разряда на тефлоновой антенне в широком диапазоне давлений от 1 мТор до 760 Тор.
Продольные размеры разряда зависят от подводимой СВЧ мощности, длительности импульса и давления воздуха. Поверхностный СВЧ разряд первоначально возникает на диэлектрической антенне в области подвода СВЧ энергии к антенне. При этом скорость распространения разряда в этих местах максимальна. По мере продвижения разряда по антенне его скорость заметно уменьшается. Следует отметить, что поверхностный СВЧ разряд представляет собой однородное плазменное образование в случае, если мощность и длительность воздействия выбираются такими, чтобы только к концу СВЧ импульса разряд достигал передней кромки антенны. Как показывают расчеты, при неполном покрытии поверхности антенны плазмой коэффициент отражения энергии от переднего фронта распространяющегося поверхностного разряда не превышает 0,15. Если же разряд занимает всю поверхность антенны, то коэффициент отражения от переднего конца антенны достигает 0,85. В этом случае на поверхности антенны формируется режим стоячей волны с характерной пространственной модуляцией свечения плазмы.
На рис. 14 в двойном логарифмическом масштабе представлена временная зависимость продольной скорости распространения поверхностного разряда при р = 10 Тор и различных значениях подводимой СВЧ мощности. Видно, что с увеличением подводимой мощности скорость распространения разряда растет. На начальных стадиях существования поверхностного разряда эта скорость 1велика и достигает значения = 107 см/с , см/с при подводимой импульсной СВЧ 1мощности 175 кВт, тогда как на поздних стадиях скорость распространения разряда уменьшается до = 104 см/с при 1W = 25 кВт. Из графика также следует, что все прямые имеют одинаковый наклон.
1Аналогичные результаты были получены 0 1 10 1t, мкс и при давлениях 40, 60 и 100 Тор.
Рис. 14. Временная зависимость Экспериментальные данные продольной скорости распространения показывают, что скорость поверхностного СВЧ разряда при распространения разряда вдоль p = 10 Тор и Wим, кВт: 1 - 25; 2 - 35;
поверхности диэлектрической антенны 3 - 55; 4 - 75; 5 - 100; 6 - 175.
больше скорости звука в воздухе, но много меньше скорости распространения электромагнитной волны в вакууме. Такую скорость движения разряда можно объяснить, если сопоставить ее со скоростью ионизации молекул газа, т.е. с созданием критической концентрации электронов на переднем фронте распространяющегося разряда. Чтобы определить изменяется ли механизм распространения разряда в течение его v, см/с 1формирования и развития, были проведены исследования зависимости скорости движения переднего фронта 1поверхностного СВЧ разряда от его длины. Для этого в двойном 13 логарифмическом масштабе была построена зависимость скорости 1110 распространения разряда вдоль z, см диэлектрической антенны от продольной Рис. 15. Зависимость скорости координаты (см. рис. 15). Видно, что на распространения разряда от всех кривых наблюдается характерный продольной координаты при p = 10 Тор и Wим, кВт: 1 - 25; 2 - 35;
излом, который указывает на то, что на 3 - 55; 4 - 75; 5 - 100; 6 - 175.
начальной и конечной стадиях существования разряда за его распространение отвечают различные механизмы. В начальные моменты времени на участках антенны, прилегающих к подводящему микроволновую энергию волноводу, скорость распространения поверхностного СВЧ разряда в зоне его формирования превышает величину 106 см/с. Такие большие скорости распространения разряда может обеспечить только механизм, связанный с волной пробоя.
Движение поверхностного разряда из-за механизма медленного горения возможно только на поздних (t > 100 мкс) стадиях существования разряда при таких условиях, когда его скорость распространения становится меньше скорости звука. Нами было показано, что наиболее вероятным механизмом, обеспечивающим распространение разряда на стадии его существования при низких и средних давлениях газа, может быть амбиполярная диффузия, тогда как фотоионизация и/или электронная теплопроводность могут быть ответственны за распространение разряда при высоких давлениях.
На рис. 16 в полулогарифмическом масштабе представлены для давления воздуха 10 Тор зависимости 1E, В/см от продольной координаты z амплитуды напряженности электрического поля на фронте распространяющегося поверхностного 1разряда, вычисленные с использованием экспериментально измеренных зависимостей скорости распространения разряда вдоль 10 4 8 12 z, см антенны. Параметром кривых является подводимая СВЧ мощность.
Рис. 16. Зависимость напряженности Аппроксимируя полученные электрического поля на фронте распространения поверхностной волны зависимости к координате z = 0, от продольной координаты z для получаем, что в условиях эксперимента р = 10 Тор и Wим, кВт: 1 - 25; 2 - 35;
амплитуда напряженности 3 - 55; 4 - 75; 5 - 100; 6 - 175.
электрического поля на фронте поверхностного СВЧ разряда у среза волновода изменяется от 2 кВ/см при импульсной мощности 25 кВт до ~5 кВ/см при Wим = 175 кВт. Следует отметить, что полученные результаты не только не противоречат, но и удовлетворительно совпадают с величиной поля в волноводе.
Так как напряженность 12электрического поля в условиях поверхностного СВЧ разряда велика и поле локализовано в тонком 9приповерхностном слое, то у поверхности антенны наблюдается 6эффективный нагрев газа. При исследовании продольного распределения температуры газа было 30,1 1 10 100 10получено, что максимальный нагрев t, мкс наблюдается в месте возбуждения Рис. 17. Временной ход температуры газа в плазме поверхностного СВЧ поверхностного СВЧ разряда и разряда в сечение с координатой температура газа уменьшается к концу z = 2,5 см (точки - эксперимент при антенны. Результаты измерений р = 10 Тор, Wим = 80 кВт, пунктирная временного хода температуры газа в кривая - расчет для E/n = 1,510-15 Всм2).
сечение разряда с координатой z = 2,5 см приведены на рис. 17. Видно, что на начальной стадии существования поверхностного СВЧ разряда наблюдается быстрый нагрев газа со скоростью нагрева 50 К/мкс. На этом же рисунке пунктирной кривой изображены результаты математического моделирования нагрева газа. В g T, K расчетах использовалась нестационарная кинетическая модель, включающая в себя уравнение Больцмана для функции распределения электронов по энергиям, систему нестационарных газокинетических уравнений баланса для заселенностей колебательных уровней основного и электронновозбужденных состояний азота и кислорода, для концентраций активных и заряженных частиц, образующихся в плазме, нестационарное уравнение теплопроводности для температуры газа. Модель учитывает передачу энергии в поступательные степени свободы при упругих ударах электронов с молекулами, вращательно-поступательную и колебательно-поступательную релаксации, колебательно-колебательный обмен и тушение электронновозбужденных состояний молекул. Численные расчеты показывают, что за быстрый нагрев газа ответственен механизм, связанный с эффективным возбуждением при больших значениях приведенного электрического поля E/n 10-15 Всм2 электронно-возбужденных состояний молекул азота с последующим их тушением. При этом часть энергии возбуждения этих состояний передается в тепло, что и обеспечивает наблюдаемый в эксперименте быстрый нагрев газа.
Далее в четвертой главе диссертации рассматривается поверхностный СВЧ разряд при низких давлениях воздуха, когда частота электронмолекулярных столкновений много меньше круговой частоты электромагнитного поля. В этих условиях внешний вид разряда отличается от поверхностного разряда при средних давлениях. Разряд представляет собой однородное плазменное образование, его размер в поперечном к поверхности антенны направлении быстро увеличивается с уменьшением давления воздуха и достигает величины порядка 10 см при давлении 10-3 Тор.
Были измерены также временные зависимости продольной и поперечной скоростей распространения 1поверхностного разряда (см. рис. 18).
Видно, что продольная скорость 1распространения разряда сильно (в условиях эксперимента на два порядка величины) изменяется в течение 1длительности СВЧ импульса, тогда как поперечная скорость распространения 10 50 100 150 2поверхностного разряда остается t, с практически постоянной, уменьшаясь к Рис. 18. Временные зависимости концу импульса только в три раза. При поперечной (1) и продольной (2) этом на начальных стадиях развития скорости развития поверхностного СВЧ поверхностного СВЧ разряда разряда при р = 0,5 Тор, Wим = 35 кВт.
продольная скорость более чем на порядок величины превышает поперечную скорость, а на поздних стадиях существования разряда продольная и поперечные скорости с хорошей степенью точности равны друг другу. Эти факты указывают, что на поздних стадиях за продольное и поперечное развитие разряда отвечает один и тот же механизм. Очевидно, что при низких давлениях таким механизмом может v, см/с быть только амбиполярная диффузия. В начальные же моменты времени развития разряда на участках антенны, прилегающих к подводящему микроволновую энергию волноводу, продольная скорость распространения разряда определяется механизмом, связанным с волной пробоя.
Зависимости скорости нагрева 1dTg/dt, K/мкс газа в начале и в конце импульса от подводимой к антенне СВЧ мощности представлены на рис. 19 (Wo - минимальная импульсная мощность, необходимая для возникновения разряда при р = 10 Тор). Измерения проводились на расстоянии z = 2,5 см от места подвода микроволновой энергии к 0 1 2 3 4 антенне. Видно, что на стадии W/Wo формирования разряда в области фронта Рис. 19. Зависимость скорости нагрева распространения разряда скорость газа в плазме поверхностного СВЧ нагрева газа растет с увеличением разряда при р=10 Тор от подводимой подводимой к антенне мощности мощности. (1) - начальная стадия развития разряда, (2) - квазистационарная (кривая 1) и достигает величины стадия существования разряда.
~70 К/мкс при Wим = 200 кВт. На поздних стадиях существования разряда (кривая 2) скорость нагрева газа не зависит от подводимой мощности и равна 10 К/мкс. Математическое моделирование процесса нагрева газа показывает, что в условиях поверхностного СВЧ разряда в воздухе происходит эффективное возбуждение долгоживущих электронно-возбужденных состояний молекулы азота. Последующее тушение этих состояний с передачей части энергии 10ne, см-возбуждения в поступательные степени свободы газа обеспечивает полученную в эксперименте скорость нагрева газа.
10Измеренные в конце импульса длительностью 100 мкс при различных 9 8 7 6 43 давлениях воздуха поперечные распределения концентрации электронов 1002приведены на рис. 20. У поверхности y, см антенны (y = 0,5 мм) концентрация Рис. 20. Поперечное распределение электронов определялась по уширению концентрации электронов в плазме поверхностного СВЧ разряда при спектральной лини H водорода, тогда = 100 мкс, Wим = 55 кВт и различных как пространственное распределение давлениях воздуха р, Тор: 1Ц0,1; 2Ц0,2;
заряженных частиц (y = 1-60 мм) 3Ц0,3; 4Ц0,5; 5Ц1; 6Ц2; 7Ц5; 8Ц10; 9Ц20.
измерялось с помощью двойного зонда.
Видно, что в узком приповерхностном слое (y = 0,5 мм), где локализовано электрическое поле поверхностной волны, концентрация электронов достигает величины 1014 см-3. Поперечные размеры плазменного ореола увеличиваются при уменьшении давления. Очевидно, что в формировании поперечного к поверхности профиля плазмы большую роль играют амбиполярная диффузия заряженных частиц и электронная теплопроводность. Предварительные оценки показывают, что процессы фотовозбуждения, фотодиссоциации и фотоионизации молекул, входящих в состав воздуха, а также неконтролируемых в условиях эксперимента молекул примесей могут вносить определенный вклад в формирование полученного поперечного распределения концентрации электронов.
Функция распределения электронов по энергиям, измеренная зондовым методом в плазме поверхностного СВЧ разряда при низких давлениях воздуха, обогащена быстрыми электронами, поэтому в плазме происходит эффективная диссоциация молекул кислорода и азота и сильное возбуждение атомарных и молекулярных частиц. При этом поперечные размеры области локализации возбужденных атомарных частиц практически совпадают с областью локализации концентрации электронов. Были измерены также пространственно-временные распределения концентрации положительных ионов в плазме поверхностного СВЧ разряда при давлении воздуха р = 0,01 Тор и подводимой импульсной СВЧ мощности Wим = 55 кВт. В этих условиях степень ионизации, отнесенная к начальным условиям (концентрация молекул n0 = 3,51014 см-3), достигает 10 %.
Экспериментально было показано, что для создания поверхностного СВЧ разряда на тефлоновой антенне в диапазоне давлений воздуха 0,150 Тор требуется импульсная мощность 10-20 кВт, тогда как при атмосферном давлении для инициации разряда требуется импульсная СВЧ мощность порядка 250 кВт. С целью снижения уровня мощности, необходимой для создания поверхностного СВЧ разряда при высоких давлениях, была разработана новая система инициации. Известно, что если разряд инициировать каким-либо способом, то он будет существовать длительное время при мощностях много меньших, чем требуемые для первоначального пробоя газа. Существует множество способов инициации СВЧ разряда, например, лазерная искра; искровой разряд; облучение области, где планируется создать разряд, вакуумным ультрафиолетовым излучением; использование различных металлических проволочек, диполей, и т.д. Однако, как показано в работах (И.А.Коссого и др.), для инициации СВЧ разряда наиболее эффективен контакт металл-диэлектрик. Поэтому был изменен узел подвода СВЧ энергии к антенне, при этом тефлоновая антенна была заменена на кварцевую. Уже первые эксперименты дали обнадеживающие результаты, так как используемая нами система подвода энергии (металлический волновод - диэлектрическая кварцевая антенна прямоугольного сечения 9х18 мм и длиной 100 мм) позволила создавать поверхностный СВЧ разряд при атмосферном давлении на поверхности антенны при импульсной СВЧ мощности 10-20 кВт.
Было исследовано, как трансформируется общий вид поверхностного СВЧ разряда при изменении давления воздуха. При низких давлениях воздуха (р < 1 Тор) поперечные размеры разряда велики и превышают поперечные размеры антенны. При средних давлениях разряд представляет собой тонкий плазменный слой, равномерно покрывающий внешнюю поверхность антенны. При давлениях воздуха больше 100 Тор разряд состоит из системы тонких плазменных каналов, что связано с развитием ионизационно-перегревной неустойчивости. Поперечные размеры каналов с повышением давления уменьшаются, и при атмосферном давлении достигают величины 0,1-0,2 мм в зависимости от длительности воздействия и подводимой СВЧ мощности. На рис. 21. представлен общий вид поверхностного СВЧ разряда при атмосферном давлении воздуха.
Динамика развития поверхностного СВЧ разряда исследовалась в зависимости от давления, приведенного значения напряженности электрического поля и времени воздействия. Показано, что для фиксированного момента Рис. 21.
времени линейные размеры поверхностного СВЧ разряда при всех давлениях растут с увеличением подводимой СВЧ мощности, скорость распространения разряда вдоль антенны составляет несколько километров в секунду и монотонно уменьшается с увеличением давления воздуха. Этот результат вполне понятен, так как при фиксированной мощности, то есть фиксированном значении напряженности электрического поля, такая важнейшая для разряда величина, как приведенное электрическое поле E/n, уменьшается с увеличением давления воздуха, что и ведет к падению скорости распространения разряда. В начале воздействия длина разряда изменяется быстрее, чем в квазистационарной стадии его существования. В начале воздействия разряд распространяется с высокой скоростью 5-10 км/с, поэтому его можно создавать в сверхзвуковых потоках газа. К концу импульса скорость уменьшается до скорости звука.
Так как в условиях поверхностного СВЧ разряда электрическое поле локализовано в тонком слое (h~1 мм) вблизи поверхности антенны, то газ в приповерхностных областях быстро нагревается. Измерения показали, что температура газа в поверхностном СВЧ разряде при атмосферном давлении быстро достигает 1000 К. Это должно приводить к тепловому взрыву вблизи поверхности антенны. Поэтому формирование разряда должно сопровождаться генерацией ударных волн, а на поздних стадиях в области существования разряда должна образовываться зона пониженной плотности нагретого нейтрального газа. Для подтверждения этого факта было проведено теневое фотографирование разряда. На рис. Рис. 22.
приведена мгновенная (время экспозиции 4 мкс) теневая фотография (вид сбоку) области существования поверхностного СВЧ разряда при давлении воздуха 1 атм, импульсной СВЧ мощности 55 кВт, длительности импульса 100 мкс. Время задержки момента съемки относительно переднего фронта СВЧ импульса равно 120 мкс. СВЧ энергия подводится к вертикально расположенной кварцевой антенне снизу. На фотографии видны отходящая от разряда ударная волна и формирующаяся в зоне существования разряда область с пониженной плотностью газа. Вблизи поверхности антенны скорость ударной волны может достигать ~1 км/с и, по мере отхода от антенны, уже на расстоянии y = 2 см ее скорость быстро уменьшается до 420 м/с.
Для регистрации эволюции ударных волн использовались также лазерные 6 I1, I2, отн.ед.
рефракционные датчики, работающие на Iпринципе отклонения лазерного луча на скачках плотности нейтрального газа. На рис. 23 представлены полученные результаты в случае генерации двух ударных волн, фиксируемых на расстоянии Iy = 50 мм от антенны, на которой создается 0 5 10 15 СВЧ разряд при р = 750 Тор, Wим = 55 кВт.
, мкс Видно, что с ростом длительности СВЧ Рис. 23. Зависимости от длительности импульса вторая ударная волна исчезает.
СВЧ импульса интенсивностей рефракционного сигнала от первой (IВторая ударная волна также начинает - треугольники) и второй (I2 - точки) исчезать с ростом подводимой СВЧ ударных волн.
мощности. Эти факты можно связать с уменьшением колебательно-поступательной неравновесности при увеличении длительности воздействия и подводимой мощности, так как оба эти факта приводят к росту температуры газа.
Результаты теневого фотографирования показывают также, что в области существования поверхностного СВЧ разряда из-за нагрева воздуха формируется область с пониженной плотностью газа, наблюдается ее турбулизация и к моменту времени t ~ 50 мс после окончания СВЧ импульса восстанавливается однородное невозмущенное состояние газа. При этом, так как газ за фронтом отходящей от антенны ударной волны начинает двигаться в горизонтальном направлении вслед за ударной волной со скоростью (в зависимости от скорости ударной волны) больше 100 м/с, то и каверна, увлекаемая движущимся газом, движется в горизонтальном, а не в вертикальном, направлении.
Проведенные эксперименты показали, что поверхностный СВЧ разряд существует при высоких значениях приведенного электрического поля, локализован в тонком приповерхностном слое, что приводит к существенному нагреву газа. Это делает перспективным его использование для влияния на свойства пограничного слоя, существующего вблизи поверхности движущегося объекта. Например, для уменьшения турбулентного трения можно с помощью поверхностного СВЧ разряда локально вводить энергию в газ непосредственно внутрь пограничного слоя, а не путем нагрева поверхности пластины, как это было промоделировано в цикле работ сотрудников ЦАГИ (А.В.Казакова, М.Н.Когана и др.). Поэтому совместно с сотрудниками Института механики МГУ им. М.В.Ломоносова (академиком В.А.Левиным, В.Г.Громовым и др.) было проведено численное моделирование возможного снижения локального коэффициента турбулентного трения в условиях поверхностного СВЧ разряда, создаваемого на пластине, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха. Было рассчитано влияние вклада энергии в виде прямоугольного теплового источника в газ в области турбулентного пограничного слоя вблизи тонкой пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха с числом Маха М = 2 при температуре невозмущенного потока T = 166,7 K. Считалось, что тепловая энергия вкладывалась в слой толщиной y = 0,5 мм. При этом область нагрева была полностью локализована внутри пограничного слоя. Использовалась система осредненных уравнений турбулентного движения совершенного газа в отсутствии внешних сил. Считалось, что пластина имеет теплоизолированную поверхность.
Результаты математического моделирования показали, что ввод тепловой энергии в область пограничного турбулентного слоя приводит к значительному уменьшению локального коэффициента турбулентного трения за счет увеличения толщины вытеснения и уменьшения поперечного градиента продольной скорости потока. Моделирование выявило, что уменьшение коэффициента турбулентного трения распространяется на значительное расстояние вниз по потоку от нагретой области. При этом вниз по потоку от источника тепла коэффициент локального трения и толщина вытеснения пограничного слоя медленно восстанавливаются до величин, соответствующих случаю без подвода тепловой энергии. Было показано также, что при рассмотренных условиях лучше вкладывать энергию в локальную область по сравнению с однородным распределением той же энергии по всей поверхности пластины. При этом из-за эффекта долговременной памяти турбулентного пограничного слоя значительное уменьшение трения по всей обтекаемой поверхности достигается при локальном нагреве.
Для изучения влияния импульсного вклада энергии в пограничный слой использовалась нестационарная численная модель, основанная на уравнениях Навье-Стокса для термически равновесного, химически невзаимодействующего воздуха. Влияние импульсного разряда на газовый поток моделировалось нестационарным вблизи стенки источником тепла с пространственным и временным распределением интенсивности. Тепловая энергия вкладывалась в прямоугольную зону длиной 10 см с координатами 10 см z 20 см, y = 0,5 мм, в течение 100 мкс, при вкладываемой мощности Pd = 1000 Вт на один сантиметр ширины пластины. Показано, что в течение времени теплоподвода возмущения пристеночной газовой температуры и поверхностного трения локализованы в области подвода энергии. После окончания подвода тепла эти возмущения сдвигаются вниз по потоку со средней скоростью приблизительно 350 м/с, и постепенно затухают.
Получено также, что подвод энергии в турбулентный слой ведет к значительному уменьшению локального коэффициента турбулентного трения. Более того, эффект существует в течение длительного времени после выключения источника тепла. В течение нескольких сотен микросекунд параметры потока медленно возвращаются в первоначальное состояние. Это указывает на перспективность использования поверхностного импульснопериодического СВЧ разряда для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов.
Пятая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию процесса воспламенения и горения жидких углеводородов в условиях поверхностного СВЧ разряда. На примере чистого спирта, а также бензина и керосина, показана перспективность СВЧ разряда для быстрого воспламенения жидких углеводородов. На рис. представлена интегральная фотография процесса воспламенения и горения чистого спирта в условиях поверхностного СВЧ разряда при давлении воздуха 1 атм, длительности импульса 100 мкс, импульсной Рис. мощности 55 кВт. Жидкий спирт нанесен тонким слоем только на левую поверхность вертикально расположенной кварцевой антенны и некоторое количество спирта, стекающего вниз по антенне, находится в расположенном на металлическом фланце углублении в зоне подвода СВЧ энергии к диэлектрической антенне. Так как время экспозиции кадра специально было выбрано 2 с, то на одной фотографии одновременно можно видеть горение спирта в условиях поверхностного СВЧ разряда, т.е.
при наличии сильного приведенного электрического поля (яркое белое свечение слева у поверхности антенны, которое фиксируется в течение 100 мкс - времени подвода СВЧ энергии), и слабое синеватое свечение справа от антенны (это обычное нормальное стационарное горение спирта, находящегося на фланце и воспламененного СВЧ разрядом, процесс продолжается стационарно, пока не выгорит весь спирт). На этом же кадре можно видеть некоторое компактное светящееся образование, оно, как будет видно из дальнейшего, начинает образовываться в зоне СВЧ разряда при воспламенении спирта, газ нагрет в нем до 2000 К и ионизован. Это образование можно отождествить с процессом догорания мелких капелек спирта, инжектируемых из зоны горения у поверхности антенны, а также паров спирта и газообразных продуктов его деструкции в СВЧ разряде.
С помощью теневого фотографирования была исследована динамика газодинамических возмущений, возникающих в окрестности кварцевой антенны, на поверхности которой с помощью СВЧ разряда воспламеняется спирт. В этом случае, также как и при создании поверхностного СВЧ разряда в воздухе, наблюдается генерация ударных волн. Вблизи поверхности антенны происходит нагрев, возбуждение, диссоциация и ионизация газа, воспламенение спирта и распространение ионизованного нагретого плазменного образования. При этом конвективные потоки намного интенсивнее по сравнению с разрядом в воздухе и фиксируются в течение приблизительно 1 секунды.
На рис. 25 представлена мгновенная (время экспозиции кадра 4 мкс) теневая фотография области пространства вблизи антенны, зафиксированная спустя 60 мс после окончания СВЧ импульса.
Видно, что данная область представляет собой некоторую турбулентную неоднородную зону с резкими градиентами плотности газа на внешних границах. Если СВЧ разряд создается внутри налитого в углубление на фланце спирта и внешнее воспламенение спирта не происходит, то выделяемая внутри спирта энергия переходит в направленное движение либо капелек жидкости, либо наблюдаются струйки жидкости, Рис. летящие со скоростью порядка 10 м/с.
Были исследованы также ряд параметров рассматриваемого явления. В частности, на рис. 26 представлены данные о положении (кривая 1) и скорости (кривая 2) передней 1,2 3границы области интенсивного горения спирта, воспламеняемого поверхностным СВЧ разрядом при 0,8 2р = 1атм, Wим = 55кВт, = 100мкс.
Следует отметить, что 0,4 1 1регистрируемая скорость учитывает движение газа, вызванное ударными волнами, инициируемыми 0,0 0 20 40 60 80 1поверхностным СВЧ разрядом, а t, мкс также связанное с расширением Рис. продуктов горения спирта вблизи антенны. Видно, что период индукции для воспламенения спирта в этих условиях равен приблизительно 20 мкс.
Следует подчеркнуть, что за 10-20 мкс воздух в условиях поверхностного СВЧ разряда при атмосферном давлении нагревается только до 1000 К. Поэтому в этих условиях наблюдается нетепловой механизм воспламенения, так же как и при воспламенении сверхзвукового пропанвоздушного потока, рассматриваемого в шестой главе. Была измерена также скорость распространения фронта передней границы области с пониженной плотностью газа, возникающей при воспламенении спирта. Эта скорость также определяется перечисленными выше газодинамическими возмущениями, возникающими в условиях поверхностного СВЧ разряда.
Показано, что скорость распространения каверны равна 100 м/с вблизи (y = 10 мм) антенны и падает до десятков сантиметров в секунду на поздних стадиях (время 0,1 с и расстояние от антенны 100 мм). Использование коллимированных фотоэлектронных умножителей, регистрирующих сигналы свечения на различных расстояниях от антенны при горении спирта в условиях поверхностного СВЧ разряда, еще раз подтверждают наличие светящегося образования и позволяют определить скорость его распространения, которая с очень хорошей степенью точности совпадает с y, см v, м/с измеренной другими методами (рефракционный датчик и теневая фотография).
Был также снят спектр плазмы 150поверхностного СВЧ разряда в воздухе (рис. 27, кривая 1) и спектр излучения 100пламени при горении спирта (кривая 2) в условиях импульсно-периодического 5000 поверхностного СВЧ разряда при р = 1 атм, y = 10 мм, = 100 мкс, Wим = 55 кВт, частоте следования 400 450 500 5импульсов f = 10 Гц. Видно, что при , нм горении спирта спектр излучения Рис. 27.
намного интенсивней по сравнению со спектром разряда в воздухе без спирта. Наблюдаются интенсивные полосы Свана молекулярного углерода и полосы циана. Измеренный временной ход температуры пламени при горении спирта в сильном электрическом поле, 36зарегистрированный на расстоянии 30y = 10 мм от поверхности антенны, 24приведен на рис. 28. Видно что температура пламени изменяется от 183300 К до приблизительно 2000 К. При 12этом температура газа в условиях 6поверхностного разряда в воздухе равна 0 10 20 30 40 1000 К.
t, с Сравнение тепловых потоков, Рис. 28. Временной ход температуры пламени при горении спирта в попадающих на расположенную на воздухе в условиях импульсноразличных расстояниях y = 1-40 мм от периодического поверхностного СВЧ поверхности антенны термопару, от разряда.
плазмы импульсно-периодического поверхностного СВЧ разряда в воздухе и от пламени при горении спирта в воздухе, показало, что на всех расстояниях от антенны потоки тепла от пламени при воспламенении спирта в 4-10 раз больше потоков от плазмы поверхностного СВЧ разряда в воздухе.
Для определения степени ионизации исследуемого нами газового образования применялись две методики, а именно, измерение проводимости с использованием плоского конденсатора и метод двойного зонда. Оба этих метода показывают, что в фиксированную область пространства спустя определенное время, зависящее от расстояния от антенны и скорости распространения плазменного образования, приходит резкий фронт горения, которому соответствует достаточно высокая степень ионизации.
Определенная данными методами концентрация электронов на фронте горения представлена на рис. 29. Видно, что у поверхности антенны в зоне интенсивного горения концентрация электронов достигает 31011 см-3, тогда как на расстоянии 5 см от антенны концентрация электронов равна 109 см-3.
I, отн.ед.
T, К Был исследован также процесс 10воспламенения бензина и керосина с помощью поверхностного СВЧ разряда.
10Теплотворные способности бензина и керосина почти в два раза больше, чем у 10спирта. Общий вид горения бензина, воспламененного в условиях 1однократного поверхностного СВЧ разряда при р = 760 Тор, Wим = 55 кВт и 10 10 20 30 40 = 100 мкс, представлен на рис. 30. На y, мм фотографии наблюдается интенсивное Рис. 29.
горение бензина вблизи поверхности антенны (слева от антенны). Период индукции с увеличением подводимой СВЧ мощности уменьшается с 22 мкс при Wим = 55 кВт до 8 мкс при Wим = 75 кВт. Вблизи антенны при создании поверхностного СВЧ разряда происходит эффективное испарение и деструкция бензина, наработка активных частиц и радикалов.
Происходит также эффективный выброс паров и мелких капелек бензина. Этот процесс хорошо виден на фотографии. Мелкие капельки и пары Рис. 30.
бензина движутся от антенны со скоростью порядка 10 м/с. На расстоянии y = 1 - 3 см от антенны происходит автовоспламенение продуктов деструкции бензина и движущихся капелек бензина. Это явление на интегральных (без временного разрешения) фотографиях наблюдается в виде ярко светящихся траекторий. При этом на некотором расстоянии от антенны наблюдается огненный шар - область яркого свечения. Показано, что процесс автовоспламенения паров бензина, содержащих большое количество возбужденных и активных частиц и радикалов, наработанных в области существования поверхностного СВЧ разряда и инжектированных в окружающее пространство, начинается через приблизительно 3 - 5 мс после окончания СВЧ импульса. Интенсивность свечения достигает максимального значения через 10 мс и продолжается еще в течение 30 - 40 мс.
Точно также как и при горении спирта, в спектре пламени при горении бензина наблюдаются интенсивные молекулярные полосы Свана и полосы циана, а также сплошной спектр. Определенная по зарегистрированному спектру температура пламени, измеренная в условиях интенсивного горения бензина с образованием огненного шара, равна T = 3100 К.
Аналогичные эксперименты были выполнены при воспламенении керосина в условиях поверхностного СВЧ разряда. Период индукции для керосина, определенный тем же способом, что и при воспламенении спирта и бензина, равен 15 мкс при подводимой импульсной СВЧ мощности 55 кВт.
Проведенные спектральные измерения показали, что в зоне интенсивного горения керосина в условиях сильного электрического поля наблюдаются молекулярные полосы циана и Свана, а также сплошной -e n, см спектр. При этом интенсивность сплошного спектра по отношению к молекулярным полосам в случае горения керосина в несколько раз больше, чем при горении бензина в этих же условиях. При удалении от антенны интенсивность молекулярных полос резко падает и на расстоянии 20-30 мм от поверхности антенны наблюдается практически сплошной спектр.
В шестой главе диссертации влияние неравновесной плазмы на период индукции газообразного и жидкого углеводородного топлива изучается на примере воспламенения с помощью поверхностного СВЧ разряда сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха М=2 и воспламенения спирта и керосина в условиях до- и сверхзвукового воздушного потока.
Воспламенение пропан-воздушного сверхзвукового потока исследовалось в зависимости от импульсной мощности (Wим = 30-70 кВт), длительности СВЧ импульса (им = 5-200 мкс), массового расхода воздуха (dmвоздух/dt = 25-120 г/с), массового расхода пропана (dmпропан/dt = 1-7 г/с), при этом эквивалентное отношение для пропана изменялось от 0,3 до 2. В частности, на рис. 31 приведены интегральная фотография общего вида горения сверхзвукового Рис. 31.
пропан-воздушного потока при давлении в барокамере р0 = 40 Тор, им = 120 мкс, dmвоздух/dt = 55,5 г/с, dmпропан/dt = 3,6 г/с, эквивалентное отношение для пропана = 1 и мгновенная теневая фотография этого процесса, соответствующая моменту времени 120 мкс от начала СВЧ импульса. Проведенные исследования позволили установить, что задержка воспламенения сверхзвукового пропанвоздушного потока изменяется в зависимости от условий эксперимента от до 20 мкс. Скорость распространения передней границы области горения зависит от подводимой СВЧ мощности, эквивалентного отношения, максимальна в стехиометрической смеси и достигает в этих условиях величины порядка 200 м/с. Факт воспламенения фиксировался также с помощью двойного зонда, помещенного в область горения, при этом интенсивность сигнала при воспламенении пропан-воздушного потока на порядок величины превышала интенсивность сигнала, соответствующего поверхностному СВЧ разряду в воздушном потоке. Температура пламени в процессе горения сверхзвукового стехиометрического пропан-воздушного потока в условиях импульсно-периодического поверхностного СВЧ разряда, измеренная по относительным интенсивностям полос циана, порядка 3000 К.
Воспламенение с помощью поверхностного СВЧ разряда жидкого углеводорода в условиях высокоскоростных воздушных потоков изучалось на примере спирта и керосина, которые наносились тонким слоем на верхнюю и нижнюю поверхности кварцевой антенны. На рис. представлены фотографии горения спирта в дозвуковом (верхняя фотография, скорость потока пот ~ 200 м/с) и сверхзвуковом (нижняя фотография, пот ~ 400 м/с) потоках. Аналогичные результаты в условиях высокоскоростных воздушных потоках получены и при воспламенении керосина поверхностным СВЧ разрядом.
При подводимой импульсной СВЧ мощности 70 кВт период индукции в керосине составляет величину порядка 10 мкс, а скорость распространения передней границы области горения в этих условиях достигает 100 м/с. Измеренный за время СВЧ импульса временной ход Рис. 32.
температуры показывает, что воспламенение керосина происходит при 1200 К и температура быстро увеличивается до 3200 К.
В этой же главе диссертации на основе сравнения результатов математического моделирования и экспериментальных данных по инициированию горения пропан-воздушного сверхзвукового потока в условиях низкотемпературной плазмы, создаваемой различными разрядами, анализируется механизм быстрого плазменно-стимулированного воспламенения газообразных углеводородов.
Во многих экспериментальных и теоретических исследованиях, посвященных применению различного типа газовых разрядов для воспламенения горючих смесей, газовый разряд рассматривается только как источник вводимой в систему тепловой энергии. Но различная степень ионизации газа достигается для различных типов газовых разрядов при одной и той же вкладываемой мощности. При этом вкладываемая электрическая энергия различным образом перераспределяется по внутренним степеням свободы молекулярного газа. Это перераспределение в очень сильной степени зависит от приведенного электрического поля, которое, в свою очередь, определяется электродинамикой разряда. Полученная из обработки экспериментальных результатов для различных типов разрядов (разряд постоянного тока, импульсно-периодический поперечный электродный разряд, свободно локализованный безэлектродный СВЧ разряд и изучаемый в диссертации поверхностный СВЧ разряд) зависимость периода индукции для воспламенения сверхзвукового пропан-воздушного потока с числом Маха M = 2 от приведенного электрического поля представлена на рис. 33.
Видно, что период индукции с увеличением приведенного электрического поля резко уменьшается и, например, для условий поверхностного СВЧ разряда, существующего при значениях приведенного электрического поля 100-200 Тд, период индукции изменяется в пределах 5-20 мкс. Этот результат демонстрирует влияние величины приведенного электрического поля на механизм воспламенения углеводородного топлива в условиях газоразрядной плазмы.
Для поиска механизма воспламенения пропан-воздушной смеси совместно с В.Г.Громовым было проведено математическое моделирование теплового автозажигания сверхзвукового пропан-воздушного 1потока в условиях поверхностного M=10-СВЧ разряда при пристеночном 10-выделении тепла. Кинетическая модель включала в себя 10-компонентов и 70 реакций. Тепло 10-вкладывалось импульсным способом 10-в течение времени = 100 мкс в 10-0 50 100 150 200 первоначально невозмущенный E/n, Тд турбулентный поток однородно в Рис. 33. Зависимость периода индукции от пристеночную область длиной 15 см и приведенного электрического поля. 1 - толщиной 1 мм. Была рассчитана разряд постоянного тока; 2 - поперечный динамика распределения вдоль импульсный электродный разряд; 3 - свободно локализованный СВЧ разряд; 4 - поверхности пластины газовой поверхностный СВЧ разряд.
температуры, мольных долей пропана C3H8 и углекислого газа CO2 при тепловом автозажигании сверхзвукового стехиометрического пропан-воздушного потока при давлении p = 98 Тор, скорости 519 м/с и температуре T = 167 K невозмущенного потока, подводимой тепловой мощности P = 2,5 кВт/см.
Проведенное математическое моделирование выявило, что для рассматриваемых условий воспламенение горючей смеси происходит после окончания импульса подводимой энергии на расстоянии приблизительно 4 см от начала пластины. К этому времени газовая температура вблизи стенки достигает величины 3000 К. После воспламенения фронт горения движется вниз по потоку со скоростью приблизительно 300 м/с. Температура газа при этом уменьшается, а полнота сгорания увеличивается. В газовой смеси за фронтом горения доли продуктов горения H2O и CO2 увеличивается, тогда как доли кислорода и промежуточных продуктов горения падает.
Численный анализ показал также, что при более коротком нагревающем импульсе или меньшей вкладываемой мощности, когда температура газа не достигает величины 3000 K, воспламенение не происходит. Эти результаты находятся в противоречии с экспериментальными данными (полученными при тех же начальных условиях), которые показывают, что воспламенение высокоскоростного пропан-воздушного потока в эксперименте происходит намного быстрее (t = 5Ц20 мкс) и при меньшей температуре газа (Tg ~ 1000 К), чем при математическом моделировании. Это связано с тем фактом, что при моделировании поверхностный СВЧ разряд рассматривался только как источник тепловой энергии, вводимой в пограничный слой, а плазменные эффекты не учитывались.
Математическое моделирование влияния плазменных эффектов проведено на примере неподвижной водородно-кислородной смеси. Для моделирования автозажигания водородно-кислородной смеси использовалась , с фундаментальная кинетическая схема, включающая в себя 9 компонентов и 60 прямых и обратных реакций. Влияние низкотемпературной плазмы газового разряда вычислялось с использованием фундаментальной кинетической схемы, включающей 29 компонентов и 241 реакцию.
Учитывались нейтральные частицы, возбужденные молекулы кислорода, электроны, положительные и отрицательные ионы.
В основу модели воспламенения водородно-кислородной смеси была положена система уравнений, включающая в себя уравнение Больцмана для функции распределения электронов по энергиям, уравнение энергии, уравнение изменения плотности (концентрации) частиц, уравнение состояния. Математическое моделирование нетеплового воспламенения водородно-кислородной смеси было проведено для условий: начальное давление р = 0,1 МПа, начальная концентрация частиц n = 4,410-5 мольсм-3, эквивалентное отношение (состав смеси) = 0,1-10, начальная температура газа Tg =800 - 1200 K, температура электронов Te = 0-1,6 эВ.
Результаты расчета автовоспламенения стехиометрической (67%-33%) H2-O2 смеси при Т0 = 900 К, p0 = 0,1 МПа, и = 1 показывают, что на начальном этапе (t = 0-1 мс) при практически постоянной температуре газа происходит накопление активных атомов и радикалов, определяющих динамику горения, затем происходит резкое возрастание температуры и система переходит в новое термодинамическое состояние. Время индукции в этих условиях in = 1 мс. Вычислялись также зависимости времени индукции от состава Н2-О2 смеси при различных температурах. Получено, что задержка автовоспламенения смеси зависит как от соотношения водорода и кислорода в смеси, так и от температуры газа. При этом с ростом температуры время индукции уменьшается для любого состава смеси, в то же время при любой температуре время задержки воспламенения водородно-кислородной смеси растет как при увеличении, так и при уменьшении доли водорода в смеси по сравнению со стехиометрической смесью = 1.
При моделировании инициирования воспламенения в условиях низкотемпературной плазмы необходимы данные о вероятностях процессов с участием электронов. Константы скоростей этих процессов вычислялись с использованием рассчитанной функции распределения электронов по энергиям в зависимости от приведенного электрического поля. Показано, что процесс создания радикалов и активных частиц в присутствии разряда существенно ускоряется в результате взаимодействия с участием заряженных частиц (возбуждение, диссоциация и ионизация электронным ударом, а также конверсия и рекомбинация ионов). При этом на стадии, предшествующей зажиганию водородно-кислородной смеси, основными положительными ионами в разряде являются ионы H5+, О2+ и H3O+, а основным отрицательным ионом - ион O4-.
Влияние газового разряда на время воспламенения стехиометрической (67%-33%) H2-O2 смеси показано на рис. 34 при р0 = 105 Па и мгновенном нагреве газа до различных начальных температур T0. Видно, что время задержки воспламенения в условиях неравновесной плазмы при низких температурах газовой смеси уменьшается на несколько порядков 10-2 величины при увеличении температуры электронов, тогда как с увеличением 10-газовой температуры влияние разряда 10-4 становится не столь существенным.
Расчеты также показали, что при 10-5 увеличении процентного содержания водорода в смеси с кислородом газовый 10-разряд приводит к большему снижению 0,0 0,2 1,3 1,4 1,5 1,времени задержки воспламенения, по Te, эВ Рис. 34. Зависимость от температуры сравнению со стехиометрической электронов периода индукции H2-O2 смеси смесью, тогда как влияние при р0 = 105 Па и мгновенном нагреве газа низкотемпературной плазмы на до различных начальных температур T0, K:
воспламенение бедных смесей 1 - 800; 2 - 900; 3 - 1000; 4 - 1100; 5 - 1200.
значительно ниже.
Для нахождения основных каналов, оказывающих влияние на воспламенение смеси, была проведена редукция фундаментальной схемы.
Рассмотрены три редуцированные кинетические схемы: первая схема состоит из 27 компонентов и 104 реакций; вторая схема состоит из 21 компонента и 89 реакций; третья схема состоит из 21 компонента и 82 реакций. Были рассчитаны зависимости ошибок вычисления периода индукции с помощью различных редуцированных кинетических схем от состава смеси, температуры электронов, температуры и давления газа. Полученные результаты свидетельствуют, что в каждом конкретном случае нужно проводить новое редуцирование начальной кинетической схемы, так как ошибка определения периода индукции сильно зависит от начального процентного состава смеси, температуры газа и температуры электронов, причем ошибка тем больше, чем полнее редукция фундаментальной кинетической схемы.
Для выявления вклада различных компонентов, а также главных каналов в ускорение или замедление разветвленно-цепных реакций воспламенения водородно-кислородной смеси, было проведено исследование чувствительности кинетической модели к различным реакциям, протекающим в процессе инициирования воспламенения под действием низкотемпературной плазмы. Показано, какой вклад вносят различные реакции, способствующие ускорению и замедлению воспламенения водородно-кислородной смеси, в процесс инициирования горения при использовании низкотемпературной плазмы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Всесторонне исследованы физические процессы, протекающие в многокомпонентных смесях инертных газов в условиях неравновесной in , с плазмы газового разряда. Показано, что в диффузионном режиме существования разряда степень пространственного разделения компонентов в бинарных и тройных смесях инертных газов увеличивается с ростом давления буферного газа и разрядного тока и уменьшается с увеличением парциальных давлений примесных газов и расстояния от анода. Установлено, что в диффузионном режиме существования разряда основным механизмом, приводящим к радиальному перераспределению компонентов смеси в прианодных и центральных областях положительного столба, является катафорез, тогда как в прикатодных областях за поперечное разделение ответственен ионный ветер.
Экспериментально выявлено, что существование аксиального катафореза приводит к изменению степени радиального разделения компонентов смеси по длине положительного столба.
2. Впервые обнаружено явление уменьшения эффективной диффузионной длины разряда для атомов примеси, оказывающее существенное влияние на время установления стационарного уровня поперечного разделения компонентов смеси. Изучена динамика радиального и аксиального разделений бинарных и тройных смесей инертных газов в зависимости от процентного состава, давления смеси и разрядного тока.
3. Предложен и реализован высокопроизводительный, экологический, безотходный, плазменный метод очистки технического гелия на основе полученных данных о степени и временах поперечного и продольного разделений бинарных и тройных смесей инертных газов. Созданы однокаскадный и двухкаскадный макетные образцы лабораторной установки, на которой были проведены эксперименты по очистке технического гелия. На способ и устройство для очистки газов, преимущественно инертных, от примесей получен патент.
4. Впервые всесторонне изучены на основе комплекса контактных и бесконтактных методов диагностики основные свойства новой разновидности поверхностного СВЧ разряда и пространственновременная эволюция параметров создаваемой поверхностным разрядом плазмы в широком диапазоне изменения внешних условий.
- Экспериментально выявлено, что при низких давлениях воздуха р < 1 Тор поверхностный СВЧ представляет собой однородное плазменное образование с очень высокой (порядка 10 %) степенью ионизации и неравновесной функцией распределения, обогащенной быстрыми электронами, что приводит к эффективной диссоциации молекул кислорода и азота.
- Показано, что поверхностный СВЧ разряд в воздухе при средних давлениях р =1-50 Тор существует при большом значении электрического поля, локализованного в плазменном слое толщиной меньше 1 мм, что приводит к быстрому со скоростью 10-100 К/мкс нагреву воздуха, а скорость распространения разряда достигает величины 100 км/с.
- При высоких давлениях воздуха поверхностный СВЧ разряд на кварцевой антенне представляет собой систему тонких плазменных каналов, формирование разряда сопровождается генерацией ударных волн, распространяющихся вблизи поверхности антенны со скоростью до 1 км/с, и образованием области с пониженной плотностью газа.
5. Впервые в условиях поверхностного СВЧ разряда в неподвижном воздухе реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение жидких углеводородов. Проведено комплексное исследование основных параметров и свойств пламени, возникающего в процессе воспламенения и горения спирта, бензина и керосина. Показано, что в зависимости от подводимой импульсной СВЧ мощности период индукции изменяется от 5 до 30 мкс, воспламенение происходит на антенне в области существования поверхностного СВЧ разряда при температуре газа, не превышающей 1000 К, скорость распространения передней границы области интенсивного горения достигает около антенны 300 м/с, температура пламени вблизи поверхности антенны в условиях больших значений приведенного электрического поля равна 3300 К, а концентрация электронов - 31011 см-3.
6. Впервые в до- и сверхзвуковых газовых потоках реализовано быстрое плазменно-стимулированное поверхностным СВЧ разрядом воспламенение пропан-воздушной смеси и жидких углеводородов, нанесенных тонким слоем на кварцевую антенну. Изучена динамика воспламенения и горения высокоскоростных воздушно-углеводородных потоков. Экспериментально получено, что в условиях поверхностного СВЧ разряда период индукции составляет величину порядка 5 - 20 мкс, что делает данный тип разряда одним из эффективных способов для быстрого воспламенения высокоскоростных потоков углеводородного топлива.
7. Математическое моделирование воспламенения сверхзвукового (М = 2) пропан-воздушного потока в условиях, когда поверхностный СВЧ разряд рассматривается только как источник тепловой энергии, вводимой в пограничный слой, выявило, что тепловое автовоспламенение не обеспечивает наблюдаемое в эксперименте значение периода индукции, и показало необходимость учета плазменных эффектов. Разработана кинетическая модель воспламенения в условиях неравновесной плазмы газового разряда при учете влияния электрического поля на процессы диссоциации молекул и наработку активных радикалов, возбужденных и заряженных (электронов, положительных и отрицательных ионов) частиц и на примере водородно-кислородной смеси показано сильное влияние величины приведенного электрического поля на период индукции.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Шибкова Л.В., Шибков В.М. Разряд в смесях инертных газов. Монография. Москва, Физматлит, 2005, 198с.
2. Шибкова Л.В. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд при высоких давлениях воздуха. //Вестник московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия, 2007, № 5.
3. Шибкова Л.В. Воспламенение спирта в условиях поверхностного СВЧ разряда в воздухе. //Препринт № 4. М.: Физический ф-т МГУ им. М.В.Ломоносова, 2007, 21 с.
4. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Сурконт О.С., Черников В.А., Шибкова Л.В. Поверхностный сверхвысокочастотный разряд в воздухе. //Физика плазмы, 2007, т. 33, № 1, с.77-85.
5. Константиновский Р.С., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Влияние газового разряда на воспламенение водородно-кислородной смеси. //Кинетика и катализ, 2005, т.46, № 6, с. 821-834.
6. Шибков В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкова Л.В. Свободно локализованный сверхвысокочастотный разряд в сверхзвуковом потоке газа. //Физика плазмы, 2005, т. 31, № 9, с. 857-864.
7. Шибков В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибкова Л.В. Сверхвысокочастотный разряд на поверхности диэлектрической антенны. //Журнал технической физики, 2005, т. 75, № 4, с. 67-73.
8. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Шибкова Л.В. Механизмы распространения поверхностного сверхвысокочастотного разряда. //Журнал технической физики, 2005, т. 75, № 4, с. 74-79.
9. Шибков В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П., Карачев А.А., Константиновский Р.С., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкова Л.В. Воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива с помощью сверхвысокочастотных разрядов. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2004, № 5, с. 67-69.
10. Шибков В.М., Виноградов Д.А., Восканян А.В., Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Шибкова Л.В., Черников В.А. Поверхностный СВЧЦразряд в сверхзвуковом потоке воздуха. //Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика, астрономия, 2000, т. 41, № 6, c. 64-66.
11. Злобина Ю.В., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Кинетика нагрева и диссоциации молекул в импульсном разряде в водороде. //Физика плазмы. 1998, т. 24, № 7, с. 667-671.
12. Кузовников А.А., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Кинетика электронов в плазме разряда, создаваемого в свободном пространстве сфокусированным СВЧ пучком. //Журнал технической физики, 1997, т. 67, № 6, с. 10-14.
13. Александров А.Ф., Зарин А.С., Кузовников А.А., Шибков В.М., Шибкова Л.В.
Параметры плазмы несамостоятельного СВЧ разряда, создаваемого в режиме программированного импульса. //Журнал технической физики, 1997, т.67, №7, с.19-23.
14. Калинин А.В., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Влияние кислорода на кинетику нагрева молекулярного газа в азотно-кислородной смеси. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия, 1996, т. 37, № 1, c. 38-42.
15. Лодинев В.В., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Кинетика нагрева газа в импульснопериодическом разряде в воздухе. //Вестник Московского Университета. Серия 3.
Физика, астрономия, 1996, т. 37, № 2, c. 29-35.
16. Кузовников А.А. Шибков В.М. Шибкова Л.В. Свободно локализованный импульснопериодический СВЧ разряд в воздухе. Кинетика нагрева газа. //Теплофизика высоких температур, 1996, т. 34, № 3, с. 349-354.
17. Кузовников А.А., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Свободно локализованный импульснопериодический СВЧ разряд в воздухе. Кинетика заряженных частиц. //Теплофизика высоких температур, 1996, т. 34, № 5, c. 741-745.
18. Александров А.Ф., Кузовников А.А., Шибков В.М., Шибкова Л.В., Злобин В.В.
Параметры, кинетика, экспериментальное и математическое моделирование неравновесной плазмы свободно локализованного СВЧ разряда в воздухе.
//Прикладная физика. 1994, вып. 4, с. 20-29.
19. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Физические процессы в неравновесной плазме бинарной смеси инертных газов. //Contrib.Plasma Phys., 1986, v.26, №1, p.37-51.
20. Девятов А.М., Шайхитдинов Р.З., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Радиальное распределение атомов Хе(3P2) в импульсном разряде в Не-Хе смеси. //Оптика и спектроскопия, 1985, т. 59, № 6, с. 1201-1204.
21. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В., Чепелева Л.П. Функция распределения электронов по энергиям в начальной стадии повторного разряда в гелии. //Письма в Журнал технической физики, 1984, т. 10, № 23, с. 1413-1416.
22. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Динамика поперечного катафореза в НеХе смеси в условиях импульсной модуляции разрядного тока. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия, 1984, т. 25, № 4, с. 40-44.
23. Волкова Л.М., Девятов А.М., Кралькина Е.А., Шибкова Л.В. Радиальное распределение атомов Xe в положительном столбе тлеющего разряда в смеси He-Xe.
//Вестник Московского университета. Сер.3. Физика, астрономия, 1982,т.23,№3,с.8-12.
24. Волкова Л.М., Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Влияние метастабильных состояний на развитие импульсного разряда в гелии. //Физика плазмы, 1981, т.7, №2, с. 296-302.
25. Кидрасов Ф.Х., Девятов А.М., Волкова Л.М., Шибкова Л.В. Спектроскопическое исследование разряда в магниевом полом катоде с гелиевым и аргоновым наполнением. //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия, 1974, № 5, с. 563-567.
26. Кидрасов Ф.Х., Девятов А.М., Волкова Л.М., Шибкова Л.В. Радиальное изменение характеристик разряда в магниевом полом катоде с гелиевым и аргоновым наполнением. //Вестник Московского уиверситета. Серия 3. Физика, астрономия, 1974, № 3, с. 362-365.
27. Шибков В.М., Шибкова Л.В., Черников В.А., Виноградский Л.М., Григорович С.В., Соболев С.К. Способ и устройство для очистки газов, преимущественно инертных, от примесей. //Патент РФ №2175271, заявка № 99116168, приоритет от 23.07.99 г.
28. Волкова Л.М., Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Определение констант элементарных процессов с участием метастабильных атомов в распадающейся плазме гелия и смеси Не-Хе. //В кн.: Метастабильные состояния атомов и молекул и методы их исследования. Чебоксары, 1982, с. 3-21.
29. Devyatov A.M., Kuzovnikov A.A., Lodinev V.V., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Zlobin V.V. The free localized microwave discharge in air in the focused electromagnetic beam. //In book: "Strong microwave in plasmas". Nz.Novgorod, 1990, v. 1, p. 374-394.
30. Shibkov V.M., Chernikov A.V., Chernikov V.A., Ershov A.P., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Vinogradov D.A., Voskanyan A.V. Surface microwave discharge on dielectric body in a supersonic flow of air. //In book: Microwave discharges: Fundamentals and applications. Yanus-K, Moscow, 2001, p.145-153.
31. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Gromov V.G., Larin O.V., Levin V.A., Shibkova L.V.
Interaction of supersonic airflow with the combined microwave discharge, created on external surface of the wedge dielectric body. //In Book: Strong Microwaves in Plasmas.
Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, v.2, p.731-736.
32. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Shibkova L.V., Timofeev I.B. Surface microwave discharge in supersonic airflow. //In Book: УStrong Microwaves in PlasmasФ.
Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, v.2, p.737-742.
33. Shibkov V.M., Karachev A.A., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Voskanyan A.V., Zlobin V.V. Microwave plasma assisted of supersonic hydrocarbon fuel combustion. //In Book: "Strong Microwaves in Plasmas". Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Nizhny Novgorod, Russia, 2006, v.2, p.686-691.
34. Shibkov V.M., Abramova A.D., Chernikov V.A., Dvinin A.S., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Microwave discharge on external surface of dielectric antenna. //In Book: "Strong Microwaves in Plasmas". Edited by A.G.Litvak, in two volumes. Nizhny Novgorod, Russia, 2006, v.2, p.742-747.
35. Shibkov V.M., Chernikov A.V., Chernikov V.A., Ershov A.P., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Vinogradov D.A., Voskanyan A.V. Surface microwave discharge in supersonic airflow. //Report on the 2nd Workshop on Magneto-plasma-aerodynamics in aerospace applications. 2000, Moscow, IHT of RAS, 2001, p. 163-168.
36. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov A.V., Ershov A.P., Shibkova L.V., Timofeev I.B., VanWie D.M., Voskanyan A.V. Freely localized microwave discharge in supersonic flow. //Report on the 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop, 2001, Anaheim, CA, USA, AIAA-2001-2946, p.1-8.
37. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Dvinin S.A., Raffoul Ch.N., Shibkova L.V., Timofeev I.B., VanWie D.M., Vinogradov D.A., Voskanyan A.V. Surface microwave discharge in supersonic airflow. //Report on the 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop, 2001, Anaheim, CA, USA, AIAA2001-3087.
38. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Dvinin S.A., Ershov A.P., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V. Dense large-diameter uniform plasma of a surface microwave discharge.
//15th International Symposium on Plasma Chemistry. V.I. 2001, France, p. 179-184.
39. Shibkova L.V., Alexandrov A.F., Chernikov A.V., Giulietti A., Kulikova N.V., Shibkov V.M.. Plasma-chemical processes under conditions of a freely localized microwave discharge in air. //15th International Symposium on Plasma Chemistry. Volume III. Poster Contributions. 2001, France, p. 991-996.
40. Шибков В.М., Александров А.Ф., Восканян А.В., Ершов А.П., Кузовников А.А., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкова Л.В. СВЧ разряд на внешней поверхности диэлектрического тела. //III Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPS-2002), г.Иваново, Россия, с.429-432.
41. Шибкова Л.В., Восканян А.В., Двинин С.А., Ершов А.П., Карачев А.А., Кузовников А.А., Шибков В.М. Механизм распространения и параметры поверхностного СВЧ разряда при низком давлении воздуха. //III Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPS-2002), г.Иваново, с.433-437.
42. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Karachev A.A., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V., Zlobin V.V. Propane-air mixture ignition with the help of the surface discharge. //Proceedings of the International Conference on Physics of Low Temperature Plasma (PLTP-03), Kiev, 2003. Invited Paper 3-16-166, p.1-6.
43. Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Shibkova L.V., Sobolev S.K., Vinogradsky L.M.
Impurity spatial redistribution in multicomponent plasma of the discharge in technical helium. //Proceedings of the International conference on physics of low temperature plasma.
(PLTP-03), Kiev, Ukraine, 2003. Invited Paper 3-17-67, p.1-6.
44. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Georgievskiy P.Yu., Gromov V.G., Larin O.B., Levin V.A., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V., Zlobin V.V. Influence of the surface microwave discharge on the parameters of supersonic airflow near a dielectric body. //41st AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit and 5th Weakly Ionized Gas Workshop, 2003, Reno, Nevada, USA, AIAA-2003-1192, p. 1-7.
45. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Karachev A.A., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V., Zlobin V.V. Ignition of the supersonic propane-air mixture with the help of the surface discharge. //Report on the Fifth International Workshop on Magneto and Plasma Aerodynamics for Aerospace Applications, Moscow, 2004. Invited Reports, p. 1-6.
46. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Gromov V.G., Kuznetsov I.V., Larin O.B., Levin V.A., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V.
Surface microwave discharge. //International Conference on Physics of Low Temperature Plasma (PLTP-03), Kiev, Ukraine, 2003. Invited Paper 3-15-66, p.1-6.
47. Шибков В.М., Восканян А.А., Громов В.Г., Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Шибкова Л.В. Свободно локализованный и поверхностный СВЧ разряды в сверхзвуковом потоке воздуха. //III Международный симпозиум УТермохимические процессы в плазменной аэродинамикеФ, 2003, Санкт-Петербург, с. 240-251.
48. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Dvinin S.A., Ershov A.P., Karachev A.A., Shibkova L.V., Surkont O.S., Voskanyan A.V. Microwave discharge on external surface of quartz plate.
//Report on the International Conference УMicro- and nanoelectronics-2003Ф, 2003, Moscow-Zvenigorod, Russia, Invited Lectures, p.1-8.
49. Shibkov V.M., Abramova A.D., Chernikov V.A., Ershov A.P., Gromov V.G., Karachev A.A., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Timofeev I.B., Voskanyan A.V.
Microwave discharges in supersonic plasma aerodynamics. //42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, Nevada, USA, AIAA-2004-0513, p.1-11.
50. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Propane-butane-air mixture ignition and combustion in the aerodynamic channel with the stagnant zone. //42 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2004, Reno, Nevada, USA, AIAA-2004-0838, p.1-9.
51. Шибков В.М., Александров А.Ф., Черников В.А., Громов В.Г., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Тимофеев И.Б., Шибкова Л.В., Злобин В.В. Кинетика воспламенения углеводородных топлив в условиях низкотемпературной плазмы газового разряда. //IV Международный симпозиум Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике. Санкт_Петербург, 2004, с.1-9.
52. Shibkov V.M., Chernikov V.A., Ershov A.P., Karachev A.A., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Voskanyan A.V., Zlobin V.V. Influence of low temperature non-equilibrium gas discharge plasma on ignition and burning of the supersonic flow of the combustible hydrocarbon fuels. //XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics. Moscow, 2005, v.3, p.711-730.
53. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Gromov V.G., Ershov A.P., Karachev A.A., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Influence of gas discharge plasma on combustion of a supersonic hydrocarbon flow. //V Workshop Thermochemical and plasma processes in aerodynamics. St-Petersburg, 2006, №25, p.1-7.
54. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A.,, Dvinin S.A., Ershov A.P., Shibkova L.V., et.al. Surface Microwave Discharge in Air. //Report on 44 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006, Reno, Nevada, USA, AIAA-2006-1455, p.1-6.
55. Шибков В.М., Громов В.Г., Ершов А.П., Константиновский Р.С., Черников В.А., Шибкова Л.В., Злобин В.В. Нетепловое воспламенение сверхзвукового потока углеводородного топлива в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. //Доклад на 4-ой научной школе-конференции ФАктуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамикиФ, г.Алушта, Крым, 2006г., с.1-12.
56. Шибков В.М., Александров А.Ф., Черников В.А., Громов В.Г., Ершов А.П., Карачев А.А., Константиновский Р.С., Шибкова Л.В., Злобин В.В. Влияние газоразрядной плазмы на горение сверхзвукового углеводородного потока. //Доклад на 5-ом Международном симпозиуме Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике. Санкт-Петербург, 2006, с.1-9.
57. Shibkov V.M., Alexandrov A.F., Chernikov V.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Freely localized and surface microwave discharges in highspeed flows. //Microwave discharges: Fundamentals and applications, Edited by Yu.A.Lebedev. Yanus-K, Moscow, 2006, p.95-100.
58. Shibkov V.M., Aleksandrov A.F., Chernikov V.A., Dvinin S.A., Ershov A.P., Konstantinovskij R.S., Shibkova L.V., Zlobin V.V. Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. //Report on the 45 AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2007, Reno, Nevada, USA, AIAA-2007-427, p.1-6.
59. Шибкова Л.В., Александров А.Ф., Ершов А.П., Черников В.А. Поверхностный СВЧ разряд в высокоскоростном потоке газа. Сборник докладов научной конференции УЛомоносовские чтенияФ. Секция физики. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007, с.199-202.
60. Шибков В.М, Логунов А.А., Шибкова Л.В. Генерация ударных волн в условиях поверхностного СВЧ разряда в воздухе. Сборник докладов научной конференции УЛомоносовские чтенияФ. Секция физики. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007, с.202-205.
61. Devyatov A.M., Shibkova L.V. The dynamics of radial cataphoresis in He-Xe mixture.
//Proc. XV ICPIG, contrib.papers, USSR, Minsk, 1981, part 1, p.57-58.
62. Devyatov A.M., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Volkova L.M. The temperature dependence of diffusion coefficient of metastable Хе(3P2) atoms in He-Xe mixture. //Proc. XV ICPIG, contrib.papers, USSR, Minsk, 1981, part 1, p.399-400.
63. Shibkova L.V., Devyatov A.M., Shibkov V.M., Volkova L.M. The determination of interaction constants of metastable atoms He(23S) between each other and with xenon atoms.
//Proc. VI ESCAMPIG, contrib. papers U.K., Oxford, 1982, p.97-98.
64. Devyatov A.M., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Chepeleva L.P., Volkova L.M. Electron energy distribution in the nonequilibrium plasma of a pulse discharge in He-Xe mixture.
//Proc.XII ICPIG, contrib.papers. Dusseldorf, 1983, v.1, p.24-25.
65. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В. Исследование динамики катафореза в пеннинговской смеси. //VI Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы.
енинград, 1983, т.2, с. 54-56.
66. Девятов А.М., Шибков В.М., Шибкова Л.В., Чепелева Л.П. Кинетика концентрации метастабильных атомов и электронов и ее влияние на повторный пробой в гелии. //II Всес. совещание по физике электрического пробоя газов. Тарту, 1984, ч.1, с.163-165.
67. Devyatov A.M., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Chepeleva L.P. Electron energy distribution at the beginning secondary discharge in helium. //Proc. VII ESCAMPIG, contrib.papers.
Bari, Italy, 1984, p.232-268. Devyatov A.M., Kuzovnikov А.А., Shaihitdinov R.Z., Shibkov V.M., Shibkova L.V. The influence of radial distribution of He-Xe mixture components on radial distribution of atoms Xe(3P2) in the impulse discharge. //XVIII ICPIG, contrib. papers. Wales, U.K., Swansee, 1987, part 1, p.166-167.
69. Девятов А.М. Шибкова Л.В. Влияние легклионизуемой примеси на функцию распределения и потери энергии электронов. //I Всес. конф. по процессам ионизации с участием возбужденных атомов. Ленинград, 1988, с.120-121.
70. Aleksandrov A.F., Ausheva F.A., Devyatov A.M., Shibkov V.M., Shibkova L.V. The influence of the admixture percentage contents on the diffusion coefficients in the binary mixture of inert gases. //X ESCAMPIG, contrib. papers. Orleans, France, 1990, p.384-385.
71. Shibkov V.M., Isaev K.Sh., Lodinev V.V., Shibkova L.V. The molecular gas heating in the free localized microwave discharge in air. //Proc. XI ESCAMPIG, contrib. papers.
St.Petersburg, Russia, 1992, p. 244-245.
72. Alexandrov A.F., Devyatov A.M., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Singh P., Vaselli M.
Physical processes in a non-equilibrium gas discharge plasma in multicomponent mixture.
//Proc. XXIII ICPIG, contrib. papers. Toulouse, France, 1997, v. 1, p.44-45.
73. Ershov A.P., Kalinin A.V., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Singh P., Vaselli M. Influence of oxygen admixture on gas heating in N2-O2 mixture of pulse discharge. //Proc. XXIII ICPIG, contrib. papers. Toulouse, France, 1997, v. 2, p.60-61.
74. Alexandrov A.F., Shibkov V.M., Shibkova L.V., Vinogradski L.M., Singh P., Vaselli M.
Kinetics of gas heating in non-equilibrium plasma of the pulse discharge in hydrogen. //Proc.
XIV ESCAMPIG Contrib. Papers. Ireland, Dublin, 1998, p. 52-53.
75. Александров А.Ф., Черников А.В., Шибкова Л.В., Шибков В.М. Пространственное разделение компонентов смеси в газоразрядной плазме. //Физическая электроника 99. Махачкала. 1999, с.59-62.