УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ УДАРНОЙ ТРУБЫ ДЛЯ СИНХРОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ
SHOCK TUBE-BASED DEVICE FOR SYNCHRONOUS MEASUREMENT OF PLASMA PARAMETERS

Область техники
Заявляемое изобретение относится к физике изучения электрических и эмиссионных (излучательных) свойств газа в широком диапазоне температур и давлений. Измерение излучательных и электрических характеристик газов необходимо для решения научных и технических проблем, например, связанных с процессами, которые происходят вблизи поверхности летательных аппаратов при спуске их в атмосфере Земли и, возможно, других планет. В частности, указанные измерения могут быть использованы при выборе материалов для термической защиты спускаемых космических аппаратов. Заявляемое изобретение повысит точность и достоверность используемых физико-химических моделей, описывающих неравновесные процессы и рассчитывающих электронную температуру и концентрацию электронов.
Уровень техники
В известных экспериментах по измерению потенциала плазмы, например, в ударных волнах, используется зонд Ленгмюра и не измеряется эмиссия (излучение) плазмы (s Ahead of Shock Waves Satoshi Nomura* Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan Taito Kawakami Shizuoka University, Shizuoka 432-8561, Japan and Kazuhisa Fujita‡ Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan https://doi.org/10.2514/1.). В классических устройствах по измерению потенциала плазмы в ударных волнах, использующих зонд Ленгмюра, измерение потенциала осуществляют с временным разрешением 20 нс.Также в этих экспериментах отсутствуют измерения спектральных характеристик исследуемых газов (плазмы).
Известен способ измерения интенсивности излучения и электронной температуры в области перед сильной ударной волной (В.А. Горелов, Л. А. Кильдюшова, Том V 1974 №2 Ученые записки ЦАГИ) (https://findpatent.ru/magazine/030/303375.html). Регистрация излучения проводилась в оптическом окне электроразрядной ударной трубы с помощью фотоумножителя. Для определения температуры электронного газа измерялась вольтамперная характеристика системы трех плоских зондов, расположенных в отдельной измерительной секции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению при измерениях потенциала и излучения в газе, способ измерения потенциала и излучения газа, нагретого микроволновым излучением, раскрытый в Chi Chen, Wenjie Fu, Chaoyang Zhang, Dun Lu, Meng Han and Yang Yan, Langmuir Probe Diagnostics with Optical Emission Spectrometry (OES) for Coaxial Line, Microwave Plasma Appl. Sci. 2020, 10(22), 8117.
Однако, в данном способе измерения потенциала и излучения проводят несинхронно, т.е. в разных точках газового потока, а именно, в разных измерительных сечениях, т.е. не синхронно, а последовательно.
Измерения значений потенциала зонда дают возможность определить концентрацию электронов [M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Физика Плазмы, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013; 2 В. А. Горелов, Л. А. Кильдюшова, and В. М. Чернышев, “Об измерении ионизации воздуха за сильными ударными волнами,” Теплофизика Высоких Температур, vol. 21, no. 3, pp.449-453, 1983].
Концентрация электронов в исследуемой плазме (опосредованно - потенциал плазмы) является важной величиной, поскольку именно столкновения с электронами оказывают существенное влияние на параметры плазмы за фронтом ударной волны (M. G. Kapper and J.-L. Cambier, “Ionizing shocks in argon. Part I: Collisional-radiative model and steady-state structure,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 11, p.113308, Jun. 2011) даже на начальном участке, т.е. в сразу после прихода ударной волны до момента лавинного нарастания интенсивности излучения (V. Y. Levashov, P. V. Kozlov, N. G. Bykova, and I. E. Zabelinskii, “Argon Plasma Radiation Features at the Initial Stage behind a Shock Wave Front,” Russ. J. Phys. Chem. B, vol. 15, no. 1, pp.56-62, 2021). Как отмечается в (H. Petschek and S. Byron, “Approach to equilibrium ionization behind strong shock waves in argon,” Ann. Phys. (N. Y)., vol. 1, no. 3, pp. 270-315, 1957) ионизация за счет столкновений атомов с электронами является доминирующим механизмом в значительной части ионизационного процесса. В этой связи измерение концентрации электронов представляется крайне важным.
Кроме этого, для построения корректной вычислительной модели ударно нагретого (высокотемпературного) газа необходима информация не только о концентрации электронов в газе, но и данные об интенсивности излучения исследуемого газа в различных спектральных диапазонах, поскольку именно присутствующие в исследуемой области электроны вносят основной вклад в изменение концентрации излучающих состояний (В. Ю. Левашов, П. В. Козлов, Н. Г. Быкова, И. Е. Забелинский. Особенности излучения аргоновой плазмы на начальном этапе за фронтом ударной волны. Химическая физика, 40(1):16-23, 2021). Важным моментом является одновременное (т.е. в один и тот же момент времени) определение концентрации электронного газа и интенсивности излучения в конкретной пространственной точке. Такое одновременное пространственно-временное измерение необходимо, поскольку концентрация электронов и заселенность возбужденного состояния существенно изменяются во времени и пространстве. Как следствие, данные полученные из различных пространственных и временных точек не могут дать надежную информацию, необходимую для построения корректной вычислительной модели.
Одной из наиболее перспективных методик, позволяющей получать такого рода информацию является применение зондовых методов исследования.
Известно, что с помощью оптического волокна регистрируют либо спектры излучения низкотемпературной плазмы либо эволюцию во времени излучения в определенной области спектра (Yamada, G., Otsuta, S., Matsuno, T., and Kawazoe, H., “Temperature Measurements of CO2 and CO2-N2 Plasma Flows around a Blunt Body in an Arc-Heated Wind Tunnel,” Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan, Vol.11, pp.87-91, 2013; Kjellander M, Tillmark N and Apazidis N 2012 Energy concentration by spherical converging shocks generated in a shock tube Phys. Fluids 24 126103 (https://doi.org/10.1063/1.4772073)).
В то же время, известно, что с помощью одиночного зонда Ленгмюра регистрируют вольтамперные характеристики, по которым определяют концентрации электронов и их температуры (Wang, S. et al. (2005). Measurement of electron density profile behind strong shock waves with a Langmuir probe. In: Jiang, Z. (eds) Shock Waves. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-27009-6_39).
Однако в уровне техники отсутствуют сведения о возможности одновременного измерения указанных параметров плазмы, то есть как электрических параметров плазмы (концентрацию, температуру) зондовой методикой, так и излучательные характеристики плазмы из той же области пространства.
Указанные измерения до настоящего момента осуществляют по отдельности либо в разных областях низкотемпературной плазмы.
Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеуказанным аналогам и прототипу, за счет создания устройства, обеспечивающего возможность одновременного измерения концентрации электронного газа и интенсивности излучения в единой конкретной пространственной точке.
Краткое раскрытие сущности заявляемого изобретения
Технический результат, достигаемый благодаря использованию заявляемого изобретения, заключается в повышении пространственной точности регистрации ударной или детонационной волны до 50 мкм, что позволит обеспечить возможность установления взаимно-однозначного соответствия между моментом прохождения ударной волны мимо измерительного устройства и моментами изменения потенциала плазмы, что обеспечивается модифицированной конструкцией используемого измерительного зонда.
Заявленный технический результат достигается решением устройства для синхронного измерения параметров плазмы, представляющего собой ударную трубу для генерации высокоскоростной ударной волны, содержащую камеру высокого давления (КВД), соединенную с камерой низкого давления (КНД), в стенке которой через технологическое отверстие в плоскости поперечного сечения камеры установлен, по меньшей мере, один измерительный зонд, включающий полую металлическую трубку, внутри которой размещено оптическое волокно, при этом зонд установлен с выступом в полость КНД на глубину от 1 до 10 мм. Внешний диаметр металлической трубки составляет от 0,3 мм до 1 мм. Диаметр оптического волокна составляет 50 - 400 мкм с пропусканием в спектральной области 200-2500 нм. Измерительные зонды могут быть установлены равномерно по протяженности КНД. В качестве измерительного зонда используют зонд Ленгмюра.
При этом полученные в одновременном (синхронном) измерении данные позволяют определять во всех точках регистрации экспериментальные данные (время до прихода ударной волны, прохождение «пробки» ударной волны, с указанной пространственной точностью). Кроме того, при работе заявляемого устройства точность измерения временного определения прихода, например, фронта ударной волны, превышает известную в 6 раз (известная точность составляет 120 нс).
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема установки, посредством которой реализуют измерения;
на фиг. 2 схематично представлен эскиз измерительного зонда;
на фиг. 3 представлен эскиз схемы диагностики плазмы с оптическим волокном внутри зонда Ленгмюра;
на фиг. 4 и 5 представлены осциллограммы сигналов с зонда и ФЭУ при прохождении УВ волокна в игле диаметром 4 мм и длиной 5 мм. Начальное давление воздуха 35Па, скорость УВ 10 км/с.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - зонд измерительный,
2 - сигнал от световода на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ),
3 - уплотнители,
4 - исследуемый объект - низкотемпературная плазма (разряд, ударная волна),
5 - потенциал плазмы,
6 - спектр излучения плазмы (спектральный анализатор),
7 - металлическая трубка,
8 - оптическое волокно.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство в рамках опытной эксплуатации реализовано на экспериментальном комплексе "Ударная труба" лаборатории "Кинетических процессов в газах" (лаб. 109) НИИ механики МГУ. Устройство представляет собой модифицированную ударную трубу (УТ), снабженную специально сконструированными средствами измерения. Дальнейшее описание конструкции приведено с использованием примера конкретного выполнения, реализованного в указанных лабораторных условиях.
В частном случае, УТ состоит из трех соединенных торцами секций: камеры высокого давления (КВД/CHP) длиной не более 1.55 м, промежуточной камеры (КПД/CIP) длиной не более 3.5 м и камеры низкого давления (КНД/CLP) длиной не более 3 м. Заявляемое изобретение может быть реализовано и при отсутствии КПД, при непосредственном соединении КВД и КНД. КПД выполняет вспомогательную функцию, не является обязательным элементом ударной трубы и предназначена, в основном, для исключения влияния толкающего газа (водорода) при проведении кинетических исследований. Тем не менее установлено, что наличие КПД в составе ударной трубы приводит к повышению скорости регистрируемой ударной волны на 10-20%. Перечисленные камеры изготовлены из цельных отрезков бесшовной горячедеформированной стальной трубы по ГОСТ 9940-81 (выполненной из стали 12Х18Н10Т), внешним диаметром около 60 мм, толщиной стенок не менее 5 мм. По торцам к секциям приварены воротниковые фланцы, изготовленные, например, из стали 12Х18Н9Т методом горячего прессования. Для реализации опытного образца толщина стенок трубы выбиралась из соображений возможности ручного монтажа и обслуживания ударной трубы двумя сотрудниками лаборатории. Каждая секция размещена на двух юстировочных столиках, закрепленных на стальных стойках, прикрепленных к полу. Между фланцами соседних секций расположены кассеты с диафрагмами. Фланцы стянуты четырьмя болтами 20 мм. Каждая камера снабжена системой напуска и откачки газов. Система напуска КНД состоит из трех баллонов a, b, c объемом 40 л, вакуумметра образцового PD1, трех натекателей VF1-VF3, подключенных к мерному объему CV1, и перепускного вентиля V1 (Ду 10 мм). Откачка системы напуска осуществляется через перепускной вентиль V1 и вентиль V2 безмасляным откачным постом NR. Система напуска гелия в КПД, при ее использовании, состоит из баллона объемом 40 л, натекателя VF4, мерного объема CV3, вакуумметра PD2 и перепускного вентиля V8. Откачка системы напуска гелия производится через перепускной вентиль V8, промежуточную камеру CIP и вентиль V7 форвакуумным насосом NI. Система напуска КВД включает три баллона объемом 40 л, содержащих водород, кислород и гелий. Баллоны натекателями VF5-VF7 и перепускным вентилем V5 соединены с камерой высокого давления. Давление толкающего газа в камере высокого давления контролируется манометрами PD4 и PD5. Манометр PD6 контролирует давление в баллоне с водородом. Вентиль V10 обеспечивает аварийный сброс водорода из камеры высокого давления. Разводка систем напуска осуществлена трубкой из нержавеющей стали ∅ 3х0.5 мм. Трубка припаяна серебряным припоем ПСР-40 к соответствующим ниппелям вентилей и манометров. Все уплотнения систем напуска изготовлены из фторопласта. Ударная труба снабжена измерительным устройством, представляющим собой иглу из нержавеющей стали, внутри которой расположено оптическое волокно в специальной оправе (см. фиг. 2, 3). Игла, выполненная в виде металлической трубки, используется как зонд Ленгмюра (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BD%D0%B4_%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D0%B3%D0%BC%D1%8E%D1%80%D0%B0), для регистрации зондовой вольт-амперной характеристики, необходимой для определения параметров низкотемпературной плазмы, создаваемой излучением от набегающей ударной волны (УВ) и самой УВ при прохождении мимо зонда. Игла установлена в технологическом отверстии в стенке УТ, в камере КНД на расстоянии около 3 м от диафрагмы, разделяющей КПД (или КВД при отсутствии КПД) и КНД. При необходимости количество таких измерительных зондов может быть увеличено, зонды могут быть размещены равномерно по длине КНД. Таким образом, получается, что зонд со световодом установлен в одном поперечном сечении объема ударной трубы, что обеспечивает возможность с высокой пространственно-временной точностью регистрировать положение газодинамического фронта УВ относительно появления сигнала от зонда. Длина выступающей части зонда внутрь трубы, в область, где проходит УВ, подбирается опытным путем, исходя из требования недопустимости механических повреждений зонда ударной волной. В общем случае зонд выступает внутрь полости камеры ударной трубы на глубину от 1 до 10 мм. Зонд электрически изолирован от металлической стенки УТ. Внешний диаметр иглы может составлять от 0,3 мм и более (максимальный диаметр определяется размерами технологических отверстий конкретной ударной трубы). Диаметр оптического волокна 50, 100, 150 мкм, в зависимости от используемой иглы с пропусканием в спектральной области 200-2500 нм. Оптическое волокно, помещенное внутри иглы (зонда), начинает регистрировать излучение УВ только после ее прохождения мимо торца волокна и предназначено для исследования спектральных и временных характеристик излучения УВ.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) измерительного зонда, т.е. зависимости I(U) для собираемого зондом тока из плазмы, позволяют определить ее параметры на основе различных моделей движения заряженных частиц вблизи зонда, разработка которых представляет собой основную проблему зондовой диагностики.
λ
r
i
z
Режим работы зонда в плазме характеризуется двумя параметрами, а именно, числом Кнудсена и числом Дебая (M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Физика Плазмы, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013.). Число Кнудсена определяется как отношение средней длины свободного пробега электронов/ионов -  к радиусу зонда - :
λ
D
Число Дебая - это отношение радиуса зонда к длине Дебая - :
где
M. Tichý, M. Šícha, P. David, and T. David, “A Collisional Model of the Positive Ion Collection by a Cylindrical Langmuir Probe,” Contrib. to Plasma Phys., vol. 34, no. 1, pp. 59-68, Jan. 1994.
Таким образом, использование зондов для случая, когда средняя длина свободного пробега электронов и ионов в плазме значительно больше характерного размера зонда, является надежным средством получения информации о свойствах такой плазмы. Известно, что если имеется зонд с отрицательным потенциалом, то вокруг него будут собираться ионы и вокруг зонда образуется положительное облако, потенциал которого равен потенциалу зонда. Однако, в случае, когда средняя длина свободного пробега заряженных частиц становится порядка или меньше характерного размера зонда, сам зонд оказывает существенное влияние на параметры плазмы.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема наполнения и откачки ударной трубы. С помощью насоса NI, подключенного электромагнитным клапаном VM (Ду 30 мм) к вакуумной трассе, проложенной вдоль всей трубы, и вентилей V3, V5 и V7 осуществляется форвакуумная откачка всех секций ударной трубы. С помощью вентиля V6 производится напуск в трубу атмосферного воздуха или нейтрального газа при смене диафрагм. Вакуумная трасса выполнена из отрезков нержавеющей трубы диаметром 18 мм, состыкованных быстроразъемными фланцами, приваренными к трубе через сильфоны. Форвакуумное давление в трубе контролируется образцовым вакуумметром PD3. Со стороны камеры низкого давления к трубе через вентиль-заслонку VT, сильфон и Г образный патрубок подсоединен демпферный бак CV2 объемом 47 л, выполненный из нержавеющей стали. Вентиль-заслонка VT имеет проходное сечение 60 мм. К демпферному баку через вентиль V2 (Ду 60 мм) подключен безмасляный откачной пост NR. Для контроля степени откачки ударной трубы, также к демпферному баку подсоединен вакуумметр PM с магнитным электроразрядным датчиком. Вентиль VT позволяет производить смену диафрагм в ударной трубе без напуска атмосферного давления в демпферный бак, тем самым существенно уменьшая время чистовой откачки ударной трубы. Все соединения вакуумной системы выполнены быстроразъемными фланцевыми соединениями. В качестве уплотнений вакуумной системы секций трубы, бака, вентилей и т.п.использованы стандартные уплотнения, изготовленные из высоковакуумной резины. Камера высокого давления (внутренний диаметр 50 мм, длина 30-60 калибров) и камера низкого давления разделены между собой диафрагмой. В случае использования в составе установке КПД, диафрагма расположена на границе раздела КВД и КПД. В общем случае, диафрагма представляет собой медный лист (фольгу) толщиной от 0,2 до 0,7 мм. В качестве диафрагмы между камерами используют медную фольгу толщиной 0,3 -0,4 мм. По площади диафрагмы выполнены специальные крестообразные насечки, обеспечивающие облегчение ее разрыва, полное раскрытие и предотвращение уноса в поток оторванных «лепестков» меди, то есть увлечение в поток обрывков материала диафрагм практически отсутствует.В торце КВД смонтировано средство поджига гремучей смеси, выполненное, например, в виде автомобильной свечи. В каждой камере ударной трубы поддерживается определенное давление. Так, диапазон давлений в КВД составляет 8-10 атм. Измерение скорости ударной волны в измерительном сечении осуществляют пьезодатчиками. В качестве исходной газовой смеси может быть использована смесь гелий/кислород/водород в стехиометрической концентрации кислорода и водорода. При этом концентрация гелия составляет от 50 до 65%. Газы для формирования исходной газовой смеси подают в камеру высокого давления (КВД), при этом сначала КВД заполняют гелием, после чего подают последовательно кислород и водород. Для более быстрого перемешивания газы в КВД могут быть поданы с двух противоположных концов камеры. Затем камеру оставляют для обеспечения перемешивания газов. Время перемешивания для КВД длиной 150 см составляет не менее 60 минут для обеспечения хорошей повторяемости. Возможно предварительное приготовление смеси гелия с кислородом в отдельном резервуаре и подача в КВД готовой смеси гелий/кислород и отдельно водород. В таком случае время несколько снижается и, например, для КВД длиной 150 см составит около 40 минут.Гремучую смесь для поджига подают в форкамеру. С использованием автомобильной свечи осуществляют поджиг гремучей смеси в форкамере, искровое воспламенение которой приводит к образованию поперечных волн сжатия, которые выравнивают давление в форкамере. С повышением давления начинается струйное истечение продуктов горения через перфорацию торца форкамеры в основную часть камеры высокого давления, заполненную гремучей смесью с гелием. Близкие по интенсивности и составу струи (поступающие из форкамеры и находящиеся в КВД) обеспечивают однородное в поперечном направлении воспламенение газа в камере высокого давления. После формирования УВ излучение от нее ионизирует газ перед волной (в том числе, в области размещения зонда), что приводит к появлению отрицательного сигнала на зонде (от (-10 мкс), см. на фиг. 4). Потенциал зонда (металлической трубки) относительно земли регистрируется осциллографом (в нашем случае корпус УТ заземлен, а металлическая трубка, в которой находится оптическое волокно, изолирована). Зондовые методы диагностики параметров плазмы, в том числе используемые и при реализации назначения заявляемого изобретения, описаны, например, в И. Н. Середа, А.Ф. Целуйко, «ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ», 2015. Излучение с торца оптического волокна поступает на спектральный прибор, на выходе которого находится ФЭУ для регистрации временной эволюции излучения в выделенном спектральном диапазоне.
При исследовании процессов в ударно нагретых газах важной характеристикой является взаимосвязь между моментом прихода ударной волны и началом излучения (время индукции). Представленная конструкция позволяет определить время индукции с точностью не менее 15 нс для зонда диаметром 0,3 мм при скорости ударной волны 10 км/с.
На приведенной осциллограмме перед приходом ударной волны в сечение зонда наблюдается изменение сигнала зонда, связанное с фотоионизацией газа. Момент прихода газодинамического фронта ударной волны характеризуется резкой сменой знака потенциала зонда (см. фиг. 4, 5). Излучение, поступающее через световод, регистрируется оптической системой. Оба сигнала регистрируются на одном многоканальном осциллографе.
Временное разрешение составляет 20нс, пространственное разрешение 50 мкм. Благодаря пространственной и временной одновременности проводимых измерений существенно повысилась надежность и достоверность получаемых экспериментальных данных, а также расширяется набор измеряемых в ходе эксперимента величин как до, так и за фронтом ударной волны. Так, например, появляется возможность получать временную эволюцию электронной концентрации в заданном сечении ударной трубы. Одновременность измерения потенциала и излучения в выбранной точке пространства позволит построить корреляцию между моментом прохождения ударной волны мимо измерительного устройства и моментами изменения концентрации электронного газа.