Состав плазмы и диффузия в пристеночной области капиллярного разряда

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрена внутренняя структура разрядной плазмы в капилляре с испаряющимися стенками из соединений СН2 и СF2. Полученные для центральной области экспериментальные данные позволяют выделить два пристеночных слоя (кольца) со своими особенностями состава плазмы и кинетики процессов переноса. Установлены механизмы радиального разделения компонентов смесей, начинающегося с термодиффузии в нейтральном газе у стенки и усиленного амбиполярной диффузией ионов углерода с электронами из ионизованного слоя пристеночной области. В результате движение к центру легкого компонента многократно ускоряется, а тяжелого замедляется так, что центральная область наполняется легким газом (ионами Н или С), а пристеночная ‒ преимущественно тяжелым (атомами и ионами С или атомами F). Определены направления дальнейшего исследования.

About the authors

О. В. Коршунов

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

А. С. Пащина

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Author for correspondence.
Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

В. Ф. Чиннов

ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Email: fgrach@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Огурцова Н.Н., Подмошенский И.В., Шелемина В.М. Зависимость температуры и давления плазмы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой от геометрии капилляра и тока разряда // ТВТ. 1968. Т. 6. № 1. С. 48.
  2. Минько Л.Я. Получение и исследование импульсных плазменных потоков. Минск: Наука и техника, 1970. 184 с.
  3. Ibrahim E.Z. The Ablation Dominated Polymethylmethacrylate Arc // J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. V. 13. № 9. P. 2045.
  4. Keidar M., Boyd I.D. Ablation Study in the Capillary Discharge of an Electrothermal Gun // J. Appl. Phys. 2006. V. 99. № 5. P. 053301.
  5. Ruchti C.B., Niemeyer L.E. Ablation Controlled Arcs // IEEE Trans. Plasma Sci. 1986. V. 14. № 4. P. 423.
  6. Zhang J., Li X., Hang Y., Yang W. An Electrothermal Plasma Model Considering Polyethylene and Copper Ablation Based on Ignition Experiment // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. № 23. P. 235204.
  7. Niemeyer L.E. Evaporation Dominated High Current Arcs in Narrow Channels // IEEE Trans. Power Appar. Syst. 1978. V. PAS-97. № 3. P. 950.
  8. Kim J.U., Clemens N.T., Varghese P.L. Experimental Study of the Transient Underexpanded Jet Generated by an Electrothermal Capillary Plasma // J. Propuls. Power. 2002. V. 18. № 6. P. 1153.
  9. Kameshima T., Kotaki H., Kando M. et al. Laser Pulse Guiding and Electron Acceleration in the Ablative Capillary Discharge Plasma // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. № 9. P. 093101.
  10. Kaganovich D., Sasorov P., Cohen C., Zigler A. Variable Profile Capillary Discharge for Improved Phase Matching in a Laser Wakefield Accelerator // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. № 6. P. 772.
  11. Edamitsu T., Tahara H. Experimental and Numerical Study of an Electrothermal Pulsed Plasma Thruster for Small Satellites // Vacuum. 2006. V. 80. № 11–12. P. 1223.
  12. Ryzhkov S.V. Current State, Problems, and Prospects of Thermonuclear Facilities Based on the Magneto-inertial Confinement of Hot Plasma // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2014. V. 78. № 5. P. 456.
  13. Witherspoon F.D., Case A., Messer S.J., Bomgardner R., Phillips M.W., Brockington S., Elton R. A Contoured Gap Coaxial Plasma Gun with Injected Plasma Armature // Rev. Sci. Instrum. 2009. V. 80. P. 083506.
  14. Rott M. The LRT/TUM Small Caliber Electrothermal Accelerator // IEEE Trans. Magn. 1993. V. 29. № 1. P. 597.
  15. Dyvik J., Herbig J., Appleton R., O’Reilly J., Shin J. Recent Activities in Electrothermal Chemical Launcher Technologies at BAE Systems // IEEE Trans. Magn. 2007. V. 43. № 1. P. 303.
  16. Baranov O., Bazaka K., Kersten H., Keidar M., Cvelbar U., Xu S., Levchenko I. Plasma under Control: Advanced Solutions and Perspectives for Plasma Flux Management in Material Treatment and Nanosynthesis // Appl. Phys. Rev. 2017. V. 4. № 4. P. 041302–1.
  17. Samal S. Thermal Plasma Technology: The Prospective Future in Material Processing // J. Clean. Prod. 2017. V. 142. P. 3131.
  18. Авраменко Р.Ф., Бахтин Б.И., Николаева В.И., Поскачеева Л.П., Широков Н.Н. Исследование плазменных образований, инициируемых эрозионным разрядом // ЖТФ. 1990. Т. 60. № 12. С. 57.
  19. Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Черников В.А., Юсупалиев У. Плазменный тороидальный вихрь в воздухе // ТВТ. 1988. Т. 26. № 4. С. 639.
  20. Андрианов А.М., Синицын В.И. Использование эрозионного разряда для моделирования одного из возможных видов шаровой молнии // ЖТФ. 1977. Т. 47. № 11. С. 2318.
  21. Пащина А.С., Ефимов А.В., Чиннов В.Ф. Оптические исследования многокомпонентной плазмы капиллярного разряда. Дозвуковой режим истечения // ТВТ. 2016. Т. 54. № 4. С. 513.
  22. Пащина А.С., Ефимов А.В., Чиннов В.Ф. Оптические исследования многокомпонентной плазмы капиллярного разряда. Сверхзвуковой режим истечения // ТВТ. 2017. Т. 55. № 5. С. 669.
  23. Leonov S., Nebolsin V., Shilov V. Effectiveness of Plasma Jet Effect on Bodies in an Airflow // I Int. Workshop Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace Applications / Ed. Bityurin V. Moscow: IVTAN, 1999. P. 58.
  24. Пащина А.С., Дегтярь В.Г., Калашников С.Т. СВЧ-антенна на основе импульсной плазменной струи // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 839.
  25. Pashchina A.S., Karmatsky R.E., Klimov A.I. The Creation of Hypersonic Flows by a Powerful Impulse Capillary Discharge // Tech. Phys. Lett. 2017. V. 43. № 11. P. 1033.
  26. Pashchina A.S., Karmatsky R.E. Using Triple Langmuir Probe Method for Study High-speed Plasma Flow Created by a Pulsed Capillary Discharge // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1112. P. 012023.
  27. Белов С.Н. Расчет осевого распределения параметров плазмы капиллярного разряда с испаряемой стенкой // Журн. прикл. спектроскопии. 1978. Т. 28. № 4. С. 605.
  28. Zhang J., Li X., Chen L., Zhao Y., Liang L., Xiao X. Investigation of Geometric Effect in Capillary Discharge Plasma Generator Using an Improved Ablation Model // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. № 23. P. 235201.
  29. Wang W., Kong L., Geng J., Wei F., Xia G. Wall Ablation of Heated Compound-materials into Non-equilibrium Discharge Plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. № 7. P. 074005.
  30. Li R., Li X., Jia S., Murphy A.B. A Two-dimensional Capillary Discharge Model Considering the Ablation and Deposition Processes // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 9. P. 093302.
  31. Kovitya P., Lowke J.J. Theoretical Predictions of Ablation-stabilised Arcs Confined in Cylindrical Tubes // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. V. 17. № 6. P. 1197.
  32. Kim K., Peterson D.R. A Low Aspect Ratio Electrothermal Gun for Metal Plasma Vapor Discharge and Ceramic Nanopowder Production // J. Mech. Sci. Technol. 2008. V. 22. № 7. P. 1408.
  33. Keidar M., Boyd I.D., Beilis I.I. Model of an Electrothermal Pulsed Plasma Thruster // J. Propuls. Power. 2003. V. 19. № 3. P. 424.
  34. Kozakov R., Kettlitz M., Weltmann K.-D., Steffens A., Franck C.M. Temperature Profiles of an Ablation Controlled Arc in PTFE: I. Spectroscopic Measurements // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. № 8. P. 2499.
  35. Schneidenbach H., Uhrland D., Franke S., Seeger M. Temperature Profiles of an Ablation Controlled Arc in PTFE: II. Simulation of Side-on Radiances // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. № 8. P. 7402.
  36. Pashchina A.S. Demixing in the Plasma Created in Capillary Discharges with Polymeric Wall // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012002.
  37. Pashchina A.S. The Influence of Spatial Inhomogeneity of Pulsed Capillary Discharge on the Gas Dynamics of Multicomponent Plasma // J. Phys. Conf. Ser. 2018. V. 1112. № 1. P. 012013.
  38. Pashchina A.S. Measurements of Electron Number Density and Temperature in a Supersonic Plasma Jet by Optical Emission Spectroscopy // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2100. № 1. P. 012003.
  39. Pashchina A.S., Chinnov V.F., Efimov A.V. Estimation of Gas-dynamic Characteristics of Supersonic Plasma Jets Based on Spectroscopy Results // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1698. № 1. P. 012009.
  40. Becerra M., Pettersson J., Franke S., Gorchakov S. Temperature and Pressure Profiles of an Ablation-controlled Arc Plasma in Air // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 52. P. 434003.
  41. Pashchina A.S. On the Reasons of Spatial Heterogeneity of the Plasma Chemical Composition in Ablation Controlled Discharges // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1698. № 1. P. 012008.
  42. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат, 1980. 240 с.
  43. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 378 с.
  44. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2006. 472 с.
  45. Преображенский Н.Г., Пикалов В.В. Неустойчивые задачи диагностики плазмы. Новосибирск: Наука, 1982. 240 с.
  46. Пикалов В.В. Томография плазмы. В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 2 / Под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2002. С. 563.
  47. Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые струи плазмы. Л.: Машиностроение, 1985. 264 с.
  48. Burton R.L., Turchi P.J. Pulsed Plasma Thrusters // J. Propuls. Power. 1998. V. 14. № 5. P. 716.
  49. Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизированной плазме. М.: Атомиздат, 1975. 336 с.
  50. Смирнов Б.М. Свойства газоразрядной плазмы. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 363 с.
  51. Raizer Yu.P. Gas Discharge Physics / Ed. Allen J.E. Berlin‒Heidelberg: Springer, 1991. 449 p.
  52. Коршунов О.В., Кавыршин Д.И., Чиннов В.Ф. Диффузия и плотность атомов в сильноионизованной неоднородной плазме He // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 803.
  53. Коршунов О.В., Кавыршин Д.И., Чиннов В.Ф. Диффузия столкновительной плазмы на примере сильноточной дуги в Не. Бинарная и тринарная ионизованные смеси // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 645.
  54. Мак-Даниэль И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах / Под ред. Смирнова Б.М. М.: Мир, 1976. 422 с.
  55. Ferziger J.H., Kaper H.G. Mathematical Theory of Transport Processes in Gases. Amsterdam–London: North-Holland Pub. Co., 1972. 555 p.
  56. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Изд-во Физ. ин-та им. П.Н. Лебедева РАН, 1998. 338 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences