Методы измерения концентрации электронов в ударных волнах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрено современное состояние исследований по измерению концентрации электронов в низкотемпературной плазме в окрестности сильной ударной волны, моделирующей условия входа спускаемых космических аппаратов в атмосферу Земли. Проанализированы различные физико-химические процессы, приводящие к образованию низкотемпературной плазмы как перед фронтом ударной волны, так и в ударно-нагретом газе. Сделан критический обзор различных методов диагностики плазмы, отмечены их достоинства и недостатки. Проведен анализ многочисленных экспериментальных данных по измерению концентрации электронов в различных ударно-нагретых газах при различных условиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Я. Герасимов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

В. Ю. Левашов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

П. В. Козлов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

Н. Г. Быкова

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

И. Е. Забелинский

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Shang J.S., Surzhikov S.T. // Prog. Aerospace Sci. 2012. V. 53. P. 46. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2012.02.003
  2. Суржиков С.Т. // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 7. С. 48.
  3. Bykova N.G., Gochelashvily K.S., Karfidov D.M. et al. // Appl. Optics. 2017. V. 56. P. 2597. https://doi.org/10.1364/AO.56.002597
  4. Luís D., Giangaspero V., Viladegut A. et al. // Acta Astronaut. 2023. V. 212. P. 408. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.028
  5. Uyanna O., Najafi H. // Acta Astronaut. 2020. V. 176. P. 341. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.047
  6. Experimental methods of shock wave research / Eds. Igra O., Seiler F. N.Y.: Springer, 2016.
  7. Reyner P. // Prog. Aerospace Sci. 2016. V. 85. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.04.002
  8. Gu S., Olivier H. // Prog. Aerospace Sci. 2020. V. 113. № 100607. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2020.100607
  9. Герасимов Г.Я., Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 17.
  10. Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D., Bose D. // J. Thermophys. Heat Trans. 2015. V. 29. P. 209. https://doi.org/10.2514/1.T4000
  11. McGilvray M., Doherty L.J., Morgan R.G., Gild find D.E. // AIAA Paper. 2015. № 3543. https://doi.org/10.2514/6.2015-3545
  12. Wei H., Morgan R.G., McIntyre T.J. // AIAA Paper. 2017. № 4531. https://doi.org/10.2514/6.2017-4531
  13. Ibragimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., Zabelinskii I.E. // J. Chem. Phys. 2013. V. 139. № 034317. https://doi.org/10.1063/1.4813070
  14. Котов М.А., Козлов П.В., Герасимов Г.Я. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 31.
  15. Tereza A.M., Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya., Leva shov V.Yu., Zabelinsky I.E., Bykova N.G. // Acta Astronaut. 2023. V. 204. P. 705. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.11.001
  16. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 34.
  17. Ступоченко Е.В., Лосев С. А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965.
  18. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Л.: Наука, 1970.
  19. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит, 2008.
  20. Lemal A., Nomura S., Fujita K. // Hypersonic Meteoroid Entry Physics. Eds. Colonna G., Capitelli M., Laricchiuta A. Bristol: IOP Publ., 2019. P. 9.
  21. Weymann H.D. // Phys. Fluids. 1969. V. 12. P. 1193. https://doi.org/10.1063/1.1692651
  22. Kim M., Gülhan A., Boyd I.D. // J. Thermophys. Heat Transf. 2012. V. 26. P. 244. https://doi.org/10.2514/1.T3716
  23. Котов М.А., Козлов П.В., Осипенко К.Ю., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 42.
  24. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Сизых С.В. // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 3. С. 423.
  25. Penney G.W., Hummert G.T. // J. Appl. Phys. 1970. V. 41. P. 572. https://doi.org/10.1063/1.1658715
  26. Naidis G.V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2006. V. 15. P. 253. https://doi.org/10.1088/0963-0252/15/2/010
  27. Jiang M., Li Y., Wang H., Zhong P., Liu C. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. № 012127. https://doi.org/10.1063/1.5019478
  28. Gorelov V.A., Gladyshev M.K., Kireev A.Y., Yego rov I.V. // J. Thermophys. Heat Transf. 1998. V. 12. P. 172. https://doi.org/10.2514/2.6342
  29. Дикалюк А.С., Суржиков С.Т. // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 1. С. 143.
  30. Katsurayama H., Matsuda A., Abe T. // AIAA Paper. 2007. № 4552. https://doi.org/10.2514/6.2007-4552
  31. Cherrington B.E. // Plasma Chem. Plasma Process. 1982. V. 2. P. 113. https://doi.org/10.1007/BF00633129
  32. Алексеев Б.В., Котельников В.А. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988.
  33. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996.
  34. Bryant P.M. // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V. 18. № 014013. https://doi.org/10.1088/0963-0252/18/1/014013
  35. Ершов А.П. Метод электрических зондов Ленгмюра. М.: Изд-во МГУ, 2007.
  36. Demidov V.I., Ratynskaia S.V., Rypdal K. // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. P. 3409. https://doi.org/10.1063/1.1505099
  37. Merlino R.L. // Am. Ter. J. Phys. 2007. V. 75. P. 1078. https://doi.org/10.1119/1.2772282
  38. Stanley S.A., Carlson L.A. // J. Spacecr. Rockets. 1992. V. 29. P. 190. https://doi.org/10.2514/3.26334
  39. Johnson C.O., Mazaheri A., Gnotto P. et al.// AIAA Paper. 2011. № 3145. https://doi.org/10.2514/6.2011-3145
  40. Nomura S., Kawakami T., Fujita K. // J. Thermophys. Heat Transf. 2021. V. 35. P. 518. https://doi.org/10.2514/1.T6057
  41. Горелов В.А., Кuльдюшова Л.А., Чернышев В.М. // Уч. записки ЦАГИ 1977. Т. 8. № 6. С. 49.
  42. Fujita K., Sato S., Abe T., Matsuda A. // AIAA Paper. 2001. № 2765. https://doi.org/10.2514/6.2001-2765
  43. Горелов В.А., Кильдюшова Л.А., Чернышев В.М. // Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. № 3. С. 449.
  44. Kirchhoff R.H., Peterson Е.W., Talbot L. // AIAA Journal. 1971. V. 9. P. 1686. https://doi.org/10.2514/3.49974
  45. Залогин Г.И., Лунев В.В., Пластинин Ю.А. // Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. № 1. С. 105.
  46. Wang S., Cui J.P., Fan B.C., et al. // Shock waves / Ed. Jiang Z. Berlin: Springer, 2005. P. 269.
  47. Ryan P.J., Bradley J.W., Bowden M. D. // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. № 040702. https://doi.org/10.1063/1.5094602
  48. Власов П.А., Михайлов Д.И., Панкратова И.Л., Полянский В.А. // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 6. С. 17.
  49. Anbuselvan K.K.N., Anand V., Krishna Y., Rao M.G. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2021. V. 272. № 107744. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107744
  50. Konjević N., Ivković M., Sakan N. // Spectrochim. Acta, Part B. 2012. V. 76. P. 16. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.06.026
  51. Chai K.-B., Kwon D.-H. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2019. V. 227. P. 136. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.02.015
  52. Kozlov P.V., Zabelinsky I.E., Bykova N.G., Gerasi mov G.Ya., Levashov V.Yu., Tunik Yu.V. // Acta Astronaut. 2022. V. 194. P. 461. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.10.032
  53. Gigosos M.A., Cardeñoso V. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1996. V. 29. P. 4795. https://doi.org/10.1088/0953-4075/29/20/029
  54. Gigosos M.A., Gonzalez M.A., Cardeñoso V. // Spectro chim. Acta, Part B. 2003. V. 58. P. 1489. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(03)00097-1
  55. Fujita K., Sato S., Abe T., and Otsu H. // J. Thermophys. Heat Transf. 2003. V. 17. P. 210. https://doi.org/10.2514/2.6753
  56. Yamada G. // AIAA J. 2022. V. 60. P. 5645. https://doi.org/10.2514/1.J061470
  57. Cruden B.A. // J. Thermophys. Heat Transf. 2012. V. 26. P. 222. https://doi.org/10.2514/1.T3796
  58. Li Y., Wang S., Strand C.L., Hanson R.K. // Plasma Sources Sci. Technol. 2021. V. 30. № 025007. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abdd12
  59. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978.
  60. Li Y., Wang S., Strand C.L., Hanson R.K. // J. Phys. Chem. A. 2020. V. 124. P. 3687. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c00466
  61. Minesi N.Q., Nair A.P., Richmond M.O., Kuenning N.M., Jelloian C.C., Spearrin R.M. // Appl. Opt. 2023. V. 62. P. 782. https://doi.org/10.1364/AO.479155
  62. Evdokimov K.E., Konischev M.E., Pichugin V.F., Sun Z. // Resource-Efficient Technol. 2017. V. 3. P. 187. https://doi.org/10.1016/j.reffit.2017.04.002
  63. Lin K., Nezu A., Akatsuka H. // Jpn. J. Appl. Phys. 2022. V. 61. № 116001. https://doi.org/10.35848/1347-4065/ac88ac
  64. Wang Y.-F., Zhu X.-M. // Spectrochim. Acta Part B. 2023. V. 208. № 106777. https://doi.org/10.1016/j.sab.2023.106777
  65. Хилд М., Уортон С. Микроволновая диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1968.
  66. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968.
  67. Душин Л.А. СВЧ-интерферометры для измерения плотности плазмы в импульсном газовом разряде. М.: Атомиздат, 1973.
  68. Seo S.-H. // Fusion Eng. Design. 2023. V. 190. № 113501. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113501
  69. Cappelli M.A., Gascon N., Hargus W.A., Jr. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. P. 4582. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/21/013
  70. Dittmann K., Kullig C., Meichsner J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. V. 21. № 024001. https://doi.org/10.1088/0963-0252/21/2/024001
  71. Tudisco O., Fabris A.L., Falcetta C. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 033505. https://doi.org/10.1063/1.4797470
  72. Seo S.-H., Park J., Wi H.M. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 084702. https://doi.org/10.1063/1.4817305
  73. Сидоров А.В., Круткин О.Л., Алтухов А.Б. и др. // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 4. С. 553.
  74. Власов П.А., Карасевич Ю.К., Панкратьева И.Л., Полянский В.А. // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2008. Т. 6. № 1.
  75. Glass I.I., Liu W.S. // J. Fluid Mech. 1978. V. 84. P. 55. https://doi.org/10.1017/S002211207800004X
  76. Kapper M.G., Cambier J.-L. // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 113308. https://doi.org/10.1063/1.3585688
  77. Agafonov G.L., Mikhailov D.I., Smirnov V.N. et al. // Combust. Sci. Technol. 2016. V. 188. P. 1815. https://doi.org/10.1080/00102202.2016.1211861
  78. Toujani N., Alquaity A.B.S., Farooq A. // Rev. Sci. Instrum. 2019. V. 90. № 054706. https://doi.org/10.1063/1.5086854
  79. Lim J.S., Hong Y.J., Ghimire B., Choi J., Mumtaz S., Choi E.H. // Results Phys. 2021. V. 20. № 103693. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103693
  80. Ananin O.B., Bashutin O.A., Bogdanov G.S. et al. // Phys. Procedia. 2015. V. 71. P. 142. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.335
  81. Янин Д.В., Костров А.В., Смирнов А.И., Стриковский А.В. // ЖТФ. 2008. Т. 78. № 1. С. 133.
  82. Karkari S.K., Ellingboe A.R., and Gaman C. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. № 071501. https://doi.org/10.1063/1.2971236
  83. Galka A.G., Malyshev M.S., Kostrov A.V. // Radiophys. Quantum El. 2023. V. 65. P. 555. https://doi.org/10.1007/s11141-023-10236-0
  84. Горелов В.А., Киреев А.Ю. // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2014. Т. 15. № 1.
  85. Palomares J.M., Hübner S., Carbone E.A.D. et al. // Spectrochim. Acta, Part B. 2012. V. 73. P. 39. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.07.005
  86. Zaidi S.H., Tang Z., Yalin A.P., Barker P., Miles R.B. // AIAA J. 2002. V. 40. P. 1087. https://doi.org/10.2514/2.1756
  87. Muraoka K., Kono A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. № 043001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/4/043001
  88. Fronda D.H., Ross J.S., Divol L., Glenzer S.H. // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. № 10E522. https://doi.org/10.1063/1.2336451
  89. Zhang H., Pilgram J.J., Constantin C.G. et al. // Instruments. 2023. V. 7. № 3. P. 25. https://doi.org/10.3390/instruments7030025
  90. Dzierżga K., Mendys A., Pokrzywka B. // Spectrochim. Acta, Part B.2014. V. 98. P. 76. https://doi.org/10.1016/j.sab.2014.03.010
  91. Roettgen A.M., Shkurenkov I., Lempert W.R., Adamo vich I.V. // AIAA Paper. 2015. № 1829. https://doi.org/10.2514/6.2015-1829

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение ионизационных процессов перед ударной волной: а – диффузия, б – фотоионизация [20]. Стрелкой показано направление движения ударной волны.

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость концентрации электронов перед сильной ударной волной в воздухе от расстояния до ударного фронта, измеренная зондовым методом при VSW = 12.3 (1), 11.5 (2) и 10.7 км/с (3) [40]. Начальное давление p0 = 0.23 Торр.

Скачать (43KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость концентрации электронов за сильной ударной волной в воздухе от скорости ударной волны, измеренная зондовым методом [43]. Линия – результаты равновесного расчета.

Скачать (42KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Электронные концентрации, измеренные за сильной ударной волной в воздухе на основе анализа штарковского уширения линий N (410 и 411 нм) при p0 = 0.9 (1), 0.5 (2), 0.2 (3) и 0.1 Торр (4) [57]. Линии – результат равновесного расчета.

Скачать (53KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Временна́я зависимость концентрации электронов в смеси 1% O2 + Ar за отраженной ударной волной при T = 11209 K и p = 0.37 атм, измеренная методами штарковского уширения (1) и штарковского сдвига (2) [58]. Линия – результаты расчета.

Скачать (39KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Интенсивность эмиссионных спектральных линий аргона, измеренная в плазме магнетронного разряда при мощности разряда 1 кВт и давлении 0.06 Па (1) и вычисленная с помощью столкновительно-радиационной модели (2) [62].

Скачать (50KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение экспериментальной зависимости ne = ne(x) за падающей ударной волной в Ar (1) при p0 = 5 Торр и VSW = 4.2 км/с [75] с результатами расчета (2) по столкновительно-радиационной модели [76].

Скачать (39KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение временны́х зависимостей ne, измеренных СВЧ-интерферометром с линиями Лехера (треугольники) и рупорно-линзовой фокусировкой (квадраты) при воспламенении смеси 0.5% СН4 + + 2% O2 + 97.5% Ar за отраженной ударной волной [77].

Скачать (33KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024