ВІЗУАЛІЗАЦІЯ бистропротекающих плазмохімічних процесів НА ОСНОВІ МЕТОДУ КОМП'ЮТЕРНОЇ ТОМОГРАФІЇ
Виконано дослідження взаємодії високоентальпійного згустку метанової плазми з метаном, що знаходяться в плазмохімічному реакторі. На основі фотореєстрації течії плазми за допомогою фоторазверток і використання методів комп'ютерної томографії отримана візуалізація взаємодії потоку плазми з спочиваючим газом. Вперше виконана томографическая реконструкція просторової структури реагентних зон і динаміки їх розвитку в мікросекундних масштабі часу. Реагентні зони визначалися по випромінюванню атомарного водню (лінія На) і молекулярного вуглецю (смуги Свана). Реконструкція здійснювалася за допомогою алгоритму на основі методу максимуму ентропії. Отримані результати дозволили ідентифікувати просторово-часову структуру виникають реагентних зон і встановити їх взаємозв'язок з ударно-хвильової картиною перебігу.
PACS: 82.33.Xj, 52.70.-m
В останні роки значна увага направлено на фундаментальні дослідження явищ, пов'язаних з впливом концентрованих потоків енергії на речовину і, зокрема, взаємодії високоентальпійних плазмових потоків з речовиною. Інтерес до цих явищ обумовлений новими можливостями в плазмових і нанотехнологіях. Попередні роботи по електродинамічної прискоренню плазми дозволили створити клас джерел, що генерують високо-ентальпійного потоки плазми з широко регульованим діапазоном параметрів. Подальший розвиток цього напряму вимагає більш глибокого розуміння процесів, що протікають в плазмохимических реакторах.
У даній роботі виконані дослідження взаємодії високоентальпійного потоку метанової плазми з спочиваючим газом (теж метаном) в плазмохімічному реакторі. Плазма ініційована потужним імпульсним розрядом і прискорена магнітним полем до надзвукової швидкості близько 5 км / с. Діаметр потоку плазми становив 2 см, що дозволяє говорити про те, що в малому обсязі плазми має місце висока кумуляція енергії. Вплив таких потоків плазми на газ розвивається на мікросекундних масштабах часу. Дослідження просторово-часової картини взаємодії потоків плазми з спочиваючим газом є надзвичайно актуальними з точки зору розуміння процесів, що протікають в плазмохимических реакторах з подальшими можливостями
управління і контролю цими бистропротекающих-ські процесами. Подібна проблема може бути вирішена при комплексному підході, що поєднує оптичні методи діагностики на основі швидкісної фотореєстрації і математичні методи комп'ютерної томографії. Фотореєстрація дозволяє отримати інтегральні за обсягом плазми характеристики випромінювання. Важливою перевагою цього підходу є його неінвазивний, тобто в процесі вимірювання не відбувається обурення параметрів самої плазми. Алгоритми комп'ютерної томографії дозволяють розрахувати локальні значення коефіцієнтів випромінювання. В умовах термодинамічної рівноваги ці коефіцієнти пов'язані через співвідношення Больцмана і Саха з температурою і щільністю електронів. У нерівноважної плазмі вони пропорційні локальним значенням щільності випромінюючих атомів і іонів в певних збуджених станах. У плазмохимических реакторах розподіл коефіцієнтів емісії відповідних елементів характеризує просторову структуру реагентних зон.
Сучасні алгоритми і методи комп'ютерної томографії дозволяють здійснювати реконструкцію просторових параметрів плазми, включаючи досить тонкі внутрішні структури. Комп'ютерна томографія є потужним методом діагностики як високотемпературної, так і низькотемпературної плазми. На даний момент томографическая техніка більш розвинена для дослідження м'якого рентген
ського випромінювання в джерелах високотемпературної плазми, таких як токамаки і стела-ратора. Що стосується низькотемпературної плазми, то більшість досліджень пов'язано з аксіально-симетричними плазмовими об'єктами, для реконструкції яких досить одного ракурсу спостережень. Однак об'єкти, що не симетричні в тій чи іншій мірі, часто зустрічаються в реальних плазмових експериментах. Великі зусилля спрямовані на створення алгоритмів і методів, здатних відновити досить детальну структуру таких плазмових об'єктів. У разі аксиальной симетрії плазми або плазми зі слабкими збуреннями симетрії відновлення просторових параметрів можливо на основі проекційних даних, отриманих з мінімального числа ракурсів спостереження. Так, в [1] була виконана томографическая реконструкція просторового розподілу щільності збуджених атомів ртуті, випромінюючих на довжині хвилі 546.1 нм в високочастотному безелектродного розряді. Реконструкція здійснювалася за допомогою алгоритму на основі методу максимуму ентропії. Отримані результати показали, що для всіх досліджуваних режимів роботи щільність випромінюючих атомів ртуті в стані 73 £ 'має профіль, що характеризується наявністю мінімуму в центрі і максимуму поблизу стінки лампи. В [2] на основі томографічного підходу було отримано розподіл електронної щільності в плазмі, що генерується лазерним випромінюванням в присутності магнітного поля. Передбачалося слабке порушення аксіальної симетрії, що дозволило виконати реконструкцію з двох взаємно перпендикулярних напрямків. В роботі [3] була виконана томографическая реконструкція просторового розподілу щільності атомів хрому в дугового плазмі.
У даній роботі виконано томографическая реконструкція просторово-часового розподілу коефіцієнтів випромінювання атомарного водню (по лінії Н ") і молекул вуглецю С2 (по смугах Свана) в плазмохімічному реакторі. В якості методу реконструкції використовувався метод максимуму ентропії. Алгоритм на основі методу максимуму ентропії був розвинений в попередніх роботах [4, 5] і протестований в чисельному моделюванні і реальних експериментах. Розрахунки показали, що цей алгоритм дає хорошу якість реконструкції навіть в умовах сильно обмеженого числа ракурсів вимірювань. У даній роботі він використовується для одноракурсних реконструкції симетричного джерела.
Мал. 1. Схема установки.
Експерименти проводилися на установці, схема якої представлена на рис. 1. Досліджувані процеси протікають всередині герметичної циліндричної ємності (1), що має діаметр 350 мм і висоту 400 мм. Спостереження проводилися через оптичне вікно (3) зі світловим діаметром 100 мм. Як прискорювач плазми використаний коаксіальний електродинамічний прискорювач (гармата Маршалла) (2), що забезпечує генерацію плазмових згустків в широкому діапазоні швидкостей - від одиниць до десятків кілометрів на секунду при початковому тиску газу до тисяч Па. Канал прискорювача плазми довжиною 300 мм має внутрішній діаметр 20 мм. Ємність батареї конденсаторів (4) 6.6 мкФ, її робоча напруга становить 30 кВ. В якості комутатора використаний керований розрядник (5). Робочий цикл установки наступний. Підготовка пуску полягає в відкачуванні робочого об'єму до тиску нижче 5 Па (7) і подальшим його заповненні природним газом до тиску 250 Па. Потім проводиться зарядка батареї і підготовка вимірювальних і реєструючих приладів до пуску. Розряд батареї призводить до утворення плазми (6), ускоряемой електродинамічними силами до високої швидкості, з ударною хвилею у фронті. Далі потік потрапляє в простір, заповнений досліджуваним газом. Проходження високоентальпійного потоку плазми через спочивають газ супроводжується великою різноманітністю ударно-хвильових, теплових, плазмохімі-чеських і випромінювальних процесів, що характеризуються мікросекундними тимчасовими масштабами. Метою даної роботи було вивчення просторово-часових характеристик процесу інжектування плазми, що генерується прискорювачем, в хімічно активне середовище. Реєструючи і досліджуючи спектральний склад випромінювання і просторовий розподіл коефіцієнта випромінювання в різних спектральних діапазонах,
Мал. 2. Спектр випромінювання.
ми отримали дані про просторову структуру і характерних часи, властивих досліджуваним явищам.
В експериментах проводилася реєстрація спектра випромінювання з реакційної області, швидкісна фотореєстрація процесу, вимірювання напруги на прискорювачі і розрядного струму через прискорювач. Спектр випромінювання, інтегральний по часу, реєструвався з вузькою (з шириною близько 1 мм і з висотою близько 80 мм) вертикальної області, розташованої на відстані 15 мм від кінця каналу прискорювача (лінія (а) на рис. 1) за допомогою спектрографа з схрещеною дисперсією СТЕ-1. При цьому зображення досліджуваної області будувалося на вхідній щілині спектрографа, що дозволяло оцінювати залежність спектра випромінювання від відстані від осі прискорювача. Середина цієї області знаходиться по осі каналу.
Реєстрація фоторазверток проводилася при двох орієнтаціях щілини - поперек і уздовж осі прискорювача. Розташування крайніх з використовувалися для реконструкції 13 поперечних перерізів схематично показано пунктирними лініями (б) і (в) на рис. 1. Щілина, орієнтована уздовж осі, позначена на малюнку лінією (г). В останньому випадку реєструвалося випромінювання пріосевой області потоку плазми, що поширюється по осі прискорювача. Отримана при цьому фоторазвертка використовувалася для синхронізації фоторазверток, зареєстрованих
0 10 20 30 40 t, мкс
Мал. 3. Поздовжня фоторазвертка.
при поперечному розташуванні щілини, на яких спостерігається переміщення світяться областей поперек осі на різних відстанях від кінця каналу прискорювача. Така синхронізація необхідна для проведення томографической реконструкції. Поперечні перерізи розташовувалися з кроком 5 мм. Повторюваність процесу від пуску до пуску була перевірена і виявилася досить високою
Для подальшого прочитання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються в форматі PDF на зазначену при оплаті пошту. Час доставки становить менше 10 хвилин. Вартість однієї статті - 150 рублів.