Реферат: Экспериментальное определение тока шнурования в пропанокислородных смесях

Возможен еще один механизм вывода тепла из разряда, который используется в современных мощных лазерах - прокачка газа через разряд. Этот механизм называют конвективным охлаждением. Речь идет о выводе тепла из разрядного объема. Если по-прежнему оперировать средней по длине потока L₁ температурой Т, то скорость теплоотвода из разрядного объема можно записать в том же виде Nc_p(T - T₀)_F, Т₀ - температура газа, вступающего в разряд, а _F = 2u/L₁ , u - скорость потока. В продольном разряде L₁=L - расстояние между электродами. Тогда нестационарное уравнение баланса запишется в виде

Опыт показывает, что в разряде, контролируемом диффузией, ВАХ изобразится не горизонтальной прямой, а слегка падающей. Это является следствием нагревания газа. У оси плотность тока больше, чем у стенок, так как там больше концентрация электронов (Е одинаково по сечению). Энерговыделение и температура газа на оси выше, чем у стенок. Поскольку частота ионизации фактически зависит не от Е/p, а от E/N, для поддержания ионизации в основной части токового сечения требуется меньшее поле, уменьшается и напряжение [15].

1.4. Устойчивое и неустойчивое состояния

????? ??? ????? ???????? ????????, ??????????? ?????? ???????? ?????????? ?? ?? ? ?????, ? ? ???? ?????? (???.5). ???? ?? ?????????, ? ?????? ???????, ???????? неустойчивым ? ??????? ?? ???????????. ? ????? ????, ???? ?? ?????-?? ??????? ??? ???????? ??????????, ??? ??? ??????????? ?????????? ????? ???????? ??????????, ??? ???????????, ??????? ??? ?????? ??? ? ??????? ????????????? ?????????? ????????????? ??????????? ??????.

Возникнет дисбаланс между ионизацией и гибелью электронов, ионизация начнет расти, сопротивление разряда падать, ток расти, пока состояние не достигнет нижней точки пересечения. Нижнее состояние устойчиво. При n_e>0, i>0 напряжение станет меньше необходимого и повышенная гибель вернет степень ионизации в исходное состояние.

Опыт показывает, что разряд редко сохраняет диффузную форму, если газ в нем нагревается заметным образом, скажем вдвое, происходит контракция - стягивание столба в шнур, где степень ионизации, плотность тока и газовая температура резко повышаются - это преддверие к переходу тлеющего разряда в дугу при еще больших токах. Приведенные масштабы характеризуют верхние границы реализации слабоионизированной холодной плазмы диффузного тлеющего разряда. Чем выше давление, тем ниже по току и плотности электронов эта верхняя граница, тем сильнее нагревается газ при данном токе. Значит, для осуществления неравновесной слабоионизированной плазмы благоприятны низкие давления, для осуществления равновесной - высокие, порядка атмосферного.

Однородное состояние положительного столба тлеющего разряда часто оказывается неустойчивым, в особенности когда разряд происходит в больших объемах при повышенных давлениях, когда сильны ток и выделение джоулева тепла. Случайные возмущения катастрофически нарастают и плазма переходит в иное, пространственно неоднородное состояние. Вызываемые неустойчивостями неоднородные формации страты - разбиение положительного столба вдоль тока на чередующиеся светлые и темные слои [16]; контракция - стягивание плазмы в ярко светящийся токовый шнур известны давно [17,18]. Но в последнее время эти эффекты стали объектом особого внимания из-за тех затруднений, которые они вносят в создание мощных газовых лазеров. Преодоление тенденции к шнурованию разряда вылилось в центральную и самую трудную проблему при создании мощных электроразрядных лазеров.

Феноменологический признак устойчивости или неустойчивости

Неоднородность плазмы нередко видна на глаз. Неодинаковость свечения вызывается в первую очередь неодинаковостью плотности электронов. Стали быть, причины, приводящие к неоднородности, связаны с процессами, которые управляют плотностью электронов, их рождением, гибелью, переносом в пространстве.

Стационарному состоянию отвечает равенство скоростей и рождения и гибели Z₊=Z_- . Точке пересечения функций Z₊(n_e) и Z_-(n_e) соответствует стационарная плотность электронов n_e⁽⁰⁾, которая в конечном счете определяется внешними условиями: ЭДС источника, геометрией, более непосредственно - величиной тока, пропускаемого через разряд.

Рис. 6 а. Рис. 6 б.

Об устойчивости стационарного состояния можно судить по взаимному расположению кривых в его окрестности. Если при n_e>n_e⁽⁰⁾ Z_- проходит выше, а при n_e<n_e⁽⁰⁾ - ниже (кривой рождения рис. 6 а.), состояние устойчиво, ибо при случайном отклонении от равновесия система к нему возвращается. В противном случае (рис. 6 б) состояние неустойчиво: при случайном возрастании n_e рождение становится больше гибели и число электронов увеличивается еще сильнее.

Стабилизирующие и дестабилизирующие факторы

Указанные соображения позволяют качественно квалифицировать влияние различных факторов на устойчивость.

Диффузия и теплопроводность помогают рассасыванию неоднородностей плотностей частиц и температуры и поэтому принадлежат к числу стабилизирующих факторов.

Дестабилизирующую роль играет нагрев газа. Поскольку давление в газе выравнивается быстро, локальное повышение газовой температуры сопровождается уменьшением плотности (тепловым расширением). На величине поля это непосредственно не сказывается, но отношение E/N и зависящая от него T_e возрастают. Это ведет к усилению ионизации, локальному повышению проводимости, плотности тока j и выделению джоулева тепла jE или ^. В результате газ нагревается еще сильнее. Это так называемая ионизационно-перегревная неустойчивость, наиболее распространенная и опасная.

Дестабилизируют разряд также ступенчатая ионизация и накопление метастабильных атомов и молекул. В сущности, вопрос об устойчивости решается тем, кто выйдет победителем в соревновании дестабилизирующих и стабилизирующих факторов.

Продольные и поперечные неоднородности

Цепочки причинных связей между различными процессами при развитии возмущений и их конечный результат зависят от ориентации неоднородностей по отношению к направлениям электрического тока и поля. Если n_e меняется вдоль направления Е, в результате нарастания таких продольных возмущений n_e (рис. 7а) образуются страты. В результате нарастания поперечных возмущений (рис. 7б) происходит контракция и образуются шнуры с резко повышенной плотностью электронов -вдоль них и течет ток. В трубках плазма стягивается к оси, а в

плоском канале шнуров бывает несколько. При одномерных поперечных возмущениях и в случае сформировавшихся шнуров поле вдоль его направления остается неизменным. Во времени поле изменяться может, но повсюду одинаково (при шнуровании возрастает величина разрядного тока и напряжение на электродах падает).

1. 5. Инкремент нарастания неустойчивости

n_e=n_e⁽⁰⁾ +n_e , n_e=(n_e)_a e^{i(wt - kr)}

- поперечные возмущения, - продольные.

Подстановка таких выражений в уравнения дает связь между амплитудами возмущений различных параметров (n_e , Т_e), дисперсионное соотношение, связывающее комплексную частоту w c k. Если Re i>0 возмущения будут нарастать по экспоненциальному закону. Характерное время развития неустойчивости . Если  , возмущения затухают, то есть состояние устойчиво.