Исследование устойчивости тлеющего разряда

• Автор: Смирнов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 138 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Экспериментальное исследование параметров стационарного тлеющего разряда в поперечном и струйном потоках газа, численный анализ экспериментальных данных
1.1. Обзор литературы и постановка задачи
1.2. Экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов
1.3. Система уравнений стационарного двумерного потока колебательно-неравновесного газа
1.4. Экспериментальное исследование предельных параметров тлеющего разряда при работе одного катода
1.4.1. Поперечный разряд
1.4.2. Разряд при вдуве газа по касательной к поверхности катода
1.4.3. Разряд при вдуве газа по нормали к поверхности катодной платы
1.5. Экспериментальное исследование и модель распределения параметров разряда по катодам секционированной катодной платы
1.6. Экспериментальное исследование устойчивости тлеющего разряда с секционированной катодной платой
1.7. Выводы
ГЛАВА 2. Аналитическая модель катодного слоя при неоднородной плотности газа и предельный ток стационарного тлеющего разряда
2.1. Обзор литературы и постановка задачи
2.2. Аналитическая модель катодного слоя тлеющего разряда при неоднородной плотности газа
2.3. Тестовые расчеты аналитической модели катодного слоя
2.3.1. Нормальная плотность тока в стационарных условиях
2.3.2. Установление нормальной плотности тока
2.3.3. Аномальный катодный слой
2.4. Применение аналитической модели катодного слоя для расчета предельного тока стационарного тлеющего разряда

2.4.1. Определение критических условий по величине напряженности электрического поля на поверхности катода
2.4.2. Модель расчета предельного тока тлеющего разряда с секционированной катодной платой, идентификация критических условий
I по величине Е/N в объеме катодного слоя
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. Самосогласованные модели катодного слоя импульсного тлеющего разряда и механизм термоионизационной неустойчивости катодного слоя
3.1. Обзор литературы и постановка задачи
3.2. Схема процессов и критерий развития неустойчивости
3.3. Система уравнений неравновесной физико-химической газодинамики
3.3.1. Уравнения движения умеренно разреженного газа
3.3.2. Уравнения колебательной и химической кинетики
3.4. Система уравнений для электрических параметров катодного слоя
3.4.1. Формулы расчета напряженности электрического поля по аналитической модели катодного слоя
3.4.2. Уравнения диффузионно-дрейфового приближения
3.5. Результаты расчетов при определении электрических параметров по
аналитической модели катодного слоя (Модель 1)
3.6. Результаты расчетов при определении электрических параметров в
диффузионно-дрейфовом приближении (Модель 2)
3.6.1. Тестирование уравнений диффузионно-дрейфового приближения в стационарных условиях при однородной плотности газа
3.6.2. Результаты расчетов с использованием полной модели катодного слоя
3.7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена изучению устойчивости стационарного и импульсного тлеющих разрядов, на основе которых созданы различные типы лазеров [1-4], среди них - СО2-лазеры непрерывного действия с мощностью излучения до 100 кВт и лазеры импульсно-периодического действия с пиковой мощностью излучения порядка гигаватт. В лазерах сжатие тлеющего разряда в дугу -контракция - не желательное, но широко распространенное явление, сопровождающееся срывом генерации когерентного излучения и, нередко, разрушением элементов конструкции установки.
Для повышения эффективности лазерных систем необходимо понимание процессов контракции тлеющего разряда, что связано с созданием физико-математических моделей. При разработке моделей разряда необходимо самосогласованное описание электрических и газодинамических процессов, так как величина и пространственная однородность скорости ионизации, а следовательно, и устойчивость тлеющего разряда зависят от параметра Е/N, где Е - напряженность электрического поля, N - концентрация молекул газа.
Проявления неустойчивости тлеющего разряда многообразны [5-9], она может развиваться в положительном столбе и в анодном слое разряда, хорошо известно о высокой вероятности развития контракции в катодном слое [8-16]. Однако при изучении влияния параметров газового потока на предельные характеристики стационарного разряда превалирующим было положение о развитии неустойчивости перегревно-ионизационного типа в положительном столбе [17-22]. Это должно было бы привести к детальному описанию структуры потока газа в разрядной камере, но, как правило, в моделях использовались одномерные или квазидвумерные газодинамические приближения, далекие от реальных свойств высокоскоростных потоков с пограничными слоями, общие характеристики которых даны в монографиях [23-25], а для поперечного тлеющего разряда экспериментально исследованы в [26].

причиной отсутствия модели расчета распределений тока и потенциала разряда по катодам. В результате на практике [103] номиналы балластных сопротивлений, обеспечивающие равномерное распределение тока по катодам, как правило, определялись эмпирически. Расчеты распределения величины Е в объеме разряда в [78] проводились с использованием экспериментальных данных о потенциалах катодов, а в [104, 105] уравнения колебательной кинетики решались с использованием экспериментальных данных об энерговкладе и Е/И.
В диссертации предложена эффективная и достаточно простая модель для расчета распределения тока разряда по катодам [39, 85, 86], она основана на дополнении уравнения (1.24) системой уравнений газодинамики. Для проверки модели предварительно были измерены токи и потенциалы катодов. Рассматривались поперечный поток и струйный поток при вдуве газа по нормали к поверхности катодной платы. Затем анализ результатов, полученных для поперечного потока, был выполнен с использованием системы уравнений (1.6) -(1.10), (1.24). Оценочный расчет температуры потока, создаваемого в канале струйным вдувом газа через катодную плату, проводился по одномерной системе уравнений, полученной упрощением (1.6) - (1.10), а именно при V = 0 и при нулевых градиентах параметров потока вдоль у. Вдув газа моделировался ступенчатым увеличением массового расхода после каждого поперечного ряда катодов. Условия на входе в канал записывались в виде и(0)=и0=0.0 5■ Овд/ро/5, Т(0)=То, р(0)=ро, еДО)=е0(То), То=293. Коэффициент перед Овд определен по числу щелей (20 шт) в катодной плате.
Температура на поверхности катодной платы Ту=н=Т(х) вычислялась для момента времени 300 с (Приложение), что было согласовано с временем проведения измерений токов и потенциалов катодных элементов. На аноде задавалось условие Ту=о=То, Т0=293 К.
В случае поперечного потока рассчитывался ламинарный режим течения, так как число Рейнольдса, вычисленное по высоте канала, было равно Ке=7.33Т03, что меньше критического значения Кекр=7.62-103, начиная с которого установившееся ламинарное течение неустойчиво к бесконечно малым возмущениям. Одновременно длина установления течения Еуст=0.04-и0Н2/у [24]