Динамика высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов

• Автор: Ловцов, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 95 с. : ил.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ПЛОТНЫМИ ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ
1.1 Основные физические процессы, происходящие при взаимодействии потоков электронов с
ПЛОТНЫМИ ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ
1.1.1 Упругое рассеяние
Однократное электрон-ядерное рассеяние
Многократное упругое рассеяние электронов
Кратное упругое рассеяние электронов
1.1.2 Неупругие соударения
Ионизационные потери
Тормозное излучение
1.1.3 Основные элементарные процессы в пучковой плазме
1.2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭП С ПЛОТНОЙ СРЕДОЙ
1.2.1 Кинетическое уравнение переноса
1.2.2 Метод Монте-Карло
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЛАБОИОНИЗОВАННОГО ГАЗА С ПОТОКОМ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
2.1 МОДЕЛИРОВА] 1ИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОТОКА ЭЛЕКТР0110В В ГАЗЕ
2.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕ1ШЯ ГАЗА
2.3 ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЛАБОИОНИЗОВАННОГО ГАЗА С КОНЦЕНТРИРОВАННЫМ ПОТОКОМ ЭЛЕКТРОНОВ
2.4 АНАЛИЗ ОГРАНИЧЕНИЙ МОДЕЛИ И ПОГРЕШНОСТЕЙ
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК
3.1 ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВЫЕ УСТАНОВКИ М-1 И М
3.2 ОПИСАНИЕ ЗОНДА ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
3.3 Описание методики визуальных наблюдений
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ
4.1 Описание расчен юй области и граничных условий
4.2 Расчет пространственного распределения энерговыделения потока электронов в газе
4.3 Расчет пространственного распределения плотности тока первичных электронов
4.4 радиационное поле плазме!п юго образования, возникающего при взаимодействии плотного
газа и потока электронов. Оценки и сравнение с экспериментом
4.6 ОЦЕ11КА СОСТАВА ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЫ ВОЗДУХА
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Сокращения
СДО - система дифференциальной откачки
ВАХ - вольт-амперная характеристика
КУБ - кинетическое уравнение Больцмана
ФРЭЭ - функция распределения электронов по энергиям
ЭП - электронный пучок
ЭП-плазма - электронно-пучковая плазма
Электрофизические установки, в которых используются потоки электронов большой мощности (более 1 кВт), применяются в различных областях науки и отраслях промышленности. Использование установок с выводом электронного пучка в плотную газовую среду (в том числе, в воздушную атмосферу) позволяет существенно повысить производительность и технологичность таких электроннолучевых технологий как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов и другие. Кроме того, открываются новые возможности по использованию подобных установок в качестве активаторов плазмохимических процессов: газоочистка дымовых газов от примесей оксидов азота и серы, осаждение тонких пленок из газовой фазы, например, для нужд солнечной энергетики.
Существуют два способа для вывода потока электронов в плотный газ: фольговый вывод и вывод с помощью СДО. Первый способ отличается простотой реализации, однако и системы с использованием дифференциальной откачки обладают рядом серьезных преимуществ, к которым относятся:
• возможность вывода потоков электронов с низкой начальной энергией (несколько десятков кэВ), что существенно снижает уровень радиации;
• возможность вывода потоков с большой плотностью мощности, что особенно важно в задачах поверхностного упрочнения и резки металлов;
• возможность создания установок большой мощности (к настоящему времени экспериментально опробована установка мощностью 500 кВт);
• отсутствие дорогостоящих расходных материалов (фольги).
Перечисленные выше преимущества обуславливают перспективы развития
технологических установок с выводом потока электронов с помощью СДО.
Использование подобных систем при поверхностном упрочнении материалов обеспечивает следующие преимущества по сравнению с лазерным и вакуумным электронно-пучковым способами упрочнения:
• высокая скорость обработки, составляющая до 10 см2/с и позволяющая создать высокопроизводительные промышленные линии;
максимальный энерговклад потока электронов в газ можно с помощью рис. 2.3 оценить в 1000 Вт/см3. С учетом цены ионообразования равной 35 эВ, скорость ионизации в воздухе составит —2 * 1020 см'эс''. Это соответствует степеням ионизации ~10'7 в холодном воздухе [59]. Реальная степень ионизации оказывается выше, что обусловлено прогревом газа. Температура газа может быть оценена с помощью «каналовой» модели [2], однако данная модель дает слишком завышенную оценку. Реальная оценка температуры из опыта эксплуатации электронно-пучковых установок составляет порядка 1500-2000 К.
Электронную температуру во многих работах принято считать практически равной температуре газа, что является нетипичным для газовых разрядов. Однако в электронно-пучковой плазме воздуха атмосферного давления электронная температура существенно ниже, чем в обычном газовом разряде. Это обусловлено эффективным охлаждением электронов в реакциях прилипания к молекулам кислорода, низкими электрическими полями и частыми столкновениями с нейтральными молекулами. Данное утверждение встречается во многих работах, посвященных рассмотрению электронно-пучковой плазмы, например [60,61]. В работе [61] даже приводится пример возможного существования электроннопучковой плазмы воздуха с температурой электронов ниже температуры газа. В других работах приводятся несколько другие оценки. Например, в диссертационной работе [29] приводятся данные экспериментального измерения температуры электронов в электронно-пучковой плазме холодного воздуха

атмосферного давления, создаваемой импульсным электронным пучком. В работе измерено, что средняя энергия электронов составляет 0.09 эВ. Однако данное расхождение не является существенным для последующих оценок.
При температуре газа порядка 2000 К доминирующим каналом исчезновения электронов является диссоциативная рекомбинация [62]. Концентрацию электронов в этих условиях можно оценить из следующего выражения Р = и,рп.п:+, (2.22)
где Р - плотность мощности, вкладываемой потом электронов в газ, - цена образования электрон-ионной пары (в воздухе составляет порядка 35 эВ), пе,П; -концентрации электронов и ионов соответственно, р - константа скорости