Формирование долгоживущих светящихся образований при помощи эрозионных плазменных генераторов

• Автор: Бычков, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Эксперименты по получению ДСО в электроразрядных условиях

1.2. Эксперименты с использованием плазменных струй

1.3. Теоретические модели

Выводы к Г лаве

Глава 2. Свойства шаровых молний - ДСО естественного происхождения

2.1. Данные наблюдений ДСО естественного происхождения

2.2. Энергетические характеристики ДСО естественного происхождения

Выводы к Главе

Глава 3. Теоретический анализ процессов образования ДСО в плазме при

атмосферном давлении при наличии органических компонентов

3.1. Рост полимерной макроструктуры - каркаса ДСО в плазме при
высоких давлениях газа
3.2. Модель роста
3.2.1. Первый этап кинетической стадии роста полимерной структуры
3.2.2. Второй этап кинетической стадии роста полимерной структуры
3.2.3. Гидродинамическая стадия роста
3.3. Оценка энергии, которую может накопить ДСО с полимерным каркасом
3.4. Время жизни заряженных полимерных структур
3.5. Сравнение данных теории с экспериментами по получению
ДСО в газовых разрядах
3.6. Сравнение данных теории с наблюдениями естественных шаровых молний...68 Выводы к Главе
Глава 4. Экспериментальное моделирование ДСО на основе
полимерных органических материалов в воздухе
4.1. Описание плазменных генераторов, используемых в экспериментах
4.2. Исследования воздействия плазмы торцевого плазматрона
на полимерные материалы
4.3. Исследования воздействия плазмы капиллярного плазматрона.
на полимерные материалы
4.3.1. Характеристики струй плазмы капиллярного плазматрона
4.3.2. Получение светящихся шаров
4.3.3. Получение ДСО с полимерной структурой
4.4. Исследования воздействия плазмы открытого плазмотрона
с полостью между электродами на полимерные материалы
4.5. О природе всплывающих светящихся областей и ДСО
4.5.1. Температура всплывающих шаров
4.5.2. Возможная природа ДСО, созданных при помощи капиллярного плазмотрона
Выводы к Главе
Заключение
Список литературы
Приложение

Обшая характеристика работы
Во второй половине 20 века в связи с исследованиями плазмы различного типа разрядов в атмосфере появилось понятия «долгоживущие плазменные образования» (ДПО) и «долгоживущие светящиеся образования» (ДСО). Эти объекты появлялись в разрядных экспериментах при создании особо ярких источников излучения, при изучении снижения сопротивления летательных аппаратов при помощи плазмы, при исследовании воздействия плазмы на различные материалы и в плазмохимических процессах.
Отличительной особенностью данных объектов является аномально большое время их существования г/ (свечения) в сравнении с временем их генерации разрядным источником Tg, щ >>Tg , или типичньм временем рекомбинации заряженных частиц в плазме Trec, Tl»TrecДругой особенностью ДСО является их пространственная автономность, то есть способность свободно перемещаться в пространстве сохраняя свою форму, размер и цвет. По этим свойствам ДСО сходны с природными шаровыми молниями. Они отличаются от огней «Св. Эльма» именно свойством автономности. Такое свойство, в частности, отсутствует у плазменных объектов, генерируемых и поддерживаемых СВЧ излучением.
Актуальность темы
Исследования долгоживущих светящихся образований актуальны с точки зрения изучения фундаментальных свойств плазмы, определения механизмов появления различного рода структур в плазме, транспорта энергии в плазме, а также выяснения природы шаровых молний, которая не имеет общепризнанного объяснения в настоящее время.
Развитие представлений о ДСО может способствовать их приложениям в плазмохимии, созданию новых способов транспорта энергии на большие расстояния, а так же созданию особо ярких источников излучения, в случае большого энерговклада.
Целью работы являлось:
1. Выяснение возможной связи между экспериментально созданными ДСО и шаровыми молниями (ШМ).
2. Сбор и анализ наблюдений естественных шаровых молний для подтверждения их высоко энергетических свойств.
3. Развитие моделей образования, аккумулирования энергии и разрушения макроскопических полимерных структур в плазме.
4. Экспериментальное исследование взаимодействия плазмы эрозионных разрядов с полимерными материалами и создание долгоживущих светящихся образований в лаборатории.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Развита теория образования крупных (до макроскопических размеров) полимерных структур в плазме при давлении порядка атмосферного и определена зависимость их времени жизни от диаметра структуры.
2. Собраны и проанализированы новые наблюдения естественных шаровых молний, позволившие оценить ее энергию (до 2,6106 МДж/м3).
3. Разработана методика, позволяющая получать светящиеся образования двух типов:
• с полимерным каркасом с видимым диаметром до 0.5-2 см и временем жизни до 0.5-1.5 с - при помощи эрозионных инжекторов плазмы различной геометрии при использовании различных эродирующих материалов;
• с видимым диаметром до 15 см и временем жизни до 0.5 с - при помощи торцевого и капиллярного разрядов в парах воска и парафина.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
1. сравнением результатов представленных теоретических моделей с данными экспериментов, приведенными в литературе;
2. данными экспериментов, проведенных в настоящей работе одновременно с теоретическими исследованиями;
3. проведением серии контрольных экспериментов и достижением повторяемости результатов;
4. проведением структурных анализов образцов материалов, полученных в ходе экспериментов, в сторонних лабораториях, располагающих отработанными методиками соответствующих исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем
1. Собранные, обработанные и проанализированные данные по природным шаровым молниям позволяют целенаправленно развивать исследования в этой области и планировать постановку дальнейших экспериментов по созданию структур, перспективных для создания аккумуляторов нового типа.
2. Развитые модели образования в плазме крупных электрически заряженных

столкновении с которыми происходит уменьшение числа звеньев в молекуле
концентрация возбужденных молекул газа, при столкновении с ними происходит уменьшение числа звеньев в молекуле или происходит ионизация молекулы, что исключает ее из рассмотрения. Ии - коэффициент диффузии полимерной молекулы (в явном виде он имеет отрицательный знак, учитывающий вынос частиц на стенку реактора). Кц- константы скорости процессов, ведущих к увеличению числа звеньев в полимерной молекуле; Кц и К& -константы скорости процессов деструкции этой молекулы.
При написании этого соотношения были использованы результаты работ [98, 99], где рассмотрены основные процессы в ионизованном воздухе с углеводородными компонентами.
В выражении (3.4) значения №к+1Ые и Кла так же адУ различаются не значительно, так как константы диссоциации практически не зависят от размера молекул, поэтому выражение (3.4) мы можем переписать в упрощенном виде:
Анализ системы уравнений (3.4) показывает, что оптимальные условия для роста макромолекулы на начальной стадии могут реализоваться при выполнении следующих соотношений:
где с -множитель, связан с формой экспериментальной установки, До -ее характерный размер. Можно ввести эффективную константу скорости образования макромолекулы Кк,к+і следуя стандартным методам физики элементарных процессов [114]:
где у-коэффициент прилипания мономера к олигомеру, с эффективным размером г, у = (8ТІяггі)112- средняя скорость мономера в газе, т -его масса. Формула (3.7) показывает, что мономер со скоростью V, налетающий на олигомер с эффективным размером гь прилипает к нему с вероятностью у.
Используя формулы (3.1'), (3.3) и (3.7), определим константу скорости роста олигомера для молекул из подвижных цепочек
(3.4 б)
Кк,к+і-МРе>сВк/Яо2,
(3.5)
(3.6)
(3.7)