Наносекундный сильноточный разряд в сверхзвуковом потоке газа

НАНОСЕКУНДНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ РАЗРЯД В

СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ГАЗА

Исследованы параметры объемного самостоятельного наносекундного разряда с предыонизацией газа УФ-излучением в потоке воздуха. При неоднородном распределении параметров потока разряд "стягивается" в области пониженной плотности газа, которые становятся при этом источником повышенной интенсивности свечения. Проведен сравнительный анализ удельного энерговыделения в самостоятельном разряде как на этапе его однородного горения, так и при самолокализации в зоне разрывов (градиентов) газодинамических параметров. Показано, что в последнем случае влияние разряда на характеристики потока может значительно возрастать за счет существенного роста удельного энерговклада.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование влияния электрических разрядов на параметры газодинамического потока является актуальной проблемой, связанной с прикладными задачами лазерной физики, плазменной аэродинамики, плазмохимии и др. Изучение взаимодействия сверхзвуковых потоков с газоразрядной плазмой проводилось в широком диапазоне начальных давлений газа и скоростей потока в различных электроразрядных системах, включая разряды постоянного тока, ВЧ и СВЧ разряды. Было показано, что разряд может оказывать существенное влияние на параметры течения, структуру разрывов и аэродинамическое сопротивление модели.

В указанных и ряде других работ обсуждался также вопрос о механизме воздействия разряда на газодинамический поток. В настоящее время можно, по-видимому, считать установленным утверждение о связи основного изменения характеристик течения с тепловым воздействием электрического разряда. При этом особо отмечается существенное влияние пространственной структуры зоны энерговыделения на параметры потока, что в свою очередь определяет повышенный интерес к исследованиям разрядов с пространственно-неоднородным распределением параметров и, в частности, контрагированных разрядов.

Наряду с этим представляет интерес использование электроразрядных систем для визуализации пространственной структуры нестационарных течений. Поскольку константы скорости возбуждения электронным ударом большинства излучающих состояний молекул являются нелинейными функциями приведенного поля E/N (Е - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц), то свечение разряда позволяет визуализировать пространственное распределение плотности газа.

В настоящей работе проведен сравнительный анализ удельного энерговыделения в импульсном объемном самостоятельном разряде как на этапе его однородного горения, так и при самолокализации в зоне разрывов газодинамических параметров. Показано, что в последнем случае влияние разряда на характеристики потока может значительно возрастать за счет существенного роста удельного энерговклада. Обсуждается возможность использования эффекта самолокализации разрядов для приложений.

ОБЪЕМНЫЙ САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД В ОДНОРОДНОМ ПОТОКЕ ГАЗА

Экспериментальные исследования импульсного самостоятельного разряда в потоке воздуха проводились на установке (рис. 1), включающей ударную трубу сечением 48 х 24 мм², состыкованную с разрядной секцией того же сечения. В качестве "толкающего" газа использовался гелий. В разрядной секции длиной 100 мм зажигался объемный самостоятельный разряд с предыонизацией газа УФ-излучением от плазменных листов, формируемых системой скользящих разрядов. Такой вид разряда широко используется для накачки эксимерных и С0₂-лазеров. Площадь электродов составляла 48 х 100 мм², межэлектродное расстояние - 24 мм. Интегральное свечение за время импульса разряда регистрировалось через окна рабочей камеры в направлении, перпендикулярном оси течения.

На первом этапе происходит поджиг плазменных листов (электродов) на верхней и нижней стенках ударной трубы, затем зажигается основной разряд. При этом ток основного разряда замыкается через плазму скользящего разряда, что и объясняет использование термина "плазменные электроды". УФ-излучение от скользящего разряда формирует достаточно однородный плазменный фон в межэлектродном промежутке и обеспечивает однородность энерговыделения в основной фазе разряда. Это подтверждается приведенной на рис. 2 фотографией разряда. Как видно, распределение интенсивности свечения разряда является достаточно однородным.

                        Рис. 2. Фотография разряда в однородном потоке газа.

Следует отметить, что причиной объемного характера исследуемого разряда является не только перекрытие электронных лавин, но и достаточно крутой фронт импульса напряжения. В случае медленного роста приложенного напряжения значительная часть начальной фазы развития разряда происходит в допробойных полях, что приводит к гибели заряженных частиц. В результате на стадии формирования пробоя пространственная структура разряда может оказаться неоднородной.