Файл: Лабник 2015.doc

4) Поджиг дуги. После подачи электрического питания на стенд, запуск плазмоторона осуществляется с помощью вспомогательного электрода: внутрь плазмотрона вставляется вольфрамовый стержень, на короткое время замыкающий электроды, после чего стержень удаляется; в результате в плазмотроне должна зажечься электрическая дуга.

Рис. 1б.6. Схема съемки ступенчатого ослабителя. 1 – источник света,

2 – линза F=75, 3 – линза F=150, 4 – спектрограф с видеокамерой Logitech

Рис. 1б.7. Схема регистрации интенсивности излучения дуги.

1 – плазмотрон, 2 – линза F=150, 3 – спектрограф с видеокамерой Logitech

5) Съемка распределения интенсивности излучения дуги по ширине канала. Осуществляется аналогично съемке сенситометрической характеристики ослабителя. Сохраните результат – полученное изображение. Запишите также силу тока дуги, измеряемую амперметром.

6) Завершение работы. Осуществляется в обратном порядке: сначала отключается электропитание, подаваемое на стенд, затем выключается генератор постоянного тока; прекращается подача на стенд аргона и охлаждающей воды. Затем выключаются спектрограф и компьютер.

1б.3.Обработка результатов лабораторной работы

Обработка результатов заключается в построении сенситометрической характеристики ПЗС-линейки, последующем приведении измеренного сигнала к относительной, а затем и к абсолютной интенсивности излучения, решение уравнения Абеля, получение распределения температуры электрической дуги по радиусу.

Методика построения сенситометрической характеристики описана в п. 1б.2.2. Приведение сигнала к относительной интенсивности осуществляется путем сопоставления измеренного сигнала величине , определяемой через интерполяцию значений из таб. 1б.1. Приведение к абсолютному сигналу осуществляется двумя способами.

Способ 1(контрольный). Каждому значению силы тока соответствует заранее измеренная температура в центре столба дуги (см. таб. 1б.3), что позволяет определить по формуле (1б.4) значение объемного коэффициента излучения в центре столба. Получить абсолютные значения объемных коэффициентов излучения при произвольном радиусе r можно по формуле

, (1б.10)

где – относительные объемные коэффициенты излучения, получаемые при решении уравнения Абеля с относительными интенсивностями излучения.

Способ 2. В результате выполнения лабораторной работы №3 по методу относительных интенсивностей для спектральных линий аргона определяется температура в центре дуги. Именно эта величина и используется для определения значения объемного коэффициента излучения в центре столба. Абсолютные значения объемных коэффициентов излучения при произвольном радиусе r далее вычисляются по формуле (1.10).

Таблица 1б.3

Температура в центре столба дугового разряда в плазме аргона

(давление 0,1 МПа, радиус канала 3 мм)

Решение уравнения Абеля описано в п. 1б.2. Решение следует осуществлять путем написания программы. Рекомендуется первоначально аппроксимировать полученную зависимость полиномами, после чего определять зависимость . Построение графика температуры осуществляется через зависимость с помощью формулы (1б.7).

По окончании работы не забудьте подготовить отчет.

1б.4.Порядок защиты

Для защиты лабораторной работы учащийся должен представить распечатанные файлы программы, с помощь которой осуществлялась обработка экспериментальных данных. На защите лабораторной работы студент обязан продемонстрировать не только знание технической части работы, но и понимание ее теоретических основ. При подготовке к защите полезно ответить на контрольные вопросы, приведенные в п.1б.5.

1б.5.Контрольные вопросы

1. Температура какой плазменной компоненты определяется в данной ЛР?

2. Падающий световой поток на вход видеокамеры (следовательно, его сигнал) зависит от ширины раскрытия щели спектрографа. Почему в данной ЛР не требуется ее измерять?

3. Какие параметры нужно измерить в данной ЛР, чтобы определить температуру дуги в центре столба?

4. Как изменилось бы уравнение переноса излучения, если бы плазму нельзя было считать оптически тонкой?

5. Объясните физику процессов, имеющих место при поджиге дуги способом, применяемым в данной ЛР.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ

2.1. Цель работы

Целью настоящей работы является исследование свойств газоразрядной плазмы в магнитном поле. В процессе выполнения лабораторной работы студенты получают навыки в проведении следующих операций:

1. Отработка методов получения газоразрядной плазмы и закрепление навыков работы с измерительной аппаратурой.

2. Экспериментальное исследование эффекта Холла в газоразрядной плазме в виде получения зависимости холловского напряжения от величины индукции магнитного поля.

3. Обработка экспериментальных результатов.

4. Расчет температуры электронов и времени потери импульса в неравновесной плазме, находящейся в газоразрядной трубке в предположении, что разряд горит в т.н. режиме Шоттки.

5. Анализ погрешностей величин, измеряемых в ходе эксперимента.

2.2. Описание экспериментальной установки

В настоящей работе эксперимент проводится на газоразрядной кварцевой трубке, изображенной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема газоразрядной трубки

Здесь цифрами 1-4 обозначены электрические зонды, предназначенные для измерения электрических полей, возникающих в трубке при горении в ней тлеющего разряда. Зонды представляют собой двойные молибденовые проволочки, впаянные в стенки трубки. Буквой А на рис. 2.1. обозначен анод, буквой К – катод. Катод является обогреваемым, он выполнен в виде полого стакана, внутри которого располагаются спирали, по которым пропускается переменный электрический ток, нагревая их до красного каления (около 800⁰ С). Электроны с катода попадают в газ в результате процесса термоэлектронной эмиссии.

Трубка помещена между полюсами электромагнита, с изменением тока в обмотке которого меняется индукция магнитного поля. В исследуемом диапазоне значений индукции магнитного поля в разрядной трубке, ее зависимость от тока в обмотке магнита практически линейна и изменению тока в обмотке на 1 мА соответствует изменение индукции магнитного поля на 1 Гс (10^-4 Тл). Принципиальная схема установки приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема установки

Здесь: V12 – вольтметр для измерения разности потенциалов между зондами 1-2; V34 – вольтметр для измерения разности потенциалов между зондами 3-4; A – амперметр для измерения тока в обмотке электромагнита; Источник– источник высокого напряжения для поджога разряда в газовой трубке, 1.5 кВ; Агат – источник питания электромагнита «Агат», 12 В; R – реостат для регулировки тока в обмотках электромагнита; П – переключатель для перекоммутации обмоток магнита; Ar – баллон с аргоном; K1 – вентиль регулировки натекания газа в систему; ВН-46-1М –форвакуумный насос ВН-46-1М; K2 – кран-переключатель, соединяющий насос с атмосферой.

Газоразрядная трубка заполняется аргоном, давление которого в рабочем режиме может варьироваться вентилем К1 в диапазоне 0.5–0.05 мм. рт. ст. Газовая система выполнена открытого типа, когда газ, непрерывно подтекающий в систему из баллона, непрерывно же откачивается из нее. Это обеспечивает достаточно высокую чистоту газа в исследуемом объеме. Разряжение в системе поддерживается форвакуумным насосом ВН-46-1М.

Давление аргона в разрядной трубке определяется с помощью ионизационно-термопарного вакуумметра ВИТ-2. В процессе выполнения работы используется только его термопарный преобразователь. Электродвижущая сила, развиваемая термопарным преобразователем, определяется температурой его нагревателя. Если в преобразователе, вакуумно-плотно соединенном с исследуемым объемом, ток накала нагревателя поддерживается постоянным (126 мА), то электродвижущая сил термопарного преобразователя будет определяться давлением окружающего газа, так как температура нагревателя зависит от его теплопроводности. При понижении давления теплопроводность газа уменьшается, температура же нагревателя увеличивается, увеличивается и электродвижущая сила термопарного преобразователя. По известной зависимости термо-э.д.с. от давления (таб. 2.1) определяется давление в обследуемой системе.

Таблица 2.1

Выбор аргона в качестве рабочего газа обусловлен хорошей изученностью его свойств в широком диапазоне параметров.

Для создания первоначальной ионизации в объеме трубки требуется, чтобы первичные электроны, всегда, хотя и в малом количестве присутствующие в газе, имели возможность, будучи ускоряемы электрическим полем, на длине своего свободного пробега набрать энергию, достаточную для ионизации нейтральных атомов. В этой связи пробой холодного газа при возникновении тлеющего разряда, даже при пониженных давлениях, требует значительной напряженности электрического поля. Поэтому для поджога и последующего поддержания горения тлеющего разряда используется источник высокого напряжения (максимальное выходное напряжение U = 1.5 кВ, ток разряда не более I=2 мА).

Физические явления, лежащие в основе эффекта Холла в плазме, подробно изложены в работах [1, 3, 4] и здесь детально не описаны.

2.3. Включение лабораторной установки

1. Подать напряжение на стенд тумблером «Сеть» на управляющей панели стенда. Это должно сопровождаться загоранием зеленой контрольной лампы.

2. Включить расположенные на передней панели стенда универсальные приборы, предназначенные для измерения разности потенциалов между зондами 1-2, 3-4 и для измерения тока в обмотке электромагнита. Для этого установить переключатели приборов в положение, указанное на табличке над каждым из приборов. Включение приборов сопровождается появлением индикации на их информационном табло.

3. Подать напряжение на ионизационно-термопарный вакуумметр, включив тумблер «Сеть» на термопарной части прибора. Это должно сопровождаться загоранием сигнальной лампы прибора. Тумблер «Измерение» должен находиться в верхнем положении.

4. Включить питание форвакуумного насоса и обогрев катода газоразрядной трубки, включив тумблер «Насос, Накал» на передней панели стенда. Это должно сопровождаться загоранием красной контрольной лампы. После начала работы насоса, поворотом крана-переключателя, расположенного непосредственно у насоса, соединить откачную магистраль насоса с вакуумной системой.

5. Подать высокое напряжение на газоразрядную трубку, включив тумблер «Сеть» на панели питания источника высокого напряжения.

6. После зажигания разряда, вращением вентиля регулировки натекания газа в систему, установить указанное преподавателем значение давления в системе. Следует принимать во внимание, что давление в системе стабилизируется только через 5-7 минут после включения установки, что связано с прогревом разрядной трубки.

7. После установки требуемого давления, следует установить, вращая против часовой стрелки до упора, рукоятку реостата регулировки тока в обмотках магнита в положение, соответствующее минимальному значению тока в обмотках, а переключатель для перекоммутации обмоток магнита установить в положение «+». После этого следует подать питание на электромагнит, включив тумблер «Сеть» на панели источника «Агат». Включение прибора должно сопровождаться загоранием желтой контрольной лампы.

После успешного выполнения пп. 1-7, установка готова к работе.

ВНИМАНИЕ! Следует строго соблюдать правила техники безопасности при работе с установками высокого напряжения (источник высокого напряжения на стенде) и сосудами высокого давления (газовый баллон).

2.4. Порядок проведения эксперимента

1. При заданном значении индукции магнитного поля (заданном значении тока в обмотке электромагнита, изменению тока на 1мА в обмотке соответствует изменение магнитного поля на 1 Гаусс), измерить разность потенциалов между зондами 1-2, расположенными по продольной оси разрядной трубки.

2. Измерить холловскую разность потенциалов между зондами 3-4, расположенными поперек оси трубки.

3. Вращением рукоятки реостата, установить новое значение индукции магнитного поля и повторить измерения по пп. 1-2. Измерения холловской ЭДС и продольной разности напряжения осуществляется в процессе эксперимента дважды, при поэтапном увеличении значения индукции магнитного поля от 0 до 70 Гаусс, и при поэтапном уменьшении ее от 70 до 0 Гаусс. При последующей обработке результатов измерений, следует использовать среднее арифметическое значение двух измерений.

4. В процессе проведения эксперимента магнитное поле изменяется, последовательно, от 0 до 70 Гаусс (поле направлено вертикально вверх) и от 0 до -70 Гаусс (поле направлено вертикально вниз). Поэтому после проведения измерений в диапазоне от 0 до 70 Гаусс, производится перекоммутация обмоток магнита и измерения по пп. 1-3 проводятся в диапазоне от 0 до -70 Гаусс. Изменение полярности магнитного поля осуществляется установкой переключателя для перекоммутации обмоток магнита из положения «+» в положение «–» (на показаниях прибора, измеряющего ток в обмотках магнита, это не отражается).

5. После проведения эксперимента, выключение приборного оборудования стенда производится в последовательности, обратной его включению.