Файл: Лабник 2015.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

____________________________________________________

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Д.Н. ГЕРАСИМОВ

В.В. ГЛАЗКОВ

С.Б. МОРГУНОВА

ОПТИЧЕСКИЕ И ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Методической пособие

по курсу

"Физика плазмы"

для студентов, обучающихся по специальности «Теплофизика»

Москва Издательство МЭИ 2015

УДК 533

Г 371

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре инженерной теплофизики

Рецензенты: д-р тех. наук, проф. Г.П. Плетнев

д-р физ.-мат. наук, проф. Синкевич О.А.

Герасимов Д.Н.,

Оптические и зондовые методы диагностики низкотемпературной плазмы. Лабораторный практикум: методическое пособие по курсу "Физика плазмы" / Д.Н. Герасимов, В.В. Глазков, С.Б. Моргунова М.: Издательство МЭИ, 2015. –56с.

ISBN 5–7046–0735–7

Излагаются оптические и зондовые методы измерения параметров низкотемпературной плазмы. Лабораторный практикум включает в себя пять работ. Студенты получают навыки экспериментальной работы с источниками низкотемпературной плазмы и современной диагностической аппаратурой, а также глубже усваивают теоретические методы, служащие основой экспериментального изучения свойств плазмы.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Техническая физика», в том числе для студентов специальностей 140402 «Теплофизика».

 НИУ «МЭИ», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Сборник лабораторных работ содержит описание экспериментальных задач, выполняемых студентами, обучающимися по специальности "Инженерная теплофизика", при изучении курса "Физика плазмы".

Лабораторный практикум включает в себя пять работ. Первая и третья лабораторные работы посвящены оптической диагностике низкотемпературной плазмы в электрической дуге атмосферного давления. Вторая лабораторная работа посвящена зондовым методам исследования тлеющего газового разряда низкого давления, четвертая – повторяет классический опыт Милликена по определению заряда электрона на основе измерения заряда капель мелкодисперсного масляного аэрозоля (т.н. пылевая плазма). Пятая лабораторная работа реализует классический эксперимент Франка – Герца по определению уровней возбуждения атомов гелия и неона при их бомбардировке электронным пучком. Каждая из работ подразумевает двухчасовое аудиторное выполнение и последующую обработку результатов с применением компьютеров.

Студенты, успешно прошедшие практикум, получают навыки экспериментальной работы с различными источниками низкотемпературной плазмы и современной диагностической аппаратурой, получают представление о спектральных и зондовых методах измерения параметров равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы в магнитном поле, а также глубже усваивают теоретические методы, служащие основой экспериментального изучения плазмы.

Авторы выражают глубокую признательность О.А. Синкевичу и А.М. Семенову за консультации при постановке лабораторных работ и за любезно предоставленную возможность использовать подготовленные ими методические материалы; В. А. Кондратьевой, М. Н. Рудавиной (лабораторные работы 1а, 3), Л. Ю. Барановой (лабораторная работа 4) и Маркиной С.Е. (лабораторные работы 1б и 5) , без помощи которых эти работы не были бы реализованы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1а

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ПЛАЗМЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

1.1.Методические основы эксперимента.

1.1.1.Механизмы излучения плазмы

Излучение плазмы существенно отличается от излучения твердого тела. Если спектр излучения твердого тела – непрерывная кривая, подчиняющаяся закону Планка, то спектр плазмы представляет собой комбинацию дискретной и непрерывной составляющих.

Дискретный (линейчатый) спектр плазмы обусловлен связанно-связанными переходами и обсуждается в ЛР № 3. Непрерывный спектр обусловлен двумя механизмами: свободно-свободными и свободно-связанными переходами электронов.

Свободно-свободные переходы электронов имеют место при торможении свободных электронов в поле заряженных (и нейтральных) частиц плазмы. Этот процесс сопровождается электромагнитным излучением, которое называется тормозным. Свободно-связанные переходы электронов представляют собой рекомбинацию электронов и положительных ионов; если освобождающаяся при этом энергия уносится в виде кванта излучения, то такой процесс называют фоторекомбинацией, а само излучение – рекомбинационным.

Можно показать [1], что кванты с длиной волны , удовлетворяющей условию , излучаются в основном рекомбинационным механизмом, в противном случае – тормозным. Следовательно, в дуговой плазме с температурой К излучение в видимом диапазоне ( мкм) обусловлено главным образом фоторекомбинационными процессами.

1.1.1.Излучение оптически тонких сред и уравнение Абеля

Уравнение переноса излучения в среде, поглощение которой пренебрежимо мало (так называемый оптически тонкий слой), может быть записано в виде

, (1.1)

где I – интенсивность излучения (энергия, проходящая в единицу времени через единичную площадку в единичном телесном угле в направлении оси y), – объемный коэффициент излучения (энергия, излучаемая единичным объемом плазмы в единицу времени в направлении оси y в единицу телесного угла). Объемный коэффициент излучения является функцией температуры плазмы и излучаемой длины волны.

Во многих случаях (и в данной лабораторной работе) дуга горит в цилиндрическом канале специального устройства – плазмотрона. Стенки канала охлаждаются, поэтому температура плазмы сильно неоднородна по радиусу канала, изменяясь от значения ~10⁴ К на оси до комнатных температур (в широком смысле) на стенке канала. Поэтому объемный коэффициент излучения также неоднороден по радиусу канала.

Рассмотрим интенсивность излучения цилиндрического плазменного столба в направлении оси y (рис. 1.1). В этом случае в уравнении (1.1) интенсивность излучения будет функцией x и y, объемный коэффициент – функцией радиуса r. Интенсивность излучения, выходящего из плазменного столба вдоль оси y при заданной координате x, можно найти интегрированием уравнения (1.1) по y:

(1.2)

Производя замену переменной интегрирования, (1.2) можно привести к виду

. (1.3)

Рис. 1.1. Сечение столба дуги и распределение интенсивности излучения

В уравнении (1.3) интенсивность излучения измеряется непосредственно в эксперименте, объемный коэффициент является искомой величиной. Следовательно, (1.3) представляет собой интегральное уравнение для определения  (оно называется уравнением Абеля).

Уравнение (1.3) можно решить (см.[2]):

(1.4)

Можно получить аналитическое выражение для , аппроксимируя функцию , например, полиномами от x².

Пример:

Получив в эксперименте распределение интенсивности излучения дуги (рис. 1.2), аппроксимируем его параболой

Рис. 1.2. Распределение интенсивности излучения столба дуги (1) дуги и его аппроксимация параболой

f(x) = (A/R²)(R² – x²), (1.5)

где А – амплитуда, R = (x₂ – x₁)/2, x₁, x₂ – номера пикселей начала и конца изображения дуги на рис. 1.2.

Подставляя в уравнение (1.4) df/dx вместо dI(x)/dx и интегрируя, получаем:

ε(r) = 2A/(π R²) (R² – r²)^0.5 . (1.6)

Таким образом, измеряя в эксперименте распределение интенсивности излучения, можно путем последующего преобразования Абеля (1.3) получить радиальную функцию для объемного коэффициента излучения. Если иметь теоретическую зависимость  от температуры, то из зависимости можно получить радиальный профиль температуры .

Зависимость спектрального объемного коэффициента излучения аргона на длине волны 430 нм (на которой проводятся измерения в данной ЛР) от температуры определяется формулой

, (1.7)

где – [Вт/м³с^-1ср], T – [К].

1.2. Методика проведения эксперимента

1.2.1. Экспериментальная установка

Дуга горит в проточном плазмотроне, через который продувается газ аргон. Стенки канала плазмотрона водоохлаждаемые (внутренний диаметр стенок 6 мм). Питание плазмотрона осуществляется от генератора постоянного тока.

Регистрация интенсивности излучения плазмы осуществляется с помощью спектрографа ИСП-30, на выходе которого установлен ПЗС-блок. ПЗС-блок представляет собой корпус, внутри которого находятся две ПЗС-линейки – для регистрации распределения интенсивности по спектру (горизонтальная линейка, она используется в ЛР № 3) и для регистрации распределения интенсивности по ширине канала (вертикальная линейка, используется в данной ЛР). Каждая ПЗС-линейка представляет собой набор полупроводниковых элементов (3648 элементов в каждой линейке), реагирующих на интенсивность падающего на них излучения. Электрический сигнал, посылаемый ПЗС-линейками, обрабатывается и с помощью карты PCI-1751 выводится на компьютер.

1.2.2. Определение сенситометрической характеристики ПЗС-линеек

Сенситометрическая характеристика ПЗС-линеек, то есть зависимость сигнала, вырабатываемого ПЗС-элементом от интенсивности падающего на него излучения, может отличаться от линейной. Для ее определения необходимо воспользоваться ступенчатым ослабителем: специальной пластинкой, на которую нанесены платиновые напыления, имеющие известную прозрачность, определяемую как

, (1.8)

где – плотность потока излучения, падающего на ослабитель, – плотность потока излучения, прошедшего через k-ю ступень ослабителя. Всего ослабитель имеет 9 ступеней, прозрачности которых приведены в таб. 1.1.

Таблица 1.1

Градуировка ступенчатого ослабителя № 610272 на длине волны 430 нм

Рис.1.3. Регистрируемое изображение при съемке ступенчатого ослабителя

Для определения сенситометрической характеристики ступенчатый ослабитель вставляется в щель спектрографа ИСП-30 и освещается вольфрамовой лампой. Примерный вид регистрируемого на компьютере изображения показан на рис. 1.2. Для получения сенситометрической характеристики необходимо построить зависимость величин

, (1.9)

(где – высота k-го пика на полученном изображении, – высота крайних пиков) от величин , определяемых из таблицы 1.1.

1.2.3. Порядок проведения эксперимента

1) Подготовка регистрирующей аппаратуры к работе. При выключенном напряжении установите ПЗС-блок таким образом, чтобы вертикальная линейка находилась в крайнем правом положении. После этого включите спектрограф, для чего включите тумблеры "Вкл." и "Затвор". Затем следует включить компьютер и запустить программу "ПЗС-спектр". При открытой входной щели спектрографа снимите фоновые значения интенсивности, после чего установите флажок "Вычитать фон".

Рис. 1.4. Схема съемки ступенчатого ослабителя. 1 – осветительная лампа,

2 – линза F=75, 3 – линза F=150, 4 – спектрограф

Рис. 1.5. Схема регистрации интенсивности излучения дуги.

1 – плазмотрон, 2 – линза F=150, 3 – спектрограф

2) Съемка сенситометрической характеристики ослабителя. Следует собрать оптическую схему, изображенную на рис. 1.4 (две линзы необходимы для получения равномерной засветки ослабителя параллельным пучком лучей). Регулируя ширину раскрытия щели спектрографа, добейтесь необходимого уровня сигнала. ВНИМАНИЕ! Превышение уровня интенсивности 4000 по шкале программы "ПЗС-спектр" может привести к выходу из строя ПЗС-линейки. Следите, чтобы крайние (максимальные) пики изображения были одинаковыми по величине – противное свидетельствует о неоднородности засветки ослабителя. Сняв полученное изображение, сохраните результат.

3) Подготовка плазмотрона к работе. Соберите оптическую схему, изображенную на рис. 1.5. Открыв соответствующие вентили, подайте на установку охлаждающую воду и аргон. Включите генератор постоянного тока. Непосредственно перед поджигом дуги включите на стенде тумблер «Поджиг дуги».

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.