Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления

Рассмотрено влияние характеристик газовой среды на процесс контракции (сжатия) дугового разряда высокого давления в смесях меди с азотом или инертным газом. Проведены расчеты и показано, что степень сжатия дугового разряда определяется теплофизическими характеристиками газовой среды и характеристи...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2005
Автор:	Порицкий, П.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2005
Назва видання:	Физическая инженерия поверхности
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98721
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления / П.В. Порицкий // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 1-2. — С. 30–36. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98721
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-987212016-04-18T03:02:11Z Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления Порицкий, П.В. Рассмотрено влияние характеристик газовой среды на процесс контракции (сжатия) дугового разряда высокого давления в смесях меди с азотом или инертным газом. Проведены расчеты и показано, что степень сжатия дугового разряда определяется теплофизическими характеристиками газовой среды и характеристиками электрон-атомных столкновений. Рассмотрено взаимное влияние эффекта Рамзауэра и резонанса формы на характер контракции дугового разряда. Показана возможность нейтрализации влияния эффекта Рамзауэра на контракцию дуги в газовой смеси. Рассмотрено влияние диссоциативной и ионизационной составляющих теплопроводности на характер контракции дуги в молекулярном газе. Розглянуто вплив характеристик газового середовища на процес контракції (стягування) дугового розряду високого тиску в сумішах мідіз азотом або інертним газом. Проведено розрахунки і показано, що ступінь стягування дугового розряду визначається теплофізичними характеристиками газового середовища та характеристиками електрон-атомних співударень. Розглянуто взаємний вплив ефекту Рамзауера та резонансу форми на характер контракції дугового розряду. Показана можливість нейтралізації впливу ефекту Рамзауера на контракцію дуги в газовій суміші. Розглянуто вплив дисоціативної та іонізаціоної складових теплопровідності на характер контракції дуги в молекулярному газі. The influence of properties of gaseous medium on the processes of contraction (self-constriction) of an arc discharge in the atmosphere of the mixture of copper with nitrogen or noble gas is considered. The calculation are carried out, and it is shown that the degree of constriction of an arc discharge is determined by both the thermophysical characteristics of gaseous medium and the effective characteristics of electron-atom collisions. It is studied the influence of both the Ramsauer effect and shape resonance on a character of contraction of an arc discharge. Also it is shown that the influence of the Ramsauer effect on the contraction of an arc may be neutralized in gaseous mixtures. The influence of both the dissociative heat conductivity and ionization one on the contraction of an arc in molecular gas. 2005 Article Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления / П.В. Порицкий // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 1-2. — С. 30–36. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98721 533.952:537.523.5 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрено влияние характеристик газовой среды на процесс контракции (сжатия) дугового разряда высокого давления в смесях меди с азотом или инертным газом. Проведены расчеты и показано, что степень сжатия дугового разряда определяется теплофизическими характеристиками газовой среды и характеристиками электрон-атомных столкновений. Рассмотрено взаимное влияние эффекта Рамзауэра и резонанса формы на характер контракции дугового разряда. Показана возможность нейтрализации влияния эффекта Рамзауэра на контракцию дуги в газовой смеси. Рассмотрено влияние диссоциативной и ионизационной составляющих теплопроводности на характер контракции дуги в молекулярном газе.
format	Article
author	Порицкий, П.В.
spellingShingle	Порицкий, П.В. Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления Физическая инженерия поверхности
author_facet	Порицкий, П.В.
author_sort	Порицкий, П.В.
title	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
title_short	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
title_full	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
title_fullStr	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
title_full_unstemmed	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
title_sort	влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2005
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98721
citation_txt	Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления / П.В. Порицкий // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 1-2. — С. 30–36. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT porickijpv vliânieprimesejmedinasvojstvaplazmyikontrakciûdugovogorazrâdavysokogodavleniâ
first_indexed	2025-07-07T06:59:04Z
last_indexed	2025-07-07T06:59:04Z
_version_	1836970457004244992
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-230 ВВЕДЕНИЕ Дуговые разряды по характеру происходящих физических процессов принято разделять на дуги высокого и низкого давлений [1, 2]. Для дуговых разрядов высокого давления харак- терно определяющее влияние процессов переноса тепла на свойства таких разрядов. При этом имеет место баланс межу тепловы- делением в плазме вследствие прохождения электрического тока и отводом тепловой энергии в электроды и во внешнюю среду. Контракция (сжатие) разряда имеет место при выполнении следующих условий [3 – 6]: 1) объемная нейтрализация заряженных час- тиц преобладает над их диффузионным ухо- дом на стенки разрядной камеры; 2) частота образования заряженных частиц резко падает от оси разряда до стенок камеры. При этом степень сжатия разряда зависит от темпера- турной неоднородности по его сечению. Теп- ловая контракция и обуславливается тем, что температура на периферии разряда падает, а плотность газа (при постоянном давлении) растет. Поэтому на периферии разряда элект- роны отдают большую энергию нейтралам и их температура спадает, что в свою очередь приводит к уменьшению концентрации электронов вследствие усиления процессов рекомбинации. Контракцию часто рассматривают как не- гативное явление, которое ограничивает пра- ктическое использование газовых разрядов [3]. С другой стороны, именно контракция разряда может быть необходимым условием для возможности использования дуговых разрядов [7]. Величина энергии, которая передается от электронов тяжелым частицам сильно зави- сит от типа этих частиц (атомы, ионы, моле- кулы, кластеры и т.п.). Кроме того, сечение электрон-атомных столкновений может иметь немонотонную зависимость от энергии электрона, в частности, глубокий минимум наблюдается для некоторых инертных газов и щелочных металлов (эффект Рамзауэра). Поэтому для дуговых разрядов в разных газо- вых средах процесс контракции имеет су- щественно отличный характер. Следует также обратить внимание на то, что помимо эффекта Рамзауэра при рассея- нии электрона на атомах могут иметь место также резонансные процессы. Так, согласно с [8] для рассеяния электронов низких энер- гий на атоме меди имеет место эффект резо- нанса формы, связанный с образованием квазистационарного состояния отрицатель- ного иона. Медь является одним из широко исполь- зуемых материалов электродов и поэтому ее атомы часто входят в состав газоразрядной среды. Следует подчеркнуть, что вопрос о вы- боре модели сечения рассеяния электронов низких энергий на атоме меди остается от- крытым [9 – 11]. Наиболее значимыми пред- ставляются две модели: указанная выше мо- дель с резонансом формы (резонансная) [8] и модель без такого резонанса (нерезонанс- ная) [9, 10]. УДК 533.952:537.523.5 ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕДИ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И КОНТРАКЦИЮ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ П.В. Порицкий Институт ядерных исследований НАН Украины (Киев) (Украина) Поступила в редакцию 07.06.2005 Рассмотрено влияние характеристик газовой среды на процесс контракции (сжатия) дугового разряда высокого давления в смесях меди с азотом или инертным газом. Проведены расчеты и показано, что степень сжатия дугового разряда определяется теплофизическими характерис- тиками газовой среды и характеристиками электрон-атомных столкновений. Рассмотрено взаимное влияние эффекта Рамзауэра и резонанса формы на характер контракции дугового разряда. Показана возможность нейтрализации влияния эффекта Рамзауэра на контракцию дуги в газовой смеси. Рассмотрено влияние диссоциативной и ионизационной составляющих теплопроводности на характер контракции дуги в молекулярном газе. ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-2 31 Целью данной работы является исследо- вание влияния физических характеристик со- держащих медь газовых смесей на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высо- кого давления. Для этого проведем детальный анализ процессов, вызывающих тепловую контракцию, полагая при этом, что электрон- ная и газовая температуры в плазме дуги раз- личны. МОДЕЛЬ ДУГОВОГО РАЗРЯДА Состояние плазмы дугового разряда высокого давления принято характеризовать как состо- яние локального термодинамического и ионизационного равновесия (ЛТР) [3 – 6]. Вследствие высоких концентраций атомов и электронов столкновительные процессы в та- кой плазме более существенны, чем процессы диффузии. Следовательно, для такой плазмы перенос частиц под влиянием пространствен- ной неоднородности незначителен, и в каж- дой точке разряда поддерживается состояние близкое к равновесному. Оно характеризуется определенными газовой T (газ тяжелых час- тиц) и электронной Te температурами, а рас- пределения атомов и электронов по скорос- тям соответствует максвелловской функции. Эти температуры устанавливаются вслед- ствие процессов взаимодействия электронов с внешними полями, столкновения электро- нов с атомами и переноса тепла по сечению разряда. В тоже время соотношение между T и Te определяется только столкновительными процессами и взаимодействием электронов с внешним электрическим полем. Следует отметить, что наличие ЛТР в плазме подтверждается экспериментально для стабилизированных стенками дуг и для столба открытых дуг в парах меди [12 – 14]. С другой стороны, вследствие переноса резо- нансного излучения равновесное состояние может нарушиться в приэлектродных слоях и на периферии открытых дуг [14]. Рассмотрим плазму положительного стол- ба дугового разряда при условии его цилинд- рической формы, наличии в нем локального термодинамического и ионизационного рав- новесия, постоянства давления по сечению разряда. Предполагая интенсивность тепло- выделения пропорциональной локальной плотности тока, запишем уравнение переноса тепла (уравнение Эленбааса-Геллера [1 – 7]) в виде: ( ) ( ) ( ) .01 ** =+ ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ κ+κ⋅ rq dr dTT dr dTTr dr a r e eeh (1) Здесь r – расстояние от оси разряда; k* h(T) = kg(T) + krd(T) + kion(T) – суммарный ко- эффициент теплопроводности тяжелых час- тиц (газовая теплопроводность), kg(T) – коэф- фициент теплопроводности нейтрального газа, krd(T) – коэффициент теплопроводности вследствие переноса энергии диссоциации, kion(T) – коэффициент теплопроводности ионов; k* e(T) = ke(Te) + kri(Tе) – суммарный ко- эффициент электронной теплопроводности, ke(Te) – коэффициент электронной теплопро- водности, kri(Tе) – коэффициент теплопровод- ности вследствие переноса энергии иониза- ции; q(r) = j(r)E – мощность тепловыделения в единице объема; j(r) = σE – плотность электрического тока; E – напряженность электрического поля, σ – электропроводность плазмы. Уравнение (1) описывает перенос тепла по сечению разряда с учетом суммарных газо- вой и электронной теплопроводности. Из ре- шения этого уравнения определяется и поле температур в плазме дуги. Граничные условия выбираем следующим образом: температура в центре дуги T(0) = T0, а температура на стенке разрядной камеры (r = R) TR (без ог- раничения общности рассмотрения) прини- мается равной некоторой постоянной вели- чине (например, 300 К или 400 К). Вследствие наличия локального иониза- ционного равновесия в области плазмы, опре- деляющего ее энергобаланс, температура электронов и газа меняется слабо. Это позво- ляет получить приближенное аналитическое решение уравнения (1) методом, подробно изложенным в работах [5, 6, 15]. Согласно этому методу полагаем заданными зависи- мости плотности тока, плотности энерговы- деления, и связанных с ними величин от тем- пературы по сечению разряда; коэффициен- ты считаем постоянными величинами и равными их значениям на оси разряда. Эти упрощения позволяют преобразовать урав- нение (1) и предать ему вид обыкновенного П.В. ПОРИЦКИЙ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-232 дифференциального уравнения, которое име- ет аналитическое решение. Такое решение уравнения (1) является приближенным, но дает возможность проанализировать влияние различных физических процессов на распре- деление температуры и других величин по сечению разряда. Следуя указанному методу можно полу- чить следующую систему алгебраических уравнений для расчета параметров дугового разряда [15, 16]: ( )ee Tg N ETT ⋅⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛=− 2 , (2) ( ) ,5 1 116 * 2 * 2 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ κ+ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ζκπ== e g Th I e rrE kTIEQ (3) S = 0,215q0 2 0r ln(R/r0) , (4) p + ∆p = NkT + nekTe, (5) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π= e Iee a i a e kT E h kTm g g n n exp22 32 2 2 , (6) I = σE⋅ 2 0π . (7) Здесь I – ток дуги, R – радиус стенки разряд- ной камеры, EI – эффективная энергия иони- зации газовой среды, p – внешнее давление, ∆p – поправка к давлению, вследствие не иде- альности плазмы, N – плотность тяжелых час- тиц, ne – плотность электронов, na – плотность атомов; ga, gi – статистические веса атома и иона, h – постоянная Планка, me – масса электрона; S – тепловая функция (функция те- плового потенциала), g(Te) – функция элект- ронной температуры, q0 = σE2, ζT = dT/dTe, а r0 – характерный радиус плазмы (радиус кон- тракции), определяемый из соотношения 2 0r ≈1,32 2 gr + 2 Jr , где rg и rJ – характерные ра- диусы контракции при доминировании сум- марных газовой и электронной теплопровод- ностей в процессе переноса тепла, соответст- венно. Эти радиусы вычисляются исходя из следующих соотношений: I The g Eq kTr 0 2 2 16 ζκ= , I ee J Eq kTr 0 2 2 6,11 κ= . Отметим, что физический смысл радиуса контракции в данной модели состоит в том, что на этом расстоянии от оси разряда плотность тока падает примерно в 15 – 20 раз (см. [11,15]). Дополнительными условиями к данной системе уравнений являются условия квази- нейтральности плазмы ne = ni (ni – плотность ионов), а также условия постоянства напря- женности электрического поля (E = const) и внешнего давления (p = const). Эффекты не- идеальности плазмы учитывались также как и в работах [11, 16]. Тепловая функция S определяется сле- дующим образом: ( ) ( ) TdTTdTS T RT he eT RT ee ′′κ+′′κ= ∫∫ ** . (8) Транспортные коэффициенты вычисля- лись следующим образом. Коэффициенты электропроводности и электронной тепло- проводности рассчитывались также как и в работах [11, 15, 16], а ионная теплопровод- ность – аналогично электронной. Транспорт- ные сечения рассеяния электронов на атомах для инертных газов брались из [17], а для азота согласно [18]. Теплопроводности вслед- ствие переноса энергий диссоциации и иони- зации рассчитывались согласно теории Бро- кау [19]. Теплопроводность нейтральных га- зов вычислялась согласно формуле первого приближения метода Чепмена-Энскога, а га- зовых смесей – с использованием формулы Васильевой (см. [11, 20, 21]). При расчете теплопроводности предполагался модельный потенциал Леннарда-Джонса для взаимо- действия частиц (табл. 1). В случае моле- кулярного газа его теплопроводность рассчи- тывалась с использованием модифициро- ванной корреляции Эйкена-Гиршфельдера [20, 21]. Система уравнений (2 – 7) позволяет при заданных значениях тока дуги I и давления p определить на оси разряда величины E, Te, T, ne, na, N, r0, и наоборот: при заданных зна- чениях этих величин определить I и p. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Приведенная выше система уравнений пред- ставляет собой модель дугового разряда при ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕДИ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И КОНТРАКЦИЮ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-2 33 условии, что тепло, выделяющееся в плазмен- ном канале, переносится за счет теплопровод- ности на стенки разрядной камеры, где, в свою очередь, поддерживается определенная температура. Такие условия непосредственно отвечают дугам, стабилизированным стен- ками. Однако, стабилизирующая стенка мо- жет иметь условный характер – ее роль будут играть внешние факторы: потоки газа, выз- ванные внешним обдувом, конвекцией, ис- парением поверхности анода [2, 7, 11, 22]. Обычно, для открытой (свободногорящей) дуги за радиус стенки рекомендуется прини- мать радиус свечения разряда [23]. Следует отметить, что дуга, в которой перенос тепла излучением пренебрежимо мал, описывается едиными кривыми в переменных r/R, ER и I/R [11, 15]. Рассмотренная модель описывает так на- зываемую “длинную дугу”, где тепловой по- ток отводится на стенки [11, 15, 22]. Ее проти- воположностью является «короткая дуга», в которой тепловой поток отводится главным образом в электроды. В этом случае опреде- ляющими становятся приэлектродные про- цессы. На рис. 1 приводятся расчетные зависи- мости электронной и газовой температур в термической (электродуговой) плазме. Заме- тим, что отрыв температур является одним из главных факторов, определяющих харак- тер контракции разряда [11, 15]. Из рис. 1 вид- но, что сильный отрыв температур характе- рен для термической плазмы газа с эффектом Рамзауэра (аргон), в то же время, наличие дос- таточно большого количества паров меди в смеси делает различие температур практичес- ки независящим от вида буферного газа. Другим важным фактором, влияющим на характер контракции, является величина и соотношение между составляющими тепло- проводности плазмы. В молекулярном газе величина полной газовой теплопроводности сильно увеличивается за счет переноса энер- гии диссоциации (рис. 2), вследствие чего усиливается сжатие разряда. На рис. 3 приведен расчет зависимости электронной температуры от приведенного тока I/R, а также результаты измерений тем- пературы в дугах согласно [24 – 26]. Из срав- нения экспериментальных и расчетных зна- чений видно, что при режимах разряда, которые соответствуют плотностям тока j0< 1 кА/см2, различие результатов расчетов с экспериментальными данными не превышает 30%. При более высоких плотностях тока рас- четные значения оказываются завышенными, что связано с пренебрежением роли излуче- ния как в процессах переноса тепла, так и в ионизационном балансе плазмы. а) б) Рис.1. Электронная и газовая температуры в термичес- кой плазме атмосферного давления (10 В/см). а) Кри- вая 1 – Ar, 2 – Ar:Cu (99:1 об.%), 3 – Ar:Cu (95:5 об.%), 4 – Ar:Cu (90:10об.%), 5 – Ar:Cu (85:15 об.%), 6 – Ar:Cu (90:10 об.%). Кривые 2, 3, 4, 5 рассчитаны с использованием резонансной модели сечения рас- сеяния электрона на атоме меди [12,13], кривая 6 – согласно нерезонансной модели [12, 14]. б) 1 – N2, 2 – N2:Cu ( 95:5об.%), 3 – N2:Cu ( 90:10 об.%), 4 – N2:Cu ( 90 : 10 об.%). Частица σLJ, E ε/k, K Ar N, N2 Cu, Cu2 3,542 3,798 2,240 93,3 71,4 3343 Таблица 1 Параметры потенциала Леннарда-Джонса σLJ и ε/k (k – постоянная Больцмана), использовавшиеся в расчетах газовой теплопроводности. П.В. ПОРИЦКИЙ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-234 Полученные результаты позволяют соста- вить следующую картину контракции дуги без излучения в инертных газах и их смесях (рис. 4). Наиболее значительная контракция дугового разряда реализуется в условиях, ко- гда перенос тепла осуществляется за счет газовой теплопроводности, в частности, когда доминирует диссоциативная теплопровод- ность. Это соответствует режимам разряда с относительно малыми температурами элект- ронов, а значит и малыми токами. При по- вышении тока и температуры электронов имеет место увеличение области, которую за- нимает плазма. Причем в газе, для которого имеет место эффект Рамзауэра, этот рост зна- чительно более интенсивен, чем для газа без такого эффекта. С последующим увеличением тока разряд переходит в режим доминирования электрон- ной теплопроводности, и величина радиуса контракции стабилизируется, причем элект- роны передают свою энергию главным обра- зом в столкновениях с нейтральными части- цами. В этом случае r0/R ≈ const, вследствие чего r0 ∝ R. Дальнейшее увеличение тока дуги вызыва- ет повышение температуры электронов, и степень ионизации газовой среды увеличива- ется. Усиливается влияние столкновений электронов с ионами, вследствие чего разме- ры разрядной области для дуги, стабилизи- рованной стенками, начинают уменьшаться. При еще более сильном токе размеры разряд- ной области стабилизируются. Однако, необходимо иметь в виду то, что при рассмотрении контракции дуги с домини- рующими электрон-ионными столкновени- ями следует принимать во внимание влияние излучательных процессов как на теплопере- нос, так и на ионизационные процессы в плазме. Влияние излучения может сущест- венно изменить вид кривых на рис. 4. Заметим, что влияние эффекта Рамзауэра на контракцию разряда может быть нейтра- Рис. 3. Зависимость электронной температуры в дуге атмосферного давления от приведенного тока. Расчет- ные кривые: 1 – N2, 2 – N2:Cu (99:1 об.%), 3 – N2:Cu (97:3 об.%), 4 – N2:Cu (95:5 об.%), 5 – N2:Cu (90:10об.%). Кривые смесей, содержащих медь рас- считаны согласно резонансной модели сечения. Экс- периментальные кривые: 6 – дуга в азоте [24], 7 – дуга с плавящимися медными электродами в воздухе [25, 26]. Рис. 4. Зависимость приведенного радиуса контракции дуги от приведенного тока. Расчетные кривые: 1 – N2, 2 – N2:Cu (90:10 об.%), 3 – N2:Cu (95:5 об.%), 4 – N2:Cu (97:3 об.%), 5 – N2:Cu (99:1 об.%), 6 – Ne, 7 – Ar. Кри- вые смесей, содержащих медь рассчитаны согласно резонансной модели сечения. Рис. 2. Полная теплопроводность и ее составляющие термической плазмы смеси N2:Cu (90:10об.%) при ат- мосферном давлении (10 В/см) в зависимости от газо- вой температуры. Кривая 1 – полная теплопровод- ность, 2 – газовая теплопроводность, 3 – электронная теплопроводность, 4 – ионизационная теплопровод- ность, 5 – диссоциативная теплопроводность, 6 – ион- ная теплопроводность. Кривые 2, 3 рассчитаны со- гласно резонансной модели сечения, а кривая 5 – не- резонансной. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕДИ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И КОНТРАКЦИЮ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-2 35 лизовано. Так добавление к аргону меди, для которой указанный эффект не имеет места, существенно усиливает сжатие дуги. Кроме того, наличие паров меди в газовой смеси (при условии наличия резонанса формы) приводит к сильному сжатию разряда при ма- лых токах (рис. 4). Следует подчеркнуть, что в молекулярном газе характер тепловой контракции будет оп- ределяться в значительной мере диссоциа- тивной теплопроводностью (рис. 2, 4). При этом режим доминирования электронной теплопроводности практически не реали- зуется. Отметим также, что согласно рис. 4 контракция дуги в молекулярном газе (азоте) подобна контракции дуги в инертном газе с достаточно высокой газовой теплопровод- ностью (неон). Это согласуется с тем фактом, что вольтамперные характеристики дуг в азоте и неоне очень близки [27]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, контракция дугового разряда в газовых смесях существенным образом за- висит от соотношения концентраций компо- нент смеси. Изменение последних сильно влияет на теплофизические характеристики смеси и общие характеристики электрон- атомных столкновений, которыми определя- ются электрофизические параметры дуги при определенных условиях горения разряда. Сжатие дугового разряда наиболее зна- чительно, когда в процессе отвода тепла до- минирует газовая теплопроводность. В мо- лекулярном газе характер тепловой контрак- ции будет определяться в значительной мере диссоциативной теплопроводностью. Наличие эффекта Рамзауэра у газа, в ко- тором горит дуга, существенно влияет на ха- рактер контракции, что выражается в ослаб- лении сжатия дугового разряда для соот- ветствующего диапазона температур. Однако в газовых смесях влияние эффекта Рамзауэра может быть нейтрализовано соответствую- щим подбором состава смеси. Наличие эффекта резонанса формы для рассеяния электронов на атомах газовой среды приводит к усилению контракции дуги при малых токах. Дуговой разряд в газовой смеси может быть значительно более сильно сжат чем в чистых газах. При наличии в газовой среде достаточно большого количества паров меди характер тепловой контракции при малых токах прак- тически не зависит от вида буферного газа. ЛИТЕРАТУРА 1. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. – М: Наука, 1971. – 544c. 2. Жуков М.Ф., Засыпкин И.М., Тимошевс- кий А.И. и др. Электродуговые генераторы термической плазмы. – Новосибирск: Нау- ка, 1999. – 712с. 3. Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизованной плаз- ме. – М.: Атомиздат, 1975. – 336с. 4. Елецкий А.В., Рахимов А.Т. Неустойчивости в плазме газового разряда//Химия плазмы. – Вып. 4. – С. 123-167. 5. Eletskii A.V., Smirnov B.M. Nonuniform gas discharge plasma // Physics –Uspekhi. – 1996. – Vol. 39, № 11. – P. 1137-1156. 6. Смирнов Б.М. Сжатие положительного стол- ба дуги высокого давления//Теплофизика высоких температур. – 1997. – Т. 35, № 1. – С. 14-18. 7. Контракция дуги флюсом при сварке воль- фрамовым электродом в аргоне/Патон Б.Е., Замков В.Н., Прилуцкий В.П., Порицкий П.В. // Автомат. сварка. – 2000. – № 1. – С. 3-9. 8. Scheibner K.F., Hazi A.U., Henry R.J. Electron- impact excitation cross-sections for transitions in atomic copper // Phys. Rev. A. – 1987. – Vol. 35, № 11. – P. 4869-4872. 9. The influence of the cross-section of the electron- copper atom collision on the electrical conduc- tivity of Ar-Cu and SF6-Cu plasmas/Chervy B., Dupont O., Gleizes A., Krenek P. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1995. – Vol. 28, № 10. – P. 2060-2066. 10. Gressault Y., Gleizes A. Thermodynamic pro- perties and transport coefficients in Ar-H2-Cu plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2004.– Vol. 37, № 2. – P. 560-572. 11. Порицький П.В. Механізми контракції дуго- вого розряду 2. Особливості контракції дуги малого струму в суміші інертного газу з мід- дю // Укр. фіз. журн. – 2005. – Т. 50, № 9. – С. 931-938. [Porytskyy P.V. Mechanisms of the contraction of an arc discharge 2. Peculiarities of the contraction of a low-current arc in the mix- ture of a noble gas with copper//Ukr. J. Phys. – 2005. – Vol. 50, № 9. – Р. 930-937.] П.В. ПОРИЦКИЙ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 1-2, vol. 3, No. 1-236 12. Rahal A.M., Rahhaoui B., Vacquie S., Copper vapour diffusion in a nitrogen arc chamber // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1984. – Vol. 17, № 9. – P. 1807-1822. 13. Ouajji H., Cheminat B., Andanson P., Compo- sition and conductivity of a copper-air plasma// J. Phys. D: Appl. Phys. – 1986. – Vol. 19, № 10. – P. 1903-1916. 14. Babich I.L., Veklich A.N., Zhovtyansky V.A. Electric arc plasma in copper vapour // Укр. фіз. журн. – 1999. – Т. 44, № 8. – С. 963-968. 15. Порицький П.В. Механізми контракції дуго- вого розряду I. Особливості теплової конт- ракції // Укр. фіз. журн. – 2004. – Т.49, № 9. – С. 884-891. [Porytskyy P.V. Mechanisms of the Contraction of an Arc Discharge. I. Peculiarities of thermal contraction // Ukrainian J. Phys. – 2004. – Vol. 49, № 9. – P. 883-889]. 16. Замков В.М., Порицький П.В., Прилуць- кий В.П. Про контракцію зварювальної дуги в сумішах інертних газів // Доповіді НАН України. – 2005. – № 7. – С. 77-82. 17. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах: Пер. с англ. –М.: Мир, 1977. – 672с. 18. Phelps A.V. Pitchford L.C. Anisotropic scattering of electrons by N2 and its effect on electron trans- port // Phys. Rev. A. – 1985. – Vol. 31, № 5. – Р. 2932-2949. 19. Brokaw R.S. Thermal conductivity of gas mix- tures in chemical equilibrium II// J. Chem. Phys.– 1960. – Vol. 32. – Р. 1005-1006. 20. Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая тео- рия процессов переноса в газах: Пер. с англ. – М.: Мир, 1976. – 556 с. 21. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей.: Пер. с англ. – Л.: Химия, 1982. – 592 с. 22. Жовтянський В.А., Патріюк В.М. Особли- вості тепловідведення від електричної дуги в парах міді // Укр. фіз. журн. – 2000. – Т. 45, № 9. – С. 1059-1066. 23. Батенин В.М., Минаев П.В. О температуре на оси электрической дуги в аргоне // Тепло- физика выс. температур. – 1969. – Т. 7, № 2. – С. 208-212. 24. Асиновский Э.И., Кириллин А.В., Низовс- кий В.Л. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом экс- перименте. – М.: Наука, 1992. – 264с. 25. Veklich A.N., Babich I.L. Diagnostics of the mul- ticomponent thermal // Proc. 14th Int. Symposium on Plasma Chemistry / eds. M.Hrabovsky, M. Konrad, V. Kopecky. – Praha: IPP CAS, 1999. – Р. 455-460. 26. Веклич А.М.,Бабич І.Л., Чередарчук А.І. Спектроскопічні дослідження електродугової плазми складної суміші газу та парів металів //Вісник Київського ун-ту ім. Тараса Шев- ченка. Сер. Радіофізика та електроніка. – 2000. – Вип. 2. – С. 25-29. 27. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. При- кладная динамика термической плазмы.– Новосибирск: Наука (Сибирск. отд.), 1975. – 298с. ВПЛИВ ДОМІШОК МІДІ НА ВЛАСТИВОСТІ ПЛАЗМИ ТА КОНТРАКЦІЮ ДУГОВОГО РОЗРЯДУ ВИСОКОГО ТИСКУ П.В. Порицький Розглянуто вплив характеристик газового сере- довища на процес контракції (стягування) дуго- вого розряду високого тиску в сумішах міді з азо- том або інертним газом. Проведено розрахунки і показано, що ступінь стягування дугового роз- ряду визначається теплофізичними характери- стиками газового середовища та характеристи- ками електрон-атомних співударень. Розглянуто взаємний вплив ефекту Рамзауера та резонансу форми на характер контракції дугового розряду. Показана можливість нейтралізації впливу ефекту Рамзауера на контракцію дуги в газовій суміші. Розглянуто вплив дисоціативної та іоні- заціоної складових теплопровідності на характер контракції дуги в молекулярному газі. INFLUENCE OF COPPER ADMIXTURES ON THE PROPERTIES OF PLASMA AND THE CONTRACTION OF A HIGH PRESSURE ARC DISCHARGE P.V. Porytskyy The influence of properties of gaseous medium on the processes of contraction (self-constriction) of an arc discharge in the atmosphere of the mixture of copper with nitrogen or noble gas is considered. The calculation are carried out, and it is shown that the degree of constriction of an arc discharge is determi- ned by both the thermophysical characteristics of gaseous medium and the effective characteristics of electron-atom collisions. It is studied the influence of both the Ramsauer effect and shape resonance on a character of contraction of an arc discharge. Also it is shown that the influence of the Ramsauer effect on the contraction of an arc may be neutralized in gaseous mixtures. The influence of both the dissocia- tive heat conductivity and ionization one on the con- traction of an arc in molecular gas. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕДИ НА СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ И КОНТРАКЦИЮ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Влияние примесей меди на свойства плазмы и контракцию дугового разряда высокого давления

Репозитарії

Схожі ресурси