УДК 533 Механика газов. Аэродинамика. Физика плазмы
В целях технологического применения в процессах подготовки и нанесения плазменных покрытий проведены исследования взаимовлияния акустического воздействия на низкотемпературную плазму, приведена методика эксперимента и результаты исследования в трубе на резонансной частоте возбуждения. Обнаружена нелинейность звуковых колебаний и их усиление при повышении давления, что может быть использовано для интенсификации процессов нанесения плазменных покрытий.
ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯДА, ПЛАЗМА, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТРУБА
|
DOI:
|
|
|
УДК 533.951: 533.9.07
|
|
|
05.02.07 – технология и оборудование механической и физико-технической обработки
|
|
|
АКУСТИЧЕСКАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
|
ACOUSTIC INTENSIFICATION OF PROCESSES IN THE PLASMA OF THE GLOW DISCHARGE FOR TECHNOLOGICAL PROCESSES
|
|
к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории механики сплошной среды Института механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН email: fadeev@imm.knc.ru
|
cand. of Physics and Mathematics, Researcher of the Laboratory of Continuum Mechanics, Institute of Mechanics and Engineering, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences email: fadeev@imm.knc.ru
|
|
Шайдуллин Линар Радикович к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории механики сплошной среды Института механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
|
Linar R. Shaydullin cand. of Physics and Mathematics, Researcher of the Laboratory of Continuum Mechanics, Institute of Mechanics and Engineering, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences
|
|
Кадырметов Анвар Минирович д.т.н., профессор кафедры машиностроительных технологий ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»
|
Anvar M. Kadyrmetov D. of Tech. Sc., Professor of the Department of Mechanical Engineering Technologies, Voronezh State Forestry University named after G. F. Morozov
|
|
Аннотация. В целях технологического применения в процессах подготовки и нанесения плазменных покрытий проведены исследования взаимовлияния акустического воздействия на низкотемпературную плазму, приведена методика эксперимента и результаты исследования в трубе на резонансной частоте возбуждения. Обнаружена нелинейность звуковых колебаний и их усиление при повышении давления, что может быть использовано для интенсификации процессов нанесения плазменных покрытий.
|
Abstract. In order to technological use in the preparation and application of plasma coatings, the mutual influence of acoustic impact on low-temperature plasma was conducted, the experimental methodology and the results of the study in the pipe at the resonant excitation frequency are given. The nonlinearity of sound oscillations was found and their amplification by increasing the pressure, which can be used to intensify the processes of plasma coatings. |
|
Ключевые слова: ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯДА, ПЛАЗМА, ЭКСПЕРИМЕНТ, ТРУБА.
|
Keywords: SOUND OSCILLATIONS, GLOW DISCHARGE, PLASMA, EXPERIMENT, TUBE.
|
|
1Автор для ведения переписки |
|
1 Введение
Актуальность исследования взаимодействия звуковых волн и низкотемпературной плазмы обусловлена широким применением газовых разрядов в различных областях науки и техники. Равновесная газоразрядная плазма применяется для нанесения покрытий, получения и сфероидизации порошков из металлов и других тугоплавких материалов, резки, наплавки, в качестве реагента и (или) энергоносителя при различных химических взаимодействиях и во многих других приложениях [1-6]. Неравновесная плазма, обладая высокой химической активностью, обусловленной большим отрывом электронной и газовой температур [7], применяется в плазмохимических реакторах [8], в процессах поверхностной модификации материалов, напыления и осаждения покрытий [9, 10, 11], в плазменных актуаторах [12, 13], в микроэлектронике [14, 15], в качестве активной среды космических электрореактивных двигателей [16, 17].
Широкое разнообразие неравновесных физико-химических процессов в газоразрядной плазме возможно при изменении внешних условий: давление, структура электромагнитного поля, состав рабочего газа, конфигурация газоразрядной камеры, временная зависимость внешних условий. В связи с этим управление параметрами плазмы является важной задачей современной физики газового разряда. Интенсификация процессов в газоразрядной плазме при нанесении плазменных покрытий может быть осуществлена различными способами динамического воздействия на газовые разряды, к числу которых относят перспективный метод акустического воздействия [18-21]. Не менее важной проблемой является исследование обратного влияния плазмы на звуковые волны.
В работах [22-24] представлены исследования механизмов усиления звуковых колебаний в средах с объемным тепловыделением и отрицательной вязкостью характерных для низкотемпературной плазмы. Увеличение интенсивности звуковых колебаний в разряде связанное с взаимодействием между тяжелыми нейтральными частицами и электронным газом и переход энергии возбужденных молекул в энергию звуковых колебаний обсуждается в [25-30]. В работах [31, 32] приведены результаты экспериментального исследования усиления звуковой волны в колебательно-неравновесном молекулярном газе (N2). Теория акустической неустойчивости и поведение фазовой скорости звуковых колебаний в плазме рассматривается в [33-35].
Важным направлением исследований является плазменная аэродинамика. Обнаружено, что при движении тел, на поверхности которых создается плазменная оболочка, наблюдается снижение аэродинамического сопротивления и рост подъёмной силы, разрушение ударной волны перед движущимися телами, или ее усиление – это зависит от типа разряда [36-39].
В данной работе представлены результаты и методика изучения звуковых колебаний в неравновесной плазме тлеющего разряда, ограниченного жесткими диэлектрическими стенками.
2 Экспериментальная установка
Экспериментальная установка является связью электрической, вакуумной и акустической систем. Общая принципиальная схема установки представлена на рисунке 1.
Тремя основными модулями, составляющими акустическую систему экспериментальной установки, являются источник звука, приемник и резонатор.
Система генерации звуковых колебаний состоит из модуля усилителя звука, генератора сигналов ГЗ-18 и 3-х дюймового динамика DL30TZF-02. Генератор сигналов ГЗ-18 предназначен для создания синусоидальных электрических колебаний звуковой частоты для регулировки и испытания радиоаппаратуры в лабораторных и заводских условиях.
Система регистрации параметров получаемого акустического сигнала включает в себя электретный микрофон марки HMO0603A и компьютер с программным обеспечением для анализа звуковых сигналов. Микрофон устанавливается в Т-образном патрубке. Во избежание срыва разряда на систему приема, микрофон соединяется с компьютером через раздели-
|
1 – трубка из термостойкого боросиликатного стекла; 2 – динамик; 3 – генератор синусоидальных сигналов; 4 – микрофон; 5 – источник питания; 6, 7 – балластное сопротивление; 8 – вакуумный насос, 9 – аргоновый баллон Рисунок 1 – Принципиальная схема и внешний вид экспериментальной установки
|
тельный трансформатор с усиленной изоляцией и автономным источником питания.
Исследуемые акустические колебания создаются в резонаторах, представляющих собой газоразрядную трубку из термостойкого боросиликатного стекла марки «Simax» с двумя плоско-параллельными электродами из меди на противоположных концах. Резонатор с длиной L = 32 см и внутренними диаметрами d = 2,6 см. Толщина стенки трубки составляла δt = 0,2 см. Динамик DL30TZF-02 установлен в вакуумную камеру, объемом 588,2 см3, которая присоединена к газоразрядной трубке через патрубок на боковой стенке (рис. 2).
Рисунок 2 – Соединение вакуумной камеры динамика и газоразрядной трубки
Тлеющий разряд зажигается и поддерживается источником питания постоянного тока Spellman STR30*6 (0-30 кВ) (5). Положительное напряжение подается на анод через балластный резистор (6), помещенный последовательно. Катод заземлен через шунт. В исследованиях источник работает в режиме контроля по току. Общее балластное сопротивление в электрической цепи составляет 40 кОм (6, 7). Токи и напряжения на разрядном промежутке регистрируются с помощью осциллографа Rigol DSC2072A. Для измерения напряжения используется высоковольтный щуп АСА-6039 через канал осциллографа CH2. В качестве токового шунта использовалась часть балластного сопротивления на 700 Ом (7) со стандартным щупом RP3300A присоединенным к осциллографу через канал CH1. Нагруженный электрод – анод, имеет замкнутый контур водяного охлаждения с дистиллированной водой в качестве носителя. Дистиллят приводится в движение водяным насосом с автономной системой электропитания. Более подробное описание экспериментальной установки и методика измерения электрических характеристик разряда представлены в работе [40].
3 Методика проведения эксперимента
Сопротивление газоразрядного промежутка зависит от величины тока, его вольтамперная характеристика не линейна и представляет особый интерес при исследовании газового разряда. Результаты исследования влияния звуковых колебаний на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда приведены в [40].
Исследование звуковых колебаний в плазме тлеющего разряда проводятся следующим образом. После зажигания разряда и напуска аргона до нижнего предела рабочего диапазона давления 10 Торр на динамик DL30TZF-02, через усилитель звука, подается синусоидальный сигнал с генератора ГЗ-18. Мощность выходного сигнала с усилителя составляет 25 Вт. Варированием частоты сигнала через генератор и анализом его параметров, регистрирующихся на компьютере с помощью микрофона, определяется резонанс газоразрядной трубки. В случае изменения давления и тока, происходила подстройка резонансного режима колебаний в газоразрядной плазме. Данные акустических сигналов записываются в каждый момент измерения напряжения тлеющего разряда при фиксированных значениях тока и давления.
Предварительно микрофон был калиброван относительно акустического давления на катоде. Калибровка микрофона проводится следующим образом, на конце трубки, в сечении, где находится катод во время проведения экспериментальных исследований, герметично устанавливается измеритель уровня звука ATT-9000. Результаты экспериментов по исследованию влияния нелинейных акустических колебаний показали, что наиболее близкой к резонансной частоте газоразрядного столба лежит вторая резонансная частота трубки в отсутствии разряда. В связи с этим калибровка микрофона осуществлялась на второй резонансной частоте. Данные зависимости уровня звукового давления PdB от амплитуды напряжения сигнала с микрофона Ua, полученного с помощью электронного осциллографа, представлены на рисунке 3. Таким образом, полученный сигнал дает значение амплитуды колебаний давления на катоде.
Для определения абсолютных величин амплитуды давления используется выражение определяющее уровень звукового давления
(1)
где Pa – абсолютное значение амплитуды давления в единицах измерения паскаль, =20 мкПа – опорное давление, соответствующее порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. Выражение для абсолютного значения амплитуды давления имеет следующий вид
(2)
Зависимости PdB(Ua) и Pa(Ua) представлены на рисунках 3 и 4, соответственно. Между абсолютными значениями амплитуды давления и данными сигнала осциллографа наблюдается линейная зависимость.
|
|
|
|
Рисунок – 3. Зависимость уровня звукового давления PdB от амплитуды колебаний напряжения сигнала создаваемого микрофоном Ua. |
Рисунок 4 – Зависимость амплитуды колебаний давления Pa от амплитуды колебаний напряжения сигнала создаваемого микрофоном Ua. |
4 Результаты исследования и их обсуждение
В работе [40] показано, что наличие резонансных звуковых колебаний в вакуумной трубке приводит к повышению электрического сопротивления разрядного промежутка и увеличению энерговклада. Это вызвано интенсификацией тепло- и массообменных процессов в волновом поле, что качественно согласуется с другими экспериментальными результатами [41, 42].
Рассмотрим колебания давления на катоде при различных значениях стационарного давления. Колебания давления вблизи катода при стационарных значениях давлений p = 34,6 Торр и p = 72,4 Торр представлены на рисунках 5, а и 5, б, соответственно. Спектры колебаний давления, показанные на рисунке 6, содержат высшие гармоники с частотами кратными основной частоте газоразрядной трубки. В данных условиях регистрируются нелинейные колебания среды. На рисунке 5 наблюдается асимметричность переднего и заднего фронтов
|
|
|
|
а |
б |
|
а – p = 34,6 Торр; б – p = 72,4 Торр Рисунок 5 – Колебания давления вблизи катода при I = 36,6 мА |
|
1. Соснин, Н. А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. / Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский - СПб. : Изд-во Политехнического ун-та, 2013. - 406 с.
2. Messler Jr., R. W. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy 1st Edition / R. W. Messler Jr. - Germany: Wiley-VCH, 1999. - 662 p.
3. Разина, Г. Н. Переработка углеродсодержащих веществ в низкотемпературной плазме : учеб. пособие / Г. Н. Разина ; Г. Н. Разина ; под ред. Н. Г. Дигурова. - М. : Рос. хим.-технол. ун-т им. Д. И. Менделеева, 2005. - 87 с.
4. Жуков, М. Ф. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны) / М. Ф. Жуков - М. : Наука, 1973. - 232 с.
5. Райзер, Ю. П. Физика газового разряда / Ю. П. Райзер - М. : Наука, 1987. - 592 с.
6. Ерёмин, С. А. Сфероидизация железного порошка в СВЧ- и гибридном плазмотронах. / С. А. Ерёмин, В. Н. Аникин, Д. В. Кузнецов, И. А. Леонтьев, Ю. Д. Степанов, В. З. Дубинин, А. М. Колесникова, Ю. М. Яшнов // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2019. - (3). - С. 4-12.
7. Bogaerts, A. Gas discharge plasmas and their applications / A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. van der Mullen // Spectrochimica Acta Part B. - 2002. - V. 57. - p. 609-658.
8. Вурзель, В. Ф. Применение низкотемпературной плазмы в химической промышленности / В. Ф. Вурзель // в кн. Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы / Под ред. Л. С. Полака. - М. : Наука, 1971. - С. 411-433.
9. Roth, J.R. Industrial Plasma Engineering, vol. 2. / J.R. Roth. - U.K. : IOP Publ. Ltd, 2001. - 645 p.
10. Begrambekov, L. B. Irradiation with hydrogen atoms and ions as an accelerated hydrogenation test of zirconium alloys and protective coatings / L. B. Begrambekov, A. E. Evsin, A. V. Grunin, A. I. Gumarov, A. S. Kaplevsky, N. F. Kashapov, A. G. Luchkin, I. R. Vakhitov, I. V. Yanilkin, L. R. Tagirov // International Journal of Hydrogen Energy. - 2019. - V. 44 (31). - p. 17154-17162.
11. Kadyrmetov, A. M. Efficiency of surface cleaning by a glow discharge for plasma spraying coating A. M. Kadyrmetov, N. F. Kashapov, S. N. Sharifullin, A. I. Saifutdinov, S. A. Fadeev // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. - 2016. - V. 134 (1). 012010.
12. Roth, J. R. Aerodynamic flow acceleration using paraelectric and peristaltic electrohydrodynamic effects of a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma / J. R. Roth // Physics of Plasmas. - 2003. - V. 10 (5). - p. 2117-2126.
13. Kopiev, V. F. Instability wave control in turbulent jet by plasma actuators / V. F. Kopiev, Y. S. Akishev, I. V. Belyaev, N. K. Berezhetskaya, V. А. Bityurin, G. А. Faranosov, M. E. Grushin, A. I. Klimov, V. A. Kopiev, I. A. Kossyi, I. A. Moralev, N. N. Ostrikov, M. I. Taktakishvili, N. I. Trushkin, M. Y. Zaytsev // J. Phys. D. Appl. Phys. - 2014. - V. 47 (50). - p. 505201.
14. Lieberman, М. А. Principles of plasma Discharges and Materials Processing / M. A. Lieberman, A. J. Lichtenburg - N. Y. : Wiley, 2005, - 757 p.
15. Chen, F. F. Radiofrequency plasma sources for semiconductor processing, Chap. 6 in “Advanced Plasma Technology” / Ed. by R. d’Agostino, P. Favia, Y. Kawai, H. Ikegami, N. Sato, F. Arefi-Khonsari. - Germany : Wiley-VCH, 2008. - p. 99-115.
16. Sheehan, J. P. Temperature gradients due to adiabatic plasma expansion in a magnetic nozzle / J. P. Sheehan, B. W. Longmier, E. A. Bering, C. S. Olsen, J. P. Squire, M. G. Ballenger, M. D. Carter, L. D. Cassady, F. R. Chang Diaz, T. W. Glover, A. V. Ilin // Plasma Sources Sci. Technol. - 2014. - V. 23 (4). - 045014.
17. Olsen, C. S. Investigation of plasma detachment from a magnetic nozzle in the plume of the VX-200 magnetoplasma thruster / C. S. Olsen, M. G. Ballenger, M. D. Carter, F. R. Chang Diaz, M. Giambusso, T. W. Glover, A. V. Ilin, J. P. Squire, B. W. Longmier, E. A. Bering, P. A. Cloutier // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2015. - V. 43 (1). - p. 252-268.
18. Ильющенко, А. Ф. Влияние акустических колебаний на характеристики процесса плазменного напыления / А. Ф. Ильющенко, Г. П. Лизунков, В. Д. Шиманович // IX Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы : Тез. докл. - Фрунзе : Илим, 1983. - С. 292-293.
19. Толтаева, А. К. Исследование аэродинамики турбулентного газового факела богатой смеси при наложении звукового воздействия : Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. - Алма-Ата, 1987. - 22 с.
20. Ажаронок, В. В. Влияние внешнего акустического поля на температуру плазмы дугового разряда / В. В. Ажаронок, Н. Ф. Алешин, В. А. Губкевич, П. П. Лизунков и др. // Инженерно-физический журнал. - 1986. - №3. - С. 481-486.
21. Лизунков, Г. П. Интенсификация плазменного напыления при воздействии акустических и электрических колебаний на гетерогенную струю / Г. П. Лизунков. В. Д. Шиманович, И. С. Буров, А. Ф. Ильющенко // Инженерно-физический журнал. - 1984. - № 5. - С. 812-816.
22. Цендин, Л. Д. Влияние разогрева электронов на акустическую неустойчивость плазмы в электрическом поле / Л. Д. Цендин // ЖТФ. - 1965. - V. 35 (11). - С. 1972-1977.
23. Ingard, U. Acoustic Wave Generation and Amplification in a Plasma / U. Ingard // Phys. Rev. - 1966. - V. 145 (1). - p. 41-45.
24. Осипов, А. И. Кинетические и газодинамические процессы в неравновесной молекулярной физике / А. И. Осипов, А. В. Уваров // УФН. - 1992. - Т. 162 (11). - С. 1-42.
25. Александров, Н. Л. Механизм усиления звука в слабоионизованном газе / Н. Л. Александров, A. H. Кончаков, А. П. Напартович, А. Н. Старостин // ЖЭТФ. - 1989. - Т. 95 (5). - С. 1614-1620.
26. Завершинский, И. П. О механизме усиления звука в слабоионизованном газе / И. П. Завершинский, Е. Я. Коган, Н. Е. Молевич // ЖЭТФ. - 1991. - Т.100 (2). - С. 422-427.
27. Bauer, H. J. Sound amplification from controlled excitation reaction / H. J. Bauer, Н. Е. Bass // Phys.Fluid. - 1973. - V.16 (7). - p. 988-996.
28. Коган, Е. Я. Распространение звука в колебательно возбужденном газе / Е. Я. Коган, В. Н. Мальнев // ЖТФ. - 1977. - Т. 47 (3). - С. 653-656.
29. Осипов, А. И. Распространение нелинейных гидродинамических возмущений в колебательно-неравновесном газе / А. И. Осипов, А. В. Уваров // Хим. физ. - 1987. - Т. 6 (3). - С. 385-389.
30. Елецкий, А.В. Нелинейное усиление звуковой волны в неравновесном молекулярном газе / А.В. Елецкий, Е.В. Степанов // Химическая физика. - 1989. - Т. 8. - с. 1247-1250.
31. Галечян, Г. А. Экспериментальное исследование усиления звука в плазме колебательно-неравновесного молекулярного газа / Г. А. Галечян, А. Р. Мкртчян // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27 (14). - С. 68-73.
32. Галечян, Г. А. Усиление акустических волн в плазме молекулярного газового разряда» / Г. А. Галечян, А. Р. Мкртчян // Акустический журнал. - 2002. - Т. 48 (3). - С. 314-318.
33. Торосян, О. С. Теория акустической неустойчивости и поведение фазовой скорости звуковых волн в слабоионизованной плазме / О. С. Торосян, А. Р. Мкртчян // Физика плазмы. 2003. Т. 29. (4). - С. 376-384.
34. Schulz, M. Acoustic kink instability in an argon discharge / M. Schulz, U. Ingard // Physics of Fluids. - 1967. - V. 10 (5). - pp. 1031-1036.
35. Kaw, P. Acoustic Instability in Weakly Ionized Gases / P. Kaw // Phys. Rev. - 1969. - V. 188. - pp. 506-508.
36. Климов, А. И. Распространение ударных волн в нестационарном тлеющем разряде / А. И. Климов, А. Н. Коблов, Г. И. Мишин, Ю. Л. Серов, И. П. Явор // Письма в ЖТФ. - 1989. - Т. 15 (20). - С. 31-36.
37. Быстров, С. А. Распространение плоской ударной волны в слабоионизованной плазме / С. А. Быстров, В. И. Иванов, Ф. В. Шугаев // Физ. Плазмы. - 1989. - Т. 15 (5). - С. 558-562.
38. Гридин, А. Ю. Распространение ударных волн в плазме тлеющего разряда / А. Ю. Гридин, А. И. Климов, Н. Е. Молевич // ЖТФ. - 1993. - Т. 63 (3). - С. 157-162.
39. Гридин, А. Ю. Структура ударной волны в неравновесной плазме (выделение энергии, запасенной в разрядной плазме за ударной волной) / А. Ю. Гридин, А. И. Климов // Хим. Физика. - 1993. - Т. 12 (3). - С. 363-365.
40. Фадеев, С. А. Влияние резонансных акустических колебаний на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда / С. А. Фадеев, Н. Ф. Кашапов, А. И. Сайфутдинов // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. - 2020. - Т. 76 (1). - С. 132-137.
41. Галечан, Г. А. Акустические волны в плазме / Г. А. Галечан // УФН. - 1995. - Т. 165 (12). - С. 1357-1379.
42. Кашапов, Н. Ф. Исследование влияния акустических колебаний на характеристики тлеющего разряда / Н. Ф. Кашапов, С. А. Фадеев // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57 (3/2). - С. 110-113.
43. Кашапов, Н. Ф. Экспериментальное исследование влияния акустических колебаний на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда в аргоне / Н. Ф. Кашапов, С. А. Фадеев // Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2020 : (Казань, 9-13 ноября 2020 г.). Сборник тезисов. - Казань : Издательство Казанского университета, 2020. - С. 48-49.
