 |
Процессы распространения в реактивной зоне
|
|
|
|
Для того, чтобы показать, что основная область является областью высокой чистоты гелия, необходимо оценить процессы распространения. Это возможно при помощи второго закона распространения Фика. Для трехмерного случая он может быть записан как:
,
где D – постоянная распространения, с – местная концентрация.
Для двумерных и трехмерных случаев не существует никакого простого аналитического решения данного уравнения, но для одномерного случая:
.
Этого достаточно для предварительной оценки этих процессов. Рисунок 2.6 описывает ситуацию.
Рисунок 2.6 - оценка процессов распространения в границах APPJ
Гелий вытекает из трубы, производящей в окружающем воздухе конусовидную основную зону, наподобие описанной прежде. Если из основной зоны выделить маленький диск, то цилиндрический объем гелия будет окружен воздушной оболочкой. Конечно, в действительности эта ситуация является очень динамической, т. к. объем гелия постоянно изменяется. Но если объем гелия не будет изменяться все время, то это будет описано в терминах процессов распространения. Если эта ситуация постоянного гелия не является критической, то реальный процесс не будет критическим так или иначе.
Поскольку длина распространения обоих газов (< 1 мкм) является намного меньшей, чем рассмотренный здесь диаметр цилиндра гелия (4 мм), то это позволяет использовать одномерное решение второго закона Фика.
Для с0=100%, DHe-O2=0,45 см2/сек и с(2мм, t5%)=1% мы получаем t1%=26мсек. Это означает, что если все газовые скорости равны нулю, то на это потребуется 26 мсек, пока концентрация гелия в средней линии цилиндра гелия (средняя линия реактивного потока) не упала до 99%.
|
|
|
Теперь же если мы вернемся к реальной ситуации и примем во внимание то, что обычно частицы гелия перемещаются со скоростью 10 м/с, то газовые частицы займут расстояние в 30 см вокруг! Это означает, что процессами распространения можно пренебречь по сравнению с процессами потока, протекающими здесь.
Эти простые вычисления показали, что основная зона на рисунке 2.5 является зоной высокой чистоты гелия, где атомы гелия могут существовать в метастабильных состояниях, чтобы участвовать в плазменных процессах. Разгрузка жара (накала, температуры) и генерация заряженных частиц, описанные позже, далеки от зоны производства плазмы, что возможно рассмотреть как APPJ явление, описанное здесь.
ICCD наблюдения
Существует не так много методов проведения диагностики APP (плазмы атмосферного давления). Один очень мощный инструмент – это ICCD-камера (усиленная нагрузка соединительных устройств). При помощи такой камеры возможно произвести высокоскоростное фотографирование со временем задержки, стремящимся к диапазону наносекунды. Если фотографии реактивного потока выполнены со временем задержки порядка 10-2 – 10-3 секунды, подобно рисунку 2.1 и рисунку 2.4, то и плазма в трубе, и реактивный поток покажутся гомогенными. Это иллюзия. На рисунке 2.7 представлены фотографии со временем задержки 100 наносекунд.
Рисунок 2.7 - ICCD фотографии боковой стороны APPJ (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входное напряжение)
Из-за низкой интенсивности реактивного потока для получения одной фотографии были скомбинированы 1000 отдельных снимков. Каждый отдельный снимок был синхронизирован с поданным напряжением. Это было возможно из-за периодического характера реактивного потока, и это реальный отдельный снимок, сделанный для всех фотографий на рисунке 2.7, кроме увеличения (zoomed) один.
На рисунке черные пунктирные линии отмечают границы источника. Источник прозрачен по всей своей длине. Это возможно, если сделать разрез в параллели электродов к газовому направлению потока. Влияние на внутреннее поддерживаемое распределение незначительно. Может быть замечено, что реактивный поток не постоянен во времени. Фактически, это «плазменная пуля», выстрелянная из трубы со скоростью, которая намного превышает газовую скорость. На рисунке 2.7 «пуля» проходит расстояние в 7,5 см за 5мсек. Это соответствует скорости 15 км/сек. В среднем расчетная газовая скорость составляет 16,5 м/сек. Вот еще один дополнительный аргумент для утверждения, что это не явление потока.
|
|
|
«Пуля» всегда появляется при повышении наклона кривой поданного напряжения. Еще одно важное открытие состоит в том, что полное истечение времени реактивного распространения является почти независимым от частоты и формы кривой поданного напряжения в исследованном диапазоне (1..50 кГц, синусоидальная, прямоугольная и треугольная форма кривой напряжения). «Пуля» вылетает в течении нескольких микросекунд в одной и той же точке на стадии каждого периода.
Структура «пули» не является строго эллипсоидальной, как кто-либо мог бы предположить по отснятым фотографиям рисунка 2.7. Это явление не является строго периодическим (увеличенная часть рисунка 2.7). То, что является реальным отдельным выстрелом (снимком), обнаруживает ореол сформированной структуры. Но для настоящего открытия нужно больше. Рисунок 2.8 показывает фронтальный вид «плазменной пули» при различных позициях относительно источника.
Рисунок 2.8 - ICCD фотографии фронтального вида APPJ (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входное напряжение)
На рисунке представлены фотографии со временем задержки 1000*100 нсек. Для получения этих снимков центральная точка (фокус) камеры была совмещена с точной позицией пули. Это было нелегко, так как диафрагма линзы всегда должна быть полностью открыта, и как следствие глубина центра (фокуса) становится очень маленькой, иногда даже меньшей 1 мм при макросъемке.
Если «пуля» располагается вне источника (рисунок 2.8(1)), то картина состоит из интенсивного свечения в центре и более слабого, кольцевой формы свечения вокруг него. Если цветные фотографии представляют сторону реактивного потока, то они сделаны при помощи стандартной камеры (с высоким временем задержки) по аналогии с рисунком 2.1 и рисунком 2.4, всегда тонкая красноватая линия в центре blueish (если blue ish – то синий выход) реактивного потока может быть соблюдена. Это кажется синей точкой, наблюдаемой на переднем плане. Это мог быть жар (свет, излучение) гелия, а кольцо вокруг него могло быть жаром (светом) азота. Для подтверждения данного утверждения (тезиса) должно быть проведено дополнительное спектроскопическое исследование.
|
|
|
На выходе источника (рисунок 2.8(2)) структура «пули» не очень ясна. Было замечено слабое разбросанное свечение. Позади переднего электрода, но все еще в источнике (рисунок 2.8(3)), структура очень ясная и точная. Там «пуля» видна как яркая, светящаяся точка. Между электродами (рисунок 2.8(4)) близлежащая структура та же самая, но в дополнение стены источника освещаются.
На рисунке 2.9 представлены две фотографии плазменной «пули» при ее рассмотрении на подлете к поверхности.
Рисунок 2.9 - ICCD фотографии «плазменной пули», рассмотрение поверхности (7,5 кВ, 10кГц, синусоидальное входное напряжение)
Исследуемый материал был укрепленной стекловолокнистой пластмассой (GPR). Изображение показывает, что светящаяся зона не является гомогенной, но кольцевой. Жар (свет, температура) этого кольца поддерживается до 5 мс.
При изучении материала становится видно, что зона обработки становится намного меньшей, пунктуальна (точна во времени) и не смеет форму кольца. Это сводится к предположению, что реактивный поток переносит заряд (нагрузку), так как заряд (нагрузка), депонированный на поверхности диэлектрика, впоследствии участвует после заряда (нагрузки и распространяет реактивный поток.
Это не было очевидным, так как на реактивный поток нельзя влиять при помощи магнитных полей. Причиной тому может послужить тот факт, что плазма способна перемещаться только в тонкой основной зоне реактивного потока, где присутствует гелий высокой чистоты.
|
|
|
