Экспериментальные и теоретические исследования сильнонеравновесных процессов, в том числе в активных кулоновских системах пылевых частиц в коллоидной плазме

Отчет: 107 стр., 43 рис., 21 табл., 76 источников. ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВАЯ ПЛАЗМА, ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА, КУЛОНОВСКИЕ СИСТЕМЫ, ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ СИСТЕМЫ, ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД, СТРАТЫ, ИОНИЗАЦИЯ, ЭЛЕКТРОН-АТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕНИЯ, ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ, МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ПЛАЗМА, СОЛИТОНЫ АКУСТИЧЕСКОГО ТИПА, ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ Объектами исследования являются: Заряженные макроскопические объекты и мелкодисерсные частицы (пылевые частицы и капли жидкости), находящиеся в контакте с неравновесной химически активной плазмой.. Гетерофазные плазменные системы, возбуждаемые пучком электронов высокой энергии: неподвижные пучково-плазменные образования и плазменные потоки. Методы и аппаратура диагностики электронно-пучковой плазмы в условиях интенсивного кулоновского взаимодействия. Положительный столб стратифицированного тлеющего разряда постоянного тока при пониженном давлении газа. Электростатическое взаимодействие диэлектрических заряженных пылевых частиц. Нелинейные волны в многокомпонентной плазме. Функции распределения плазмы, возмущенные нелинейными волнами. Целями работы являются: Создание и отладка диагностического комплекса для многофункциональной экспериментальной установки, обеспечивающего сбор и первичную обработку данных о процессах, которые протекают в плазме, возбуждаемой инжекцией электронных пучков в плотные газовые и гетерофазные среды. Проверка функционирования диагностического комплекса при выполнении экспериментов в условиях, которые характерны для установок, предназначенных отработки производственных и аэрокосмических пучково-плазменных технологий, в том числе – в условиях сильного кулоновского взаимодействия. Построение физико-математической модели положительного столба в стратифицированном тлеющем разряде постоянного тока. Исследование кинетических характеристик дрейфа ионов и электронов в стратифицированном разряде. Изучение влияние формы пылевых диэлектрических и проводящих частиц на их электростатическое взаимодействие. Анализ волновых свойств многокомпонентной плазмы на линейном и нелинейном уровнях. Методы и методологии проведения работы. Для выполнения работ по теме: Работы по теме выполнялись для условий, реализующихся в лабораторном пучково-плазменном реакторе с гетерофазным реакционным объемом; проведена необходимая адаптация методов измерения параметров, характеризующих режимы работы реактора, свойства реакционного объема и протекающие в нем стационарные и нестационарные процессы. Плазмообразующими средами являлись аэрозоли с твердыми и жидкими мелкодисперсными частицами, а диагностические методики обеспечивали проведение измерений при наличии кулоновского взаимодействия между дисперсными частицами и электростатической зарядки элементов конструкции реакционной камеры. Диагностический комплекс отрабатывался применительно к планируемым физическим и технологическим экспериментам в различных режимах генерации электронно-пучковой плазмы. Построена вычислительная модель для описания переноса ионов и электронов в заданных электрических и магнитных полях с учетом упругих и неупругих электрон-атомных столкновений. Для анализа процессов взаимодействия заряженных частиц и их коагуляции в плазме использовалась линеаризированная теория Дебая-Хюккеля, с учетом конечного размера частиц. Анализ волновых свойств многокомпонетной плазмы выполнен с использованием псевдопотенциального метода на основе гидродинамического приближения. Для решения уравнения Пуассона использовался численный метод Рунге-Кутты, метод малых амлитуд, а также одночстичное приближение. Для анализа линейных волн использовались методы линеаризации. Результаты работы: Создан и отлажен диагностический комплекс, обеспечивающий получение данных о реакционном объеме лабораторного плазмохимического реактора, в котором холодная плазма возбуждается инжекцией электронного пучка в гетерофазную плазмообразующую среду. Диагностический комплекс способен обеспечить сбор необходимой информации для построения моделей процессов (физических и плазмохимических), протекающих в объеме электронно-пучковой плазмы, а также на поверхностях, контактирующих с плазмой (находящиеся в реакционном объеме частицы конденсированной дисперсной фазы и/или макроскопические тела, элементы конструкции реакционной камеры установки). Проведены предварительные эксперименты, подтвердившие работоспособность диагностического комплекса в составе пучково-плазменного реактора с гетерофазным реакционным объемом для следующих режимов работы реактора. На основе построенной модели и разработанного алгоритма создана программа для расчета кинетических характеристик при дрейфе заряженных частиц в электрическом и магнитных полях. Для случая дрейфа электронов в стратифицировнном разряде постоянного тока рассчитаны пространственные характеристики: скорость дрейфа, средняя энергия и т.д. Экспериментально исследована коагуляция и притяжение пылевых частиц в пылевой (коллоидной) плазме при атмосферном давлении в плазме инертных газов: неона, аргона, криптона, ксенона и их смесей. Теоретически исследована коагуляция заряженных пылевых частиц с учетом экранирования их заряда плазмой. Получена формула, описывающая функцию распределения по скоростям и энергиям для фоновой плазмы в присутствии солитонов акустического типа. Расичтаны плазменные функции распределния по скоростям и энергиям, возмущенные солитонами сжатия и разрежения в многокомпонентной плазме. Получен новый метод расчета дисперсионного соотношения для линейных волн, основанный на линеаризации псевдопотенциала Сагдеева. Область применения: Результаты экспериментальных и теоретических исследований представляют интерес для: конструкторов плазмохимических реакторов, предназначенных для производства материалов с особыми физико-химическими, биологическими и эксплуатационными свойствами; разработчиков процессов и аппаратов для ресурсосберегающих, аддитивных и гибридных технологий, использующих комбинированное пучково-плазменное воздействие на вещество; проектировщиков бортовых энергоустановок перспективных космических летательных аппаратов и средств их наземной отработки. при планировании экспериментальных работ по исследованию пылевой плазмы, разработке плазменных технологий для обработки поверхностей и синтезе новых материалов в микроэлектронике и медицине. для развития методов диагностики плазмы. для развития физики линейных и нелинейных волн в плазме, в том числе плазменной кинетики.