RU2220518C1 - Способ получения потока микрочастиц и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике моделирования высокоскоростных потоков микрочастиц, и может быть использовано, в частности, при имитации воздействия на поверхность оптических и конструкционных материалов космического приборостроения потоков микрометеоритов и мелкодисперсных частиц антропогенного загрязнения космического пространства на низких околоземных орбитах. В способе получения потока микрочастиц при высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала в импульсном струйном диафрагменном разряде в вакууме, струйный диафрагменный разряд формируют в магнитогазодинамическом (МГД) режиме течения струй плазмы на межэлектродном промежутке при условии j_{о мгд}<j_o<j_{о разр}, где j_{о мгд} - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая переходу течения плазмы струй в магнитогазодинамический режим, A/см²; j_o=i/πr_o ², A/см²; i - величина тока разряда, A; r_o - радиус отверстия диафрагмы, см; j_{о разр} - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая пределу механической прочности σ_разр материала диафрагмы, A/см²; микрочастицы общей массой m_Σ получают при выполнении условия Δh₀≥ΔH^*, где Δh_o - удельная энтальпия на оси в отверстии диафрагмы, Дж/г; ΔH* - удельная теплота разрушения (абляции) материала диафрагмы, Дж/г; m_Σ определяют из соотношения m_Σ ≈ ωt_имп[r], где ω - средняя скорость уноса массы материала диафрагмы, г/с; t_имп - длительность импульса тока разряда, c; при скорости микрочастиц V_част (r_част) за кольцевым электродом, найденной из соотношения

, где С_х - коэффициент, учитывающий форму частиц; V_струи - скорость струи плазмы у кольцевого электрода, м/с; t_взаим - время взаимодействия частицы с потоком плазмы в магнитогазодинамическом режиме разряда, c; ρ_струи - плотность потока плазмы, г/см³; ρ_частиц - плотность частицы, г/см³; r_част - размер микрочастиц, м. Устройство для получения потока микрочастиц включает герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, кольцевыми электродами, с установленной на оси кольцевых электродов диафрагмой толщиной 2l_o из плазмообразующего материала с отверстием диаметром 2r_o. В качестве источника питания установлен генератор импульсных токов МГД режима струйного диафрагменного разряда с величиной i(t), удовлетворяющей условию Р_магн>P_кр, где Р_магн= (80π)^-1 (0,2 i/r_o)² - давление, обусловленное магнитным полем тока разряда, Па;
Р_кр=[0,14 i^1,34 (2l_o)^0,93]/[r_o ^2,95 (1+r_o/2l_o)^0,67]
- газовое давление в критическом сечении, Па, а диафрагма выполнена из плазмообразующего материала. Технический результат - стабильное получение высокоскоростных потоков устойчивых микрочастиц различного химического состава размером от 0,1 до 900 мкм. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Текст описания в факсимильном виде (см. графическую часть).

Claims (7)

1. Способ получения потока микрочастиц при высокотемпературной эрозии плазмообразующего материала в импульсном струйном диафрагменном разряде в вакууме, отличающийся тем, что струйный диафрагменный разряд формируют в магнитогазодинамическом (МГД) режиме течения струй плазмы на межэлектродном промежутке при условии

j_{о мгд} < j_o < j_{о разр},

где j_{о мгд} - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая переходу течения струй плазмы в магнитогазодинамический режим, А/см²;

j_o=i/πr $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$ [А/см²],

где i - величина тока разряда, A;

r_o - радиус отверстия диафрагмы, см;

j_{о разр} - плотность тока в отверстии диафрагмы, соответствующая пределу механической прочности σ_разр материала диафрагмы, A/см²;

микрочастицы общей массой mΣ получают при выполнении условия

Δh_o ≥ ΔH*,

где Δh_o - удельная энтальпия на оси в отверстии диафрагмы, Дж/г;

ΔH* - удельная теплота разрушения (абляции) материала диафрагмы, Дж/г;

mΣ определяют из соотношения

mΣ≈ω t_имп [г],

где ω - средняя скорость уноса массы материала диафрагмы, г/с;

t_имп - длительность импульса тока разряда, c;

при скорости микрочастиц V_част (r_част) у кольцевого электрода, найденной из соотношения

V_частиц (r_част)≈[C_x V $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{струи}}$ t_взаим ρ_струи ]/ρ_частиц r_частиц [м/с],

где С_х - коэффициент, учитывающий форму частиц;

V_струи - скорость струи плазмы у кольцевого электрода, м/с;

t_взаим - время взаимодействия частицы с потоком плазмы в магнитогазодинамическом режиме разряда, c;

ρ_струи - плотность потока плазмы, г/см³;

ρ_частиц - плотность частицы, г/см³;

r_част - размер микрочастиц, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный поток микрочастиц дополнительно отделяют от потока релаксирующей плазмы за электродом на расстоянии D, удовлетворяющем условию

D>5L,

где L - межэлектродное расстояние, см.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный поток микрочастиц дополнительно отделяют от потока релаксирующей плазмы созданием одновременно со струйным диафрагменным разрядом за электродом, на расстоянии D₁, удовлетворяющем условию

2L<D₁<5L,

электрического поля с напряженностью в k раз меньше напряженности электрического поля разрядного промежутка и согласованного с ним во времени.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что струйный диафрагменный разряд осуществляют при крутизне спада тока К [A/c] на заднем фронте импульса тока, удовлетворяющем условию

t_спад<t_вдув,

где t_спад=0,9i_max /K,

где i_max - амплитуда тока разряда, A;

t_вдув=r_o/V_рад - время радиального вдува микрочастиц размера r_част=r_max из пограничного слоя у поверхности в отверстии диафрагмы в осевую зону [c],

где r_o - радиус отверстия диафрагмы, см;

V_рад=r_o V_кр ρ_кр/l_o ρ_погр - радиальная скорость микрочастиц, м/с,

где V_кр=724 i^0,22/(0,9 r_o)^0,33 - скорость потока плазмы в критическом сечении, м/с;

ρ_кр - плотность потока плазмы в критическом сечении, г/см³;

2l_o - толщина диафрагмы, см;

ρ_погр - плотность вещества в пограничном слое, г/см³.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что до формирования МГД режима разряда в разрядный промежуток вводят микрочастицы выбранного размера и химического состава.

6. Устройство для получения потока микрочастиц, включающее герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, кольцевыми электродами, с установленной на оси кольцевых электродов диафрагмой толщиной 2l_o из плазмообразующего материала с отверстием диаметром 2r_o, отличающееся тем, что в качестве источника питания выбран генератор импульсных токов МГД режима струйного диафрагменного разряда с величиной тока i(t), удовлетворяющей условию

P_магн>P_кр,

где Р_магн=(80 π)^-1 (0,2i/r_o)² - давление, обусловленное магнитным полем тока разряда, Па;

Р_кр=[0,14 i^1,34 (2l_o)^0,98]/[r_o 2,95 (1+r_o/2l_o)^0,67] - давление в критическом сечении, Па;

а диафрагма выполнена из плазмообразующего материала.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что за кольцевым катодом дополнительно размещены три металлических диска Э₁, Э₂ и Э₃ на расстояниях от среза кольцевого электрода Д₁=2L, Д₂=3L и Д₃=4L с отверстиями, радиусы которых равны R₁=R; R₂=2R мм и R₁<R₃<R₂ соответственно, где L - межэлектродное расстояние, см; R – радиус отверстия в кольцевых электродах, см, причем диски Э₁ и Э₃ электрически соединены с катодом, диск Э₂ - с кольцевыми анодом и катодом вне вакуумной разрядной камеры через емкостной делитель напряжения, емкостной делитель напряжения своим высоковольтным плечом относительно катода - с анодом, а низковольтным плечом с коэффициентом деления k - с диском Э₂.

Images