Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем
Проведены исследования тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем, работающим в медленном режиме. Получены зависимости тепловыделений от величин электрических напряжений на разряде, величин магнитного поля, определены аксиальные теп...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81184 |
| 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: | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем / В.Б. Юферов, Н.А. Косик, Е.В. Муфель, В.Ф. Тихонов, В.И. Ткачев, В.А. Сероштанов, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 212-214. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859705175176904704 |
|---|---|
| author | Юферов, В.Б. Косик, Н.А. Муфель, Е.В. Тихонов, В.Ф. Ткачев, В.И. Сероштанов, В.А. Шарый, С.В. |
| author_facet | Юферов, В.Б. Косик, Н.А. Муфель, Е.В. Тихонов, В.Ф. Ткачев, В.И. Сероштанов, В.А. Шарый, С.В. |
| citation_txt | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем / В.Б. Юферов, Н.А. Косик, Е.В. Муфель, В.Ф. Тихонов, В.И. Ткачев, В.А. Сероштанов, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 212-214. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведены исследования тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем, работающим в медленном режиме. Получены зависимости тепловыделений от величин электрических напряжений на разряде, величин магнитного поля, определены аксиальные тепловыделения, установлен несимметричный плазмоперенос, рассчитана динамика температуры поверхностного слоя.
Thermal characteristics of internal electrode used for the slow-mode operating coaxial plasma accelerator with
longitudinal magnetic field have been analyzed. The dependences of heat release on values of electric discharge
voltage and magnetic field have been obtained. The axial heat releases have been determined. Asymmetric plasma
transfer has been established. Surface layer temperature dynamics has been calculated.
Проведено дослідження теплових характеристик внутрішнього електрода коаксіального плазмового прискорювача з повздовжнім магнітним полем, що працює в повільному режимі. Отримано залежності тепловиділень від величин електричних напруг на розряді, величин магнітного поля, визначено аксіальні тепловиділення, встановлено несиметричний плазмопереніс, розрахована динаміка температури поверхневого шару.
|
| first_indexed | 2025-12-01T03:21:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРЕННЕГО
ЭЛЕКТРОДА КОАКСИАЛЬНОГО ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ
С ПРОДОЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
В.Б. Юферов, Н.А. Косик, Е.В. Муфель, В.Ф. Тихонов, В.И. Ткачев, В.А. Сероштанов,
С.В. Шарый
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт"
Харьков, Украина
Проведены исследования тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного
ускорителя с продольным магнитным полем, работающим в медленном режиме. Получены зависимости теп-
ловыделений от величин электрических напряжений на разряде, величин магнитного поля, определены ак-
сиальные тепловыделения, установлен несимметричный плазмоперенос, рассчитана динамика температуры
поверхностного слоя.
PACS: 52.50.Dg
Модификация структуры металлов под действи-
ем сильноточных электронных пучков, СЭП, − из-
вестна. Из-за быстрого охлаждения расплавленных
поверхностных слоев металла получается мелкозер-
нистая или даже аморфная структура, благодаря
чему существенно изменяются все структурно зави-
симые свойства. Например, в [1] эти исследования
проводились при параметрах электронных пучков:
энергия – 270…300 кэВ, плотность тока около
100 А/см2, длительность импульса – 1 мкс. Толщина
модифицированного слоя, как правило, превышает
толщину слоя торможения электронов и. в
большинстве случаев. лежит на уровне 0.1….3 мм.
Поэтому для обработки тонкостенных изделий необ-
ходимо снижение энергии электронов или необхо-
дим переход на ионы, имеющие значительно мень-
шую глубину пробега. Снижение энергии упростит
также вопросы радиационной безопасности. В то же
время снижение энергии требует повышения плот-
ности тока или длительности импульса, что видно
при рассмотрении выражения: q = IEτ = mc∆Τ, где
q- удельная энергия, I – плотность тока пучка, E –
энергия, τ – длительность импульса, m = ρsδ- соот-
ветственно – масса, плотность, удельная площадь и
толщина слоя, c – теплоемкость, ∆Τ – разность тем-
ператур, приблизительно равная температуре плав-
ления материала. Повышение плотности тока требу-
ет повышения плотности плазмы, эмитирующей
бомбардируюшие частицы и снижения расстояния
облучаемый электрод – плазма, которое в принципе
может быть снижено до величины Дебаевского ра-
диуса, т.е. облучаемое тело находится в плазме
(окружено ею). В [2] описан плазменный катод, при-
менение которого, возможно, позволит решить эти
проблемы и его конструкция может быть положена
в основу установки для обработки изделий сложной
формы и тонкостенных конструкций. Предваритель-
ные исследования проводились в системе коакси-
ального плазменного ускорителя с продольным маг-
нитным полем[3], Рис.1, хотя было ясно, что в ней
будет происходить аксиальный перенос плазмы за
счет силы Ампера. Разряд поджигался между коак-
сиальными электродами при давлении в камере 5·10
−2…5·10−3 Торр с помощью конденсаторной батареи
емкостью около 103 мкф и напряжением до 3 кВ.
Конструкция установки позволяет в ходе работы ре-
ализовать: 1) облучение электронами или ионами, 2)
изменять энергию и ток, 3) регулировать и контро-
лировать вакуумные условия, 4) контролировать па-
раметры плазменного катода.
Рис.1. Схема рабочей камеры. 1 – центральный
электрод, трубка ∅ 10/9.4; 2 – магнитная система,
3 – напуск газа; 4 – откачка; 5 – изоляторы
Токовые характеристики разряда и свечение
плазмы представлены на Рис.2,а и б. Видно, что
максимумы на кривых свечения совпадают с макси-
мумами разрядных токов.
0 100 200 300 400 500 600
-20
0
20
40
60
Т
о
к,
к
А
Время, мкс
1кВ
1,5кВ
2,5кВ
а
0 100 200 300 400 500 600
0
200
400
600
800
Í
àï
ðÿ
æ
åí
èå
í
à
ô
îò
îä
èî
äå
, ì
Â
Âðåì ÿ, ì êñ
1êÂ
1,5êÂ
2,5êÂá
Рис.2. а) разрядный ток; б) свечение плазмы
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.212-214.212
Поскольку интенсивное свечение плазмы не поз-
воляло измерять светимость (температуру) цен-
трального электрода, контроль величины энергии,
переносимой на центральный электрод, производил-
ся с помощью 3-х термопар, Д,С,Б, вставленных
внутрь центральной трубки, залитой житкостью (во-
дой) (см. Рис.1). Время установления температурно-
го равновесия в металле и воде определялось исходя
из решения уравнения теплопроводности:
q = -χdT/dx, t = Const d2/χ, где χ = λ/ρс и λ – коэф-
фициенты температуро и теплопроводности, соот-
ветственно; d – характерный размер по оси х. Эти
времена для металла и воды составляли, соответ-
ственно, 1…3 мс и 10с.
P,
10
4
В
т
; Т
,0 С
t,мкс
Рис.3. Временные зависимости мощности P и тем-
пературы приповерхностного слоя T: а) T для по-
стоянных c, ρ, λ; б) для c, ρ, λ, зависящих от T
Временные зависимости мощности разряда, P, и
рассчитанные температуры, T, приповерхностного
слоя толщиной 0.5 мкм для q =16 Дж/см2 представле-
ны на Рис.3: а) для постоянных c, ρ, λ; б) для пас-
портных значений c, ρ, λ, зависящих от температуры.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
È
çì
åí
åí
èå
ò
åì
ïå
ðà
òó
ðû
Ï î äàâàåì î å í àï ðÿæåí èå
420 Ý,
300 Ý,
240 Ý.
∆ Ò, ãðàäóñû
U, êÂ
а)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
2
4
6
8
10
12
14
È
çì
åí
åí
èå
ò
åì
ïå
ðà
òó
ðû
Ï î äàâàåì î å í àï ðÿæåí èå
420 Ý,
300 Ý,
240 Ý.
∆ Ò, ãðàäóñû
U,êÂ
б)
Рис.4. Изменения равновесной температуры цен-
трального электрода: а) положительная поляр-
ность; б) отрицательная полярность
Выбор толщины слоя в 0.5 мкм получен из оценок ве-
личины тормозного пути электронов с энергией около
1 кэВ для железной мишени. Как видно, модификация
физико-механических свойств слоя возможна при тем-
пературах плавления материала ниже 15000С.
На графиках Рис.4,а,б показаны изменения рав-
новесной температуры центрального электрода по-
сле импульса в зависимости от разрядного напряже-
ния и магнитного поля.
На Рис.5 представлены величины равновесной
температуры в местах расположения термопар,
Б,С,Д, согласно Рис.1, при симметричном токопод-
воде. Не симметричный токоподвод увеличивал
неоднородность выхода частиц на центральный
электрод в осевом направлении.
0 10 20 30 40 50 60
34
36
38
40
42
44
46
48
50
È
çì
åí
åí
èå
ò
åì
ïå
ðà
òó
ðû
Âðåì åí í î é èí òåðâàë
áëèæí èé
ñðåäí èé
äàëüí èé
T, OC
t, ñ
Рис.5. Температурный ход трех термодатчиков,
Б,С,Д (положительная полярность)
Роль величины продольного магнитного поля
представлена на Рис.6,а и б.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Yi
a?
ae
y
au
aa
ee
ao
ay
ny
ia
y
ea
eo
?i
aa
Aei? aiiay yia?aey
240 Y
300 Y
420 Y
Q, A?
η , %
а)
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.212-214.213
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Yi
a?
ae
y
au
aa
ee
ao
ay
ny
ia
y
ea
eo
?i
aa
Aei? aiiay yia?aey
240 Y
300 Y
420 Y
Q, A?
η , %
б)
Рис.6. Доля энергии, выделяющейся на электроде для
а) отрицательной и б) положительной полярностей
На Рис.7 представлено фото бокового изоляци-
онного фланца, облученного плазмой, противопо-
ложный − оказывался не облученным, что указывает
на аксиальное перемещение плазмы.
Рис.7. Следы эрозии изоляционного фланца
На Рис.8 представлены следы эрозии на внешнем
коаксиальном электроде при заземленном плюсе ис-
точника.
Рис.8. Эрозионные характеристики разряда
Наблюдаемые катодно-анодные пятна постав-
ляют большое количество металлических ионов в
разрядную плазму, что является отрицательным мо-
ментом.
ВЫВОДЫ
Для коаксиального плазменного ускорителя с
продольным магнитным полем, работающим в
медленном режиме, возможно получение зоны мак-
симального энерговыделения в центральной части
внутреннего электрода. Целесообразны исследова-
ния в более широком диапазоне параметров. Целе-
сообразны расчеты температурной динамики для бо-
лее коротких импульсов с целью оптимизации про-
цесса и систем питания. Импульсная обработка тон-
костенных трубчатых изделий сильноточными плаз-
менными разрядами с удовлетворительной однород-
ностью – возможна. Она зависит от многих условий:
величины и геометрии магнитного поля, величины
давления и состава газа и др. Такая многопараметр-
ная зависимость требует тщательного контроля та-
ких важных параметров, как поверхностная темпе-
ратура (импульсная), время экспозиции, которые
определяют структуру и толщину модифицирован-
ного слоя. Поэтому оптимизация условий требует
постоянного структурного контроля и использова-
ния широкого класса диагностик.
ЛИТЕРАТУРА
1. И.М. Неклюдов, В.Б. Юферов, Л.Г. Сороковой и
др. О некоторых процессах при воздействии им-
пульсного электронного пучка с поверхностями
твердых тел. Физика импульсных разрядов в
конденсированных средах // Вопросы атомной
науки и техники. Серия: Плазменная электро-
ника и новые методы ускорения. 2004, №4(4),
с.326-328.
2. В.Б. Юферов, Е.И. Скибенко, Л.Г. Сороковой и
др. Импульсный плазменный катод с большой
эмитирующей поверхностью // Вопросы атом-
ной науки и техники. Серия: Плазменная элек-
троника и новые методы ускорения. 2004,
№ 4(4), с.319-322.
3. V.B. Yuferov, V.I. Tkachev, V.F. Tikhonov, et al.
Technological coaxial plasma accelerator // Prob-
lems of Atomic Science and Technology. Series:
Nuclear Physics Investigation. 2006, №2(46), p.49-
51.
ANALYSIS OF THE THERMAL CHARACTERISTICS OF INTERNAL ELECTRODE USED
FOR THE COAXIAL PLASMA ACCELERATOR WITH LONGITUDINAL MAGNETIC FIELD
V.B. Yuferov, N.A. Kosik, E.V. Mufel, V.F. Tikhonov, V.I. Tkachev, V.A. Seroshtanov, S.V. Shariy
Thermal characteristics of internal electrode used for the slow-mode operating coaxial plasma accelerator with
longitudinal magnetic field have been analyzed. The dependences of heat release on values of electric discharge
voltage and magnetic field have been obtained. The axial heat releases have been determined. Asymmetric plasma
transfer has been established. Surface layer temperature dynamics has been calculated.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВНУТРІШНЬОГО ЕЛЕКТРОДА
КОАКСІАЛЬНОГО ПЛАЗМОВОГО ПРИСКОРЮВАЧА З ПОВЗДОВЖНІМ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ
В.Б. Юферов, М.А. Косик, Є.В. Муфель, В.Ф. Тихонов, В.І. Ткачов, В.А. Сєроштанов, С.В. Шарий
Проведено дослідження теплових характеристик внутрішнього електрода коаксіального плазмового
прискорювача з повздовжнім магнітним полем, що працює в повільному режимі. Отримано залежності
214
тепловиділень від величин електричних напруг на розряді, величин магнітного поля, визначено аксіальні
тепловиділення, встановлено несиметричний плазмопереніс, розрахована динаміка температури
поверхневого шару.
________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.212-214.215
Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем
Выводы
Литература
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81184 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T03:21:58Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Юферов, В.Б. Косик, Н.А. Муфель, Е.В. Тихонов, В.Ф. Ткачев, В.И. Сероштанов, В.А. Шарый, С.В. 2015-05-12T20:15:17Z 2015-05-12T20:15:17Z 2006 Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем / В.Б. Юферов, Н.А. Косик, Е.В. Муфель, В.Ф. Тихонов, В.И. Ткачев, В.А. Сероштанов, С.В. Шарый // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 212-214. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 52.50.Dg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81184 Проведены исследования тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем, работающим в медленном режиме. Получены зависимости тепловыделений от величин электрических напряжений на разряде, величин магнитного поля, определены аксиальные тепловыделения, установлен несимметричный плазмоперенос, рассчитана динамика температуры поверхностного слоя. Thermal characteristics of internal electrode used for the slow-mode operating coaxial plasma accelerator with longitudinal magnetic field have been analyzed. The dependences of heat release on values of electric discharge voltage and magnetic field have been obtained. The axial heat releases have been determined. Asymmetric plasma transfer has been established. Surface layer temperature dynamics has been calculated. Проведено дослідження теплових характеристик внутрішнього електрода коаксіального плазмового прискорювача з повздовжнім магнітним полем, що працює в повільному режимі. Отримано залежності тепловиділень від величин електричних напруг на розряді, величин магнітного поля, визначено аксіальні тепловиділення, встановлено несиметричний плазмопереніс, розрахована динаміка температури поверхневого шару. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Приложения и технологии Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем Analysis of the thermal characteristics of internal electrode used for the coaxial plasma accelerator with longitudinal magnetic field Дослідження теплових характеристик внутрішнього електрода коаксіального плазмового прискорювача з повздовжнім магнітним полем Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем Юферов, В.Б. Косик, Н.А. Муфель, Е.В. Тихонов, В.Ф. Ткачев, В.И. Сероштанов, В.А. Шарый, С.В. Приложения и технологии |
| title | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| title_alt | Analysis of the thermal characteristics of internal electrode used for the coaxial plasma accelerator with longitudinal magnetic field Дослідження теплових характеристик внутрішнього електрода коаксіального плазмового прискорювача з повздовжнім магнітним полем |
| title_full | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| title_fullStr | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| title_full_unstemmed | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| title_short | Исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| title_sort | исследование тепловых характеристик внутреннего электрода коаксиального плазменного ускорителя с продольным магнитным полем |
| topic | Приложения и технологии |
| topic_facet | Приложения и технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81184 |
| work_keys_str_mv | AT ûferovvb issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT kosikna issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT mufelʹev issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT tihonovvf issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT tkačevvi issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT seroštanovva issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT šaryisv issledovanieteplovyhharakteristikvnutrennegoélektrodakoaksialʹnogoplazmennogouskoritelâsprodolʹnymmagnitnympolem AT ûferovvb analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT kosikna analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT mufelʹev analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT tihonovvf analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT tkačevvi analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT seroštanovva analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT šaryisv analysisofthethermalcharacteristicsofinternalelectrodeusedforthecoaxialplasmaacceleratorwithlongitudinalmagneticfield AT ûferovvb doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT kosikna doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT mufelʹev doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT tihonovvf doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT tkačevvi doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT seroštanovva doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem AT šaryisv doslídžennâteplovihharakteristikvnutríšnʹogoelektrodakoaksíalʹnogoplazmovogopriskorûvačazpovzdovžnímmagnítnimpolem |