Спектральная пирометрия Магунов. Оглавлениепредисловие Глава Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии
 Скачать 4.34 Mb.
|
|
Азид серебра. В работе [6.12] взрыв азида серебра инициируется импульсным облучением пучком электронов из ускорителя (длительность импульса 10 нс, энергия электронов 250 МэВ, плотность 6.2. Взрывы и ударные волны 157 тока 1 кА/см 2 ). Образцы — прессованные таблетки диаметром мм и толщиной 200 мкм. При энергии 250 МэВ глубина проникновения пучка в азид серебра превышает толщину образца, те. энерговы- деление происходит равномерно по объему, и инициирование реакции является объемным, а не поверхностным. В образцы добавлен 1 весовой % сажи в виде частиц размером порядка 1 мкм. Примерно через 10 мкс после инициирования появляется сплошной спектр свечения частиц сажи. Осуществляется подгонка экспериментального спектра свечения в диапазоне 650–1100 нм (смак- симумом при 900 нм) функцией Планка при = 3200 К. Для разных образцов получены температуры в диапазоне 3000–3500 К. При взрыве образцов, в которых отсутствует сажа, спектр излучения состоит из полос, но практически не содержит континуума. Ударная волна. Ударная волна в газе в некоторых случаях излучает непрерывный спектр, подобный планковскому. При скорости D волны, намного превышающей скорость звука в невозмущенном газе, температура за фронтом (скачком давления и температуры) описывается выражением [6.10] T = 2(γ − 1)μD 2 (γ + где — показатель адиабаты, μ — относительная молярная масса, R газовая постоянная. Для воздушной ударной волны при ≈ 7 км/с температура за фронтом составляет 10 кК. Сходящуюся ударную волну в камере полусферической формы получали при взрыве газовой смеси O 2 –H 2 –He при давлении около атм [6.13]. Проинтегрированные повремени оптические спектры излучения сходящейся волны близки к спектрам черного тела. Температура газа вблизи центра сферы оказалась достаточно низкой 5000 К). Температуру полусферической сходящейся ударной волны в газе измеряли методом спектральной пирометрии в работе [6.14]. Взрыв в стехиометрической газовой смеси H 2 + при давлениях от 14 до атм инициировали электрическим взрывом никелевой проволочки. В некоторых экспериментах сходящуюся волну создавали взрывом пентаэритриттетранитрата C 5 H 8 N 4 O 12 (ТЭН), расположенного слоем на поверхности камеры. Интенсивность излучения волны при схлопы- вании измеряли полихроматором с временным разрешением 0,1 мкс на восьми длинах волн (390, 413, 439, 471, 512, 563, 633 и 752 нм. Полученные спектры строили в координатах Вина, при этом наблюдалось удовлетворительное спрямление спектров. Вычисленные температуры лежат в диапазоне от 10000 до 13000 К для экспериментов с проволочкой и от 15000 до 17000 К для экспериментов с взрывчатым веществом (рис. 6.5). Гл. 6. Пирометрия пламени, взрывов и плазмы Рис. 6.5. Спектры излучения сходящихся ударных волн 1 — смесь 2H 2 + при давлении 27,2 атм 2 — смесь 2H 2 + при давлении 27,2 атм, взрыв 74,5 г ТЭН. Температура 11100 (1) и 16400 К (Цилиндрическую сходящуюся ударную волну в газе создавали взрывом (масса взрывчатого вещества от 11 дог. Длительность импульса свечения при схлопывании ударной волны составляет мкс. Непрерывные спектры регистрировались многоканальным (от 3 до 10 каналов) анализатором в интервале длин волн 400–500 нм. Полученное распределение интенсивностей аппроксимировали план- ковской кривой. Температуры, вычисленные по спектру, лежат вин- тервале от 13000 до 34000 К. Эти температуры на 3500–9500 К ниже температур, определенных по скорости ударной волны. Ударная волна, распространяющаяся от места взрыва в атмосферном воздухе, обычно не излучает чернотельный спектр. Только в ближней зоне действия взрыва в воздухе, при скоростях более 8 км/с, ударная волна излучает как абсолютно черное тело [6.16]. 6.3. Газоразрядная плазма Спектры излучения плазмы. Газоразрядная плазма излучает планковский спектр в случае, если во всем спектре выполняется приближение большой оптической толщины 1, здесь α см) линейный коэффициент поглощения света — геометрическая толщина слоя плазмы. Это условие очень редко реализуется в лабораторных условиях. Как правило, в среднем по спектру выполняется условие < 1, при этом плазма прозрачна и не излучает планковского спектра. Спектры лабораторной и технологической плазмы атмосферного, пониженного и низкого давления содержат в основном линии излучения атомов и ионов и полосы излучения молекул, при этом интенсивность непрерывного спектра часто не превышает уровня шума регистриру- 6.3. Газоразрядная плазма 159 ющей аппаратуры. В тлеющих разрядах постоянного и переменного тока, высокочастотных и микроволновых разрядах, оптическая толщина плазмы мала ( αh 1), и планковские спектры не формируются. Иногда непрерывные спектры (молекулярный континуум) наблюдаются даже при давлениях менее 1 Паи сравнительно низкой концентрации электронов (порядка 10 см) в плазме ВЧ-разрядов, где имеются многоатомные молекулы (и др) с перекрытием многочисленных полос излучения, но это нетепловые спектры (излучение в полосах возбуждается электронным ударом). В гелиевой плазме СВЧ-разряда атмосферного давления наблюдается континуум в интервале длин волн от 230 до 590 нм, обусловленный тормозным излучением электронов [6.18]. В стационарных дуговых разрядах постоянного тока распределение энергии в спектре начинает приближаться к планковскому лишь при давлениях, достигающих нескольких сотен атмосфер [6.19]. При давлении порядка 1000 атм дуга начинает светить как абсолютно черное тело при ≈ 12 кК. Температуру прозрачной плазмы микроволнового факела в аргоне при атмосферном давлении определяли по непрерывному спектру излучения в области длин волн = 450–650 нм [6.20]. При удалении от сопла в интервале расстояний от 1 мм до 1 см температура плазмы падает от 5000 до 3000 К. Плазма на выходе из сопла имеет диаметр мм и является оптически тонкой. Диаметр плазменного факела на расстоянии 1–2 см сопла не превышает 7–10 мм. Эрозионная компонента здесь, видимо, отсутствует. Полученные спектры (регистрацию проводили в диапазоне = 200–800 нм) характеризуются значительной изрезанностью, природа которой не изучалась. В данном случае непонятно, является ли излучение факела температурными можно ли считать плазму тепловым излучателем. Спектр, построенный в виновских координатах (те. в полулогарифмическом масштабе, может выглядеть похожим на отрезок прямой линии потому, что для определения температуры использован узкий интервал длин волн (450–650 нм). Лазерная плазма. При оптическом пробое газа планковские спектры не формируются из-за сравнительно малых размеров лазерной плазмы (порядка долей миллиметра, несмотря на высокую концентрацию электронов ( ∼ 10 см. В режиме медленного горения плазма лазерной искры в воздухе не излучает непрерывного спектра В тех случаях, когда наблюдается непрерывный спектр излучения плазмы, он не описывается моделью серого тела. Например, в экспериментах по лазерному нагреву плазмы, образованной при воздействии излучения на вещество, непрерывные спектры в видимой области спектра наблюдаются при плотности мощности порядка 10 11 Вт/см 2 , сравнительно небольшой для этого круга задач (лазерный термоядерный синтез. При этом спектр лазерной плазмы в диапазоне длин волн Гл. 6. Пирометрия пламени, взрывов и плазмы нм не соответствует излучению черного тела, и при увеличении длины волны яркостная температура возрастает в несколько раз [6.22]. При увеличении мощности лазера непрерывные спектры тормозного излучения электронов плазмы регистрируются в области вакуумного ультрафиолета [6.23]. При этом температура плазмы настолько велика (10–30 эВ и выше, что даже если бы удалось в видимой области зарегистрировать планковский спектр, он относился бык области Рэлея–Джинса, в которой спектральная пирометрия невозможна (гл. Непрерывные спектры наблюдались в излучении фронта лазерной плазмы, движущейся навстречу источнику излучения в режиме волны детонации [6.24]. Импульсное излучение лазера ( λ = 10,6 мкм) длительностью 25 нс и энергией в импульсе до 18 Дж фокусировали зеркалом на твердую поверхность (Al, Cu, Ni, W) в воздухе, диаметр фокального пятна примерно 3 мм. На фотопластинку регистрировали спектр излучения плазмы в диапазоне длин волн 200–700 нм на расстоянии мм от поверхности. Максимумы интенсивности излучения приходились на длины волн в интервале от 260 до 450 нм. Оценка температуры плазмы по положению максимумов в непрерывных спектрах с помощью модели черного тела дала значения от 12 до 20 кК. Оценку температуры по положению максимумов интенсивности в непрерывном спектре проводили с помощью соотношения = 2,822kT , однако спектр регистрировали не в шкале частота в шкале длин волн. Поэтому оценки температуры неверны соотношение = 2900/λ max дает другие значения, лежащие в интервале от 6500 до 11000 К. Возможность интерпретации спектра как тормозного в работе не рассматривалась, однако модель тормозного спектра дает температуру, примерно в 2,5 раза более высокую, чем модель планковского излучателя, т. е. от 16 до 28 кК. Температура плазмы, определенная по относительной интенсивности спектральных линий ионов и атомов, лежит в интервале от 23 до 37 кК. Эрозионная плазма. При исследовании плазмы, которая не является оптически плотной, непрерывные спектры излучения чаще всего регистрируются в тех случаях, когда плазма является эрозионной, т. е. образуется из атомов испаренного вещества. При воздействии лазерного импульса в режиме свободной генерации (длительность мкс, энергия 1 Дж) на поверхность поликристаллического графита наблюдался разлет испаренного вещества, при этом спектр излучения струи состоял из сильных линий на фоне непрерывного спектра [6.25]. В слаботочном вакуумном разряде (ток 2–4 кА) сплошной спектр наблюдался только в приэлектродном слое толщиной порядка 1 мм, тогда как притоках кА сплошной спектр сильно увеличивался по интенсивности и наблюдался на расстоянии до 20 мм от электрода [6.26]. В областях, более удаленных от электрода, наблю- 6.3. Газоразрядная плазма 161 дались только линии атомов и ионов. Сравнение непрерывного спектра с планковским не проводилось. При воздействии лазерного импульса на поверхность плавленого кварца непрерывный спектр зарегистрирован как в излучении каверны, образовавшейся в кварце, таки в излучении плазменного факела при его разлете в вакуум. Форма спектров соответствовала модели серого излучателя [6.27]. Облучение проводили на длине волны = 1,06 мкм в режиме свободной генерации (энергия в импульсе 400 Дж, длительность импульса 1 мс. По спектрам излучения (они показаны в гл. на рис. 2.5) проведено вычисление температур в каверне ( T ≈ 20000 К) и факеле ( T ≈ 10000 К). При воздействии лазерного излучения на поверхность алюминия и висмута наблюдались интенсивные непрерывные спектры (вин- тервале длин волн 400–600 нм) свечения эрозионной плазмы вблизи поверхности [6.28]. Облучение проводили лазером с большой энергией (до 10 кДж в импульсе длительностью 0,8 мс) при слабой фокусировке пучка с помощью длиннофокусных линз (фокусное расстоянием, диаметр пучка на поверхности 7 мм. Плотность мощности на мишени порядка 10 7 Вт/см 2 . Реализован режим плоского одномерного испарения, когда выполняется условие > h где h глубина кратера, образующегося при облучении. Плазма образуется в парах металлов, в спектрах видны атомарные и ионные линии Al и Bi, но отсутствуют линии гелия, в котором находились мишени. Эрозионная плазма микроволнового разряда. В настоящее время СВЧ-излучение применяется в технологиях термической обработки и синтеза материалов, при этом из-за пробоев в реакционных смесях иногда возникают нежелательные режимы (неоднородность температуры, локальный перегрев реагентов) и аварии реакторов (проплавление кварцевых стенок. Наиболее часто СВЧ-пробой происходит в области контакта металла с диэлектриком. Это явление более 30 лет применяется для инициирования СВЧ-разрядов. Для изучения механизма низкопорогового СВЧ-пробоя вобла- сти контактов металл–диэлектрик проводилось облучение порошковых металло-диэлектрических смесей [6.29]. Тонкие слои (толщиной мм) металло-диэлектрических смесей не поглощают СВЧ-излу- чения малой (на уровне мВт/см 2 ) интенсивности. При воздействии СВЧ-излучения достаточно большой, превосходящей порог (порядка кВт/см 2 ) мощности и миллисекундной длительности происходит пробой смеси, при этом образовавшейся плазмой поглощается примерно СВЧ-мощности. Приемный торец оптического волокна, соединенного со спектрометром, находится на расстоянии 30 см от образца, в поле зрения спектрометра попадает весь образец. При взаимодействии СВЧ-пучка с гетерогенной смесью металл– диэлектрик при атмосферном давлении возникают пробои микроско- 6 АН. Магунов Гл. 6. Пирометрия пламени, взрывов и плазмы пических размеров (искрения) при сравнительно низком уровне электрического поля СВЧ-волны (порядка 1 кВ/см). Вследствие большого удельного энерговклада происходит испарение атомов материала и появляется свечение, в спектре которого наблюдаются вначале (в течение мкс) отдельные атомарные линии металла, затем (в течение примерно 1 миллисекунды) многочисленные атомарные линии элементов, входящих в состав и металла, и диэлектрика порошковой смеси. Атомарные линии и молекулярные полосы азота и кислорода в спектрах отсутствуют, те. плазма образуется не в воздухе, а в парах испаренного вещества. По относительной интенсивности спектральных линий ряда элементов (Mo, Cu, Li, Fe, Ti) с потенциалами возбуждения эВ определена температура, характеризующая заселенность возбужденных уровней атомов на начальной стадии, она составляет эВ, результат хорошо воспроизводится для разных пар линий. По уширению спектральных линий проведены оценки концентрации электронов в плазме, она составляет по порядку величины 10 17 см −3 . На следующей стадии пробоя происходит увеличение размеров светящихся объемов и образование в порошковой среде плазменного слоя с толщиной порядка 0,1 мм и поперечным размером, близким к диаметру СВЧ-пучка (около 4 см. На этой стадии в спектре свечения разряда наблюдается континуум. Свечение ИК- и видимого диапазона, относящееся к непрерывному спектру, появляется с задержкой, величина которого уменьшается с увеличением мощности СВЧ-импульса. Происхождение непрерывного спектра связано, видимо, с испарением вещества и образованием в разряде частиц микронного и субмикронного размера (перенос испаренного вещества порошковой смеси на кварцевую пластину, покрывающую образец, наблюдается в каждом импульсе, при этом на кварце образуется тонкая пленка. По континууму проведено определение температуры плазмы разряда на поздней стадии, она составляет 2000–3200 К. Причина уменьшения температуры состоит, видимо, в том, что во времени происходит увеличение объема плазмы на несколько порядков величины и падение удельной мощности, вкладываемой в разряд. За время накопления спектра ПЗС-спектрометром (обычно 3 мс) регистрируются как спектральные линии, возникающие на стадии пробоя, таки непрерывный спектр, который излучается на более поздней стадии разряда. Для разрядов в различных смесях значения температур на стадии появления искр и плазменного слоя приведены в [6.30]. Каким образом происходит во времени переход от стадии с высокой температурой к стадии с низкой температурой, в настоящее время неизвестно, для решения вопроса необходимо регистрировать спектры с временным разрешением мс. В случае, когда компоненты смеси способны вступать в экзотермическую реакцию (Ti + CuO, Ti + PbO, Ti–B и др, при облучении происходит воспламенение смеси, и по образцу распространяется 6.3. Газоразрядная плазма 163 волна твердофазного горения (микроволновое инициирование реакции обсуждается в гл. На рис. 6.6 показан спектр СВЧ-разряда на поверхности порошковой смеси при мощности гиротрона 100 кВт. Видны спектральные линии Al I (резонансные линии = 394 и 396 нм) и Mo I (10 линий. По относительной интенсивности линий Mo I проведена оценка температуры плазмы микроскопических искр ≈ 7000 К. По непрерывному спектру определена температура слоя плазмы = = 3011 ± 10 К. Рис. 6.6. а — спектр излучения СВЧ-разряда на поверхности порошковой смеси. б — спектр в координатах Вина температура T = 3011 ± 10 К На рис. 6.7 приведен спектр СВЧ-разряда на поверхности смеси при мощности гиротрона 180 кВт. В спектре видна одна сильная линия Sn I ( λ = 563 нм) и около 40 линий Mo I. После удаления спектральных линий непрерывный спектр построен в координатах Гл. 6. Пирометрия пламени, взрывов и плазмы Рис. 6.7. а — спектр излучения разряда на поверхности смеси Mo–SnO. б спектр излучения этого же разряда в координатах Вина температура разряда, вычисленная по коротковолновому краю спектра (380–480 нм = 3596 ± ± 45 К (1); по длинноволновому краю (510–620 нм) T = 2692 ± 12 К (Вина. Наблюдаются два участка с разными наклонами. Температура, вычисляемая по наклону коротковолновой области ( T ≈ 3600 К, выше, чем по наклону длинноволновой ( T ≈ 2690 К. Это обусловлено пространственной неоднородностью температуры разряда по площади образца. Вероятно, в разряде присутствуют горячие пятна, те. локальные области с более высокой температурой, чем в основной области разряда. При регистрации спектра основной вклад в коротковолновой области дают горячие пятна с высокой температурой, а основной вклад в длинноволновой области — большая площадь разряда с низкой температурой. Вопросы, связанные сформированием спектров излучения при неоднородной температуре объекта, обсуждаются в гл. 7. 6.3. Газоразрядная плазма 165 Излучать непрерывный спектр может не только эрозионная плазма, но и нагретые до высоких температур частицы порошковой смеси. Оценим время нагревания частиц металла и диэлектрика размером мкм тепловым потоком из плазмы где температура газа в разряде температура поверхности частиц — постоянная времени нагрева. В выражении для постоянной времени известны — удельная теплоемкость и ρ — плотность вещества; толщину слоя частиц можно положить равной диаметру одной частицы (основное тепловое сопротивление находится в области контакта частиц друг с другом. Коэффициент теплоотдачи от плазмы к поверхности оценим как отношение коэффициента теплопроводности газа в разряде ( λ) к характерной толщине слоя плазмы (δ), α ∼ λ/δ ∼ 0,1 Вт/(см 2 · К. Время нагрева слоя частиц в плазме стем- пературой 3000 К составляет ∼ 30 мс. Итак, время нагревания, согласно оценке, составляет десятки миллисекунда непрерывный спектр появляется уже через 1–2 мс после начала облучения смеси. Поэтому можно считать, что в случае коротких СВЧ-импульсов источником непрерывного спектра является эрозионная плазма. |