Измерение интенсивности излучения и электронной температуры в области перед сильной ударной волной Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Т о м V 1974 №2

УДК 533.6.011.72

ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ ПЕРЕД СИЛЬНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНОЙ

В. А. Горелов, Л. А. Кильдюшова

Представлены результаты экспериментов, проведенных с целью обнаружения эффекта предшествующего свечения в воздухе в диаф-рагменной электроразрядной трубе, которые показали, что в области спектра А=4000-з-9500 А уровень излучения воздуха перед фронтом ударной волны = 11 • 103 м/с,/>0 = 26,7 Па не превосходит величины і0—а от равновесного излучения воздуха за фронтом волны. Проведена оценка концентрации молекулярных ионов азота, согласующаяся с выводами работы [1] об определяющей роли кислорода при рассмотрении эффектов предыонизации в воздухе. Измерено распределение электронной температуры в зоне перед фронтом ударной волны.

Установлено, что Те изменяется от 6-Ю3К до 2,5-103К ьа расстоянии 0,1—0,3 м от фронта.

В работах [1—3] проведено подробное исследование ионизационных свойств воздуха перед фронтом сильной ударной волны = 9-ЮН-12-103 м/с. Получено распределение электронной концентрации, измерена проводимость воздуха в предшествующей зоне, оценена величина электронной температуры.

Характерные значения электронной концентрации при = 11 • 103 м/с составляют 1016-4-1018 м~3.

Наличие мощного потока излучения от фронта волны помимо ионизации может приводить к возбуждению молекул перед фронтом и к появлению предшествующего свечения воздуха. Этот эффект к настоящему времени, по-видимому, экспериментально не исследовался, хотя в некоторых работах (см., например, [4]) и имеется упоминание о наблюдаемом свечении в канале ударной трубы перед фронтом волны. Это свечение наблюдалось обычно в трубах электромагнитного разгона, в которых заметную, если не определяющую роль может играть излучение из разрядной камеры в момент осуществления мощного электрического разряда.

При проведении экспериментов по исследованию излучательных характеристик воздуха за ударным фронтом в ударных трубах в целой серии экспериментов также наблюдалось свечение в канале перед фронтом волны.

В настоящей работе представлены результаты экспериментов, проведенных с целью обнаружения эффекта предшествующего свечения в воздухе в диафраг-менной электроразрядной трубе. Предполагалось, что, изучив спектральное распределение излучения, измерив его интенсивность, можно будет сделать определенные заключения о механизме процесса предыонизации и возбуждения. Регистрация излучения проводилась в области спектра Х= 3900-^9500 А. В этой области излучение может определяться в основном системами молекулярных

12—Ученые записки ЦАГИ № 2

163

полос нейтрального и ионизированного азота N2(1+) и N^(1—). Известно небольшое число работ, посвященных исследованию флуоресценции азота под действием вакуумного ультрафиолета [5]. Для возбуждения флуоресценции применялись источники сплошного спектра с температурой несколько десятков тысяч градусов.

Было обнаружено, что флуоресценция в азоте появляется под излучением с длиной волны короче 661 А (18,75 эв). При этом происходят процессы ионизации молекул азота и переходы их на более низкие уровни с излучением в видимой области

N2 + Ьч -> N2" (г^и ) + е—\ (1)

М+ (41+) -» Ы+ (12+) + /IV. (2)

Кроме процессов (1), (2), излучение в системе N^"(1—) может возникать за счет фотовозбуждения ионов с основного уровня.

Таким образом, по результатам экспериментов в принципе может быть оценена концентрация ионов Г1^". Сравнение ее с концентрацией, электронов, полученных с помощью зондов и сверхвысокочастотным методом [1, 2], может позволить сделать определенные выводы о роли азота в явлении предыонизации воздуха. -

Измерение распределения электронной температуры Те в зоне перед фронтом

ударной волны представляет интерес в связи с тем, что знание электронной

температуры позволяет рассчитать такой важный параметр для определения радиофизических свойств газа перед сильной ударной волной, как частоту электронных столкновений.

Измерение распределения электронной температуры. Как уже отмечалось, в работе [2] было проведено измерение Те в зоне перед ударной волной зондовым методом путем снятия вольтамперной характеристики одиночного зонда. Большой уровень помех и быстрое изменение величины электронной концентрации пе перед фронтом волны не позволили этим методом найти распределение Те.

-©■

Е

Ш

Ш

О

г

Фиг. 1

Значения температуры оказались заключенными в интервале 4000н-6000 К, величина которого определяется погрешностью в измерении зондового тока и построении зондовой характеристики. Точке, удаленной на расстояние х я 0,2 м от ударного фронта, соответствовало значение 7'е = 5000К. Так как определенный интерес представляет распределение Те в зоне предшествующей ионизации, в ходе дальнейшего исследования для непрерывного измерения Те была использована методика тройного электростатического зонда, позволяющая проводить непрерывное измерение Те с высоким временным разрешением [6].

На фиг. 1 показана принципиальная схема системы тройного зонда: / — электроды тройного зонда; II, III—конденсаторы сх = 20 мкф; с2 = 0,1 мкф; IV— дифференциальный усилитель; V — осциллограф ОК-17М. Плоские электроды 2 и 3 размером 5x15 мм2 находятся под различными отрицательными потенциалами относительно среднего электрода I. Расстояние между электродами 10 мм. Вся зондовая система изолирована от земли и находится под плавающим потенциалом.

Для плоских зондов в условиях экспериментов выполняется условие 8р =: 5С, где вс — рабочая поверхность зондового слоя, а — поверхность электродов. Толщина слоя (1С = Ад <р^4 = 3-10—® м, где Ад—длина Дебея, <рр—потенциал зонда относительно плазмы.

Для токов, поступающих на зондовые электроды, можно использовать следующие выражения:

— 1\ = —1е ехр + 111 (3)

/2 = — 1е ехр (.) + /,• 2 (<р2), (4)

(?з).

(5)

£

л?

где 4 — хаотический электронный ток в плазме, 1е 5р епе (¿7у2и»гв)1/2, а

//„ — соответствующий ионный ток, равный 5апще(кТеІ2%ті)іі2. Через параметр

ап учитывается влияние на ионный ток потенциала зонда и зависимость /;я от отношения Ае/Ь (ке — длина свободного пробега иона, Ь— характерный размер зонда). В случае;плоского зонда, когда выполняется условие г^^А^А/—10—:2 см) и <рі, <р2> ?з отличаются не более чем на порядок, можно считать, что ^ а; а2 з; а3, а следовательно,

/г ] =: /; 2 ~ /; 3.

Учитывая, что | А I = |/21 + І/31. из (3), (4), (5) легко получить связь между 4, /3, У2, У3 и Те

10

11, 5 -10 м/с;р0 =26,7 Па

2/2 + /3 1 — ехр (— е У%!к Те)

/2 + 2/3 — 1— ехр(— еУ3/ЬТе)/

(6)

10 20 ЗО ^0 х,см

Фиг. 2

где У», У3 —напряжения на зондах берутся в вольтах.

Режим питания электродов может быть выбран так, чтобы ехр (— еУ3/кТе) 1. В этом случае из (6) получается простое выражение для Те

Те^- 11,6-103 У2

К1тА)

(7)

В экспериментах напряжение У2 было 0,5 В, У3 — 3,6 В. Сигналы, пропорциональные токам /2 и /э, снимались с резисторов и й2, поступали на входы дифференциальных усилителей и затем регистрировались на осциллографе ОК-17М.

Результаты расчета по полученным осциллограммам Те по формуле (7) представлены на фиг. 2. Светлым кружком обозначено значение Те, полученное ранее в работе [2] путем обработки вольтамперной характеристики одиночного зонда. Стрелкой на оси ординат отмечено равновесное значение температуры за фронтом ударной волны.

Эксперименты по регистрации предшествующего излучения. Эксперименты по регистрации излучения из предшествующей зоны проведены при начальном давлении воздуха в канале ра = 26,7 Па и скорости ударной волны 1/^ = 11-Ю3 м/с. Измерительный отсек был расположен в четырех метрах от разрядной камеры. На фиг. 3 показана схема эксперимента, / — стеклянный канал трубы, 2—измерительный отсек, 3—световая ловушка, 4 — выходное окно, 5—диафрагма входная, 6—ФЭУ-64 или ФЭУ-22, 7—усилитель, 8—осциллографы ОК-17 М, 9 — блок измерения скорости (ФЭУ-11 Б), 10 — ФЭУ-11 Б, 11—диафрагма в канале, 12— светонепроницаемый кожух.

Уже в первых пусках было установлено большое влияние фоновых засветок от излучения газа за ударной волной. По-видимому, именно большим уровнем засветок стенок ударной трубы и смотровых стекол и объясняется регистрируемый в ряде экспериментальных работ эффект предшествующего свечения в канале трубы. Для сведения влияния фоновых засветок к минимуму канал трубы

м

-СЕ

2

«•

Г-'

I ё

I

Сечение по Д-Д

Ш\

=. I

5 1

Г

12

был оборудован специальным отсеком (см. фиг. 3). Смотровое окно отсека было вынесено на 80 мм от стенки канала и размещено в зачерненном изнутри тубусе.

На диаметрально противоположной стороне канала была размещена световая клинообразная ловушка с поперечными диафрагмами, препятствующими попаданию света от ударной волны на поверхности клина. Внутренняя поверхность ловушки была зачерчена краской из сажи. На расстоянии —0,2 м вверх по каналу устанавливалась диафрагма с отверстием диаметром 20 мм. Эта диафрагма экранировала стенки канала в местах размещения ловушки и тубуса. В контрольных экспериментах для отделения эффекта предшествующего излучения от фоновых засветок отверстие диафрагмы закрывалось органическим стеклом. На расстоянии 75 мм от смотрового окна была установлена линза /=150 мм, строящая изображение приосевого участка с четырехкратным увеличением на входной диафрагме ФЭУ. Перед линзой была установлена диафрагма размером 5x5 мм2. Эта диафрагма определяла размеры входного зрачка всей оптической системы. В экспериментах для регистрации излучения при X = 3900-г-6000 А применялись фотоэлектронные умножители ФЭУ-64, обладающие низким порогом чувствительности. При измерениях в области 7000-^9500 А использовался ФЭУ-22. Умножители отбирались по минимуму темнового тока. Для выделения определенных участков спектра перед фотоумножителями устанавливались наборы стеклянных светофильтров.

При регистрации системы (1—) (X = 4000-5-4700 X) применялся ФЭУ-64 и набор светофильтров ПС-11 + СЗС-15 (обозначено цифрой /); излучение в диапазоне X = 5500-5-6000 А [система N3 (1 -}-)] выделялось с помощью ФЭУ-64 и набора ОС-12-(-ЗС-7 (обозначено цифрой 2); диапазон X = 7000-*-9600 А просматривался с помощью ФЭУ-22 со светофильтром КС-18 (см. фиг. 3). Пунктиром на фигуре показана спектральная характеристика ФЭУ-64.

На фиг. 4 показаны спектральные характеристики применяемых в эксперименте систем, полученные с помощью монохроматора УМ-2 и эталонной лампы СИ-6.

Скорость ударной волны регистрировалась системой из двух ФЭУ-11Б. Фотоумножитель этого же типа использовался и для определения момента

Фиг. 4

прохождения плазмы мимо регистрирующей системы. Сигналы с ФЭУ-11 регистрировались одним лучом осциллографа ОК-17М, другим — сигнал с ФЭУ-64 или с ФЭУ-22.

Типичные осциллограммы сигналов представлены на фиг. 5. На осциллограммах цифрой 1 обозначен сигнал из зоны предыонизации, цифрами 2 и 3— сигналы с датчика скорости и с ФЭУ-11, регистрирующего приход ударной волны в рассматриваемое сечение.

Анализ полученных в экспериментах осциллограмм позволяет сделать следующие выводы. При использовании систем ФЭУ-64 со светофильтрами СЗС-15 -Ь

+ ПС-11, ЗС-7 + ОС-12 и ФЭУ-22 со светофильтром КС-18 излучение из предшествующей зоны практически не наблюдается (сигнал не превышает уровень шумов ФЭУ).

При работе на максимуме чувствительности (ФЭУ-64 без светофильтров) заметен слабый сигнал, соответствующий появлению пре-дызлучения на расстоянии ~0,3 м перед фронтом ударной волны. Когда фронт волны перемещается в сечение на расстояние 0,2 м от плоскости регистрации, уровень фоновой засветки от излучения за ударной волной становится большим и превышает уровень предызлучения газа.

Представляет интерес энергетическая оценка сверху уровня предшествующего излучения в условиях проведенных экспериментов.

Выражение для тока ФЭУ может быть записано в следующем виде:

'ФЭУ'

(8)

Фиг. 5

где — спектральная токовая чувствительность ФЭУ, Фх — функция распределения потока энергии излучения исследуемого источника, попадающего на фотокатод ФЭУ. Интеграл берется по области чувствительности системы с ФЭУ.

Значения определялись калибровкой измерительных систем с помощью ленточной лампы СИ-6 (7’я = 2840 К) и монохроматора УМ-2. Измеренные таким путем значения тах, соответствующие максимуму спектральной чувствительности, рав-

А с А с

нялись 5-105 дж ' Ддя ФЭУ-64, 4• 102 дж для системы ФЭУ-22 со светофильтром КС-18. При энергетических оценках излучения реальные спектральные характеристики заменялись ступенчатыми.

В ходе оценочных расчетов были получены следующие значения для интегральных световых потоков. В диапазоне А = 3800~ь5500 А на расстоянии —25 см

_ ДЖ гт

от ударной волны поток излучения составляет величину 2-10 2 мз с стер" '

А = 6500-5-9600 А, когда сигнал предызлучения не превышает уровень шумов ФЭУ чувствительность системы обеспечивает регистрацию излучения на уровне

1 Дж

м3. с. стер '

Интересно сравнить полученные таким образом потоки излучения с потоками равновесного излучения из пробки за ударной волной. Соответствующие расчеты, проведенные с использованием таблиц работы [7], показали, что при X = 3800-ь5500 А зарегистрированный в экспериментах поток излучения не превосходит 10“8 величины от равновесного излучения за ударной волной. При X = 6500ч-9600 А уровень чувствительности аппаратуры составлял 10—9 от соответствующего равновесного излучения в пробке.

Была проведена оценка уровня концентрации при котором может наблюдаться величина сигнала, зарегистрированная в эксперименте. Оценка проводилась при предположении, что в предшествующей зоне возбуждения уровни молекул N3" заполнены в соответствии с распределением Больцмана, и это

распределение определяется температурой возбуждения Tv. Так как в настоящее-время температура возбуждения молекул азота не известна, предполагалось, что Ту х Те. Указанные предположения не являются строго обоснованными и проведенный на их основе расчет можно рассматривать лишь как грубое приближение, которое, как будет видно ниже, подтверждается удовлетворительным: согласием получаемого результата с экспериментальными данными.

Оценочный расчет проводился следующим образом. Считалось, что в экспериментах с ФЭУ-64 без светофильтров основным излучением является излучение системы Nf (1—) А = 3800 -î- 5000 Â. В формуле (8) величина Фх определяется выражением

фх = ExdQdV, (9),

где = + Вх — излучательная способность в системе (1—), В*—функция,

N2

Планка, dQ — телесный угол, определяемый входным зрачком оптической системы регистрации, dV — объем, излучение из которого попадает на фотокатод ФЭУ. Величины ох = kjn +, где kx — спектральный коэффициент поглощения, брались N2

из таблиц работы [7] для значений Те = 4000— 6000 К.

В результате для было получено Ю^-ь-Ю1® м—3. Эта величина многа

меньше измеренного в подобных условиях значения пе~ l-f-2-1017 м—3.

Интересно отметить, что оценочные значения и , неплохо согласуются с

N2

концентрацией электронов в зоне предыонизации в чистом азоте, определенной в работе [1].

Результаты проведенных экспериментов показывают, что при 11 • 10s м/с и />о<;26,7 Па предшествующее излучение в области спектра А = 4000-^9500 А не превосходит величины 10 s от равновесного излучения воздуха за фронтом волны и может не учитываться при рассмотрении оптических свойств зоны предыонизации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Omura М., Presley L. L. Electron density measurements ahead of shock waves in air. AIAA Journ., vol. 7, No 12, 1969.

2. Горелов В. А., Кильдюшова Jl. А. Экспериментальное

исследование параметров ионизированного воздуха перед сильной ударной волной. „Изв. АН СССР, МЖГ“, 1971, № 2.

3. Горелов В. А., Кильдюшова Л. А. Экспериментальное

исследование некоторых параметров ионизированного воздуха перед сильной ударной волной. „Изв. АН СССР, МЖГ“, 1971, № 6.

4. Макаров Ю. В., Чекалин Э. К. Физические процессы в электромагнитных ударных трубах. М., Атомиздат, 1968.

5. 3 а й д е л ь Л. Н., Шрейдер Е. Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. М., Наука, 1967.

6. Sin-Li Chen, Sekeguchi Т. Instantaneous direct-display system of plasma parameters by means of triple probe. Journ. of Applied Physics., vol. 36, No 8, 1965.

7. Каменщиков В. А. Пластинин Ю. А., Николаев В. М., Новицкий Л. А. Радиационные свойства газов при

высоких температурах. М., „Машиностроение“, 1971.

Рукопись поступила IjlV 1973 г.