Введение к работе
Актуальность темы. При решении широкого класса задач в метеорологии и геофизике, связанных с процессами в ионосфере, космогонических задач при изучении пылегазовых облаков и туманностей, запыленных атмосфер различных планет, в прикладных задачах оптимизации процессов плазменного напыления, нитроцементации и других плазмохимических технологий априори необходима информация о параметрах как плазмы, так и частиц дисперсной фазы. Использование традиционного метода диагностики по рассеянию лазерного излучения в плазменных средах с дисперсными частицами твердой фазы (ДЧГФ) невозможно, потому что рассеяние в таких средах в наибольшей степени определяется рассеянием на частицах дисперсной фазы.
Однако в плазменной среде дисперсные частицы, являющиеся центрами рассеяния, взаимодействуют с плазмой. В результате взаимодействия может происходить изменение структуры плазмы в окрестности частиц, установление либо изменение уже имеющейся ориентации несферических дисперсных частиц в направленном электрическом поле неравновесной плазмы, что изменяет характеристики рассеяния в плазме с ДЧТФ и может дать возможность по этим изменениям определять ее параметры. Актуальной является задача теоретического и экспериментального изучения процессов рассеяния лазерного излучения в низкотемпературной плазме с ДЧТФ, установления корреляционных связей между характеристиками рассеяния излучения, параметрами частиц и плазмы. Настоящая работа и направлена на решение такой задачи. В ней рассмотрены механизмы образования электронных неоднородностей вокруг ДЧТФ и их ориентация в газоразрядной плазме, приводящих к изменению характеристик"'рассеяния, установлены связи между характеристиками раосвяния, да-
I 1 4
раметрами частиц и плазмы, и на их основе рассмотрена возмогность диагностики параметров плазмы с ДЧТФ по результатам измерения угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного лазерного излучения.
Целью работы являлось изучение влияния параметров запыленной плазменной среды на параметры рассеяния маломощного лазерного излучения, и установление возможных корреляционных связей между параметрами такой среды и характеристиками рассеяния.
Научная новизна работы. Впервые теоретически и экспериментально рассматриваются процессы рассеяния лазерного излучения в низкотемпературной газоразрядной плазме с дисперсными диэлектрическими частицами твердой фазы с геометрическими размерами и , на порядок и более превышающими длину волны электромагнитного излучения (ЭМИ) d»d , с учетом взаимного влияния плазмы и ДЧТФ. Показано, что наибольшее влияние на рассеяние излучения в запыленной плазме могут оказывать ДЧТФ с электронными неоднородностями и их ориентация в направленном электрическом поле газоразрядной плазмы.
Впервые для рассмотрения влияния в«. рассеяние оптического излучения неоднородностей вокруг частиц дисперсной фазы с геометрическими размерами d»X построены модели сложной частицы с непрерывно и дискретно меняющимися коэффициентами преломления на основе рассчитанного профиля распределения электронной концентрации в окрестности дисперсной частицы. Теоретически показано, что влияние неоднородной электронной оболочки вокруг ДЧТФ окиси алюминия на рассеяние, проявляющееся в отличии не более чем на 4$ интенсивностей рассеяния на частицах с неоднородностью и собственно частицах, начинается при превышении электронной концентрации Дме() в окрестности частицы в 10 раз по сравнению со
средне;: концентрацией электронов /Ve в плазме, что на два порядка тщдге соответствующего превышения в исследуемой плазме с ДЧТФ.
Впервые разработана методика к проведен расчет угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного излучения для модели однородной частицы окиси алюминия эллипсоидальной формы с геометрическими размерами ё»Л при разных ее ориентациях с помощью интеграла Фраунгофера на углах рассеяния О0* 5 и методом геометрической оптики на углах рассеяния 0* 360.
Впервые разработан и изготовлен лабораторный многофункциональный комплекс, позволяющий изучать процессы рассеяния лазерного излучения в низкотемпературных плазменных образованиях с ДЧТФ, процессы взаимодействия ДЧТФ с плазмой путем измерения параметров Стокса рассеянного излучения на углах 0,5+ 145, параметров частиц и плазмы. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных угловых зависимостей параметров Стокса и впервые показано, что зависимость параметров рассеяния от разрядного тока в плазме в основном связана с ориентацией частил дисперсной фазы б направленном электрическом поле плазмы, а степень ориентации дисперсных частиц около преимущественного направления максимальна при таком токе, когда величина произведения напряженности электрического поля и среднего заряда частиц имеет наибольшее значение.
На защиту выносятся следукщие положения:
-
Теоретически и экспериментально доказано определяющее влияние ориентации диэлектрических эллипсоидальных частиц с геометрическими размерами и»Л в низкотемпературной газоразрядной плазмо с ДЧТФ на параметры Стокса рассеянного лазерного излучения.
-
Теоретически и экспериментально доказана взаимосвязь параметров рассеяния лазерного излучения и параметров газоразрядной плазмы с ДЧТФ, а также возможность определения параметров
ДЧТФ и плазмы по измеренным характеристикам рассеяния излучения.
-
Разработана методика расчета угловых зависимостей параметров Стокса рассеянного ЭМИ на однородных эллипсоидальных диэлектрических частицах с размерами &»% с использованием метода геометрической оптики на углах рассеяния 0*360 к применения интеграла' Фраунгофера на малых углах рассеяния.
-
Изменение параметров рассеяния лазерного излучения на дисперсных несферическкх частицах в газоразрядной плазме связано о переходом от хаотичной ориентации частиц к преимущественной ориентации по направлению электрического поля с максимальной степенью ориентации при таком разрядном токе, когда максимально взаимодействие заряаенных дисперсных частиц с направленным электрическим полем плазмы.
-
Степень ориентации однородных эллипсоидальных частиц в газоразрядной плазме определяется в основном величиной произведения среднего заряда частиц и напряженности электрического поля плазмы.
-
Теоретически и экспериментально показано, что наиболее силькое изменение индикатрис рассеяния линейно поляризованного в плоокости рассеяния лазерного излучения наблюдается при максимальной степени ориентации дисперсных частиц в плазме на малых углах рассеяния (к 2 при увеличении более чем в два раза и на больших углах рассеяния 15-би^ 130 при уменьшении более чем на порядокэначений интенсивности по сравнению с рассеянием на дисперсных частицах бег плазмы.
Научная и практическая ценность. Научная ценность работы за-іслючаеюя в изучении и решении новых вопросов, перечисленных ранее.
: - Результаты работы могут найти применение при диагностике запыленных плазменных образований по рассеянному излучению для оп-
ределєния некоторых параметров частиц н плазмы, таких как угол преимущественной ориентации ДЧТФ по направлению электрического поля плазмы, величина и знак заряда частиц, их размеры, величина направленного электрического поля в плазме, концентрация и частота соударений электронов. Такзл диагностика может применяться как при осуществлении контроля и оптимизации технологических процессов получения порошков диэлектрических материалов в плазме, плазменного напыления, нптроцементации, так и при решении космогонических задач, задач ионосферной оптики.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР Омского государственного педагогического института (ОШИ) и Омского научно-технического филиала Республиканского инженерно-технического центра СО РАН (ОНТФ РИТЦ). Результаты работы наділи отражение в четырех отчетах по плановым темам ЦАІИ, НПО "Сатурн", а также использовались в других организациях, что подтверждается соответствующим актом.
Апробация. Результаты работы докладывались на П Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1285 г.), на ХУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987 г.), на У Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Омск, 1990 г.), на XI Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов (Ленинград, 1991 г.), на областных научно-технических конференциях, научно-практических конференциях ОГНИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, которые перечислены в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание диссертационной работы изложено на ІЄ6 страницах машинописного текста, проиллюстрировано 48 рисунками и 6 таблицами.
Список цитированной литературы состоит из 121 наименования.
