Способ получения потока микрочастиц и устройство для его осуществления

 

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<j _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.

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

Формула изобретения

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/πr²_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 V²_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<D<5L,

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,

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<R<R 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21