RU2794434C1

RU2794434C1 - Shock tube-based device for synchronous measurement of plasma parameters

Info

Publication number: RU2794434C1
Application number: RU2022120899A
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Акимов; Наталья Германовна БЫКОВА; Игорь Евгеньевич Забелинский; Павел Владимирович Козлов; Владимир Юрьевич ЛЕВАШОВ; Геннадий Яковлевич Герасимов
Filing date: 2022-07-31
Publication date: 2023-04-18

Abstract

FIELD: physics of gas discharge.

SUBSTANCE: physics of the study of electrical and emission (radiative) properties of gas in a wide range of temperatures and pressures. A device for synchronous measurement of plasma parameters is a shock tube for generating a high-speed shock wave, containing a high-pressure chamber (HPC) connected to a low-pressure chamber (LPC), in the wall of which at least one measuring probe, including a hollow metal tube, inside which an optical fibre is placed, while the probe is installed with a protrusion into the LPC cavity to a depth of 1 to 10 mm.

EFFECT: increase in the spatial accuracy of registration of a shock or detonation wave up to 50 microns.

4 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Заявляемое изобретение относится к физике изучения электрических и эмиссионных (излучательных) свойств газа в широком диапазоне температур и давлений. Измерение излучательных и электрических характеристик газов необходимо для решения научных и технических проблем, например, связанных с процессами, которые происходят вблизи поверхности летательных аппаратов при спуске их в атмосфере Земли и, возможно, других планет. В частности, указанные измерения могут быть использованы при выборе материалов для термической защиты спускаемых космических аппаратов. Заявляемое изобретение повысит точность и достоверность используемых физико-химических моделей, описывающих неравновесные процессы и рассчитывающих электронную температуру и концентрацию электронов.The claimed invention relates to the physics of the study of electrical and emission (radiative) properties of gas in a wide range of temperatures and pressures. Measurement of the radiative and electrical characteristics of gases is necessary to solve scientific and technical problems, for example, those related to the processes that occur near the surface of aircraft during their descent in the atmosphere of the Earth and, possibly, other planets. In particular, these measurements can be used to select materials for thermal protection of reentry vehicles. The claimed invention will increase the accuracy and reliability of the physical and chemical models used that describe non-equilibrium processes and calculate the electron temperature and electron concentration.

Уровень техникиState of the art

В известных экспериментах по измерению потенциала плазмы, например, в ударных волнах, используется зонд Ленгмюра и не измеряется эмиссия (излучение) плазмы (s Ahead of Shock Waves Satoshi Nomura* Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan Taito Kawakami Shizuoka University, Shizuoka 432-8561, Japan and Kazuhisa Fujita‡ Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan https://doi.org/10.2514/1.). В классических устройствах по измерению потенциала плазмы в ударных волнах, использующих зонд Ленгмюра, измерение потенциала осуществляют с временным разрешением 20 нс.Также в этих экспериментах отсутствуют измерения спектральных характеристик исследуемых газов (плазмы).Known experiments to measure plasma potential, such as shock waves, use a Langmuir probe and do not measure plasma emission (radiation) (s Ahead of Shock Waves Satoshi Nomura* Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan Taito Kawakami Shizuoka University, Shizuoka 432-8561, Japan and Kazuhisa Fujita‡ Japan Aerospace Exploration Agency, Tokyo 182-8522, Japan https://doi.org/10.2514/1.). In classical devices for measuring the plasma potential in shock waves using a Langmuir probe, the potential is measured with a time resolution of 20 ns. Also, in these experiments, there are no measurements of the spectral characteristics of the studied gases (plasma).

Известен способ измерения интенсивности излучения и электронной температуры в области перед сильной ударной волной (В.А. Горелов, Л. А. Кильдюшова, Том V 1974 №2 Ученые записки ЦАГИ) (https://findpatent.ru/magazine/030/303375.html). Регистрация излучения проводилась в оптическом окне электроразрядной ударной трубы с помощью фотоумножителя. Для определения температуры электронного газа измерялась вольтамперная характеристика системы трех плоских зондов, расположенных в отдельной измерительной секции.A known method for measuring the radiation intensity and electron temperature in the region in front of a strong shock wave (V.A. Gorelov, L.A. Kildyushova, Volume V 1974 No. 2 Scientific notes of TsAGI) (https://findpatent.ru/magazine/030/303375 .html). Registration of radiation was carried out in the optical window of the electric discharge shock tube using a photomultiplier. To determine the temperature of the electron gas, the current-voltage characteristic of a system of three flat probes located in a separate measuring section was measured.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению при измерениях потенциала и излучения в газе, способ измерения потенциала и излучения газа, нагретого микроволновым излучением, раскрытый в Chi Chen, Wenjie Fu, Chaoyang Zhang, Dun Lu, Meng Han and Yang Yan, Langmuir Probe Diagnostics with Optical Emission Spectrometry (OES) for Coaxial Line, Microwave Plasma Appl. Sci. 2020, 10(22), 8117.The closest in technical essence to the claimed invention when measuring the potential and radiation in a gas, a method for measuring the potential and radiation of a gas heated by microwave radiation, disclosed in Chi Chen, Wenjie Fu, Chaoyang Zhang, Dun Lu, Meng Han and Yang Yan, Langmuir Probe Diagnostics with Optical Emission Spectrometry (OES) for Coaxial Line, Microwave Plasma Appl. sci. 2020, 10(22), 8117.

Однако, в данном способе измерения потенциала и излучения проводят несинхронно, т.е. в разных точках газового потока, а именно, в разных измерительных сечениях, т.е. не синхронно, а последовательно.However, in this method, the potential and radiation measurements are carried out asynchronously, i.e. at different points of the gas flow, namely, in different measuring sections, i.e. not synchronously, but sequentially.

Измерения значений потенциала зонда дают возможность определить концентрацию электронов [M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Физика Плазмы, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013; 2 В. А. Горелов, Л. А. Кильдюшова, and В. М. Чернышев, “Об измерении ионизации воздуха за сильными ударными волнами,” Теплофизика Высоких Температур, vol. 21, no. 3, pp.449-453, 1983].Measurements of the potential values of the probe make it possible to determine the concentration of electrons [M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Plasma Physics, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013; 2 V. A. Gorelov, L. A. Kildyushova, and V. M. Chernyshev, “Measurement of air ionization behind strong shock waves,” High Temperature Thermophysics, vol. 21, no. 3, pp. 449-453, 1983].

Концентрация электронов в исследуемой плазме (опосредованно - потенциал плазмы) является важной величиной, поскольку именно столкновения с электронами оказывают существенное влияние на параметры плазмы за фронтом ударной волны (M. G. Kapper and J.-L. Cambier, “Ionizing shocks in argon. Part I: Collisional-radiative model and steady-state structure,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 11, p.113308, Jun. 2011) даже на начальном участке, т.е. в сразу после прихода ударной волны до момента лавинного нарастания интенсивности излучения (V. Y. Levashov, P. V. Kozlov, N. G. Bykova, and I. E. Zabelinskii, “Argon Plasma Radiation Features at the Initial Stage behind a Shock Wave Front,” Russ. J. Phys. Chem. B, vol. 15, no. 1, pp.56-62, 2021). Как отмечается в (H. Petschek and S. Byron, “Approach to equilibrium ionization behind strong shock waves in argon,” Ann. Phys. (N. Y)., vol. 1, no. 3, pp. 270-315, 1957) ионизация за счет столкновений атомов с электронами является доминирующим механизмом в значительной части ионизационного процесса. В этой связи измерение концентрации электронов представляется крайне важным.The concentration of electrons in the plasma under study (indirectly, the plasma potential) is an important quantity, since it is collisions with electrons that have a significant effect on the plasma parameters behind the shock wave front (M. G. Kapper and J.-L. Cambier, “Ionizing shocks in argon. Part I: Collisional-radiative model and steady-state structure,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 11, p.113308, Jun. 2011) even in the initial region, i. c immediately after the arrival of the shock wave until the moment of an avalanche increase in the radiation intensity (V. Y. Levashov, P. V. Kozlov, N. G. Bykova, and I. E. Zabelinskii, “Argon Plasma Radiation Features at the Initial Stage behind a Shock Wave Front,” Russ. J. Phys. Chem. B, vol. 15, no. 1, pp.56-62, 2021). As noted in (H. Petschek and S. Byron, “Approach to equilibrium ionization behind strong shock waves in argon,” Ann. Phys. (N. Y.), vol. 1, no. 3, pp. 270-315, 1957) ionization due to collisions of atoms with electrons is the dominant mechanism in a significant part of the ionization process. In this regard, the measurement of the electron concentration seems to be extremely important.

Кроме этого, для построения корректной вычислительной модели ударно нагретого (высокотемпературного) газа необходима информация не только о концентрации электронов в газе, но и данные об интенсивности излучения исследуемого газа в различных спектральных диапазонах, поскольку именно присутствующие в исследуемой области электроны вносят основной вклад в изменение концентрации излучающих состояний (В. Ю. Левашов, П. В. Козлов, Н. Г. Быкова, И. Е. Забелинский. Особенности излучения аргоновой плазмы на начальном этапе за фронтом ударной волны. Химическая физика, 40(1):16-23, 2021). Важным моментом является одновременное (т.е. в один и тот же момент времени) определение концентрации электронного газа и интенсивности излучения в конкретной пространственной точке. Такое одновременное пространственно-временное измерение необходимо, поскольку концентрация электронов и заселенность возбужденного состояния существенно изменяются во времени и пространстве. Как следствие, данные полученные из различных пространственных и временных точек не могут дать надежную информацию, необходимую для построения корректной вычислительной модели.In addition, to build a correct computational model of a shock-heated (high-temperature) gas, information is needed not only on the concentration of electrons in the gas, but also data on the intensity of radiation of the studied gas in various spectral ranges, since it is the electrons present in the region under study that make the main contribution to the change in concentration radiating states (V. Yu. Levashov, P. V. Kozlov, N. G. Bykova, I. E. Zabelinsky. Peculiarities of argon plasma radiation at the initial stage behind the shock wave front. Chemical Physics, 40(1):16-23 , 2021). An important point is the simultaneous (ie, at the same time) determination of the electron gas concentration and radiation intensity at a particular spatial point. Such a simultaneous spatiotemporal measurement is necessary because the electron concentration and the population of the excited state change significantly in time and space. As a consequence, data obtained from various spatial and temporal points cannot provide reliable information necessary to build a correct computational model.

Одной из наиболее перспективных методик, позволяющей получать такого рода информацию является применение зондовых методов исследования.One of the most promising methods for obtaining this kind of information is the use of probe research methods.

Известно, что с помощью оптического волокна регистрируют либо спектры излучения низкотемпературной плазмы либо эволюцию во времени излучения в определенной области спектра (Yamada, G., Otsuta, S., Matsuno, T., and Kawazoe, H., “Temperature Measurements of CO2 and CO2-N2 Plasma Flows around a Blunt Body in an Arc-Heated Wind Tunnel,” Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan, Vol.11, pp.87-91, 2013; Kjellander M, Tillmark N and Apazidis N 2012 Energy concentration by spherical converging shocks generated in a shock tube Phys. Fluids 24 126103 (https://doi.org/10.1063/1.4772073)).It is known that using an optical fiber, either the emission spectra of low-temperature plasma or the time evolution of radiation in a certain region of the spectrum are recorded (Yamada, G., Otsuta, S., Matsuno, T., and Kawazoe, H., “Temperature Measurements of CO2 and CO2-N2 Plasma Flows around a Blunt Body in an Arc-Heated Wind Tunnel,” Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan, Vol.11, pp.87-91, 2013; Kjellander M, Tillmark N and Apazidis N 2012 Energy concentration by spherical converging shocks generated in a shock tube Phys. Fluids 24 126103 (https://doi.org/10.1063/1.4772073)).

В то же время, известно, что с помощью одиночного зонда Ленгмюра регистрируют вольтамперные характеристики, по которым определяют концентрации электронов и их температуры (Wang, S. et al. (2005). Measurement of electron density profile behind strong shock waves with a Langmuir probe. In: Jiang, Z. (eds) Shock Waves. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-27009-6_39).At the same time, it is known that current-voltage characteristics are recorded using a single Langmuir probe, which are used to determine electron concentrations and their temperatures (Wang, S. et al. (2005). Measurement of electron density profile behind strong shock waves with a Langmuir probe In: Jiang, Z. (eds) Shock Waves, Springer, Berlin, Heidelberg, https://doi.org/10.1007/978-3-540-27009-6_39).

Однако в уровне техники отсутствуют сведения о возможности одновременного измерения указанных параметров плазмы, то есть как электрических параметров плазмы (концентрацию, температуру) зондовой методикой, так и излучательные характеристики плазмы из той же области пространства.However, in the prior art there is no information about the possibility of simultaneous measurement of these plasma parameters, that is, both the electrical parameters of the plasma (concentration, temperature) by the probe technique, and the radiative characteristics of the plasma from the same region of space.

Указанные измерения до настоящего момента осуществляют по отдельности либо в разных областях низкотемпературной плазмы.These measurements have so far been carried out separately or in different regions of low-temperature plasma.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеуказанным аналогам и прототипу, за счет создания устройства, обеспечивающего возможность одновременного измерения концентрации электронного газа и интенсивности излучения в единой конкретной пространственной точке.Thus, the technical problem solved by the claimed invention lies in the need to overcome the disadvantages inherent in the above analogues and the prototype, by creating a device that allows simultaneous measurement of the electron gas concentration and radiation intensity at a single specific spatial point.

Краткое раскрытие сущности заявляемого изобретенияBrief disclosure of the essence of the claimed invention

Технический результат, достигаемый благодаря использованию заявляемого изобретения, заключается в повышении пространственной точности регистрации ударной или детонационной волны до 50 мкм, что позволит обеспечить возможность установления взаимно-однозначного соответствия между моментом прохождения ударной волны мимо измерительного устройства и моментами изменения потенциала плазмы, что обеспечивается модифицированной конструкцией используемого измерительного зонда.The technical result achieved through the use of the claimed invention is to increase the spatial accuracy of registration of a shock or detonation wave up to 50 μm, which will make it possible to establish a one-to-one correspondence between the moment of passage of the shock wave past the measuring device and the moments of change in the plasma potential, which is provided by a modified design used measuring probe.

Заявленный технический результат достигается решением устройства для синхронного измерения параметров плазмы, представляющего собой ударную трубу для генерации высокоскоростной ударной волны, содержащую камеру высокого давления (КВД), соединенную с камерой низкого давления (КНД), в стенке которой через технологическое отверстие в плоскости поперечного сечения камеры установлен, по меньшей мере, один измерительный зонд, включающий полую металлическую трубку, внутри которой размещено оптическое волокно, при этом зонд установлен с выступом в полость КНД на глубину от 1 до 10 мм. Внешний диаметр металлической трубки составляет от 0,3 мм до 1 мм. Диаметр оптического волокна составляет 50 - 400 мкм с пропусканием в спектральной области 200-2500 нм. Измерительные зонды могут быть установлены равномерно по протяженности КНД. В качестве измерительного зонда используют зонд Ленгмюра.The claimed technical result is achieved by solving a device for synchronous measurement of plasma parameters, which is a shock tube for generating a high-speed shock wave, containing a high-pressure chamber (HPC) connected to a low-pressure chamber (LPC), in the wall of which, through a technological hole in the plane of the cross-section of the chamber at least one measuring probe is installed, including a hollow metal tube, inside which an optical fiber is placed, while the probe is installed with a protrusion into the LPC cavity to a depth of 1 to 10 mm. The outer diameter of the metal tube is 0.3mm to 1mm. The diameter of the optical fiber is 50 - 400 microns with a transmission in the spectral region of 200-2500 nm. Measuring probes can be installed evenly along the length of the LPC. Langmuir probe is used as the measuring probe.

При этом полученные в одновременном (синхронном) измерении данные позволяют определять во всех точках регистрации экспериментальные данные (время до прихода ударной волны, прохождение «пробки» ударной волны, с указанной пространственной точностью). Кроме того, при работе заявляемого устройства точность измерения временного определения прихода, например, фронта ударной волны, превышает известную в 6 раз (известная точность составляет 120 нс).At the same time, the data obtained in a simultaneous (synchronous) measurement make it possible to determine experimental data at all points of registration (time before the arrival of a shock wave, the passage of a "plug" of a shock wave, with the specified spatial accuracy). In addition, when the proposed device is operating, the accuracy of measuring the timing of the arrival, for example, the front of the shock wave, exceeds the known 6 times (the known accuracy is 120 ns).

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, гдеThe claimed invention is illustrated by the following drawings, where

на фиг. 1 представлена схема установки, посредством которой реализуют измерения;in fig. 1 shows a diagram of the installation by means of which the measurements are carried out;

на фиг. 2 схематично представлен эскиз измерительного зонда;in fig. 2 is a schematic sketch of a measurement probe;

на фиг. 3 представлен эскиз схемы диагностики плазмы с оптическим волокном внутри зонда Ленгмюра;in fig. 3 is a sketch of a diagnostic circuit for a plasma with an optical fiber inside a Langmuir probe;

на фиг. 4 и 5 представлены осциллограммы сигналов с зонда и ФЭУ при прохождении УВ волокна в игле диаметром 4 мм и длиной 5 мм. Начальное давление воздуха 35Па, скорость УВ 10 км/с.in fig. Figures 4 and 5 show the oscillograms of the signals from the probe and PMT during the passage of a SW fiber in a needle 4 mm in diameter and 5 mm long. Initial air pressure 35Pa, SW speed 10 km/s.

Позициями на фигурах обозначены:The positions in the figures are:

1 - зонд измерительный,1 - measuring probe,

2 - сигнал от световода на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ),2 - signal from the light guide to the photomultiplier tube (PMT),

3 - уплотнители,3 - seals,

4 - исследуемый объект - низкотемпературная плазма (разряд, ударная волна),4 - the object under study - low-temperature plasma (discharge, shock wave),

5 - потенциал плазмы,5 - plasma potential,

6 - спектр излучения плазмы (спектральный анализатор),6 - plasma radiation spectrum (spectrum analyzer),

7 - металлическая трубка,7 - metal tube,

8 - оптическое волокно.8 - optical fiber.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Заявляемое устройство в рамках опытной эксплуатации реализовано на экспериментальном комплексе "Ударная труба" лаборатории "Кинетических процессов в газах" (лаб. 109) НИИ механики МГУ. Устройство представляет собой модифицированную ударную трубу (УТ), снабженную специально сконструированными средствами измерения. Дальнейшее описание конструкции приведено с использованием примера конкретного выполнения, реализованного в указанных лабораторных условиях.The inventive device within the framework of trial operation is implemented on the experimental complex "Shock tube" of the laboratory "Kinetic processes in gases" (lab. 109) of the Research Institute of Mechanics of Moscow State University. The device is a modified shock tube (UT) equipped with specially designed measuring instruments. The following description of the design is given using an example of a specific implementation, implemented in the specified laboratory conditions.

В частном случае, УТ состоит из трех соединенных торцами секций: камеры высокого давления (КВД/CHP) длиной не более 1.55 м, промежуточной камеры (КПД/CIP) длиной не более 3.5 м и камеры низкого давления (КНД/CLP) длиной не более 3 м. Заявляемое изобретение может быть реализовано и при отсутствии КПД, при непосредственном соединении КВД и КНД. КПД выполняет вспомогательную функцию, не является обязательным элементом ударной трубы и предназначена, в основном, для исключения влияния толкающего газа (водорода) при проведении кинетических исследований. Тем не менее установлено, что наличие КПД в составе ударной трубы приводит к повышению скорости регистрируемой ударной волны на 10-20%. Перечисленные камеры изготовлены из цельных отрезков бесшовной горячедеформированной стальной трубы по ГОСТ 9940-81 (выполненной из стали 12Х18Н10Т), внешним диаметром около 60 мм, толщиной стенок не менее 5 мм. По торцам к секциям приварены воротниковые фланцы, изготовленные, например, из стали 12Х18Н9Т методом горячего прессования. Для реализации опытного образца толщина стенок трубы выбиралась из соображений возможности ручного монтажа и обслуживания ударной трубы двумя сотрудниками лаборатории. Каждая секция размещена на двух юстировочных столиках, закрепленных на стальных стойках, прикрепленных к полу. Между фланцами соседних секций расположены кассеты с диафрагмами. Фланцы стянуты четырьмя болтами 20 мм. Каждая камера снабжена системой напуска и откачки газов. Система напуска КНД состоит из трех баллонов a, b, c объемом 40 л, вакуумметра образцового PD1, трех натекателей VF1-VF3, подключенных к мерному объему CV1, и перепускного вентиля V1 (Ду 10 мм). Откачка системы напуска осуществляется через перепускной вентиль V1 и вентиль V2 безмасляным откачным постом NR. Система напуска гелия в КПД, при ее использовании, состоит из баллона объемом 40 л, натекателя VF4, мерного объема CV3, вакуумметра PD2 и перепускного вентиля V8. Откачка системы напуска гелия производится через перепускной вентиль V8, промежуточную камеру CIP и вентиль V7 форвакуумным насосом NI. Система напуска КВД включает три баллона объемом 40 л, содержащих водород, кислород и гелий. Баллоны натекателями VF5-VF7 и перепускным вентилем V5 соединены с камерой высокого давления. Давление толкающего газа в камере высокого давления контролируется манометрами PD4 и PD5. Манометр PD6 контролирует давление в баллоне с водородом. Вентиль V10 обеспечивает аварийный сброс водорода из камеры высокого давления. Разводка систем напуска осуществлена трубкой из нержавеющей стали ∅ 3х0.5 мм. Трубка припаяна серебряным припоем ПСР-40 к соответствующим ниппелям вентилей и манометров. Все уплотнения систем напуска изготовлены из фторопласта. Ударная труба снабжена измерительным устройством, представляющим собой иглу из нержавеющей стали, внутри которой расположено оптическое волокно в специальной оправе (см. фиг. 2, 3). Игла, выполненная в виде металлической трубки, используется как зонд Ленгмюра (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BD%D0%B4_%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D0%B3%D0%BC%D1%8E%D1%80%D0%B0), для регистрации зондовой вольт-амперной характеристики, необходимой для определения параметров низкотемпературной плазмы, создаваемой излучением от набегающей ударной волны (УВ) и самой УВ при прохождении мимо зонда. Игла установлена в технологическом отверстии в стенке УТ, в камере КНД на расстоянии около 3 м от диафрагмы, разделяющей КПД (или КВД при отсутствии КПД) и КНД. При необходимости количество таких измерительных зондов может быть увеличено, зонды могут быть размещены равномерно по длине КНД. Таким образом, получается, что зонд со световодом установлен в одном поперечном сечении объема ударной трубы, что обеспечивает возможность с высокой пространственно-временной точностью регистрировать положение газодинамического фронта УВ относительно появления сигнала от зонда. Длина выступающей части зонда внутрь трубы, в область, где проходит УВ, подбирается опытным путем, исходя из требования недопустимости механических повреждений зонда ударной волной. В общем случае зонд выступает внутрь полости камеры ударной трубы на глубину от 1 до 10 мм. Зонд электрически изолирован от металлической стенки УТ. Внешний диаметр иглы может составлять от 0,3 мм и более (максимальный диаметр определяется размерами технологических отверстий конкретной ударной трубы). Диаметр оптического волокна 50, 100, 150 мкм, в зависимости от используемой иглы с пропусканием в спектральной области 200-2500 нм. Оптическое волокно, помещенное внутри иглы (зонда), начинает регистрировать излучение УВ только после ее прохождения мимо торца волокна и предназначено для исследования спектральных и временных характеристик излучения УВ.In a particular case, the UT consists of three end-connected sections: a high pressure chamber (HPC/CHP) with a length of no more than 1.55 m, an intermediate chamber (HPC/CIP) with a length of no more than 3.5 m and a low pressure chamber (LPC/CLP) with a length of no more than 3 m. The claimed invention can also be implemented in the absence of efficiency, with a direct connection of HPC and HPC. The efficiency factor performs an auxiliary function, is not an obligatory element of the shock tube, and is intended mainly to exclude the influence of the pushing gas (hydrogen) during kinetic studies. Nevertheless, it has been established that the presence of an efficiency factor in the composition of the shock tube leads to an increase in the velocity of the recorded shock wave by 10–20%. The listed chambers are made of solid sections of a seamless hot-formed steel pipe according to GOST 9940-81 (made of steel 12X18H10T), with an outer diameter of about 60 mm, and a wall thickness of at least 5 mm. At the ends, collar flanges are welded to the sections, made, for example, from steel 12X18H9T by hot pressing. For the implementation of the prototype, the thickness of the tube walls was chosen from the considerations of the possibility of manual installation and maintenance of the shock tube by two employees of the laboratory. Each section is placed on two adjustment tables mounted on steel racks attached to the floor. Cassettes with diaphragms are located between the flanges of adjacent sections. The flanges are tightened with four 20 mm bolts. Each chamber is equipped with a gas inlet and outlet system. The LPC inlet system consists of three cylinders a, b, c with a volume of 40 liters, an exemplary vacuum gauge PD1, three leak valves VF1-VF3 connected to the measuring volume CV1, and a bypass valve V1 (DN 10 mm). The bleed system is evacuated through the bypass valve V1 and the valve V2 with an oil-free pumping station NR. The helium inlet system in the efficiency, when used, consists of a 40-liter cylinder, a VF4 leak, a CV3 measuring volume, a PD2 vacuum gauge and a V8 bypass valve. The helium inlet system is evacuated through the V8 bypass valve, the CIP intermediate chamber and the V7 valve using an NI foreline pump. The HPC inlet system includes three 40-liter cylinders containing hydrogen, oxygen and helium. The cylinders are connected to the high-pressure chamber by leak valves VF5-VF7 and bypass valve V5. The pusher gas pressure in the high pressure chamber is monitored by pressure gauges PD4 and PD5. The PD6 pressure gauge monitors the pressure in the hydrogen tank. Valve V10 provides an emergency release of hydrogen from the high pressure chamber. The distribution of the venting systems was carried out with a stainless steel tube ∅ 3x0.5 mm. The tube is soldered with PSR-40 silver solder to the corresponding nipples of valves and pressure gauges. All seals of the inlet systems are made of PTFE. The shock tube is equipped with a measuring device, which is a stainless steel needle, inside which there is an optical fiber in a special frame (see Fig. 2, 3). A needle made in the form of a metal tube is used as a Langmuir probe D0%BD%D0%B3%D0%BC%D1%8E%D1%80%D0%B0), to register the probe current-voltage characteristic necessary to determine the parameters of low-temperature plasma generated by radiation from an incident shock wave (SW) and SW itself when passing by the probe. The needle is installed in the technological hole in the UT wall, in the LPC chamber at a distance of about 3 m from the diaphragm separating the efficiency factor (or the pressure factor in the absence of efficiency) and the LPC. If necessary, the number of such measuring probes can be increased, the probes can be placed evenly along the LPC length. Thus, it turns out that the probe with the light guide is installed in one cross section of the shock tube volume, which makes it possible to record the position of the SW gas-dynamic front relative to the appearance of the signal from the probe with high spatiotemporal accuracy. The length of the protruding part of the probe inside the pipe, in the area where the shock wave passes, is selected empirically, based on the requirement that mechanical damage to the probe by a shock wave is inadmissible. In the general case, the probe protrudes into the cavity of the shock tube chamber to a depth of 1 to 10 mm. The probe is electrically isolated from the UT metal wall. The outer diameter of the needle can be from 0.3 mm or more (the maximum diameter is determined by the size of the technological holes of a particular shock tube). The diameter of the optical fiber is 50, 100, 150 microns, depending on the needle used, with a transmission in the spectral region of 200-2500 nm. An optical fiber placed inside the needle (probe) begins to register SW radiation only after it passes by the end of the fiber and is designed to study the spectral and temporal characteristics of SW radiation.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) измерительного зонда, т.е. зависимости I(U) для собираемого зондом тока из плазмы, позволяют определить ее параметры на основе различных моделей движения заряженных частиц вблизи зонда, разработка которых представляет собой основную проблему зондовой диагностики.Current-voltage characteristics (CVC) of the measuring probe, i.e. The dependences I(U) for the current collected by the probe from the plasma make it possible to determine its parameters based on various models of the motion of charged particles near the probe, the development of which is the main problem of probe diagnostics.

Режим работы зонда в плазме характеризуется двумя параметрами, а именно, числом Кнудсена и числом Дебая (M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Физика Плазмы, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013.). Число Кнудсена определяется как отношение средней длины свободного пробега электронов/ионов - λ _i к радиусу зонда - r _z:The mode of operation of the probe in plasma is characterized by two parameters, namely the Knudsen number and the Debye number (MA Hassouba, AR Galaly, and UM Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Plasma Physics, vol. 39, no. 3, pp.289-296, 2013.). The Knudsen number is defined as the ratio of the mean free path of electrons/ions - λ _i to the radius of the probe - r _z :

Число Дебая - это отношение радиуса зонда к длине Дебая - λ _D:The Debye number is the ratio of the probe radius to the Debye length - λ _D :

где

Where

M. Tichý, M. Šícha, P. David, and T. David, “A Collisional Model of the Positive Ion Collection by a Cylindrical Langmuir Probe,” Contrib. to Plasma Phys., vol. 34, no. 1, pp. 59-68, Jan. 1994.M. Tichý, M. Šícha, P. David, and T. David, “A Collisional Model of the Positive Ion Collection by a Cylindrical Langmuir Probe,” Contrib. to Plasma Phys., vol. 34, no. 1, pp. 59-68, Jan. 1994.

Таким образом, использование зондов для случая, когда средняя длина свободного пробега электронов и ионов в плазме значительно больше характерного размера зонда, является надежным средством получения информации о свойствах такой плазмы. Известно, что если имеется зонд с отрицательным потенциалом, то вокруг него будут собираться ионы и вокруг зонда образуется положительное облако, потенциал которого равен потенциалу зонда. Однако, в случае, когда средняя длина свободного пробега заряженных частиц становится порядка или меньше характерного размера зонда, сам зонд оказывает существенное влияние на параметры плазмы.Thus, the use of probes for the case when the mean free path of electrons and ions in plasma is much larger than the characteristic size of the probe is a reliable means of obtaining information about the properties of such a plasma. It is known that if there is a probe with a negative potential, then ions will collect around it and a positive cloud will form around the probe, the potential of which is equal to the potential of the probe. However, when the mean free path of charged particles becomes of the order of or less than the characteristic size of the probe, the probe itself has a significant effect on the plasma parameters.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема наполнения и откачки ударной трубы. С помощью насоса NI, подключенного электромагнитным клапаном VM (Ду 30 мм) к вакуумной трассе, проложенной вдоль всей трубы, и вентилей V3, V5 и V7 осуществляется форвакуумная откачка всех секций ударной трубы. С помощью вентиля V6 производится напуск в трубу атмосферного воздуха или нейтрального газа при смене диафрагм. Вакуумная трасса выполнена из отрезков нержавеющей трубы диаметром 18 мм, состыкованных быстроразъемными фланцами, приваренными к трубе через сильфоны. Форвакуумное давление в трубе контролируется образцовым вакуумметром PD3. Со стороны камеры низкого давления к трубе через вентиль-заслонку VT, сильфон и Г образный патрубок подсоединен демпферный бак CV2 объемом 47 л, выполненный из нержавеющей стали. Вентиль-заслонка VT имеет проходное сечение 60 мм. К демпферному баку через вентиль V2 (Ду 60 мм) подключен безмасляный откачной пост NR. Для контроля степени откачки ударной трубы, также к демпферному баку подсоединен вакуумметр PM с магнитным электроразрядным датчиком. Вентиль VT позволяет производить смену диафрагм в ударной трубе без напуска атмосферного давления в демпферный бак, тем самым существенно уменьшая время чистовой откачки ударной трубы. Все соединения вакуумной системы выполнены быстроразъемными фланцевыми соединениями. В качестве уплотнений вакуумной системы секций трубы, бака, вентилей и т.п.использованы стандартные уплотнения, изготовленные из высоковакуумной резины. Камера высокого давления (внутренний диаметр 50 мм, длина 30-60 калибров) и камера низкого давления разделены между собой диафрагмой. В случае использования в составе установке КПД, диафрагма расположена на границе раздела КВД и КПД. В общем случае, диафрагма представляет собой медный лист (фольгу) толщиной от 0,2 до 0,7 мм. В качестве диафрагмы между камерами используют медную фольгу толщиной 0,3 -0,4 мм. По площади диафрагмы выполнены специальные крестообразные насечки, обеспечивающие облегчение ее разрыва, полное раскрытие и предотвращение уноса в поток оторванных «лепестков» меди, то есть увлечение в поток обрывков материала диафрагм практически отсутствует.В торце КВД смонтировано средство поджига гремучей смеси, выполненное, например, в виде автомобильной свечи. В каждой камере ударной трубы поддерживается определенное давление. Так, диапазон давлений в КВД составляет 8-10 атм. Измерение скорости ударной волны в измерительном сечении осуществляют пьезодатчиками. В качестве исходной газовой смеси может быть использована смесь гелий/кислород/водород в стехиометрической концентрации кислорода и водорода. При этом концентрация гелия составляет от 50 до 65%. Газы для формирования исходной газовой смеси подают в камеру высокого давления (КВД), при этом сначала КВД заполняют гелием, после чего подают последовательно кислород и водород. Для более быстрого перемешивания газы в КВД могут быть поданы с двух противоположных концов камеры. Затем камеру оставляют для обеспечения перемешивания газов. Время перемешивания для КВД длиной 150 см составляет не менее 60 минут для обеспечения хорошей повторяемости. Возможно предварительное приготовление смеси гелия с кислородом в отдельном резервуаре и подача в КВД готовой смеси гелий/кислород и отдельно водород. В таком случае время несколько снижается и, например, для КВД длиной 150 см составит около 40 минут.Гремучую смесь для поджига подают в форкамеру. С использованием автомобильной свечи осуществляют поджиг гремучей смеси в форкамере, искровое воспламенение которой приводит к образованию поперечных волн сжатия, которые выравнивают давление в форкамере. С повышением давления начинается струйное истечение продуктов горения через перфорацию торца форкамеры в основную часть камеры высокого давления, заполненную гремучей смесью с гелием. Близкие по интенсивности и составу струи (поступающие из форкамеры и находящиеся в КВД) обеспечивают однородное в поперечном направлении воспламенение газа в камере высокого давления. После формирования УВ излучение от нее ионизирует газ перед волной (в том числе, в области размещения зонда), что приводит к появлению отрицательного сигнала на зонде (от (-10 мкс), см. на фиг. 4). Потенциал зонда (металлической трубки) относительно земли регистрируется осциллографом (в нашем случае корпус УТ заземлен, а металлическая трубка, в которой находится оптическое волокно, изолирована). Зондовые методы диагностики параметров плазмы, в том числе используемые и при реализации назначения заявляемого изобретения, описаны, например, в И. Н. Середа, А.Ф. Целуйко, «ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ», 2015. Излучение с торца оптического волокна поступает на спектральный прибор, на выходе которого находится ФЭУ для регистрации временной эволюции излучения в выделенном спектральном диапазоне.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the filling and evacuation of the shock tube. With the help of the NI pump, connected by a solenoid valve VM (DN 30 mm) to a vacuum line laid along the entire tube, and valves V3, V5 and V7, all sections of the shock tube are forevacuum pumped out. With the help of valve V6, atmospheric air or neutral gas is admitted into the pipe when changing diaphragms. The vacuum route is made of stainless pipe segments with a diameter of 18 mm, docked with quick-release flanges welded to the pipe through bellows. The fore-vacuum pressure in the pipe is controlled by a reference vacuum gauge PD3. From the side of the low-pressure chamber, a damper tank CV2 with a volume of 47 liters, made of stainless steel, is connected to the pipe through a damper valve VT, a bellows and an L-shaped branch pipe. The damper valve VT has an orifice of 60 mm. An oil-free pumping station NR is connected to the damper tank through valve V2 (DN 60 mm). To control the degree of pumping out of the shock tube, a PM vacuum gauge with a magnetic electric discharge sensor is also connected to the damping tank. The VT valve makes it possible to change diaphragms in the shock tube without introducing atmospheric pressure into the damper tank, thereby significantly reducing the time for final pumping of the shock tube. All connections of the vacuum system are made with quick-release flange connections. Standard seals made of high-vacuum rubber are used as seals for the vacuum system of pipe sections, tank, valves, etc. The high pressure chamber (inner diameter 50 mm, length 30-60 calibers) and the low pressure chamber are separated by a diaphragm. In the case of use as part of the HPC unit, the diaphragm is located at the interface between HPC and HPC. In general, the diaphragm is a copper sheet (foil) with a thickness of 0.2 to 0.7 mm. Copper foil 0.3-0.4 mm thick is used as a diaphragm between the chambers. Special cruciform notches are made along the area of the diaphragm, providing facilitation of its rupture, full opening and prevention of entrainment of torn copper “petals” into the flow, that is, there is practically no entrainment of fragments of the diaphragm material into the flow. in the form of a car candle. A certain pressure is maintained in each chamber of the shock tube. Thus, the pressure range in HPC is 8–10 atm. Measurement of the shock wave velocity in the measuring section is carried out by piezo sensors. A helium/oxygen/hydrogen mixture in a stoichiometric concentration of oxygen and hydrogen can be used as the initial gas mixture. In this case, the helium concentration is from 50 to 65%. The gases for the formation of the initial gas mixture are fed into the high pressure chamber (HPC), while first the HPC is filled with helium, after which oxygen and hydrogen are supplied sequentially. For faster mixing, gases can be supplied to HPC from two opposite ends of the chamber. The chamber is then left to allow the gases to mix. The mixing time for a 150 cm HPC is at least 60 minutes to ensure good repeatability. It is possible to pre-prepare a mixture of helium with oxygen in a separate tank and supply the finished mixture of helium/oxygen and separately hydrogen to the HPC. In this case, the time is somewhat reduced and, for example, for a HPT 150 cm long, it will be about 40 minutes. The explosive mixture for ignition is fed into the prechamber. Using a car spark plug, an explosive mixture is ignited in the prechamber, the spark ignition of which leads to the formation of transverse compression waves, which equalize the pressure in the prechamber. With an increase in pressure, a jet outflow of combustion products begins through the perforation of the forechamber end into the main part of the high-pressure chamber filled with an explosive mixture with helium. Jets of similar intensity and composition (coming from the forechamber and located in HPC) ensure uniform gas ignition in the transverse direction in the high-pressure chamber. After the formation of the SW, the radiation from it ionizes the gas ahead of the wave (including in the area where the probe is located), which leads to the appearance of a negative signal on the probe (from (-10 μs), see Fig. 4). The potential of the probe (metal tube) relative to the ground is recorded by an oscilloscope (in our case, the UT case is grounded, and the metal tube containing the optical fiber is insulated). Probe methods for diagnosing plasma parameters, including those used in the implementation of the purpose of the claimed invention, are described, for example, in I.N. Sereda, A.F. Tseluiko, “PROBE METHODS OF PLASMA DIAGNOSIS”, 2015. Radiation from the end of an optical fiber enters a spectral device, at the output of which there is a photomultiplier for recording the time evolution of radiation in a selected spectral range.

При исследовании процессов в ударно нагретых газах важной характеристикой является взаимосвязь между моментом прихода ударной волны и началом излучения (время индукции). Представленная конструкция позволяет определить время индукции с точностью не менее 15 нс для зонда диаметром 0,3 мм при скорости ударной волны 10 км/с.When studying processes in shock heated gases, an important characteristic is the relationship between the moment of shock wave arrival and the onset of radiation (induction time). The presented design makes it possible to determine the induction time with an accuracy of at least 15 ns for a probe with a diameter of 0.3 mm at a shock wave velocity of 10 km/s.

На приведенной осциллограмме перед приходом ударной волны в сечение зонда наблюдается изменение сигнала зонда, связанное с фотоионизацией газа. Момент прихода газодинамического фронта ударной волны характеризуется резкой сменой знака потенциала зонда (см. фиг. 4, 5). Излучение, поступающее через световод, регистрируется оптической системой. Оба сигнала регистрируются на одном многоканальном осциллографе.In the above oscillogram, before the arrival of the shock wave in the probe cross section, a change in the probe signal is observed, which is associated with the photoionization of the gas. The moment of arrival of the gas-dynamic front of the shock wave is characterized by a sharp change in the sign of the probe potential (see Figs. 4, 5). The radiation coming through the light guide is registered by the optical system. Both signals are registered on one multichannel oscilloscope.

Временное разрешение составляет 20нс, пространственное разрешение 50 мкм. Благодаря пространственной и временной одновременности проводимых измерений существенно повысилась надежность и достоверность получаемых экспериментальных данных, а также расширяется набор измеряемых в ходе эксперимента величин как до, так и за фронтом ударной волны. Так, например, появляется возможность получать временную эволюцию электронной концентрации в заданном сечении ударной трубы. Одновременность измерения потенциала и излучения в выбранной точке пространства позволит построить корреляцию между моментом прохождения ударной волны мимо измерительного устройства и моментами изменения концентрации электронного газа.The temporal resolution is 20ns, the spatial resolution is 50 µm. Due to the spatial and temporal simultaneity of the measurements, the reliability and reliability of the obtained experimental data has significantly increased, and the set of quantities measured in the course of the experiment, both before and behind the shock wave front, has been expanded. Thus, for example, it becomes possible to obtain the temporal evolution of the electron density in a given section of a shock tube. The simultaneity of measuring the potential and radiation at a chosen point in space will make it possible to construct a correlation between the moment of passage of the shock wave past the measuring device and the moments of change in the concentration of the electron gas.

Claims

1. A device for synchronous measurement of plasma parameters, which is a shock tube for generating a high-speed shock wave, containing a high-pressure chamber (HPC) connected to a low-pressure chamber (LPC), in the wall of which, through a technological hole in the plane of the cross-section of the chamber, at least one measuring probe, including a hollow metal tube, inside which an optical fiber is placed, while the probe is installed with a protrusion into the LPC cavity to a depth of 1 to 10 mm.

2. The device according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the metal tube is from 0.3 to 1 mm.

3. The device according to claim 1, characterized in that the diameter of the optical fiber is 50-400 microns with a transmission in the spectral region of 200-2500 nm.

4. The device according to claim 1, characterized in that a Langmuir probe is used as a measuring probe.