RU2806821C1

RU2806821C1 - Method for synchronous measurement of plasma parameters in a shock tube

Info

Publication number: RU2806821C1
Application number: RU2023102657A
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Акимов; Наталья Германовна БЫКОВА; Игорь Евгеньевич Забелинский; Павел Владимирович Козлов; Владимир Юрьевич ЛЕВАШОВ; Геннадий Яковлевич Герасимов; Николай Александрович Киселёв
Filing date: 2023-02-07
Publication date: 2023-11-07

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. The technical result is to provide the ability to measure electrical and optical parameters of plasma at one point in time and in one measuring section with high temporal and spatial accuracy. A method for synchronously measuring plasma parameters in a shock tube, in the wall of which a measuring probe is installed through a technological hole, which is a hollow metal tube of a Langmuir probe with an optical fibre placed inside it, provides for the supply of helium and an explosive mixture into a high-pressure chamber, supply and ignition of the explosive mixture, as a result of combustion, formation of a flat shock wave is ensured, registration of the probe current-voltage characteristic with a Langmuir probe, and subsequent determination of the values of the electrical parameters of the plasma, with simultaneous registration of plasma radiation by an optical fibre in the same measuring section of the shock tube, followed by determination of the optical parameters of the plasma based on the recorded radiation.

EFFECT: thanks to the spatial and temporal simultaneity of the measurements, reliability and validity of the obtained experimental data has significantly increased, and the set of quantities measured during the experiment has expanded, both before arrival of the plasma and at the moment of plasma arrival at the measuring section.

5 cl, 5 dwg

Description

Область техникиField of technology

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 studying the electrical and emission (radiative) properties of gas in a wide range of temperatures and pressures. Measuring the radiative and electrical characteristics of gases is necessary to solve scientific and technical problems, for example, those associated with processes that occur near the surface of aircraft during their descent into the atmosphere of the Earth and, possibly, other planets. In particular, these measurements can be used when selecting materials for thermal protection of descending spacecraft. The claimed invention will increase the accuracy and reliability of the used physicochemical models that describe nonequilibrium processes and calculate electron temperature and electron concentration.

Уровень техникиState of the art

В известных экспериментах по измерению потенциала плазмы, например, в ударных волнах, используется зонд Ленгмюра, однако не измеряется эмиссия (излучение) плазмы (Nomura, S., Kawakami, T., and Fujita, K., “Nonequilibrium Effects in Precursor Electrons Ahead of Shock Waves,” Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 35, No. 3, 2021, pp. 518-523. https://doi.org/10.2514/1.T6057) При этом в классических устройствах по измерению потенциала плазмы в ударных волнах, использующих зонд Ленгмюра, измерение потенциала осуществляют с временным разрешением 450 нс для скорости 10 км/с. Также в этих экспериментах отсутствуют измерения спектральных характеристик исследуемых газов (плазмы).Famous experiments to measure plasma potential, such as shock waves, use a Langmuir probe but do not measure plasma emission (Nomura, S., Kawakami, T., and Fujita, K., “Nonequilibrium Effects in Precursor Electrons Ahead of Shock Waves,” Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 35, No. 3, 2021, pp. 518-523. https://doi.org/10.2514/1.T6057) At the same time, in classical potential measuring devices plasma in shock waves using a Langmuir probe, the potential is measured with a time resolution of 450 ns for a speed of 10 km/s. Also, in these experiments there are no measurements of the spectral characteristics of the gases (plasma) being studied.

Из уровня техники 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 вольт-амперная характеристика системы трех плоских зондов, расположенных в отдельной измерительной секции.From the state of the art, a method is known 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 TsAGI Scientific Notes) (https://findpatent.ru/magazine/ 030/303375.html). The radiation was recorded in the optical window of an 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, является способ измерения потенциала и излучения газа, нагретого микроволновым излучением, раскрытый в Chi Chen, Wenjie Fu, Chaoyang Zhang, DunLu, Meng Han and Yang Yan, Langmuir Probe Diagnostics with Optical Emission Spectrometry (OES) forCoaxialLine, MicrowavePlasmaAppl. Sci. 2020, 10(22), 8117.The closest in technical essence to the claimed invention when measuring potential and radiation in a gas is a method for measuring the potential and radiation of a gas heated by microwave radiation, disclosed in Chi Chen, Wenjie Fu, Chaoyang Zhang, DunLu, Meng Han and Yang Yan, Langmuir Probe Diagnostics with Optical Emission Spectrometry (OES) forCoaxialLine, MicrowavePlasmaAppl. Sci. 2020, 10(22), 8117.

Однако в данном способе измерения потенциала и излучения проводят в разных точках газового потока, а именно, в разных измерительных сечениях, т.е. не синхронно, а последовательно.However, in this method, measurements of potential and radiation are carried out 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,” Plasma Physics Report, vol. 39, no. 3, pp. 255-262, 2013; В. А. Горелов, Л. А. Кильдюшова, и В. М. Чернышев, “Об измерении ионизации воздуха за сильными ударными волнами,” Теплофизика Высоких Температур, vol. 21, no. 3, pp. 449-453, 1983].Measurements of probe potential values make it possible to determine the electron concentration [M. A. Hassouba, A. R. Galaly, and U. M. Rashed, “Analysis of Cylindrical Langmuir Probe Using Experiment and Different Theories,” Plasma Physics Report, vol. 39, no. 3, pp. 255-262, 2013; V. A. Gorelov, L. A. Kildyushova, and V. M. Chernyshev, “On measuring air ionization behind strong shock waves,” Thermophysics of High Temperatures, 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. Kapperand J.-L. Cambier, “Ionizing shock sinargon. Part I: Collisional-radiative model and steady-state structure,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 11, p. 113308, Jun. 2011) даже на начальном участке. Таким образом, 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 electron concentration 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. Kapperand J.-L. Cambier, “Ionizing shock sinargon. Part I: Collisional- radiative model and steady-state structure,” J. Appl. Phys., vol. 109, no. 11, p. 113308, Jun. 2011) even in the initial section. Thus, immediately after the arrival of the shock wave until the moment of avalanche increase in 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 much of the ionization process. In this regard, measuring the electron concentration seems 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). Принципиальным 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 construct a correct computational model of a shock-heated (high-temperature) gas, information is required not only on the concentration of electrons in the gas, but also data on the radiation intensity of the gas under study in various spectral ranges, since it is the electrons present in the region under study that make the main contribution to the change concentrations of emitting states (V. Yu. Levashov, P. V. Kozlov, N. G. Bykova, I. E. Zabelinsky “Features of argon plasma radiation at the initial stage behind the shock wave front.” Chemical Physics, 40(1):16 -23, 2021). The fundamental point is the simultaneous (i.e. at the same moment in time) determination of the electron gas concentration and radiation intensity at a specific spatial point. This simultaneous spatiotemporal measurement is necessary because the electron concentration and excited state population vary significantly in time and space. As a consequence, data obtained from different spatial and temporal points cannot provide the 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 optical fiber is used to record either the radiation spectra of low-temperature plasma or the time evolution of radiation in a certain region of the spectrum (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 вольт-амперные характеристики, по которым определяют концентрации электронов и их температуры (Wang, S. etal. (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 using a single Langmuir probe, current-voltage characteristics are recorded, from which electron concentrations and their temperatures are determined (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 оптических, излучательных характеристик плазмы (значения интенсивности излучения плазмы, панорамные спектры излучения и временную эволюцию излучения), из той же области пространства.However, in the state of the art there is no information about the possibility of simultaneous measurement of the indicated plasma parameters, that is, both the electrical parameters of the plasma (concentration, temperature) using a probe technique, and the optical, radiative characteristics of the plasma (plasma radiation intensity values, panoramic radiation spectra and time evolution of radiation) , from the same region of space.

Указанные измерения до настоящего момента осуществляют по отдельности в разных пространственных точках измеряемой плазмы.Until now, these measurements have been carried out separately at different spatial points of the measured plasma.

Таким образом, техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеуказанным аналогам и прототипу, за счет создания способа, обеспечивающего возможность одновременного измерения параметров плазмы для дальнейшего определения концентрации электронов и интенсивности излучения в плазме в каждой единой пространственной точке.Thus, the technical problem solved by the claimed invention lies in the need to overcome the disadvantages inherent in the above-mentioned analogues and the prototype by creating a method that makes it possible to simultaneously measure plasma parameters to further determine the electron concentration and radiation intensity in the plasma at each single spatial point.

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

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности измерения электрических и оптических параметров плазмы в один момент времени и в одном измерительном сечении с высокой временной и пространственной точностью.The technical result achieved by using the claimed invention is to provide the ability to measure electrical and optical parameters of the plasma at one point in time and in one measuring section with high temporal and spatial accuracy.

Использование данного способа также повышает пространственную точность регистрации ударной или детонационной волны (до 50 мкм), что позволяет обеспечить возможность установления взаимно-однозначного соответствия между моментом прохождения ударной волны мимо измерительного устройства и моментами изменения потенциала плазмы.The use of this method also increases the spatial accuracy of recording a shock or detonation wave (up to 50 μm), which makes 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.

Заявленный технический результат достигается в результате применения способа синхронного измерения параметров плазмы в ударной трубе, содержащей камеру высокого давления (КВД), соединенную с камерой низкого давления (КНД), в стенке которой через технологическое отверстие в плоскости поперечного сечения КНД установлен, по меньшей мере, один измерительный зонд, представляющий собой полую металлическую трубку зонда Ленгмюра, внутри которой размещен световод, представляющий собой оптическое волокно, в соответствии с которым обеспечивают:The claimed technical result is achieved as a result of using a method for synchronously measuring plasma parameters in a shock tube containing a high-pressure chamber (HPC) connected to a low-pressure chamber (LPC), in the wall of which, through a technological hole in the cross-sectional plane, the LPC is installed at least one measuring probe, which is a hollow metal tube of a Langmuir probe, inside of which there is a light guide, which is an optical fiber, according to which the following is provided:

- подачу гелия и гремучей смеси в КВД,- supply of helium and explosive mixture to the HPC,

- подачу и воспламенение гремучей смеси, в результате сжигания которой обеспечивают формирование плоской ударной волны,- supply and ignition of an explosive mixture, as a result of combustion of which the formation of a flat shock wave is ensured,

- регистрацию зондовой вольтамперной характеристики зондом Ленгмюра, и последующим определением значений электрических параметров плазмы,- registration of the probe current-voltage characteristic with a Langmuir probe, and subsequent determination of the values of the electrical parameters of the plasma,

- с одновременной регистрацией оптическим волокном излучения плазмы в том же измерительном сечении ударной трубы с последующим определением оптических параметров плазмы на основе зарегистрированного излучения. При этом в качестве электрических параметров плазмы определяют концентрацию электронов в плазме и/или электронную температуру, а в качестве оптических параметров плазмы определяют абсолютные значения интенсивности излучения плазмы. Синхронные измерения проводят с временной точностью до 20 нс и пространственной точностью до 50 мкм.- with simultaneous registration of plasma radiation by an optical fiber in the same measuring section of the shock tube with subsequent determination of the optical parameters of the plasma based on the recorded radiation. In this case, the electron concentration in the plasma and/or electron temperature are determined as the electrical parameters of the plasma, and the absolute values of the plasma radiation intensity are determined as the optical parameters of the plasma. Synchronous measurements are carried out with a temporal accuracy of up to 20 ns and a spatial accuracy of up to 50 μm.

Краткое описание чертежейBrief description of 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 заявляемый способ;in fig. 1 shows a diagram of the installation by which the inventive method is implemented;

на фиг.2 схематично представлен эскиз измерительного зонда установки;Figure 2 shows a schematic sketch of the measuring probe of the installation;

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

на фиг. 4 и 5 представлены осциллограммы сигналов с зонда и ФЭУ, зарегистрированные в ударной волне(УВ) в игле с размерами: диаметром- 0,4мм и длиной 5мм. Параметры УВ: начальное давление воздуха 35Па, скорость УВ 10 км/с.in fig. Figures 4 and 5 show oscillograms of signals from the probe and photomultiplier, recorded in a shock wave (SW) in a needle with dimensions: diameter 0.4 mm and length 5 mm. SW parameters: initial air pressure 35Pa, SW speed 10 km/s.

Позициями на фигурах обозначены:Positions in the figures are designated:

1 - зонд измерительный,1 - measuring probe,

2 - сигнал от световода на фотоэлектронном умножителе (ФЭУ),2 - signal from the light guide on the photomultiplier tube (PMT),

3 - уплотнители,3 - seals,

4 - исследуемый объект - низкотемпературная плазма (разряд, ударная волна),4 - 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 (spectral analyzer),

7 - металлическая трубка,7 - metal tube,

8 - оптическое волокно.8 - optical fiber.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Заявляемый способ может быть реализован с использованием известной конструкции ударной трубы и, в качестве опытной реализации, был реализован способ с использованием экспериментального комплекса "Ударная труба" лаборатории "Кинетических процессов в газах" НИИ механики МГУ. Устройство представляет собой модифицированную ударную трубу (УТ), снабженную специально сконструированными средствами измерения. Дальнейшее описание конструкции приведено с использованием примера конкретного выполнения измерений, реализованных в указанных лабораторных условиях.The inventive method can be implemented using a known shock tube design and, as an experimental implementation, the method was implemented using the experimental complex “Shock Tube” of the laboratory of “Kinetic Processes in Gases” of the Research Institute of Mechanics of Moscow State University. The device is a modified shock tube (ST), equipped with specially designed measuring instruments. A further description of the design is given using an example of a specific measurement performed under 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 ∅3×0.5 мм. Трубка припаяна серебряным припоем ПСР-40 к соответствующим ниппелям вентилей и манометров. Все уплотнения систем напуска изготовлены из фторопласта. Ударная труба снабжена, по меньшей мере, одним 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, а световод регистрирует излучение плазмы. 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 измерительный 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 внутри 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.In a particular case, the UT consists of three sections connected at the ends: a high pressure chamber (HPC/CHP) no more than 1.55 m long, an intermediate chamber (KPD/CIP) no more than 3.5 m long and a low pressure chamber (KND/CLP) no more than 3 m. The claimed invention can be implemented in the absence of efficiency, with a direct connection of the pressure pump and pressure pump. The efficiency factor performs an auxiliary function, is not a mandatory element of the shock tube and is intended mainly to eliminate the influence of the pushing gas (hydrogen) when conducting kinetic studies. Nevertheless, it has been established that the presence of efficiency in the shock tube leads to an increase in the speed of the recorded shock wave by 10-20%. The listed chambers are made from solid sections of seamless hot-deformed steel pipe in accordance with GOST 9940-81 (made of steel 12Х18Н10Т), with an external diameter of about 60 mm, a wall thickness of at least 5 mm. At the ends of the sections, collar flanges are welded, made, for example, from steel 12Х18Н9Т by hot pressing. To implement the prototype, the thickness of the pipe walls was chosen based on the possibility of manual installation and maintenance of the shock pipe by two laboratory employees. Each section is placed on two adjustment tables mounted on steel posts secured to the floor. Between the flanges of adjacent sections there are cassettes with diaphragms. The flanges are secured with four 20 mm bolts. Each chamber is equipped with a gas inlet and pumping system. The LPC inlet system consists of three cylinders a, b, c with a volume of 40 l, a standard vacuum gauge PD1, three leak valves VF1-VF3 connected to the measuring volume CV1, and a bypass valve V1 (DN 10 mm). The inlet system is pumped out via bypass valve V1 and valve V2 using an oil-free pumping station NR. The helium injection system into the efficiency unit, when used, consists of a 40-liter cylinder, leak valve VF4, measuring volume CV3, vacuum gauge PD2 and bypass valve V8. The helium injection system is evacuated through bypass valve V8, intermediate chamber CIP and valve V7 with an NI fore-vacuum pump. The high pressure inlet system includes three 40 liter cylinders containing hydrogen, oxygen and helium. The cylinders are connected to a high-pressure chamber with valves VF5-VF7 and a bypass valve V5. The pushing gas pressure in the high pressure chamber is controlled by pressure gauges PD4 and PD5. The PD6 pressure gauge monitors the pressure in the hydrogen cylinder. Valve V10 provides emergency release of hydrogen from the high pressure chamber. The inlet systems are routed using a stainless steel tube ∅3×0.5 mm. The tube is soldered with PSR-40 silver solder to the corresponding valve and pressure gauge nipples. All seals of inlet systems are made of fluoroplastic. The shock tube is equipped with at least one measuring device, which is a stainless steel needle, inside of which there is an optical fiber in a special frame (see Figs. 2, 3). A needle, made in the form of a metal tube, is used as a Langmuir probe (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) to record the probe current-voltage characteristic, and the light guide records plasma radiation. The needle is installed in a technological hole in the UT wall, in the LPC chamber at a distance of about 3 m from the diaphragm separating the efficiency (or high pressure 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 length of the LPC. Thus, it turns out that the measuring probe with a light guide is installed in one cross section of the shock tube volume, which makes it possible to record the position of the gas-dynamic shock front relative to the appearance of the signal from the probe with high spatiotemporal accuracy. The length of the protruding part of the probe into the pipe, into the area where the shock wave passes, is selected experimentally, based on the requirement that mechanical damage to the probe by the shock wave is inadmissible. In general, the probe protrudes inside the cavity of the shock tube chamber to a depth of 1 to 10 mm. The probe is electrically isolated from the metal wall of the UT. 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 transmission in the spectral region of 200-2500 nm.

Регистрируемые вольт-амперные характеристики (ВАХ) измерительного зонда, т.е. зависимости I=f(U) для собираемого зондом тока из плазмы, позволяют определить электрические ее параметры на основе различных моделей движения заряженных частиц вблизи зонда, разработка которых представляет собой основную проблему зондовой диагностики.The recorded current-voltage characteristics (volt-ampere characteristics) of the measuring probe, i.e. The dependences I=f(U) for the current collected by the probe from the plasma make it possible to determine its electrical parameters based on various models of the movement of charged particles near the probe, the development of which represents 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/ионовThe mode of operation of the probe in plasma is characterized by two parameters, namely, the Knudsen number and the Debye number (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). The Knudsen number is defined as the ratio of the mean free path of electrons/ions

- λ_i к радиусу зонда - r _z:- λ _i to probe radius - 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 the plasma is significantly 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, in the case 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.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.The inventive method is carried out as follows.

На первом этапе реализации способа в камеру высокого давления подают газы для формирования исходной газовой смеси. В качестве исходной газовой смеси может быть использована смесь гелий/кислород/водород в стехиометрической концентрации кислорода и водорода, при этом концентрация гелия составляет от 50до 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 экспериментов. 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.At the first stage of the method, gases are supplied to the high-pressure chamber to form the initial gas mixture. A helium/oxygen/hydrogen mixture in a stoichiometric concentration of oxygen and hydrogen can be used as the initial gas mixture, with the helium concentration ranging from 50 to 65%. Gases to form the initial gas mixture are fed into a high-pressure chamber (HPC), while the HPC is first filled with helium, after which oxygen and hydrogen are supplied sequentially. For faster mixing, gases can be supplied to the 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 long HPT is at least 60 minutes to ensure good repeatability of the experiments. It is possible to pre-prepare a mixture of helium and oxygen in a separate tank and supply the finished helium/oxygen mixture and separately hydrogen to the HPC. In this case, the time is slightly reduced and, for example, for a pressure build-up with a length of 150 cm it will be about 40 minutes.

Гремучую смесь для поджига подают в форкамеру, в которой выполнены отверстия (перфорация). 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. Возникающий фронт пламени генерирует практически плоскую ударную волну. После открытия диафрагмы в камере низкого давления формируется ударная волна, которая нагревает газ и излучение от нее ионизирует газ перед волной (в том числе, в области размещения измерительного зонда), что приводит к появлению отрицательного сигнала на зонде (от (-10 мкс), см. на фиг. 4).The explosive mixture for ignition is fed into the pre-chamber, in which holes are made (perforation). 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 that equalize the pressure in the prechamber. With increasing pressure, a jet outflow of combustion products begins through the perforation of the end of the prechamber 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 prechamber and located in the high pressure chamber) ensure uniform transverse ignition of the gas in the high-pressure chamber. The resulting flame front generates an almost flat shock wave. After opening the diaphragm in the low-pressure chamber, a shock wave is formed, which heats the gas and the radiation from it ionizes the gas in front of the wave (including in the area where the measuring probe is placed), which leads to the appearance of a negative signal on the probe (from (-10 μs), see Fig. 4).

На основе вышеописанных измерений ВАХ определяют концентрацию электронов в плазме и/или электронную температуру. Механизм расчета электрических параметров плазмы с учетом вышеописанных измерений ВАХ известен из ряда источников информации, например, из следующих публикаций:Based on the above-described measurements of the current-voltage characteristics, the electron concentration in the plasma and/or the electron temperature are determined. The mechanism for calculating the electrical parameters of the plasma taking into account the above-described measurements of the current-voltage characteristic is known from a number of sources of information, for example, from the following publications:

1. Nomura, S., Kawakami, T., and Fujita, K., “Nonequilibrium Effects in Precursor Electrons Ahead of Shock Waves,” Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 35, No. 3, 2021, pp. 518-523. https://doi.org/10.2514/1.T6057;1. Nomura, S., Kawakami, T., and Fujita, K., “Nonequilibrium Effects in Precursor Electrons Ahead of Shock Waves,” Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 35, No. 3, 2021, pp. 518-523. https://doi.org/10.2514/1.T6057;

2. Давыденко В. И., Иванов А. А., Вайсен Г. Экспериментальные методы диагностики плазмы. Лекции для студентов физического факультета. часть 1, Новосибирск: НГУ, 1999 г. , 148 с.;2. Davydenko V.I., Ivanov A.A., Weisen G. Experimental methods for plasma diagnostics. Lectures for students of the Faculty of Physics. part 1, Novosibirsk: NSU, 1999, 148 pp.;

3. Satoshi Nomura, Adrien Lemal, Taito Kawakami, Kazuhisa Fujita Shock-tube Investigation on Precursor Electron ahead of Hypersonic Shock Wave // (2018) AIAA Aerospace Sciences Meeting, doi:10.2514/6.2018-0741.3. Satoshi Nomura, Adrien Lemal, Taito Kawakami, Kazuhisa Fujita Shock-tube Investigation on Precursor Electron ahead of Hypersonic Shock Wave // (2018) AIAA Aerospace Sciences Meeting, doi:10.2514/6.2018-0741.

Потенциал зонда (металлической трубки) относительно земли регистрируют 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 после световода может регистрироваться спектральным прибором, на выходе которого находится, например, ФЭУ для регистрации временной эволюции излучения в выделенном спектральном диапазоне. В дальнейшем, на основе измеренного таким образом излучения плазмы, могут быть получены другие оптические параметры, например, характеризующие абсолютные значения интенсивности плазмы. Механизм расчета оптических параметров плазмы с учетом вышеописанных измерений излучения плазмы известен из ряда источников информации, например, из следующих публикаций:The potential of the probe (metal tube) relative to the ground is recorded with an oscilloscope (in our case, the UT body is grounded, and the metal tube in which the optical fiber is located is insulated). Probe methods for diagnosing plasma parameters, including those used in implementing the purpose of the claimed invention, are described, for example, in I. N. Sereda, A. F. Tseluiko, “PROBE METHODS FOR DIAGNOSTICS OF PLASMA”, 2015. Radiation from the end of an optical fiber after The optical fiber can be recorded by a spectral device, at the output of which there is, for example, a photomultiplier to record the time evolution of radiation in a selected spectral range. In the future, based on the plasma radiation measured in this way, other optical parameters can be obtained, for example, characterizing the absolute values of the plasma intensity. The mechanism for calculating the optical parameters of plasma taking into account the above-described measurements of plasma radiation is known from a number of sources of information, for example, from the following publications:

1. Развитие методики регистрации интенсивности излучения газов за фронтом сильных ударных волн / П. В. Козлов, И. Е. Забелинский, Н. Г. Быкова и др. // Химическая физика. - 2021. - Т. 40, № 8. - С. 26-33»;1. Development of a technique for recording the intensity of gas radiation behind the front of strong shock waves / P. V. Kozlov, I. E. Zabelinsky, N. G. Bykova, etc. // Chemical Physics . - 2021. - T. 40, No. 8. - P. 26-33";

2. П. В. Козлов, И. Е. Забелинский, Н. Г. Быкова, Ю. В. Акимов, В. Ю. Левашов, Г. Я. Герасимов, and А. М. Тереза. Развитие методики регистрации интенсивности излучения газов за фронтом сильных ударных волн. Химическая физика, 40(8):26-33, 2021; DOI: 10.31857/S0207401X210800692. P. V. Kozlov, I. E. Zabelinsky, N. G. Bykova, Yu. V. Akimov, V. Yu. Levashov, G. Ya. Gerasimov, and A. M. Teresa. Development of a technique for recording the intensity of gas radiation behind the front of strong shock waves. Chemical Physics, 40(8):26-33, 2021; DOI: 10.31857/S0207401X21080069

3. П. В. Козлов, И. Е. Забелинский, Н. Г. Быкова, Ю. В. Акимов, В. Ю. Левашов, Г. Я. Герасимов, and А. М. Тереза. Методика регистрации интенсивности излучения газов за фронтом сильных ударных волн в области вакуумного ультрафиолета. Химическая физика, 41(9):26-32, 2022. DOI: 10.31857/S0207401X220900473. P. V. Kozlov, I. E. Zabelinsky, N. G. Bykova, Yu. V. Akimov, V. Yu. Levashov, G. Ya. Gerasimov, and A. M. Teresa. A technique for recording the intensity of gas radiation behind the front of strong shock waves in the vacuum ultraviolet region. Chemical Physics, 41(9):26-32, 2022. DOI: 10.31857/S0207401X22090047

При исследовании процессов в ударно-нагретых газах важной характеристикой является взаимосвязь между моментом прихода ударной волны и началом излучения (время индукции). Заявляемый способ 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 arrival of the shock wave and the onset of radiation (induction time). The inventive method 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 speed of 10 km/s.

На приведенной осциллограмме видно, что 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 фотоумножителем на выходе монохроматора, или спектроанализатором (ПЗС приемник матрица) на выходе спектрографа, в зависимости от выбранной оптической схемы регистрации. Сигналы с ФЭУ и зонда могут быть зарегистрированы многоканальным осциллографом.The oscillogram below shows that before the shock wave arrives at the probe cross section, a change in the probe signal is observed, associated with 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 entering through the light guide is recorded by a photomultiplier at the output of the monochromator, or by a spectrum analyzer (CCD receiver matrix) at the output of the spectrograph, depending on the selected optical registration scheme. Signals from the PMT and probe can be recorded by a multichannel oscilloscope.

Временное разрешение составляет 20нс, пространственное разрешение 50мкм. Данная точность достигается: во-первых, за счет используемых геометрических размеров зонда и волокна, а, во-вторых, в результате взаимного пространственного расположения зонда и оптического волокна и, в-третьих, определяется скоростью движения плазменного потока.The temporal resolution is 20ns, the spatial resolution is 50µm. This accuracy is achieved: firstly, due to the geometric dimensions of the probe and fiber used, and, secondly, as a result of the relative spatial arrangement of the probe and optical fiber and, thirdly, it is determined by the speed of the plasma flow.

Благодаря пространственной и временной одновременности проводимых измерений существенно повысилась надежность и достоверность получаемых экспериментальных данных, а также расширился набор измеряемых в ходе эксперимента величин как до прихода плазмы, так и в момент прихода плазмы в измерительное сечение, в нашем случае это до и после прихода УВ. Так, например, появляется возможность получать временную эволюцию электронной концентрации в заданном сечении ударной трубы. Одновременность измерения потенциала и излучения в выбранной точке пространства позволит выполнить корректную обработку получаемых результатов, связанных с неопределенностью определения момента прохождения потока плазмы (в нашем случае ударной волны) мимо измерительного устройства и моментами изменения концентрации электронного газа.Thanks 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 during the experiment has expanded, both before the arrival of the plasma and at the moment the plasma arrives at the measuring section, in our case this is before and after the arrival of the shock wave. For example, it becomes possible to obtain the time evolution of the electron concentration in a given section of the shock tube. The simultaneous measurement of potential and radiation at a selected point in space will allow for correct processing of the obtained results associated with the uncertainty in determining the moment of passage of the plasma flow (in our case, a shock wave) past the measuring device and the moments of change in the concentration of the electron gas.

Claims

1. A method for synchronously measuring plasma parameters in a shock tube containing a high-pressure chamber (HPC) connected to a low-pressure chamber (LPC), in the wall of which at least one measuring probe is installed through a technological hole in the cross-sectional plane of the LPC, representing is a hollow metal tube of a Langmuir probe, inside of which there is a light guide, which is an optical fiber, including

- supply of helium and explosive mixture to the HPC,

- supply and ignition of an explosive mixture, as a result of combustion of which the formation of a flat shock wave is ensured,

- registration of the probe current-voltage characteristic with a Langmuir probe, and subsequent determination of the values of the electrical parameters of the plasma,

- with simultaneous registration of plasma radiation by an optical fiber in the same measuring section of the shock tube with subsequent determination of the optical parameters of the plasma based on the recorded radiation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electron concentration in the plasma and/or electron temperature are determined as the electrical parameters of the plasma.

3. The method according to claim 1, characterized in that the absolute values of the plasma radiation intensity are determined as the optical parameters of the plasma.

4. The method according to claim 1, characterized in that synchronous measurements are carried out with a time accuracy of up to 20 ns.

5. The method according to claim 1, characterized in that synchronous measurements are carried out with a spatial accuracy of up to 50 microns.