Динамика высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Ловцов, Александр Сергеевич

• Ловцов, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ловцов, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ПЛОТНЫМИ ГАЗОВЫМИ СРЕДАМИ.

1.1 Основные физические процессы, происходящие при взаимодействии потоков электронов с плотными газовыми средами.

1.1.1 Упругое рассеяние.

Однократное электрон-ядерное рассеяние.

Многократное упругое рассеяние электронов.

Кратное упругое рассеяние электронов.

1.1.2 Неупругие соударения.

Ионизационные потери.

Тормозное излучение.

1.1.3 Основные элементарные процессы в пучковой плазме.

1.2 методы расчета взаимодействия эп с плотной средой.

1.2.1 Кинетическое уравнение переноса.

1.2.2 Метод Монте-Карло.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЛАБОИОНИЗОВАННОГО ГАЗА С ПОТОКОМ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ.

2.1 моделирование распространения потока электр01юв в газе.

2.2 Моделирование течения газа.

2.3 Описание программы по моделированию взаимодействия высокотемпературного слабоионизованного газа с концентрированным потоком электронов.

2.4 анализ ограничений модели и погрешностей.

ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

3.1 электронно-пучковые установки м-1 и м-2.

3.2 описание зонда высокоэнергетичных электронов.

3.3 описание методики визуальных наблюдений.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

4.1 описание расчетной области и граничных условий.

4.2 Расчет пространственного распределения энерговыделения потока электронов в газе.

4.3 Расчет пространственного распределения плотности тока первичных электронов.

4.4 Радиационное поле плазменного образования, возникающего при взаимодействии плотного газа и потока электронов. оценки и сравнение с экспериментом.

4.6 оценка состава пучковой плазмы воздуха.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов»

Электрофизические установки, в которых используются потоки электронов большой мощности (более 1 кВт), применяются в различных областях науки и отраслях промышленности. Использование установок с выводом электронного пучка в плотную газовую среду (в том числе, в воздушную атмосферу) позволяет существенно повысить производительность и технологичность таких электроннолучевых технологий как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов и другие. Кроме того, открываются новые возможности по использованию подобных установок в качестве активаторов плазмохимических процессов: газоочистка дымовых газов от примесей оксидов азота и серы, осаждение тонких пленок из газовой фазы, например, для нужд солнечной энергетики.

Существуют два способа для вывода потока электронов в плотный газ: фольговый вывод и вывод с помощью СДО. Первый способ отличается простотой реализации, однако и системы с использованием дифференциальной откачки обладают рядом серьезных преимуществ, к которым относятся:

• возможность вывода потоков электронов с низкой начальной энергией (несколько десятков кэВ), что существенно снижает уровень радиации;

• возможность вывода потоков с большой плотностью мощности, что особенно важно в задачах поверхностного упрочнения и резки металлов;

• возможность создания установок большой мощности (к настоящему времени экспериментально опробована установка мощностью 500 кВт);

• отсутствие дорогостоящих расходных материалов (фольги).

Перечисленные выше преимущества обуславливают перспективы развития технологических установок с выводом потока электронов с помощью СДО.

Использование подобных систем при поверхностном упрочнении материалов обеспечивает следующие преимущества по сравнению с лазерным и вакуумным электронно-пучковым способами упрочнения:

• высокая скорость обработки, составляющая до 10 см /с и позволяющая создать высокопроизводительные промышленные линии;

• возможность обработки неподготовленных поверхностей. Отсутствие необходимости проводить предварительные операции (такие как обезгаживание, обезвоживание поверхности и т.д.);

• компактность оборудования при высоком к.п.д. и низких капитальных затратах на единицу мощности.

Использование электронно-лучевых установок с СДО в области очистки дымовых газов от оксидов азота и серы позволяет достичь высоких степеней очистки (до 80%) при отсутствии необходимости в использовании дорогих катализаторов и получением на выходе из химического реактора соединений азота, которые могут быть в дальнейшем использованы в качестве удобрений.

При создании электронно-лучевых технологических установок часто возникают задачи, связанные с расчетом различных узлов и агрегатов. Это предполагает знание таких характеристик, как распределение тепловых и газовых потоков в системе, знание функции распределения электронов по энергиям и концентраций различных химических соединений. Необходимой составной частью подобных расчетов является моделирование динамики высокотемпературного газа под воздействием концентрированного потока электронов. Во многих случаях влияние параметров высокотемпературного газа и концентрированного потока электронов является взаимным и требует решения самосогласованной задачи. Достоверное моделирование данного взаимодействия позволит экономить значительные материальные и временные ресурсы при разработке, создании, отработке и дальнейшей модернизации электронно-лучевых установок. При этом большой интерес представляют технологические установки мощностью до 10 кВт и с ускоряющим напряжением порядка 100 кВ с выводом пучка в воздушную атмосферу, поскольку они позволяют решать широкий круг прикладных задач.

При этом большой интерес представляют технологические установки мощностью до 10 кВт и с ускоряющим напряжением порядка 100 кВ с выводом пучка в воздушную атмосферу, поскольку они позволяют решать широкий круг прикладных задач. Ранее рассматривались задачи распространения мощных потоков электронов в разреженных средах, либо маломощных потоков в плотных газовых средах без учета нагрева. В работах, посвященных решению самосогласованной задачи о нагреве газа потоком электронов, в качестве основного механизма переноса тепла рассматривалось излучение. Однако в диапазоне мощностей до 10 кВт, представляющем интерес для технологических установок, основным механизмом теплообмена является перенос тепла с помощью потока газа.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать цели настоящей работы:

1. Создание математической модели, описывающей динамику высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов при давлении газа порядка атмосферного, начальной энергии электронного потока до 500 кэВ, и мощности до 10 кВт.

2. Создание численного алгоритма и написание компьютерного программного комплекса, позволяющего моделировать взаимное влияние параметров газа и концентрированного электронного потока в осесимметричном случае.

3. Проведение расчетов по созданной модели, получение зависимостей взаимного влияния течения высокотемпературного газа и концентрированного потока электронов и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна:

В результате проведенной работы изучено явление взаимного влияния течения высокотемпературного газа и распространения концентрированного потока электронов. Создана математическая модель, учитывающая нагрев газа потоком быстрых электронов, а также вынос энергии из объема с помощью течения газа. Энерговклад потока быстрых электронов в газ рассчитывается с помощью метода Монте-Карло. Помимо этого учитывается влияние магнитных полей на траектории быстрых электронов, что особенно важно для электронно-лучевых установок с СДО, поскольку наличие сильных магнитных полей является характерной особенностью подобных систем.

Разработан комплекс прикладных программ, позволяющий моделировать динамику высокотемпературного газа с концентрированным потоком электронов.

В результате расчетов по данной модели получены зависимости взаимодействия потока электронов с энергией 50-100 кэВ и мощностью до 10 кВт с воздухом атмосферного давления. Получены распределения параметров газа, в том числе температуры и плотности, энерговклада потока электронов в газ, плотности тока высокоэнергетичных электронов и деградации полного тока пучка вдоль оси инжекции. На основе полученных данных сделаны оценки степени ионизации газа и состава электронно-пучковой плазмы.

Проведены экспериментальные исследования пространственного распределения потока электронов в покоящемся воздухе. На основе полученных данных выполнено сравнение результатов расчетов и экспериментов.

Практическая ценность:

Создан и опробован программный комплекс необходимый при проектировании, создании и модернизации электронно-пучковых установок. Использование данного комплекса позволяет существенно сократить затраты материальных и временных ресурсов.

На защиту выносятся:

1. Модель, описывающая взаимное влияние динамики высокотемпературного слабоионизованного газа и мощного потока электронов (с начальной энергией до 500 кэВ и мощностью до 10 кВт) с учетом нагрева газа электронами.

2. Программный комплекс, позволяющий моделировать взаимодействие высокотемпературного слабоионизованного газа и концентрированного потока электронов с приведенными выше параметрами.

3. Зависимости взаимодействия потока электронов с энергией 50-100 кэВ и мощностью до 10 кВт с воздухом атмосферного давления, полученные в результате расчетов по данной модели.

Структура диссертации:

Диссертационная работа (95 страниц) состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В работе приводится 53 рисунка, список литературы содержит 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Ловцов, Александр Сергеевич

Выводы

1. Впервые разработана комплексная модель, позволяющая учитывать взаимное влияние динамики высокотемпературного слабоионизованного газа и концентрированного потока электронов с энергией до 500 кэВ.

2. На основе данной модели разработан численный алгоритм и создан комплекс компьютерных программ, позволяющий производить расчет взаимодействия высокотемпературного слабоионизованного газа и концентрированного потока электронов с энергией до 500 кэВ в осесимметричной геометрии и при произвольных граничных условиях.

3. Проведены расчеты взаимодействия потока электронов с энергией 50-100 кэВ и мощностью до 10 кВт с воздухом атмосферного давления. Получены распределения энерговклада потока электронов в газ, плотности тока высокоэнергетичных электронов, температуры газа и деградации полного тока пучка вдоль оси инжекции. На основе полученных данных сделаны оценки степени ионизации газа и состава электронно-пучковой плазмы.

4. Проведены зондовые измерения распределения плотности потока высокоэнергетичных электронов в покоящемся воздухе при начальной энергии электронов 90 кэВ и токах 10, 14.5 мА.

5. Произведено сравнение полученных расчетных данных с экспериментальными результатами, полученными с помощью зондовых измерений и визуального наблюдения на экспериментальных электронно-пучковых установках. Получено удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных.

6. Обнаружено значительное влияние магнитного поля на картину распространения потока электронов несмотря на то, что значение параметра а>1Л>соуд для экспериментальных установок составляло в максимуме ~ 0.1. Расчетными методами показано влияние магнитного поля на распространение потока электронов в газе вплоть до значений соь/осоуд~0.01. Данное соотношение объясняется высокой энергией рассеивающихся электронов и, следовательно, малыми углами рассеяния в большинстве соударений.

Полученные результаты могут быть использованы при создании и оптимизации различных электронно-плазменных установок реализующих такие вневакуумные электронно-пучковые технологии как упрочнение материалов, сварка, очистка газов от вредных примесей, создание тонкопленочных покрытий и другие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ловцов, Александр Сергеевич, 2005 год

1. Васильев М.Н. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук М., 1998 г.

2. Бычков BJL, Васильев М.Н., Коротеев А.С. Электронно-пучковая плазма. Генерация, свойства, применение. М., Издательство МГОУ, 1993 г.

3. Шумахер Б. Законы проникновения электронов в вещество. В кн. Электронно- и ионно-лучевая технология. Тр. 1-ой Межд. конф. по теории и технологии обработки электронными и ионными пучками. Науч. ред. Ольшанский Н.А. М.: Металлургия, 1968. С. 7-43.

4. Аккерман А.Ф., Никитушев Ю.М., Ботвин В.А. Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе. Алма-Ата, "Наука", 1972.

5. McKinley W.A., Feshbach Н. Rhys. Rev., 1948, v. 74, p. 1759.

6. Баранов В.Ф. Дозиметрия электронного излучения. М.: Атомиздат, 1974.

7. Zerby C.D., Keller F.L. Electron transport theory, calculations and experiments. Nucl. Sci. Eng., 1967, v. 27, N2, p. 190.

8. Dogget J.A., Spencer L.V. Elastic scattering of electrons and positrons by point nuclei. Phys. Rev., 1956, v. 103, p. 1597.

9. Bethe H.A. Moliere's Theory of Multiple Scattering. Phys. Rev. 1953. V.89, N6, P. 1256-1266.

10. Ю.Калашников Н.П., Ремизович B.C., Рязанов М.И. Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых телах. М.: Атомиздат, 1980.

11. Галишев B.C. Метод модифицированных сферических гармоник в теории многократного рассеяния частиц. М.: Атомиздат, 1980.

12. Бойко В.И., Евстигнеев В.В. Введение в физику взаимодействия сильноточных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Энергоатомиздат, 1988.

13. Goudsmit G.A., Saunderson J.L. Phys. Rev., 57, 24, 1940; 58, 36, 1940.

14. Spencer L.V. Theory of electron penetration. Phys.Rev., v. 98,p. 1597,1955.

15. Nigam B.P., Sundaresan M.K., Wu T. Phys. Rev., 115, 491, 1959.

16. Прудников M.M., Коновалов В.П., Чичерин В.Г. Рассеяние тонкого пучка быстрых электронов в газе. ТВТ, 1982, т. 20, N 4,с. 775.

17. Grizinski M., Phys. Rev., 1965, 138 A, p. 336.

18. Росси Б. Частицы больших энергий. M., 1955.

19. Остроухое А.А., Находкин Н.Г. Приближенное аналитическое выражение для пробега частиц, тормозящихся по закону Бете. Радиотехника и Электроника, 1965, №3.

20. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М., Атомиздат, 1974.

21. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы. М., Энергоиздат, 1982.

22. Мак-Ивен М., Филипс JI. Химия атмосферы. М. Мир, 1978

23. Nishimura К., Suzuki N. Analysis of NO Oxidation and Decomposition in Dry and Moist N0-02-N2 Mixtures by Computer Simulation. J. Nucl .Sci. Tachnol., 1981, V. 18, N 11, pp. 878-886.

24. Кольчужкин A.M., Учайкин B.B. Ведение в теорию прохождения частиц через вещество. М.: Атомиздат, 1978.

25. Kessaris N. Penetration of High-Energy Electron Beams in Water. Phys. Rev. 1966, v. 145, p.164.

26. Наркевич Б.Я., Ендовицкий B.C., Константинов И.Е. Расчет дозного поля тонкого луча электронов. Атомная энергия. 1969, т.26, Вып. 5, с. 473.

27. Головин А.И. Численное решение уравнения переноса электронов в веществе. ТВТ, 2002, т. 40, №2, с. 204.

28. Головин А.И. Методы расчета распространения пучка электронов в веществе и результаты экспериментального исследования свойств создаваемой пучком плазмы. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, М.: МФТИ, 2002.

29. Александров H.JL, Сон Э.Е. Энергетическое распределение и кинетические коэффициенты электронов в газах в электрическом поле. Химия плазмы. Вып.7, М.: Атомиздат, 1980.

30. Коновалов В.П., Сон Э.Е. Деградационные спектры электронов в газах. Химия плазмы. Вып. 14, М.:Энергоатомиздат, 1987.

31. Коновалов В.П. Деградационный спектр электронов в азоте, кислороде и воздухе. ЖТФ, т. 63, N 3.

32. Дятко Н.А., Кочетов И.В., Напартович А.П. Распределение низкоэнергитичных электронов в пучковой плазме воздуха. Роль электрон-электронных соударений. Физика плазмы, 1993, т. 19, вып. 7.

33. Адамович В.А., Демьянов А.В., Дятко Н.А. и др. ЖТФ 1987, Т. 57, с. 937.

34. Bretagne J., Delouya G., Godart J. and Puech V. High-energy electron distribution in an electron-beam generated argon plasma. J.Phys. D: Appl. Phys., 14(1881) 1225-1239.

35. Bretagne J., Godart J. and Puech V. Low-energy electron distribution in an electron-beam generated argon plasma. J. Phys. D: Appl. Phys., 15(1982) 22052225.

36. Коновалов В.П., Скорик M.A., Сон Э.Е. Нестационарный деградационный спектр электронов в молекулярном азоте. Физика плазмы, 1992, т. 18, вып. 6.

37. Малиновский B.C., Беликов А.Е., Кузнецов О.В., Шарафутдинов Р.Г. Пространственное и энергитическое распределение вторичных электронов в электронно-пучковой плазме. Физика плазмы, 1995, Т.21, N 1.

38. Malinovsky V.S., Vasenkov A.V. Simulation of the secondary-electron distribution function by a Monte-Carlo method. Phys. Rev. E, v. 50, N 6.

39. Беспалов В.И., Рыжов B.B. Неоднородность ионизации газоразрядного промежутка электронным пучком. ЖТФ, т. 51, в. 7.

40. Vasenkov A.V. Monte Carlo simulation of electron beam plasma in a silane-argon mixture. J. Phys. D: Appl. Phys. 32(1999) 240-245.

41. Vasenkov A.V. Monte Carlo simulation of electron beam plasma in a silane-argon mixture. J. Phys. D: Appl. Phys. 32(1999) 240-245.

42. Васенков A.B., Малиновский B.C. Электронно-пучковая плазма в газе неоднородной плотности. Физика плазмы, 1995, т.21 N 12, с. 1075-1081.

43. Миронычев П.В., Бабич Л.П. Распространение электронного пучка в атмосфере на высотах 15-100 км. Численный эксперимент. ТВТ, 2000, т.38, №6

44. SoIoviev V.R., Konchakov A.M., Krivtsov V.M., Malmuth N.D. Simulation of the spatial distribution of air ionization by an electron beam. AIAA 2001-3089.

45. Алексеев Б.В., Литвинович A.C., Нестеров Г.В. Релаксация релятивистского электронного пучка в газе с учетом излучения. Доклады АН СССР, 1979, т.248, №1

46. Алексеев Б.В, Ильин А.А., Крутилина В.М., Нестеров Г.В. Физическое и математическое моделирование транспортировки пучка электронов во внешнем магнитом поле. ТВТ, 1981, т. 19, Вып.1.

47. Алексеев Б.В., Крутилина В.М., Литвинович А.С., Нестеров Г.В. Математическое моделирование релаксации мощного электронного пучка в сильном соленоидальном магнитном поле с учетом излучения. ТВТ, 1982, т.20, Вып.4.

48. Вялов Г.Н. К расчету формы моноэнергетического пучка в условиях многократного рассеяния и при наличии фокусировки, ЖТФ, 1974, т. XLIV, в. 9.

49. Артамонов А.С., Горбунов В.А. К вопросу о многократном рассеянии в электрическом и магнитном полях, ЖТФ, 1983, т. 53, в.1.

50. Marsaglia G. and Zaman A. Florida State University Report. FSU-SCRI-87-50, 1987.

51. Белоцерковский O.M, Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М., Наука, 1982 г.

52. Давыдов Ю.М. Метод «крупных частиц» для задач газовой динамики. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, М.: МФТИ и ВЦ АН СССР, 1970.

53. Белоцерковский О.М, Давыдов Ю.М. Нестационарный метод «крупных частиц» для газодинамических расчетов. Ж. Вычисл. Матем. и Матем. Физ., 1971, 11, №1, с. 182-207.

54. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Нестационарный метод «крупных частиц» для решения задач внешней аэродинамики. М.: ВЦ АН СССР, 1970, 70 с.

55. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. В.Е. Фортова. Вводный том I, 2000.

56. Ильин А.А. Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М. 2003.

57. Головин Ю.М., Лаппо Г.Б., Прудников М.М. Экспериментальное и теоретическое исследование излучения слабоионизованной плазмы воздуха, образованной электронным пучком.

58. Бычков B.JL, Елецкий А.В., Ущаповский В.А. Неравновесная переохлажденная пучковая плазма, Физика плазмы, т. 14, вып. 12, 1988г.

59. Matzing Н. Chemical kinetics of flue gas cleaning by electron beam. Karlsrue, 1989.

60. Бычков B.JI., Юровский В.А. Моделирование пучковой плазмы паров воды, ТВТ, 1993, т. 31, №1.

61. Macheret S.O., Shneider M.N., and Miles R.B. Modeling of air plasma generation by electron beams and high-voltage pulses, Paper AIAA 2000-2569

62. Райзер Ю.П. Физика газового разряда, М. Наука, 1987.

63. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. В.Е. Фортова. Вводный том III, 2000.

64. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Установка для вывода концентрированного электронного пучка в плотную газовую среду, ПТЭ, 2002, №2, с. 162-163.

65. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н. Установка для изучения процессов очистки промышленных газов от токсичных примесей электронными пучками, ПТЭ, 2003, №1, с. 123-125.

66. Lovtsov A.S., Abashkin V.V. Gorshkov O.A., Ilyin A.A., Rizakhanov R.N. Electron-beam systems for realization of plasma technologies, Asian Particle Accelerator Conference 2004.

67. Горшков O.A., Ризаханов Р.Н. Поверхностное упрочнение металлов концентрированным электронным пучком низкой энергии в воздухе атмосферного давления, Изв. АН, Энергетика, 2004, №1, с. 137-146.

68. Abashkin V.V., Gorshkov О.А., Ilyin А.А., Lovtsov A.S., Rizakhanov R.N. «Multipass Surface Hardening of Steel Samples with Inclined Surfaces by

69. Concentrated Electron Beam in the Air of Atmosphere Pressure», EMRS 2004 Spring Meeting, Strasbourg, France.

70. Иевлев B.M., Коротеев A.C. Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электроныых пучков. Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1981, №3, с. 3-13.

71. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Зуев А.П. Экспериментально-теоретическое исследование свойств приповерхностной электронно-пучковой плазмы азота, ТВТ, 1994, т. 32, №3, с. 323-333.

72. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В. Процессы образования и гибели заряженных частиц в азотно-кислородной плазме. Химия плазмы, вып. 14, М.: Энергоатомиздат, 1987.

73. Бычков BJL, Елецкий А.В. Пучковая плазма высокого давления. Химия плазмы, вып. 12, М.:Энергоатомиздат, 1985.