Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Ильин, Андрей Александрович

• Ильин, Андрей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ильин, Андрей Александрович

Введение.

1. Установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

1.1 . Методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС.

1.1.1. Принципиальная схема очистки дымовых газов от оксидов азота и серы плазмохимическими методами.

1.1.2. Электронно-лучевые методы.

1.1.3. Необходимость исследования ЭЛО с помощью концентрированных потоков электронов.

1.2. Расчет основных узлов установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

1.2.1. Блок - схема установки.

1.2.2. Генератор пучковой плазмы.

1.2.3. Узел подогрева газа с блоком подготовки газовой смеси.

1.2.4. Радиационно-химический реактор.

1.2.5. Система отвода газа.

1.2.6. Вентиляционная система.

1.3. Параметры установки для изучения процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

2. Методика и оборудование для определения плотности тока первичных электронов.

2.1. Методы определения параметров потока электронов в плотном газе.

2.2. Теоретическое обоснование работы зонда первичных электронов.

2.3. Конструкция зонда первичных электронов.

2.4. Методика определения плотности тока первичных электронов.

3. Основные параметры потока первичных электронов.

3.1.Измерение основных параметров потока первичных электронов.

3.1.1. Радиальное распределение плотности потока электронов.

3.1.2. Деградация тока электронов.

3.1.3. Мощность потока первичных электронов, вложенная в газ.

3.1.4. Осевое распределение плотности тока первичных электронов.

3.1.5. Огибающая потока первичных электронов, распространяющегося в плотном газе.

3.2. Анализ полученных результатов.

3.2.1. Физические процессы, протекающие при взаимодействии потока электронов с газом

3.2.2. Упругое рассеяние.

3.2.3. Рассеяние электрона на электроне, неупругое рассеяние.

3.2.4. Расчет траекторий электронов методом Монте-Карло.

3.2.5. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование потока электронно-пучковой плазмы в плотном газе»

Актуальность работы

Вывод потоков электронов в плотную газовую среду (в том числе в воздушную атмосферу) существенно расширяет их технологические возможности. Вневакуумная реализация таких процессов как поверхностное упрочнение, сварка, резка металлов существенно повышает их производительность в сравнении с вакуумным исполнением. Вместе с тем открываются новые возможности применения таких потоков в решении задач плазмохимии, очистки дымовых газов от токсичных примесей и т.д.

В последние годы активизируются исследования по использованию концентрированных потоков электронов в данных технологиях [1,2,3]. Одновременно ведутся работы по созданию установок для их реализации [4,5].

Вывод концентрированных потоков электронов в плотную газовую среду снимает ограничения, налагаемые на параметры электронов, выводимых через фольговые окна. Появляется возможность снижения ускоряющего напряжения и увеличения плотности тока. Существенно упрощается система радиационной защиты персонала, повышается надежность оборудования, уменьшается его стоимость.

При прохождении потока электронов через плотный газ образуется электронно - пучковая плазма, характеризующаяся наличием трех основных компонентов это первичные электроны с характерной энергией десятки кэВ, медленные тепловые электроны и тепловые ионы. В данной работе основное внимание уделено исследованию потока первичных электронов.

Экспериментальные исследования процессов происходящих под воздействием концентрированных потоков электронов в плотном газе имеют свои особенности [6]. Это связано с тем, что методы определения пространственного распределения параметров первичных электронов в плотном газе, отработаны только для фольгового вывода. Они основаны на возможности расчета общей мощности потока по его току и энергии частиц, ионизационным потерям в фольге и потерям при прохождении электронов по газу известного химического состава и плотности. Для систем с концентрированным выводом применение такой методики представляет определенные сложности, так как поток электронов, первоначальная мощность которого известна, испытывает рассеяние и теряет часть энергии на газе протекающем в системе вывода, оседает частично на стенки каналов выводного устройства. Кроме того, из-за большой концентрации переносимой мощности создаётся сильно неоднородное » поле плотности газа. Поэтому необходимо проведение независимого измерения мощности потока, введенной в газовый тракт. Существующие в настоящее время методы измерения распределения плотности тока первичных электронов или не дают необходимого пространственного разрешения (калориметрический, химический и магнитный методы) или представляют собой крайне сложные методики, как с точки зрения применяемого оборудования, так и с точки зрения правильности интерпретации результатов (рентгеновский метод). В связи с этим представляет интерес разработка более простой методики и оборудования, которые позволили бы получать пространственное распределение плотности тока потока электронов в плотном газе.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:

1. - создание установки по исследованию процессов взаимодействия * концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния (состав, температура, расход газа),

2. - создание методики и средств измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов в плотном газе,

3. - проведение экспериментальных исследований пространственного распределения плотности то::г. ::о::тдентрированного потока электронов в плотном газе в созданной установке.

Научная новизна:

1. - в результате проведенной работы создана методика и оборудование для измерения пространственного распределения плотности тока первичных электронов концентрированных потоков электронов при транспортировке в плотном газе. Для этого впервые разработан и создан зонд первичных электронов, способный измерять плотность тока концентрированных потоков электронов в условиях плотной газовой среды. Определены диапазон его применимости и погрешности измерений.

2. - в созданной экспериментальной установке измерены пространственные распределения плотности тока первичных электронов концентрированного потока электронов. На основании данных распределений получены: радиальные распределения плотности тока первичных электронов, осевые распределения плотности тока, зависимость полного тока от длины распространения потока и огибающие электронного потока при распространении в плотном газе.

Показано, что в радиальных распределениях плотности тока на больших расстояниях от оси потока гауссово распределение дает заниженный результат. Получено значение коэффициента в формуле Ленарда для осевого распределения плотности тока, а также формула, описывающая огибающую потока электронов в плотном газе.

В результате проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанных методик и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных электронных потоков в плотном газе.

Практическая ценность: Получены данные, позволяющие определять режимы работы электронно-лучевых установок, реализующих такие технологии, как электронно-лучевая очистка газов от вредных примесей, сварка, резка, поверхностное упрочнение металлов и т.д.

Разработаны зонд первичных электронов и методика определения плотности тока первичных электронов, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.

Создана установка по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

На защиту выносятся:

1. Установка проточного типа по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

2. Зонд и методика определения плотности тока первичных электронов, способные измерять плотность тока первичных электронов концентрированного потока электронов в условиях плотной газовой среды.

3. Результаты измерений параметров концентрированных потоков электронов, взаимодействующих с плотной газовой средой.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Ильин, Андрей Александрович

Заключение

1. В результате работы создана установка проточного типа для исследования процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния.

Основные параметры установки:

Расход газа 15-68 л/с;

Температура обрабатываемого газа 20-150 °С;

Расход пара - до 5,85 г/с;

Исходная концентрация оксидов азота: N0 - до 500 мд; N02 - до 700 мд;

Ускоряющее напряжение потока электронов 80 - 100 кВ;

Ток электронов до 18 мА.

2. Разработаны и созданы зонд первичных электронов и методика, позволяющие измерять пространственное распределение плотности тока первичных электронов в плотной газовой среде с энергией электронов в диапазоне от 30 до 125 кэВ, при токе до 10 мА.

При помощи созданного зонда и методики измерено пространственное распределение плотности тока первичных электронов в установке по исследованию процессов взаимодействия концентрированных потоков электронов с газовыми средами контролируемого состояния при различных режимах работы.

3. На основании полученных измерений пространственного распределения плотности тока получены:

- радиальные распределения плотности тока первичных электронов в различных сечениях. Показано, что гауссово распределение дает заниженный результат плотности тока на больших расстояниях от оси потока;

- распределения тока электронов при распространении в плотном газе. На основании данных распределений получены значения экстраполированного пробега потока электронов в зависимости от первичной энергии электронов и температуры окружающего газа. Показано, что полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с расчетными значениями;

- значения интегральной мощности потока электронов вложенной в газ. Данные результаты хорошо согласуются с результатами калориметрических измерений вложенной в газ мощности;

- осевые распределения плотности тока электронов. Показана справедливость формулы Ленарда для осевого распределения плотности тока:

Л = Jo ехр(-а -p-z), при а = 3,5*106/Е2 [г/см2] с точностью 20%.

- показано, что огибающая потока электронов может быть описана формулой вида г = С * za, где а = 1,4 ± 10% и не зависит от тока электронов и температуры воздуха, через который транспортируется поток.

4. Произведен расчет распространения потока электронов с начальной энергией 90 кэВ через азот давления 1 атм с температурой 293К методом Монте-Карло. Показано хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными результатами.

5. На основании проведенной работы сделан вывод о возможности применения разработанной методики и зонда для измерения пространственного распределения плотности тока концентрированных потоков электронов в плотном газе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ильин, Андрей Александрович, 2003 год

1. Gorshkov О.А., Koroteev A.S., Rizakhanov R.N. EPAC 98, Institute of Physics Publishing, Bristol, UK, 1998, p.2425.

2. Денисов Г.В., Новоселов Ю.Н., Ткаченко P.M. Письма в ЖТФ, 1998, т.24, вып.4, с.52.

3. Vasiliev M.N., Gorshkov O.A. 14th International Symposium on Plasma Chemistry. Institute of Plasma Physics, Prague, Czech Republic, 1999, V.2, p.1069.

4. Белогривцев B.M., Коротеев A.C., Ризаханов P.H. и др. Известия СО АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1991, №3, с.26.

5. Белогривцев В.М., Ризаханов Р.Н.// Установка для исследования процессов электронно-лучевой очистки дымовых газов с помощью концентрированного электронного пучка. Научно технический отчет №2013 НИИТП. 1989.

6. Валуев А.А., Каклюгин А.С., Норман Г.Э. и др. // Радиационно-плазмохимические методы очистки дымовых газов. Теплофизика высоких температур. 1990. Том 28. №5. С. 995.

7. Ходаков Ю.С., Аничков С.Н., Зенин К.А. // Методы удаления оксидов азота из дымовых газов ТЭС.

8. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха, источники и контроль. М.: Мир, 1980. 540с.

9. Сигал И .Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1988.312с.

10. Jordan S. // Proc. VI Int. Meeting of Radiation Proceeding, Ottawa, Canada. 31 May-5 June 1987. Rad. Phys.Chem. 1988. V. 31. N 1-3. P. 1.

11. Electron beam processing of combustion flue gases. Final report of consulting meeting, Karlsruhe, 27-29 October 1986. JAEA, Vienna, 1987. P. 289.

12. Proc. VI Int. Meeting of Radiation Proceeding, Ottawa, Canada. 31 May-5 June 1987. Rad. Phys. Chem. 1988. V. 31. N 1-3. P.l.

13. Suhre D.R., Verdeyen J.T.// J.Appl. Phys. 1976. V. 47. N 10. P. 4484.

14. Коновалов В.П., Сон Э.Е.//ЖТФ. 1980. Т. 50. Вып. 2. С. 300.

15. Рыжов В.В., Ястремский А.Г.// Физика плазмы. 1978. Т. 4. Вып. 6. С.1262.

16. Славин Б.Б., Сопин П.И.// IV Всес. конф. по физике газового разряда. Тез. докл. Махачкала: Изд-во ДГУ, 1988. С. 41.

17. Горшков О.А., Ильин А.А., Ловцов А.С., Ризаханов Р.Н.// Установка для вывода концентрированного электронного пучка в газ при атмосферном давлении. ПТЭ. 2002. №2. С. 162.

18. Коротеев А.С. // Мощные электронные пучки путь к реализации новых технологий. Вестник АН СССР 1988г, №10, С.13.

19. Лоусон Дж. // Физика пучков заряженных частиц. М. Мир, 1980.

20. Горшков О.А., Шагайда А.А., Попенко А.Н., Новиков В.Е. // Ускорительный комплекс электронно-лучевой очистки отходящих газов промышленных предприятий от токсичных газообразных примесей. НТО контракт № SPC-94-4068 пункт 0002 М. 1995.

21. Киквидзе P.P. и др. // Транспортировка РЭП в газе высокого давления при умеренных плотностях тока. Физика плазмы. 1984. Т. 10. В.5. С.976.

22. Розанов А.Н. // Вакуумная техника. М. Высшая школа. 1982.

23. Рубин Б.И., Гочалиев Г.З.// Образование и распад озона в РХА ускорителях электронов. Тезисы докладов VI всесоюзногосовещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. 11-13 октября 1988. Ленинград. С.105-106.

24. Бычков В.Л., Васильев М.Н., Коротеев А.С.// Электронно -пучковая плазма. Генерация, свойства, применение. М. МГОУ А/О «Росвузнаука», 1993, С. 144.

25. Аккерман А.Ф., Никитушев Ю.М., Ботвин В.А. «Решение методом Монте Карло задач переноса быстрых электронов в веществе» «Наука» 1972.

26. Miller F.A., Gerardo J.B. Electron beam propagation in high-pressure gases// J. Appl. Phys. 1972. Vol. 43, N 7. P. 3008-3013.

27. Иевлев B.M., Коротеев А.С.// Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электронных пучков. Известия АН СССР 1981г, №3, С.З.

28. Шумахер Б. Законы проникновения электронов в вещество В кн.: Электронно- и ионно-лучевая технология. М.:Металлургия, 1968, С.7-43.

29. В.И. Бойко, В.В. Евстигнеев// В введение в физику взаимодействия сильноточных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Энергоатомиздат, 1988.

30. Mott N.F.//Proc. Roy. Soc., A 124, 425,1929; A 135, 429, 1932.

31. Goudsmit G.A., Saunderson J.L.//Phys Rew., 57, 24, 1940; 58, 36, 1940.

32. Moliere G.//Z. Naturf., 2a, 133, 1947.

33. Moller C.//Ann. Phys., 14, 531, 1932.