Компоненты плазмы дуги находятся в непрерывном движении, которое обусловлено, с одной стороны, электрическим полем между электродами и, с другой стороны, электромагнитными полями, создаваемыми электронными и ионными токами в объеме дуги. Понятно, что характер движения частиц в каждом элементарном объеме отличается от соседних. Отличаются также и концентрации час
Дуговой разряд характеризуется высокой степенью ионизации, и его можно считать высокотемпературным, сильно ионизированным газом, состоящим из электронов положительных и отрицательных ионов, нормальных и возбужденных атомов.
Рис. 3. Оптические схемы малоракурсных томографических систем для исследования параметров плазмы и потоков высокотемпературных газов
Рассмотрим основные положения малоракурсной спектрально-томографической методики реконструкции параметров плазменных объектов - дуга, плазменные потоки малогабаритных плазматронов.
Принцип работы системы заключается в следующем: излучение исследуемого источника 1 с помощью входных объективов 2 проецируется на торцы светопроводов 3. Таким образом, на этих торцах формируются двумерные проекции исследуемого объекта. Выходные торцы светопроводов собираются в «последовательный» пакет 4. Оптическое изображение с торца пакета с помощью длиннофокусной линзы 5 проецируется на входную щель спектрографа 6 (например ИСП - 51). Таким образом выбираются требуемые поперечные сечения плазменного объекта. Спектры сечений проекций в зоне формирования физического спектра с помощью объектива 7 проецируют на ПЗС матрицу 8, которая через устройство сопряжения подключается к шине ПК (PC). Внешнее зондирующее излучение от источника 9, сформированное в виде плоскопараллельного потока, через систему непрозрачных 10 и полупрозрачных зеркал 11, пройдя исследуемый объект, также проецируется на входные торцы све-топроводов 3. . Применение зондирующего излучения полезно при исследовании газодинамики сильно запыленной плазмы, при разработке систем плазменного напыления, при определении концентраций ионных компонент в дуговых разрядах, при анализе процессов горения топлив в ЖРД, ПРД и т. д. Входные объективы 2, 11 выполняются по двухлинзовой 12 или трехлинзовой схемам и дают возможность уменьшить изображения исследуемых объемов и в какой-то степени скорректировать веерную геометрию до плоскопараллельной. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты оптиковолоконного сканера и располагать его непосредственно на оптической скамье спектрографа. Таким образом, для достаточно широкого класса задач оптиковолоконный сканер и система регистрации спектров проекций оказываются системами, дополняющими стандартную комплектацию серийно выпускаемых спектрографов. Устройство сопряжения с шиной ПК так же, как и в вышеописанном случае, содержит микропроцессор, ОЗУ и позволяет не только вводить данные в компьютер, но и управлять сервоприводом для перемещения ПЗС камеры в зоне спектров проекций.
На рис. З-а представлена оптическая схема малоракурсного томографа для исследования процессов в дуговых разрядах, плазменных потоках плазмотронов. Представленная система позволяет регистрировать собственное излучение источника плазмы и зондирующее излучение от внешнего источника, например лазера. В данном случае показана возможность регистрации в геометрии 0...7Т, но установка дает возможность получать исходные данные и в геометрии 0...2л.
Особый интерес представляют исследования процессов в плазме электрической дуги, в плазменных потоках плазматронов, факелах горящего газа (трубки Пито), поскольку на сегодняшний день нет адекватных представлений и моделей процессов, происходящих в таких объектах. Методы малоракурсной томографии, позволяющие получить пространственные функции распределения исследуемых параметров, оказываются эффективными, так как они дают возможность получать качественную информацию, например, о распределении локальных концентраций электронной и ионной компонент, локальных температур и т. д. Данный класс физических задач дает возможность использовать малоракурсный подход при числе исходных проекций 6...24, что существенно повышает точность реконструкции.
Рис. 2. Примеры томограмм при упьтрамалоракурсной реконструкции
На рис.2-а приведена томограмма функции распределения яркостной температуры в камере сгорания ДВС, на рис. 26, 2в - томограммы переноса примеси в установке типа ТОКАМАК ФТ-2. Данные томограммы получены в соответствии с описанной методикой реконструкции и, как показали дальнейшие исследования, достаточно точно отображают исследуемые процессы. Системы такого рода дают возможность анализировать пространственную динамику процессов (изображения 26, 2в получены в одном процессе в разные моменты времени), наглядность очевидна.
Заметим, что томографические исследования процессов горения в ДВС целесообразно проводить с использованием одноцилиндровых четырехтактных двигателей, эмулирующих фазы газораспределения, впрыск, частоту вращения коленчатого вала и т. д. и многоцилиндровых, причем форма головки поршня и камеры сгорания должны быть идентичны последним. В одноцилиндровом варианте жидкостная зона охлаждения должна ограничиваться областью цилиндра, а головка выполняется как легко съемный элемент. Практика показывает, что время использования кварцевых «входных» линз без их очистки от нагара и копоти составляет 3.. .5 минут, а при употреблении природного (13) газа оно несколько больше. Этого времени вполне достаточно, чтобы довести до рабочего режима предварительно прогретый двигатель и получить исходные данные.
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Для реконструкции распределения истинных температур необходимо знать функцию распределения «коэффициента серости» светящегося объекта. Эта функция может быть определена через функцию поглощения внешнего зондирующего излучения для данной длины волны
Суть спектрально-томографической методики, позволяющей определять пространственное распределение яркостных (истинных) температур, можно свести к следующим положениям. Если в качестве эталонного источника выбрать ленточную лампу накаливания, то энергетические светимости горящей смеси Ef и эталона Ее связаны соотношением
Запомнить меня
МАЛОРАКУРСНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ, часть 2 - Самарский областной научно-образовательный портал.
