Методы исследования кинетики ионизации в ударных волнах



Research technique of the ionization kinetics in shock waves

The review of the results of development of the methods of microwave and electric probe measurements of the low temperature plasma for studying the ionization kinetics in shock waves isare presented and a wide range of problems on their practical application is considered. The theoretical justifications of the methods considered, a comprehensive description of design peculiarities of installation, and the needed calculation formulas is presented. Probable errors are evaluated and various test procedures are described. It is shown that a microwave interferometer with the two-wire transmission line (the lecher line) is most appropriate in the shock tube studies. The possibility to use the two-wire transmission line as an electric probe made it possible to test the conclusions of theoretical model of electric probe operation within a wide range of experimental conditions. It is shown that the utilization of a microwave interferometer makes it possible to obtain the reliable data on variation of the concentration of free electrons with the high spatial resolution and to perform the quantitative studies of the ionization rate in shock waves and to obtain the concentration ratio of negative ions and free electrons in the plasma being investigated with the help of the electric probe.

П А Власов, Ю К Карасевич, Ирина Леонидовна Панкратьева, Виталий Александрович Полянский

Том 6, 2008 год



Представлен обзор методов разработки методовов сверхвысокочастотного (СВЧ) зондирования плазмы и электрического зонда, разработанных для исследования ионизации в ударных волнах, и освещен широкий круг вопросов по их практическому использованию. Приведены теоретические обоснования рассматриваемых методов, подробное описание конструктивных особенностей установки, необходимые расчетные формулы, сделаны оценки возможных погрешностей, описаны различные тестовые испытания. Показано, что наиболее пригоден для исследований в условиях ударной трубы СВЧ интерферометр с двухпроводной линией передачи, известной как линия Лехера. Возможность использования двухпроводной линии в качестве электрического зонда позволила протестировать выводы теоретической модели работы электрического зонда при варьировании условий в широких пределах. Показано, что использование СВЧ интерферометра позволяет получать надежные данные об изменениях концентрации свободных электронов с высоким пространственно-временным разрешением, а с помощью электрического зонда можно осуществлять количественные исследования скорости ионизации в ударных волнах и получать оценки соотношения концентраций отрицательных ионов и свободных электронов в исследуемой плазме.

П А Власов, Ю К Карасевич, Ирина Леонидовна Панкратьева, Виталий Александрович Полянский

Том 6, 2008 год



1. Matsuda S., Gutman D. Shock tube study of the acetylene – oxygen reaction II. Chemi – ionization during the induction period // J. Chem. Phys. 1970. v. 53. p. 3324.
2. Matsuda S., Gutman D. Shock tube study of the acetylene – oxygen reaction III. Absolute rate of chemi – ionization during the induction period // J. Chem. Phys. 1971. v. 54. p. 453.
3. Аравин Г.С., Карасевич Ю.К., Шумейко А.Н. Об ионизации азотистоводородной кислоты в ударных волнах // ФГВ, 1977, № 5, с. 721.
4. Calcott H.F. Studies of ionization in flames by means of Langmuir probes. // 5-th Symp. (International) on Combustion. 1955. p. 423.
5. King I.R., Calcott H.F. Effect of probe size on ion concentration measurement in flames // J. Chem. Phys. 1955. v. 23 p. 2203.
6. Aravin G.S., Karasevich Yu.K., Vlasov Р.A., Pankrat'eva I.L., Polyanskii V.A. Use of Electric Probes for Studying the Parameters of a Dense Unsteady Plasma with Chemical Reaction. Pros. of XV-th Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Minsk, 1981, p. 957.
7. Власов П.А. Зондовая диагностика нестационарной химически реагирующей плазмы высокого давления. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М. ИХФ АН СССР, 1983.
8. Zallen D.M., Hirleman E.D., Vittig S.L.K. Ion precursors chemi – ion formation and electron densities in shock induced methane combustion // 15-th Symp. (International) on Combustion. 1974. p. 1013.
9. Lester T.W., Zallen D.M., Vittig S.L.K. Shock tube studies of chemi – ionization processes in hydrocarbon combustion systems. Recent developments in shock tube research. Proc. 9-th Shock Tube International Symp. Stanford University. California. 1973
10. Lester T.W., Zallen D.M., Vittig S.L.K. Chemi – ionization in shock induced hydrocarbon combustion // Combustion Science and Technology. 1973. v. 7. p. 219.
11. Заварин Д.Г., Рождественский В.В., Тумакаев Г.К. СВЧ интерферометр с пространственным разрешением 0.1. в сб. «Диагностика низкотемпературной плазмы». М.: Наука. 1979. с. 154.
12. Хилд М., Уортон С. "Микроволновая диагностика плазмы". М.: Госатомиздат, 1968
13. Зимин Э.П. и др. "Теплофизические свойства низкотемпературной плазмы" .М.: Наука, 1970, с. 28.
14. Голант В.Е. "Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы". М.: Наука, 1968.
15. Зимин Э.П., Попов В.А. Определение среднего сечения столкновений электронов с атомами // ПМТФ, 1963, № 5
16. Евграфов И.А., Иванчинов-Маринский Н.Н., Маколкин Е.В., Попов В.А. Труды национального симпозиума по инженерной магнитной гидродинамике. Лос-Анжелос, 1970
17. Взятышев В.Ф. "Диэлектрические волноводы". М.; Советское радио, 1970
18. Mie G. Electrische Wellen an zwei parallelen Drähten. // Ann. der Phys. 1900. Bd. 2. S. 201.
19. Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М.: Мир. 1978. 201 с.
20. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна, С. Леонарда. М.: Мир, 1967. 515 с.
21. Алексеев Б. В., Котельников В. А. Зондовый метод диагностики плазмы. М.. Энергоатомиздат, 1988. 239 с.
22. Аравин Г.С., Власов П.А., Карасевич Ю.К., Маколкин Е.В., Нейгауз М.Г. Исследование механизма химической ионизации при высокотемпературном окислении метана в ударных, волнах // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18. №1. С. 49.
23. Русанов В. Д., Фридман А. А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984. 415 с.
24. Панкратьева И. Л., Полянский В. А. Теория охлаждаемых электрических зондов в плотной плазме. Влияние термодиффузии. // Изв. АН СССР. МЖГ. 1979. № 2. С. 102.
25. Cool Т. A., Tjossem P. J. Н. Gas-Phase Chemiluminescence and Chemi-Ionization. Ed. A. Fontijn. Amsterdam: North Holland, 1985. 372 p.
26. Беляев Ю. Н., Полянский В. А., Шапиро Е. Г. Аэродинамика больших скоростей. М.: Изд-во МГУ, 1979. С. 140.
27. Полянский В. А. Диффузия и проводимость в частично ионизованной многотемпературной газовой смеси. // ЖПМТФ. 1964. № 5. С. 11.
28. Мак-Даниель И., Мэзон Э. Подвижность и диффузия ионов в газах. М.: Мир, 1976. 319 с.
29. Golden D. Е., Bandel Н. Low-Energy e-Ar Total Scattering Cross Sections: The Ramsauer-Townsend Effect // Phys. Rev. 1966. V. 149, N 1. P. 58.
30. Смирнов Б. М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М.: Атомиздат, 1974. 317 с.
31. Куприянов С.Е. Ионизация в электрическом поле и вблизи металлической поверхности высоковозбужденных атомов и ионов благородных газов // Письма ЖЭТФ. 1967. Т.5. №7. С.245.
32. Чаплик А.В. Ионизация высоковозбужденных атомов вблизи металлической поверхности //ЖЭТФ. 1968. Т.54. №1. С.332.
33. Смирнов Б. М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М.: Атомиздат, 1978. 176 с.
34. Месси Г. Отрицательные ионы. М.: Мир, 1981. 754 с.
35. Luzzi T., Jenkins R. An Electrostatic Probe Technique for Determining the Effectiveness of Plasma Alleviants// AIAA. 1971. V. 9. N 12. p. 2411.
36. Алексеев Б. В., Котельников В. А., Черепанов В. В. Электростатический зонд в многокомпонентной плазме. // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. № 2. С. 395.
37. Bailey P. B., Touryan K. J. Continuum Electrostatic Probes in the Presence of Negative Ions: A Numerical Solution// AIAA. 1973. V. 11. N. 9. p. 1225.
38. Физика ион-ионных и электрон-ионных столкновений.// Под ред. Ф. Бруайра, Д. Макгоуэна. М.: Мир. 1986. 432 с.
39. Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. М.: Энергия. 1976. 294 с.
40. Аравин Г.С., Власов П.А., Карасевич Ю.К., Маколкин Е.В., Панкратьева И.Л., Полянский В.А. Зондовый метод диагностики в плотной нестационарной покоящейся плазме при наличии неравновесных химических процессов // Химические реакции в неравновесной плазме. Под ред. Полака Л.С. М.: Наука, 1983. С. 70—89.
41. Wu, H.; Desai, R.; Wang, L.-S. Observation and Photoelectron Spectroscopic Study of Novel Mono- and Diiron Oxide Molecules: FeOy- (y = 1-4) and Fe2Oy- (y = 1-5). // J. Am. Chem. Soc. 1996. 118. 5296.
42. Власов П. А., Карасевич Ю. К., Панкратьева И. Л., Полянский В. А. Зондовый метод диагностики низкотемпературной плазмы с отрицательными ионами. // Теплофизика высоких температур. 1988. Т. 26. № 6. С. 1047.
43. Аравин Г. С, Власов П. А., Карасевич Ю. К., Маколкин Е. В., Панкратьева И. Л., Полянский В. А. Влияние отрицательных ионов на зондовые измерения при отрицательном потенциале в химически реагирующей плазме. // Известия Академии наук СССР Механика жидкости и газа. 1988. № 5. С. 163.
44. Власов П. А. Зондовый метод диагностики химически реагирующей плотной плазмы // в монографии Диагностика низкотемпературной плазмы (Низкотемпературная плазма Т. 9), Овсянников, А.А., Энгельшт, В.С., Лебедев, Ю.А.,..., Власов, П.А. и др., Новосибирск: ВО Наука. 1994. С. 247—279.
45. Аравин Г. С, Власов П. А., Карасевич Ю. К., Маколкин Е. В., Полянский В. А. О применении импульсного зонда для диагностики плотной покоящейся плазмы при наличии химических реакций // Физика горения и взрыва. 1984. Т. 20. № 4. С. 70—77.
46. Аравин Г. С., Власов П. А., Карасевич Ю. К., Маколкин Е. В., Полянский В. А. Диагностика плотной химически реагирующей плазмы методом высокочастотной модуляции потенциала зонда // Известия Академии наук СССР Механика жидкости и газа. 1987. № 6. С. 114—119.