Для подтверждения выявленных закономерностей проведены экспериментальные измерения температуры плазмы на выходе из плазмотрона с помощью термопар с максимальной допустимой температурой измерений 1000 ˚С. Эксперименты проводились на установке для получения струйного ВЧ индукционного разряда, описанной в работах
[1-3]. Установка позволяет генерировать потоки ВЧ плазмы с параметрами, указанными во введении к настоящей работе.
Термопары размещались на фланце с определенным шагом по радиусу (рис. 3). Фланец размещался на входе в вакуумную камеру. Термопары позволили измерить температуру струи вдоль ее радиуса на небольшом удалении от входного отверстия.
В результате эксперимента обнаружено, что при силе тока, подаваемой на индуктор ВЧ-плазмотрона, более 1,8 А и при давлении несущего газа в вакуумной камере (по откачке) p = 60 Па температура на второй термопаре выше, чем температура в центре струи (рис. 4), что говорит о наличии зоны перегрева. Таким образом, получено подтверждение созданной математической модели и результатов расчетов.
|
| Рис. 4 – Радиальное распределение температуры несущего газа на выходе из плазмотрона (эксперимент). |
Выводы
В результате численного моделирования потока разреженной ВЧ плазмы с параметром нерасчетности 10 выявлены особенности распределения газовой температуры при истечении струи в вакуумную камеру и при обтекании образца.
Установлено, что в зоне смешения втекающей струи с газовой средой вакуумной камеры в окрестности входного отверстия наблюдается разогрев газа. Разность максимальной температуры и температуры на оси потока составляет 110 К.
Радиальное распределение температуры выравнивается с удалением от входного отверстия. В зоне столкновения струи с обрабатываемым образцом наблюдается скачок температуры, вызванный торможением потока. За образцом профиль температуры опять становится неравномерным, что вызвано как расширением потока, так и с взаимодействием с более холодным образцом. Профиль температуры в поперченном сечении струи выравнивается на расстоянии 0,3 м от входного отверстия.
Эффект разогрева плазменного потока на периферии струи согласуется с результатами экспериментальных исследований.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (базовая часть государственного задания № 2196, экспериментальная часть работы), и РФФИ (грант №15-41-02672, теоретические часть).
Литература
1. Абдуллин И.Ш. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления: монография / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.Р. Сагбиев, М.Ф. Шаехов.- Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007.- 356 с.
2. Хубатхузин А. А. и др. Создание наноструктурированных покрытий на изделиях развитой геометрической поверхности // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - № 15. С. 72-77.
3. Хубатхузин А. А. и др. Упрочнение ножей установки грануляции полиэтилена с применением высокочастотной плазмы пониженного давления// Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. - Т.15, № 22. - с. 71-75.
4. Шатаева Д.Р., Кулевцов Г.Н., Абдуллин И.Ш. Исследования влияния взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы и кремнийорганических соединений на физико-механические свойства кож из шкур КРС / Д.Р.Шатаева, Г.Н.Кулевцов, И.Ш.Абдуллин // Вест. Казан. технол. ун-та, -2014. – Т.17, № 11, с. 73-74.
5. Мифтахов И.С. Влияние плазменной обработки на микрошероховатости поверхности твердосплавных металлов / И.С. Мифтахов, А.О. Фадеев, М.Ф. Шаехов // Вест. Казан. технол. ун-та, -2014. – Т.16, № 1, с. 42-43.
6. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: «Наука» Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 518 с.
7. Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения // Москва «Наука», 1984 г. – 234 с.
8. Митчнер М., Кругер Ч. Частично-ионизованные газы. М.: Мир, 1976. 496 c.
9. Берд Г.А. Молекулярная газовая динамика. Москва, 1981.
10. Печатников Ю.М. Современные методы расчета характеристик вакуумных агрегатов для среднего вакуума (Обзор) // Вак. техн. и технол.- 2002.- Т.12, №4.
11. Печатников Ю.М. Современные методы расчета характеристик вакуумных агрегатов для среднего вакуума (Обзор) // Вак. техн. и технол.- 2002.- Т.12, №4.
12. Печатников Ю.М. Физические явления и процессы переходного течения разреженного газа // Прикладная физика. 2004. № 2. С.19-25
13. Желтухин В. С., Шемахин А. Ю. Расчет газодинамики струй ВЧ-плазмы пониженного давления //Уч. Зап. Казан. гос. ун-та. – 2011. – Т. 153. – №. 4. – С. 135-142.
14. Желтухин В.С., Кацевман Е.М., Шемахин А.Ю. Моделирование газодинамики струйного ВЧ разряда пониженного давления с помощью свободного программного обеспечения // Матер. Междунар. конф. «Физ. высокочаст. разрядов». – Казань, КГТУ. 5-8.04.2011. С. 86-87
15. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю. Моделирование струйного течения высокочастотной плазмы при пониженных давлениях // Мат. моделирование, 2013. Т. 25, №. 6. С. 64-71.
16. Zheltukhin, V. S. and Shemakhin, A. Yu. Simulation of RF Plasma Flowing at Low Pressure // Mathematical Models and Computer Simulations, 2014, Vol. 6, No. 1, pp. 101–107.
17. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Хубатхузин А.A., Шемахин А.Ю. Математическое моделирование газодинамики струйных течений высокочастотной плазмы пониженного давления. – Казань: КНИТУ, 2014. – 178 с.
18. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – М.: Наука, 1987. 592 c.
19. Lymberopoulos Р.D., Economou D.J. Fluid simulations of glow discharges: Effect of metastable atoms in argon // J.Appl. Phys.– 1993.– Vol. 73, № 8, P. 3668-3679.
20. Scheller G.R., Gottscho R.A., Intrator T., Graves D.B. Nonlinear excitation and dissociation kinetics in discharges through mixtures of rare and attaching gases // J. Appl. Phys. 1988. V. 64, No. 9. P. 4384.
21. Ward A.L. Effect of Space Charge in Cold-Cathode Gas Discharges // Phys. Rev., 1958. V. 112, No. 6. P. 1852.
22. Шемахин А. Ю. Автореферат диссертации, канд. физ-мат. наук, Казанский федеральный университет, Казань, 2012, 16 с.
23. Абдуллин И.И.,Жжелтухин В.С., Струнин В.И., Шемахин А.Ю.,Худайбергенов Г.Ж., Хубатхузин А.А. Моделирование газодинамического истечения струи аргон-силановой плазмы в затопленное пространство // вестник Казанского технологического университета, 2013, Т. 16, № 19. С. 95-98