Проведены расчеты газодинамических характеристик невозмущенного потока ВЧ-плазмы пониженного давления и при обтекании образца в вакуумной камере при Rvk =0,2 м, Lvk =0,5 м и входном отверстии радиусом Rrk =0,012 м, расположенным по центру базовой плиты. Предполагается, что цилиндрический образец радиусом Rb =0,03 м и высотой Lb =0,02 м расположен в струе плазмы на расстоянии Ltb =0.2 м от входного отверстия.
|
| Рис. 1 – Радиальное распределение давления p в поперечном сечении струи, обтекающей образец. |
Использовалсь следующие входные параметры потока: плазмообразующий газ аргон, расход газа G =0,12–0,24 г/c, давление Pinlet = 35–85 Па, температура T inlet = 400–600 K, степень ионизации δi =10-4. Начальное давление в вакуумной камере P 0 =3,5–8,5 Па.
Как показали результаты расчетов, стационарное состояние потока устанавливается за ~10-2 с. Графики распределений скорости, температуры и давления несущего газа, концентрации электронов и электронной температуры в свободном потоке и при наличии в струе образца для указанных параметров течения, в основном, приведены в работах [13-17]. Однако, в них не описан эффект разогрева потока на периферии струи в зоне смешения потока и неподвижного газа в вакуумной камере.
На рис. 1-2 представлены результаты расчетов характеристик плазменной струи при расходе плазмообразующего газа G = 0,52 г/с, температуре на входе в камеру 
= 500 K, скорость газана входе в камеру 
= 1000 м/с, давлении 
=60 Па, P 0 =6 Па, что соответствует параметру нерасчетности потока n =10.
Из рис. 1 видно, что при помещении в струю образца давление на удалении 0,05 – 0,15м от входного отверстия сначала падает (кривые 2, 3), затем при подходе газа к образцу - нарастает (кривая 4), что связано с торможением потока. За образцом создается область пониженного давления, а затем оно выравнивается, как и в модели без образца [20].
В результате численных экспериментов обнаружен эффект разогрева струи по периферии потока в зоне смешения с неподвижной газовой средой вакуумной камеры. Из рис. 2 видно, что на расстоянии 0,01 м от среза входного отверстия максимальное значение температуры (≈650 К) создается на периферии струи, а минимум температуры (≈520 К) достигается в центре (кривая 1) [20].
|
| Рис. 2 – Радиальное распределение температуры Tа в поперечном сечении струи при наличии образца при разных расстояниях от входного отверстия. |
Радиальный профиль температуры выравнивается при удалении от струи. Так, на расстоянии 0,05 м от среза входного отверстия температура в зоне смешения составляет ≈460 К, а на оси потока 350 К (кривая 2). Причиной нагрева газа является, скорее всего, резкое торможение атомов газа при z=0,15 м при столкновении с покоящимся газом.
На расстоянии 0,15 м от входного отверстия вакуумной камеры радиальный профиль температуры выравнивается, профиль становятся колоколообразным; температура достигает максимального значения Tа= 650 °С в центре потока (кривая 3) [20].
При столкновении с образцом, помещенным, как указано выше, на расстоянии 0,2 м от входного отверстия потока, газ на оси охлаждается до температуры 570°С, причем за образцом на расстоянии ≈0,03 м от оси наблюдается резкое падение температуры на ≈30 °С (кривая 4). Этот эффект связан с взаимодействием нескольких факторов. Во-первых, газ охлаждается вследствие расширения потока и взаимодействия с более холодной поверхностью постоянной температуры (300 К), что соответствует охлаждаемому образцу. Во-вторых, торможение потока приводит к разогреву газа, вследствие чего пик радиального профиля в центре струи становится более острым, по сравнению с кривой 3, и возникает разрыв на расстоянии 0,3 м от оси.
|
| Рис. 3 - Фланец с термопарами для проведения экспериментального исследования радиального распределения температуры газового потока. |
Ярко выраженный провал температуры появляется за образцом (разность температур на оси и по краям потока составляет 100 К), что вызвано, скорее всего, охлаждением газа в результате обтекания холодного образца.
Распределение температуры полностью выравнивается по сечению струи на расстоянии 0,3 м от входного отверстия, профиль становится сглаженным,. Максимум газовой температуры Tа =420 К достигается на оси потока. Охлаждение газа вызвано расширением потока, а равномерность профиля по сечению струи обусловлено нагревом за счет упругих столкновений электронов с атомами, так как распределение электронной температуры, как показано в [15-17], в поперечном сечении струи практически равномерно.