Analiza dynamiki fali gazowej 1. wytwarzanej przez elektrodynamiczny impulsowy zawór gazowy

Transkrypt

1 Świerk Analiza dynamiki fali gazowej wytwarzanej przez elektrodynamiczny impulsowy zawór gazowy Andrzej Horodeński Bogdan Staszkiewicz Celem pracy jest sprawdzenie, czy fala gazowa wytwarzania przez elektrodynamiczny zawór gazowy spełnia wymóg wysokiej symetrii obrotowej, niezbędny do zapewnienia poprawnej pracy działa plazmowego typu RPI i. Konstrukcja zaworu jest opisana w pracy ii. 1. Układ pomiarowy Do pomiaru fali gazowej, wytwarzanej przez zawór dozujący gaz do działa prętowego typu IBIS, skonstruowano trójczłonową sondę jarzeniową, złożona z trzech sond rozmieszczonych na obwodzie koła o promieniu 11 cm (średni promień działa plazmowego) co 120 o : Rolę sondy pomiarowej pełni niewielki układ wyładowczy elektroda gorąca umieszczona w ażurowym, przenikalnym dla gazu koszyczku. W konfiguracji tej pole elektryczne zamyka się w obszarze między punktową (w przybliżeniu) katodą i znajdującą się na potencjale masy siatką. Pole elektryczne na zewnątrz sondy jest równe zeru, dzięki czemu pomiar nie jest zakłócony przez niekontrolowane wyładowania pomiędzy sondą i ściankami komory próżniowej bądź korpusem zaworu. Analiza dynamiki fali gazowej 1

2 d 700 V Rys. 1. Układ pomiarowy. Parametry pracy zaworu: U zas = 8kV, C = 24µF, całkowita ilość uwalnianego gazu 2 cm 3. Pomiar wykonany przez jednocześnie pracujące 3 sondy rozmieszczone na obwodzie co 120 o stanowi dobre narzędzie weryfikacji symetrii osiowej fali gazowej dostarczanej do działa prętowego. Symetria ta, wraz z poziomem powtarzalności dynamiki i kształtu fali, jest podstawowym warunkiem prawidłowej pracy działa prętowego. Zastosowano napięcie pracy sondy na poziomie 1 kv, co umożliwia pomiar czasu dojścia do sondy izobary równej ok. 0,5 Tr. Rys. 4. Charakterystyka wyładowania jarzeniowego (krzywa Paschena) dla różnych gazów. Analiza dynamiki fali gazowej 2

3 2. Pomiary fali gazowej Wykonano serię pomiarów czasu dojścia isobary ok. 0,2 Tr (wodór, napięcie = 1 kv) do obszaru sondy w różnych położeniach sondy względem zaworu i w odległości 65 mm od osi symetrii układu (jest to położenie odpowiadające średniemu promieniowi działa prętowego). d = 60 mm d = 30 mm d = 50 mm d = 20 mm d = 40 mm d = 10 mm Rys. 5. Oscylogramy prądu sond w różnych odległościach od czoła korpusu zaworu, pozwalające na pomiar czasu dojścia fali gazowe (wodór) do przestrzeni międzyelektrodowej (por. rys. 3). Analiza dynamiki fali gazowej 3

4 czas [μs] d [mm] Rys. 6. Czas dojścia izobary 0,2 Tr wodoru do obszaru międzyelektrodowego, mierzony od momentu otwarcia szczeliny zaworu. 3. Warunki gazowe w początkowej fazie wyładowania w RPI Jak wynika z krzywej Paschena, przy napięciu rzędu 1 kv zapłon w wodorze ma miejsce przy p*d 1 Tr*mm. Odległość między elektrodami sondy wynosi d = 5 mm, stąd ciśnienie chmury gazowej w momencie zapłonu wynosi około: p 0,2Tr Wypływ gazu do próżni jest procesem rozprężania adiabatycznego, więc temperaturę chmury gazowej należy obliczać ze wzoru: T = T o (p/p o ) ϗ-1/ϗ gdzie: ϗ wykładnik adiabaty, dla wodoru ϗ =1,4 (T o =300 K, p o =2,4 ata) Stąd: T 22 K. Koncentracja cząstek chmury gazowej w obszarze roboczym działa prętowego wynosi więc: n = p/kt 5*10 18 cm -3 Średnia droga swoboda cząsteczki wodoru przy tym ciśnieniu: λ = 1/( 2*π n d 2 ) 0,45 mm Średnia droga swobodna jest znacznie mniejsza niż wymiary elektrod Analiza dynamiki fali gazowej 4

5 działa prętowego, więc do obliczeń przepływu gazu w tym obszarze może być stosowany model gazodynamiczny. 5. Wnioski końcowe Prezentowane wyniki nie odznaczają się zbyt wysoką dokładnością, są jednak wystarczające dla potrzeb oceny, czy dany egzemplarz zaworu wytwarzającego falę gazową dla działa plazmowego typu RPI spełnia oczekiwania czy też nie. W celu uzyskania dokładniejszych pomiarów trzeba by się uciec do innych metod pomiarowych, np. sondy z żarzoną katodą. Prezentowane pomiary pozwalają stwierdzić, że w momencie zainicjowania rozładowania baterii głównej RPI dozowany gaz roboczy jest obecny w obszarze międzyelektrodowym na długości ok. 3 cm, w granicach od 2 cm do 5 cm mierząc od czoła korpusu zaworu. Gęstości gazu na brzegach fali gazowej są bardzo duże, tzn. fala jest ostro zarysowana. Pomiary wykazują też, że wytwarzana przez zawór fala gazowa odznacza się dobrą symetrią osiową. i M. Gryziński, A new device for creating a strongly focused hot plasma jet Rod Plasma Injector (RPI), Nukleonika, vol. XIV, No. 7-8 (1969) ii Andrzej Horodenski, Piotr Rymuza, Zasady Działania Elektrodynamicznych Zaworów Impulsowych, Technical Report of Institute for Nuclear Research, Świerk, Poland, Jan. 1982, DOI: / Analiza dynamiki fali gazowej 5