СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТОКОВЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ Советский патент 1995 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к электрофизике, более конкретно к созданию токовых неоднородностей в плазме, и может быть использовано в МГД-генераторах открытого цикла для создания неоднородных по проводимости слоев в рабочем теле, в двигателях внутреннего сгорания в газовых разрядниках, переключателях и коммутаторах электрической энергии.

Цель изобретения создание токовых неоднородностей в низкотемпературной плазме продуктов сгорания при атмосферном давлении. Использование изобретения позволит формировать высокопроводящие слои в рабочей среде при атмосферном давлении с частотой 0,01-25 Гц. При этом предложенное техническое решение обеспечивает высокую надежность создания токовых неоднородностей в низкотемпературной плазме при отрицательной простоте применяемого оборудования.

Способ осуществляют следующим образом.

Создают плазму продуктов сгорания при атмосферном давлении, находящуюся между электродами, причем одним из компонентов могут быть атомы щелочных металлов с концентрацией не менее 10¹² см^-3.

Прикладывают к электродам разность потенциалов U_пр/2-U_пр.

Фокусируют излучение лазера на красителях, настроенного в резонанс с оптическим переходом одного из компонентов, например, атома щелочного металла, в рабочую среду между электродами, причем мощность и длительность импульса лазера удовлетворяют соотношению (1). При этом диффузионный разряд переходит в контрагированное состояние и в рабочем теле образуется слой с высокой проводимостью.

Изобретение поясняется рисунком, на котором изображена схема реализации предложенного способа. Устройство включает источник рабочей среды, представляющий собой двухфакельную горелку Меккера 1, причем рабочая среда расположена между катодом 2 и горелкой 1, которая одновременно является анодом, лазер на красителях 3, линзу 4, поглотитель лазерного излучения 5.

Устройство работает следующим образом. Рабочую среду создают при сжигании предварительно перемешанной пропанвоздушной смеси стехиометрического состава (р 1 атм, Т_пл 2100 К). Во внутренний факел горелки подают пневматическим распылителем присадку в виде раствора соли натрия. Напряжение пробоя рабочей среды, существенно зависит от состава среды, ее температуры, равновесной концентрации электронов и может быть измерено в каждом конкретном случае. Лазер на красителях FL-3000 (краситель родамин 6G) настраивают в резонанс с сильной линией дублета натрия ( λ= 589,0 нм, Δλ= 0,1 нм, А₂₁ 6,27 ˙10⁷ с^-1). Для атома натрия в плазме продуктов сгорания Q₂₁ 10⁹ с^-1. Диаметр пятна в точке фокусировки составлял 1 мм, т. е. S 8 ˙10^-7 м². При помощи импульса 2 кВт и длительности t_л 1 мкс соотношения (1) выполняются. Действительно,
h 6,62˙10^-34 Дж ˙с 3 ˙10⁸ м/с.

·
≈ 20 Вт Время достижения населенностями уровней атома, взаимодействующего с лазерным излучением с постоянной спектральной плоскостью ρ_ν своих стационарных значений
t где В₁₂ коэффициент Эйнштейна для индуцированного поглощения, Δ Е средняя энергия импульса.

B₂₁= A₂₁= A₂₁= ≈ 8·10²⁰
ρν ≈ 10^-10
B₁₂ ρ_ν=8˙10¹⁰ c^-1. Тогда t_ст ≈ 10¹¹ с, т. е. t_л >> t_ст.

Примеры параметров конкретной реализации способа приведены в таблице.

Эксперименты N 1-8 показывают влияние напряжения, приложенного к электродам, на образование высокопроводящих слоев в низкотемпературной плазме продуктов сгорания при различных концентрациях присадки натрия. Если мощность лазерного излучения удовлетворяет соотношению (1), а приложенное напряжение U соотношению U_пр/2 < U < U_пр, лазерное воздействие вызывает переход разряда в контрагированное состояние. Если U < U_пр/2, то лазерное воздействие приводит только к небольшому ( ≅5%) увеличению тока в цепи, одной из составных частей которой является среда. Эксперимент N 9 показывает, что при расфокусированном лазерном пучке при той же мощности соотношение (1) не выполняется и концентрация не наблюдается. Действительно, в этом случае S 1,8 ˙10^-4 м² и
· ≈ 4 кВт В эксперименте N 10 лазер не настроен в резонанс с оптическим переходом натрия, что приводит к отсутствию контракции. В эксперименте N 11 концентрация атомов присадки была равна 10¹¹ см^-3. В этом случае также наблюдается небольшое увеличение тока.

Как видно из приведенных расчетов и таблицы, стандартные технические характеристики лазера на красителях удовлетворяют соотношению (1), если в качестве компонента, на который воздействуют резонансным излучением, выбраны атомы натрия. При этом запас мощности излучения допускает разделение луча лазера на несколько пучков, что позволит формировать высокопроводящие слои одновременно в нескольких точках.

Использование: МГД-генераторы открытого цикла, газовые разрядники, переключатели и коммутаторы электрической энергии. Сущность изобретения: способ включает создание плазмы между электродами, формирование токовой неоднородности. К электродам приложена разность потенциалов U_пр/2 < U < U_пр, где U_пр напряжение пробоя газа, в котором создается плазма. В область создания токовой неоднородности фокусируют лазерное излучение с длиной волны, равной длине волны оптического перехода одного из компонентов плазмы. Мощность Р и длительность импульса t_л лазерного излучения выбирают из условия P > 8πhc²λ^-5ΔλQ₂₁/(2A₂₁), t_л> t_ст, где S сечение лазерного пучка в точке фокусировки, Δλ ширина линии генерации лазера на длине волны, l и h- постоянная планка, с скорость света, Q₂₁ A₂₁- соответственно коэффициенты тушения и Энштейна для спонтанного испускания для возбуждаемого перехода выбранного компонента плазмы, t_ст время установления стационарных значений концентрации при воздействии лазерного излучения. В качестве компонента плазмы выбирают атомы щелочных металлов с концентрацией N > 10¹²см^-3. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТОКОВЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПЛАЗМЕ, включающий создание плазмы между электродами, к которым приложена разность потенциалов и формирование токовых неоднородностей, отличающийся тем, что, с целью получения токовых неоднородностей в низкотемпературной плазме продуктов сгорания при атмосферном давлении, в плазму в области создания неоднородности фокусируют лазерное излучение с длиной волны, равной длине волны оптического перехода одного из компонентов плазмы, причем мощность P и длительность импульса t_л лазерного излучения выбирают из условий:

где S сечение лазерного пучка в точке фокусировки;
Δλ ширина линии генерации лазера на длине волны l
h постоянная Планка;
c скорость света;
Q₂₁, A₂₁ соответственно коэффициенты тушения и Эйнштейна для спонтанного испускания возбуждаемого перехода выбранного компонента плазмы;
t_ст время установления стационарных значений концентраций при воздействии лазерного излучения,
а разность потенциалов V между электродами выбирают из диапазона U_пр / 2 < U < U_пр, где U_пр напряжение пробоя газа, в котором создается плазма. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонента плазмы, на который воздействуют лазерным излучением, выбирают атомы щелочных металлов с концентрацией N > 10¹² см^-3.