НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 533.9.07, 53.082.54, 621.373.8, 537.52

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

stcpe@bmstu.ru

Введение

Для ряда областей техники, где используется электрическое зажигание (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, химические ракетные двигатели), существенное повышение эффективности и экологической безопасности может быть достигнуто при переходе к оптическому или комбинированному электрооптическому инициированию пробоя.

Анализ экспериментальных зависимостей порогов электрического и оптического пробоя газов показывает, что пробойные значения напряженности электрического поля сопоставимы в диапазоне давлений многих газов ~5·10⁵–5·10⁶ Па [1]. Это значит, что, начиная с этих давлений, лазерное инициирование пробоя может быть более энергетически эффективным, чем электрическое. Результатом лазерного воздействия на углеводородо-воздушные смеси может быть инициирование горения (теплового или кинетического) и оптического пробоя.

Преимущества лазерного инициирования пробоя в углеводородных топливных смесях заключаются в том, что концентрация вредных соединений (NO_x, CO, СH) в продуктах сгорания пропорциональна температуре в камере сгорания, понизить которую можно при использовании обедненных смесей. Поджиг таких смесей электрической искрой требует существенного увеличения мощности системы зажигания, что приводит к уменьшению ресурса свечи. Удельная мощность ДВС пропорциональна степени сжатия в камере сгорания, повышение давления в разумных пределах приводит к увеличению потребного напряжения при электроискровом зажигании, в то время как порог лазерного зажигания снижается. Лазерное зажигание может эффективно применяться и при низких давлениях в камере сгорания – при создании и импульсно-периодическом поддержании лазерной плазмы (оптический плазмотрон) в двигателях с непрерывной подачей топлива.

Целью данной работы является исследование возможности взаимного снижения порогов пробоя при одновременном оптическом и электрическом воздействии на газ, а также возможность снижения порогов пробоя основного газа при добавлении незначительных количеств другого.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (Рисунок 1) создана на основе вакуумной камеры малого объема, откачиваемой безмасляным вакуумным агрегатом (PfeiffervacuumTSH071e), давление в которой регистрируется мембранным вакуумметром (CeravacCTR100), нечувствительным к сорту газа. Давление газа в экспериментальном объеме изменялост от 10⁵ до 4∙10³ Па. Источником лазерного излучения служит наносекундный (τ~18 нс) Nd:YAG-лазер (LotisTIILS-2147), в экспериментах использовалось излучение второй гармоники (λ~532 нм) с максимальной энергией в импульсе E_max~0,35 Дж, при воздействии которой спектрально-энергетические пороги пробоя инертных газов максимальны [2]. Излучение фокусировалось кварцевой линзой F~150 мм в пятно диаметром d_л~0,12 мм. Подвижные электроды обеспечивают возможность изменения параметра pd, характеризующего режим осуществления электрического пробоя согласно закону Пашена, расстояние между ними было зафиксировано на уровне d~3,8 мм. Положительный потенциал до U~5 кВ от блока питания (StanfordResearchSystemsPS350/5000V-25W) подавался через высоковольтный гермоввод на один из плоских электродов, второй электрод был заземлен. Регистрация факта пробоя осуществлялась по наличию вспышки при чисто оптическом и замыканию электрической цепи при комбинированном пробое. Для дозированного напуска спектрально чистых (>99,998%, Lindegas) газов (He – потенциал ионизации I _He~24,47 эВ, Ne I _Ne~21,55 эВ, Ar I _Ar~15,75 эВ, Kr I _Kr~13,99 эВ) собран специальный узел, состоящий из откачиваемого буферного объема и регулируемого напускного клапана (PfeiffervacuumEVD 010H), соединенный с газовыми баллонами через редукторы. После напуска газа в мишенную камеру до нужного парциального давления (начиная с меньшего) буферный объем откачивался, и в него напускался другой газ.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

1 – Nd:YAG лазер с генераторами гармоник; 2 – электроды; 3 – диодный лазер; 4 – полуволновая пластинка; 5 – телескоп; 6 – призма Волластона; 7 – поляризационный фильтр; 8 – ПЗС-камера с ЭОП; 9 – осциллограф; 10 – высоковольтный блок питания; 11 – прецизионный натекатель; 12 – газовый баллон; 13 – мембранный вакуумметр (баратрон); 14 – безмасляный вакуумный агрегат; 15 – вакуумная камера; 16 – спектрометр с оптоволокном

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Сначала были определены оптический и электрический пороги чистых газовых при различных давлениях (Рисунок 2), полученные результаты соответствуют известным из литературы [3], затем были определены пороги комбинированного пробоя, для чего при фиксированном напряжении изменялась плотность мощности излучения до достижения порога. Как известно, оптический пробой среды в известной степени имеет вероятностный характер. Зависимость вероятности оптического пробоя воздуха от плотности мощности излучения представлена на Рисунок 3. Далее для порогов оптического пробоя мы приводим значения плотности мощности излучения, соответствующие вероятности пробоя 50% [4]. Стоит отметить, что между сериями измерений напряжение отключалось для нейтрализации газа, т.к. накопление заряженных частиц приводило к искажению результатов измерений (особенно заметным этот эффект был при проведении контрольных экспериментов на воздухе). Для чистых газов снижение порога оптического пробоя в приложенном электрическом поле особенно ярко проявляется при пониженных давлениях.

Рисунок 2 – Оптический и электрический пороги чистых газовых при различных давлениях. Темными символами показаны пороги электрического пробоя, светлыми – оптического; 1 – Воздух, 2 – Ar, 3 – He, 4 – Kr, 5 – Ne

Рисунок 3 – Зависимость вероятности оптического пробоя атмосферного воздуха от плотности мощности лазерного излучения

Следующая серия экспериментов была проведена для выяснения необходимой концентрации (парциального давления) присадки, при которой становится заметным эффект снижения порогов оптического пробоя. Для этого концентрация присадки изменялась как 50 %, 40 %, 10 %, 5 %, 1 %. Как видно из Рисунок 4 и Рисунок 5, если эффект снижения порогов оптического пробоя имел место, то это происходило уже добавке небольшого количества присадки. Для Ne – Ar и Ne – Kr смесей увеличение концентраций присадок Ar и Kr свыше 1% и 5% соответственно уже не имело смысла с точки зрения снижения порога оптического пробоя вследствие эффекта Пеннинга. При добавлении 1% Ne в Ar (Рисунок 5) – аномального эффекта, упоминавшегося в [5], не выявлено. Снижение порога оптического пробоя по сравнению с чистым основным газом сопровождалось увеличением порога электрического пробоя, обратных случаев в наших экспериментах не выявлено. Для 90% He – 10% Ne (p ~ 9·10⁴ Па) наблюдался эффект увеличения порога электрического пробоя (Рисунок 6а), без снижения порога оптического, при уменьшении давления данное явление стало менее выраженным (Рисунок 6б).

Рисунок 4 – Зависимость величины порога электрооптического пробоя смесей Ne – Kr(p~9∙10⁴ Па) от напряженности электрического поля и плотности мощности лазерного излучения

1 – 50% Ne – 50% Kr, 2 – 60% Ne – 40% Kr, 3 – 90% Ne – 10% Kr, 4 – 95% Ne – 5% Kr, 5 – 99% Ne – 1% Kr, 6 – 100% Kr, 7 – 100% Ne

Рисунок 5 – Зависимость величины порога электрооптического пробоя смеси Ne – Ar (p~9∙10⁴ Па) от напряженности электрического поля и плотности мощности лазерного излучения

1 – 100% Ne, 2 – 100% Ar, 3 – 99% Ne – 1% Ar, 4 – 99% Ar – 1% Ne

Рисунок 6 – Зависимость величины порога электрооптического пробоя смеси Ne – He (а – p~9∙10⁴ Па, б – p~3.4∙10⁴ Па) от напряженности электрического поля и плотности мощности лазерного излучения

1 – 100% He, 2 – 100% Ne, 3 – 90% He – 10% Ne

В отличие от чистых газов и бинарных смесей нам не удалось найти в литературе результатов исследования пробойных явлений в тройных смесях. При выполнении серии экспериментов с добавлением к основному газу небольших количеств сразу двух присадок нами впервые обнаружен эффект взаимного подавления одной присадкой влияния другой на величины порогов электрического и оптического пробоя. Так взаимное подавление  влияния (негативная интерференция) аргона и криптона (оба являются пеннинговскими присадками – Рисунок 4, Рисунок 5) наблюдалось в неоне (Рисунок 7).

Рисунок 7 –Зависимость величины порога электрооптического пробоя смеси Ne – Ar – Kr (p~9∙10⁴ Па) от напряженности электрического поля и плотности мощности лазерного излучения

1 – 100% Ne, 2 – 100% Ar, 3 – 100% Kr, 4 – 99% Ne – 1% Ar, 5 – 98% Ne – 1% Ar – 1% Kr

Заключение

Таким образом, в результате выполненных экспериментальных исследований определены пороги оптического, электрического и комбинированного электрооптического пробоя для чистых инертных газов, их бинарных и тройных смесей с различным соотношением компонентов. Обнаружено, что снижение порога оптического пробоя в присутствии электрического поля особенно ярко проявляется при пониженных давлениях. Для некоторых бинарных смесей обнаружено снижение порога оптического пробоя (при этом порог электрического пробоя по отношению к порогу электрического пробоя буферного газа повышается), при этом этот эффект проявляется уже при незначительных концентрациях присадок ~1–5%.

Для тройных смесей впервые обнаружено взаимное подавление влияния (негативная интерференция) пеннинговских присадок на изменение порогов пробоя. Таким образом, при попытках многофакторного снижения порогов пробоя влияние факторов может взаимно уничтожаться.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты №№ 16.518.11.7016, 16.120.11.328-МК) и Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 13-08-01391, 11-08-00843).

Список литературы

1. Островская Г.В., Зайдель А.Н. Лазерная искра в газах // Успехи физических наук. 1973. Т. 111, № 4. С. 579-615. DOI: DOI: 10.1070/PU1974v016n06ABEH004094

2. Buscher H.T., Tomlinson R.G., Damon E.K. Frequency Dependence of Optically Induced GAS Breakdown // Physical Review Letters. 1965. Vol. 15, no. 22. P. 847-849.

3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный: ИД "Интеллект", 2009. 736 с.

4. Воронина Э.И. Оптическая прочность полимерных материалов при их лазерной абляционной деструкции / Э.И. Воронина, В.П. Ефремов, В.Е. Привалов, П.В. Чартий, В.Г. Шеманин // Журнал технической физики. 2009. Т. 79, № 5. С. 143-145.

5. Мульченко Б.Ф., Райзер Ю.П. Лазерный пробой смесей неона с аргоном и роль фотоионизации возбужденных атомов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1971. Т. 60, № 2. С. 643-650.