Методы измерения концентрации электронов в ударных волнах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрено современное состояние исследований по измерению концентрации электронов в низкотемпературной плазме в окрестности сильной ударной волны, моделирующей условия входа спускаемых космических аппаратов в атмосферу Земли. Проанализированы различные физико-химические процессы, приводящие к образованию низкотемпературной плазмы как перед фронтом ударной волны, так и в ударно-нагретом газе. Сделан критический обзор различных методов диагностики плазмы, отмечены их достоинства и недостатки. Проведен анализ многочисленных экспериментальных данных по измерению концентрации электронов в различных ударно-нагретых газах при различных условиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. Я. Герасимов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

В. Ю. Левашов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

П. В. Козлов

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

Н. Г. Быкова

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

И. Е. Забелинский

Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Email: vyl69@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Shang J.S., Surzhikov S.T. // Prog. Aerospace Sci. 2012. V. 53. P. 46. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2012.02.003
  2. Суржиков С.Т. // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 7. С. 48.
  3. Bykova N.G., Gochelashvily K.S., Karfidov D.M. et al. // Appl. Optics. 2017. V. 56. P. 2597. https://doi.org/10.1364/AO.56.002597
  4. Luís D., Giangaspero V., Viladegut A. et al. // Acta Astronaut. 2023. V. 212. P. 408. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.028
  5. Uyanna O., Najafi H. // Acta Astronaut. 2020. V. 176. P. 341. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.06.047
  6. Experimental methods of shock wave research / Eds. Igra O., Seiler F. N.Y.: Springer, 2016.
  7. Reyner P. // Prog. Aerospace Sci. 2016. V. 85. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2016.04.002
  8. Gu S., Olivier H. // Prog. Aerospace Sci. 2020. V. 113. № 100607. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2020.100607
  9. Герасимов Г.Я., Козлов П.В., Забелинский И.Е., Быкова Н.Г., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 17.
  10. Brandis A.M., Johnston C.O., Cruden B.A., Prabhu D., Bose D. // J. Thermophys. Heat Trans. 2015. V. 29. P. 209. https://doi.org/10.2514/1.T4000
  11. McGilvray M., Doherty L.J., Morgan R.G., Gild find D.E. // AIAA Paper. 2015. № 3543. https://doi.org/10.2514/6.2015-3545
  12. Wei H., Morgan R.G., McIntyre T.J. // AIAA Paper. 2017. № 4531. https://doi.org/10.2514/6.2017-4531
  13. Ibragimova L.B., Sergievskaya A.L., Levashov V.Yu., Shatalov O.P., Tunik Yu.V., Zabelinskii I.E. // J. Chem. Phys. 2013. V. 139. № 034317. https://doi.org/10.1063/1.4813070
  14. Котов М.А., Козлов П.В., Герасимов Г.Я. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 8. С. 31.
  15. Tereza A.M., Kozlov P.V., Gerasimov G.Ya., Leva shov V.Yu., Zabelinsky I.E., Bykova N.G. // Acta Astronaut. 2023. V. 204. P. 705. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.11.001
  16. Быкова Н.Г., Забелинский И.Е., Козлов П.В., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 34.
  17. Ступоченко Е.В., Лосев С. А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965.
  18. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. Л.: Наука, 1970.
  19. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит, 2008.
  20. Lemal A., Nomura S., Fujita K. // Hypersonic Meteoroid Entry Physics. Eds. Colonna G., Capitelli M., Laricchiuta A. Bristol: IOP Publ., 2019. P. 9.
  21. Weymann H.D. // Phys. Fluids. 1969. V. 12. P. 1193. https://doi.org/10.1063/1.1692651
  22. Kim M., Gülhan A., Boyd I.D. // J. Thermophys. Heat Transf. 2012. V. 26. P. 244. https://doi.org/10.2514/1.T3716
  23. Котов М.А., Козлов П.В., Осипенко К.Ю., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 42.
  24. Железняк М.Б., Мнацаканян А.Х., Сизых С.В. // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 3. С. 423.
  25. Penney G.W., Hummert G.T. // J. Appl. Phys. 1970. V. 41. P. 572. https://doi.org/10.1063/1.1658715
  26. Naidis G.V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2006. V. 15. P. 253. https://doi.org/10.1088/0963-0252/15/2/010
  27. Jiang M., Li Y., Wang H., Zhong P., Liu C. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. № 012127. https://doi.org/10.1063/1.5019478
  28. Gorelov V.A., Gladyshev M.K., Kireev A.Y., Yego rov I.V. // J. Thermophys. Heat Transf. 1998. V. 12. P. 172. https://doi.org/10.2514/2.6342
  29. Дикалюк А.С., Суржиков С.Т. // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 1. С. 143.
  30. Katsurayama H., Matsuda A., Abe T. // AIAA Paper. 2007. № 4552. https://doi.org/10.2514/6.2007-4552
  31. Cherrington B.E. // Plasma Chem. Plasma Process. 1982. V. 2. P. 113. https://doi.org/10.1007/BF00633129
  32. Алексеев Б.В., Котельников В.А. Зондовый метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988.
  33. Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1996.
  34. Bryant P.M. // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V. 18. № 014013. https://doi.org/10.1088/0963-0252/18/1/014013
  35. Ершов А.П. Метод электрических зондов Ленгмюра. М.: Изд-во МГУ, 2007.
  36. Demidov V.I., Ratynskaia S.V., Rypdal K. // Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73. P. 3409. https://doi.org/10.1063/1.1505099
  37. Merlino R.L. // Am. Ter. J. Phys. 2007. V. 75. P. 1078. https://doi.org/10.1119/1.2772282
  38. Stanley S.A., Carlson L.A. // J. Spacecr. Rockets. 1992. V. 29. P. 190. https://doi.org/10.2514/3.26334
  39. Johnson C.O., Mazaheri A., Gnotto P. et al.// AIAA Paper. 2011. № 3145. https://doi.org/10.2514/6.2011-3145
  40. Nomura S., Kawakami T., Fujita K. // J. Thermophys. Heat Transf. 2021. V. 35. P. 518. https://doi.org/10.2514/1.T6057
  41. Горелов В.А., Кuльдюшова Л.А., Чернышев В.М. // Уч. записки ЦАГИ 1977. Т. 8. № 6. С. 49.
  42. Fujita K., Sato S., Abe T., Matsuda A. // AIAA Paper. 2001. № 2765. https://doi.org/10.2514/6.2001-2765
  43. Горелов В.А., Кильдюшова Л.А., Чернышев В.М. // Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. № 3. С. 449.
  44. Kirchhoff R.H., Peterson Е.W., Talbot L. // AIAA Journal. 1971. V. 9. P. 1686. https://doi.org/10.2514/3.49974
  45. Залогин Г.И., Лунев В.В., Пластинин Ю.А. // Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. № 1. С. 105.
  46. Wang S., Cui J.P., Fan B.C., et al. // Shock waves / Ed. Jiang Z. Berlin: Springer, 2005. P. 269.
  47. Ryan P.J., Bradley J.W., Bowden M. D. // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. № 040702. https://doi.org/10.1063/1.5094602
  48. Власов П.А., Михайлов Д.И., Панкратова И.Л., Полянский В.А. // Изв. РАН. МЖГ. 2020. № 6. С. 17.
  49. Anbuselvan K.K.N., Anand V., Krishna Y., Rao M.G. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2021. V. 272. № 107744. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107744
  50. Konjević N., Ivković M., Sakan N. // Spectrochim. Acta, Part B. 2012. V. 76. P. 16. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.06.026
  51. Chai K.-B., Kwon D.-H. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2019. V. 227. P. 136. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.02.015
  52. Kozlov P.V., Zabelinsky I.E., Bykova N.G., Gerasi mov G.Ya., Levashov V.Yu., Tunik Yu.V. // Acta Astronaut. 2022. V. 194. P. 461. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.10.032
  53. Gigosos M.A., Cardeñoso V. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1996. V. 29. P. 4795. https://doi.org/10.1088/0953-4075/29/20/029
  54. Gigosos M.A., Gonzalez M.A., Cardeñoso V. // Spectro chim. Acta, Part B. 2003. V. 58. P. 1489. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(03)00097-1
  55. Fujita K., Sato S., Abe T., and Otsu H. // J. Thermophys. Heat Transf. 2003. V. 17. P. 210. https://doi.org/10.2514/2.6753
  56. Yamada G. // AIAA J. 2022. V. 60. P. 5645. https://doi.org/10.2514/1.J061470
  57. Cruden B.A. // J. Thermophys. Heat Transf. 2012. V. 26. P. 222. https://doi.org/10.2514/1.T3796
  58. Li Y., Wang S., Strand C.L., Hanson R.K. // Plasma Sources Sci. Technol. 2021. V. 30. № 025007. https://doi.org/10.1088/1361-6595/abdd12
  59. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978.
  60. Li Y., Wang S., Strand C.L., Hanson R.K. // J. Phys. Chem. A. 2020. V. 124. P. 3687. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c00466
  61. Minesi N.Q., Nair A.P., Richmond M.O., Kuenning N.M., Jelloian C.C., Spearrin R.M. // Appl. Opt. 2023. V. 62. P. 782. https://doi.org/10.1364/AO.479155
  62. Evdokimov K.E., Konischev M.E., Pichugin V.F., Sun Z. // Resource-Efficient Technol. 2017. V. 3. P. 187. https://doi.org/10.1016/j.reffit.2017.04.002
  63. Lin K., Nezu A., Akatsuka H. // Jpn. J. Appl. Phys. 2022. V. 61. № 116001. https://doi.org/10.35848/1347-4065/ac88ac
  64. Wang Y.-F., Zhu X.-M. // Spectrochim. Acta Part B. 2023. V. 208. № 106777. https://doi.org/10.1016/j.sab.2023.106777
  65. Хилд М., Уортон С. Микроволновая диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1968.
  66. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968.
  67. Душин Л.А. СВЧ-интерферометры для измерения плотности плазмы в импульсном газовом разряде. М.: Атомиздат, 1973.
  68. Seo S.-H. // Fusion Eng. Design. 2023. V. 190. № 113501. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113501
  69. Cappelli M.A., Gascon N., Hargus W.A., Jr. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. P. 4582. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/21/013
  70. Dittmann K., Kullig C., Meichsner J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. V. 21. № 024001. https://doi.org/10.1088/0963-0252/21/2/024001
  71. Tudisco O., Fabris A.L., Falcetta C. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 033505. https://doi.org/10.1063/1.4797470
  72. Seo S.-H., Park J., Wi H.M. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2013. V. 84. № 084702. https://doi.org/10.1063/1.4817305
  73. Сидоров А.В., Круткин О.Л., Алтухов А.Б. и др. // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 4. С. 553.
  74. Власов П.А., Карасевич Ю.К., Панкратьева И.Л., Полянский В.А. // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2008. Т. 6. № 1.
  75. Glass I.I., Liu W.S. // J. Fluid Mech. 1978. V. 84. P. 55. https://doi.org/10.1017/S002211207800004X
  76. Kapper M.G., Cambier J.-L. // J. Appl. Phys. 2011. V. 109. № 113308. https://doi.org/10.1063/1.3585688
  77. Agafonov G.L., Mikhailov D.I., Smirnov V.N. et al. // Combust. Sci. Technol. 2016. V. 188. P. 1815. https://doi.org/10.1080/00102202.2016.1211861
  78. Toujani N., Alquaity A.B.S., Farooq A. // Rev. Sci. Instrum. 2019. V. 90. № 054706. https://doi.org/10.1063/1.5086854
  79. Lim J.S., Hong Y.J., Ghimire B., Choi J., Mumtaz S., Choi E.H. // Results Phys. 2021. V. 20. № 103693. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103693
  80. Ananin O.B., Bashutin O.A., Bogdanov G.S. et al. // Phys. Procedia. 2015. V. 71. P. 142. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.08.335
  81. Янин Д.В., Костров А.В., Смирнов А.И., Стриковский А.В. // ЖТФ. 2008. Т. 78. № 1. С. 133.
  82. Karkari S.K., Ellingboe A.R., and Gaman C. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. № 071501. https://doi.org/10.1063/1.2971236
  83. Galka A.G., Malyshev M.S., Kostrov A.V. // Radiophys. Quantum El. 2023. V. 65. P. 555. https://doi.org/10.1007/s11141-023-10236-0
  84. Горелов В.А., Киреев А.Ю. // Физ.-хим. кинетика в газ. динамике. 2014. Т. 15. № 1.
  85. Palomares J.M., Hübner S., Carbone E.A.D. et al. // Spectrochim. Acta, Part B. 2012. V. 73. P. 39. https://doi.org/10.1016/j.sab.2012.07.005
  86. Zaidi S.H., Tang Z., Yalin A.P., Barker P., Miles R.B. // AIAA J. 2002. V. 40. P. 1087. https://doi.org/10.2514/2.1756
  87. Muraoka K., Kono A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. № 043001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/4/043001
  88. Fronda D.H., Ross J.S., Divol L., Glenzer S.H. // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. № 10E522. https://doi.org/10.1063/1.2336451
  89. Zhang H., Pilgram J.J., Constantin C.G. et al. // Instruments. 2023. V. 7. № 3. P. 25. https://doi.org/10.3390/instruments7030025
  90. Dzierżga K., Mendys A., Pokrzywka B. // Spectrochim. Acta, Part B.2014. V. 98. P. 76. https://doi.org/10.1016/j.sab.2014.03.010
  91. Roettgen A.M., Shkurenkov I., Lempert W.R., Adamo vich I.V. // AIAA Paper. 2015. № 1829. https://doi.org/10.2514/6.2015-1829

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение ионизационных процессов перед ударной волной: а – диффузия, б – фотоионизация [20]. Стрелкой показано направление движения ударной волны.

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость концентрации электронов перед сильной ударной волной в воздухе от расстояния до ударного фронта, измеренная зондовым методом при VSW = 12.3 (1), 11.5 (2) и 10.7 км/с (3) [40]. Начальное давление p0 = 0.23 Торр.

Скачать (43KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость концентрации электронов за сильной ударной волной в воздухе от скорости ударной волны, измеренная зондовым методом [43]. Линия – результаты равновесного расчета.

Скачать (42KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Электронные концентрации, измеренные за сильной ударной волной в воздухе на основе анализа штарковского уширения линий N (410 и 411 нм) при p0 = 0.9 (1), 0.5 (2), 0.2 (3) и 0.1 Торр (4) [57]. Линии – результат равновесного расчета.

Скачать (53KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Временна́я зависимость концентрации электронов в смеси 1% O2 + Ar за отраженной ударной волной при T = 11209 K и p = 0.37 атм, измеренная методами штарковского уширения (1) и штарковского сдвига (2) [58]. Линия – результаты расчета.

Скачать (39KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Интенсивность эмиссионных спектральных линий аргона, измеренная в плазме магнетронного разряда при мощности разряда 1 кВт и давлении 0.06 Па (1) и вычисленная с помощью столкновительно-радиационной модели (2) [62].

Скачать (50KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение экспериментальной зависимости ne = ne(x) за падающей ударной волной в Ar (1) при p0 = 5 Торр и VSW = 4.2 км/с [75] с результатами расчета (2) по столкновительно-радиационной модели [76].

Скачать (39KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение временны́х зависимостей ne, измеренных СВЧ-интерферометром с линиями Лехера (треугольники) и рупорно-линзовой фокусировкой (квадраты) при воспламенении смеси 0.5% СН4 + + 2% O2 + 97.5% Ar за отраженной ударной волной [77].

Скачать (33KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024