Исследование термодинамических и оптических свойств плазмы элементов полимерного ряда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование термодинамических и оптических свойств плазмы элементов полимерного ряда

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Среди передовых научно-технических программ особое внимание уделяется новейшим плазменным и фотонным технологиям высокой плотности мощности. С использованием плазмы - как активной среды энергетических и технологических установок - связан целый ряд перспективных проектов, призванных внести существенные изменения в общую энергетику, высокую технологию машино-приборостроительного цикла; с созданием же принципиально новых плазменно-фотонных устройств и систем сопряжено расширение как диапазона изменения основных параметров плазмы, так и номенклатуры плазмообразующих веществ. Для исследований и разработок перспективных плазменных и радиационно-плазмодинамических систем, физического и численного моделирования рабочих процессов в них, особенно актуальна проблема создания банков данных по термодинамическим, оптическим, переносным и др. физико-химическим свойствам плазмы: металлов, диэлектриков и газов. При значительной потребности в характеристиках плазмы сложного химического состава, в литературе имеется весьма ограниченный объем информации такого рода. Это связано, во-первых, с принципиальными экспериментально-теоретическими трудностями, возникающими при многофакторном анализе свойств плазмы высокой концентрации (n₀ > 10¹⁷ см^-3) из-за мало изученного влияния плазменного окружения на внутренние состояния атомов и ионов (т.н. неидеальность плазмы); во-вторых, с высокой трудоемкостью вычислений; в-третьих, с проблемой представления, автоматизированной обработки, хранения и использования больших массивов необходимой информации. Исходя из реальных потребностей численного и физического моделирования рабочих процессов плазменных и фотонных энергоустановок в формализме радиационной газо- и плазмодинамики, физики взаимодействия мощного излучения с веществом и др., практический интерес представляют данные об ионизационном составе, термодинамических функциях, оптических и транспортных (переносных) характеристиках плазмы сложного химического и ионизационного состава в широком диапазоне изменения ее параметров - температуры (T~10-¹-10³ эВ), плотности (~10-⁴-10² кг/м³) и энергии квантов (h~ 10-¹-10⁴ эВ).

Получение надежной количественной информации по каждому из этих разделов является самостоятельной экспериментальной и расчетно-теоретической задачей, а результат исследований и разработок - генерация предметных баз данных. Совокупность тематических баз данных отдельно по каждому разделу должна формировать банки данных общих физико-химических характеристик плазмы; генерация таких банков данных является сложной задачей, т.к. ведется двумя путями: как расчетно-теоретическим, так и экспериментальным. Дополнительное требование к системе наполнения банков данных - ее универсальность (невозможно предсказать полную номенклатуру элементов, веществ и соединений, данные о которых могут потребоваться в конкретном инженерном анализе и проектировании широкого спектра плазменных и фотонных устройств и систем). Таким образом, задача создания банков данных по термодинамическим, оптическим и транспортным свойствам многокомпонентной плазмы (БД «ТОТ»), заключается в:

1) создании комплекса программ для расчета оптических, переносных и термодинамических свойств многокомпонентной плазмы в широком диапазоне изменения основных ее параметров (температуры, плотности и энергий квантов излучения). Такой вычислительный комплекс должен удовлетворять следующим требованиям: во-первых, выполнять большое число вычислительных операций (учет только элементарных радиационных процессов требует вычисления соответствующих сечений и других сопряженных характеристик для (как минимум) ~ 10⁴ переходов); во-вторых, поддерживать объемные базы данных по квантовомеханическим состояниям атомов и ионов (до ~10⁴ состояний на каждый ион, ~10⁵ состояний на элемент); в-третьих, быть открытым для дальнейшего развития и структурной модификации, позволять с малыми затратами заменять или добавлять новые физические методики расчета и анализа; в-четвертых, позволять получать результаты с минимальными затратами времени;

2) генерации автоматизированных банков данных с открытым входом по термодинамическим, оптическим, транспортным свойствам многокомпонентной плазмы на основе разрабатываемого комплекса программ. Такие банки данных должны представлять информационную систему (ИС), которая позволяла бы получать необходимую физико-химическую справочную информацию в максимально удобном виде, быть легко модифицируемой в соответствии с изменением расчетных моделей, удовлетворять современным требованиям и стандартам, быть сопрягаемой с информационно-вычислительными системами высокого уровня.

Цель работы - создание банков экспериментальных и расчетно-теоретических данных термодинамических и оптических характеристик плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) в широком диапазоне изменения основных ее параметров: температуры (Т~5-5·10³ кК), плотности (~10-⁴-10² кг/м³), энергии квантов в спектре поглощения излучения (h~0.1-10³ эВ).

Основными задачами, решаемыми в работе являются:

- разработка комплекса методик расчета ионизационного состава, термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда, позволяющего проводить многопараметрическую оптимизацию рабочих процессов в плазменных технологических и энергетических установках, использующих в качестве активных сред плазмообразующие вещества сложного химического состава;

- создание комплекса служебных программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда (АСНИР «ТОТ-МГТУ») с применение объектно-ориентированного подхода и сопряжением с объемными базами данных для задач численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности;

- экспериментальное определение химического состава, спектральных коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава в газоразрядных ячейках широкого диапазона плотностей и температур, проведение сравнительного анализа экспериментальных и расчетно-теоретических данных основных оптических характеристик многокомпонентных плазм элементов полимерного ряда;

- создание банков расчетно-теоретических и экспериментальных данных, включающих: 1) базы данных по квантовомеханическим характеристикам атомов и ионов - базы данных «ТОТ-состояния»; 2) термодинамические функции (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, адиабатная скорость звука, термическое уравнение состояния) - базы данных «ТОТ-термодинамика»; 3) оптические характеристики (коэффициенты поглощения в непрерывном дискретном спектрах, интегральные характеристики спектра поглощения, эффективные степени черноты) - базы данных «ТОТ-оптика», «ТОТ-линии» - плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) и их смесей в диапазоне температур Т~5-5000 кК и плотностей ~10-⁴-10² кг/м³ и энергий квантов hn~10-¹-10³ эВ.

Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем:

1. Разработан комплекс методик для массовых расчётов термодинамических функций и коэффициентов поглощения многокомпонентной равновесной плазмы.

2. Численно исследованы термодинамические и оптические свойства плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) в ранее не изучавшихся интервалах температур и плотностей.

3. Выполнен цикл экспериментального определения спектральных коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава в газоразрядных ячейках широкого диапазона плотностей и температур в ИК-УФ диапазоне спектра.

4. Созданы банки данных по химическому и ионизационному составу, термодинамическим (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, адиабатная скорость звука, термическое уравнение состояния) и оптическим (коэффициенты поглощения в непрерывном и дискретном спектрах, многогрупповое осреднение) характеристикам плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) в диапазонах: температур (Т~5-5000 кК), плотностей (~10-⁴-10² кг/м³), энергий квантов (h~0.1-1000 эВ).

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методик измерения и воспроизводимостью результатов, подтверждается сравнением экспериментальных и расчетных результатов с данными других авторов.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что получены новые данные, необходимые для исследований и разработок широкого круга плазменных процессов и устройств, использующих в качестве активных сред плазмообразующие элементы полимерного ряда. Разработанный комплекс методик и программ может быть использован для исследования термодинамических и оптических свойств многокомпонентной плазмы не только элементов полимерного ряда, но и других плазмообразующих веществ сложного химического состава, имеющих важное научное и прикладное значение.

Личное участие автора заключается в проведении исследований и анализа по всем разделам работы, автор принимал равноправное участие в создании программного комплекса расчета термодинамических, оптических и переносных характеристик многокомпонентной плазмы, в проведении экспериментов, численного моделирования и в анализе полученных результатов.

На защиту выносятся:

- комплекс реализованных расчетных методик термодинамических функций и коэффициентов поглощения излучения в непрерывном и дискретном спектрах многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда в широком диапазоне изменения основных параметров (концентрации, температуры, энергии квантов);

- результаты численного моделирования ионизационного состава, термодинамических функций, коэффициентов поглощения равновесной плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) в диапазоне температур Т~5-5000 кК и плотностей ~10-⁴-10² кгм³;

- результаты экспериментального определения частотной (по спектру) зависимости коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава на стандартных лазерных частотах и в ИК-УФ континууме;

- банки данных по химическому и ионизационному составу, термодинамическим (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, адиабатная скорость звука, термическое уравнение состояния) и оптическим (коэффициенты поглощения в непрерывном и дискретном спектрах, многогрупповое осреднение) характеристикам плазмы элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) в диапазонах: температур (Т~5-5000 кК), плотностей (~10-⁴-10² кг/м³), энергий квантов (h~0.1-1000 эВ).

Апробация работы и публикации.

Основные положения и результаты работы докладывались на IV Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике Москва, Россия, 1997; Международной конференции, посвященной 145-летию со дня рождения В.Г. Шухова, Москва, Россия, 1998 г.; XXV Гагаринских чтениях (Международная молодежная научная конференция) Москва, Россия, 1999 г.; XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», Москва, Россия, 2000 г., I Международной научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии», Москва, Россия, 2004 г., Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, 2005

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, трех тематических глав, заключения и списка литературы. Она содержит 146 стр. основного текста, 34 рисунков, 21 таблицу, библиографию 110 наименований.

Содержание работы

плазма химический термодинамический оптический

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, кратко описана структура работы и перечислены основные положения, выносимые автором на защиту.

Глава 1 посвящена анализу: общих принципов построения автоматизированной системы научных и инженерных расчетов для определения термодинамических, оптических и транспортных характеристик многокомпонентной атомарной плазмы (АСНИР «ТОТ-МГТУ»); созданию иерархической структуры на основе принципа открытости комплекса для дальнейшего развития, поддержки объемной базы данных и возможности использования результатов, частей и всего комплекса в задачах численного моделирования реальных плазменных устройств. Определяются основные положения проведения вычислительного эксперимента по нахождению оптических и термодинамических характеристик многокомпонентной атомарной плазмы, проводится анализ диапазонов изменения входных параметров, определяется номенклатура учитываемых элементарных радиационных процессов и формируются и обосновываются основные принципы алгоритмизации поставленной задачи, включая решение следующих укрупненных подзадач: определение - парциального состава и термодинамических функций; сечений фотоионизации оболочек атомов и ионов; коэффициентов поглощения излучения в непрерывном спектре; сил осцилляторов, параметров уширения и профиля линии разрешенных дипольных переходов; суммарного (непрерывный + линии) спектра поглощения излучения; интегральных характеристик эмиссионного / абсорбционного спектра.

Для решения отмеченных подзадач необходимы следующие входные данные (в случае полного или локального термодинамического равновесия): плотность, температура, элементный состав плазмы, а также генерация баз данных по энергетическим уровням атомов и ионов, входящих в плазмообразующую смесь. Как базовый определен следующий диапазон изменения основных параметров плазмы: температуры T~1-100 эВ; концентрации N₀~10¹⁵-10¹⁹ см-³; энергии квантов излучения h~10-¹-10³ эВ.

В соответствии с принятым объектно-ориентированным подходом и выделенными подзадачами развита следующая иерархическая структура построения комплекса. Объект моделирования («плазма») представляется несколькими уровнями детализации. Верхний уровень - «смесь», как совокупность составляющих ее химических элементов, характеризуемая набором параметров (температура, плотность, давление и т.д.). Следующий уровень - «элемент» (химический), как совокупность ионов различной кратности, характеризуемый своим набором параметров (атомный номер, атомный вес и т.д.). Далее следуют: «ион», как совокупность возможных энергетических состояний, «состояние», описываемое конфигурацией электронных оболочек, и «оболочка», характеризуемая набором квантовых чисел и количеством электронов. Каждому уровню детализации поставлен в соответствие базовый тип переменной - объект. На основе базовых объектов могут быть порождены объекты-потомки, наследующие необходимые свойства и методы предков и вносящие новый или модифицирующие старые свойства и методы, что позволило сделать комплекс открытым для дальнейшего расширения. На рис. 1 представлена структурная схема комплекса.

Для получения суммарных спектров поглощения плазмы должны быть учтены связанно-связанные переходы; вероятность каждого перехода определяется силой осциллятора. В модулях АСНИР «ТОТ-МГТУ» предусмотрен расчет сил осцилляторов и других параметров связанно - связанных оптических разрешенных дипольных переходов. В связи с тем, что суммарные (с учетом линий) спектры поглощения плазмы весьма громоздки (10⁵-10⁶ точек значений на исследуемом интервале изменения энергии квантов излучения), их использование как банка данных для дальнейших расчетов представляется весьма затруднительным. Избежать этого можно двумя путями. Первый - использование, где возможно, усредненных по группам квантов характеристик спектра, второй - передача информации между вычислительными системами.

Для описания дискретного спектра коэффициента поглощения значительно удобнее пользоваться таблицами спектральных линий, которые должны включать в себя данные (термы состояний, между которыми совершается переход) и характеристики переходов (сила осциллятора, параметры штарковского уширения). Разработанный программный комплекс генерирует базы данных спектральных линий («ТОТ-линии»), которые представляют самостоятельный практический интерес.

Рассмотрены принципы построения баз данных по энергетическим состояниям атомов и ионов плазмообразующих элементов («ТОТ-состояния»), предложена иерархическая структура данных и рассмотрен интерфейс с комплексом программ. Приводится современная библиография для наполнения баз данных и рассмотрены возможности разработки и совершенствования системы управления базами данных.

Глава 2 посвящена созданию математических моделей и программных компонент расчета термодинамических характеристик и ионизационного состава многокомпонентной атомарной равновесной плазмы, являющихся конкретным наполнением методов объектов детализации. Выполнен анализ методик расчета термодинамических характеристик и ионизационного состава многокомпонентной слабонеидеальной плазмы и на основе сопоставления рассмотренных методик с требуемым диапазоном расчета проведен выбор физической модели для последующего алгоритмирования. Приводятся методики расчета, которые реализованы в виде программного комплекса с базами данных, позволяющими рассчитывать свойства плазмы элементов полимерного ряда и любых их смесей (ограничение по количеству элементов связано с реальным наполнением баз данных и может быть увеличено путем занесения данных по энергетическим уровням атомов и ионов из справочной литературы и научной периодики). Парциальный состав и термодинамические функции многокомпонентной плазмы определялись, используя систему уравнений Саха-Эккерта, с учетом неидеальности (по кольцевому приближению в большом каноническом ансамбле). Приводятся результаты вычислительного эксперимента с использованием разработанного комплекса программ. Созданы базы данных по ионизационному составу и термодинамическим свойствам (давление, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, изобарная и изохорная теплоемкости, показатели адиабаты, уравнения состояния, скорость звука) плазмы элементов полимерного ряда и их смесей как функций от плотности и температуры (в диапазонах по плотности от 10-⁴ до 10² кг/м³ и температуре от 5 до 5000 кК) («ТОТ-термодинамика»). Генерация баз данных проведена расчетным путем, и в доступных областях диаграммы -Т проведено сравнение представленных результатов с экспериментальными и теоретическими данными (рис. 2). Базы данных представляют собой набор структурированной информации в форме таблиц, графиков (рис. 3), а также в текстовом (ASCII) формате. Представление этой информации в текстовом формате делает базы данных действительно аппаратно и программно независимыми. В целях обеспечения информативности графического представления результатов расчета термодинамических функций выделено 3 температурных поддиапазона: 5-25 кК, 25-100 кК, 100-1000 кК, помимо сводных графиков, охватывающих весь исходный диапазон температур. В электронной версии, представленные результаты легко модифицируемы - имеется возможность «увеличения» и «уменьшения» любой интересуемой области.

Глава 3 посвящена экспериментально-теоретическому исследованию оптических характеристик многокомпонентной атомарной плазмы: созданию математических моделей и программных компонент расчета, являющихся конкретным наполнением методов объектов детализации программного комплекса и выполнению цикла экспериментальных исследований по определению спектральных коэффициентов поглощения плазмы простого и сложного химического состава в газоразрядных ячейках широкого диапазона плотностей и температур.

Расчет коэффициентов поглощения излучения в непрерывном спектре основан на определении парциального вклада от сечений фотоионизации электронных оболочек атомов и ионов смеси, учитываемых индивидуально, тормозного спектра по формуле Крамерса с множителем Гаунта и интегрального учета сечений фотоионизации высоковозбужденных состояний. Метод расчета фотоионизационных спектров основных и низковозбужденных валентных и внутренних оболочек основан на известном законе подобия сечений фотоионизации атомов и ионов различной кратности ионизации по квантовым числам оболочек n и l. Аппроксимационные формулы метода расчета реализованы для атомов и всех ионов 26 элементов (от HI до FeXXVI). Расчет сечений фотоионизации возбужденных состояний с главным квантовым числом, большим, чем у основного состояния внешнего электрона проводился по методу квантового дефекта. Методика учета влияния неидеальности плазмы на непрерывный спектр поглощения излучения основывалась на использовании закона подобия по зарядовому числу.

Сравнение результатов расчета энтропии плазмы аргона с данными других авторов: [1] Ватолин Н.А., Моисеев Г.К., Трусов Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах. - М.:Металлургия, 1994. - 352 с., [2] Кацнельсон С.С., Ковальская Г.А. Теплофизические и оптические свойства аргоновой плазмы. - Новосибирск: Наука, 1985. - 149 с., [3] Термодинамические свойства индивидуальных веществ. В 4 т. /Под. ред. В.П. Глушко. - М.: Наука, 1974-1982

Термодинамические характеристики плазмы фтора: давление, удельная внутренняя энергия, удельная энтропия, удельная энтальпия, удельные изобарная и изохорная теплоемкости, показатель адиабаты, скорость звука, уравнения состояния

Расчет сил осцилляторов производился по методу Бейтса-Дамгаард, используя базы данных по квантово-механическим состояниям атомов и ионов. Параметры уширения и профиль линий определялись в приближении ударного (штарковского) уширения электронами и квазистатистического уширения ионами с учетом доплеровского механизма.

Приводятся результаты вычислительного эксперимента с использованием автоматизированной системы научных и инженерных расчетов АСНИР «ТОТ-МГТУ» на примере генерации баз данных оптических свойств для плазмы азота, кремния и фторопласта. Созданы базы данных по параметрам разрешенных оптических (дипольных) переходов (длина волны, сила осцилляторов, параметры штарковского уширения в поглощении) атомов и ионов («ТОТ-линии») элементов полимерного ряда. Информация представлена в табличном и электронном виде и содержит следующие данные для каждого разрешенного дипольного перехода: электронная конфигурация нижнего состояния; электронная конфигурация верхнего состояния; спиновой, орбитальный, полный моменты и четность нижнего состояния; спиновой, орбитальный, полный моменты и четность верхнего состояния; энергия нижнего и верхнего состояний; длина волны перехода; сила осциллятора; параметры штарковского уширения.

Описаны методика и результаты экспериментального определения частотной (по спектру) зависимости коэффициентов поглощения k_? на стандартных лазерных частотах (₁ ~ 10,6; 1,06; 1,03; 0,693; 0,4416; 0,241 мкм и гармоник) и в ИК-УФ континууме исследуемых газово-плазменных сред. Для экспериментального определения спектральных коэффициентов поглощения в ИК-УФ диапазоне спектра исследуемых газово-плазменных активных сред различного химического состава разработан на унифицированной элементной базе термостатированный оптический модуль, в котором блок источников зондирующего линейчатого излучения содержит набор газоразрядных ламп низкого давления, безэлектродных ламп с ВЧИ-возбуждением и спектральных ламп с тлеющим разрядом. Это позволяет изменять спектральный состав и спектральную плотность мощности резонансного излучения в пределах одного-двух порядков, используя стандартные регулировочные характеристики формирующих трактов БИК-

а б

Спектральные зависимости коэффициента непрерывного поглощения (C₂F₄)_n - плазмы: а) линии - расчет (1 - T_e ~ 1,23 эВ, n_e ~ 4,5·10¹⁶ см-³, 2 - T_e ~ 4,3 эВ, n_e ~ 7·10¹⁸ см-³, 3 - T_e ~ 3,5 эВ, n_e ~ 2·10¹⁹ см-³), точки - результаты эксперимента при тех же условиях; б) коэффициент непрерывного поглощения (1) (k_n [см-¹]), спектральная яркость (2) (В_n [Вт·см-²·стер-¹·(см-¹)-¹]) - расчет и плотность энергии излучения (3) (Е_n [Дж·см-²·эВ-¹]) - эксперимент

УФ диапазона спектра (~2,1-0,186 мкм). В этом модуле излучение источников линейчатого и сплошного спектра с помощью монохроматора предварительной дисперсии и набора интерференционных и поляризационных фильтров поступает на вход газоразрядных кювет с брюстеровскими окнами с активной средой и с помощью поворотных зеркал - в блок оптического компаратора и далее - на вход блока оптических приемников и анализаторов спектра на основе фотоэлектронных калориметров и коаксиальных фотоэлементов высокого разрешения со встроенными конденсаторами электропитания, при этом метрология зондирующего излучения проводится в каждом экспериментальном цикле.

Оптическая схема модуля позволяет проводить все необходимые диагностические измерения при вводе зондирующего излучения переменных частот в различных плоскостях в газоразрядные кюветы (ГРК) и применять стандартные методы эмиссионной и абсорбционной спектроскопии при поликанальной регистрации спектров. Блок лазерных источников стандартных частот выполнен на основе твердотельных и газоразрядных промышленных лазеров с оптическими преобразователями излучения и модуляторами добротности в регулируемых диапазонах импульсного и непрерывного зондирующего воздействия. Спектрально-энергетическая калибровка оптической системы модуля и метрологическая поверка спектрально-яркостных характеристик источников зондирующего излучения, спектральной чувствительности (в ИК-ВУФ-диапазоне) и временного разрешения анализаторов и приемников излучения приводятся с использованием вторичных стандартов спектральной яркости на основе излучателей типа ЭВ45, СИ2, ИСИ-1, ИВС-23. Выбирая характерный диапазон изменения параметров газово-плазменной среды в ГРК и соответствующие экспериментальные методики, были получены необходимые для сравнительного анализа, экспериментальные и расчетные данные по парциальному и ионизационному составу и оптическим характеристикам плазменных сред различного химического и ионизационного состава.

а б в

г д е

Оптические характеристики кремния. а-в. суммарный спектр коэффициента поглощения плазмы кремния для разных значений Т и , д-е - многогрупповое осреднение спектра поглощения кремния, по Росселанду - сплошная линия, по Планку - пунктир

Получаемые экспериментальные результаты сравнивались с расчетными, используя создаваемый комплекс баз и банков данных АСНИР «ТОТ-МГТУ» (раздел: оптические характеристики (C₂F₄)_n-, (СН₂)_n- и (CH₂O)_n-плазмы, исследованные в диапазоне температур Т~1-10 эВ, плотностей r~ 10-⁴-10⁰ кг/м³ и энергий квантов hn~10-¹-10³ эВ). Некоторые экспериментальные данные по частотной зависимости коэффициентов поглощения k_? на стандартных резонансных и лазерных частотах приводятся на рис. 4 для плазменных активных сред.

В результате исследований создана база экспериментальных и расчетно-теоретических данных по оптическим свойствам атомарной многокомпонентной неидеальной плазмы («ТОТ-оптика») плазмообразующих элементов полимерного ряда и их соединений как функций от энергии квантов, плотности и температуры плазмы (в диапазонах: плотности от 10-⁴ до 10² кг/м³, температуры от 5 до 5000 кК и энергии квантов излучения от 10-¹ до 10³ эВ) в виде суммарных спектров поглощения (рис 5а-в), многогруппового осреднения по Планку и Расселанду (рис 5 г-е), многогруппового осреднения с учетом оптической толщины среды, а также коэффициента поглощения излучения в непрерывном спектре.

Все перечисленные базы данных представляют собой набор структурированной физико-химической информации в форме таблиц, графиков, а также в текстовом (ASCII) формате.

Основные выводы

1. Разработан комплекс методик расчета ионизационного состава, основных термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда.

2. Создан комплекс служебных программ для автоматизированной системы научных и инженерных расчетов ионизационного состава, термодинамических функций и оптических характеристик равновесной неидеальной многокомпонентной атомарной плазмы элементов полимерного ряда. Применение объектно-ориентированного подхода и формат представления входной и выходной информации позволяют сделать комплекс открытым для дальнейшего развития, поддерживать объемные базы данных (по квантовомеханическим состояниям атомов и ионов) и обеспечить широкие возможности его использования в задачах численного моделирования и многопараметрического анализа рабочих процессов в плазменных энергетических установках высокой плотности мощности.

3. На основе выполненного цикла экспериментального определения химического и ионизационного состава, спектральных коэффициентов поглощения плазмы сложного химического состава в широком диапазоне плотностей и температур проведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетно-теоретических данных основных оптических характеристик многокомпонентных плазм элементов полимерного ряда. Получено удовлетворительное их соответствие в ИК-УФ диапазоне спектра.

4. В результате проведенных исследований для плазм элементов полимерного ряда (H, C, O, N, F, Si) и их соединений созданы банки расчетно-теоретических и экспериментальных данных, которые включают: 1) базы данных по квантовомеханическим характеристикам атомов и ионов - базы данных «ТОТ-состояния»; 2) термодинамические функции (давление, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, адиабатная скорость звука, термическое уравнение состояния) - базы данных «ТОТ-термодинамика»; 3) оптические характеристики (коэффициенты поглощения в непрерывном дискретном спектрах, интегральные характеристики спектра поглощения, эффективные степени черноты) - базы данных «ТОТ-оптика», «ТОТ-линии» - плазмы этих элементов и их смесей в диапазоне температур Т~5-5000 кК и плотностей ~10-⁴-10² кг/м³ и энергий квантов h?~10-¹-10³ эВ. Генерация таких банков данных является необходимым этапом для разработки системы автоматизированного проектирования высокоэнергетичных установок с плазменными активными средами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях

1. О создании и развитии банка данных по термодинамическим, оптическим и переносным свойствам плазмы / О.В. Казаков, О.В. Корышев, Д.О Ноготков и др. // Тез. докл. IV Межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодинамике. - М., 1997. - С. 16-18.

2. О создании базы данных для расчета оптических свойств плазмы элементов композитного ряда / О.В. Корышев, Д.О. Ноготков, Ю.С. Протасов, В.Д. Телех // Тез. Докл. Межд. конф. по явлениям в ионизованных газах. Тулуза, 1997. - С. 127-128.

3. Термодинамика сильноионизованной неидеальной плазмы в рамках квантово-статистической модели / Д.О. Ноготков Ю.С. Протасов, В.Д. Телех и др. // Труды XX Межд. конф. по стат. физике. - Париж. - 1998. - с. 435 - 437

4. Банк данных по термодинамическим, оптическим и переносным свойствам плазмы / О.В. Корышев, Д.М. Михайлов, Д.О. Ноготков и др. // Передовые технологии на пороге XXI века: Сб. тезисов докладов Международной конференции, посвященной 145-летию со дня рождения В.Г. Шухова. - М., 1998. - С. 593-594.

5. Термодинамические, оптические и транспортные свойства рабочих веществ плазменных и фотонных энергетических установок

/ О.В. Корышев, Д.О. Ноготков, Ю.Ю. Протасов и др.; Под ред. Ю.С. Протасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 640 с.

6. Ноготков Д.О., Телех В.Д. Оптические характеристики активных сред фотонных энергетических установок с газофазными и плазменными активными средами в континууме и на стандартных лазерных частотах // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: тез. докл. XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - М., 2000. - С. 98.

7. Разработка автоматизированной системы инженерного анализа термодинамических, оптических и транспортных характеристик рабочих веществ плазменных и фотонных энергодвигательных установок «ТОТ-МГТУ» / О.В. Казаков, У.М. Касимов, Д.О. Ноготков и др. // Аэрокосмические технологии: Сб. материалов I Международной научно-технической конференции. - Реутов, 2004. - С. 113.

8. Казаков О.В., Михайлов Д.М., Ноготков Д.О. и др. Исследование оптических характеристик активных сред и конструкционных материалов плазменных и фотонных энергетических установок высокой плотности мощности. // Тез. докладов Международного симпозиума «Образование через науку». - М., 2005. - С. 472.

9. Бондаренко К.Э., Михайлов Д.М., Ноготков Д.О., Протасов Ю.С. Разработка нового поколения АСНИР «ТОТ-МГТУ» для анализа термодинамических, оптических и транспортных характеристик активных сред плазменных и фотонных энергетических установок // Изв. ВУЗ. Машиностроение. - 2006. - №2. - C.11-23.

Размещено на Allbest.ru