Робота присвячена вивченню електричних властивостей плазми ацетиленокисневого полум’я низького тиску як з попередньо змішаною сумішшю пального та кисню, так і з полум’я на зустрічних струменях, коли ацетилен й кисень подається крізь паралельні співвісні матриці.
Одна з найбільш інформативних характеристик полум’я, яка дає можливість визначити середню енергію електронів, їх концентрацію, залежність цих величин від складу полум’я, тиску, зони, де проводяться вимірювання, це функція розподілу електронів за енергіями (ФРЕЕ).
Для експериментального знаходження ФРЕЕ використовують метод зондових вимірювань, в основі якого лежить робота Дрювестейна [1], який встановив, що незалежно від того, як виглядає функція розподілу електронів за енергіями f(eU), виконується залежність
де е – елементарний заряд; m - маса електрона; S - площа робочої поверхні зонда; n - концентрація електронів; I - електронний струм через зонд; U - потенціал зонда відносно незбуреної плазми.
Як витікає з (1), для визначення f(eU) треба знайти другу похідну зондового струму (d2 I)/(dU2 ).
Найбільш точним та сучасним методом визначення (d2 I)/(dU2 ) є метод подвійного диференціювання за допомогою електронних пристроїв.
Окрім другої похідної електронного струму в формулу (1) входить ще одна електрична величина – потенціал зонда відносно плазми U.
Аналіз методів визначення потенціалу плазми в умовах полум’я низького тиску дає можливість в якості потенціалу плазми розглядати точку, в якій друга похідна зондового струму (d2 I)/(dU2 ) дорівнює 0 [2,3].
Всі експерименти по визначенню ФРЕЕ ацетиленокисневого полум’я проводились в полум’ї з різними концентраціями пального зондом з платини діаметром d=50 мкм довжиною l=10 мм при тиску р=260 Па.
Особливістю експериментальної ФРЕЕ є те, що вона значно відрізняється від функції розподілу Максвелла. В експериментальній ФРЕЕ недостатньо як електронів малих енергій, так і електронів високих енергій. Але якщо дослідження високоелектричного хвоста ФРЕЕ дають значення концентрації гарячих електронів, що не перевищує 1012 м-3, то особливість експериментальної ФРЕЕ, яка відноситься до області малих енергій електронів, не дає можливості оцінити їх концентрацію внаслідок великої помилки експериментального визначення ФРЕЕ поблизу U = U0.
Рис. 1. Функція розподілу електронів за енергіями в полум’ї на зустрічних струменях.
На рис.1. надані графіки експериментальних ФРЕЕ, що були отримані в ацетиленокисневому полум’ї при тиску 260 Па з концентрацією пального 32 %, яке горить на зустрічних струменях. Напруга, яка мала можливість змінюватися, але не перевищувала 120 В, прикладалась між матрицями співвісних пальників, відстань між якими становила 90 мм. В якості катода використовують верхню матрицю, а у ролі анода – нижня матриця пальника на зустрічних струменях.
На рис. 2. представлені графіки експериментальних ФРЕЕ, отримані в полум’ї без впливу електричного поля та з накладанням електричного поля.
Рис. 2. ФРЕЕ в полум’ї без електричного поля (1) і в полум’ї з накладанням поля (2,3,4). а, б, в – відповідно в серединному, верхньому та нижньому краї реакційної зони.
У всіх випадках криві 1 відповідають ФРЕЕ, які отримані в незбудженому полум’ї, криві 2 – ФРЕЕ для полум’я з накладанням поля (І=30 мкА), криві 3 – ФРЕЕ полум’я (І=45 мкА), криві 4 – ФРЕЕ полум’я (І=2 мкА).
Енергія, на яку приходиться максимум у всіх експериментальних ФРЕЕ, практично не змінюється, що може підтверджувати, що зовнішнє поле в розглянутих експериментах не надає значної додаткової енергії вільним електронам. Середня енергія вільних електронів, яку визначають за допомогою формули
у всіх випадках не зазнає значних змін.
Новим результатом в розглянутому досліді є несподіване збільшення концентрації вільних електронів в реакційній зоні полум’я при накладанні на нього електричного поля.
В таблиці 1 наведені відомості о концентрації вільних електронів і їх середній енергії на зустрічних струменях, яке горить при різних витратах пального й кисню без збудження електричного поля та з накладанням електричного поля.
Таблиця 1. Середня енергія, концентрація вільних електронів в полум’ї без електричного поля й з накладанням електричного поля.
Концентрація електронів розраховували з допомогою формули
де А – стала, що визначається попередньою калібровкою вимірювальної системи.
Як видно з таблиці зі зростанням витрат пального максимальне значення ∆n/n, де ∆n - перевищення концентрації електронів у полум’ї, збуреному електричним полем над концентрацією електронів у незбуреному полі, а також розрядний струм, на який приходиться цей максимум збільшується від ∆n/n=1,8 (Ip=10 мкА для полум’я зі стехіометричним складом) до ∆n/n=7,7 (Ip=125 мкА для багатих полум’їв). Середня енергія вільних електронів по мірі зростання вмісту ацетилену в суміші, що горить, збільшується, але в значно меншому ступені.
Аналіз можливих причин збільшення концентрації електронів в полум’ї при впливі електричного поля показав, що ні ударна іонізація, яка може бути реалізована лише у випадках, коли розрядний струм досягає насичення, а відношення напруженості електричного поля Е до тиску р, приведеному до температури t=0℃ E/p>10 B/мПа (у достідах, результати яких розглядаються в даній роботі це відношення складає декілька сотих долей), ні припони переважній рекомбінації, яка проявляє себе на відміну від умов дослідів, що проводились нами, в щільних середовищах при високих тисках, ні відрив електронів від негативних іонів під дією електричного поля, напруженість якого повинна бути дуже великою й набагато порядків перевищувати напруженість електричного поля у наших дослідах, не можливі.
Пояснення явища зростання концентрації вільних електронів в реакційній зоні полум’я під дією електричного поля слід пов’язувати з особливими властивостями плазми вуглеводневих полум’їв та потребує подальших дослідів.
Список літератури:
1. Druyvesteyn M.N. Der Nidervoltbogen // Z.s.Phys. – 1930. – Bd. 64, № 11-12. – S. 781-797.
2. Luijendijk S.C.W., van Eck J. Comparation of three devices for measuring the second derivation of langmuir probe curve // Physics. – 1967. – V. 36, №1. – P. 49-60.
3. Лаутон Дж., Вайтинберг Ф. Электрические аспекты горения. – М.: Энергия, 1976. – 284 с.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter