Способ определения константы скорости процесса термической ионизации

39783I

ОЛИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскил (оцизлистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 17 1.1972 (№ 1741153!26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 17.1Х.1973. Бюллетень № 37

Дата опубликования описания 29.1.1974

М. Кл. С 01п 27!00

Государственный комитет

Совета Мииистрав СССР

llQ делам изааретеиий и открытий

УДК 533.6.01 (088.8) Авторы изобретения

В. С. Ожигин, О. П. Калашников и А. В. Михайлов

Заявитель

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА

ТЕРМИЧЕСКОЙ ИОН ИЗАЦИИ

Изобретение относится к газовой динамике и может быть использовано для изучения кинетики процесса термической ионизации в высокоскоростном потоке газа, например, в ударных волнах.

Знание механизма и констант скоростей ионизации и рскомоинации газов при высоких температурах необходимы в расчетах высокоскоростных течений, обтекания гиперзвуковых аппаратов и т. д.

Известны способы определения констант скоростей гомогенных реакций ион изации и рекомбинации при высоких температурах газа путем измерения концентрации ионизованных компонентов в неравновесной зонс.

Недостаток известных способов заключается в том, что измерения ведутся в нестационарных условиях. По мере достижения ионизационного равновесия изменяется температура газа, а следовательно, и константа скорости процесса ионизации.

Этот эффект сказывается даже в благородных газах и оказывается намного сильнее в диссоциирующем газе типа воздуха, где процесс ионизации начинается до завершения диссоциации и поэтому подвер>кен охла>кдающсму эффекту диссоциативной релаксации.

Цель изобретения — повышение точности определения константы скорости ионизации.

Эта цель достигается так.

На высокоскоростной поток термически ионизованного газа с установившимися равновесными значениями темпсрат .ры и концентрации компонентов, в том числе ионов и электронов, накладывают поперсчно направленное постояннос магнигнос поле. Прп этом осуществляют эффективное торможснн" наиболее тяжелых заряженных частиц и зоне магнитного поля ц создают стационарный избыток их в зоне поля и понижение концентрации на выходе из этой зоны по сравнению с равновесным значением. Далсс измеряют распределение концентрации заряженных частиц вниз по потоку в газе, вытекающем из зоны магнитного поля, т. с. прослеживают процесс установления равновесия. Используя уравнения химической кинетики, вычисляют величину константы скорости ионпзации. Для повышения точности можно находить и константы скорости рекомбинации, параллельно измеряя концентрацию заряженных частиц в зоне магнитного поля (параметры нсвозмущенного газа считаются известными и контролируемыми) и по закснам химичсской ки25 нетики вычисляя константу скорости рекомбинации.

Необходимым условием для обсспсчснпя изотермическпх условий процесса ионизации является малость равновесной концентрации

30 заряженных частиц по сравнению с концен397831

Предмет изобретения

К

= К (А) (В) 1 — . (4) I

Заказ 50/12 Изд. Ко 16 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 5Ê-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр.

Сапунова, 2 трацией нейтральных частиц. В этом случае тепловой эффект процессов рекомбинации и ионизации, а также накопление ионов и электронов в области магнитного поля слабо влияют на температуру газа. Зону магнитного поля можно сделать достаточно узкой и имеющей, по возможности, резкие границы.

Величина напряженности магнитного поля зависит от скорости и сорта заряженных частиц, плотности потока. Например, напряженности магнитного поля Н=1 —:4 кэ достаточно, чтобы осуществить торможение ионов

NO+ в потоке со скоростью несколько тысяч метров в секунду в зоне, ширина которой

/=1 —:2 см.

Обозначим параметры газа в области перед зоной магнитного поля индексом I, в зоне поля — П, непосредственно за зоной магнитного поля — I I I.

Газ в зоне 1 предполагается равновесно ионизованным.

Пусть ионизация и рекомбинация в данном газе протекают по схеме:

К;

А + М - - А+ + е + M, (1)

Кг где К; и К, — константы ионизации и рекомбинации, условия таковы, что равновесная концентрация заряженных частиц мала по сравнению с концентрацией нейтралов, т. е. концентрации веществ А и М во всех трех зонах практически одинаковы и равны соответственно А и М.

На выходе из магнитного поля (зона III) газ сильно обеднен ионизованной компонентой ((å)ö, (((е),).

Здесь идет процесс установления равновесной ионизации. Его скорость равна разности скоростей ионизации и рекомбинации:

= К, (А) (М) — К, (А+)щ (е) 1 (M). (2)

С учетом уравнений кинетики для остальных зон можно получить:

"() =К,(А)(М) 1- ",", (3) (е)1 где (е)т определяется из условия термодинамического равновесия. В случае ионизационного

К механизма типа А+В АГАВ+ + е

15

На некотором удалении от границы магнитного поля газ возвращается в состояние равновесной ионизации.

Концентрацию электронов измеряют как функцию расстояния от границы магнитного поля. С помощью известной скорости течения газа U рассматривают кривую зависимости (e)m от времени t, причем угол наклона этой кривой дает скорость. По формулам (3 и 4) рассчитывают константу скорости ионизации К;. При необходимости можно измерить и время восстановления равновесной ионизации.

Преимущество такого способа по сравнению с измерением ионизационной релаксации за фронтом ударной волны обусловлено наличием уже установившегося колебательного и диссоциативного равновесия, что способствует постоянству температуры в зоне неравновесной ионизации и тем самым — получению более точных значений констант скоростей.

Осуществить измерения констант скоростей по предложенному способу можно, например, в ударной трубе. Поперечное к оси трубы магнитное поле нетрудно создать в диэлектрическом и даже металлическом отсеке ударной трубы. Измерение концентраций в интересующих зонах производится во время прохождения через зону магнитного поля той части пробки, в которой установилось термодинамическое равновесие газа. Для измерения концентрации заряженных частиц можно использовать любые средства диагностики плазмы, дающие приемлемое разрешение в пространстве и времени (электростатические и радиочастотные зонды, СВЧ рефлектометры и т. д.). Обработка результатов производится по формулам, приведенным выше.

Способ определения константы скорости процесса термической ионизации газа в высокоскоростном потоке путем измерения концентрации ионизованных компонентов в неравновесной зоне, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения константы скорости ионизации, поток равновесного, термически ионизованного газа пропускают через зону поперечного магнитного поля, измеряют распределение концентрации заряженных частиц вниз по потоку в газе, прошедшем зону магнитного поля, и по измеренному распределению судят о величине упомянутой константы.