Определение мощности излучения плазменной дуги по потоку излучения на фотоприёмник (2022)
Установлена связь между мощностью электромагнитного излучения плазмы дуги и величиной потока излучения, падающего на поверхность фотоприёмника. С этой целью решено уравнение переноса излучения в плазме дуги для случаев, когда поверхности электродов полностью отражают либо полностью поглощают падающее на них излучение. Рассматривается случай, когда газоразрядная плазма является аксиально-симметричной, однородной и находится в состоянии локального термодинамического равновесия. Получены формулы для мощности Ppl излучения дуги и мощности Pd излучения, падающего на фотоприёмник. Установлено соотношение, связывающее мощности Ppl и Pd. Выполнен численный анализ этого соотношения в широком диапазоне значений геометрических параметров задачи. Результаты расчётов представлены в удобной графической форме. Получены простые асимптотические формулы, связывающие Ppl и Pd в широкой области параметров эксперимента.
In the work, a correspondence between the power of electromagnetic radiation of the arc plasma and the value of the radiation flux incident on the surface of the sensitive element of the photodetector is established. To this end, the equation of radiation transfer in the arc plasma is solved for cases where the surfaces of the electrodes completely reflect or completely absorb the radiation incident on them. The case is considered when the discharge plasma is axially symmetrical, homogeneous and in a state of local thermodynamic equilibrium. The formulas for the power Ppl of the arc radiation and the power Pd of the radiation incident on the photodetector are obtained. A relationship is derived that relates the Ppl and Pd powers. Numerical analysis of this relation has been performed in a wide range of values of geometric parameters of the problem. The calculation results are presented in a convenient graphical form. Simple asymptotic formulas binding Ppl and Pd in a wide range of experimental parameters are obtained.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/1996-0948-2022-5-25-31
- eLIBRARY ID
- 49606205
В настоящей работе, на основе решения уравнения переноса излучения в аксиально-симметричной однородной плазме, получены выражения для мощности излучения, выходящего с поверхности столба электрической дуги и мощности излучения, падающего на фотоприёмник. Выполнено численное исследование зависимости отношения этих мощностей в широкой области значений геометрических параметров задачи. Рассмотрены случаи отражающих и поглощающих поверхностей электродов, ограничивающих плазму. Результаты вычислений представлены в удобной для использования графической форме. Показано, что в случае коротких разрядов связь между мощностью излучения дуги и мощностью излучения, падающего на фото-детектор, существенно отличается от такой связи при изотропном источнике излучения. Для отношения мощностей получены простые асимптотические формулы, справедливые в широкой области параметров эксперимента.
Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при экспериментальном исследовании радиационных свойств излучающих разрядов.
Список литературы
- Очкин В. Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. – М.: Физматлит, 2010.
- Бойченко А. М., Ломаев М. И., Панченко А. Н., Соснин Э. А., Тарасенко В. Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. – Томск: STT, 2011.
- Соснин Э. А., Пикулев А. А., Тарасенко В. Ф. // ЖТФ. 2011. Т. 81. № 4. С. 97.
- Василяк Л. М., Дроздов Л. А., Костюченко С. В., Кудрявцев Н. Н., Собур Д. А., Cоколов Д. В., Шунков Ю. Е. // Светотехника. 2011. № 1. С. 29.
- Barinov Y. A., Zabello K. K., Logachev A. A., Poluyanova I. N., Sherstnev E. V., Bogdanov A. A., Shkol`nik S. M. / Proc. 29th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV, Padova, Italy, 2021). Р. 264–267.
- Баринов Ю. А., Забелло К. К., Логачёв А. А., Полуянова И. Н., Шерстнев Е. В., Школьник С. М. // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 3. С. 18.
- Barinov Y. A., Zabello K. K., Logachev A. A., Poluyanova I. N., Sherstnev E. V., Bogdanov A. A., Shkol`nik S. M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2022. Vol. 50. P. 1. DOI: 10.1109/TPS.2022.3175577
- Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. – М.: Физматлит, 2008.
- Бакшт Ф. Г., Лапшин В. Ф. // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1. № 2. С. 183.
- Lapshin V. F. // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. Vol. 669. P. 012035.
- V. N. Ochkin, Spectroscopy of Low Temperature Plasma. (John Wiley & Sons, Weinheim, 2009; FIZMATLIT, Moscow, 2010).
- A. M. Boychenko, M. I. Lomaev, A. N. Panchenko, E. A. Sosnin, and V. F. Tarasenko, The ultraviolet and vacuum-ultraviolet excilamps: physics, technology and applications. (STT, Tomsk, 2011) [in Russian].
- E. A. Sosnin, V. F. Tarasenko, and A. A. Pikulev, Technical Physics 56 (4), 526 (2011).
- L. M. Vasilyak, L. A. Drozdov, S. V. Kostyuchenko, N. N. Kudryavtsev, D. A. Sobur, D. V. Sokolov, and Y. E. Shunkov, Light & Engineering 19 (2), 81 (2011).
- Y. A. Barinov, K. K. Zabello, A. A. Logachev, I. N. Poluyanova, E. V. Sherstnev, A. A. Bogdanov, and S. M. Shkol`nik, in Proc. 29th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. (ISDEIV, Padova, Italy, 2021), pp. 264–267.
- Y. A. Barinov, K. K. Zabello, A. A. Logachev, I. N. Poluyanova, E. V. Sherstnev, and S. M. Shkol`nik, Tech. Phys. Lett. 47 (2), 118 (2021).
- Y. A. Barinov, K. K. Zabello, A. A. Logachev, I. N. Poluyanova, E. V. Sherstnev, A. A. Bogdanov, and S. M. Shkol`nik, IEEE Trans. Plasma Sci. 50, 1 (2022). doi: 10.1109/TPS.2022.3175577
- Ya. B. Zel’dovich and Yu. P. Raizer, Physics of Shock Waves and High-Temperature Hydrodynamic Phenomena. (Dover Publications, Inc., New York, 2002; FIZMATLIT, Moscow, 2008).
- F. G. Baksht and V. F. Lapshin, Usp. Prikl. Fiz. 1 (2), 183 (2013) [in Russian].
- V. F. Lapshin, J. Phys.: Conf. Ser. 669, 012035 (2016).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Ломаев М. И., Тарасенко В. Ф.
Однородное воздействие плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности на поверхность плоского анода 5
Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Поляков Д. Н.
Влияние ионизации на формирование войдов в ВЧ-разряде в условиях микрогравитации 11
Золотухин Д. Б.
Планарный магнетрон с инжекцией электронов и отражающим электродом: численное моделирование процессов функционирования 19
Лапшин В. Ф.
Определение мощности излучения плазменной дуги по потоку излучения на фотоприёмник 25
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Жуков Н. Д., Гавриков М. В., Роках А. Г.
О возможности однофотонной проводимости в наноячейке с коллоидной квантовой точкой 32
Климанов Е. А., Давлетшин Р. В.
Влияние поглощения на свободных носителях заряда на параметры кремниевых фотодиодов 38
Коханенко А. П., Войцеховский А. В., Лозовой К. А., Духан Р., Дирко В. В., Акименко Н. Ю.
Темновой ток фотодетекторов на основе многослойных структур с квантовыми точками 42
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Смирнов С. В., Жук К. В., Саврук Е. В.
Катодо- и термолюминесценция лазерно-наноструктурированной -Al2O3 керамики 49
Алиев Ш. М., Алиев М. Ш., Ибаев Ж. Г.
Исследование температурной стабильности постоянных магнитов методом мёссбауэровской спектроскопии 54
Гаджиев М. Х., Муслимов А. Э.
Электродуговой синтез порошков Ti/TiO2 58
Кравчук Д. А.
Модель влияния коэффициента поглощения среды на оптоакустический сигнал при различных концентрациях глюкозы и уровня сатурации 63
Пахомов Е. П., Ярцев И. М.
Параметры потенциала отталкивания и эффективные заряды ионов в бинарных ионных кристаллах с кубическим типом решетки 67
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Печеркин В. Я., Василяк Л. М.
Резонансное рассеяние электромагнитных волн ГГц-диапазона частот линейной структурой из двух диэлектрических колец на магнитной дипольной моде 75
Котов В. М., Булюк А. Н.
Амплитудная модуляция двухцветного излучения на удвоенной частоте звука 82
Сотникова Г. Ю., Александров С. А., Воронин А. В., Уржумцев Н. А.
Применение метода двухспектральной пирометрии для измерения температуры поверхности материалов, находящихся под воздействием плазменной струи 88
C O N T E N T S
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Lomaev M. I. and TarasenkoV. F.
Homogeneous action of plasma of a nanosecond pulsed high-voltage discharge on the surface of a flat anode 5
Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Polyakov D. N.
Effect of ionization on void formation in an RF discharge under microgravity conditions 11
Zolotukhin D. B.
Planar magnetron with electron injection and reflective electrode: numerical simulation of functioning processes 19
Lapshin V. F.
Determination of the radiation power of arc by the value of radiation flux to photodetector 25
PHOTOELECTRONICS
Zhukov N. D., Gavrikov M. V., and Rokakh A. G.
On the possibility of single-photon conduction in a nanocell with a colloidal quantum dot 32
Klimanov E. A. and Davletshin R. V.
Effect of absorption by free carriers on the parameters of silicon photodiodes 38
Kokhanenko A. P., Voitsekhovskii A. V., Lozovoy K. A., Douhan R., Dirko V. V., and Akimenko N. Yu.
Dark current of photodetectors based on multilayer structures with quantum dots 42
PHYSICAL SCIENCE OF MATERIALS
Smirnov S. V., Zhuk K. V., and Savruk E. V.
Cathodo- and thermoluminescence laser-nanostructured -Al2O3 ceramics 49
Aliev Sh. M., Aliev M. Sh., and Ibaev Zh. G.
Investigation of the temperature stability of permanent magnets by Mössbauer spectroscopy 54
Gadzhiev M. Kh. and Muslimov A. E.
Electric Arc synthesis of Ti/TiO2 powders 58
Kravchuk D. A.
Model of the influence of the absorption coefficient of the medium at various concentrations of glucose and saturation level on the optoacoustic signal in the blood 63
Pakhomov E. P. and Yartsev I. M.
Repulsion potential parameters and effective ion charges in binary crystals with cubic crystal lattice 67
PHYSICAL APPARATUS AND ITS ELEMENTS
Pecherkin V. Ya. and Vasilyak L. M.
Resonant scattering of GHz electromagnetic waves by a linear structure of two dielectric rings on a magnetic dipole mode 75
Kotov V. M. and Bulyuk A. N.
Amplitude modulation of two-color radiation at double sound frequency 82
Sotnikova G. Yu., Alexandrov S. A., Voronin A. V., and Urzhumtsev N. A.
Two-color pyrometry methods for measuring the surface temperature of materials exposed to a plasma jet 88
Другие статьи выпуска
Обоснован выбор радиационного высокоскоростного метода измерения температуры поверхности объекта, находящегося под воздействием струи водородной плазмы. Проведена теоретическая оценка вклада интенсивности рекомбинационного и тормозного излучения плазмы на показания пирометра, из которой следует, что при определенных условиях водородную плазму можно считать прозрачной для теплового излучения в области длин волн среднего ИК-диапазона спектра (MWIR).
Рассмотрен инфракрасный пирометр спектрального отношения, выполненный на неохлаждаемой двухспектральной фотодиодной MWIR сэндвич-структуре, разработанный для контроля температуры исследуемого объекта в экспериментальной установке водородной плазменной пушки. Приведены экспериментальные результаты мониторинга температуры поверхности образцов композитных материалов в процессе импульсного воздействия плазмы.
Для амплитудной модуляции двухцветного оптического излучения на удвоенной частоте звука предложено использовать устройство, состоящее из двух идентичных акустооптических (АО) ячеек, работающих на одной частоте звука и обеспечивающих выполнение брэгговского синхронизма двух оптических лучей с одной акустической волной. В качестве АО-среды предложено использовать гиротропный кристалл, собственные волны которого циркулярно поляризованы. Модуляция вызвана интерференцией волн с циркулярными поляризациями. Экспериментально получена амплитудная модуляция двухцветного излучения Ar-лазера (1 = 0,488 мкм и 2 = 0,514 мкм) на частоте 236 МГц с использованием двух АО-ячеек из парателлурита.
Экспериментально исследовано резонансное рассеяние на основной магнитной моде линейной структурой из двух диэлектрических колец, ориентированных вдоль волнового вектора падающей волны и возбуждаемых продольно падающей линейно поляризованной электромагнитной волной ГГц диапазона частот. В спектре рассеяния отраженной волны происходит расщепление резонансной частоты и существенно увеличиваются амплитуды обоих пиков по сравнению с амплитудой для одиночного кольца в ближней зоне. В прошедшем сигнале расщепление резонансной частоты нет, амплитуда прошедшего сигнала в дальней зоне существенно увеличивается по сравнению с одиночным кольцом.
Определены параметры потенциала «некулоновского» (борновского) отталкивания ионов с использованием ионной модели химической связи из равновесных межъядерных расстояний в бинарных кристаллах и в соответствующих им двухатомных молекулах. Используя эти параметры и сжимаемость кристаллов, найдены эффективные заряды ионов и соответствующие им ионности химической связи. Получена зависимость ионности связи от структурных параметров кристалла, а также от разности электроотрицательностей и от валентности исходных атомов.
Для оптоакустического отклика проведены расчеты коэффициента поглощения биологической среды в зависимости от концентрации гемоглобина и сатурации крови. Приведенный метод позволит проведение диагностики состава крови на предмет количественной оценки содержания гемоглобина. Проводимые исследования позволили установить процесс увеличения коэффициента поглощения среды при увеличении концентрации глюкозы в крови и, как следствие, уменьшение амплитуды ОА сигнала. Рассчитана зависимость амплитуды ОА сигнала от коэффициента поглощения ткани при уровнях сатурации крови 60 %, 80 % и 90 %.
Исследуются процессы электродугового синтеза в открытой атмосфере азотсодержащих порошков Ti/TiO2 с использованием методов структурно-фазового, элементного анализа и электронной микроскопии. Показано, что кратковременная плазменная обработка металлических порошков титана позволяет формировать азотсодержащие структуры Ti/TiO2. Предложенная методика может найти широкое применение в технологии промышленного синтеза простых и композитных фотокатализаторов порошкового типа со спектральной фоточувствительностью в ультрафиолетовой и видимой областях спектра излучения.
Предложен и экспериментально проверен метод определения температурного коэффициента остаточной намагниченности порошковых постоянных магнитов из феррита бария BaFe12O19, основанный на эффекте Мёссбауэра. Преимуществом данного метода является возможность использования для измерений полностью размагниченного образца.
Приводятся результаты исследований оптических свойств наноструктурированных образцов алюмооксидной керамики. Установлено, что лазерная обработка поверхности образцов приводит к существенному изменению состава и структуры приповерхностного слоя. Методами оптической спектроскопии, катодолюминесценции и термолюминесценции выявлена генерация в алюмооксидной керамике, в процессе лазерной обработки, повышенной концентрации F-центров и их производных. Показана возможность использования наноструктурированной алюмооксидной керамики при создании высокочувствительных дозиметров ультрафиолетового и рентгеновского излучения.
Описывается поведение многослойного фотодетектора с квантовыми точками германия в кремнии и его параметры при различных рабочих режимах. Рассматриваются вопросы оптимизации условий роста в методе молекулярно-лучевой эпитаксии для повышения эффективности инфракрасных фотоприемников с квантовыми точками. В качестве модельной материальной системы для теоретических исследований выбраны многослойные гетероструктуры с квантовыми точками германия на поверхности кремния. В представленной работе разработана теоретическая модель для учета наличия в фотодетекторах нескольких слоев квантовых точек, а также рассогласования квантовых точек по размерам. Проведены расчеты шумовых и сигнальных характеристик инфракрасных фотоприемников на основе гетероструктур с квантовыми точками германия на кремнии. Оценены темновые токи в таких структурах, вызванные тепловой эмиссией и барьерным туннелированием носителей. Для проверки модели мы сравнили теоретические значения темнового тока с экспериментальными результатами, полученными в работах других исследователей.
Приведен расчет фоточувствительности кремниевых фотодиодов с учетом поглощения на свободных носителях в диффузионных слоях, позволяющий определить требования к их параметрам для снижения этого эффекта.
Показано, что величина пропускания длинноволнового излучения в кремниевых структурах может также уменьшаться за счет поглощения на свободных носителях в диффузионных слоях.
В квантоворазмерных частицах полупроводников CdSe, PbS, HgSe, InSb наблюдается высокая, с кратностью до двух порядков, фотопроводимость для межзонных переходов неравновесных носителей, обусловленная снятием или ослаблением блокировки кулоновским ограничением и одноэлектронным током. В условиях размерного квантования наблюдаемые резонансные токовые пики обнуляются или сдвигаются в сторону меньших энергий. Энергетический минимум регистрируемых при этом квантов равен примерно 100 мэВ. Полученные результаты могут иметь применение в неохлаждаемых ИК-детекторах, в том числе однофотонных.
Выполнено численное моделирование влияния отражательного электрода на ионный состав плазмы планарного магнетрона, в разрядную область которого инжектируется электронный пучок с независимыми током и энергией электронов. Результаты численного моделирования свидетельствуют о том, что в такой конфигурации, более высокие значения концентрации ионов рабочего газа (аргона) и катода-мишени (меди) магнетрона достигаются за счет более высокой степени удержания в области гене-рации плазмы инжектированных электронов вследствие их частичного отражения и отклонения в тормозящем поле отражательного электрода. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальным масс-зарядовым составом ионов плазмы такого магнетрона.
Представлен анализ формирования войда в установке ПК3 в пылевой плазме с частицами меламин формальдегида диаметром 3,4 мкм в ВЧ-разряде в аргоне при давлении 12–50 Па в условиях микрогравитации на МКС. Однородное состояние плазмы удаётся получить только при напряжении, близком к напряжению погасания разряда. Наложение низкочастотного напряжения с частотой 20–50 Гц стабилизирует состояние пылевой плазмы и сдвигает порог образования войда в сторону более высоких ВЧ-напряжений. Показано, что образование войда связано с нелокальной ионизацией плазмы в центре разряда быстрыми электронами, которые нагреваются в приэлектродных слоях.
Приведены результаты экспериментального исследования воздействия на поверхность плоского заземленного электрода плазмы импульсного высоковольтного разряда наносекундной длительности в воздухе атмосферного давления, возбуждаемого в резко неоднородном электрическом поле. Показано, что при относительно больших межэлектродных расстояниях между острийным катодом и плоским анодом реализуется диффузный разряд, обеспечивающий однородное воздействие плазмы разряда на поверхность анода.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400