Спектроскопія плазми електричних розрядів з домішками парів металів

Мурманцев О. О. Спектроскопія плазми електричних розрядів з домішками парів металів : дис. … доктора філософії : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Мурманцев Олександр Олександрович ; наук. кер. А. М. Веклич. Київ, 2025. 178 с.

У дисертаційній роботі представлено результати спектроскопічних досліджень плазми електродугових та підводних електроіскрових розрядів. Основну увагу приділено методам оптичної емісійної спектроскопії, які є потужним інструментом для дослідження спектральних характеристик плазми та визначення її основних параметрів, таких як температура, концентрації електронів і випромінюючих частинок тощо.
Особливе місце приділено розробці удосконаленого підходу для оцінки концентрації атомів елементів електродного походження із використанням методу абсолютних інтенсивностей спектральних ліній. Розглянуто аспекти калібрування спектральних приладів, точність вимірювань та аналіз зареєстрованих спектрів. Запропоновано удосконалену методику дослідження плазми електродугових розрядів з домішками парів металів, а саме метод визначення заселеності енергетичних рівнів та загальної концентрації атомів металів із абсолютних значень інтенсивності випромінювання спектральних ліній елементів електродного походження. Для реалізації цього підходу використано спектральний прилад на основі спектрографа із дифракційною ґраткою та RGB CMOS-матицею як світлочутливого детектора.
В результаті залучення даного методу при дослідженні плазми електродугових розрядів між однокомпонентними електродами в атмосфері повітря та потоці аргону встановлено можливість реалізації рівноважного заселення енергетичних рівнів атомів міді (відповідно до розподілу Больцмана). В результаті апробації запропонованої методики можна зробити висновок щодо коректності розрахунків та доцільності застосування методу діаграм Больцмана із залученням абсолютних значень інтенсивності спектральних ліній для визначення концентрації атомів парів матеріалу електродного походження в плазмі електродугових розрядів. Перевагою даного методу є можливість одночасного вимірювання просторових розподілів як температури плазми, так і концентрації атомів різних елементів.
В результаті поєднання експериментальних досліджень та числового моделювання спектрів випромінювання плазми електродугових розрядів з домішками парів міді підтверджено доцільність використання концентрації атомів елементів електродного походження як вхідного параметра для розрахунку рівноважного складу плазми з домішками парів металів.
Із залученням удосконаленого методу абсолютних інтенсивностей досліджено термічну плазму електродугових розрядів між електродами, виготовленими в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України із композитних матеріалів Cu-W50 об.% за технологією ударного спікання при температурах 750, 850, 950 і 1050°С. Досліджено оптичні спектри випромінювання плазми електродугових розрядів із просторовою роздільною здатністю між кожним типом композитних електродів. Методом діаграм Больцмана із залученням абсолютних значень інтенсивності випромінювання спектральних ліній як міді (Cu I), так і вольфраму (W I), визначено радіальні розподіли температури плазми та концентрації атомів металів електродного походження. Із використанням експериментально одержаних параметрів плазми розраховано її рівноважний склад, вміст парів металів та термодинамічні параметри. В непрямий спосіб, шляхом порівняння вмістів домішок парів металів в плазмі та термодинамічних параметрів такої плазми, оцінено ерозійну стійкість кожного типу матеріалу залежно від температури ударного пресування як технологічного параметра виготовлення таких матеріалів.
Вперше методами оптичної емісійної спектроскопії встановлено залежність інтенсивності ерозії компонентів композиційних матеріалів Cu-W від їх технології виготовлення, зокрема, температури ударного спікання як технологічного параметру. Показано, що цей параметр визначає загальний вміст домішок парів металів у плазмі і, як наслідок, визначає ерозійну стійкість композиційних матеріалів. Зокрема, результатами розрахунку рівноважного складу плазми та її термодинамічних властивостей у припущенні ЛТР виявлено, що композитні матеріали, виготовлені при температурі 1050°C, є найбільш стійкими до ерозії. Проте матеріали електродів, виготовлені при 950°C, також можуть забезпечити ефективне розсіювання енергії, при дещо гірших показниках ерозії.
Крім того, досліджено часову еволюцію параметрів плазми розривних електродугових розрядів силою струму 4, 50 та 104 А між як однокомпонентними Cu, так і композитними Cu-W електродами, виготовленими за технологією ударного спікання при температурі 750°C. Оптична емісійна спектроскопія такої плазми реалізована шляхом використання спектрального приладу із високою спектральною та часовою роздільною здатністю. Зокрема методом діаграм Больцмана із залученням інтенсивності випромінювання спектральних ліній Cu I визначено температуру такої плазми, з ширини контуру спектральної лінії Cu I 515,3 нм визначено концентрацію електронів. Ці параметри плазми, усереднені по об’єму розривної дуги, використано як початкові для розрахунку часової еволюції складу плазми та вмісту домішок парів металів в розрядному проміжку. Показано, що реєстрація спектрів випромінювання, усереднених по об’єму як із позитивного стовпа дуги, так і з приелектродних областей, призводить до суттєвих неточностей у розрахунках складу плазми. Висунуто припущення, що локальна термодинамічна рівновага не може бути реалізована в плазмі розривних дуг силою струму 4 А, на що вказує аномальна поведінка отриманих результатів розрахунків домішок парів металів.
Апробовано методи контролю вхідної енергії та параметрів плазми в розрядній камері при генерації комплексів металів у водному середовищі. Контроль енергії, вкладеної в розрядну камеру, відбувався шляхом зміни фази перемикання тиристора. Аналіз електричних параметрів, включаючи форму струму та напруги, показав, що зменшення фази перемикання призводить до збільшення загального енерговнеску в реактор із зануреними у воду гранулами цинку. Крім того, встановлено кореляцію між електричними параметрами та характеристиками плазми підводного розряду з домішками парів цинку. Зокрема, виявлено, що зміна фази перемикання як одного з основних параметрів схеми керування розрядом безпосередньо впливає на концентрацію електронів та інтенсивність випромінювання плазми. Встановлено, що зменшення фази перемикання в діапазоні від 145° до 135° посилює ерозію матеріалу гранул.
Досліджено параметри плазми підводного розряду між однокомпонентними гранулами заліза та окремо молібдену. Встановлено, що випромінювання плазми з домішками парів молібдену характеризується неперервним випромінюванням у видимому діапазоні. Можна зробити висновок про те, що причиною такого явища є теплове випромінювання внаслідок утворення нагрітих комплексів металів та їх оксидів в нано- та мікророзмірній фазі в підводному електроіскровому розряді між гранулами молібдену.
Запропоновано апроксимувати випромінювання у вузькому спектральному діапазоні (465-505 нм), який складається з великої кількості спектральних ліній, згорткою контурів кожної із них. Такий підхід дозволяє коректно визначити як інтенсивності випромінювання, так і ширини всіх спектральних ліній у розглянутому діапазоні.
Методом діаграм Больцмана із залученням інтенсивності випромінювання спектральних ліній атомів металів та спектральних ліній водню серії Бальмера визначено температуру заселення енергетичних рівнів в атомах відповідного сорту. З ширини спектральних ліній водню та окремих металів у припущенні, що ефект Штарка є домінуючим механізмом розширення, визначено концентрацію електронів в такій плазмі.
Запропоновано використати співвідношення між концентрацією електронів та температурою заселення енергетичних рівнів атомів металів як параметр для оцінки можливих каналів дисипації енергії та її ефективності в процесі генерації комплексів металів. Встановлено, що найбільш оптимальним режимом підводного розряду для випаровування гранульованого матеріалу є режим, який відповідає значенню прикладеній до камери напруги 140 В, для підводного розряду між гранулами молібдену або заліза ( та , відповідно).
Досліджено параметри плазми підводного розряду між однокомпонентними гранулами міді та окремо молібдену, міді з молібденом з об'ємним співвідношенням 50%. Вперше в плазмі підводних розрядів з домішками парів металів методами оптичної спектроскопії встановлено рівноважне заселення енергетичних рівнів атомів міді та молібдену відповідно до розподілу Больцмана, що вказує на можливість існування термодинамічної рівноваги в такій плазмі. Зокрема, цей результат одержано із використанням гранул обмідненого молібдену під час генерації колоїдного розчину з комплексами металів, що складаються одночасно з двох металів.
Встановлено, що при використанні однакових об'ємів гранул міді і молібдену концентрація атомів міді приблизно в 30-50 разів більша, у порівнянні з атомами молібдену. У випадку використання обмідненого молібдену концентрація атомів міді все ще більша (приблизно втричі). Можна зробити висновок, що гранули, виготовлені з матеріалів з нижчою температурою плавлення та кращою тепло- та електропровідністю (в даному випадку мідь), піддаються більш інтенсивній ерозії навіть при дуже малих їх кількостях у складі металевих гранул.