Исследование распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов - Дипломная работа

Во всех исследовательских и промышленных плазменных установках происходят процессы взаимодействия плазмы и обращенной к ней поверхности конструкционных материалов. Во многих случаях, включая важнейшую задачу управляемого термоядерного синтеза, эти процессы оказывают непереоценимое влияние на работоспособность и ресурс установки. В других случаях, таких как плазменная обработка материалов, процессы взаимодействия плазмы с поверхностью представляет собой смысл работы установки. Кроме того, в случае импульсных процессов, температура поверхности материала является индикатором поглощенной материалом в результате действия плазмы энергии.Исторически первым методом измерения температуры тел было измерение расширения (сжатия) жидкого или газообразного рабочего тела, контактирующего через стенку с высокой теплопроводностью с объектом, чью температуру необходимо измерить. Впоследствии широкое распространение получили преобразователи температуры в электрический сигнал, использующие явления ТЕРМОЭДС и изменения проводимости металлов и полупроводников при изменении температуры. Такие преобразователи позволили многократно расширить диапазон измеряемых температур, повысить их точность и надежность оборудования, снизить размеры и массу измерительной части прибора. Однако этот метод имеет длинный ряд существенных недостатков: · датчик измеряет температуру лишь в точке его установки, в то время как даже детали из материалов с высокой теплопроводностью не всегда имеют однородную температуру; · при размещении датчиков в объеме детали мы не получаем информации непосредственно о температуре поверхности, а лишь предполагаем, что она близка к температуре в местах установки датчиков, если они установлены на небольшой глубине;Фиксируя это излучение можно определить температуру тела, а также распределение температуры по его поверхности. Отношение мощности излучения единицы поверхности данного тела к мощности излучения единицы поверхности абсолютно черного тела называют коэффициентом излучения. Для определения распределения температуры, а не температуры в одной точке или усредненно по всей поверхности, используют объектив, прозрачный в рабочем участке спектра, и матрицу чувствительных к электромагнитному излучению датчиков. Объектив фокусирует собственное тепловое излучение исследуемого объекта на матрице, создавая на ней изображение этого объекта. Первым бесконтактным методом измерения температуры было сравнение «на глаз» цвета свечения исследуемого металлического образца с цветом свечения нити накаливания, чью температуру можно оперативно изменять.Приборы первоначально тестировались на созданном специально для этой цели калибровочном стенде, а затем - на кафедральных установках плазменного азотирования и пучково-плазменого разряда, а также на установке-имитаторе пристеночной плазмы токамака, расположенной в Казахстане. Для калибровки приборов бесконтактного измерения распределения температуры на поверхности был создан калибровочный стенд, состоящий из двух полосок вольфрамовой фольги, через которые пропускается ток, с находящейся между ними термопарой. Фольга располагается в вакуумной камере, что необходимо для обеспечения стабильности температуры, т.к. потоки воздуха создают на поверхности сложное по форме и непрерывно изменяющееся распределение температуры. Тепловое изображение калибровочного стенда с отмеченным черной квадратной рамкой участком изображения, по которому осуществлялась калибровка, приведены на рисунке 2. Рис.2: калибровочный стенд и участок, по которому осуществлялась калибровкаВ ходе работ по организации систем диагностики распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов был проведен ряд экспериментов, целью которых было подтверждение пригодности описанных в Главе 3 приборов для выполнения поставленных перед ними задач. Тепловизор на базе Nikon 1 J1 исследовался на калибровочном стенде на предмет подбора настройки баланса белого, обеспечивающего наибольший динамический диапазон измерений за счет наибольшей разницы в чувствительности цветовых каналов. В ходе эксперимента прибор осуществлял съемку с частотой 1200 кадров в секунду мишени, облучаемой электронным пучком, движущимся по поверхности мишени по эллиптической траектории, совершая 50 оборотов в секунду. Тест показал способность прибора фиксировать изменения температуры, происходящие за время порядка единиц миллисекунды, позволяя в деталях изучить движение электронного пучка по поверхности. Тепловизоры Fluke Ti400 и созданный на базе Canon EOS M исследовались на кафедральной установке плазменного азотирования на предмет их годности в качестве приборов контроля распределения температуры по поверхности обрабатываемых деталей.Однако было отмечено, что если с одним типом приборов погрешность определения температуры составляла сотни градусов, что делало его непригодным для использования, то с другим влияние изменения коэффициента излучения на результаты измерений незначительно и не превышает нескольких десятков градусов. В опытах использовалос

Во всех исследовательских и промышленных плазменных установках происходят процессы взаимодействия плазмы и обращенной к ней поверхности конструкционных материалов. Во многих случаях, включая важнейшую задачу управляемого термоядерного синтеза, эти процессы оказывают непереоценимое влияние на работоспособность и ресурс установки. В других случаях, таких как плазменная обработка материалов, процессы взаимодействия плазмы с поверхностью представляет собой смысл работы установки. Интенсивность и характер этих процессов в значительной мере зависит от температуры материала. Кроме того, в случае импульсных процессов, температура поверхности материала является индикатором поглощенной материалом в результате действия плазмы энергии.

Таким образом, измерение распределения температуры по обращенной к плазме поверхности материалов является актуальной самостоятельной задачей прикладной физики плазмы.

В процессе работы автора перед ним было поставлено сразу две различные задачи по исследованию распределения температуры на поверхности конструкционных материалов.

В рамках программы исследования воздействия термоядерной плазмы на конструкционные материалы первой стенки в установках-имитаторах возникла задача определения распределения энергии, поглощенной образцом, по его поверхности. Наиболее очевидный способ определить это распределение - измерить в динамике распределение температуры по поверхности образца, а затем расчетным путем определить распределение поглощенной энергии.

Для успешного выполнения этой задачи необходимо было создать систему с максимально высокими разрешениями в пространстве и по времени, причем в условиях незначительного финансирования, что накладывало серьезные ограничения на выбор средств и методов измерений.

Вторая задача была связанна с проводимыми на кафедре исследованиями процессов плазменного азотирования деталей сложной формы, изготовленных из различных металлических сплавов.

Для выполнения этой задачи не стояло сколько-нибудь существенных требований по временному разрешению, однако была актуальна задача максимально возможной автоматизации измерений. Кроме того стояла задача проводить измерения в условиях засветки от обрабатывающей поверхность плазмы.