Способ измерения энергии, поглощенной газом в замкнутом реакторе

Изобретение относится к экспериментальной и технической физике, в частности к способам измерения энергии импульсного энергетического источника. Основной технической задачей предложенного изобретения является разработка способа измерения энергии импульсного энергетического источника, поглощенной газом в замкнутом реакторе, реализуемого при протекании экзотермических реакций в объеме реактора. Поставленная задача решается тем, что в предложенном способе измерения энергии, поглощенной газом в замкнутом реакторе, при импульсном энергетическом воздействии на газ, включающем измерение давления в объеме реактора, в отличие от известных аналогичных способов, датчиком давления регистрируют стоячие звуковые волны в объеме реактора, а энергию импульсного энергетического источника длительностью не более 10^-2 секунды определяют расчетным путем на основании измеренных данных. При этом в качестве импульсного энергетического источника может быть использован импульсный электронный пучок. 2 ил.

 

Изобретение относится к экспериментальной и технической физике, в частности к способам измерения энергии импульсного энергетического источника.

Известен калориметрический способ измерения поглощенной газом энергии импульсного энергетического источника (Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных частиц. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.31). В этом способе энергию импульсного энергетического источника оценивают по изменению температуры калориметра. Величину энергии, поглощенной газом, определяют как разность между показаниями калориметра и известной энергией импульсного энергетического источника.

Недостатком данного способа является наличие значительных погрешностей при измерении энергии энергетического источника, поглощенной в газе высокого давления. При плотности энергии, поглощенной газом, более 10 Дж/литр и давлении выше 400 Торр газ нагревается до температуры, выше температуры нагрева калориметра. Калориметр в этом случае нагревается не только внешним энергетическим воздействием, но и окружающим газом.

Наиболее близким к предложенному способу является способ измерения энергии импульсного электронного пучка, поглощенной газом, по изменению давления в замкнутом реакторе (Бондарь Ю.Ф., Заворотный С.И., Ипатов А.Л., Мхеидзе Г.И., Овчинников А.А., Савин А.А. Исследование транспортировки релятивистского электронного пучка в плотном газе. Физика плазмы, 1982, том 8, вып.6, с.1192-1198).

Энергию электронного пучка, поглощенную газом, рассчитывают как произведение теплоемкости газа на массу и на изменение температуры газа в замкнутом реакторе. Изменение температуры газа в реакторе определяют из уравнения состояния для идеального газа по изменению давления в замкнутом реакторе.

Недостатком данного способа является невозможность измерения энергии электронного пучка, поглощенной газом в замкнутом реакторе, в случае протекания в объеме реактора экзотермических реакций, т.е. способ имеет ограниченную область применения. Изменение давления в этом способе при протекании экзотермических реакций обусловлено нагревом газа из-за поглощения энергии электронного пучка и нагревом из-за выделения энергии экзотермических реакций.

Основной технической задачей предложенного нами изобретения является разработка способа измерения энергии импульсного энергетического источника, поглощенной газом в замкнутом реакторе, также и при протекании экзотермических реакций в объеме реактора.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе измерения энергии, поглощенной газом в замкнутом реакторе, при импульсном энергетическом воздействии на газ, включающий измерение давления в объеме реактора, согласно предложенному изобретению в качестве источника импульсного энергетического воздействия используют импульсный электронный пучок с энергией электронов 300-350 кэВ, током 10-12 кА и длительностью не более 10^-2 секунды, датчиком давления регистрируют стоячие звуковые волны в объеме реактора, а энергию электронного пучка, поглощенную газом в замкнутом реакторе Е (Дж), определяют на основании выражения

где Р_зв - амплитуда стоячей звуковой волны, Торр;

V - объем реактора, м³;

γ - показатель адиабаты газа;

P₀ - давление газа в реакторе, Торр.

Для удобства ниже выражение

обозначим как β.

Пример конкретного выполнения. На фиг.1 изображена схема установки, реализующей предложенный способ, а на фиг.2 - зависимость параметра β от энергии импульсного электронного пучка.

В реактор 1 через трубку 2 подается газ азот. Через окно 3 на газ в реакторе производится импульсное энергетическое воздействие импульсным сильноточным электронным пучком 4. Возникающие стоячие звуковые волны регистрируются малоинерционным датчиком давления 5, электрический сигнал с которого поступает на осциллограф 6.

На фиг.2 видно, что при воздействии импульсного сильноточного электронного пучка с параметрами: энергия электронов 300-350 кэВ, ток пучка 10-12 кА, длительность импульса 50-60 нсек на разные газы (азот, аргон, водород, кислород, гексафторид вольфрама, метан) при давлении газа в реакторе 100-800 Торр, параметр β изменялся в пределах 3-13, т.е. все полученные нами экспериментальные точки легли в этот диапазон.

Аналогичные результаты получены и при использовании смеси газов 120 Торр WF₆+120 Topp N₂+360 Торр Ar, а также 100 Торр SiCLl₄+300 Topp H₂. Нами получено, что при воздействии импульсного сильноточного электронного пучка с параметрами: энергия электронов 300-350 кэВ, ток пучка 10-12 кА, длительность импульса 50-60 нсек на смесь тетрахлорида кремния с водородом изменение давления в реакторе в 10-15 раз превышало возможное изменение из-за нагрева газа при поглощении энергии пучка электронов. Это обусловлено протеканием в объеме реактора экзотермических реакций

Cl+Н₂=HCl+Н+0.05 эВ

Cl+Cl+М=Cl₂+М+2.5 эВ

Н+Cl₂=HCl+Cl+2 эВ

Н+HCl=Н₂+Cl-0.05 эВ

В то же время параметр β, рассчитанный при условии полного поглощения энергии электронного пучка газом, изменялся в пределах от 3 до 13.

Нами получено, что частота стоячих звуковых волн, генерируемых в реакторе длиной 30 см, превышала 100 Гц для исследованных газов. Если время внешнего энергетического воздействия будет превышать период звуковых волн, то условия формирования стоячих гармонических волн будут нарушаться. Поэтому длительность импульсного энергетического источника выбрали не более 10^-2 секунды.

Также проведены эксперименты по измерению энергии, поглощенной газом при импульсном газовом разряде в замкнутом реакторе, которые подтвердили эффективность предложенного способа измерения энергии, поглощенной газом.

Способ измерения энергии, поглощенной газом в замкнутом реакторе, при импульсном энергетическом воздействии на газ, включающий измерение давления в объеме реактора, отличающийся тем, что в качестве источника импульсного энергетического воздействия используют импульсный электронный пучок с энергией электронов 300-350 кэВ, током 10-12 кА и длительностью не более 10^-2 с, датчиком давления регистрируют стоячие звуковые волны в объеме реактора, а энергию электронного пучка, поглощенную газом в замкнутом реакторе, Е (Дж), определяют на основании выражения

где Р_зв - амплитуда стоячей звуковой волны, Торр;

V - объем реактора, м³;

γ - показатель адиабаты газа;

P₀ - давление газа в реакторе, Торр.