kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университет10.55452/1998-6688-2024-21-3-273-280kaz29-1388Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА НА УСТАНОВКЕ PW-7MEASUREMENT OF THE VELOCITY OF PULSED PLASMA FLOW AT THE PW-7 INSTALLATIONhttps://orcid.org/0000-0002-3277-2086ТаженА. Б.TazhenA. B.

PhD 

050040, г. Алматы

PhD 

050040, Almaty

Aigerim@physics.kzhttps://orcid.org/0000-0002-0724-1793ДосболаевМ. К.DosbolayevM. K.

к.ф.-м.н., доцент 

050040, г. Алматы

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor 

050040, Almaty

merlan@physics.kzhttps://orcid.org/0000-0003-0706-2688ПшиковМ. И.PshikovM. I.

к.ф.-м.н., и.о. доцента 

050040, г. Алматы

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Acting Associate Professor 

050040, Almaty

mustahim.pshikov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7903-8674УсеновЕ. А.UsenovE. A.

PhD 

08540, Нью-Джерси

PhD 

08540, NJ

yerbolat@physics.kzhttps://orcid.org/0009-0009-2301-1152РамазановТ. С.RamazanovT. S.

д.ф.-м.н., профессор 

050040, г. Алматы

 

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor 

050040, Almaty

ramazan@physics.kzНИИЭТФ, Казахский национальный университет им. аль-ФарабиКазахстанAl-Farabi Kazakh National UniversityKazakhstanКафедра машиностроения и аэрокосмической техники, Принстонский университетСоединённые Штаты АмерикиDepartment of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton UniversityUnited States202402102024213273280Copyright © Тажен А.Б., Досболаев М.К., Пшиков М.И., Усенов Е.А., Рамазанов Т.С., 20242024Тажен А.Б., Досболаев М.К., Пшиков М.И., Усенов Е.А., Рамазанов Т.С.Tazhen A.B., Dosbolayev M.K., Pshikov M.I., Usenov E.A., Ramazanov T.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/1388

В работе рассмотрены два независимых метода измерения скорости плазменного потока, создаваемого в импульсном плазменном ускорителе PW-7: метод, основанный на наблюдении и оценке величины доплеровского сдвига спектральных линий, и метод высокоскоростной видеосъемки движения плазмы. Монохроматор М833 был использован для регистрации спектра излучения плазменного потока. Высокоскоростная видеосъемка осуществлялась со скоростью 640 000 кадров/с с использованием CMOS-камеры Phantom VEO710S. Приведены результаты измерений средней скорости потока, полученные при рабочем давлении газа 2⋅10-2 Торр, емкости и напряжении конденсаторной батареи 400 мкФ и 4 кВ. Полученные результаты двумя независимыми методами были сравнены между собой. Аргон использовался в качестве рабочего газа в экспериментах. Показано, что при использовании первого метода значение скорости плазменного потока составляет 12,5⋅103  м/сек, а при использовании второго метода значение скорости плазменного потока составляет 16,7⋅103  м/сек. По этим данным можно видеть, что измеренные значения скорости потока имеют небольшое расхождение. Таким образом, было установлено, что методы высокоскоростной видеосъемки и доплеровского сдвига дают в пределах ошибок измерений сопоставимые оценки скорости движения потока. С точки зрения практического применения определение значение скорости плазменного потока имеет очень большое значение.

The paper considers two independent methods for measuring the velocity of the plasma flow generated in the PV-7 pulsed plasma accelerator: a method based on observation and evaluation of the Doppler shift of spectral lines, and a method of high-speed visualization of plasma motion. To record the plasma flow radiation spectrum, a monochromator M833 was used. High-speed video recording was carried out at 640,000 fps using a Phantom VEO710S CMOS camera. The results of measurements of the average flow velocity obtained at a working gas pressure of 2⋅10-2 Torr, capacitance and voltage of the capacitor bank of 400 μF and 4 kV are presented. The results obtained by two independent methods were compared with each other. Argon was used as the working gas in the experiments. It is shown that the value of the plasma flow velocity estimated by the first method is 12.5 m/s, and the value of the plasma flow velocity estimated by the second method is 16.7 m/s. From these data the measured flow velocity values have a small discrepancy. Thus, it has been established that high-speed video recording and Doppler shift methods make it possible to obtain comparable estimates of flow velocity within the measurement errors. Determining the magnitude of the plasma flow velocity is of great practical importance.

импульсный плазменный ускорительвысокоскоростная видеосъемкадоплеровский сдвигплазменный потокpulsed plasma acceleratorhigh-speed video recordingDoppler shiftplasma flowРабота финансировалась Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках проекта No BR18574080 «Исследование фундаментальных и прикладных проблем физики плазмы, плазмоподобных сред для целей решения задач современной энергетики и получения новых функциональных материалов».ReferencesLinsmeier Ch., Unterberg B., Coenen J.W., Doerner R.P., Greuner H., Kreter A., Linke J., Maier H. Material testing facilities and programs for plasma-facing component testing // Nucl. Fusion. – 2017. – Vol. 57. – P. 092012. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa4febLinsmeier Ch., Unterberg B., Coenen J.W., Doerner R.P., Greuner H., Kreter A., Linke J. Maier H. Nucl. Fusion, 2017, vol. 57, p. 092012. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa4feb.Kartasheva A.A., Gutorov K.M., Podkovyrov V.L., Muravyeva E.A., Lukyanov K.S., Klimov N.S. Experimental investigation of the characteristics of the plasma flow generated in quasi-stationary plasma accelerator using optical methods // Phys. Plasmas. – 2024. – Vol. 31. – P. 043107. https://doi.org/10.1063/5.0198341.Kartasheva A.A., Gutorov K.M., Podkovyrov V.L., Muravyeva E.A., Lukyanov K.S., Klimov N.S. Phys. Plasmas, 2024, vol. 31, p. 043107. https://doi.org/10.1063/5.0198341.Ling W.Y.L., Zhang S., Fu H., Huang M., Quansah J., Liu X., Wang N. A brief review of alternative propellants and requirements for pulsed plasma thrusters in micropropulsion applications // Chinese Journal of Aeronautics. – 2020. – Vol. 33. – P. 2999–3010. https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.03.024.Ling W.Y.L., Zhang S., Fu H., Huang M., Quansah J., Liu X., Wang N. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, vol. 33, pp. 2999–3010. https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.03.024.Ou Y., Wu J., Cheng Y., Zhang Y., Che B. Design and performance of a micro-pulsed plasma thruster used in miniaturized satellites // Advances in Space Research. – 2024. – Vol. 74. – P. 1741–1750. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.05.039.Ou Y., Wu J., Cheng Y., Zhang Y., Che B. Advances in Space Research, 2024, vol. 74, pp. 1741–1750. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.05.039.Lerner E.J., Hassan S.M., Karamitsos-Zivkovic I., Fritsch R. Focus Fusion: Overview of Progress Towards p-B11 Fusion with the Dense Plasma Focus // Journal of Fusion Energy. – 2023. – Vol. 42. – P. 1–18. https://doi.org/10.1007/s10894-023-00345-z.Lerner E.J., Hassan S.M., Karamitsos-Zivkovic I., Fritsch R. Journal of Fusion Energy, 2023, vol. 42, pp. 1–18. https://doi.org/10.1007/s10894-023-00345-z.Ladygina M.S., Petrov Yu.V., Yeliseev D.V., Makhlai V.A., Kulik N.V., Staltsov V.V. Parameters of hydrogen plasma streams in QSPA-M and their dependence on external magnetic field // Problems of atomic science and technology. – 2021. – No. 1. – P. 61–64. https://doi.org/10.46813/2021-131-061Ladygina M.S., Petrov Yu.V., Yeliseev D.V., Makhlai V.A., Kulik N.V., Staltsov V.V. Problems of atomic science and technology, 2021, no. 1, pp. 61–64. https://doi.org/10.46813/2021-131-061.Borthakur S., Ahmed A., Singha S., Neog N.K., Borthakur T.K. Role of gas flow on plasma stream dynamics in a pulsed plasma accelerator // Fusion Engineering and Design. – 2021. – Vol. 168. – P. 112400. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112400Borthakur S., Ahmed A., Singha S., Neog N.K., Borthakur T.K. Fusion Engineering and Design, 2021, vol. 168, p. 112400. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112400.Zhukeshov A.M., Amrenova A.U., Gabdullina A.T., Moldabekov Zh.M., Useinova B.M. Calculation and Analysis of Electrophysical Processes in a High-Power Plasma Accelerator with an Intrinsic Magnetic Field // Technical Physics. – 2019. – Vol. 64. – P. 342–347. https://doi.org/10.1134/S1063784219030277.Zhukeshov A.M., Amrenova A.U., Gabdullina A.T., Moldabekov Zh.M., Useinova B.M. Technical Physics, 2019, vol. 64, pp. 342–347. https://doi.org/10.1134/S1063784219030277.Talukdar N., Ahmed A., Borthakur S., Neog N.K., Borthakur T.K., Ghosh J. Measurement of plasma stream velocity in a pulsed plasma accelerator // Phys. Plasmas. – 2019. – Vol. 26. – P. 062711. https://doi.org/10.1063/1.5092267.Talukdar N., Ahmed A., Borthakur S., Neog N.K., Borthakur T.K., Ghosh J. Phys. Plasmas, 2019, vol. 26, p. 062711. https://doi.org/10.1063/1.5092267.Dosbolayev M.K., Igibayev Zh.B., Tazhen A.B., Ramazanov T.S. Preliminary Study of the Solid-State Pulsed Plasma Thruster Model with Graphite as а Propellant // Plasma Physics Reports. – 2022. – Vol. 48. – P. 263–270. https://doi.org/10.1134/S1063780X22030047.Dosbolayev M.K., Igibayev Zh.B., Tazhen A.B., Ramazanov T.S. Plasma Physics Reports, 2022, vol. 48, pp. 263–270. https://doi.org/10.1134/S1063780X22030047.Al-Hawat S. Axial velocity measurement of current sheath in a plasma focus device using a magnetic probe // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2004. – Vol. 32. – P. 764–769. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.826119.Al-Hawat S. IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, vol. 32, pp. 764–769. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.826119.Yaroshevskaya A.D., Gutorov K.M., Podkovyrov V.L., Litvinenko Yu.I. Determination of Plasma Flow Velocity with Time Resolution Based on the Doppler Effect // Plasma Physics Reports. – 2024. – Vol. 50. – P. 689–696.Yaroshevskaya A.D., Gutorov K.M., Podkovyrov V.L., Litvinenko Yu.I. Plasma Physics Reports, 2024, vol. 50, pp. 689–696.Ярошевская А.Д., Малютин А.Ю., Подковыров В.Л., Гуторов К.М., Карташева А.А. XLIX Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС (Москва, 14–18 марта, 2022). – С. 164.Yaroshevskaya A.D., Malyutin A.Yu., Podkovyrov V.L., Gutorov K.M., Kartasheva A.A. XLIX International Zvenigorod Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Moscow, 14–18 March, 2022), p. 164. [in Russian].Losada U., Manzanares A., Balboa I., Silburn S., Karhunen J., Carvalho P.J., Huber A., Huber V., Solano E.R., de la Cal E. Observations with fast visible cameras in high power Deuterium plasma experiments in the JET ITER-like wall tokamak // Nuclear Materials and Energy. – 2020. – Vol. 25. – P. 100837. https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100837.Losada U., Manzanares A., Balboa I., Silburn S., Karhunen J., Carvalho P.J., Huber A., Huber V., Solano E.R., de la Cal E. Nuclear Materials and Energy, 2020, vol. 25, p.100837. https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100837.Ананьев С.С., Крауз В.И., Мялтон В.В., Харрасов А.М. Исследование формирования плазменных потоков, генерируемых в плазмофокусном разряде // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. – 2017. – Т. 40. – С. 21–35. https://doi.org/10.21517/0202-3822-2017-40-1-21-35.Ananyev S.S., Krauz V.I., Myalton V.V., Kharrasov A.M. VANT. Ser. Termoyadernyi sintez, 2017, vol. 40, pp. 21–35. [in Russian]. https://doi.org/10.21517/0202-3822-2017-40-1-21-35.Nawaz A., Lau M., 32nd Int. Electric Propulsion Conf (Wiesbaden, 11–15 September, 2011). – P. 1–13.Nawaz A., Lau M. 32nd Int. Electric Propulsion Conf (Wiesbaden, 11–15 September, 2011), pp. 1–13.Tazhen A.B., Rayimkhanov Zh.R., Dosbolayev M.K., Ramazanov T.S. Generation and Diagnostics of Pulse Plasma Flows // Plasma Physics Reports. – 2020. – Vol. 46. – P. 465–471. https://doi.org/10.1134/S1063780X20040121.Tazhen A.B., Rayimkhanov Zh.R., Dosbolayev M.K., Ramazanov T.S. Plasma Physics Reports, 2020, vol. 46, pp. 465–471. https://doi.org/10.1134/S1063780X20040121.Dosbolayev M.K., Tazhen A.B., Ramazanov T.S., Ussenov Ye.A. Investigation of dust formation during changes in the structural and surface properties of plasma-irradiated materials // Nuclear Materials and Energy. – 2022. – Vol. 33. – P. 101300. https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101300.Dosbolayev M.K., Tazhen A.B., Ramazanov T.S., Ussenov Ye.A. Nuclear Materials and Energy, 2022, vol. 33, p. 101300. https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101300.Dosbolayev M.K., Tazhen A.B., Kholmirzayev A.N., Ussenov Ye.A., Ramazanov T.S. Studies of the formation and distribution of cracks and various defects on the heated tungsten plate surface during pulsed plasma flux impact // Nuclear Materials and Energy. – 2023. – Vol. 37. – P. 101540. https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101540.Dosbolayev M.K., Tazhen A.B., Kholmirzayev A.N., Ussenov Ye.A. Ramazanov T.S., Nuclear Materials and Energy, 2023, vol. 37, p. 101540. https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101540.Tazhen A.B., Dosbolayev M.K., Ramazanov T.S. Pulsed plasma flow diagnostics // Recent Contributions to Physics. – 2022. – Vol. 81. – P. 35–39. https://doi.org/10.26577/RCPh.2022.v81.i2.05.Tazhen A.B., Dosbolayev M.K., Ramazanov T.S. Recent Contributions to Physics, 2022, vol. 81, pp. 35–39. https://doi.org/10.26577/RCPh.2022.v81.i2.05.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.