نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• نادر مرشدیان ¹
• رقیه بدرلی ²
• پروین یورتچی ¹

¹ پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران

² گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه بین المللی امام خمینی، قزوین

چکیده

روش بیناب­‌نمایی به عنوان روش تشخیصی برای پلاسماهای آزمایشگاهی بسیار متداول است. پژوهش حاضر با توجه به روش بیناب­‌نمایی از دو منظر قابل توجه و ارزش است. یکی این که دمای ماکروسکوپیک شعلۀ پلاسمایی مورد نظر با جزییات پایه و دقیق مورد تحلیل قرار گرفته است. در گزارش‌های بین‌المللی نیز نسبت به دمای برانگیختگی الکترونی، بسیار کمتر به آن پرداخته شده، و در گزارش‌­های داخلی نیز شاید حتی یافت نشود. از این‌رو بررسی آن قابل توجه و حائز اهمیت است. در نگاه دوم نیز با توجه به طراحی یک مشعل حرارتی، تخمین دما و مشخصات بینابی مشعل جدید، لازم و هدفمند بوده است. نتایج با استفاده از روش رسم بولتزمن، تحلیل دقیق از نمودار فرتریت و انتخاب شاخۀ P در گذار معروف به سامانۀ منفی اول  N2+(B-X) ببرای مولکول دو‌اتمی نیتروژن غالب در هوا، محاسبه شده است. با انتخاب دقیق اعداد کوانتمی ترازهای چرخشی در شدت‌های بیشینۀ بیناب مربوطه، دمای ماکروسکوپیک شعلۀ پلاسمایی و دمای برانگیختگی الکترونی مشعل، به ترتیب در حدود  2000 (0.17 eV) و 6400 (0.52 eV)  کلوین به­‌دست آمده است. نتایج دمایی این نمونه مشعل حرارتی با گزارش­‌های معتبر بین المللی مقایسه شده و نیز با رهیافت ترمودینامیکی در همین شرایط در نوار کمترین دمای قابل انتظار قرار دارد. یعنی با یک شعلۀ پلاسمای حرارتی نزدیک به دمای تحریک الکترونی (بیش از 4000 هزار کلوین) فاصله داریم. بنابراین، برای طراحی دقیق یک مشعل حرارتی با الکترودها و پارامترهای مناسب برای رسیدن به دمای ماکروسکوپیک در گسترۀ 2000 تا 4000 کلوین، این طراحی در کمترین دما یا کمترین بهرۀ دمایی برای طرح آینده (با هدف ساخت مشعل زباله سوز) قرار دارد و این نتایج مهم و ضروری به شمار می‌­آیند.

کلیدواژه‌ها

• دمای ماکروسکوپیک شعلۀ پلاسمایی
• مشعل پلاسمایی با جریان مستقیم غیرانتقالی
• دمای برانگیختگی الکترونی
• بیناب‌نمایی نوری

موضوعات

• فیزیک پلاسما

عنوان مقاله [English]

Basic model for calculating the macroscopic temperature of plasma plume and comparison with electron excitation temperature by optical spectroscopy method for non-transferred DC plasma torch

نویسندگان [English]

• Nader Morshedian ¹
• Roghayeh Badrli ²
• parvin Yourtchi ¹

¹ Plasma and Fusion Research School, NSTRI, Tehran, Iran

² Department of Physics, Faculty of Science, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran

چکیده [English]

Optical emission spectroscopy is known as a prevalent technique for plasma diagnostic which was applied in many experiments. The present research is important and considerable from two points of view. First, with accurate details, the spectroscopy of the plasma plume has been analyzed and it was significant since internationally the plume temperature has been less investigated in comparison with the excited electrons temperature, and also is remarkable as regards the national reports may be even not found such study. In the second view, considering in the non-transfer plasma torch design, the plasma plume temperature estimation and its characterization were substantial and necessary. These results are obtained using the Boltzmann method and exact analysis of the Fortrat curve and the selection of the P branch of the curve known as the first negative system N2+(B-X), based on the dominant Nitrogen molecules in the air. By exact selection of rotational quantum numbers, regarding maximum spectrum intensities, the macroscopic plasma plume temperature, and excited electrons temperature were estimated 2000 (0.17 eV) and 6400 (0.5 eV) Kelvin respectively. The temperature results of this thermal torch sample are compared with international authoritative reports and also with the thermodynamic approach in a similar condition and is in the minimum spectrum of temperature which was excepted. It means that, the macroscopic plume temperature is still far away from related thermal plasma near the excited electron temperature (more than 4000 K). Therefore, to design a desirable plasma torch with suitable electrodes and other parameters, and achieve the 4000 K macroscopic temperature, it is in the minimum spectrum of temperature or efficiency and these obtained results are important and necessary for the precise design of a waste-incinerator torch pursuing with this purpose in the future.

کلیدواژه‌ها [English]

• macroscopic temperature of plasma plume
• non-transfer DC plasma torch
• electron excited temperature
• optical spectroscopy