Спектральная пирометрия при плазменном нагреве, плавлении и охлаждении неметаллических тугоплавких материалов (ТГАСУ, г. Томск)

   Актуальность. Спектральная пирометрия при плазменном нагреве, плавлении и охлаждении неметаллических тугоплавких материалов имеет особую актуальность в нанотехнологиях, медицине, энергетике, металлургии и других областях, где требуется точный контроль температуры в процессе обработки различных материалов. Применение метода спектральной периметрии направлено на создание новых технологий для измерения температуры в сложных условиях обработки и синтеза материалов, таких как плазменный нагрев, плавление и охлаждение неметаллических тугоплавких материалов. Результаты исследований в этой области могут улучшить процессы производства, снизить затраты на материалы и топливо, повысить эффективность работы установок и оборудования, а также качество и надежность конечной продукции.

   Цель исследования: адаптация малогабаритных спектрометров в области спектральной пирометрии при диагностике конденсированных сред, подвергшихся нагреву и плавлению в среде термической плазмы.

   В работе представлены результаты применения малогабаритных спектрометров в рамках диагностики нагрева, плавления и охлаждения кварцевой мишени посредством плазменной струи атмосферного давления. Диагностический комплекс для проведения экспериментальных  исследований включает в себя два канала сбора данных: первый – микроспектрометр HPCS 300 со спектральным диапазоном 380–780 нм, который служит для определения цветовой температуры эталонного источника излучения и калибровки оптоволоконного тракта; второй – микроспектрометр STS-VIS, в основе которого лежит ПЗС-детектор с 1024 элементами, спектральный диапазон – 350–800 нм, используется для снятия спектра излучения исследуемого объекта.

   Выводы. Установлено, что при взаимодействии плазменной струи с кварцевой мишенью наблюдаются три этапа, включающих в себя деформацию поверхности, выход на стабильную температуру нагрева и охлаждение конденсированного материала с точками фазовых переходов «жидкое – пиропластичное – твердое».

1. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. Москва : Физматлит, 2012. 248 с.

2. Магунов А.Н., Захаров А.О., Лапшинов Б.А. Измерение нестационарной температуры методом спектральной пирометрии // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 1. С. 143–148.

3. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия объектов с неоднородной температурой // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. № 7. С. 78–82.

4. Araújo A. Multi-spectral pyrometry – a review // Measurement Science and Technology. 2017. № 28. P. 082002. DOI: 10.1088/1361-6501/aa7b4b

5. Dolmatov A.V., Milyukova I.V., Gulyaev P.Y. Investigation of structure formation in thin films by means of optical pyrometry // Journal of Physics: Conference Series. 2019. № 1281 (1). Р. 012010. DOI: 10.1088/1742-6596/1281/1/012010

6. Fu T., Liu J., Duan M., Li S. Subpixel temperature measurements in plasma jet environments using high-speed multispectral pyrometry // Journal of Heat Transfer. 2018. № 140 (7). Р. 071601. DOI: 10.1115/1.4038874

7. Muller M., Fabbro R. Temperature measurement of laser heated metals in highly oxidizing environment using 2D single-band and spectral pyrometry // Journal of Laser Applications. 2012. № 24 (2). P. 1–11. DOI: 10.2351/1.3701400

8. Sotnikova G.Y., Alexandrov S.A., Voronin A.V., Urzhumtsev N.A. Two-color pyrometry methods for measuring the surface temperature of materials exposed to a plasma jet // Journal of Communications Technology and Electronics. 2022. № 67. Р. 79–83. DOI: 10.1088/0022-3735/20/6/008

9. Leonova K., Britun N., Konstantinidis S. Target heating and plasma dynamics during hot magnetron sputtering of Nb // Journal of Physics D: Applied Physics. 2022. № 55 (34). Р. 345202. DOI: 10.1088/1361-6463/ac72d0

10. Chaplygin A.V., Gordeev A.N. Heat transfer and flow visualization experiments for plasma jets issuing from slit nozzles // AIP Conference Proceedings. 2021. № 2351. P. 030067. DOI: 10.1063/5.0052124

11. Volodin L.Y., Kamrukov A.S. Optical emission study of plasma vortex rings at atmospheric pressure air // Journal of Physics: Conference Series. 2019. № 1393 (1). Р. 012063. DOI: 10.1088/1742-6596/1393/1/012063

12. Coleman J.E. A spectral pyrometer to spatially resolve the blackbody temperature of a warm dense plasma // Review of Scientific Instruments. 2016. № 87 (12). Р. 123113. DOI: 10.1063/1.4973433

13. Badie J.M., Bertrand Ph., Flamant G. Temperature distribution in a pilot plasma tundish: Comparison between plasma torch and graphite electrode systems // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2001. № 21 (2). P. 279–299. DOI: 10.1023/A:1007004532610

14. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Кунц О.А. Плазменная технология синтеза форстеритового материала // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 25. № 1. С. 166–175. DOI: 10.31675/1607-1859-2023-25-1-166-175

15. Шеховцов В.В., Волокитин О.Г., Ушков В.А., Зорин Д.А. Получение стеклокерамики системы MgO-SiO2 методом плазменной плавки // Письма в Журнал технической физики. 2022. Т. 48. № 24. С. 15–18. DOI: 10.21883/PJTF.2022.24.54017.19278

16. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., Гафаров Р.Е. Синтез муллитсодержащей керамики в среде низкотемпературной плазмы // Физика и химия стекла. 2022. Т. 48. № 5. С. 630–634. DOI: 10.31857/S0132665121100619. EDN: UHKROE

17. Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Улмасов А.Б. Синтез алюмомагнезиальной керамики MgAl2O3 в среде термической плазмы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 3. С. 138–146. DOI: 10.31675/1607-1859-2022-24-3-138-146

18. Шеховцов В.В. Стеклокерамика на основе шпинели MgAl2O4, полученная методом плазменной плавки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2023. Т. 25. № 3. С. 151–161. DOI: 10.31675/1607-1859-2023-25-3-151-161