Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн свч-диапазона



Скачать 409.89 Kb.
страница1/2
Дата12.11.2016
Размер409.89 Kb.
  1   2


На правах рукописи
ЕСАКОВ Игорь Иванович

Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн

СВЧ-диапазона


Специальность 01.04.08 – Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук
Москва - 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Московский радиотехнический институт РАН»


Научный консультант:

Ходатаев Кирилл Викторович - доктор физико-математических наук,

профессор
Официальные оппоненты:

Лебедев - доктор физико-математических наук,

Юрий Анатольевич профессор
Скворцов - доктор технических наук

Владимир Владимирович


Никулин - доктор физико-математических наук,

Михаил Григорьевич профессор


Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится «17» декабря 2009 г. в _____ часов

на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г.Москва, Ленинские горы, Московский Государственный университет, Физический факультет, аудитория …..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.


Автореферат разослан ____________ 2009

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет исследований. В 60-е годы двадцатого века произошел существенный прогресс в технике генерирования мощных электромагнитных (ЭМ) колебаний в гигагерцовом диапазоне частот f. Это позволило начать физические исследования газовых электрических разрядов в СВЧ-диапазоне длин волн ЭМ-излучения, зажигаемых в «свободном» пространстве при газовых давлениях p, соответствующих восходящей ветви зависимости поля пробоя от давления.

Условная схема реализации таких разрядов показана на Рис.1.



frame1

Рис.1. Условная схема реализации СВЧ - разряда в квазиоптическом ЭМ-пучке

На схеме цифрой 1 обозначен СВЧ-генератор. Цифрой 2 условно обозначены элементы, которые в опытах формируют квазиоптический ЭМ-пучок с заданной пространственной конфигурацией.

Термин «квазиоптический пучок» подразумевает, что в направлениях, поперечных вектору распространения ЭМ-поля , он имеет характерный размер в несколько единиц /2.

В области максимального поля этого пучка, существенно (в длинах волн ) удаленной как от элементов, формирующих ЭМ-пучок, так и от окружающих предметов, и возникает СВЧ-разряд 3. В опытах, как правило, область максимального поля пучка находится в герметичной электродинамически «безэховой» камере 4, давление газа p в которой можно изменять.

Результаты исследований, выполненных в ходе настоящей работы, могут быть использованы в диапазоне частоты f ЭМ-колебаний примерно от 30 GHz до 1 GHz, что при распространении ЭМ волны в свободном пространстве приблизительно соответствует диапазону от 1 до 30 сm. Ключевые физические механизмы, определяющие развитие и параметры разрядов, изученные в данном диапазоне, вероятно, работают и при длинах волн несколько более 30 cm. Но при таких вступают в силу габаритные ограничения на создание экспериментальных установок. Исследования разрядов технически трудноосуществимы и в рамках данной работы не проводились. Для разрядов возбуждаемых , существенно короче 1 см, определяющими становятся другие физические механизмы, и полученные результаты не могут быть полноценно использованы.

В ходе диссертационной работы разряд зажигался, в основном, в воздухе атмосферного состава при p от сотых долей до нескольких атмосфер. При этом в реализующейся разрядной плазме частота столкновений плазменных электронов с молекулами c примерно равна или существенно больше круговой частоты колебаний поля , т.е. плазма является столкновительной. В этом смысле говорят о СВЧ-разряде при средних или высоких давлениях газа. Ряд экспериментов проводился и с другими газами, такими как гелий, водород и элегаз. В указанных диапазонах f и p свойства этих разрядов качественно сохранялись, хотя количественные отличия, естественно, фиксировались.

В опытах мощность ЭМ-пучков PСВЧ была в диапазоне от единиц мегаватт до единиц киловатт. При высоком уровне PСВЧ реализовывался только моноимпульсный режим генерации при длительности импульса СВЧ от единиц до десятков микросекунд. (Здесь термин «моноимпульсный» подразумевает, что длительность паузы между импульсами позволяла не учитывать изменений свойств газа, вызванных предыдущим разрядом.) При малых PСВЧ разряд в опытах создавался и в квазинепрерывном режиме при СВЧ в десятые доли секунды.

Как уже указывалось, поперечный размер ЭМ-пучка в разрядной области, как правило, был равен нескольким величинам /2. В результате при приведенных значениях PСВЧ в области разряда обеспечивалась амплитуда электрической составляющей исходного ЭМ-поля E0 от десятков V/cm до десятков??? kV/cm. При больших значениях E0 в газах даже сравнительно высокого p мог осуществляться самостоятельный безэлектродный электрический пробой газа. В дальнейшем минимальный уровень пробойного поля для данного газа будем называть критическим полем пробоя Ecr . При малых же E0 или больших p , когда E0 < Ecr (p),  в опытах СВЧ пробой газа должен был быть инициирован. Для этого в рамках выполненных исследований была разработана система инициации газового пробоя с помощью линейных и кольцевых ЭМ - вибраторов.



Цель работы. На начальном этапе настоящих работ данный тип электрического газового разряда был практически неизученным объектом. Особенно это касалось высоких газовых давлений p. Это обстоятельство и определило приоритетные цели исследований. Прежде всего – реализация СВЧ   разряда в квазиоптическом ЭМ - пучке в различных исходных условиях; экспериментальное определение возможной трансформации вида разряда в диапазонах E0-p и, основное, оценка энергетической эффективности взаимодействия разрядной плазмы с возбуждающим её ЭМ   полем. Последнее в значительной мере определяет практическую ценность СВЧ разряда, а, следовательно, и необходимость подробного исследования его свойств.

В то же время конкретные цели исследований определялись уже в ходе получения фактических данных. Эти цели были, в основном, связаны с выявлением определяющих физических механизмов, ответственных за формирование структуры разряда и его свойств. Так, в результате полученных опытных данных и их анализа было выявлено влияние на отдельные области разряда на разных временных этапах их развития ионизационно-полевых процессов, ионизационно-полевых и ионизационно-перегревных неустойчивостей разрядной плазмы, «стримерных» механизмов роста разрядных каналов, электродинамических резонансов на отдельных плазменных участках, перетяжечной и изгибной неустойчивостей плазменных токовых каналов и т.п.

Конечной целью выполненных исследований являлось получение данных, необходимых для анализа возможности реализации данного типа СВЧ-разряда с нужными свойствами в зависимости от мощности СВЧ-пучка PСВЧ или уровня исходного поля E0 в разрядной области при конкретной длине волны излучения , длительности ЭМ-излучения СВЧ, давления p и состава газа. В значительной мере эта цель была достигнута, хотя, конечно, и перед опытно-конструкторской разработкой конкретных устройств или изучении возможности применения данного типа разряда в практической схеме могут потребоваться экспериментальные исследования в реальной геометрии ЭМ пучка и при заданных элементах конструкции.

Научная новизна. В данной диссертационной работе впервые систематически изложены результаты экспериментальных исследований СВЧ-разряда в воздухе и ряде других газов в квазиоптическом пучке с бегущими и стоячими ЭМ-волнами.

Экспериментально показано, что рассматриваемый тип разряда реализуется в существенно отличающихся видах в различных исходных диапазонах E0-p . С ростом p разряд из диффузного вида трансформируется в стримерный вид. Впервые отмечено, что положение границы перехода из диффузного вида в стримерный по давлению зависит от длины волны ЭМ излучения и сорта газа. С уменьшением она сдвигается в сторону больших p. Впервые показано, что если в диффузном виде СВЧ   разряд энергетически слабо взаимодействует с возбуждающим его ЭМ-полем, то СВЧ-разряд в стримерном виде, напротив, взаимодействует с возбуждающим его полем с высокой эффективностью. Это свойство СВЧ-разрядов, обнаруженное при исследовании разрядов на высоких p, открывает широкие возможности для поиска путей его практического применения и стимулирует исследования его свойств. В опытах выяснилось, что стримерный вид разряда может реализовываться и в полях, меньших и существенно меньших минимального, критического поля пробоя Ecr , необходимого для безэлектродного пробоя газа при конкретном значении p. Впервые было показано, что глубоко подкритический СВЧ-разряд также взаимодействует с возбуждающим его ЭМ-полем с высокой эффективностью.



В ходе исследований были выявлены физические механизмы, ответственные за трансформацию диффузного вида разряда в стримерный вид, и свойства последнего стимулировали исследования различного рода неустойчивостей в разрядной плазме СВЧ-диапазона ЭМ-колебаний. Так в работе показано, что ионизационно-перегревные процессы ответственны за формирование плазменных каналов в исходном диффузном фоне СВЧ-разряда. Стримерный механизм ответственен за рост и формирование этих каналов. Взаимное электродинамическое влияние задает траекторию прорастания каналов в пространстве. Электродинамические резонансы на их отдельных участках определяют эффективность взаимодействия разряда с ЭМ-полем. Впервые экспериментально показано, что резонансный рост тока в каналах определяет их перетяжечную и изгибную неустойчивость. Все эти механизмы, хорошо изученные, например, в постоянных полях, являются «новыми» в СВЧ диапазоне ЭМ-колебаний.

На защиту выносятся следующие положения

  1. Результаты исследования пространственной структуры, динамики развития и основных свойств СВЧ-разряда стримерного вида в квазиоптическом ЭМ- пучке.

  2. Классификация видов разряда СВЧ-диапазона при среднем и высоком давлении воздуха и области их существования в координатах: уровень поля – давление воздуха.

  3. Физические механизмы, определяющие формирование пространственной структуры и параметры СВЧ-разрядов в квазиоптическом пучке бегущей и стоячей ЭМ-волны:

  • ведущая роль ионизационно-перегревной неустойчивости СВЧ- плазмы в зарождении плазменных каналов;

  • стримерный механизм развития структуры плазменных каналов СВЧ-разряда в пространстве;

  • электродинамический резонанс плазменных каналов СВЧ-разряда при взаимодействии с ЭМ-излучением;

  • магнитное сжатие плазменных каналов СВЧ-разряда.

  1. Свойство высокой поглощающей способности СВЧ- стримерных разрядов, обусловленное электродинамическим резонансным взаимодействием структуры разряда с СВЧ-излучением.

  2. Обнаруженное впервые физическое явление: пинч-эффект магнитного сжатия СВЧ-тока и СВЧ крупномасштабные МГД неустойчивости в безэлектродном уединенном резонансном короткоимпульсном стримерном разряде сверхвысокого давления.

  3. Оригинальные методы и устройства для измерения параметров СВЧ- излучения и газа:

  • метод локального измерения величины электрической составляющей ЭМ-поля в различных точках линейно поляризованного квазиоптического СВЧ-пучка с помощью инициации пробоя воздуха проводящим шариком;

  • метод акустического зондирования области свободно локализованного СВЧ-разряда для измерения средней газовой температуры при среднем и высоком давлении.

  1. Способ инициации газового пробоя в подкритическом и глубоко подкритическом поле СВЧ-волны пассивным прямолинейным (или кольцевым) ЭМ- вибратором.

  2. Ряд оригинальных схем разработанных и созданных при ведущем участии соискателя экспериментальных установок, позволяющих проведение комплексных исследований СВЧ-разрядов в широком спектре условий в сверхзвуковом и дозвуковом газовых потоках.

















Личный вклад автора.

К личному вкладу соискателя следует отнести следующее.

При непосредственном участии автора диссертации были проведены эксперименты, связанные с разработкой локального метода измерения поля E0 в квазиоптических ЭМ-пучках. Анализ экспериментальных данных и их сопоставление с развитой К.В.Ходатаевым теорией позволил определить характер плазменной диффузии, который необходимо учитывать при использовании данного метода. В экспериментах наглядно выявилась роль «начальных» электронов на процесс развития электрического разряда.

Соискатель является соавтором авторских свидетельств, основанных на результатах экспериментов, на способ инициации СВЧ-пробоя в подкритическом и глубоко подкритическом поле ЭМ-волны и совместного с ЦИАМ авторского свидетельства на способ и устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы.

При непосредственном участии автора диссертации в экспериментах были выявлены универсальные виды СВЧ-разряда в квазиоптическом ЭМ-пучке. В этих экспериментах был впервые в воздухе реализован стримерный вид пространственно-развитого СВЧ-разряда в надкритическом поле. Практически одновременно с исследователями с ИОФ РАН автором был реализован инициированный пространственно-развитый стримерный СВЧ-разряд в подкритическом поле. В экспериментах с участием соискателя был реализован стримерный глубоко подкритический привязанный к инициатору СВЧ-разряд в воздухе. В опытах было показано, что выявленные виды СВЧ-разрядов являются универсальными и для других газов, с некоторыми их особенностями.

Соискателем был разработан и использован в экспериментах способ измерения средней по объему газовой температуры T свободно локализованного СВЧ-разряда среднего давления p путем зондирования его слабой ударной волной (УВ).

При непосредственном участии автора диссертации были экспериментально определены границы E0 - p областей реализации различных видов СВЧ-разряда в воздухе в квазиоптических ЭМ-пучках при  = 8.9 cm. Под руководством соискателя в опытах эти границы были определены и для других длин волн ЭМ-излучения, и выявлены характерные количественные тенденции.

Изучение динамики развития стримерного вида инициированного подкритического СВЧ-разряда с пространственно-развитой структурой позволило определить роль СВЧ стримерного механизма в ее формировании. В процессе этих исследований было также выявлено влияние электродинамических факторов и связанных с ними резонансных явлений на конкретную геометрию подкритического СВЧ-разряда и способность этого вида разряда и глубоко подкритического СВЧ-разряда энергетически эффективно взаимодействовать с возбуждающим разряд ЭМ-полем.

В процессе выполняемых при непосредственном участии автора диссертации или под его непосредственным руководством опытов и их анализа была убедительно продемонстрирована роль ионизационно-перегревной неустойчивости СВЧ-плазмы СВЧ-разряда в трансформации диффузного вида разряда в стримерноый с ростом давления газа.

Выполненные при непосредственном участии соискателя эксперименты по исследованию безэлектродного СВЧ-разряда в воздухе в открытом резонаторе подтвердили выполненные ранее сотрудниками НИИ Радиоприборостроения и ИОФ РАН эксперименты, показывающие характер распределения поглощенной резонансным разрядным каналом энергии ЭМ-поля по длине этого канала. При участии соискателя была выявлена роль перетяжечной неустойчивости токового плазменного СВЧ-канала в воздухе на это распределение. Эксперименты показали роль этой неустойчивости и в плазменном резонансном канале СВЧ-разряда в водороде. При участии соискателя было впервые обнаружено явление изгибной неустойчивости резонансного плазменного токового СВЧ-канала в воздухе и в водороде.

При непосредственном участии соискателя была восстановлена и модернизирована установка ДОР-2 с  = 8.9 cm. При этом соискателем были проведены на ней ряд оригинальных исследований СВЧ-разряда в режиме «стоячей» волны в квазиоптическом двухзеркальном резонаторе. Кроме того, эта установка была модернизирована для проведения исследований в режиме «бегущей» квазиоптической ЭМ-волны. Под руководством и при непосредственном участии соискателя были созданы новые экспериментальные установки с  = 2.5 cm и   12.5 cm. При участии соискателя уникальная установка с  = 4.3 cm, работающая в режиме бегущей волны, была модернизирована для проведения опытов с СВЧ-разрядами в режиме стоячей волны с высокодобротным открытым двухзеркальным резонатором.

Указанные достижения были получены лично автором диссертации, при его личном участии и под его руководством как начальника сектора. Соискатель являлся и является руководителем Проектов МНТЦ (ISTC) № 1840, № 2429, №3572 и Проектов АФГИР (CRDF) по программам GAP и FSTM: UKE2-1508А-KV-05, UKE2 1518А KV 07 и RUP2-005071-MO-07.



Апробация работы. Результаты исследований, положенных в основу настоящей диссертации, докладывались на различных всероссийских и международных конференциях. В их числе: III Всесоюзная конференция “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (1989, г.Новосибирск); 2-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (май, 1995 г., Иваново); 4-я Международная конференция «Strong microwaves in plasma» (август 1999 г., Нижний Новгород); Международное совещание по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТАН, 2000 г, 2003 г.); III - VI Международный симпозиум «Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике» (Санкт-Петербург, 2002 г., 2004 г., 2006 г., 2008 г.); 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionised Gases Workshop (11-14 June 2001, Anaheim, CA), 41st - 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008) Reno, NV; 2nd International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC) (19-21 September 2006, 2007 и 2008 г. Quality Inn Governor Falls Church, Virginia, U.S.A.); Восьмая международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 4-13 июня 2008, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2009, Orlando, Florida). Сборники трудов этих конференций опубликованы.

Практическая ценность работы. Практическая ценность выполненных исследований определяется, прежде всего, выявленной энергетической эффективностью взаимодействия с ЭМ-полем СВЧ-разряда в квазиоптическом ЭМ-пучке в виде стримерного подкритического и глубоко подкритического разряда. В настоящее время изучается ряд конкретных предложений по использованию этих видов разряда в практических устройствах. В ходе этой проработки на существующих установках выполнен ряд экспериментов, показывающих на количественном уровне реальность этих предложений.

Данный тип разряда может быть использован в плазменной газодинамике для управления характеристиками как дозвуковых (ДЗ), сверхзвуковых (СЗ), так и гиперзвуковых (ГЗ) летательных аппаратов. Выполненные эксперименты показали влияние этих разрядов на лобовое сопротивление модели и на боковые управляющие силы. В этой связи с участием автора диссертации в настоящее время ведутся исследования различного вида стримерных СВЧ- разрядов на поверхности диэлектрика. При этом, естественно, используется тот научный задел, который ранее получен автором.

Используемые в исследованиях для оценки температуры плазменных каналов СВЧ-разряда опыты по его зажиганию в модельной горючей смеси показали возможность поджига и стабилизации горения этой смеси в режиме ее высокоскоростного течения по разрядной области. При этом поджигается и весьма бедная смесь. Эти наработки позволяют рассматривать возможность применения таких разрядов в прямоточных реактивных двигателях и в наземных газотурбинных установках.

На основе зарегистрированного факта поджига бедной горючей смеси подкритическим стримерным разрядом сформулировано предложение для использования этого разряда в поршневых двигателях внутреннего сгорания нового поколения.

В возглавляемом соискателем коллективе были проведены исследования по возможности использования этого типа разряда в плазмотронах и, например, в плазмотроне с возвратно-вихревым течением воздуха в нем.

В этом же коллективе проводятся исследования по использованию глубоко подкритического стримерного СВЧ-разряда в установках по газификации низкокалорийных углей и бытовых отходов.



Публикации. Основные результаты исследований соискателя опубликованы в 39 статьях в различных отечественных и зарубежных журналах ( «Физика плазмы», «Известия СО АН СССР, Сер. технических наук», «Радиотехника и электроника», «Прикладная физика», «ЖТФ», «Письма в «ЖТФ», «Applied physics letters», «IEEE Transactions on Plasma Sciences» ) и итоговых отчетах по Проектам МНТЦ № 1840, № 2429, №2820.

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 356 страницах. Работа состоит из введения, 11 глав и заключения, Список литературы диссертации насчитывает 187 ссылок. Он построен по главам, с неизбежным пересечением некоторой части ссылок. Работа содержит 5 таблиц и 194 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирован предмет исследований, цель диссертации, ее научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту, отмечен личный вклад автора кратко излагается содержание диссертации и показана практическая ценность работы.



В Главе 1 описываются используемые в опытах экспериментальные установки, их основные характеристики и средства диагностики. Они отличаются по длинам волн используемого ЭМ-излучения:  = 8.9 cm,  = 2.5 cm,  = 12.3 cm и  = 4.3 cm. При этом установка с  = 8.9 cm использована в двух режимах: режим «бегущей» волны ЭМ-пучка и режим стоячей волны с высокодобротным квазиоптическим двухзеркальным резонатором. Установки с  = 2.5 cm и  = 12.3 cm работают в режиме бегущей волны. Они оснащены устройствами для создания в рабочей части высокоскоростного потока воздуха или его горючей смеси с пропаном в диапазоне скорости до 500 m/s. Характерной особенностью большинства установок является то, что квазиоптический ЭМ-пучок в них создается в герметичной рабочей камере, давление в которой можно менять от единиц Torr до атмосферного давления. Установка с  = 4.3 cm имела герметичную камеру высокого давления с радиопрозрачным окном, которая была рассчитана на рабочие давления около 10 atm. Это позволило провести экспериментальные исследования СВЧ-разрядов с использованием высокодобротного квазиоптического СВЧ-резонатора в воздухе, водороде и в дейтерии при избыточных газовых p до нескольких атмосфер.

В Главе 2 экспериментально и теоретически рассмотрен безэлектродный электрический пробой газов в квазиоптическом ЭМ-пучке.

В этой главе вводятся основные характеристики, определяющие плазмохимические процессы в СВЧ-разрядной плазме воздуха, и даются простейшие, не противоречащие выполненным экспериментам аналитические выражения, которые можно использовать для их количественных оценок: амплитуда критического поля пробоя, где в этом и в аналогичных выражениях давление p имеет размер Torr, ; 1/s – круговая частота поля, и с = 4109p; 1/s – частота столкновений электронов с молекулами воздуха; эффективная частота прилипания плазменных электронов; частота ионизации, где  = 5.34; коэффициент электронной диффузии; коэффициент амбиполярной диффузии; частота трехтельного прилипания электронов; и т.п. Еще раз отметим, что использование этих оценок при анализе получаемых экспериментальных результатов подтвердило их правомочность.

В результате проведения экспериментов выяснилась существенная роль наличия начальных свободных электронов в пробойной области. При естественном уровне начальной ионизации газа и пробое в импульсных полях наблюдается статистический разброс пробойного уровня поля Ebr и некоторой особенности процесса пробоя в нарастающем во времени t поле. На Рис.2 приводятся иллюстрирующие это опытные данные. Рис.2a соответствует работающей в режиме бегущей волны установке с  = 8.9 cm, а Рис.2b –работающей в режиме открытого резонатора установке с  = 4.3 cm.



a) b)


Рис.2. Поле пробоя воздуха при естественном уровне его начальной ионизации

В Главе 3 описываются эксперименты по выявлению характерных видов безэлектродного СВЧ-разряда в воздухе в надкритическом поле квазиоптического ЭМ-пучка на  = 8.9 cm. Описывается динамика их пространственного развития при различных p. Приводятся результаты измерения основных параметров плазмы этих разрядов, таких, например, как электронная концентрация плазмы n, ее газовая температура T, порог по p развития ИП-каналов и т.д.

На Рис.3 приведены характерные фотографии СВЧ-разрядов в диффузном виде при p  30 Torr (левая) и стримерном виде при p  100 Torr. На них излучение поступает слева, вектор E0 вертикален, характерный поперечный размер разрядной области имеет масштаб десяти сантиметров.



Рис.3. Диффузный и стримерный безэлектродный свободно локализованный СВЧ-разряд в фокусе квазиоптического ЭМ-пучка

В этой главе описываются результаты экспериментального исследования некоторых свойств таких СВЧ-разрядов. Так, измерения средней ne по разрядной области при величинах p от 12 до 120 Torr дали ее значения от 3.51011 до 3.51012 1/cm3, соответственно. Рост температуры газа T в области диффузного вида разряда имеет масштаб нескольких десятков градусов. Температура газа T в шнуровых каналах имеет масштаб тысяч градусов.

На Рис.3 в диффузных областях разряда низкого p видны относительно яркие вытянутые вдоль E0 каналы. Теоретический анализ показал, что они являются результатом ИП-неустойчивости СВЧ-разрядной плазмы. С ростом p именно эти каналы и ответственны за формирование стримерного вида СВЧ-разряда.

В Главе 4 приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования способа локального измерения электрической составляющей ЭМ-поля E0 в квазиоптическом СВЧ-пучке. Используемый при этом металлический шарик инициирует СВЧ-разряд в подкритическом ЭМ-поле, и в измерениях фиксируется максимальное давление воздуха pbr , при котором реализуется такая инициация. В линейном приближении решается уравнение баланса электронной концентрации ne в воздухе в зависимости от амплитуды СВЧ-поля E0 . Оно сводится к уравнению Эйри, решение которого с учетом требуемых граничных условий дает связь поля E0  с давлением pbr и радиусом шарика a :



г


Рис.4. Зависимость локального значения поля пробоя от давления воздуха при помещении металлического шарика в исследуемую точку СВЧ-пучка
де Ecr – критическое поле пробоя при данном p , a – имеет размерность cm, а p – Torr. На Рис.4 приведен график этой зависимости и точками показаны результаты экспериментов. Видно, что теория адекватна опытам при значениях 0  [0.84/(ap)]  0.35.


Рис.4. Зависимость локального значения поля пробоя от давления воздуха при помещении металлического шарика в исследуемую точку СВЧ-пучка

Переход к цилиндрическому инициатору, помещаемому в ЭМ-пучок параллельно его вектору E0, позволил в экспериментах инициировать СВЧ-разряд не только в подкритическом (E0 < Ecr) , но и в глубоко подкритическом (E0 << Ecr) поле. В этой главе приводится полученное по результатам опытов оценочное выражение для поля на вершине такого ЭМ-вибратора Epol с диаметром 2a и длиной 2L, существенно меньшей резонансной длины : 



где коэффициент формы и эксцентриситет . На графиках, помещенных на Рис.5, сплошной линией показаны результаты экспериментов, пунктирной – указанная зависимость, а остальными линиями – более грубые приближения.








Рис.5. Зависимость от длины и диаметра «короткого» ЭМ-вибратора поля на его вершине при его помещении в исследуемую точку ЭМ-пучка, параллельно электрической составляющей поля

В опытах исследована и способность инициировать СВЧ-разряд ЭМ вибратором с длиной, близкой к резонансной длине. Полученные результаты обработаны теоретичеки.

В Главе 5 описываются экспериментально определенные E0-p области реализации различных видов инициированного подкритического СВЧ-разряда в воздухе: с привязанной к инициатору и объемно-развитой стримерноой структурой. В ней сравниваются границы этих областей для  = 8.9 cm и  = 2.5 cm. Соответствующие иллюстрации приведены на Рис.6.

На Рис.6 линия 1 является зависимостью Ecr(p). Линия 2 обозначает граничную область между диффузными и стримерными видами СВЧ-разряда. Линия 3 отделяет область IV подкритического вида разряда от области V глубоко подкритического вида разряда. Кроме того, на Рис.6 область I есть область надкритического разряда диффузного вида, область II – надкритического стримерного вида и область III – подкритического диффузного вида. На фотографии, иллюстрирующей последний вид разряда, он инициирован шариком, а на иллюстрирующих фотографиях областей IV и V – линейным ЭМ-вибратором. Из рисунка следует, что с уменьшением граница 2 смещается в сторону больших p , а граница 3 – в сторону больших E0 .





Рис.6. Области реализации различных видов СВЧ-разряда в зависимости от уровня поля E0 и давления воздуха p при  = 8.9 cm (левая) и  = 2.5 cm

В Главе 6 описываются результаты экспериментальных и теоретических исследований инициированных подкритических СВЧ-разрядов в воздухе с объемно-развитой стримерноой структурой. Рассматривается динамика их развития при различных p воздуха. Обосновывается стримерный механизм роста формирующих их плазменных каналов и определяется скорость их роста.

Для примера на Рис.7 помещены фотографии стримерного вида СВЧ-разряда в воздухе при p = 120 Torr и длительности СВЧ-импульса СВЧ = 4, 7 и

17 s (левые) и при p = 300 Torr и СВЧ  = 36 s. Разряд инициирован шариком диаметром 2a = 2.5 mm. На фотографиях ЭМ-излучение поступает справа, а вектор E0 – вертикален. Они иллюстрируют рост и ветвление стримерных каналов. Оцененная по фотографиям их средняя скорость роста vstr  6105 cm/s при p = 120 Torr, а при p = 300 Torr скорость фронта распространения разрядной области навстречу ЭМ-излучению vfr  2.5105 cm/s.





Рис.7. Динамика развития инициированного стримерного подкритического СВЧ-разряда

На Рис.8 приведены полученные в экспериментах значения vfr в диапазоне E0 и p воздуха. В работе, используя выражения для диффузионной и дрейфовой скорости распространения волны ионизации и опытные данные, получена оценочная формула для vfr :



,

г




Рис.8. Скорость распространения навстречу СВЧ-излучению фронта подкритического стримерного СВЧ-разряда
де размерность p – Torr, E0 – V/cm и - cm. Рассчитанные по ней значения vfr для опытных условий на Рис.16 соединены сплошной линией.

Высокие значения vstr демонстрируются в опытах по зажиганию данного вида разряда в СЗ-потоке воздуха.

Опыты по скоростной фоторазвертке разрядной области выявляют резонансный характер взаимодействия отдельных участков плазменных каналов с СВЧ-полем. Характерная покадровая фоторазвертка СВЧ-разряда при p = 330 Torr и E0 = 5.5 kV/cm, инициированного шариком с 2a = 2.5 mm, помещена на Рис.9. На ней время экспозиции равно 1.5 s, а время между кадрами – 1.9 s. Кадры пронумерованы последовательно по времени. На них по разрядному фронту фиксируются яркие резонансные участки плазменных каналов, которые и ответственны за энергетическую эффективность взаимодействия разрядной области с ЭМ-излучением. Полученные в опытах результаты обработаны теоретически.


Рис.9. Покадровая фоторазвертка, демонстрирующая динамику развития инициированного подкритического стримерно-шнурового СВЧ-разряда


Рис.9. Покадровая фоторазвертка, демонстрирующая динамику развития инициированного подкритического стримерно-шнурового СВЧ-разряда

В этой главе также показывается роль ИП неустойчивости разрядной плазмы в СВЧ-поле на процесс трансформации диффузного вида разряда в стримерно-шнуровой с ростом p . На Рис.10 помещена соответствующая иллюстрация при p= 60 Torr и E0  Ebr. На нем кадры по времени в каждом ряду расположены слева направо и сверху вниз по рядам. Их время экспозиции 0.2 s, а расстояние между кадрами – 0.2 s.





Рис.10. Развитие ИП-каналов в начальной диффузионной разрядной области

Развитая в работе теория определяет инкремент развития данной неустойчивости и характерный поперечный размер формирующегося ИП-канала.



  1   2


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница