Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн СВЧ диапазона (1097869)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «МОСКОВСКИЙРАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК»На правах рукописиЕсаков Игорь ИвановичРАЗРЯД В ГАЗАХ СРЕДНЕГО И ВЫСОКОГОДАВЛЕНИЯ В КВАЗИОПТИЧЕСКОМ ПУЧКЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛНСВЧ ДИАПАЗОНАСпециальность 01.04.08 – Физика плазмыАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква 20102Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии«Московский радиотехнический институт РАН»Научный консультант:Ходатаев Кирилл Викторович-доктор физико-математических наук,профессорОфициальные оппоненты:Битюрин Валентин Анатольевич-доктор физико-математических наук,профессорГильденбург ВладимирБорисович-доктор физико-математических наук,профессорШибков Валерий Михайлович-доктор физико-математических наук,профессорВедущая организация:-Институт общей физикиим.А.М.Прохорова РАНЗащита состоится « 17 » марта2011 г.
в _____ часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.66 при Московском ГосударственномУниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г.Москва, Ленинскиегоры, Московский Государственный университет, Физический факультет,аудитория …..С диссертацией можно ознакомиться в библиотекефакультета МГУ им.М.В.Ломоносова.физическогоАвтореферат разослан ____________ 2011Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66,кандидат физико-математических наукКарташов И.Н.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1. Предмет исследований, обзор литературыУспехи в создании генераторов мощного СВЧ излучения и развитиесредств радиолокации в сороковых годах 20-го века породили новое научноенаправление - физику газового разряда в электромагнитном поле СВЧдиапазона. Исследования были связаны с проблемой прочности волноводныхтрактов и созданием коммутирующих элементов в антенныхпереключателях.
В связи с развитием космической техники проводилисьисследования электрической прочности антенных систем высоколетающихаппаратов.В начале второй половины прошлого столетия была сформулированаидея, связанная с дальней передачей энергии с помощью мощного СВЧизлечения. К исследованиям в рамках специальной программы научныхисследований был привлечен ряд организаций.
Важное место в этойпрограмме занимали исследования газоразрядных явлений в мощном потокеСВЧ излучения и, в частности, разряд в фокусе СВЧ излучения, названныйвпоследствии свободным.По-видимому, впервые свободный безэлектродный разряд в фокусеСВЧ излучения, удаленный от излучателя и каких-либо других элементовконструкции, был получен в 1959 году в СССР при исследовании проблемыгазоразрядной безопасности бортовых антенн высоколетающих объектов [1,2]. Фотография этого разряда, полученного в фокусе СВЧ излучения,приведена на Рис.1. Фокусировка излучения осуществлялась с помощьюдиэлектрической линзы (на фотографии- слева).Рис.1.Фотография свободно локализованного разряда в фокусе СВЧизлучения, длина волны λ=3cm, давление воздуха - 3 TorrСхема реализации свободного безэлектродного СВЧ разряда,примененная в этом эксперименте, показана на Рис.2.
Она стала типичной во4всех последующих исследованиях. Вместо линзы применялись также ивогнутые металлические зеркала.E01324.Рис.2. Схема реализации свободно локализованного СВЧ разряда: 1 СВЧ генератор, 2 - элементы формирования сфокусированногоизлучения, 3- разряд, 4 - вакуумная камераЭлектромагнитные колебания, создаваемые генератором 1, с помощьюантенной системы 2 излучаются в виде сходящегося квазиоптического пучкас образованием фокуса 3.
Термин «квазиоптический пучок» подразумевает,что в направлениях, поперечных вектору распространения ЭМ поля, он имеетхарактерный размер в несколько полуволн. В безэховой камере 4,откачиваемой до заданного давления, в фокусе, где амплитудаэлектрического поля максимальна, возникает разряд.Несколько позднее в 1962 году независимо был получен разряд вфокусе излучения на длине волны 3 cm в аргоне при мощности генератора2 kW [3].В число основных организаций, привлеченных к исследованиям разрядав потоке мощного СВЧ излучения, входили НИИ Радиоприборостроения(г.Москва), ФГУП «МРТИ РАН» (г.Москва), ИОФ РАН (г.Москва), ИПФРАН (Нижний Новгород), МГУ им.
М.В.Ломоносова, МГТУ им. Н.Э.Баумана(г.Москва), ОИВТ РАН (г.Москва), ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург).В этих институтах были созданы специализированные установки, средикоторых особо можно отметить уникальную по своим параметраммногофункциональную установку ДОР-2 [4], на которой были полученыважные данные о свободных разрядах в фокусе излучения с длиной волны4.3 cm.К началу 90-х годов был накоплен большой массив наблюдательных итеоретических данных о свободном разряде в СВЧ волновых полях вдиапазоне длин волн 0.8÷10 сm, давления 0,1÷760 Torr, длительностиимпульса излучения 1÷800 µs, и плотности потока энергии в фокусе101 ÷105 W/cm2.
Результаты исследований нашли отражение в обзорныхработах, монографиях и сборниках [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].Полученные сведения коротко можно свести к следующему.Для разных длин волн сантиметрового диапазона полученызависимости пробойного уровня поля от давления, длительности импульса,5при программированном воздействии и пр.[13]. Полученные данные непротиворечат данным, приведенным в работе [14].Определена зависимость скоростей реакций ионизации электроннымударом и других важных констант в СВЧ поле от параметра Е/р [15, 16], где Е- амплитуда колебаний электрического поля, р - давление газа(преимущественно воздуха) при комнатной температуре.Вид разряда сильно меняется в зависимости от давления газа идлительности импульса.
С ростом давления разряд при длительностиимпульса короче 100 µs меняется от диффузного в виде почти однородныхплазмоидов, возникающих в максимумах поля в районе фокуса, кмногоплазмоидному [17] и далее к многонитевому [18, 19]. Граничныезначения давления, разделяющие типы разрядов, тем выше, чем короче длинаволны, и зависят от сорта газа.Названные типы разрядов проявляются в различных газах, чтосвидетельствует об универсальности механизмов развития разряда.Происхождение филаментации диффузионного разряда связывается смеханизмом ионизационно-перегревной неустойчивости, теория которой [20]модернизирована применительно к однородной плазме в однородномволновом поле [21, 22, 23, 24, 25, 26, 19, 27, 28, 29, 30, 31].
Вслабостолкновительной плазме (ν/ω<1, малые давления) взаимодействие сполем, определяемое рефракцией, приводит к образованию характерныхчашеобразных плазмоидных структур, наблюдаемых в экспериментах на всехиспользуемых длинах волн [32].Стримерный разряд способен распространяться в поле, уровенькоторого много меньше пробойного (критического) значения и может бытьинициирован созданием локального увеличения поля на острияхметаллических предметов, в качестве которых использовалась т.н. "метелка"[33, 34], снижением плотности газа с помощью искрового разряда(электродного или лазерного [35]) или за счет возбуждения молекул газа.Развитие импульсного стримерного разряда сопровождается егораспространением в основном в сторону источника излучения со скоростьюнесколько километров в секунду [27, 36].Оценки и частные измерения указали на высокую температуру газа вканалах инициированного разряда вплоть до нескольких тысяч Кельвин прирадиусе большем или порядка 0.01 cm.
Ионизация в них может достигатьвеличины порядка 1% [37,34].Стримерные каналы окружены плазменным ореолом, происхождениекоторого предположительно объясняется либо линейчатым, либо тормознымультрафиолетовым излучением [38, 39].В случае линейной поляризации поля филаментарный и стримерныйтипыразрядовразвиваютсяпреимущественновплоскости,перпендикулярной вектору магнитного поля. При круговой поляризациитакой асимметрии не наблюдается [28].Нагрев продуктов развитого стримерного разряда последующимизлучением малого (сильно подкритического) уровня большой длительности6приводит к общему нагреву всей фокусной области, занятой разрядом, такчто разряд переходит в форму однородного плазмоида, названного свободнолокализованным равновесным СВЧ разрядом [40, 41, 42].
Скоростьраспространения такого разряда мала и определяется мощностью нагрева итеплопроводностью [43].Результаты экспериментальных исследованийфизических механизмов распространения СВЧ разрядов как в волноводах таки в пучке излучения обобщены в [44].Наблюдаемые пространственные формы каналов подкритическогостримерного разряда навели на мысль об аналогии с антенными системами[45, 46, 47, 48, 49]. Классификация форм СВЧ импульсного разряда быладополнена подкритическим типом разрядов с приближенным определениемобласти его существования для излучения с длиной волны 4.3 cm [50].Полуаналитические модели и неполное численное моделированиеначальной стадии развития разряда высокого давления свидетельствуют впользу высказанного предположения о стримерной природе егораспространения [51, 46].Распространение внешних (по отношению к разряду) ударных волн впродуктахимпульсногоподкритическогостримерногоразрядасопровождается их сильной деструкцией.СВЧ разряды способны оказывать существенное влияние на физикохимические процессы в газовых смесях, в частности, на процессы горения[52].Проведенные исследования дали основание для формулирования рядапредложений по использованию СВЧ разрядов, опирающихся навозможность их дальнего воздействия [5].Дальнейшее развитие физики СВЧ разрядов в значительной мерепроисходило в рамках сформировавшегося направления плазменнойаэродинамики.
В работу в формирующемся направлении исследованийпостепенно подключились научные организации США, Великобритании,Франции и других стран [53].Технология стримерных разрядов в проблемах плазменнойаэродинамики могут сыграть исключительно важную роль, посколькуимпульсные стримерные СВЧ разряды сопровождаются газодинамическимипроцессами, тем более мощными, чем выше давление [54, 55, 56].Формулирование задач аэрокосмических приложений стимулировалопроведение целенаправленных исследований физики СВЧ разрядов, ихсвойств в условиях, типичных для приложений.Работы, обобщенные в диссертации, выполнялись в русле этогонаправления.
Результаты исследований, включенные в диссертацию,отражены в публикациях, список которых приведен в разделе Списокпубликаций соискателя по теме диссертации.2. Цели исследованийЦелью исследований являлось изучение свойств СВЧ разрядов спозиций возможности их применения в решении прикладных проблем.7Помимо имевшихся к началу работ большого объема экспериментальных итеоретических данных потребовались дополнительные исследования.Особенно это касалось высоких газовых давлений, поскольку этотдиапазон диктовался условиями ряда возможных актуальных приложений.Прежде всего, потребовалась реализация СВЧ разряда в квазиоптическомЭМ пучке в различных исходных условиях и определение энергетическойэффективности взаимодействия разрядной плазмы с возбуждающим еѐ ЭМполем, поскольку этот параметр в значительной мере определяетпрактическую ценность СВЧ разряда, а, следовательно, необходимостьподробного исследования его свойств в зависимости от длины волныизлучения в различных условиях (в скоростных потоках реального воздуха игорючих смесей, в струях при инжекции, в объеме и на поверхности), а такжевыявление определяющих физических механизмов, ответственных заформирование структуры разряда и его свойств, знание которых необходимодля построения адекватных теоретических моделей СВЧ разрядов,обладающих сложной структурой.3.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
