Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн СВЧ диапазона (1097869), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Они оснащены устройствами для создания в рабочейчасти высокоскоростного потока воздуха или его горючей смеси с пропаномпри скорости до 500 m/s. Квазиоптический ЭМ пучок во всех установкахсоздается в герметичной рабочей камере, давление в которой можно менятьот единиц Torr до атмосферного давления. Установка с =4.3 cm (ИР-4)имела герметичную камеру высокого давления с радиопрозрачным окном.Это позволило провести экспериментальные исследования СВЧ разрядов сиспользованием высокодобротного квазиоптического СВЧ резонатора ввоздухе, водороде и в дейтерии при избыточном давлении до 10 atm.В Главе 2 описываются эксперименты, в ходе которых былиопределены характерные виды безэлектродных СВЧ разрядов в воздухе внадкритическом поле квазиоптического ЭМ пучка на =8.9 cm. Описываетсядинамика их пространственного развития при различных давлениях.Приводятся результаты измерения основных параметров плазмы этихразрядов, таких как электронная концентрация плазмы, газовая температураи т.д.15Результаты исследований феноменологии СВЧ импульсного разряда внадкритическом СВЧ поле на длине волны =8.9 cm в диапазоне среднихзначений давления воздуха (1<ν/ω<50) полностью коррелируют свыполненными ранее наблюдениями на более коротких длинах волн.Зондирование области разряда слабой ударной волной показало:-в плазмоиде диффузного разряда малого давления плотность газа послеразряда меняется мало, свидетельствуя о слабом энергетическомвзаимодействии с излучением, проявляющемся, в основном, в рефракции;-распространение ударной волны через область стримерного разрядапосле его завершения сопровождается ее полной деструкцией.Глава 3 посвящена исследованию надкритического разряда высокогодавления в открытом двухзеркальном резонаторе.

Приведен расчетоткрытого двухзеркального сферического СВЧ резонатора, применяемого вэксперименте, метод настройки резонатора на нужную моду колебаний(Рис.4) и данные экспериментальной проверки результатов расчета.EfРис.4.Пространственное распределение амплитуды электрическогополя в двухзеркальном открытом резонаторе, q=11.

a) –поверхность E(r,0,z), b) – линии равного уровняОписываются экспериментально реализованные в открытом резонаторебезэлектродные импульсные надкритические разряды и их основныесвойства в воздухе, водороде и дейтерии при высоких давлениях в фокуснойобласти высокодобротного резонатора.Исследования показали, что малая частота появления свободныхэлектронов в газе, обусловленная естественным фоном, приводит квозможности реализации пробоя при амплитуде электрического поля,существенно большей критического значения. Получена зависимостьпредельной величины пробойного поля от максимального поля в резонаторев отсутствие пробоя и длительности фронта импульса накачки при известномкритическом значении поля. Чем выше давление, тем меньше частотапоявления свободных электронов.Развитие разряда в резонаторе начинается с единичного электрона собразованием вытянутого вдоль поля канала, концы которого развиваются соскоростью, нарастающей от 10 до 100 km/s, в полном соответствии с16представлением о стримерном механизме развития разряда высокогодавления в надкритическом поле.

Стример достигает длины, близкой крезонансной, и почти полностью опустошает резонансный накопитель. Темп,в котором происходит опустошение накопителя, свидительствует орезонансном характере взаимодействия стримерного разряда с полем.Рис.5. Фотографии открытым объективом разряда в водороде приначальном давлении 1,2,3,5,6 и 8 atm (слева направо). Размеряркой части стримера ~ /3= 1.3 cmПри давлении водорода в резонаторе в несколько атмосфер и поле,превышающем пороговое значение, развитие разряда сопровождаетсяобразованием перетяжки в центральной области (одной или более) соследами повышенного энерговыделения в ней. При давлении водорода выше5 atm наблюдается развитие змейковой моды возмущения большойамплитуды, не приводящее к развалу токового канала.На Рис.5 приведена серия фотографий стримерного разряда врезонаторе с λ=4.3 cm при значениях начального давления от 1 до 8 atm.Видно, что при начальном давлении, меньшем 3 atm, успевает развитьсяперетяжечная мода.Однако, при начальном давлении 3 atm и выше происходит мощноеразвитие изгибной моды m=1.

Она развивается на фоне состоявшейся ужеперетяжечной неустойчивости. Ее пространственный период Λ уменьшаетсяс ростом начального давления приблизительно обратно пропорционально(см. Рис.6).17Рис.6.Зависимость периода изгибной неустойчивости от начальногодавления (водород, =4.3 cm). Сплошная линия с точками экспериментРезультаты проведенных измерений радиуса стримерных разрядов взависимости от p воздуха или водорода в диапазоне (70760) Torr можноприближенно аппроксимировать зависимостьюa0.015, cmpatm(1)Отсюда следует, что величина ка=2πа/Λ, от которой зависит инкрементнеустойчивостей, слабо зависит от давления и по оценке равна ~0.25.При большом начальном давлении параметры плазмы в каналедостигают экстремально высоких значений на время сжатия порядка 3 ns.Развитие наблюдаемых неустойчивостей качественно и количественнообъясняется проявлением самосжатия токового СВЧ канала усредненныммагнитным полем тока, наведенного в стримере при достиженииэлектродинамического резонанса.

Данные наблюдений сопоставляются срезультатами расчетов и численного моделирования [57]. Параметры плазмыв токовом канале резко возрастают с увеличением давления газа. Пинчэффект в безэлектродном СВЧ стримерном разряде получен впервые.В Главе 4 приводятся результаты теоретического и экспериментальногоисследования способов пассивной инициации подкритических разрядов. Напримере использования малого, по сравнению с длиной волны,металлического инициатора предложен и исследован метод локальногоизмерения электрической составляющей ЭМ поля E0 в квазиоптическом СВЧпучке. Исследованы поправки, связанные с учетом диффузионных потерьэлектронов на инициатор. Это дает возможность проводить абсолютныеизмерения величины внешнего поля с использованием инициатора малыхразмеров.

В общемслучае выражение (2) определяет величинуэлектрического поля в месте расположения инициатора18E    1Epcrla  p  Ea7.2 ()Ecr  p 3/2(2)где Ф - коэффициент увеличения поля инициатором, а - минимальныйрадиус кривизны инициатора, la - диффузионная длина прилипания, β≈5.34.Для металлической сферы Ф=3. Сопоставление зависимости (2) сизмерениями приведено на Рис.7Рис.7. Зависимость величины пробойного поля E0 от отношениядиффузионной длины прилипания электронов la к радиусушара a (здесь =E0/Ecr)Для повышения вероятности пробоя инициатор облучался УФизлучением искрового источника для обеспечения фотоэмиссии электронов сего поверхности.

В этих условиях диффузионная длина прилипанияопределяется коэффициентом амбиполярной диффузии. Экспериментпоказал хорошее соответствие результатов измерений с теорией.Резонансные инициаторы, прямолинейные или кольцевые, позволяютинициировать разряд не только в подкритическом, но и в глубокоподкритическом поле. На Рис.8 приведена схема реализации разряда,инициированного кольцевым вибратором в ЭМ волне с  12.5cm, ифотографии его внешнего вида в воздухе атмосферного давления прискорости потока воздуха над поверхностью 0, 15 и 25 m/s (сверху вниз).

Наних СВЧ излучение поступает сверху, и его вектор E0 параллелен скоростипотока.19Подложка изстеклотекстолитаvflСВЧ-разрядКерамикаПетлевойвибраторРис.8.Поверхностный глубоко подкритический СВЧ разряд,инициированный резонансным кольцевым ЭМ вибраторомПо результатам измерений получены оценочные соотношения дляувеличения поля на вершине как резонансных, так и дорезонансныхинициаторов.В Главе 5 приведены результаты исследования подкритическогоимпульсного разряда при длине волны излучения 8.9 cm и 2.5 cm. Порезультатам исследования описывается динамика развития разряда отдиффузной стадии к стримерной развитой структуре в зависимости отдавления.

Отмечаются и обсуждаются особенности структурообразованияразряда в воздухе и других газах. Исследуются свойства стримерногоподкритического разряда в скоростном потоке газовых смесей. Показываетсястримерный механизм роста формирующих их плазменных каналов иопределяется скорость их роста.

Высокое ее значение демонстрируется вопытах по зажиганию данного вида разряда в СЗ потоке воздуха. Опыты поскоростной фоторазвертке разрядной области выявляют резонансныйхарактер взаимодействия отдельных участков плазменных каналов с СВЧполем.На начальной стадии инициации подкритического разряда в зоненадкритического поля около головки инициатора идет интенсивнаяионизация до уровня, при котором амплитуда поля в этой зоне снижается докритического значения. Проводимость плазмы разряда на этом этапеподнимается до уровня порядка ω/4π.

Дальнейшее развитие происходит сучастием тепловых процессов, следствием которых является появлениеодного или нескольких выделенных каналов в зависимости от уровняначальной надкритичности поля у инициатора. Радиус формирующихсяканалов сохраняется при последующем формировании стримеров на уровнедиффузионной длины прилипания.Падение концентрации газа в формирующихся каналах в результатеомического нагрева приводит к росту проводимости в канале стримера дозначений, соответствующих равенству скин-слоя и радиуса канала.Следствием является рост поля в голове канала до надкритическогозначения, обеспечивающего дальнейшее развитие стримера.Развитие стримеров до длины, превышающей полудлину волны СВЧизлучения, происходит исключительно путем ветвления с формированием20системы каналов, обладающей резонансными свойствами на каждом этаперазвития.Подкритический стримерный разряд, в отличие от надкритического,распространяется со скоростью, определяемой темпом нагрева каналов,происходящим в основном в голове развивающихся стримеров.

Измеренныезначения скорости распространения удовлетворительно согласуются соценочным соотношением (3) (см. Рис.9)Vs  2Ecr2LC p p 2cEln  cr E0, LV   ln  s  8De (3)Поскольку скорость развития стримеров составляет несколькокилометров в секунду, они могут развиваться и сверхзвуковом потоке,который не препятствует их инициации.

Характеристики

Список файлов диссертации