Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн СВЧ диапазона (1097869), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Вид разряда в потоке непретерпевает заметных изменений, что видно на Рис10.Рис.9. Зависимость скорости распространения фронта СВЧ разрядаот уровня поля E0 в диапазоне давлений от 100 до 400 Torr и3E0=Ecr. Прямые кресты - среднее по измерениям, сплошнаялиния - зависимость (3)Отмеченные свойства подкритических разрядов, исследованные восновном в воздухе, проявляются и в других газах.21Рис.10. Вид разряда в потоке при давлении в камере 100 Torr иE0=5.5 kV/cm.
Сверхзвуковой поток направлен снизу вверх.λ=8.9 cmПодкритический стримерный разряд, как и любая другая нелинейнаядиссипативная открытая система с протоком энергии, обладает свойствомсамоорганизации, то есть, формирования распределенной системы спараметрами, обеспечивающими максимум потребления энергии.Рис.11.Образование змееобразной структуры с ветвями вподкритическом разряде (фотография разряда при λ=4.3 cmзаимствована из [50])На Рис.11 и Рис.12 показаны типичные элементы структурныхобразований подкритического разряда.Рис.12.
Фотографии стримерного разряда, инициированногометаллической сферой с радиусом 0.5 cm, при длительностиимпульса (a) - 15, (b) - 20, (c) – 35 µs, E=1.0∙Ebr. Излучениенаправлено слева направо. λ=8.9 cm, p=200 Torr22Полученные экспериментальные данные о подкритических стримерныхразрядах послужили основой для разработки теоретических моделейинициации и развития развитых стримерных структур в подкритическомполе, качественно и количественно раскрывающих их основные свойства [58,59, 60,61].В Главе 6 описываются результаты экспериментальных итеоретических исследований инициированных глубоко подкритических СВЧразрядов в скоростном потоке воздуха и воздушно-пропановой смеси придлине волны излучения 12 cm (Рис.13).Рис.13. Глубоко подкритический стримерный СВЧ разряднепрерывного действия, инициированный вибратором всверхзвуковой струе воздуха.
р=97 Torr, M=2Инициированный глубоко подкритический разряд выделен всамостоятельный тип разряда как представляющий особый интерес с точкизренияприложений.Исследованаэффективностьвзаимодействияпрямолинейногорезонансноговибратора,нагруженногоглубокоподкритическим разрядом, с СВЧ полем. Показывается энергетическаяэффективность взаимодействия плазмы инициированного линейным ЭМвибратором разряда такого вида с ЭМ полем.Эксперименты по зажиганию такого разряда в скоростном потокевоздуха позволили оценить эффективное сечение его энергетическоговзаимодействия с ЭМ полем. Определена площадь сечения поглощениясистемы вибратор - глубоко подкритический разряд в присутствиирефлектора, равная 0.2∙λ2 и превышающая сечение вибратора, оптимальнонагруженного присоединенным разрядом в свободном пространстве, равная0.15∙λ2 [62].
На Рис.14 помещена фотография глубоко подкритического СВЧразряда в воздухе при p = 27 Torr и его исходной T = 110 K. Разряд горит вкормовой области инициирующего разряд трубчатого ЭМ вибратора скварцевой насадкой в струе воздуха при его скорости 600 m/s. ЭМ волнапоступает на инициатор сверху, ее вектор E0 – горизонтален.23Рис.14.
Инициированный глубоко подкритический СВЧ разряд ввысокоскоростнойструевоздуха,выдуваемойчерезвнутренний канал трубчатого инициатора с насадкой изкварцевого стеклаПоказанаичастичноисследованаспособностьглубокоподкритического разряда, инициированного прямолинейным резонанснымвибратором, выполненным в виде инжектора топливной смеси, инициироватьи поддерживать горение смеси с массовым коэффициентом избытка топлива,большим или равным 0.24. На Рис.15 помещена фотография,демонстрирующая поджиг и горение воздушно-пропановой струи,инжектированной через трубчатый инициатор.
Рядом с ней данаосциллограмма с термопарного датчика, измеряющего температуруторможения потока.Рис.15. Горение струи пропан-воздушной смеси, подожженнойинициированнымлинейнымЭМвибраторомглубокоподкритическим СВЧ разрядомИсследованысвойстваглубокоподкритическогоразряда,инициированного кольцевым резонансным вибратором. Показано, чтодвухэлектродный разряд способен квазистационарно существовать в потокевоздуха атмосферного давления, создавая локальную зону энерговыделения схарактерным размером порядка 0.1 сm, поднимая температуру в следе на~100 К в приповерхностном слое диэлектрической поверхности, обтекаемойпотоком.Глава 7 посвящена описанию результатов исследований СВЧ разрядовна поверхности радиопрозрачного диэлектрика.
В ней представленыосновные схемы получения поверхностных СВЧ разрядов поперечного ипродольного типа. Приведены результаты экспериментов по реализациипоперечного и продольного типов поверхностных СВЧ разрядов в условияхэкспериментальных установок И-8 с =8.9 cm и И-2 с =2.5 cm.24Постановка экспериментов поясняется на Рис.16.(a)(b)Рис.16. Схема формирования фокуса излучения на установке λ=8.9cmи варианты размещения диэлектрических образцов: (a) –поперечное размещение, (b) – продольное размещениеТипичный вид продольного поверхностного разряда приведен наРис.17. Структура стримерной сети поверхностных разрядов отлична отструктуры объемных разрядов и характеризуется образованием ячеек сразмерами λ/4 вдоль вектора электрического поля и λ/8 поперек вектораэлектрического поля.Рис.17.
Структурные свойства разряда не зависят от материала итолщины диэлектрической пластины: (a) – полиэтиленоваяпленка, 0.02 cm толщины, (b) – стеклотекстолит, 0.2 cm, (c) –кварцевое стекло, 1.0 cmПриводятся и обсуждаются результаты опытов по изучению свойствтаких разрядов в различных условиях в диапазоне параметров газа иизлучения. Получены экспериментальные данные, подтверждающиеэлектромагнитнуюприродупреимущественногораспространениястримерных подкритических разрядов по поверхности диэлектрическоготела.Порог пробоя на поверхности диэлектрика с инициатором или без негосовпадает с порогом пробоя в отсутствие диэлектрика независимо оториентации поверхности диэлектрика относительно вектора Пойнтингападающего излучения.Свойства стримерных каналов поверхностного разряда (радиус,интенсивность свечения, скорость распространения) идентичны при прочихравных условиях свойствам каналов объемного стримерного разряда.25Скорость распространения разряда навстречу потоку СВЧ энергии припродольном размещении поверхности с инициатором несколько выше, чем уобъемного разряда.
На Рис.18 приведена покадровая разверткаповерхностного разряда при продольном размещении диэлектрическойпластины.Рис.18.Покадровая развертка продольного поверхностногоинициированного ЭМ вибратором подкритического СВЧразряда с =8.9 cm; (exp=0.1 s; p=2 s). Зеркало - слеваРис.19.Переходотстримернойформы«продольного»поверхностного разряда к диффузной. Е0=4 kV/cm, =8.9cmОбласть существования поверхностного разряда совпадает с областьюсуществованияобъемногоподкритическогостримерногоразряда.Переходная зона на шкале давлений от диффузной формы к стримерной уповерхностного разряда расположена там же, что и у объемного (Рис.19).При малой подкритичности (Ecr/E0<2) и угле падения волны излученияна поверхность с инициатором, большем нуля, наблюдается одновременноеразвитие поверхностного и объемного стримерного разряда (Рис.20).26Рис.20. Фотографии инициированного «поперечного» разряда наполиэтиленовой пленке при напряженности электрическогополя 3.7 kV/cm и давлении воздуха 200 Torr (наверху) и150 Torr(внизу)Свойства поверхностного подкритического стримерного разряда независят от материала и толщины диэлектрика (Рис.17).
Это свидетельствуетонесущественностивлиянияфизико-химическихпроцессовнапредпочтительность распространения разряда по поверхности диэлектрика иуказывает на электродинамическую природу свойства стримерного разрядараспространяться по поверхности диэлектрических тел [63].В Главе 8 описываются экспериментально определенные областисуществования на плоскости Е0-р импульсных инициированныхподкритических СВЧ разрядов с объемно-развитой стримерной структурой иглубоко подкритических СВЧ разрядов, привязанных к инициатору. Границыполучены для воздуха при длинах волны излучения 8.9 cm и 2.5 cm.На Рис.21 линия 1 является зависимостью Ecr(p).
Линия 2 обозначаетграничную область между диффузными и стримерными видами СВЧ разряда.Линия 3 отделяет область IV подкритического вида разряда от области Vглубоко подкритического вида разряда. Кроме того, на Рис.21 область I естьобласть надкритического разряда диффузного вида, область II –надкритического стримерного вида и область III – подкритическогодиффузного вида. На фотографии, иллюстрирующей последний вид разряда,он инициирован шариком, а на иллюстрирующих фотографиях областей IV иV – линейным ЭМ вибратором. Из рисунка следует, что с уменьшением 27граница 2 смещается в сторону больших p , а граница 3 – в сторону большихE0 .E0; kV/cmE0; kV/cm10010021II11010II2IYIYII3311YIIIIIIY0,10,110100p;Torr1000101001000p; Torr(a)(b)Рис.21. Области реализации различных видов СВЧ разряда взависимости от уровня поля E0 и давления воздуха p при = 8.9 cm (a) и = 2.5 cm (b)Проводится сопоставления с известными данными для длины волныизлучения 4.3 cm.Полученныеданныеотносительнограницсуществованияподкритического стримерного разряда для разных длин волн вполнеудовлетворительно согласуются с результатами теоретической оценки,основанной на ограниченности способности стримера создаватьнеобходимую надкритичность поля на его голове (Рис.22) [59].Рис.22.
Оценка границы, разделяющей подкритический отглубокоподкритического разряда. Пунктир с точками эксперимент, сплошные линии - оценка (4)28Указанный в работе [49] уровень поля с λ=4.3 cm, примерно равный1 kV/cm, ниже которого стримерный подкритический разряд теряетспособность к распространению, вполне согласуется с полученнымирезультатами для λ=8.9 cm и λ=2.4 cm (Рис.22) и оценкой (4) [59]EV / cm cm 30 pTorr ln EV / cm 2 103.(4)В Главе 9 приводятся результаты экспериментов, направленных навыяснение перспектив применения СВЧ разрядной технологии в интересахплазменной аэродинамики и плазменного горения.
Приводятся схемывозможного применения в прямоточных двигательных установках дляповышения скорости и стабильности горения; на летательных аппаратах дляповышенияуправляемостиистабильностиполета;результатыэкспериментов, демонстрирующие перспективность применения СВЧразрядной технологии в указанных областях техники.Экспериментально показана теоретически предсказанная [64,65,66]возможность: 1)снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковомпотоке за счет выделения СВЧ мощности в донной части (Рис.23); 2)созданиябоковой силы на профиле, обтекаемом скоростным потоком воздуха, за счетэнерговыделения в поверхностном подкритическом разряде (полученазависимость силы от выделяемой мощности) (Рис.24); 3)снижения лобовогосопротивления тела в сверхзвуковом потоке за счет выделения СВЧмощности перед головным скачком с кпд, существенно большем единицы(Рис.25).Рис.23.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
