Диссертация (1149204), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этот способ был рассмотрен как методдля приложений особо чистой плазмохимии, где важно не допустить примесей отстенок камеры или электродов.Тогда же было вынесено предположение онаиболее вероятных механизмах инициации СВЧ разряда: предионизация частицвоздуха лазерным излучением и образование разреженной области в близилазерной искры в виду нагрева. Так же получена оценка вложенной в газ лазернойэнергии по оценке скорости распространения ударной волны от лазерной искрысогласно теории точечного взрыва [30].В 1994 году [1] Мирабо и Райзер предложили использовать лазерную искру вкачестве аэродинамической иглы. При этом решалось одновременно две задачи:компрессия воздуха перед соплом МГД двигателя и снижение лобовогосопротивления летательного аппарата.Приведены оценки необходимыхэнергозатрат лазерной энергии для различных высот полета и скоростей как дляимпульсного так и для непрерывного режима работы лазера.
Однако лазерныйразряд здесь служит заменой традиционной иглы из твердого материала,энерговклад производится за головной ударной волной. На больших высотах, гдепорог пробоя лазерным излучением велик предлагалось использовать в качестве20инициатора СВЧ разряд, но весь основной энерговклад обеспечивать за счетлазерного излучения.В серии работ [31-33] описывается исследование импульсно-периодическогоразряда в покоящемся воздухе. Использовались генераторы сантиметровогодиапазона на магнетронах с длинной волны 10см , длительностью импульса 3мкс ичастотой повторения 400Гц.
Амплитуда в фокусе СВЧ пучка до 6 кВ/см,импульсная мощность 600кВт. Авторы отмечают свойство СВЧ разрядаперемещаться по направлению к источнику излучения и для более точнойлокализации разряда помимо основной фокусирующей полистироловой линзыиспользовали дополнительное металлическое сферическое зеркало.Былпродемонстрирован целый ряд интересных бесконтактных методов диагностикиСВЧ плазмы. Производились измерения концентрации и температуре свободныхэлектронов (посредством измерения абсолютной интенсивности полос второйположительнойипервойотрицательнойсистемазота),напряженностьэлектрического поля в плазме (посредством регистрации сателлитов запрещенныхлиний гелия и с применением внешнего микроволнового эффекта Штарка),колебательная температура (по относительной интенсивности полос второйположительной системе азота).
Исследовалась кинетика нагрева газа. Посколькуэксперимент проводился в неподвижном воздухе каждый последующий СВЧимпульс инициировал СВЧ разряд в области газа, уже провзаимодействовавшего спредыдущим СВЧ импульсом. Было показано что примерно к 40..50 импульсутемпература воздуха в области фокуса СВЧ излучения выходит на стационарныйуровень(около 600К).21В течение 1997-2007 годов на математико-механическом и физическомфакультетах СПбГУ в лаборатории газодинамики проводится ряд работ [3] ,[3436] по получению безэлектродного СВЧ разряда в сверхзвуковом потоке иисследованию эффектов по взаимодействию тепловых следов этих разрядов сударными волнами при обтекании различных аэродинамических моделей.Представленная диссертация является продолжением и развитием данныхисследований.Схема установки на которой производились эти исследованияпредставлены на Рис 6.
Излучение СВЧ генератора 4 (200кВт в импульсе,длительность от 1.3 до 2.25мкс, частота повторений до 1.5кГц) через рупор 10излучение подавалось на фокусирующее зеркало 6 с фокусом в точке 7, где иинициировалась группа СВЧ плазмоидов (Рис 5).Вакуумная рабочая камера 1 ссоплом 2 и диффузором 3 могла работать с потоком диаметром 60мм с числомМаха 1.5, статическим давлением до 60 Торр и статической температурой 200К.Аэродинамическоетело8снабженноеимпульснымдатчикомдавленияустанавливалось на координатном устройстве 9. Оптический канал регистрациисостоял из Шлирен-системы 5 с временным разрешением 0.5мкс и спектральнойаппаратуры. В результате работ были получены детальные данные по развитияобласти СВЧ разряда в потоке и взаимодействия его теплового следа с головнойударной волной на модели. В частности, получены данные по снижению давленияторможения на модели (Рис 7), шлирен-фотографии взаимодействия нагретой СВЧизлучением области газа с головной ударной волной [3],Одним из важнейших результатов был факт того, что снижение давленияторможения на аэродинамическом теле наблюдается в течение 100мкс чтозначительно превосходит время как длительность СВЧ импульса ( 2,25 мкс).
Такимобразом постоянно поддерживать провал давления можно вкладывая в газ СВЧимпульсы с большой скважностью.22Рис 6 Схема установки для получения безэлектродного СВЧ разряда всверхзвуковом потоке и исследованию эффектов по взаимодействиютепловых следов этих разрядов с ударными волнами при обтеканииразличных аэродинамических моделейРис 5 Пример развития множественных СВЧ разрядов в областифокуса СВЧ излучения.23Рис 7 Показания импульсного датчика давления расположенного в торцеаэродинамической модели в момент взаимодействия нагретой СВЧ разядомобласти воздуха с головной ударной волной. Провал соответствуетснижению головного сопротивлоения модели [3]Важнейшей проблемой в данной серии работ была фокусировка СВЧизлучения.
Она осуществлялась сферическим зеркалом. Что приводило кобразованию нескольких пучностей поля в области фокуса. В процессеэксперимента загоралось несколько плазмоидов Рис 5, только 1-3 из которых быливнутри сверхзвукового потока. Форма СВЧ разряда при этом способе фокусировкитрудноконтролируема. Как было показано в более поздних работах [8],[37-39] длябольшей эффективности использования СВЧ энергии, форма нагретой СВЧразрядом области должна представлять собой тонкую вытянутую вдоль потокаобласть.
Что невозможно при применении квазиоптического способа фокусировки.24В 2000 году профессором Ричардом Майлзом из университета Ратгерса былопубликовал обзор [2] в котором рассматривались различные виды перспективныхметодов вложения лучевой энергии в сверхзвуковые потоки.Одним из важных выводов работы [2] являлась формализация критериеввыбораосновного источника для вложения энергии в газ. Так как энергиюнеобходимо вводить достаточно далеко перед телом чтобы закончилсямассоперенос газа в области вложения, но достаточно близко чтобы температурнаядиффузия не уменьшила эффект, был сделан вывод, что лазер или электроннаяпушка мало подходят в качестве основного источника энергии. Тем не менееперспективно их применение в качестве инициаторов и для управления вложениемот радиочастотных и СВЧ разрядов.
В частности, рассматривался примериспользования ArF лазера для инициации СВЧ филамента. Использовался ArFимпульсный лазер (100мДж, 15нс) и СВЧ генератор частотой 2.45 ГГц смощностью в импульсе 50кВт и длительностью импульса до 1мс. СВЧ разрядреализовывался в высокодобротном резонаторе (добротность около 1000). Путемдвухфотонного поглощения происходила предионизация молекул кислорода →+вдоль каустики лазерного луча, что и служило источником затравочныхэлектронов для СВЧ филамента, который развивался в этойАэродинамические эффектыобласти.этих разрядов с точки зрения плазменнойаэродинамики не рассматривались.Первое подробное исследование вклада энергии лазерного разряда вгазодинамические эффекты было опубликовано в 2003 году [40].
Исследовалсялазерный разряд в покоящемся воздухе при давлении 0.101 Мпа, температуре 293К.Использовался Nd:YAG лазер с удвоением частоты(532нм) с энергией в импульседо 180мДж и частотой повторения до 10Гц. Лазерное излучение, направленноевертикально сверху вниз, фокусировалось сферической линзой с фокуснымрасстоянием 250мм. Визуализация газодинамических эффектов производиласьметодом регистрации Рэлеевского рассеяния излучения вспомогательного лазера25(500мДж, Nd:YAG, 532 нм). Полученные данные сравнивались с численнымирасчетами для одно-размерной симуляции в идеальном газе базирующейся натеориях сильного точечного взрыва Тейлора [41] и Седова [30] . Поскольку не всяэнергия лазерного импульса вкладывается в джоулево тепло газа, а существуютпотери на рассеяние, пропускание, излучение лазерной плазмой и пр., тоинтересным результатом является коэффициент вложения лазерной энергии вгазодинамические процессы.
В работе [40] для атмосферного давления полученкоэффициент энерговклада 0.65 при достаточно точном совпадении расчетов порадиусу и скорости ударной волны, распределению давления и температуры газав области ударной волны. Отмечено, что метод плохо работает для первыхмикросекунд (<5мкс) после пробоя, поскольку модель не учитывает плазменныеэффекты.В продолжение работ [34-36], [42] в 2004 году проводится исследованиевозможности инициации СВЧ разряда лазерной искрой в покоящемся воздухе приатмосферном давлении [43]. По сравнению с более ранними работамибылаизменена система фокусировки СВЧ излучения (см.
схему установки Рис 8).Для получения лазерного разряда использовалось излучение рубинового лазер(6943А, 0.22Дж, 25нс длительность импульса) сфокусированного короткофокусной(12мм) сферической линзой.Было получено два важнейших результата – позиционирование СВЧ разрядапри помощи лазерного излучения и многократное снижение порога пробоя дляСВЧ излучения26Рис 8 Установка для исследования инициации СВЧ разрядалазерной искрой в покоящемся воздухе при атмосферномдавлении [40].В 2004 году была опубликована работа [44] по исследованию базэлектродногоСВЧ разряда в сверхзвуковом потоке. Для фокусировки СВЧ излучения (длинаволны 2.4 см, энергия в импульсе до 300кВт, длительность импульса 1-300мкс,скважность импульсов 1000) аналогично ранним работам [33] использоваласькомбинация диэлектрической линзы и металлического сферического зеркала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
