Введение к работе
Актуальность исследований
Появление мощных и эффективных источников СВЧ излучения сантиметрового и миллиметрового диапазона (гиротронов и магнетронов) привело к возможности создания и изучения нового типа газового разряда - свободно локализованного разряда в волновых пучках К настоящему времени собрана достаточно полная информация о структуре, механизмах распространения, концентрации и температуре электронов, скорости и величине нагрева газа, изменении его плотности, энерговкладах и степени колебательной неравновесности плазмы разряда, создаваемого в волновых пучках СВЧ излучением умеренной интенсивности и относительно большой (т»10"6с) длительности
Успехи релятивистской СВЧ электроники открыли по существу новый раздел физики газового разряда - исследование ионизационных и кинетических процессов в плазме, создаваемой под воздействием сильных электромагнитных полей наносекундной длительности Достигающиеся в таком разряде высокие осциллят1 орные энергии электронов обусловили появление целого ряда эффектов, не наблюдавшихся в полях умеренной интенсивности Так, при пробое газа интенсивными СВЧ импульсами высокая скорость ионизации существенно изменяет пространственно-временную картину развития разряда. Это, в частности, может выражаться в появлении дискретных, не сливающихся между собой очагов ионизации на каждом отдельном первичном электроне, в изменении кинематики волны пробоя В сильном СВЧ поле зависимость сечений элементарных процессов от энергии электронов становится падающей Вследствие этого могут наблюдаться такие эффекты как ионизационное самоканалирование излучения в плазме, несовпадение пространственного распределения электронной концентрации и светимости плазмы в неоднородном поле Существенное влияние на параметры наносекундного разряда оказывают также кинетические процессы, определяющие неустойчивости разрядной плазмы, ее распад, излучатель-ную способность и химическую активность
В наносекундном разряде достигаются высокие плотности электронно-возбужденных частиц, что в значительной мере определяет высокую излу-чательную способность создаваемой таким образом плазмы Поэтому одним из перспективных применений наносекундных СВЧ импульсов является накачка эксимерных лазеров и УФ лазеров на электронных переходах молекул
Наносекундами СВЧ разряд является новым направлением и в исследованиях плазмохимии газовых разрядов Высокие значения приведенного электрического поля в таком разряде способствуют эффективному протеканию процессов, требующих высокой энергии электронов, таких как иониза-
ция, диссоциация и возбуждение электронных уровней молекул и атомов Одновременно, короткая длительность импульсов обеспечивает отсутствие значительного нагрева газа и приводит к закалке образующихся продуктов, предотвращая их термическое разложение Отмеченные особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма близким по своим параметрам и свойствам к барьерному, импульсному коронному и пучковому разрядам, уже нашедшим широкое применение в различных плазмохимических технологиях Не случайно, рассмотренные в диссертации на примере синтеза озона и очистки атмосферы от вредных примесей плазмохимические процессы, протекают в наносекундном разряде столь же эффективно, как и в этих типах газового разряда В то же время, в отличие от перечисленных типов разряда, микроволновый разряд позволяет создавать плазму вдали от стенок реактора на большом удалении от источника излучения и осуществлять плазмохимические процессы в больших объемах (сканированием волнового пучка в пространстве), например, непосредственно в атмосфере Земли Наносекундный разряд характеризуется обилием пространственных форм и структур. Выбирая давление газа, мощность и электродинамическую систему, создающую разряд, можно изменять параметры образующейся плазмы и таким образом оптимизировать эффективность плазмохимических процессов Кроме того, такой разряд хорошо согласован с падающей волной, так что большая часть СВЧ мощности эффективно поглощается в разрядной плазме Эти особенности делают наносекундный СВЧ разряд весьма привлекательным для реализации плазмохимических процессов, протекающих в сильно неравновесной низкотемпературной плазме
Использование волновых пучков предоставляет уникальную возможность получения свободно локализованного наносекундного разряда на значительном удалении от источника СВЧ излучения Эта особенность позволила предложить такой разряд для создания в верхней атмосфере Земли искусственной ионизованной области (ИИО) для ретрансляции и отражения радиоволн [Борисов НД, Гуревич А В], улучшения экологического состояния атмосферы [Аскарьян Г.А , Коссый И А и др.] и диагностики ее малых составляющих, восполнения убыли озона в области локальных озоновых "дыр", создания референтных источников света (искусственной "радиозвезды") в целях компенсации влияния турбулентности атмосферы на работу наземных оптических телескопов
Отметим, что большинство приложений низкотемпературной плазмы предполагает либо непрерывное поддержание разряда, либо использование импульсно-периодического режима с достаточно высокой средней мощностью В случае наносекундного СВЧ-разряда это приводит к необходимости создания недорогих и эффективных источников излучения, способных работать с высокой частотой следования импульсов
Таким образом, разнообразие возможных эффектов и практических приложений разряда, создаваемого излучением большой интенсивности и
малой длительности, делают изучение такого разряда и разработку эффективных СВЧ источников для его создания весьма актуальной задачей
Целями диссертационной работы являлись
1 Изучение специфики ионизационных процессов, протекающих в газах под воздействием СВЧ полей большой интенсивности (в том числе "сверхсильных", когда осцилляторная энергия электронов превышает потенциал ионизации атомов и молекул) и малой длительности, а также их влияния на структуру, динамику и параметры наносекундного разряда, 2. Исследование кинетических и плазмохимических процессов, протекающих в сильно неравновесной плазме наносекундных разрядов в волновых пучках, определяющих ее распад, степень неравновесности, излуча-тельную способность и химическую активность,
Анализ перспектив и разработка основ использования свободно локализованного наносекундного СВЧ разряда в лазерной технике, плазмохимяи, экологии и исследованиях атмосферы,
Разработка новых типов плазменных переключателей и создание на их основе мощных и эффективных компрессоров СВЧ импульсов для генерации плазмы наносекундных разрядов
Научная новизна и научные положения, выносимые на защиту
Наносекундный СВЧ разряд в волновых пучках является новым направлением в исследованиях физики газового разряда Достигаемые в таком разряде высокие осцилляторные энергии электронов _ (часто значительно
превышающие потенциал ионизации атомов и молекул \) обусловили появление целого ряда эффектов, не наблюдавшихся при пробое газов в полях меньшей интенсивности, где «
При этом использование волновых пучков предоставляет уникальную возможность получения свободно локализованного наносекундного разряда на значительном удалении от источника СВЧ излучения
Разряд, создаваемый СВЧ излучением большой интенсивности и малой длительности является новым объектом и для плазмохимических исследований газового разряда В плазме наносекундного разряда достигаются высокие плотности электронно-возбужденных частиц и радикалов, поскольку основная часть поглощенной СВЧ энергии идет на ионизацию, диссоциацию и возбуждение электронных уровней молекул и атомов Поэтому плаз-мохимические процессы в сильно неравновесной (вследствие очень малого времени взаимодействия) плазме также имеют свои характерные особенности Разнообразие возможных эффектов и практических приложений стимулировало постановку целенаправленных экспериментальных исследований наносекундного СВЧ разряда в волновом пучке
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами На защиту выносятся следующие основные научные положения
Высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной (многоплазмоидной) структуры наносекунд-ного СВЧ разряда при высоких (v>&) давлениях, связанной с пробоем на отдельных затравочных электронах При высоком уровне предыонизации отдельные очаги ионизации либо вообще не возникают, либо быстро сливаются между собой В сильном СВЧ-поле различный характер зависимости сечений ионизации и возбуждения электронных уровней молекул от энергии электронов приводит к несовпадению пространственных распределений светимости и концентрации электронов и задержке оптического излучения относительно СВЧ импульса
В сверхсильных полях, в которых энергия осцилляторного движения превышает потенциал ионизации атомов и молекул, происходит насыщение частоты ионизации и снижение констант элементарных процессов (возбуждения электронных уровней, диссоциации и т д) с ростом амплитуды СВЧ-поля Константы большинства процессов падают с увеличением осцилля-торной энергии электронов значительно медленнее, чем в постоянном электрическом поле той же амплитуды. В области насыщения частоты ионизации высокая поступательная скорость электронов, определяемая фазой их рождения в поле электромагнитной волны, и большие градиенты высокочастотного потенциала приводят к появлению порога пробоя по давлению, не зависящего от амплитуды СВЧ поля и определяемого характерным масштабом его неоднородности
В неоднородном поле волнового пучка распространение наносекундно-го разряда осуществляется в виде волны пробоя При высокой скорости ионизации на динамику волны пробоя оказывает влияние конечное время распространения электромагнитного излучения В результате происходит смещение области первоначального пробоя из фокальной плоскости пучка в направлении падающего излучения, а в сверхсильных полях возможно распространение разряда "по лучу"
Значительная энергия электронов, достигающаяся в наносекундных разрядах и сохраняющаяся после окончания СВЧ импульса из-за высокой степени ионизации и возбуждения газа, приводит к изменению характера распада плазмы в различных газах Так, в азоте и кислороде наблюдается медленный рекомбинационный распад, а в воздухе (на начальной стадии) быстрый экспоненциальный распад плазмы, характерный для диссоциативного прилипания электронов к молекулам кислорода На более поздней
стадии существенное влияние на распад плазмы оказывают процессы прилипания, отлипания электронов и ионной конверсии После разряда низкого давления в сверхсильном СВЧ поле высокая поступательная энергия электронов приводит к стадии дополнительной ионизации, в течение которой энергия электронов снижается до величины потенциала ионизации, и образуется плазма с сильно надкритической плотностью
Одним из перспективных применений наносекундного СВЧ разряда является накачка УФ лазеров В наносекундном разряде, создаваемом в газоразрядных трубках и свободном пространстве цилиндрически сходящейся ТЕ волной может быть реализован режим усиления спонтанного излучения и лазерной генерации Использование такого разряда для накачки азотного лазера в газоразрядных трубках большого диаметра позволяет получить длительность лазерной генерации равную длительности СВЧ накачки в результате последовательной генерации лазерного излучения новыми слоями плазмы при распространении разряда от оси к периферии Изменяя давление лазерной смеси, диаметр газоразрядной трубки и величину падающей СВЧ мощности можно эффективно управлять параметрами разряда, добиваясь полного поглощения СВЧ излучения и высокой эффективности лазерной генерации Свободно-локализованный разряд, создаваемый волновыми пучками в атмосфере Земли может быть использован в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника света для наземных оптических телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы
Причиной возникновения интенсивно излучающих нитей в наносекундном разряде атмосферного давления является ионизационно-перегревная неустойчивость К развитию неустойчивости может приводить быстрый нагрев газа при тушении электронных уровней молекул, эффективно возбуждаемых в разрядной плазме Образование плазменной нити сопровождается ростом параметра E/N и концентрации электронов При этом резко возрастает эффективность возбуждения электронных уровней молекул и мощность спонтанного излучения, а также создаются условия для возникновения инверсной населенности и режима усиления УФ излучения вдоль оси плазменной нити
Динамика озона в наносекундном разряде в кислороде существенным образом зависит от длительности, частоты повторения и энергии СВЧ импульсов Снижение эффективности генерации озона с ростом частоты повторения и длительности импульсов обусловлено нагревом газа и поддержанием в разряде высокой концентрации атомов кислорода Важную роль в формировании стационарной концентрации озона в импульсно-периодическом разряде в кислороде играют также колебательное возбуж-
дение молекул озона и диффузия, влияющая на баланс колебательной энергии Существуют оптимальные условия по приведенному электрическому полю (E/N-10"15 В см2) при которых на диссоциацию кислорода в разряде идет максимально возможная доля энергии СВЧ импульса
В воздухе и азотно-кислородных смесях существенное влияние на процесс синтеза озона оказывает наработка в разряде высоких концентраций атомов, электронно и колебательно возбужденных молекул азота В свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты плазмохимических реакций быстро покидают разрядную область, возможна эффективная генерация озона в коротких наносекундных импульсах Увеличение длительности и частоты повторения импульсов приводит, вследствие накопления в разрядной области окислов азота, к разрушению образованного на начальной стадии озона. Образование окислов азота связано с ростом поступательной и колебательной температуры газа при увеличении энерговклада в разряд Понижение температуры газа приводит к росту эффективности образования озона и снижению наработки окислов азота Эффективность диссоциации кислорода существенным образом зависит от электродинамической структуры разряда Так, энергетическая цена образования молекулы озона в наносекундном разряде в поле плоской стоячей волны, обеспечивающей более эффективное поглощение СВЧ энергии, ниже, чем в сходящейся цилиндрической ТЕ-волне
При создании в атмосфере Земли искусственной ионизованной области (ИИО), в зависимости от выбранного режима поддержания наносекундного СВЧ-разряда, могут нарабатываться различные малые составляющие, представляющие интерес для изучения их влияния на озоновый слой Эффективная генерации озона в ИИО может быть осуществлена на высоте 20-25 тем излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 4-6 кВ/см СВЧ-импульсами длительностью 30-50 не В этом случае имеются значения удельных энерговкладов, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота в разряде близко к их отношению в невозмущенной атмосфере (~Ю3), а энергоцена образования одной молекулы озона составляет величину ~ 30 эВ Оптимальным для генерации озона режимом воздействия на атмосферу является небольшая серия наносекундных импульсов при последующей смене местоположения ИИО путем сканирования волновыми пучками в максимуме естественного озонного слоя.
Механизмы разрушения фреонов (CFC) в наносекундном коронном и СВЧ разрядах имеют близкую природу, определяемую высокой долей энергии электронов, идущей на ионизацию и диссоциацию молекул при высоких значениях параметра E/N в этих разрядах Существенную роль в раз-
рушении фреонов при низких энерговкладах играют процессы диссоциации с участием заряженных частиц, а также реакции с атомами кислорода Разрушение фреонов в наносекундных разрядах происходит преимущественно в областях занятых плазмой, а энергозатраты на разрушение одной молекулы CFC при невысоком содержании фреона оказываются ниже, чем в СВЧ разрядах большей длительности На начальной стадии обработки смеси, содержащей фреон, происходит разрыв С-С1 и С-С связей в молекулах CFC, а лишь затем разрушаются более прочные C-F связи в обогащенных фтором продуктах реакций Преобладающим продуктом на конечной стадии процесса обработки являются молекулы хлора, число которых близко к числу разрушенных молекул CFC
11 Перспективным источниками микроволнового излучения для создания наносекундных разрядов являются компрессоры СВЧ импульсов Увеличение мощности сжатых СВЧ импульсов может быть достигнуто при использовании высокодобротных резонаторов, возбуждаемых на модах типа ТЕ0П, с низкими омическими потерями Требованиям, предъявляемым к коммутаторам мощных СВЧ компрессоров, работающих на таких модах, в значительной мере отвечают плазменные переключатели, обладающие резонансными свойствами Выбором соответствующих параметров переключателя (давления и рода газа, диаметра газоразрядных трубок, амплитуды высоковольтного импульса) можно обеспечить время создания и плотность плазмы, необходимые для эффективного вывода СВЧ энергии го компрессора В схеме двухканального компрессора продемонстрировано когерентное сложение сжатых в каждом из каналов СВЧ импульсов и достигнуты рекордные для 3-сантиметрового диапазона длин волн параметры сжатия
Научная и практическая значимость
Наносекундами СВЧ разряд, является новым объектом в исследованиях физики и химии газовых разрядов Высокие значения приведенного электрического поля в таком разряде способствуют эффективному протеканию процессов, требующих высокой энергии электронов, таких как, ионизация, диссоциация и возбуждение электронных уровней молекул и атомов Одновременно, короткая длительность импульсов обеспечивает отсутствие значительного нагрева газа и закалку образующихся продуктов, предотвращая их термическое разложение Отмеченные особенности, делают наносекунд-ный СВЧ разряд перспективным для применения в различных плазмохими-ческих технологиях Так, рассмотренные в диссертации, процессы синтеза озона и разрушения фреонов могут быть использованы при разработке газоразрядных методов очистки газовых выбросов и атмосферы от загрязнений
Применение волновых пучков позволяет зажигать свободно локализованный разряд на значительном удалении от источника СВЧ излучения
Наносекундный СВЧ разряд может быть использован для создания в атмосфере Земли искусственной ионизованной области в целях ретрансляции и отражения радиоволн, улучшения экологического состояния атмосферы и диагностики ее малых составляющих, восполнения убыли озона в области локальных озоновых "дыр", создания референтных источников света (искусственной "радиозвезды") для компенсации влияния турбулентности атмосферы на работу наземных телескопов
Другим возможным применением неравновесной плазмы, создаваемой наиосекундными СВЧ импульсами, является накачка эксимерных лазеров и УФ лазеров на электронных переходах молекул
Разработанные для создания наносекундного разряда компрессоры СВЧ импульсов, наряду с использованием в плазменных технологиях, могут найти широкое применение в радиолокации и ускорительной технике Так, в настоящее время, проводятся испытания разработанного СВЧ компрессора на стэндфордском ускорителе (SLAC)
Апробация результатов
Данная диссертационная работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г Нижний Новгород) В общей сложности по теме диссертации опубликованы 22 статьи в ведущих российских и зарубежных научных журналах, 6 статей в тематических сборниках и книгах, 31 доклад в трудах отечественных и международных конференций, издана 1 коллективная монография и получен 1 патент
Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Суонси, 1987, Белград, 1989, Пиза, 1991, Бохум, 1993, Хобокен, 1995, Тулуза, 1997, Варшава, 1999), Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (Лиссабон, 1988, Орлеан, 1990), Международном симпозиуме по физике плазмы и технологиям (Прага, 1995), Международных совещаниях по мощному излучению в плазме (Нижний Новгород, 1994, 2003, 2005), Международном совещании по высокочастотному разряду в волновых полях (Ташкент, 1992), Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2006), Всесоюзном семинаре по высокочастотному пробою газов (Тарту, 1989), Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991, Петрозаводск, 1995, 2004), конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Ташкент, 1985), конференции по физике и технике плазмы (Минск, 1994), Международных конференциях по развитию концепции ускорителей (Вес-Лоусон, 1998, Нью-Йорк, 1999, Мелвилл, 2003, Стоун-Брук 2004, Нью-Йорк, 2005), Международном совещании НАТО по квазиоптическому контролю мощных микроволн (Нижний Новгород, 2005)
Личный вклад соискателя
Опубликованные работы написаны в соавторстве с сотрудниками, принимавшими участие в исследованиях Автором внесен определяющий вклад в постановку, проведение и анализ представленных в работах [2, 6, 10, 20, 21, 28, 30, 35, 37, 39, 40, 43, 49] экспериментов Автором внесен основной вклад в построение теоретической модели азотного лазера с СВЧ накачкой [25, 29] В работах [24, 45] автор принимал участие в постановке задачи и обсуждении полученных результатов В работах [5, 9, 17, 22, 38, 44, 46, 51, 55,61] вклад всех соавторов равноценен
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и изложена на 352 страницах, включая 196 рисунков, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 371 наименования
