Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальные установки 31
1.1. Установка И-8 с импульсным сфокусированным излучением на длине волны A,=8i9cm 32
1.2. Установка ИР-8 с импульсным излучением на длине волны Х,=8.9ст в открытом резонаторе 36
1.3. Установка И-2 с импульсным сфокусированным излучением на длине волны А.=2.5 cm .38
1.4. Установка СЗ-12 с квазинепрерывным излучением на длине волны А.=12.5ст и сверхзвуковым потоком 42
1.5. Установка ДЗ-12 с квазинепрерывным излучением на длине волны Х=12.5 cm и дозвуковым потоком 47
1.6. Установка ИР-4 с импульсным излучением на длине волны Д,=4.3ст в открытом резонаторе 51
ГЛАВА 2. Безэлектродный свободный разряд в надкритическом СВЧ поле 56
2.1. Виды свободно локализованного электрического разряда в воздухе при средних давлениях (v/ o l), Х=8.9см 57
2.2. Динамика развития пространственной структуры безэлектродного СВЧ разряда 59
2.3.Средняя по объему электронная концентрация плазмы различных видов свободно локализованного СВЧ разряда 62
2.4. Диффузный этап развития безэлектродного СВЧ разряда в воздухе среднего давления з
2.5. Переходный этап развития безэлектродного СВЧ разряда от диффузного к примерному 69
2.6. О ионизационно-перегревной неустойчивости разрядной плазмы в СВЧ поле 72
2.7. Свободно локализованный СВЧ разряд в водороде в поле «бегущей» ЭМ волны 79
2.8.3ондирование области свободно локализованного СВЧ разряда слабой ударной волной 81
Выводы 87
ГЛАВА 3 . Надкритический импульсный безэлектродный свободный СВЧ разряд в газах высокого давления в квазиоптическом открытом резонаторе 89
ЗЛ.Двухзеркальный квазиоптический открытый резонатор 89
3.2. Пробой воздуха в нарастающем СВЧ поле 97
3.3. Разряд в воздухе атмосферного давления 101
3.4. Порог кумулятивного резонансного стримерного разряда в воздухе и водороде высокого давления 105
3.5. СВЧ разряд в атмосферном воздухе в фокусе двухзеркального резонатора с длиной волны генератора А,=4.3см 109
3.6. Магнитогидродинамические неустойчивости стримерного СВЧ разряда в условиях магнитного самосжатия 115
Выводы 122
ГЛАВА 4. Инициация пробоя газа при подкритическом уровне СВЧ поля 124
4.1.Высокочастотный пробой воздуха в присутствии металлического шарика 124
4.2.Высокочастотный пробой воздуха в присутствии резонансного прямолинейного вибратора 129
4.3. СВЧ пробой воздуха, инициированный электромагнитным вибратором малой длины 132 4.4.Инициация разряда кольцевым вибратором 134
Выводы 136
ГЛАВА 5. Подкритический СВЧ разряд 137
5.1. Исследование динамики развития подкритического разряда во времени 137
Начальный этап инициации 137
Развитие стримерной структуры 144
5.2. Зависимость пространственной структуры инициированного СВЧ разряда в воздухе от давления 147
5.3. Скорость развития инициированного СВЧ разряда в воздухе 156
5.4.Инициированный СВЧ разряд в сверхзвуковом потоке воздуха 160
Стрнмерный подкритическнй разряд в СЗ потокеД=8.9ст 160
Стрнмсрный подкритическнй разряд п потоке, Х=2.5ст 167
5.5. Подкритическнй инициированный СВЧ разряд в различных газах 170
5.6. Особенности структурообразования стримерного подкритического разряда 175
Выводы 177
глава 6. Глубоко подкритический СВЧ разряд 179
6.1. Глубоко подкритическнй СВЧ разряд в сверхзвуковой струе воздуха 181
6.2. Глубоко подкритическнй СВЧ разряд в затопленной струе пропан-воздушной смеси 192
6.3. Глубоко подкритическнй СВЧ разряд в квазиоптическом ЭМ пучке, инициированный кольцевым вибратором 200
Выводы 205
ГЛАВА 7. ИНИЦИИРОВАННЫЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ СВЧ РАЗРЯД В ПОЛЕ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ 206
7.1. Влияние поверхности на условия пробоя 207
Эксперименты на длине волны 8.9 см 207
Эксперименты на длине волны 2.5см 210 7.2 Исследование свойств инициированного поверхностного СВЧ
разряда 210.
Эксперименты на длине волны 8.9 см 210
Эксперименты на длине волны 2.5см 217
7.3.Влияние материала диэлектрика на распространение поверхностного стримерного разряда 222
Выводы 223
ГЛАВА 8. Области реализации различных видов разряда в квазиоптических электромагнитных пучках СВЧ излучения : 225
8.1. Области существования различных видов СВЧ разряда при А,=8.9ст 225
8.2. Области реализации различных видов СВЧ разряда при А,=2.5сш 228
Выводы 231
ГЛАВА 9. Эксперименты в интересах практического применения свч разрядов стримерного вида 233
9.1.Плазменное горение 233
Поджиг горючей смеси импульсным стримерным разрядом 235
Поджнг и поддержание горения непрерывным глубоко подкритичесюш разрядом 236
Пилотная горелка 241
9.2.Плазменная аэродинамика 243
Выводы 248
Заключение 249
Список цитируемой литературы
- Установка СЗ-12 с квазинепрерывным излучением на длине волны А.=12.5ст и сверхзвуковым потоком
- Переходный этап развития безэлектродного СВЧ разряда от диффузного к примерному
- СВЧ разряд в атмосферном воздухе в фокусе двухзеркального резонатора с длиной волны генератора А,=4.3см
- Области реализации различных видов СВЧ разряда при А,=2.5сш
Установка СЗ-12 с квазинепрерывным излучением на длине волны А.=12.5ст и сверхзвуковым потоком
Актуальность проблемы .
Известно, что одной из ключевых проблем, сдерживающих развитие перспективных . летательных аппаратов (ЛА), являются трудности, связанные проблемой организации высокоскоростного горения топливных смесей и проблемами управления полетом ЛА. Ведущие мировые. исследовательские лаборатории прилагают большие усилия по поиску новых методов зажигания и стабилизации горения смеси в скоростном потоке и управления скоростными потоками. В международном научном сообществе с нарастающей активностью обсуждаются методы воздействия плазмы газовых разрядов на параметры горения в каналах силовых установок и течения вокруг ЛА. Большое место отводится обсуждению этой проблемы на самых авторитетных конференциях по астронавтике и аэронавтике (в частности, на регулярных конференциях Американского Института Астронавтики и Аэронавтики, AIAA, во Франции, ONERA, на Международной конференции European Conference, for. Aerospace Sciences, состоявшейся в Москве в 2005 г. под патронажем ONERA). Работы в этом направлении ведутся в США (AF, NASA), Франции (ONERA), Великобритании (British Aerospace, University of Liverpool, University of Bristol) и во многих других научных центрах. Наиболее интенсивно работы ведутся в СІІІА (Boeing Inc., John Hopkins University, NASA Langley Research Base, NASA Dryden Flight Research Base, Princeton University, Old Dominion University, Wright-Patterson AF Base, State University of New Jersey, Northrop Grumman Corporation, Eagle Aeronautics ,Inc, Lockheed Martin Aeronautics, Air Force Research Laboratory, Rutgers University, Orbital Research Inc., Naval Research Laboratory, AF Space Command/XPY, Naval Surface Warfare Center, NASA Glenn Research Center, US AF Academy, AF Office of Scientific Research и др.).
Зарубежные исследователи в своих работах для создания газоразрядной плазмы обычно используют различные-типы электрических разрядов. Это разряды постоянного тока в потоке, барьерные разряды (DBD), эрозионные разряды, микроволновые разряды и др.
В России также идут работы по изучению физических основ методов воздействия плазмы газовых разрядов на параметры горения в силовых установках. Они проводятся в ФГУП «МРТИ РАН», МГУ им. М. В. Ломоносова, Московский физико-технический институт (г.Долгопрудный), ОИВТ РАН, Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (С-Петербург) и др. В них также обычно используются все вышеперечисленные типы электрических разрядов. Результаты исследований в данном направлении известные к настоящему времени указывают на то, что наибольшие перспективы применения имеют СВЧ разряды.
Научная новизна
В диссертационной работе систематически изложены результаты экспериментальных исследований СВЧ разряда в воздухе и ряде других газов в квазиоптическом пучке на длинах волн 8.9cm и 2.4cm и в открытом двухзеркальном резонаторе на длине волны 8.9cm и 4.3cm.
Впервые получен и исследованы СВЧ пинч-эффект - удержание плазмы стримерного канала усредненным магнитным полем наведенного в нем СВЧ тока и магнитогидродинамические неустойчивости, свойственные токовому каналу в условиях магнитного самосжатия.
Показано, что подкритический стримерный СВЧ разряд и глубоко подкритический СВЧ разряд взаимодействует с возбуждающим его ЭМ полем с высокой эффективностью.
Показан резонансный характер взаимодействия подкритического стримерного разряда с полем как отдельных фрагментов его структуры, так структуры в целом. Выявлена принципиальная необходимость ветвления стримерньтх каналов для развития в волновом поле и причины распространения ему навстречу.
Исследованы свойства подкритического и глубоко подкритического разрядов в условиях, типичных для ряда приложений. Показана принципиальная возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке с кпд, превышающем единицу, и создания боковой
силы с помощью СВЧ разряда. Показана и исследована способность подкритических и глубоко подкритических СВЧ разрядов инициировать и поддерживать горение в топливных смесях в различных вариантах инжекции в диапазоне коэффициента избытка топлива.
Практическая значимость
Практическая ценность выполненных исследований определяется выявленной высокой энергетической эффективностью взаимодействия стримерного подкритического и глубоко подкритического СВЧ разрядов с ЭМ полем квазиоптического ЭМ пучка, что явилось основанием для развертывания поисковых работ по их применению в ряде конкретных предложений по использованию этих видов СВЧ разряда в практических устройствах. В ходе этой проработки на существующих установках выполнен ряд экспериментов, показывающих на количественном уровне реальность этих предложений.
Данные типы разрядов могут быть использованы в плазменной газодинамике для управления характеристиками как дозвуковых, сверхзвуковых, так и гиперзвуковых летательных аппаратов. Выполненные эксперименты показали влияние этих разрядов на лобовое сопротивление модели и на боковые управляющие силы. В этой связи с участием автора диссертации в настоящее время ведутся исследования различного вида стримерных СВЧ разрядов на поверхности диэлектрика. Используемые в исследованиях для оценки температуры плазменных каналов СВЧ разряда опыты по его зажиганию в модельной горючей смеси показали возможность поджига и стабилизации горения этой смеси в режиме ее высокоскоростного течения по разрядной области. При этом поджигается и весьма бедная смесь. Эти наработки позволяют рассматривать возможность применения таких разрядов в прямоточных реактивных двигателях и в наземных газотурбинных установках.
На основе полученного в эксперименте факта поджига бедной горючей смеси подкритическим стримерным разрядом сформулировано предложение по использованию этого разряда в поршневых двигателях внутреннего сгорания нового поколения.
На основании полученных экспериментальных данных ведутся исследования возможности использования СВЧ разряда в плазмотронах с вихревой подачей газа и по использованию СВЧ разряда в установках по газификации низкокалорийных углей и бытовых отходов.
Достоверность полученных результатов
Исследования проводились на нескольких установках с разными длинами волн в широком диапазоне значений параметров и при разных условиях. Сопоставление данных, полученных на разных установках с участием автора и установках других исследовательских групп, показали отсутствие противоречий. Результаты экспериментов многократно обсуждались с ведущими отечественными и зарубежными специалистами. Работа поддерживается в течение ряда лет грантами ISTC и CRDF. Все это свидетельствует о достоверности полученных результатов.
Апробация работы
Результаты исследований, положенных в основу настоящей диссертации, докладывались на различных всероссийских и международных конференциях. В их числе: III Всесоюзная конференция "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (1989, г. Новосибирск); 2-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (май 1995, г. Иваново); 4-я Международная конференция «Strong microwaves in plasma» (август 1999 г., Нижний Новгород); Международное совещание по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТАН, 2000 г, 2003 г.); III - VI Международный симпозиум «Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике» (Санкт-Петербург, 2002 г., 2004 г., 2006 г., 2008 г.); 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop (11-14 June 2001, Anaheim, CA), 41st - 46lh AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008) Reno, NV; 2nd International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC) (19-21 September 2006, 2007 и 2008 г. Quality Inn Governor Falls Church, Virginia, U.SA.); Восьмая международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 4-13 июня 2008, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2009, Orlando, Florida), 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2010, Orlando, Florida). Сборники трудов этих конференций опубликованы.
Переходный этап развития безэлектродного СВЧ разряда от диффузного к примерному
В состав укрепленного на фланце-диске технологического оборудования входит, как показано на Рис. 1.2.2, металлическое зеркало, установленное на четырех стальных штангах диаметром 1.0 ст. Сферически вогнутое зеркало глубиной 68 mm имеет диаметр раскрыва 25.0 cm и радиус кривизны 15.0 cm. Плоскость его раскрыва отстоит от поверхности фланца-диска на 26.0 ст. Фотография зеркала в рабочем положении при отодвинутой от фланца-диска камере приведена на Рис.1.3.3.
Вертикально поляризованная ЭМ волна, излученная рупором, отражается от вогнутой поверхности зеркала и фокусируется на оси камеры на расстоянии 9.0 cm от точки на его поверхности, лежащей на оси пучка. Точка фокуса находится в поле зрения предназначенного для визуального контроля иллюминатора камеры.
Объем камеры демпфирован радиопоглощающим материалом, укрепленным на ее внутренней поверхности и поверхности фланца-диска. Это предотвращает образование непрогнозируемых стоячих волн «рассеянного» поля внутри камеры. В камере герметичность соединения отдельных ее «съемных» узлов обеспечивается резиновыми уплотнителями. При этом приняты меры по минимизации ЭМ излучения из этих стыков.
В установке реализована достаточно сложная геометрия квазиоптического ЭМ пучка. В результате исходное поле в фокусной области имеет также сложную структуру. Здесь термин «квазиоптический» в отношении ЭМ пучка применен в том смысле, что его поперечные размеры в единицах X сравнительно небольшие. Так, диаметр излучающей апертуры рупора примерно равен ЗЛ, а диаметр раскрыва фокусирующего зеркала - ЮЛ.
Распределение амплитуды электрического поля вдоль оси ЭМ пучка было определено в специальном эксперименте. В фиксируемые точки на оси пучка помещается металлический шарик диаметром 2а=0.135 cm, и определяется максимальное давление воздуха в камере ры , при котором еще происходит пробой воздуха, tpuSe=34 xs. В течение импульса поверхность шарика освещается УФ излучением от помещенного в камеру вне ЭМ пучка искрового разрядника.
Результаты этих экспериментов приведены на Рис.1.3.4. На графике размер х отсчитывается от осевой точки поверхности зеркала, а ось х идет по оси ЭМ пучка. Из него следует, что поле вдоль оси ЭМ пучка существенно неоднородно. Ближайший к зеркалу максимум поля находится в точке х=9.0 cm, что практически совпадает с прогнозируемым этим размером, оцененным в 9.5cm.
Зависимость рЬг вдоль оси ЭМ пучка в его фокусной области при инициации пробоя проводящим шариком Описанная ниже в разделе 4; 1; разработанная теория инициированного; металлическим; шариком? ЄВЧ пробоя воздуха; в линейно = поляризованном. квазиоптическом! ЭМ пучке с учетом влияния; диффузии; [66] позволяет по экспериментальным .значениям; р/,г рассчитать локальные значения:; Е„, исходного поля. Bt месте положения шарика: Результаты обработки измерений, приведенных,на Рис. Ш14;; приведены на РИС.1ІЗІ5; Отличительной особенностью данной установки является наличие, в; ее составе не. только ЄВЧ генератора- непрерывного действия и вакуумного оборудования, но и элементов, формирующих затопленную сверхзвуковую струю. Это; позволяет проводить исследования находящиеся на= стыке физики- плазмы, и:.газодинамики т.е. проводить плазмогазодинамические исследования -[67,68]: . . Схема установки приведена на Рис. І;4Щ. а фотография ее внешнего вида на Рис.1.4.2; Вакуумная часть установки состоит из рабочей камеры, переходной секции, ресивера и откачного оборудования.
Рабочей камерой является горизонтально расположенный металлический цилиндр диаметром 0.7 m и длиной 1 m с плоскими торцами. На ее боковой поверхности, как видно на фотографии, расположены круглые окна с фланцами. Два из них закрыты кварцевыми стеклами для наблюдения процессов внутри камеры, а остальные заглушены металлическими листами. Внутренняя поверхность камеры покрыта материалом, поглощающим энергию микроволн сантиметрового диапазона. Рабочая камера имеет объем Vc=0.4 m3. Ресивер имеет прямоугольную форму с размерами 1.25x1.25x2.5 т, т.е. объем У 4 m3. Между рабочей камерой и ресивером располагается шарообразная переходная секция объемом, примерно равным 0.15т3. Таким образом, весь объем вакуумной части установки Vs»4,5 m3.
В каждом экспериментальном цикле вакуумный объем предварительно откачивается до исходного давления рсо двумя работающими параллельно форвакуумными насосами производительностью каждого в 20 s" . Установленное исходное давление в камере в пределах 1 рсо 760 Тогг измеряется манометрическим вакуумметром с точностью ±1.5 Тогг.
Натекание в камеру происходит из атмосферы после открытия управляемого клапана через СЗ сопло Лаваля. Рабочая камера с переходной секцией и ресивером соединяется через конфузор. Сопло Лаваля и конфузор установлены горизонтально по оси рабочей камеры на противоположных ее фланцах.
Устройство формирования в рабочей камере затопленной СЗ струи состоит из электромагнитного управляемого напускного клапана, сопла Лаваля и конфузора, как показано на Рис.1.4.1. Напускной клапан имеет диаметр условного проходного отверстия -63 mm и время срабатывания - 10 ms.
Чертеж сопла Лаваля приведен на Рис.1.4.3. Оно имеет диаметр минимального, критического сечения dc=23 mm, диаметр конфузора во входном его сечении - 96 mm при длине конфузора в 100 mm и диаметр диффузора в выходном сечении сопла doUt=30 mm при длине конусного диффузора в 80 mm. При давлении в рабочей камере рс 380 Тогг на выходе сопла Лаваля формируется СЗ струя воздуха. Сопло Лаваля, установленное в камере, формирует затопленную струю со следующими параметрами: число Маха М=2; статическое давление pout=97 Torr; газовая температура Tout=160 К; скорость потока vout=500 m/s; и концентрация молекул nout=6-1018cm3.
Конфузор, соединяющий рабочую камеру с ресивером, представляет собой трубу внутренним диаметром 7 cm и длиной 70 cm, которая в передней части переходит в конус длиной 22 cm и максимальным входным диаметром - 14 ст. Конфузор может перемещаться вдоль оси системы и крепиться на разных расстояниях от выхода сопла Лаваля в пределах (5-І-50) ст. Размеры конфузора рассчитаны. Конфузор установлен и настроен таким образом, чтобы предотвращать обратное перетекание воздуха из ресивера в рабочую камеру для расчетного режима затопленной струи.
Устройство формирования в рабочей камере затопленной СЗ струи позволяет удерживать постоянные расчетные размеры и параметры струи в течение времени около 2 s.
Основным элементом СВЧ части установки является магнетрон непрерывного действия, Х«12.3 ст. Максимальная мощность Pgen=2 kW. Регулировка величины мощности осуществляется изменением величины тока в цепи магнетрона.
Микроволновая энергия с выхода магнетрона по волноводу сечением 4.5x9.0 cm вводится в рабочую камеру установки. Волновод заканчивается излучающим секториальным Н-плоскостным рупором длиной 14.5 ст. Размер излучающего прямоугольного раскрыва D=9.0 ст. Плоскость раскрыва отстоит на расстоянии 90 mm от оси СЗ струи. Ось направления распространения микроволнового излучения пересекает ось СЗ струи и перпендикулярна ей. Ось микроволнового излучения отстоит от выходного сечения сопла Лаваля на расстоянии 6.5 ст. Вектор электрической составляющей излучаемой ЭМ волны параллелен оси СЗ струи.
СВЧ разряд в атмосферном воздухе в фокусе двухзеркального резонатора с длиной волны генератора А,=4.3см
Для определения электронной концентрации пе в пространственно-однородной плазме низкого давления диффузного вида при известном размере области, занятой плазмой, широко используется метод просвечивания этой области коротковолновым СВЧ излучением. Данный метод был применен и для исследуемых видов СВЧ разряда [80]. Конечно, при интерпретации результатов надо иметь в виду, как ясно из предыдущих разделов, что рассматриваемый тип СВЧ разрядов имеет существенно неоднородную пространственную структуру.
Эксперименты проводились с разрядами, описанными в разделах 2.1 и 2.2 при Tpui=40 us.
В опытах разрядная область зондировалась непрерывным СВЧ излучением с A, l era. Измерялось затухание зондирующей ЭМ волны при распространении ее через разрядную область. Волна излучалась и принималась соосно расположенными волноводными рупорами с прямоугольным раскрывом. Поперечный размер рупоров равен 3 ст. Рупора располагались вне плазменной области. Ось зондирования перпендикулярна U - Е0 плоскости. Она пересекает ось волнового пучка в его фокусной области. Размер области, занятой плазмой вдоль оси зондирования, определялся по фотографиям разряда.
На нем помещены осциллограммы детектированного сигнала с приемного рупора. Горизонтальный масштаб осциллограмм - 10 p.s/div.
Сигнал нормирован на максимальное значение, одинаковое на всех осциллограммах. Ноль соответствует нулевому уровню принимаемого сигнала, единица - максимальному уровню принимаемого сигнала, фиксируемому при отсутствии в зондируемой области разрядной плазмы. Вертикальный масштаб всех осциллограмм одинаков.
На осциллограммах момент включения СВЧ излучения на 20 us смещен относительно момента запуска луча осциллографа. Окончание СВЧ импульса, так же как и его начало, отмечено характерной «наводкой». Из осциллограмм следует, что при горении разрядов амплитуда принимаемого сигнала уменьшается.
Рис.2.3.1(Ь) соответствует давлению воздуха р=20 Тогг. Для этого давления характерен диффузный вид СВЧ разряда. На осциллограмме видно, что затухание сигнала почти постоянно в течение xpui. Будем считать, что отражение зондирующего сигнала от плазменной границы практически отсутствует. В этом случае по величине затухания амплитуды зондирующего сигнала и по измеренному размеру плазменной области вдоль зондирующего луча по известным формулам получим следующую оценку для средней по объему концентрации плазмы Пе «4.5-10 СШ .
Это значение пе на порядки меньше концентрации плазмы, оцениваемой для условия ионизационного баланса по экспериментальному соотношению Ев и Есг для данного давления. Данный факт дополнительно подтверждает принятое в разделе 3.2 предположение о динамике развития диффузного вида СВЧ разряда в рассматриваемой экспериментальной постановке. После пробоя воздуха за время, меньшее времени разрешения диагностической аппаратуры, ионизационный фронт разряда «убегает» из фокуса в сторону фокусирующего ЭМ излучение зеркала. Фокусная область экранируется., . Концентрация плазмы в ней поддерживается только прямым излучением, поступающим на фокусирующее зеркало. Амплитуда этого излучения лишь несколько меньше Бо. для данного р, и это поле затягивает темп распада плазмы в течение СВЧ импульса. После же его окончания темп распада плазмы резко возрастает, и падение пе, по существу, отслеживает скорость падения СВЧ поля. ...: .
Осциллограмма, помещенная на Рис.2.3.1 (а) соответствует давлению воздуха р—12 Тогг. При этом давлении поле в «прямой» волне больше Есг . Однако из осциллограммы следует,, что в течение СВЧ импульса плазма распадается существенно быстрее, чем при р=20Тогг. Это связано с тем, что разрядная плазма экранирует свои внутренние области не только от .излучения, поступающего со стороны фокусирующего зеркала, но и от прямой волны. Т.е., фронт ионизации от фокусной области распространяется в обе стороны и экранирует ее: Из осциллограммы следует, что в начальный момент концентрация плазмы в разрядной области лишь незначительно меньше концентрации щ, оцененной выше для р=20Тогг. При рассматриваемом давлении ее можно оценить величиной ne=3.54011cm 3. ; ... Рассмотрим .осциллограмму, помещенную на Рис.2.3.1(с), соответствующую р=120 Тогг. Для этого р типична стримерная форма СВЧ разряда. Анализ временной фоторазвертки развития данного . разряда, помещенной на Рис.2.2.3, позволяет . прокомментировать и данную осциллограмму.
На осциллограмме постепенное уменьшение уровня принимаемого зондирующего плазму сигнала на переднем фронте связано с постепенным перекрытием поперечного размера области зондирования; разрядом. Из осциллограммы следует,, что движение границы разряда в сторону фокусирующего зеркала перемещается со скоростью, которую можно оценить величиной в 10. crn/s. Действительно, поперечный размер зондирующего луча равен 3 cm, а процесс его перекрытия завершается через 30 us. В это время наблюдается максимальное затухание зондирующего сигнала. Оно соответствует средней ne=3.5-1012cm"3. При такой ионизации внутренние, области разряда экранированы. Это объясняет падение пе в течение оставшейся части СВЧ импульса. .
По окончании триье распад плазмы происходит за десятки микросекунд, что резко отлично от скорости этого процесса для диффузного вида СВЧ разряда. Это указывает. на термический характер ионизации в каналах. Уменьшение пе в этом случае связано с остыванием газа в плазменных каналах за счет теплопроводности. Оценивая по известной зависимости времени выравнивания температуры газа от размера тепловой неоднородности, получим, с учетом измеряемого диаметра канала, значение исходной температуры воздуха в них . масштаба 104 К; Некоторое «затягивание» распада плазмы, фиксируемое на Рис.2.3.1(Ь) при р=20 Тогг, очевидно, связано с наличием и в этом случае в диффузной плазме разряда зачатков высокотемпературных каналов.
Результаты уже описанных исследований показали, что разряды при сравнительно высоких газовых давлениях имеют начальный диффузный этап. Именно на фоне начального диффузного образования и происходит дальнейшее усложнение конфигурации разряда, вплоть до зарождения его стримерной структуры. Это определяет важность знания количественных характеристик разряда на диффузном этапе его развития.
Диффузный разряд - это ионизационно-полевой процесс. Его свойства есть результат самосогласованной эволюции распределения электронной концентрации пе и ЭМ поля. Нагрев газа в условиях свободно локализованного СВЧ разряда диффузного вида в воздухе рассмотрен в работе [81], а плазмохимические процессы в нем — в [82].
Опишем эксперименты по исследованию пространственно-временных характеристик диффузного этапа развития СВЧ разряда в воздухе в фокусе бегущей ЭМ волны, выполненные на описанной в разделе 1.1. установке с i=8.9 cm [83]. Использование излучения со сравнительно большой длиной волны Л позволило повысить пространственное разрешение при измерении характерных размеров разрядной области. В опытах уровень исходного поля в фокусной области ЭМ пучка Е0 устанавливался близким к уровню критического поля Есг. Это позволило растянуть во времени t ход развития разряда и, следовательно, повысить точность измерения его временных параметров. Близость Е0 к Е„ в условиях эксперимента существенно ограничивало размер области, где выполнялись пробойные условия. В результате место пробоя достаточно точно привязывалось к геометрическому фокусу ЭМ пучка. В то же время при естественном уровне ионизации сам пробой, как правило, инициировался одиночным электроном. Это упрощает математическую трактовку изучаемого явления.
В опытах длительность СВЧ импульсов Тсвч менялась в диапазоне от 4 до 40 us. Паузы между импульсами были не менее 1 min. В камере устанавливалось р=20+0.75Тогг. В опытах Ео по возможности приближалось к Еы- Их отношение устанавливалось в диапазоне К;=Ео/Есг 1.05. Разряд фотографировался с временем экспозиции Tcxp TcB4- На нижеприведенных фотографиях Ео вертикален, а П направлен слева направо.
Области реализации различных видов СВЧ разряда при А,=2.5сш
При пробое временной ход зависимости поля в резонаторе существенно меняется [111]. При наличии пробоя осциллограмма воспроизводит только начальный участок резонансной кривой до пробойного уровня Еы, а затем за время, меньшее 1 us, резко поднимается вверх до уровня СВЧ наводки от запитывающего резонатор поля. Этот правый верхний горизонтальный участок осциллограммы на Рис.3.5.2 и примем за нулевой уровень поля в резонаторе, а величину поля в его фокусе Е0 по резонансной кривой будем отсчитывать от него вниз.
В опытах поле Е0—Еы в последовательных импульсах различалось в несколько раз в последовательных импульсах. В большинстве импульсов поле ЕЬг было значительно больше Есг. Причем, пробой происходил как на ниспадающей, так и на нарастающей ветви резонансной кривой. Этот статистический разброс, очевидно, связан со случайным характером появления в воздухе при естественных условиях свободных электронов, могущих положить начало развитию электронной лавины [118]. Более того, в отдельных импульсах за время, в течение которого в фокальной области резонатора Е ЕСГ, такой электрон может и не появиться. В этом случае в данном импульсе разряд вообще отсутствует, а на осциллограмме рисуется полная резонансная кривая. Следует отметить, что, вероятно, из-за малых размеров каустики резонатора пробой происходил крайне редко, и поэтому для ускорения эксперимента на дне камеры напротив места расположения каустики резонатора был установлен радиоактивный источник, который обеспечивал в области максимального поля около 20 электронов в cm .
Минимальную величину роста сигнала на осциллограмме до момента пробоя, измеренную по большой серии импульсов, естественно соотнести с критическим значение поля. Это дает абсолютную привязку вертикального масштаба осциллограмм к полю в фокусе резонатора. В опытах на осциллограммах этот минимальный уровень был в пять-шесть раз меньше максимального уровня резонансной кривой, что дает Emax=(5-6)Ecr=150-190 kV/cm, а, следовательно, в установке коэффициент использования мощности г) лежит в диапазоне 0.4- 0.6.
В экспериментах разному значению ЕЬг соответствовал разряд разного вида. На Рис.3.5.3 приведена интегральная фотография при Еь,, лишь незначительно превышающем ЕСТ. Видно, что это вытянутый вдоль поля плазменный канал. Его длина 2/ в различных импульсах колебалась от 1.3 до 1.6 cm при диаметре 2а -0.1cm. Кумулятивное ядро в этом разряде отсутствует. На Рис.3.5.4 помещена фотография разряда при Еы, близкой к Emax- На ней видно, что разряд, сохраняя длину и диаметр, уже имеет центральное ядро.
В опытах высокотемпературное ядро начинало наблюдаться лишь при Е„ 2ЕЬг.
Полученный результат лежит в рамках развитых ранее представлений для стримерного резонансного кумулятивного СВЧ разряда. Возможность реализации пинч-эффекта, с наличием которого, по мнению авторов, связывается появление кумулятивного ядра в центральной области стримера, существенно зависит от отношения тока этого участка стримера к его радиусу - / /а. Эксперимент показал, что при переходе от Я=8.9 cm к Я=4.3 cm размер а стримера практически не изменился. Ток же Io= Ehr-he//Rz зависит от его действующей длины hejf, которая пропорциональна Л. Здесь R - сопротивление излучения стримера, рассматриваемого как СВЧвибг В опытах высокотемпературное ядро начинало наблюдаться лишь при Ет 2ЕЬг.
Полученный результат лежит в рамках развитых ранее представлений для стримерного резонансного кумулятивного СВЧ разряда. Возможность реализации пинч-эффекта, с наличием которого, по мнению авторов, связывается появление кумулятивного ядра в центральной области стримера, существенно зависит от отношения тока этого участка стримера к его радиусу - If/a. Эксперимент показал, что при переходе от А.=8.9ст к А.=4.3 cm размер а стримера практически не изменился. Ток же != Ebr-hej/Rzзависит от его действующей длины heff, которая пропорциональна Я. Здесь R? -сопротивление излучения стримера, рассматриваемого как СВЧ вибратора. Величина R? зависит от отношения 41/А, которое в опытах при уменьшении Л практически не изменилось. И, наоборот, при переходе к Х=4.3 cm размер heff падает в два раза, и при Еы=Есг ток 10 падает вдвое. В результате при Еь, Есг условие реализации пинч-эффекта может не соблюдаться. В то же время в эксперименте в отдельных импульсах это уменьшение heff может компенсироваться ростом поля Еы. Именно поэтому при значениях Еы 2Есг разряд реализуется уже с кумулятивным ядром.
В данной экспериментальной серии используется установка ИР-4, описанная в разделе 1.6. Резонатор, описанный в предыдущем разделе, помещен в герметичную камеру, как показано на Рис.1.6.3. Это позволяет проводить эксперименты при более высоких давлениях и не только с воздухом, но и с водородом.
При настройке резонатора камера заполнялась воздухом до ртах.Ири ртах воздух в ЭМ поле с амплитудой Етах пробиваться не должен. У него амплитуда критического пробойного поля c/ =30kV/(cm-atm), т.е. для пробоя воздуха при 8 atm необходимо поле E(j 240 kV. Эта величина значительно больше указанной выше Етах=150 kV. И, действительно, в эксперименте воздух при ртах не пробивался. При правильной настройке резонатора в течение СВЧ импульса на экране осциллографа фиксируется типичная резонансная кривая с ее полной шириной по уровню 1/V2OT максимального значения 2Af 70 kHz, что соответствует 6=105.
В ходе экспериментов сначала выполнялась их контрольная серия с заполнением камеры воздухом при р 1 atm. Уже эти опыты дали существенные и, в определенном смысле, неожиданные результаты.
В опытах воздух пробивался в фокальной пучности поля резонатора, но лишь до р=3 atm, что меньше ожидаемых 5 atm . Этот результат, скорее всего, связан с малым числом свободных электронов в воздухе при естественных условиях, хотя подробно он в данных экспериментах не исследовался.
В диапазоне 1 р 3 atm в каждом конкретном СВЧ импульсе пробой мог быть, а мог и не быть. В случае пробоя на осциллограмме наблюдалась только часть переднего, нарастающего участка резонансной кривой до пробойного уровня Ео=Еы, после чего сигнал на экране осциллографа резко, за время, меньшее долей микросекунды, падал до нуля. При фиксированном р в последовательных импульсах уровень Еы существенно отличался, находясь в диапазоне Ecr Ebr Emax. Т.е., при фиксированном р исходная надкритичность поля С -Еь/Есг, при которой развивался разряд, в различных импульсах была существенно различной.
При 1 р 1.5 atm в воздухе наблюдался разряд известного вида: при ЕЬГу лишь незначительно превышающем Есг, это был вытянутый вдоль поля плазменный канал без центрального ядра; при большей С это был канал с ядром.
При/? 1.5 atm в отдельных реализациях у разряда могло быть и два ядра, как показано на РисЗ.б.Іа). Раньше такое наблюдалось только в водороде. РисЗ.б.Іа) соответствует р=1.5 atm. На нем и на всех последующих подобных рисунках помещены полученные при затемнении помещения интефальные фотографии с временем экспозиции, превышающим время свечения разряда. На них ось резонатора горизонтальна, а вектор электрического поля вертикален. На РисЗ.б.Іа) длина плазменного канала
