Введение к работе
Актуальность работы. В последние года активно развивалась нелинейная ^.теория распространения мощных радиоволн в плазме. Устойчивый интерес -х-э?в*|теории стимулируют такие ее практические приложения, как создание искусственных плазменных образований в атмосфере и ионосфере для ретрансляции радиоволн, использование СВЧ-разрядов для окисления азота и накачки молекулярных лазеров, транспортировка энергии от солнечных космических электростанций на землю в виде направленного излучения СВЧ-диапазона, обеспечение устойчивой радиосвязи с летательными объектами и др.
В диссертации интерес к этой -теории определялся, главным образом, практической необходимостью описать распространение мощных радиоволн в термически ионизированном воздухе. Такой воздух образуется, например, вокруг летательного объекта за фронтом ударной волны, возникающей при сверхзвуковом полете последнего в плотных слоях атмосферы (на высотах, примерно, от 30 до 80 км).~ Температура воздуха за фронтом ударной волны при скорости летательного объекта в несколько км/сек достигает от 1000 до 6000 К. При таких температурах в результате термоионизации молекул в воздухе появляется значительное (иногда достигающее критического значения) количество электронов способное через поглодение энергии СВЧ-импульса в значительной степени ухудшить качество радиосвязи. Для создания линии радиосвязи требуемого качества нужно, на первый взгляд, увеличить уровень мощности передатчика. Однако увеличение мощности импульса приводит к нагреву электронной компоненты воздуха и к целому ряду вызываемых им явлений, таких, как дополнительная ионизация молекул и пробой воздуха, просветление плазмы и др., характерных своим обратным воздействием на радиоволну. Взаимодействие электромагнитного поля с плазмой становится существенно нелинейным, в результате чего прошедшее через слой плазмы поле может как увеличиваться (в эффекте просветления плазмы), так и уменьшаться (например, при дополнительной ионизации).
Круг перечисленных вопросов исследовался в работах ряда авторов (Гуревич А.В. и сотр. Гильденбург В.Б. и сотр., Литвак А.Г. и сотр. и др.) применительно к распространению радиоволн в холодном воздухе. Для этого случая проводились исследования и более сложной для изучения нестационарной стадкч формирования СВЧ-разряда, которые стимулировались такими техническими приложениями, как создание и управление свойствами ионизированного облака, использованиэ плазмы для СВЧ-ограничителей и СВЧ-фазовращателей и др.
Относительно исследований в области нагретого воздуха следует
4 сказать следующее. В обзорах отмечается отсутствие достаточно
надежных данных о кинетических коэффициентах, т.е. о частотах
транспортних столкновений, ионизации, прилипания, диффузии и др.
Особенно это касается частоты ионизации, которая согласно
эксперименту увеличивается на порядок при нагреве воздуха, что не
нашло объяснения в рамках феноменологической теории.
Обзор этой проблемы позволяет отметить, с одной стороны, явную недостаточность как числа, так и надежности проведенных измерений, с другой стороны, необходимость вычисления кинетических коэффициентов нагретого воздуха путем решения уравнения'Больцмана.
Вычисления на основе кинетического уравнения позволят оценить применимость к нагретому воздуху разработанного Гуревичем А.В. и др. применительно, в основном, к холодному воздуху аналитического решения кинетического уравнения, а также выяснить влияние немаксвелловости функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) нч исследуемые кинетические коэффициенты.
Следует ожидать, что на основе полученных таким образом данных о кинетических коэффициентах электронов и, главное, о балансе их энергии удастся конкретизировать и упростить систему уравнений баланса числа, импульса и температуры электронов. В проведенных до настоящего времени работах из-за отсутствия данных о кинетических коэффициентах исследоваше распространения импульса в нагретом воздухе носило ограниченный характер и нуждалось в уточнении.
Важно, что кинетический подход является посла догателышм: позволяет рассчитать сначала кинетические коэффициенты на основе данных о сечениях микроскопическіа процессов, а затем характеристики импульса, прошедшего через слой нагретого воздуха. Это позволит интерпретировать эксперименты, которые проводились для определения частоты ионизации нагретого воздуха. Определение частоты ионизации производилось путем подгонки результатов выбранной для описания эксперимента теоретической модели и результатов измерения характеристик прошедшего импульса.
Целью диссертационной работы является разработка кинетического описания бездиффузионного, нестационарного в обшем случав режима распространения мощных СВЧ-имцульсов в термически ионизованном воздухе. Для этого необходимо: —провести численное исследование функции распределения (ФРЭЭ) и
кинетических коэффициентов электронов в нагретом воздухе; —на основе полученных данных о ФРЭЭ и кинетических коэффициентах упростить и конкретизировать систему уравнений баланса числа, импульса и температуры электронов; —исследовать прохождение СВЧ-имнульсов через слой термически
ионизированного воздуха, акцентируя внимание на нелинейный
характер их взаимодействия; —провести интерпретацию результатов экспериментальных работ по
определению кинетических коэффициентов радиофизическими методами. Научная новизна работа заключается в оригинальности получешшх результатов. В работе впервые численно решалось кинетическое уравнение Больцмана для электронов в нагретом воздухе. Получеїш данные о зависимости кинетических коэфрициептов от поля в широком диапазоне параметров воздуха. На осново этих данных упрощено уравнение баланса температури. Получены оригинальные результата о характеристиках импульса, прошедшего через слои нагретого воздуха. На защиту выносятся следующие результаты и основные положения:
I.Результаты численного исследования зависимости функции распределения и кинетических коэффициентов от амплитуды околопороговых значений электромагнитного поля во всем исследуемом диапазоне параметров нагретого воздуха (т =зоо+50ООК, Р=о.1-ЛбоТор). 2.Температура электронов в нагретом воздухе, вычисляемая как среднее по ФРЭЭ значение их энергии с учетом ионизации, возбуждения и диссоциации молекул, нагрева вторичных электронов, определяется следуюцим аппроксимацношшм ьиракешіем:
о. в
Т = Т + 2.КЕ/Е ) 0.3 < Е/Е < 10.
»«*С> 1С 1С
3.Выражения для диэлектрической проницаемости є и проводимости о воздуха, получаемые из кинетического уравнения, могут быть уточнены (без помощи поправочных g- и h- или К- и К_- функций) с помощью метода перевала.
4.Нагрев воздуха сказывается на характеристиках импульса, главным образом, через изменение начальной концентрации электронов, а не через изменение при этом кинетических коэффициентов.
5.При.исследовании проникновения Е-воліщ в полубесконечный слой среда с кубической нелинейностью обнаружен глстерезисный характер (ьключая двойной гистерезис для среды с малыш потерями) в зависимости коэффициента отражения от амплитуды волны, не имеющий места и аналогичном случае проникновения Н-волны в плазму.
Є.Иослодовано относительное влияние рекомбинации и прилипания на проникновеїпіе продольного поля в тонкий слой предварительно ионизированного воздуха. Рекомбинация приводит к двум новым по сравнению с известным случаем пробоя контролируемого прилипаїшем квазистацнонарішм состояниям формируемого бездиффузиошюго СВЧ-разряда, одно из которых имеет гистерезисный характер.
7.Разработанная в диссертации теоретическая модель с хорошей точностью согласуется при сравнительно больших значениях амплитуды
^следуемого диапазона Н-волны с результатами эксперимента Mayhan т.Т. a DeVore B.V. по измерению профиля прошедшего через слой нагретого воздуха импульса. Этот факт ставит под сомнение сделанный на основе эксперимента вывод о том, что частота ионизации существенно увеличивается при нагреве воздуха.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанная на основе кинетического описания математическая модель дает возможность рассчитать характеристики импульса, прошедшего через слой нагретого воздуха, с учетом возбуждения электронных и колебательных уровней, ионизации и диссоциации молекул, нагрева вторичных электронов и др. Кинетический подход позвсляет обосновать упрощение уравнения баланса температуры электронов, что позволяет на два порядка сократить затраты машинного времени, необходимые для расчета прошедшего импульса. В практическом отношении также важна произведенная оценка области допустимых значений параметров воздуха и импульса, в которой обсуждаемая математическая модель справедлива.
Работа выполнялась в соответствии с координациошшм планом АН СССР по программе "Распространение радиоволн" в рамках НИР "Распространение и дифракция радиоволн в неоднородных и нелинейных плазменных образованиях". По основным результатам диссертационной работы на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн Московского энергетического института выпущено 6 отчетов по НИР.
Полученные в диссертации результаты использовались при расчете характеристик радиосвязи, что подтверждается актом о внедрении. Кроме того, они оказались полезны при постановке и анализе экспериментов по измерению сечений транспортных столкновений. Публикации и апробация результатов. Основные результаты работы опубликованы в 6 отчетах, в печатных работах [1-9] и докладывались на VIII Всесоюзном симпозиуме по дифракции волн, Львов, 1981 г.; XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике. Ереван, 1982 г.; Всесоюзной конференции "Современные проблемы, радиоэлектроники" Москва, 1988 г.; УВсесоюзной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой", Ташкент, 1989 г.; Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн через искусственные плазменные образования", М., ИРЭ, 1990г. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, заключения, изложенных на Е5 страницах. В тексте 37 рисунков на 35 страницах. Библиография содержит 103 источника.
