Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн СВЧ-диапазона (02.11.2009)

Автор: Есаков Игорь Иванович

В этом же коллективе проводятся исследования по использованию глубоко подкритического стримерного СВЧ-разряда в установках по газификации низкокалорийных углей и бытовых отходов.

Публикации. Основные результаты исследований соискателя опубликованы в 39 статьях в различных отечественных и зарубежных журналах ( «Физика плазмы», «Известия СО АН СССР, Сер. технических наук», «Радиотехника и электроника», «Прикладная физика», «ЖТФ», «Письма в «ЖТФ», «Applied physics letters», «IEEE Transactions on Plasma Sciences» ) и итоговых отчетах по Проектам МНТЦ № 1840, № 2429, №2820.

Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 356 страницах. Работа состоит из введения, 11 глав и заключения, Список литературы диссертации насчитывает 187 ссылок. Он построен по главам, с неизбежным пересечением некоторой части ссылок. Работа содержит 5 таблиц и 194 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирован предмет исследований, цель диссертации, ее научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту, отмечен личный вклад автора кратко излагается содержание диссертации и показана практическая ценность работы.

В Главе 1 описываются используемые в опытах экспериментальные установки, их основные характеристики и средства диагностики. Они отличаются по длинам волн используемого ЭМ-излучения: ( = 8.9 cm, ( = 2.5 cm, ( = 12.3 cm и ( = 4.3 cm. При этом установка с ( = 8.9 cm использована в двух режимах: режим «бегущей» волны ЭМ-пучка и режим стоячей волны с высокодобротным квазиоптическим двухзеркальным резонатором. Установки с ( = 2.5 cm и ( = 12.3 cm работают в режиме бегущей волны. Они оснащены устройствами для создания в рабочей части высокоскоростного потока воздуха или его горючей смеси с пропаном в диапазоне скорости до 500 m/s. Характерной особенностью большинства установок является то, что квазиоптический ЭМ-пучок в них создается в герметичной рабочей камере, давление в которой можно менять от единиц Torr до атмосферного давления. Установка с ( = 4.3 cm имела герметичную камеру высокого давления с радиопрозрачным окном, которая была рассчитана на рабочие давления около 10 atm. Это позволило провести экспериментальные исследования СВЧ-разрядов с использованием высокодобротного квазиоптического СВЧ-резонатора в воздухе, водороде и в дейтерии при избыточных газовых p до нескольких атмосфер.

В Главе 2 экспериментально и теоретически рассмотрен безэлектродный электрический пробой газов в квазиоптическом ЭМ-пучке.

частота трехтельного прилипания электронов; и т.п. Еще раз отметим, что использование этих оценок при анализе получаемых экспериментальных результатов подтвердило их правомочность.

В результате проведения экспериментов выяснилась существенная роль наличия начальных свободных электронов в пробойной области. При естественном уровне начальной ионизации газа и пробое в импульсных полях наблюдается статистический разброс пробойного уровня поля Ebr и некоторой особенности процесса пробоя в нарастающем во времени t поле. На Рис.2 приводятся иллюстрирующие это опытные данные. Рис.2a соответствует работающей в режиме бегущей волны установке с ( = 8.9 cm, а Рис.2b –работающей в режиме открытого резонатора установке с ( = 4.3 cm.

a) b)

Рис.2. Поле пробоя воздуха при естественном уровне его начальной ионизации

В Главе 3 описываются эксперименты по выявлению характерных видов безэлектродного СВЧ-разряда в воздухе в надкритическом поле квазиоптического ЭМ-пучка на ( = 8.9 cm. Описывается динамика их пространственного развития при различных p. Приводятся результаты измерения основных параметров плазмы этих разрядов, таких, например, как электронная концентрация плазмы ne , ее газовая температура T, порог по p развития ИП-каналов и т.д.

На Рис.3 приведены характерные фотографии СВЧ-разрядов в диффузном виде при p ( 30 Torr (левая) и стримерном виде при p ( 100 Torr. На них излучение поступает слева, вектор E0 вертикален, характерный поперечный размер разрядной области имеет масштаб десяти сантиметров.

Рис.3. Диффузный и стримерный безэлектродный свободно локализованный СВЧ-разряд в фокусе квазиоптического ЭМ-пучка

В этой главе описываются результаты экспериментального исследования некоторых свойств таких СВЧ-разрядов. Так, измерения средней ne по разрядной области при величинах p от 12 до 120 Torr дали ее значения от 3.5(1011 до 3.5(1012 1/cm3, соответственно. Рост температуры газа (T в области диффузного вида разряда имеет масштаб нескольких десятков градусов. Температура газа T в шнуровых каналах имеет масштаб тысяч градусов.

На Рис.3 в диффузных областях разряда низкого p видны относительно яркие вытянутые вдоль E0 каналы. Теоретический анализ показал, что они являются результатом ИП-неустойчивости СВЧ-разрядной плазмы. С ростом p именно эти каналы и ответственны за формирование стримерного вида СВЧ-разряда.

В Главе 4 приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования способа локального измерения электрической составляющей ЭМ-поля E0 в квазиоптическом СВЧ-пучке. Используемый при этом металлический шарик инициирует СВЧ-разряд в подкритическом ЭМ-поле, и в измерениях фиксируется максимальное давление воздуха pbr , при котором реализуется такая инициация. В линейном приближении решается уравнение баланса электронной концентрации ne в воздухе в зависимости от амплитуды СВЧ-поля E0 . Оно сводится к уравнению Эйри, решение которого с учетом требуемых граничных условий дает связь поля E0  с давлением pbr и радиусом шарика a :

где Ecr – критическое поле пробоя при данном p , a – имеет размерность cm, а p – Torr. На Рис.4 приведен график этой зависимости и точками показаны результаты экспериментов. Видно, что теория адекватна опытам при значениях 0 ( [0.84/(a(p)] ( 0.35.

Переход к цилиндрическому инициатору, помещаемому в ЭМ-пучок параллельно его вектору E0, позволил в экспериментах инициировать СВЧ-разряд не только в подкритическом (E0 < Ecr) , но и в глубоко подкритическом (E0 << Ecr) поле. В этой главе приводится полученное по результатам опытов оценочное выражение для поля на вершине такого ЭМ-вибратора Epol с диаметром 2a и длиной 2L, существенно меньшей резонансной длины : 

. На графиках, помещенных на Рис.5, сплошной линией показаны результаты экспериментов, пунктирной – указанная зависимость, а остальными линиями – более грубые приближения.

В опытах исследована и способность инициировать СВЧ-разряд ЭМ-вибратором с длиной, близкой к резонансной длине. Полученные результаты обработаны теоретичеки.

В Главе 5 описываются экспериментально определенные E0-p области реализации различных видов инициированного подкритического СВЧ-разряда в воздухе: с привязанной к инициатору и объемно-развитой стримерноой структурой. В ней сравниваются границы этих областей для ( = 8.9 cm и ( = 2.5 cm. Соответствующие иллюстрации приведены на Рис.6.

На Рис.6 линия 1 является зависимостью Ecr(p). Линия 2 обозначает граничную область между диффузными и стримерными видами СВЧ-разряда. Линия 3 отделяет область IV подкритического вида разряда от области V глубоко подкритического вида разряда. Кроме того, на Рис.6 область I есть область надкритического разряда диффузного вида, область II – надкритического стримерного вида и область III – подкритического диффузного вида. На фотографии, иллюстрирующей последний вид разряда, он инициирован шариком, а на иллюстрирующих фотографиях областей IV и V – линейным ЭМ-вибратором. Из рисунка следует, что с уменьшением ( граница 2 смещается в сторону больших p , а граница 3 – в сторону больших E0 .

Рис.6. Области реализации различных видов СВЧ-разряда в зависимости от уровня поля E0 и давления воздуха p при ( = 8.9 cm (левая) и ( = 2.5 cm

В Главе 6 описываются результаты экспериментальных и теоретических исследований инициированных подкритических СВЧ-разрядов в воздухе с объемно-развитой стримерноой структурой. Рассматривается динамика их развития при различных p воздуха. Обосновывается стримерный механизм роста формирующих их плазменных каналов и определяется скорость их роста.

Для примера на Рис.7 помещены фотографии стримерного вида СВЧ-разряда в воздухе при p = 120 Torr и длительности СВЧ-импульса (СВЧ = 4, 7 и

17 (s (левые) и при p = 300 Torr и (СВЧ  = 36 (s. Разряд инициирован шариком диаметром 2a = 2.5 mm. На фотографиях ЭМ-излучение поступает справа, а вектор E0 – вертикален. Они иллюстрируют рост и ветвление стримерных каналов. Оцененная по фотографиям их средняя скорость роста vstr ( 6(105 cm/s при p = 120 Torr, а при p = 300 Torr скорость фронта распространения разрядной области навстречу ЭМ-излучению vfr ( 2.5(105 cm/s.

Рис.7. Динамика развития инициированного стримерного подкритического СВЧ-разряда

Рис.7. Динамика развития инициированного стримерного подкритического СВЧ-разряда

На Рис.8 приведены полученные в экспериментах значения vfr в диапазоне E0 и p воздуха. В работе, используя выражения для диффузионной и дрейфовой скорости распространения волны ионизации и опытные данные, получена оценочная формула для vfr :

где размерность p – Torr, E0 – V/cm и ( - cm. Рассчитанные по ней значения vfr для опытных условий на Рис.16 соединены сплошной линией.

Высокие значения vstr демонстрируются в опытах по зажиганию данного вида разряда в СЗ-потоке воздуха.

Опыты по скоростной фоторазвертке разрядной области выявляют резонансный характер взаимодействия отдельных участков плазменных каналов с СВЧ-полем. Характерная покадровая фоторазвертка СВЧ-разряда при p = 330 Torr и E0 = 5.5 kV/cm, инициированного шариком с 2a = 2.5 mm, помещена на Рис.9. На ней время экспозиции равно 1.5 (s, а время между кадрами – 1.9 (s. Кадры пронумерованы последовательно по времени. На них по разрядному фронту фиксируются яркие резонансные участки плазменных каналов, которые и ответственны за энергетическую эффективность взаимодействия разрядной области с ЭМ-излучением. Полученные в опытах результаты обработаны теоретически.

Рис.9. Покадровая фоторазвертка, демонстрирующая динамику развития инициированного подкритического стримерно-шнурового СВЧ-разряда

В этой главе также показывается роль ИП-неустойчивости разрядной плазмы в СВЧ-поле на процесс трансформации диффузного вида разряда в стримерно-шнуровой с ростом p . На Рис.10 помещена соответствующая иллюстрация при p= 60 Torr и E0 ( Ebr. На нем кадры по времени в каждом ряду расположены слева направо и сверху вниз по рядам. Их время экспозиции 0.2 (s, а расстояние между кадрами – 0.2 (s.

Рис.10. Развитие ИП-каналов в начальной диффузионной разрядной области

Развитая в работе теория определяет инкремент развития данной неустойчивости и характерный поперечный размер формирующегося ИП- канала.

Глава 7 посвящена описанию результатов исследований СВЧ-разрядов на поверхности радиопрозрачного диэлектрика при ( = 8.9 cm и ( = 2.5 cm.

На Рис.11а показана схема эксперимента, при котором удается получить поперечный тип поверхностного СВЧ-разряда. Для этого на пути распространения подкритического СВЧ-разряда с объемно-развитой стримерной структурой необходимо поместить радиопрозрачную диэлектрическую пластину, перпендикулярную вектору Пойнтинга П ЭМ- излучения. При этом инициатор электрического пробоя воздуха может быть расположен как вне пластины, так и на ее поверхности. На Рис.11б показан характерный внешний вид такого разряда.

Схема реализации продольного поверхностного СВЧ-разряда показана на Рис.12а. Для этого на пути распространения подкритического СВЧ-разряда с объемно-развитой стримерной структурой необходимо поместить радиопрозрачную диэлектрическую пластину, вдоль вектора Пойнтинга П ЭМ- излучения. Инициатор электрического пробоя воздуха расположен на ее поверхности. На Рис.12б показан характерный внешний вид такого разряда для ( = 8.9 cm.


загрузка...