авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн свч- диапазона

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЕСАКОВ Игорь Иванович

Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн

СВЧ-диапазона

Специальность 01.04.08 Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Автор:

Москва - 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «МОСКОВСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК»

УДК 537.527.029.6 На правах рукописи

ЕСАКОВ ИГОРЬ ИВАНОВИЧ

Разряд в газах среднего и высокого давления в квазиоптическом пучке электромагнитных волн

СВЧ- диапазона

Специальность 01.04.08 – Физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Научный консультант

Доктор физико-математических наук,

профессор К.В.Ходатаев

Москва 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Московский радиотехнический институт РАН»

Научный консультант:

Ходатаев Кирилл Викторович - доктор физико-математических наук,

профессор

Официальные оппоненты:

Лебедев - доктор физико-математических наук,

Юрий Анатольевич профессор

Скворцов - доктор технических наук

Владимир Владимирович

ШибковНикулин - доктор физико-математических наук,

Валерий МихайловичМихаил Григорьевич профессор

Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится «____17» декабря 2009 г. в _____ часов

Нна заседании диссертационного совета Д. 501.001.66 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г.Москва, Ленинские горы, Московский Государственный университет, Физический факультет, аудитория …..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке …….Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан ____________ 2009

Ученый секретарь

диссертационного совета

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Московский радиотехнический институт РАН»

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, зав. лабораторией Лебедев Ю.А.

Институт нефтехимического синтеза им. Топчиева РАН

(г. Москва)

Доктор технических наук Скворцов В.В.

Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского

(г. Жуковский)

Доктор физико-математических наук, профессор Шибков В.М.

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

(г. Москва)

Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур РАН.

Защита состоится «____» 2009 г. в _____ часов

На заседании диссертационного совета ……. При Московском Государственном Университете по адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке …….

Автореферат разослан ____________ 2009

Ученый секретарь

Специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Предмет исследований. В 60-е годы двадцатого века произошел существенный прогресс в технике генерирования мощных электромагнитных (ЭМ) колебаний в гигагерцовом диапазоне частот f. Это позволило начать физические исследования газовых электрических разрядов в СВЧ-диапазоне длин волн ЭМ-излучения, зажигаемых в «свободном» пространстве при газовых давлениях p, соответствующих восходящей ветви зависимости поля пробоя от давления.

Условная схема реализации таких разрядов показана на Рис.1.

 Условная схема реализации СВЧ --0

Рис.1. Условная схема реализации СВЧ - разряда в квазиоптическом ЭМ-пучке

На схеме цифрой 1 обозначен СВЧ-генератор. Цифрой 2 условно обозначены элементы, которые в опытах формируют квазиоптический ЭМ-пучок с заданной пространственной конфигурацией.

Термин «квазиоптический пучок» подразумевает, что в направлениях, поперечных вектору распространения ЭМ-поля , он имеет характерный размер в несколько единиц /2.

В области максимального поля этого пучка, существенно (в длинах волн ) удаленной как от элементов, формирующих ЭМ-пучок, так и от окружающих предметов, и возникает СВЧ-разряд 3. В опытах, как правило, область максимального поля пучка находится в герметичной электродинамически «безэховой» камере 4, давление газа p в которой можно изменять.

Результаты исследований, выполненных в ходе настоящей работы, могут быть использованы в диапазоне частоты f ЭМ-колебаний примерно от 30 GHz до 1 GHz, что при распространении ЭМволны в свободном пространстве приблизительно соответствует диапазону от 1 до 30 сm. Ключевые физические механизмы, определяющие развитие и параметры разрядов, изученные в данном диапазоне, вероятно, работают и при длинах волн несколько более 30 cm. Но при таких вступают в силу габаритные ограничения на создание экспериментальных установок. Исследования разрядов технически трудноосуществимы и в рамках данной работы не проводились. Для разрядов возбуждаемых , существенно короче 1 см, определяющими становятся другие физические механизмы, и полученные результаты не могут быть полноценно использованы.

В ходе диссертационной работы разряд зажигался, в основном, в воздухе атмосферного состава при p от сотых долей до нескольких атмосфер. При этом в реализующейся разрядной плазме частота столкновений плазменных электронов с молекулами c примерно равна или существенно больше круговой частоты колебаний поля , т.е. плазма является столкновительной. В этом смысле говорят о СВЧ-разряде при средних или высоких давлениях газа. Ряд экспериментов проводился и с другими газами, такими как гелий, водород и элегаз. В указанных диапазонах f и p свойства этих разрядов качественно сохранялись, хотя количественные отличия, естественно, фиксировались.

В опытах мощность ЭМ-пучков PСВЧ была в диапазоне от единиц мегаватт до единиц киловатт. При высоком уровне PСВЧ реализовывался только моноимпульсный режим генерации при длительности импульса СВЧ от единиц до десятков микросекунд. (Здесь термин «моноимпульсный» подразумевает, что длительность паузы между импульсами позволяла не учитывать изменений свойств газа, вызванных предыдущим разрядом.) При малых PСВЧ разряд в опытах создавался и в квазинепрерывном режиме при СВЧ в десятые доли секунды.

Как уже указывалось, поперечный размер ЭМ-пучка в разрядной области, как правило, был равен нескольким величинам /2. В результате при приведенных значениях PСВЧ в области разряда обеспечивалась амплитуда электрической составляющей исходного ЭМ-поля E0 от десятков V/cm до десятков??? kV/cm. При больших значениях E0 в газах даже сравнительно высокого p мог осуществляться самостоятельный безэлектродный электрический пробой газа. В дальнейшем минимальный уровень пробойного поля для данного газа будем называть критическим полем пробоя Ecr . При малых же E0 или больших p, когда E0 < Ecr (p),  в опытах СВЧпробой газа должен был быть инициирован. Для этого в рамках выполненных исследований была разработана система инициации газового пробоя с помощью линейных и кольцевых ЭМ - вибраторов.

Цель работы. На начальном этапе настоящих работ данный тип электрического газового разряда был практически неизученным объектом. Особенно это касалось высоких газовых давлений p. Это обстоятельство и определило приоритетные цели исследований. Прежде всего – реализация СВЧ разряда в квазиоптическом ЭМ - пучке в различных исходных условиях; экспериментальное определение возможной трансформации вида разряда в диапазонах E0-p и, основное, оценка энергетической эффективности взаимодействия разрядной плазмы с возбуждающим её ЭМ полем. Последнее в значительной мере определяет практическую ценность СВЧразряда, а, следовательно, и необходимость подробного исследования его свойств.

В то же время конкретные цели исследований определялись уже в ходе получения фактических данных. Эти цели были, в основном, связаны с выявлением определяющих физических механизмов, ответственных за формирование структуры разряда и его свойств. Так, в результате полученных опытных данных и их анализа было выявлено влияние на отдельные области разряда на разных временных этапах их развития ионизационно-полевых процессов, ионизационно-полевых и ионизационно-перегревных неустойчивостей разрядной плазмы, «стримерных» механизмов роста разрядных каналов, электродинамических резонансов на отдельных плазменных участках, перетяжечной и изгибной неустойчивостей плазменных токовых каналов и т.п.

Конечной целью выполненных исследований являлось получение данных, необходимых для анализа возможности реализации данного типа СВЧ-разряда с нужными свойствами в зависимости от мощности СВЧ-пучка PСВЧ или уровня исходного поля E0 в разрядной области при конкретной длине волны излучения  , длительности ЭМ-излучения СВЧ, давления p и состава газа. В значительной мере эта цель была достигнута, хотя, конечно, и перед опытно-конструкторской разработкой конкретных устройств или изучении возможности применения данного типа разряда в практической схеме могут потребоваться экспериментальные исследования в реальной геометрии ЭМ-пучка и при заданных элементах конструкции.

Научная новизна. В данной диссертационной работе впервые систематически изложены результаты экспериментальных исследований СВЧ-разряда в воздухе и ряде других газов в квазиоптическом пучке с бегущими и стоячими ЭМ-волнами.

Экспериментально показано, что рассматриваемый тип разряда реализуется в существенно отличающихся видах в различных исходных диапазонах E0-p. С ростом p разряд из диффузного вида трансформируется в стримерный вид. Впервые отмечено, что положение границы перехода из диффузного вида в стримерный по давлению зависит от длины волны ЭМ излучения и сорта газа. С уменьшением она сдвигается в сторону больших p. Впервые показано, что если в диффузном виде СВЧ разряд энергетически слабо взаимодействует с возбуждающим его ЭМ-полем, то СВЧ-разряд в стримерном виде, напротив, взаимодействует с возбуждающим его полем с высокой эффективностью. Это свойство СВЧ-разрядов, обнаруженное при исследовании разрядов на высоких p, открывает широкие возможности для поиска путей его практического применения и стимулирует исследования его свойств. В опытах выяснилось, что стримерный вид разряда может реализовываться и в полях, меньших и существенно меньших минимального, критического поля пробоя Ecr , необходимого для безэлектродного пробоя газа при конкретном значении p. Впервые было показано, что глубоко подкритический СВЧ-разряд также взаимодействует с возбуждающим его ЭМ-полем с высокой эффективностью.

В ходе исследований были выявлены физические механизмы, ответственные за трансформацию диффузного вида разряда в стримерный вид, и свойства последнего стимулировали исследования различного рода неустойчивостей в разрядной плазме СВЧ-диапазона ЭМ-колебаний. Так в работе показано, что ионизационно-перегревные процессы ответственны за формирование плазменных каналов в исходном диффузном фоне СВЧ-разряда. Стримерный механизм ответственен за рост и формирование этих каналов. Взаимное электродинамическое влияние задает траекторию прорастания каналов в пространстве. Электродинамические резонансы на их отдельных участках определяют эффективность взаимодействия разряда с ЭМ-полем. Впервые экспериментально показано, что резонансный рост тока в каналах определяет их перетяжечную и изгибную неустойчивость. Все эти механизмы, хорошо изученные, например, в постоянных полях, являются «новыми» в СВЧдиапазоне ЭМ-колебаний.





На защиту выносятся следующие положения

  1. Результаты исследования пространственной структуры, динамики развития и основных свойств СВЧ-разряда стримерного вида в квазиоптическом ЭМ- пучке.
  2. Классификация видов разряда СВЧ-диапазона при среднем и высоком давлении воздуха и области их существования в координатах: уровень поля – давление воздуха.
  3. Физические механизмы, определяющие формирование пространственной структуры и параметры СВЧ-разрядов в квазиоптическом пучке бегущей и стоячей ЭМ-волны:
  • ведущая роль ионизационно-перегревной неустойчивости СВЧ- плазмы в зарождении плазменных каналов;
  • стримерный механизм развития структуры плазменных каналов СВЧ-разряда в пространстве;
  • электродинамический резонанс плазменных каналов СВЧ-разряда при взаимодействии с ЭМ-излучением;
  • магнитное сжатие плазменных каналов СВЧ-разряда.
  1. Свойство высокой поглощающей способности СВЧ- стримерных разрядов, обусловленное электродинамическим резонансным взаимодействием структуры разряда с СВЧ-излучением.
  2. Обнаруженное впервые физическое явление: пинч-эффект магнитного сжатия СВЧ-тока и СВЧ крупномасштабные МГД неустойчивости в безэлектродном уединенном резонансном короткоимпульсном стримерном разряде сверхвысокого давления.
  3. Оригинальные методы и устройства для измерения параметров СВЧ- излучения и газа:
  • метод локального измерения величины электрической составляющей ЭМ-поля в различных точках линейно поляризованного квазиоптического СВЧ-пучка с помощью инициации пробоя воздуха проводящим шариком;
  • метод акустического зондирования области свободно локализованного СВЧ-разряда для измерения средней газовой температуры при среднем и высоком давлении.
  1. Способ инициации газового пробоя в подкритическом и глубоко подкритическом поле СВЧ-волны пассивным прямолинейным (или кольцевым) ЭМ- вибратором.
  2. Ряд оригинальных схем разработанных и созданных при ведущем участии соискателя экспериментальных установок, позволяющих проведение комплексных исследований СВЧ-разрядов в широком спектре условий в сверхзвуковом и дозвуковом газовых потоках.

Экспериментальные данные о динамике развития и основных свойствах СВЧ-разряда стримерного вида в квазиоптическом ЭМ-пучке.

Физические механизмы, определяющие формирование пространственной структуры и параметры СВЧ-разрядов в квазиоптическом пучке бегущей и стоячей ЭМ-волны.

Классификация типов разряда СВЧ-диапазона при среднем и высоком давлении воздуха и области их существования в координатах уровень поля – давление воздуха.

Свойство высокой поглощающей способности СВЧ- стримерных разрядов, обусловленное электродинамическим резонансным взаимодействием с излучением.

Обнаруженное впервые физическое явление: пинч-эффект магнитного сжатия СВЧ-тока и СВЧ МГД крупномасштабные неустойчивости в безэлектродном уединенном резонансном короткоимпульсном стримерном разряде сверхвысокого давления.

Оригинальные методы и устройства для измерения параметров СВЧ-излучения и газа

а) метод локального измерения величины электрической составляющей ЭМ поля в различных точках линейно поляризованного квазиоптического СВЧ-пучка с помощью инициации пробоя воздуха проводящим шариком;

б) метод акустического зондирования области свободно локализованного СВЧ разряда для измерения средней газовой температуры при среднем и высоком давлении

Способ инициации газового пробоя в подкритическом и глубоко подкритическом поле СВЧ-волны пассивным прямолинейным (или кольцевым) ЭМ-вибратором.

Ряд оригинальных схем экспериментальных установок для проведения комплексных исследований СВЧ-разрядов, позволяющие исследовать СВЧ-разряды в широком спектре условий, в сверхзвуковом и дозвуковом газовых потоках.

Личный вклад автора.

К личному вкладу соискателя следует отнести следующее.

При непосредственном участии автора диссертации были проведены эксперименты, связанные с разработкой локального метода измерения поля E0 в квазиоптических ЭМ-пучках. Анализ экспериментальных данных и их сопоставление с развитой К.В.Ходатаевым теорией позволил определить характер плазменной диффузии, который необходимо учитывать при использовании данного метода. В экспериментах наглядно выявилась роль «начальных» электронов на процесс развития электрического разряда.

Соискатель является соавтором авторских свидетельств, основанных на результатах экспериментов, на способ инициации СВЧ-пробоя в подкритическом и глубоко подкритическом поле ЭМ-волны и совместного с ЦИАМ авторского свидетельства на способ и устройство для инициации СВЧ-разряда и генерации высокотемпературной струи плазмы.

При непосредственном участии автора диссертации в экспериментах были выявлены универсальные виды СВЧ-разряда в квазиоптическом ЭМ-пучке. В этих экспериментах был впервые в воздухе реализован стримерный вид пространственно-развитого СВЧ-разряда в надкритическом поле. Практически одновременно с исследователями с ИОФ РАН автором был реализован инициированный пространственно-развитый стримерный СВЧ-разряд в подкритическом поле. В экспериментах с участием соискателя был реализован стримерный глубоко подкритический привязанный к инициатору СВЧ-разряд в воздухе. В опытах было показано, что выявленные виды СВЧ-разрядов являются универсальными и для других газов, с некоторыми их особенностями.

Соискателем был разработан и использован в экспериментах способ измерения средней по объему газовой температуры T свободно локализованного СВЧ-разряда среднего давления p путем зондирования его слабой ударной волной (УВ).

При непосредственном участии автора диссертации были экспериментально определены границы E- p областей реализации различных видов СВЧ-разряда в воздухе в квазиоптических ЭМ-пучках при  = 8.9 cm. Под руководством соискателя в опытах эти границы были определены и для других длин волн ЭМ-излучения, и выявлены характерные количественные тенденции.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.