WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Иванов Олег Андреевич

ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ

НАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ РАЗРЯДОВ

01.04.08 – физика плазмы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород – 2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор И.А. Коссый

доктор физико-математических наук, профессор Н.Л. Александров

доктор физико-математических наук, профессор Г.А. Марков

Ведущая организация:        

Московский государственный

университет им. М.В.Ломоносова

Дата защиты «  » ноября 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан « » сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор         Ю. В. Чугунов

Общая характеристика работы

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 (>>10-6 c) 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 осцилляторные 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, излучательную способность и химическую активность.

В наносекундном разряде достигаются высокие плотности электронно-возбужденных частиц, что в значительной мере определяет высокую излучательную способность создаваемой таким образом плазмы. Поэтому одним из перспективных применений наносекундных СВЧ импульсов является накачка эксимерных лазеров и УФ лазеров на электронных переходах молекул.

Наносекундный 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 ионизация, 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 Н.Д., 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, излучательную способность и химическую активность;
  3. Анализ перспектив и разработка основ использования свободно локализованного наносекундного СВЧ разряда в лазерной технике, плазмохимии, экологии и исследованиях атмосферы;
  4. 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 Ii ) обусловили появление целого ряда эффектов, не наблюдавшихся при пробое газов в полях меньшей интенсивности, где (- средняя энергия электронов). 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 плазмохимические 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:

  1. Высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной (многоплазмоидной) структуры наносекундного СВЧ разряда при высоких () 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.
  1. 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 осцилляторной 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.
  1. В неоднородном поле волнового пучка распространение наносекундного 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”.
  1. 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.
  1. 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.
  1. 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.
  1. 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 возбуждение 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.
  1. 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.
  1. 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 км излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 4-6 кВ/см СВЧ-импульсами длительностью 30-50 нс. В этом случае имеются значения удельных энерговкладов, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота в разряде близко к их отношению в невозмущенной атмосфере (~103), 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.
  1. 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 разрушении 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 C-Cl 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.
  1. 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 TEon, 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 из компрессора. В схеме двухканального компрессора продемонстрировано когерентное сложение сжатых в каждом из каналов СВЧ импульсов и достигнуты рекордные для 3-х сантиметрового диапазона длин волн параметры сжатия.
Научная и практическая значимость

Наносекундный 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 наносекундный СВЧ разряд перспективным для применения в различных плазмохимических 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 наносекундными 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 двухканального 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.

Краткое содержание диссертации

Первая глава посвящена описанию экспериментальных установок для создания наносекундного СВЧ разряда и методов диагностики, применявшихся при его изучении. Исследования проводились на нескольких экспериментальных установках, в состав которых входили СВЧ генераторы, квазиоптические преобразователи излучения в гауссов пучок, вакуумные камеры с системой откачки и напуска газов, диагностическая аппаратура. В качестве источников СВЧ излучения в большинстве экспериментов использовались мощные генераторы (карсинотроны) на релятивистских электронных пучках. Поскольку установки на основе таких генераторов представляют собой сложные в эксплуатации и дорогостоящие технические комплексы, использовались также и другие (альтернативные) источники наносекундных СВЧ импульсов. Так, при изучении кинетических процессов в наносекундном разряде при большой частоте следования импульсов применялись стандартные генераторы микроволнового излучения (магнетроны) и устройства сжатия импульсов (СВЧ компрессоры). В ряде экспериментов для моделирования плазмохимических процессов в наносекундном СВЧ разряде использовались установки на основе наносекундных коронного и барьерного разрядов.

       В п.1.1. описываются экспериментальные стенды, в которых источником СВЧ излучения служили карсинотроны на релятивистских электронных пучках, создаваемых сильноточными линейными ускорителями. Большинство экспериментов проводилось по традиционной для исследования свободно локализованного СВЧ разряда схеме, когда мощное микроволновое излучение трансформировалось в волновой пучок с квазигауссовым распределением поля по поперечной координате и затем фокусировалось в центр вакуумной камеры или на кварцевую трубку (колбу) с помощью диэлектрической линзы или металлического зеркала. Приводятся параметры и режимы работы релятивистских СВЧ генераторов и диагностические методы их контроля. При проведении экспериментов использовались карсинотроны 8-мм и 3-см диапазона длин волн, с длительностью импульсов от 5 до 200 нс и мощностью от 10 до 500 МВт, которые позволяли создавать и исследовать наносекундный СВЧ разряд в различных газах в широком диапазоне давлений 0,2 ≤ р ≤ 800 Тор. В п.1.1.1. описана установка, на которой проводились измерения частоты ионизации при пробое газа в фокусе волнового пучка. Приведены распределения “невозмущенной” амплитуды электрического поля в области пробоя для различных экспериментов. Максимальная напряженность электрического поля в фокусе волнового пучка, в зависимости от типа используемого генератора, составляла величину Е01= 15 кВ/см, Е02= 20 кВ/см или Е03= 120 кВ/см. Частота ионизации в различных газах определялась на основании измерений времени развития пробоя и СВЧ мощности в волновом пучке.

       Исследование кинетических и плазмохимических процессов в наносекундном разряде потребовало некоторого изменения схемы создания разряда (п.1.1.2). В ряде экспериментов протяженный СВЧ разряд создавался полем цилиндрической ТЕ-волны, формируемой с помощью короткофокусного зеркала в виде параболического цилиндра. С одной стороны, это облегчало диагностику возбужденных молекул и продуктов плазмохимических реакций методом абсорбционной спектроскопии, а с другой стороны, такая схема представляется наиболее перспективной для ряда практических приложений (например, ее реализация позволила создать и исследовать УФ лазер с СВЧ накачкой). В другой серии экспериментов, с помощью металлического зеркала формировалась квазиплоская стоячая электромагнитная волна, и разряд представлял собой набор плазмоидов, локализованных в пучностях стоячей волны. Такая геометрия соответствовала разряду в пересекающихся волновых пучках. Разряд зажигался в центре сферической кварцевой колбы объемом ~ 1500 см3, стенки которой охлаждались жидким азотом. Температура газа устанавливалась равной температуре стенок и могла изменяться в диапазоне T = 200-300 K, что позволяло исследовать плазмохимические процессы при температурах газа, соответствующих верхней атмосфере. В экспериментах использовался релятивистский карсинотрон 8-миллиметрового диапазона длин волн, генерирующий СВЧ импульсы мощностью Р 10-15 МВт, длительностью = 5 нс и частотой повторения F = 1-10 Гц.

       В п.1.1.3. описана установка для изучения процессов ионизации в сверхсильных СВЧ полях. Среднеквадратичная напряженность электрического поля в фокусе волнового пучка достигала значений Е=70-120 кВ/см, а осцилляторная энергия электронов (в области низких давлений < ) существенно превышала потенциал ионизации атомов и молекул, и составляла величину = е2E2/2m2 ~ 1,2-3,5 кэВ. В этом случае пробой мог первоначально произойти вне области максимального поля, приводя к экранировке фокальной области пучка. Поэтому для локализации пробоя применялся импульсный напуск газа в область фокуса волнового пучка непосредственно перед посылкой СВЧ излучения. Для этого использовались быстродействующие управляемые вакуумные клапаны, которые обеспечивали различное соотношение масштабов неоднородности плотности газа N и электрического поля E в пучке.

В п.1.2. описывается установка для создания наносекундного разряда с использованием активного компрессора СВЧ импульсов. Метод компрессии основан на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном резонаторе в течение длительного времени и последующем быстром ее выводе к нагрузке с помощью специальных переключателей. В отличие от дорогостоящих и сложных в эксплуатации релятивистских СВЧ генераторов, этот метод позволяет использовать для получения наносекундных СВЧ импульсов мощностью до нескольких сотен мегаватт серийные генераторы (магнетроны) со сравнительно невысоким уровнем выходной мощности и большой (микросекундной) длительностью импульса. В п.1.2.1 дан краткий обзор конструкций и параметров существующих СВЧ компрессоров. Применение компрессора позволило исследовать плазмохимические процессы в наносекундном разряде при высоких (до 103 Гц) частотах повторения импульсов. Конструкция компрессора и экспериментальной установки, на которой проводились эти исследования, рассмотрены в п.1.2.2.

В п.1.2.3. приводится описание экспериментальных установок для исследования плазмохимических процессов в импульсных коронном и барьерном разрядах. Эксперименты с этими разрядами рассматривались как простой и удобный способ моделирования плазмохимических процессов в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде, при создании искусственной ионизованной области в верхней атмосфере. Кроме того, наносекундный коронный разряд представляет и самостоятельный интерес для многих практических приложений, где требуются эффективные источники химически активной неравновесной плазмы.

Параграф (п.1.4) посвящен описанию методов диагностики используемых при исследовании наносекундного СВЧ разряда. Пространственно-временная эволюция наносекундных разрядов является весьма сложной. Она характеризуется быстрым нарастанием концентрации электронов и возбужденных частиц, движением границ разряда (фронта ионизации) со скоростями близкими, а иногда и превышающими скорость света, возникновением в пространстве очагов ионизации, связанных с пробоем газа на отдельных первичных электронах. Малая длительность и высокая скорость протекания этих процессов в разрядной плазме предъявляет жесткие требования к временному и пространственному разрешению используемых методов. Другие процессы, такие как деионизация плазмы и различные химические превращения наблюдаются в течение более длительного времени, что позволяет применять для их изучения традиционные методы диагностики низкотемпературной плазмы.

При изучении параметров плазмы применялись следующие методы диагностики:

-измерения пробойных полей и частот ионизации проводилось по отсечке прошедшего через разрядную плазму сигнала с помощью быстродействующих германиевых детекторов на горячих носителях. Факт пробоя газа регистрировался также по появлению свечения с помощью фотоэлектронных умножителей и фотокатодов с наносекундным разрешением;

-фотографические методы использовались для изучения структура разряда;

-для исследования пространственно-временной эволюции разряда (места формирования, направления и скорости перемещения границ пробоя) использовался метод скоростной фоторегистрации с применением фотоэлектронного регистратора ФЭР-7;

-для измерения концентрации электронов использовались интерферометрический (применялись интерферометры 8-мм и 3-см диапазона длин волн) и резонаторный методы микроволновой диагностики (использовался открытый резонатор 8-мм диапазона);

-изучение распределения электронов по энергиям в плазме низкого давления проводилось с помощью многоканального анализатора, позволявшего регистрировать энергетические спектры электронов за один СВЧ импульс;

-исследование изменения химического состава плазмы проводилось методом абсорбционной спектроскопии в УФ и ИК диапазонах длин волн. В ряде экспериментов, для анализа образующихся в разряде продуктов плазмохимических реакций использовался высокочувствительный метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Для изучения спектральных характеристик использовались спектрографы, монохроматоры с фотоэлектрической регистрацией и многоканальный оптический спектранализатор OVA-284;

- для определения колебательной и поступательной температуры газа в разряде применялcя метод эмиссионной спектроскопии. Измерения проводились на основе анализа вращательных и колебательных спектров второй положительной системы азота. В ряде экспериментов температура газа измерялась манометрическим методом (по изменению давления в разрядной камере) с помощью специально разработанного высокочувствительного манометра.

Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования специфики пробоя газа при большой интенсивности и малой длительности высокочастотного импульса. Эта специфика обусловлена необходимостью использования высоких значений амплитуды электрического поля, что, с одной стороны, требует проведения измерений скорости ионизации газа в сравнительно слабо изученной области больших энергий осцилляторного движения электронов, а с другой - благодаря высоким значениям этой скорости существенно изменяет пространственно-временную картину развития разряда. В частности, последнее выражается в появлении дискретных, не сливающихся между собой очагов, ионизации на каждом отдельном первичном электроне и изменении кинематики волны пробоя в сверхсильном СВЧ поле. Рассматриваемые в этой главе процессы оказывают существенное влияние на структуру и динамику наносекундного разряда, определяя параметры разрядной плазмы, характер ее распада, излучательную способность и химическую активность.

В параграфе 2.1. рассматриваются ионизационные процессы, протекающие в различных газах под воздействием СВЧ импульсов высокой интенсивности. В п.2.1.1. излагаются основы теории импульсного пробоя газа для разрядных систем с различной геометрией области локализации СВЧ поля. Приводятся простые феноменологические соотношения для оценки величины пробойных полей и частоты ионизации в широком диапазоне приведенного электрического поля. В п.2.1.2. изложены основные положения современной кинетической теории ионизации газов, вытекающие из анализа функции распределения электронов по энергии (ФРЭ). Отмечается, что с ростом амплитуды поля все более существенное влияние на формирования ФРЭ оказывает процесс ионизации. При этом частота ионизации увеличивается с ростом амплитуды поля, достигает максимума, связанного с падением сечения ионизации при высоких энергиях электронов, и затем начинает медленно падать. Зависимость частоты ионизации от напряженности электрического поля оказывается различной для области параметров >> и << . В сверхсильных полях колебательная энергия электронов становится много больше потенциала ионизации нейтральных частиц. В этом случае ионизация производится непосредственно осциллирующими электронами, а ФРЭ может быть представлена функцией равнораспределения электронов по начальным фазам их рождения в поле СВЧ волны [А.А.Рухадзе и др.]. При этом частота ионизации начинает превышать среднюю частоту соударений электронов с нейтралами .

В параграфе (п.2.2.1.) приводятся результаты измерений частоты ионизации при средних и высоких давлениях в различных газах в широкой области значений приведенного электрического поля E/p=10-103 В/смТор, а также в сверхсильном поле (п.2.2.2.) при низких давлениях ( >> ), когда осцилляторная энергия электронов превышает потенциал ионизации молекул и достигает значений 1,2-3,5 кэВ. В экспериментах зарегистрировано насыщение зависимости частоты ионизации от амплитуды СВЧ поля в области значений параметра E/=510-7-210-6 В/смс. Приводится сравнение данных эксперимента с результатами других авторов и численными расчетами частоты ионизации в сильных полях, рис.1. В п.2.2.3. рассматривается влияние пространственной неоднородности сверхсильного высокочастотного поля на пороговые характеристики пробоя в сильно разреженном газе. В области насыщения частоты ионизации обнаружено существование нижней границы пробоя по давлению, связанной с высокой поступательной скоростью электронов и действием пондеромоторной силы. Величина порогового давления не зависела от амплитуды поля и определялась характерным масштабом его неоднородности. Установлено, что граница порогового давления, при котором возможен пробой, сдвигается в область более низких давлений с ростом уровня предварительной ионизации газа. Представлена физическая интерпретация наблюдаемых эффектов и сопоставление с данными эксперимента. Измерения энергетического спектра электронов в разлетающейся разрядной плазме (п.2.2.5.) подтвердили наличие электронов с высокой (~ нескольких кэВ) энергией при пробое газа в сверхсильном СВЧ поле.

Результаты исследования динамики и структуры наносекундного разряда в различных газах приведены в параграфе 2.3. Обнаружено, что высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной (многоплазмоидной) структуры разряда при высоких давлениях, связанной с пробоем на отдельных затравочных электронах. Определены критерии перехода от дискретной структуры разряда к однородной. Обсуждаются механизмы вытягивания плазмоидов вдоль вектора электрического поля в области высоких давлений. Установлено, что в сильных полях на кинематику волны пробоя оказывает влияние конечное время распространения СВЧ излучения вдоль оси волнового пучка, приводящее к смещению области первоначального пробоя из фокальной плоскости в направлении падающего излучения. В п.2.4. приводятся результаты экспериментов по исследованию динамики разряда в сверхсильном поле в области низких давлений газа, демонстрирующие эффекты, связанные с высокими энергиями электронов. Показано, что различный характер зависимости сечений ионизации и возбуждения электронных уровней молекул от энергии электронов (в области 20-100 эВ сечение ионизации растет, а сечение возбуждения падает) приводит к наблюдаемому в экспериментах несовпадению пространственных распределений светимости и концентрации электронов, а также задержке оптического излучения относительно СВЧ импульса. Приведены результаты упрощенного расчета констант различных элементарных процессов в сверхсильном поле. Отмечается, что константы большинства процессов в СВЧ поле уменьшаются с увеличением энергии электронов значительно медленнее, чем изменяется сечение соответствующего процесса, и чем это происходит в постоянном поле той же напряженности.

Рис.1.Частота ионизации в азоте (1-4) и гелии (5-7): , - наш эксперимент и расчет (кривые 1 и 2); , о - данные рис.2.7., кривые 3 и 5 – данные [Карфидов Д.М.], кривая 4,6,7 - расчеты других авторов [Рухадзе А.А., Гуревич А.В.]

Рис.2. Зависимость максимальной (достигающейся после мощного наносекундного СВЧ импульса) концентрации электронов от давления.

В п.2.5. приводятся результаты исследования процессов релаксации плазмы после наносекундного СВЧ разряда. Установлено, что после пробоя газа низкого давления (>>) сверхсильным СВЧ полем в разрядной плазме остаются электроны с высокой (превышающий потенциал ионизации) энергией. В результате концентрация электронов в области пробоя продолжает возрастать в течение продолжительного времени (0,51 мкс) и достигает величин, в 510 раз превышающих критическую для падающего излучения, рис.2. Заметный рост плотности плазмы после наносекундного СВЧ импульса связан с продолжающимся процессом ионизации в течение времени релаксации энергии электронов. Представлена физическая интерпретация наблюдаемого эффекта и сопоставление, сделанных на ее основе оценок, с данными эксперимента.

В следующих параграфах приводятся результаты исследования распада плазмы после наносекундного СВЧ разряда в широкой области давлений р=10-260 Тор в различных газах (воздух,N2,O2,Ar,He). Установлено, что значительная энергия электронов (Te~110 эВ), сохраняющаяся в распадающейся плазме из-за высокой степени ионизации и возбуждения газа приводит к изменению характера деионизации плазмы в различных газах. Так, в азоте и кислороде наблюдается медленный рекомбинационный распад, а в воздухе (на начальной стадии) обнаружен быстрый экспоненциальный распад плазмы, характерный для диссоциативного прилипания электронов к молекулам кислорода. На основании численного моделирования показано, что наряду с процессами прилипания и отлипания электронов существенное влияние на распад плазмы оказывают процессы ионной конверсии, приводящие к образованию ионов, обладающих высоким коэффициентом рекомбинации и устойчивых к процессу отлипания, рис.3.

Рис.3. Рассчитанные зависимости электронной концентрации (давление воздуха р = 60 Тор): 1 и 2 - без учета и с учетом процесса отлипания электронов, соответственно, 3 - с учетом образования комплексных отрицательных ионов и отлипания электронов; х - эксперимент;

Отмечается, что высокая энергия электронов на стадии распада плазмы при средних давлениях может быть обусловлена передачей электронам энергии при столкновении с метастабильными молекулами азота (удары 2-го рода). Приводятся результаты измерений температуры электронов в распадающейся плазме наносекундного разряда подтверждающие вывод о наличии у электронов высокой энергии (п.2.6).

Третья глава посвящена изучению процессов, определяющих оптическое излучение разрядной плазмы, создаваемой с помощью волновых пучков, и анализу перспектив практического использования наносекундного разряда в качестве источника мощного УФ излучения. Одной из наиболее характерных особенностей наносекундного СВЧ разряда является эффективное возбуждение электронных уровней молекул. На их возбуждение при высоких значениях амплитуды приведенного электрического поля расходуется (наряду с ионизацией) значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии. Например, при величине приведенного электрического поля E/N ~ 310-15 Bсм2 до 80% вложенной в разряд энергии идет в электронные степени свободы [Дятко Н.А. и др.]. Большая плотность электронно-возбужденных частиц в разряде в значительной мере определяет высокую излучательную способность создаваемой таким образом плазмы. Отметим, что при высоких значениях параметра E/N наиболее эффективно возбуждаются высоколежащие электронные уровни молекул и атомов излучение которых лежит в ультрафиолетовой области спектра. Поэтому одним из возможных применений создаваемой наносекундными СВЧ импульсами неравновесной плазмы является накачка эксимерных лазеров и лазеров на электронных переходах молекул. Генерируемое разрядом УФ излучение может также оказывать заметное влияние на протекающие в плазме химические процессы.

В п.3.1. представлен краткий обзор экспериментальных исследований, посвященных возбуждению УФ газовых лазеров с помощью разряда, формируемого мощным СВЧ излучением. Основными достоинствами этого метода являются технологичность транспортировки и ввода СВЧ энергии в лазерное устройство, эффективность поглощения электромагнитной энергии в плазме разряда, достижение высоких удельных мощностей накачки (105-107 Вт/cм3), отсутствие неустойчивостей инициируемых электродами и продолжительное сохранение чистоты рабочей смеси из-за отсутствия электродов.

До проведения настоящих исследований, в основном, рассматривались волноводные конструкции лазеров с СВЧ накачкой. При этом в наиболее распространенной схеме УФ лазер возбуждался продольным СВЧ разрядом в одномодовом волноводе. Существенным недостатком такой конструкции является ограничение на величину транспортируемой по волноводному тракту СВЧ мощности, связанное с пробоем газа или мультипакторным разрядом (при вакуумировании волноводов) и неоднородное по длине лазерной трубки возбуждение активной среды. Эти особенности волноводных лазеров приводят к уменьшению поглощаемой в разряде СВЧ энергии и, соответственно, мощности лазерного излучения.

Успехи современной высокочастотной электроники в значительной мере связаны с разработкой генераторов, использующих многомодовые, сверхразмерные электродинамические системы. Вывод энергии из таких приборов обычно осуществляется в виде волнового пучка, а для его транспортировки используются зеркальные линии. Поэтому, увеличение энерговклада в разряд может быть достигнуто при переходе от волноводных элементов к квазиоптическим СВЧ системам, в которых в значительной мере снимаются ограничения на величину транспортируемой мощности. В п.3.2. рассматриваются два варианта использования излучения релятивистского СВЧ генератора для накачки УФ-лазеров, отвечающие случаям поперечного и продольного возбуждения активной среды. В первом случае накачка осуществлялась с помощью свободно локализованного СВЧ разряда в поле сходящейся цилиндрической ТЕ-волны. Во втором, газоразрядная трубка располагалась непосредственно в выходном сверхразмерном волноводе релятивистского СВЧ генератора. Приводятся результаты экспериментов по возбуждению УФ лазеров (азотного на переходах C3Пu(=0)-B3Пg(=0) 2+-системы азота и эксимерного XeCl лазера) излучением релятивистского генератора в широком диапазоне СВЧ мощностей и давлений лазерной смеси (р=10-760 Тор). Достигнутая в экспериментах мощность генерации азотного лазера составляла величину 60-70 кВт для поперечной схемы накачки и 100-120 кВт для продольной. Эффективность генерации, определяемая как отношение мощности лазерной генерации к мощности СВЧ излучения, составляла величину 10-410-3, а удельный энергосъем равнялся 0,52 Дж/атм.л. Установлено, что при возбуждении лазерной смеси с помощью цилиндрической TE-волны в газоразрядных трубках большого диаметра происходит последовательная генерация лазерного излучения слоями плазмы расположенными на различных расстояниях от оси. В результате этого происходит удлинение лазерного импульса и увеличение мощности генерации. Лазерная генерация наблюдалась и в свободно локализованном (без трубки) разряде в воздухе, в режиме усиления спонтанного излучения. Максимальная мощность УФ излучения достигала значений (13) кВт, а удельный энергосъем составлял величину (50150) Вт/см3. Таким образом, в этих экспериментах была продемонстрирована возможность создания атмосферного лазера с дистанционной СВЧ накачкой.

В п.3.3. приводятся результаты экспериментального исследования динамики населенностей уровней C3Пu и B3Пg, играющих существенную роль в кинетике азотосодержащей плазмы и в значительной мере определяющих излучение наносекундного СВЧ разряда (2+-система азота). По оригинальной методике с использованием поглощения УФ излучения, генерируемого самим исследуемым разрядом, измерена константа тушения нижнего лазерного уровня B3Пg(=0).

В параграфе (п.3.4.) подробно анализируется работа азотного лазера, возбуждаемого с помощью волнового пучка. Представлены результаты численного моделирования азотного лазера, возбуждаемого наносекундным СВЧ разрядом в поле цилиндрической ТЕ волны в газоразрядной трубке и в свободном пространстве и обсуждаются эффекты, к которым приводит движение границы разряда при увеличении длительности СВЧ импульса. Концентрация электронов рассчитывалась на основе уравнения ионизационно-рекомбинационного баланса, а величина электрического поля (при медленно меняющейся в масштабе 1/ концентрации электронов) из уравнения Гельмгольца для комплексной амплитуды поля с комплексной диэлектрической проницаемостью плазмы. Мощность индуцированного излучения из единицы объема определялась для 2+ системы азота (переход C3Пu(=0)-B3Пg(=0), длина волны УФ излучения =337,1 нм) в рамках упрощенной кинетической модели [W.A.Fitzsimmons, L.W.Anderson et.al]. Для этого уравнения для концентрации электронов и амплитуды электрического поля дополнялись уравнениями баланса для населенностей верхнего NC(=0) и нижнего NB(=0) лазерных уровней и плотности фотонов Nph. Численная модель строится весьма близкой к условиям, реализуемым в эксперименте, что дает возможность сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, рис.4. На основании расчета определена самосогласованная пространственно-временная эволюция электромагнитного поля, электронной концентрации, населенностей лазерных электронных уровней азота, а также мощности спонтанного и индуцированного излучения. Показано, что динамика разряда и лазерного излучения существенным образом зависят от величины приведенного электрического поля E/N в падающей волне. На начальной стадии пробоя концентрация электронов возникает в центре разряда и плавно спадает к его периферии. С течением времени поле на оси разряда уменьшается вследствие поглощения и отражения СВЧ мощности и возрастает на его границе, что приводит к уширению распределения концентрации электронов. В результате такой динамики индуцированное УФ излучение также первоначально возникает на оси разряда, а затем смещается вдоль радиуса, рис.5. Результаты расчетов находятся в хорошем качественном и количественном соответствии с данными эксперимента. Проведенный анализ показал, что путем подбора давления лазерной смеси, диаметра газоразрядной трубки и величины падающей СВЧ мощности можно эффективно управлять параметрами разряда, добиваясь почти полного поглощения СВЧ излучения и высокой эффективности лазерной генерации.

Рис.4. Форма импульса лазера: 1 - расчет; 2 - эксперимент.

Рис.5. Пространственное распределение мощности индуцированного излучения в различные моменты времени для разряда в трубке при Ee/p=200 В/смТор: 1 - 3нс, 2 - 5нс, 3 - 10нс, 4 - 15нс.

В п.3.4.3 обсуждаются механизмы формирования в наносекундном СВЧ разряде атмосферного давления тонких плазменных нитей с повышенной яркостью [Коссый И.А. и др. ]. В эксперименте такие нити возникали на фоне квазиоднородных, вытянутых вдоль вектора электрического поля, плазмоидов, образующихся при пробое газа на отдельных затравочных электронах. Вытягивание первичных плазмоидов обусловлено эффектом квазистатичеcкого усиления поля в полярных областях плазменного эллипсоида с размерами меньше длины волны и диэлектрической проницаемостью > 1 (полярная ось параллельна внешнему полю) [Гильденбург В.Б., Гущин И.С. и др.]. Затем внутри однородного плазмоида формировались одна или две яркие тонкие нити. Возможной причиной возникновения интенсивно излучающих нитей в разряде высокого давления может быть ионизационно-перегревная неустойчивость. К развитию указанной неустойчивости приводит быстрый нагрев газа при тушении электронных уровней молекул, эффективно возбуждающихся в разрядной плазме.

Проведен анализ данной неустойчивости на основе численного моделирования динамики разряда в СВЧ поле цилиндрической TE-волны с учетом процессов нагрева и вытеснения газа в неизобарическом случае. Согласно расчетам на начальной стадии наблюдается лавинообразный рост концентрации электронов в области максимального поля вблизи оси разряда. Увеличение концентрации электронов приводит к экранировке поля и переходу разряда в квазистационарное состояние. В течение этого времени происходит нагрев и рост давления газа, однако на начальной стадии нагрева скорость разлета молекул газа невелика, поэтому его плотность практически не меняется. С увеличением скорости разлета происходит уменьшение плотности газа в центральной области разряда, и увеличение частоты ионизации. Это приводит к возрастанию концентрации электронов вблизи оси разряда, уменьшению характерного радиуса их распределения и образованию тонкой плазменной нити. Возникновение плазменной нити в наносекундном СВЧ разряде высокого давления сопровождается быстрым ростом параметра E/N и эффективности возбуждения электронных уровней молекул. В результате резко возрастает удельная мощность спонтанного излучения, создаются условия для создания инверсной населенности и возникновения режима индуцированного УФ излучения вдоль нити, рис.6.

Рис.6. Зависимость от времени удельной мощности индуцированного Pind  и спонтанного излучения Psp вдоль оси плазменной нити при давлении воздуха p=500 Тор и начальном значении параметра Ee/p = 40 В/cм Тор.

На основе анализа линейной стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости приводятся результаты упрощенных оценок параметров плазменной нити для условий эксперимента.

В п.3.5. обсуждаются перспективы использования свободно-локализованного наносекундного СВЧ разряда в атмосфере Земли в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника (радиозвезды) для настройки адаптивной оптики наземных телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы. Определены условия, необходимые для генерации индуцированного УФ излучения свободно локализованным разрядом при создании в верхней атмосфере искусственной ионизованной области [Борисов Н.Д., Гуревич А.В.]. Показано, что способность наносекундных СВЧ разрядов эффективно возбуждать электронные уровни молекул и атомов может быть использована как для диагностики параметров турбулентной атмосферы, так и для определения концентрации ее малых составляющих, оказывающих существенное влияние на климат, состояние озонового слоя Земли и парниковый эффект. Рассмотрены различные варианты применения наносекундного СВЧ разряда в атмосфере для этих целей.

В следующих двух главах приводятся результаты исследования плазмохимических процессов в наносекундных СВЧ разрядах.

В четвертой главе представлены результаты исследования процесса синтеза озона в наносекундном СВЧ разряде в азотно-кислородных смесях. Синтез озона является одним из наиболее распространенных плазмохимических процессов, осуществляемых с помощью электрических разрядов. Эффективная диссоциация кислорода в сочетании с коротким временем воздействия позволяют надеяться на высокую производительность этого процесса и в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде. Исследования проводились в широком диапазоне экспериментальных условий: использовались электромагнитные волны различных частотных диапазонов, варьировалась длительность, частота повторения и мощность СВЧ импульсов, разряд создавался при различной геометрии начального поля, в свободном пространстве и кварцевых трубках, изменялись состав и плотность газа.

В п.4.1. приводятся результаты экспериментального исследования процесса образования озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в кислороде. В п.4.1.1 описаны условия и параметры, при которых проводились эксперименты. Разряд зажигался в диапазоне давлений кислорода р=3100 Тор в двух принципиально различных электродинамических системах: в квазиплоской стоячей и цилиндрически сходящейся TE электромагнитных волнах. В экспериментах использовалось излучение 3-см и 8-мм диапазона, СВЧ импульсы длительностью от 5 до 500 нс и мощностью от 50 кВт до 15 МВт. Частота повторения изменялась от 1 до 103 Гц. Концентрация озона измерялась методом абсорбционной спектроскопии по поглощению излучения ртутной лампы в полосе Хартли. Представлены результаты экспериментов по изучению динамики образования озона в зависимости от давления, длительности и частоты повторения СВЧ импульсов. При непрерывной серии СВЧ импульсов концентрация О3 в вакуумной камере сначала линейно нарастала, и через некоторое время достигала квазистационарного уровня [O3]st, величина которого зависела от частоты следования импульсов и возрастала пропорционально квадрату плотности молекул кислорода. Измерения концентрации озона на стадии линейного роста позволили определить число молекул О3, образованных в течение одного СВЧ импульса. Эксперименты показали, что общее количество образованных за импульс молекул озона определяется величиной поглощенной СВЧ энергии и слабо зависит от объема занимаемого разрядом. Для сравнения эффективности образования озона в различных условиях была измерена энергия, затраченная на образование одной молекулы озона. Минимальная энергоцена 4 эВ на молекулу была получена в разряде, создаваемом сжатыми СВЧ импульсами 3-см диапазона длин волн.

В импульсно-периодическом режиме поддержания разряда величина максимально достижимой концентрации озона падала с ростом частоты повторения для длинных (500 нс ) импульсов и возрастала при использовании коротких (=6 нс) импульсов. Такая зависимость, объясняется нагревом и более сильным колебательным возбуждением озона в разряде, создаваемом длинными импульсами. Этот вывод подтверждается результатами измерений температуры газа при различной частоте повторения импульсов. Кроме того, при высокой частоте следования импульсов атомы O не успевают конвертировать в озон за время между импульсами, в результате чего в разряде поддерживается достаточно высокая концентрация атомов, что приводит к снижению эффективности образования озона. Определена зависимость степени конверсии атомов кислорода в озон от концентрации атомов, образованных в течение одного СВЧ импульса.

В п.4.1.2. рассматривается численная модель процесса синтеза озона в импульсно-периодическом разряде в поле цилиндрической ТЕ волны. Определяемая из решения уравнения Гельмгольца самосогласованная эволюция электрического поля и плотности электронов в разряде, использовалась для расчета концентраций атомов, ионов, электронно и колебательно возбужденных молекул образованных за время СВЧ импульса. Критерием правильности определения концентраций этих частиц служило совпадение результатов расчета распада плазмы с данными эксперимента. Определенные таким образом концентрации возбужденных частиц и радикалов, использовались в качестве начальных условий для программы, моделирующей динамику образования озона в импульсно-периодическом режиме.

В следующих разделах представлен анализ основных каналов образования и гибели озона в кислороде. Генерация озона в СВЧ разряде происходит в результате диссоциации молекулы кислорода электронным ударом и последующего присоединения атома О к молекуле О2 с образованием молекулы озона в колебательно возбужденном состоянии. Гибель озона происходит преимущественно в реакции с атомарным кислородом. При этом, если молекула озона колебательно возбуждена, то эта реакция ускоряется во много раз, причем основной вклад в ускорение реакции вносит вторая колебательная мода. Подробно обсуждается колебательная кинетика озона. На основе простой кинетической модели рассматривается влияние колебательного возбуждения на установление стационарной концентрации озона. Показано, что для адекватного описания эксперимента необходимо привлечение дополнительного канала передачи энергии в колебательное возбуждение озона. Приводятся результаты расчета стационарной концентрации озона для многоимпульсного режима в условиях, близких к эксперименту. Показано, что динамика образования озона в кислороде определяется совместным влиянием многих процессов. Прежде всего, это генерация в СВЧ разряде атомов и возбужденных частиц, которая сильно зависит от напряженности электрического поля и давления газа. Затем это собственно реакции синтеза и деструкции озона, чувствительные к составу плазмы, процессам колебательной кинетики и диффузии. Важную роль в формировании стационарной концентрации озона играют также электронно-возбужденные молекулы кислорода в состоянии O2(b), которые передают свою энергию в колебательное возбуждение озона [Eliasson B.].

В п.4.2 приводятся результаты исследования процесса синтеза озона в воздухе и азотно-кислородных смесях. Специфика этого процесса, обусловлена наработкой в разряде высоких концентраций атомов, электронно и колебательно возбужденных молекул азота. Наличие этих частиц с одной стороны способствует увеличению эффективности диссоциации кислорода в разряде, а с другой приводит к появлению окислов азота разрушающих озон в процессе плазмохимических реакций. В п.4.2.1. рассмотрены основные процессы с участием заряженных и возбужденных частиц, приводящие к диссоциации молекул кислорода и образованию озона. Основными каналами образования атомарного кислорода являются диссоциация молекулярного кислорода электронным ударом и соударения с электронно-возбужденными молекулами азота, которые в свою очередь образуются при столкновении с электронами. Константы этих реакций являются быстро растущими функциями параметра E/N. Поэтому, энергоцена образования молекулы озона существенным образом зависит от динамики электрического поля и концентрации электронов в разряде и определяется затратами энергии на диссоциацию кислорода.

В п.4.2.2. представлены результаты экспериментов по синтезу озона в азотно-кислородных смесях. Исследования проводились с помощью тех же экспериментальных установок и при тех же параметрах, что и при изучении процесса образования озона в кислороде. Разряд зажигался в свободном пространстве (моделировался режим достаточно быстрого ухода продуктов реакций из области занимаемой плазмой) и в кварцевой трубке (реализовывался режим накопления продуктов химических реакций). В экспериментах наблюдалось существенное различие динамики плазмохимических процессов в этих режимах, а также в длинном ( = 500нс) и коротком ( = 6нс) наносекундных СВЧ импульсах. Кроме того, на процесс образования озона влияли частота следования импульсов, процентное содержание кислорода в смеси O2:N2 и плотность газа. В коротком импульсе динамика образования О3 в свободно-локализованном разряде в воздухе была аналогична динамике в кислороде, но максимально достижимое значение концентрации озона было существенно ниже, рис.7. Для разряда, поддерживаемого длинными импульсами, наблюдалось другая динамика. В начальный период серии импульсов концентрация озона линейно нарастала, достигала максимума, а затем плавно спадала до более низкого уровня, рис.8. При высоких частотах повторения импульсов для достижения максимальной концентрации озона требовалось примерно одинаковое число импульсов. В повторных сериях импульсов генерация озона ухудшалась, а его распад усиливался.

Рис.7. Зависимость концентрации озона в разряде, создаваемом короткими (=6 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F = 50Гц. Давление воздуха: 1 – 18Тор, 2 - 12Тор и с частотой F = 10Гц при давлении: 3 - 18Тор, 4 - 12Тор.

Рис.8. Динамика озона в разряде, создаваемом длинными (=500 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F: 1 - F=250Гц, 2 - F=50Гц, 3 - F=10Гц; давление воздуха p=18Тор.

Эксперименты показали, что причиной уменьшения концентрации озона являются образующиеся в разряде окислы азота. Действительно, в момент начала спада концентрации озона в эксперименте регистрировалась заметная концентрация (~1013 cм-3) двуокиси азота. Влияние окислов азота на динамику озона проверялась для разряда в смеси N2:O2. Было установлено, что уже несколько процентов N2 приводят к уменьшению (по сравнению с кислородом) стационарной концентрации озона, а при 10 % добавке азота на зависимости O3(t) появляется характерный для экспериментов в воздухе падающий участок. Образование высокой концентрации окислов является следствием нагрева и колебательного возбуждения азота при высоких частотах повторения импульсов в отсутствии прокачки газа. В этом случае суммарная энергия, выделяемая в области разряда, может достигать значительных величин, не смотря на малую длительность СВЧ импульсов. В свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты реакций достаточно быстро покидают разрядную область (в нашем случае в результате диффузии), падения концентрации озона не наблюдается даже в течение длительной серии импульсов. Измерения поступательной и колебательной температур в разряде в зависимости от давления и частоты повторения импульсов показали, что температура газа при длительном воздействии и высоких частотах повторения СВЧ импульсов может достигать 400-500 К. Рост температуры газа сопровождается уменьшением константы реакции образования озона и увеличением скорости его разрушения, что приводит к уменьшению концентрации озона, наработанного на начальной стадии разряда. Измеренные значения колебательной температуры лежали в области пороговых значений для реакции образования окислов азота с участием колебательно возбужденных молекул, Тv = 0,20,3 эВ. При этом значения Т и Тv  в разряде, создаваемом цилиндрической волной, оказались несколько выше, чем в квазиплоской геометрии из-за более высокого удельного энерговклада, достигаемого в области фокуса цилиндрически сходящейся волны.

Качественный анализ полученных в эксперименте результатов представлен в п.4.2.3. Обсуждаются процессы образования окислов азота в разряде и проводится сопоставление сделанных оценок с экспериментальными данными. Отмечается, что проведенные эксперименты указывают на возможность значительной наработки в наносекундных СВЧ разрядах в воздухе, как озона, так и оксидов азота. При этом получение максимально возможной концентрации озона и минимального количества окислов азота при комнатной температуре газа возможно только при кратковременном поддержании разряда, т.е. при небольшом числе СВЧ импульсов в серии или низкой частоте повторения импульсов, а также при прокачке газа через область разряда. В этом случае не происходит накопления окислов азота до величины, ограничивающей образование озона.

Для прогноза воздействия наносекундных СВЧ разрядов на стратосферу были проведены измерения динамики озона при низких температурах газа. Результаты этих экспериментов приведены в п.4.2.4. В качестве источника СВЧ излучения использовался релятивистский карсинотрон ( = 8 мм, J = 5 нс, Р=1015 МВт). Разряд зажигался в кварцевой колбе в пучностях стоячей волны, сформированной с помощью сферического зеркала. Стенки колбы могли охлаждаться жидким азотом. Температура газа устанавливалась равной температуре стенок и изменялась в диапазоне T = 200300 K. Удаленность разряда от стенок колбы обеспечивала протекание химических реакций непосредственно в объеме реактора. Эксперименты показали, что уменьшение температуры газа приводит к увеличению скорости образования озона и одновременно сильно снижает эффективность образования окислов азота. Наработка окислов азота в этих экспериментах не превышала уровня чувствительности метода измерений, концентрация озона при всех давлениях возрастала более чем на порядок, а спада O3 не наблюдалось даже при длительном воздействии, рис.9.

Рис.9. Зависимость концентрации озона от времени при концентрации нейтральных частиц N = 21018 см-3, F = 3Гц и различной температуре воздуха.

Рис.10. Энергетическая цена образования одной молекулы озона в зависимости от частоты повторения СВЧ импульсов (=3см) при давлении газа p=20 Тор: воздух, 1 - = 500 нс; 2 - = 6 нс; кислород, 3 – = 500нс; 4 - =6 нс.

В п.4.2.5. приводятся результаты измерений затрат СВЧ энергии, идущей на образование одной молекулы озона. Обнаружено, что энергоцена может изменяться в широких пределах в зависимости от условий эксперимента и электродинамической структуры разряда. Минимальная энергоцена была получена в разряде в кислороде с использованием сжатого (6 нс) импульса 3-см диапазона длин волн и составляла величину = 4 эВ на молекулу. В длинном импульсе при тех же условиях энергоцена была существенно выше = 23 эВ, рис.10. Полученная в коротких импульсах более низкая энергоцена образования O3 с одной стороны свидетельствует о том, что эффективность диссоциации кислорода в этом разряде близка к оптимальной (~2,5 эВ), а с другой стороны, что предположение о полной конверсии атомов O в озон нарушается при увеличении длительности СВЧ импульсов. Энергоцена образования озона в воздухе возрастала при увеличении частоты следования импульсов и была примерно в четыре раза выше, чем в чистом кислороде. Установлено также, что при импульсно-периодическом воздействии прокачка газа через разрядную область снижает энергоцену образования озона в воздухе. Кроме того, энергоцена уменьшалась с ростом давления газа, причем для разряда в квазиплоской стоячей волне она была ниже, чем для разряда, создаваемого цилиндрической волной. Эффективность образования озона уменьшалась также при переходе к 8-миллиметровому диапазону длин волн. При этом, в зависимости от плотности воздуха, энергоцена составляла величину ~ 50100 эВ при комнатной температуре газа, снижаясь до 2540 эВ при температуре Т = 200 К.

На основе простой качественной модели рассмотрены условия наиболее эффективной диссоциации кислорода в разряде в зависимости от параметра E/N. Условиям оптимума соответствует минимум энергозатрат на диссоциацию молекул О2, то есть расходуется максимально возможная доля энергии СВЧ импульса. Показано, что оптимальное значение приведенного электрического поля лежит вблизи порога пробоя кислорода. Проводится сравнение результатов расчета с данными эксперимента.

С целью объяснения результатов экспериментов и выяснения характера зависимости энергоцены от различных параметров СВЧ разряда было проведено численное моделирование динамики наносекундного СВЧ разряда в воздухе (п.4.2.6.). Рассматривались разряды в поле симметричной цилиндрической TE-волны и в поле плоской стоячей волны. В результате вычислений было установлено, что, в случае СВЧ импульсов очень малой (~310 нс) длительности, рост концентрации электронов происходит в области максимального поля и вид распределения плазмы подобен начальному распределению поля. При росте плотности плазмы уменьшение величины электрического поля в разряде происходит практически одинаковым образом в независимости от геометрии начального поля. Максимальная концентрация электронов зависит от объема занимаемого плазмой и для разряда в цилиндрической волне существенно выше, чем для разряда в плоской волне. При этом в плоской геометрии плазма более эффективно поглощает СВЧ энергию.

Знание динамики развития разряда позволило определить число образованных в разряде атомов кислорода и, таким образом, рассчитать зависимость энергоцены диссоциации кислорода от давления воздуха, длительности СВЧ импульса, амплитуды начального электрического поля и длины электромагнитной волны при различных геометриях начального поля. Было установлено, что в реакциях диссоциации с участием возбужденных молекул азота образуется около половины всего атомарного кислорода. Сравнение измеренной энергоцены образования озона с рассчитанной для условий близких к реализуемым в эксперименте показало их удовлетворительное совпадение. Сформулированы условия, необходимые для достижения наибольшей эффективности диссоциации кислорода в наносекундном СВЧ разряде. Сделан вывод о существенном влиянии электродинамической структуры разряда на эффективность плазмохимических процессов.

В начале 80-х годов А.В. Гуревичем была высказана идея создания в атмосфере Земли искусственной ионизованной области (ИИО), хорошо отражающей радиоволны (радиозеркало). В дальнейшем, интерес к созданию ИИО был обусловлен разнообразием задач, которые можно решать с ее помощью. В п.4.3. обсуждается перспектива использования наносекундного СВЧ разряда в качестве источника озона в верхней атмосфере. Отметим, что экологические последствия активных СВЧ экспериментов в верхней атмосфере в настоящее время однозначно не определены, поскольку наработка окислов азота, разрушающих озон в каталитических реакциях, сильно зависит от режима поддержания ИИО. Поэтому большое значение приобретают лабораторные эксперименты и оценки, проводимые на их основе. В данном параграфе детально обсуждаются процессы образования и эволюции озона в натурных условиях и в случае создания в стратосфере искусственного источника озона. На основе простейшей одномерной модели проводятся численные оценки возможной энергоцены образования озона в разряде создаваемом в атмосфере Земли пересекающимися пучками радиоволн. Вычисления проведены для двух длин волн (3см и 8мм) и для разных высот в области озонового слоя, рис.11.

Рис.11. Расчет энергоцены образования атома кислорода в ИИО, создаваемой на высотах: 1 - 20 км, 2 - 25 км, 3 - 30 км, СВЧ-излучение с длиной волны 3 см (сплошная кривая) и 8 мм (пунктир) и длительностью импульса = 50 нс.

Установлено, что эффективная генерация озона в ИИО может быть достигнута на высотах 2025 км СВЧ излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 46 кВ/см при длительности СВЧ-импульсов 3050 нс. В этих условиях энергоцена образования молекулы озона будет составлять величину ~ 3040 эВ. Такая производительность (~100 г озона на 1 кВт час затрат электроэнергии) атмосферного озонатора сравнима с показателями озонаторов, использующихся в настоящее время для технологических целей на производстве. Наибольшая эффективность генерации озона достигается при использовании СВЧ-импульсов, для которых стадия пробоя значительно короче длительности импульса, при условии, что круговая частота электромагнитного поля меньше частоты столкновений электронов с молекулами. В этом случае значительная доля энергии СВЧ-импульса поглощается в разрядной плазме и возможно достижение условий, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота в разряде близко к их естественному отношению в атмосфере ~ 103. При этом особенно важную роль играет низкая температура газа (T200220 K) в стратосфере. Оптимальным режимом воздействия на атмосферу является небольшая серия наносекундных импульсов при последующей смене местоположения ИИО путем сканирования волновыми пучками. При этом, благодаря атмосферным ветрам, диффузии и большому времени жизни молекул озона на высотах максимума озонного слоя и ниже (более 100 суток), генерируемый в ИИО озон, разносится на большие расстояния и может создавать локальный искусственный слой значительного масштаба.

Таким образом, проведенный цикл исследований демонстрирует принципиальную возможность осуществления генерации озона в стратосфере с помощью ИИО. Отметим, что обсуждаемый натурный эксперимент не приведет к сколь-либо значительным возмущениям в глобальном масштабе, однако, несомненно, мог бы способствовать более глубокому пониманию сложных плазмохимических процессов в озоновом слое.

Пятая глава посвящена исследованию процессов разрушения примеси фреона в воздухе при воздействии импульсно-периодических наносекундных коронного и СВЧ разрядов. Газоразрядный метод очистки атмосферы от загрязнений является одним из интенсивно разрабатываемых применений неравновесной плазмы. Современные плазмохимические методы очистки основаны на избирательном разрушении примесей в плазме газового разряда, а также на наработке в очищаемом газе атомов, радикалов и возбужденных молекул, вступающих в реакции с вредными веществами и разрушающими их. Особую актуальность эта тематика приобрела в связи с проблемами "парникового эффекта" и "озоновых дыр", одной из основных причин появления которых, как полагают, является антропогенное загрязнения атмосферы хлорфторуглеродами (CFC). Среди разнообразных предлагаемых способов очистки атмосферы от фреонов [Wong A.Y., Stix T.,. Sugiyama L.E.], весьма привлекательным представляется метод с использованием импульсных СВЧ разрядов различной длительности. Идея использования разрядов, создаваемых мощными пучками микроволнового излучения в нижних слоях атмосферы (в тропосфере) для очистки атмосферы от фреонов была предложена в начале 90-х годов Г.А.Аскарьяном и И.А.Коссым с соавторами. Однако, эксперименты, моделирующие этот процесс в лабораторных условиях, как правило, проводились в СВЧ разрядах большой длительности при высоких энерговкладах (~1 Дж/см3) и большом процентном содержании фреона. Процессы, определяющие деструкцию CFC в наносекундных разрядах, могут существенно отличаться от процессов, протекающих в других типах разрядов. Отметим, что наиболее эффективными методами очистки в настоящее время, наряду с электронными пучками, считаются барьерный и импульсный коронный разряды. Плазма этих разрядов по своим параметрам и свойствам весьма близка к плазме, создаваемой СВЧ излучением наносекундной длительности. Поэтому часть экспериментов по изучению плазмохимических процессов (в основном при большой частоте повторения импульсов) проводилась с помощью наносекундного коронного разряда при энерговкладах близких к энерговкладам в наносекундном СВЧ разряде.

В п.5.1. представлены результаты изучения эффективности разрушения фреона в импульсно-периодическом наносекундном коронном разряде. Эксперименты проводились при давлениях p= 10-760 Тор в воздухе, кислороде и аргоне при различном процентном содержании фреона C2Cl3F3 (CFC-113) без прокачки газа. Энергетические затраты на разрушения одной молекулы фреона определялись методом абсорбционной ИК спектроскопии по уменьшению концентрации молекул CFC-113 после обработки газовой смеси разрядом. Эксперименты показали, что при давлении воздуха р=100 Тор увеличение процентного содержания фреона от 0,1 до 10% приводит к снижению энергоцены разрушения одной молекулы с 800 до 20 эВ. При фиксированном процентном содержании примеси фреона энергетические затраты на очистку увеличивались с ростом давления газовой смеси. Приводится сравнение результатов эксперимента с данными других авторов, рис.12. Установлено, что энергозатраты на разрушение одной молекулы CFC при низком содержании фреона оказываются в наносекундном разряде ниже, чем в СВЧ разрядах большей длительности.

В работах Г.А.Аскарьяна, И.А.Коссого и др. был предложен метод очистки атмосферы Земли от фреонов с помощью разряда, создаваемого на заданной высоте наземными антеннами, основанный на разрушении CFC в процессах диссоциативного прилипания электронов. Разрушение молекул фреона происходит при этом избирательно, преимущественно на стадии распада плазмы, холодными электронами, для которых константа диссоциативного прилипания особенно высока (ka=10-7-10-9 cm3/с). Поэтому использование наносекундных СВЧ разрядов, в которых значительная доля энергии идет на ионизацию газа, является предпочтительным. Эффективность очистки при этом определяется характером распада плазмы. В п.5.1.1. и п.5.1.2. представлены результаты экспериментов по изучению деструкции фреона в распадающейся плазме наносекундного СВЧ разряда.

Эксперименты, моделирующие процесс очистки атмосферы с помощью наносекундного СВЧ разряда, проводились в смеси воздуха с фреоном (CFC-113). В качестве источника электромагнитного излучения использовался карсинотрон 8-миллиметрового диапазона длин. Удельный энерговклад, в зависимости от давления воздуха, составлял 10-3-10-1 эВ/молекула. Электронная концентрация в распадающейся плазме измерялась резонаторным методом. В параграфе приводятся результаты измерения скорости распада плазмы при различном содержании фреона в воздухе, рис.13. Снижение доли фреона приводило к сближению скоростей распада плазмы в воздухе и смеси воздуха с фреоном, а при парциальных давлениях ниже рf* = 3·10-5 Тор влияния фреона на распад плазмы не наблюдалось. Величина порогового давления определялась равенством частот прилипания электронов к молекулам фреона и кислорода. Продемонстрирована возможность разрушения фреонов при их низком содержании, но в этом случае обнаруженный в эксперименте быстрый распад плазмы (гл.2) повышает энергозатраты на удаление одной молекулы фреона в несколько раз. На основании экспериментально установленной скорости распада плазмы определена эффективность разрушения фреона с помощью наносекундного разряда в тропосфере на высотах 15-30 км.

Рис.12. Зависимость энергоцены разрушения молекулы CFC от процентного содержания фреона при 80% очистке (р=100 Тор): 1 - CFC-113 наш эксперимент, 2 - CFC-12, 3 - CFC-114, 4 - CFC-113 (СВЧ разряды микросекундной длительности).

Рис.13. Изменение скорости распада плазмы в смеси воздуха с CFC-113 при общем давлении р=10 Тор и различных парциальных давлениях фреона: 1 - рf=0, 2 -рf=3.610-4 Тор, 3 -рf=910-3 Тор.

Анализ эффективности различных каналов разрушения фреона в зависимости от длительности наносекундного импульса и содержания фреона в газовой смеси представлен в п.5.2. Показано, что при высоком содержании фреона и использовании импульсов большой длительности, основными каналами являются разрушение CFC при соударении с образующимися в разряде возбужденными частицами и атомами, а также диссоциация фреона электронным ударом. В импульсах очень короткой длительности и при низком содержании примеси фреона преобладают процессы разрушения, связанные с диссоциативным прилипанием электронов и перезарядкой отрицательных ионов. К некоторому увеличению эффективности разрушения CFC в процессах диссоциативного прилипания может приводить каталитический цикл, связанный с отлипанием электронов от ионов хлора [Александров Н.Л.]. Приводятся оценки концентрации фреона и длительности СВЧ импульса, необходимые для преобладания того или иного канала.

В п.5.3. представлены результаты эксперимента по исследованию генерации озона в газовой смеси, содержащей примесь СFC-113. Данные эксперимента позволили установить роль атомов O(3P) в процессах разрушения фреонов и провести оценку константы этого процесса.

В параграфе п.5.4. рассмотрены динамика и процессы трансформации продуктов разрушения фреона. В разряде образуются значительные концентрации возбужденных молекул, радикалов и атомов, приводящие через цепь реакций к формированию большого числа разнообразных окислов и появлению каналов разрушения CFC, не связанных с электронным компонентом. В случае создания СВЧ разряда в атмосфере на низких высотах эти продукты будут частично вымываться на Землю дождями, частично же попадать в верхние слои атмосферы, взаимодействуя с ее малыми составляющими. Данное обстоятельство делает анализ продуктов плазмохимических превращений чрезвычайно важным. Анализ образующихся в разрядной плазме продуктов плазмохимических реакций проводился методами абсорбционной УФ и ИК спектроскопии. Представлены результаты измерений динамики окислов азота и хлора в импульсно-периодическом разряде. Обнаружено, что при низком содержании CFC конкуренция азотного и хлорного циклов приводят к падению эффективности гибели озона. Установлено, что при длительной обработке газовой смеси, основными продуктами разложения фреона являются молекулы хлора, концентрация которых хорошо коррелирует с результатами измерений убыли фреона в ИК диапазоне. При этом концентрации окислов хлора и азота оказываются на несколько порядков величины ниже, чем концентрация молекул Cl2.

В п.5.4.2. приводятся результаты численного моделирования процесса разрушения CFC-113 в импульсно-периодическом разряде и проводится сравнение с данными эксперимента. При расчетах использовалась упрощенная двухточечная модель, учитывающая плазмохимические процессы непосредственно в разряде и в реакторе (некоторой точке вне разряда), куда продукты химических реакций выносятся диффузией. Безусловно, данная модель является весьма грубой, но в то же время она позволяет качественно описать основные тенденции плазмохимических процессов, протекающих в сильно неоднородной плазме наносекундного коронного разряда.

Результаты экспериментального исследования эволюции радикалов фреона в наносекундных СВЧ и коронном разрядах, полученные на основе анализа ИК спектров поглощения, представлены в п.5.4.3. В экспериментах газовая смесь обрабатывалась СВЧ импульсами с параметрами: длина волны = 8 мм, длительность = 5 нс, мощность P=10-15 МВт, частота повторения импульсов F=1-4 Гц. Приводятся результаты измерения концентраций идентифицированных химических соединений, образующихся после обработки смеси, содержащей CFC-113, серией импульсов СВЧ и коронного разрядов.

В параграфе п.5.5. рассматриваются конкретные процессы, приводящие к разрушению фреонов, а также эволюция и трансформация радикалов, образующихся в процессе обработки газовой смеси. Анализ проведенных экспериментов показал, что существенную роль в деструкции фреонов при низких энерговкладах играют процессы диссоциации с участием заряженных частиц (диссоциативные ионизация, прилипание, перезарядка ионов и прямая диссоциация электронным ударом), а также реакции с атомами кислорода. При этом разрушение фреонов в наносекундных разрядах, в отличие от разрядов большей длительности, происходит преимущественно в областях, занятых плазмой. Установлено, что в процессе обработки смеси, содержащей фреон, происходит последовательное разрушение образующихся на предыдущей стадии хлорфторуглеродов, а преобладающими продуктами на конечной стадии процесса являются молекулы Cl2 и SiF4. Последние образуются в результате взаимодействия фторсодержащих радикалов с кварцевыми стенками реактора. Показано, что на начальной стадии обработки происходит, в основном, разрушение C-Cl и С-С связей в молекулах CFC, а лишь затем разрушаются более прочные C-F связи в обогащенных фтором продуктах реакций. Установлено, что механизмы деструкции фреона в наносекундном коронном и СВЧ разрядах имеют одинаковую природу, определяемую высокой долей энергии электронов, идущей на ионизацию и диссоциацию молекул при высоких значениях параметра E/N в этих разрядах.

Шестая глава посвящена разработке и исследованию мощных источников излучения (СВЧ компрессоров) для создания наносекундных СВЧ разрядов. 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 использования источников излучения, способных работать с высокой частотой следования импульсов. Релятивистские СВЧ генераторы позволяют получать наносекундные импульсы мощностью до нескольких гигаватт, но являются сложными и дорогостоящими устройствами, не всегда удовлетворяющими этому требованию. Поэтому более перспективным для технологических процессов представляется использование СВЧ источников на основе временной компрессии импульсов.

В п.6.1. излагаются физические принципы, определяющие работу активных компрессоров микроволнового излучения. Метод компрессии СВЧ импульсов основан на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном резонаторе с последующим быстром выводом ее к нагрузке (модуляцией добротности). Одним из ключевых элементов активного компрессора является коммутатор (переключатель), обеспечивающий вывод энергии из накопительного резонатора. Для получения мощных сжатых импульсов с высокой эффективностью компрессии наиболее привлекательным представляется использование сверхразмерных резонаторов, работающих на модах типа TEon, с низкими омическими потерями. В параграфе приводится краткий обзор существующих компрессоров с такими резонаторами. Анализируется возможность использования в коротковолновой части СВЧ диапазона компрессоров с брэгговскими рефлекторами.

Параграф п.6.2. посвящен разработке новых конструкций плазменных переключателей для СВЧ компрессоров со сверхразмерными резонаторами. Показано, что в наибольшей степени требованиям, предъявляемым к переключателям таких компрессоров, отвечают управляемые брэгговские рефлекторы и переключатели, обладающие резонансными свойствами. Рассмотрена серия плазменных переключателей, использующих различные электродинамические принципы. В п.6.2.1. описан плазменный переключатель на основе управляемого брэгговского рефлектора. Исследования показали, что для коммутации такого рефлектора распределенным набором газоразрядных трубок необходимо, чтобы плазма, возникающая при пробое газа, имела высокую концентрацию и однородность. Эти требования можно существенно ослабить, если электродинамическая структура выходного рефлектора обладает резонансными свойствами и, соответственно, для нарушения резонанса достаточно лишь небольшого изменения параметров среды, заполняющей газоразрядные трубки. Этот метод был реализован в осесимметричном СВЧ компрессоре, работающем на моде H01 круглого волновода и использующем управляемый выходной рефлектор в виде скачкообразного расширения волновода (п.6.2.2.) или резонансный плазменный переключатель (п.6.2.3.). Представлены результаты расчетов и экспериментальной проверки указанных переключателей и детально описаны принципы их работы.

Перевод компрессора из режима накопления энергии в режим вывода осуществляется путем быстрого образования плазмы в расположенных в переключателе газоразрядных трубках. Для обеспечения эффективного вывода энергии из резонатора коммутатор должен иметь малое время образования плазмы (~10-8 c) с концентрацией превышающей критическую. Например, для СВЧ излучения 3-см диапазона электронная концентрация в трубках должна превышать величину Ne > 21012 см-3. Поэтому при разработке коммутатора необходимо знать динамику пробоя газа и параметры плазмы в длинных трубках, которые, в свою очередь, зависят от плотности газа и приложенного напряжения. Важную роль при этом играет конструкция источника импульсов высокого напряжения, используемого для создания плазмы.

В п.6.3. рассмотрены конструкция малогабаритного генератора высоковольтных импульсов и особенности наносекундного пробоя в газоразрядных трубках, применяемых в плазменных переключателях. Приводятся результаты экспериментального исследования высокоскоростных волн ионизации в длинных трубках, определены скорость распространения фронта ионизации и концентрация электронов в разряде. Показано, что выбором соответствующих параметров (давления и рода газа, диаметра газоразрядных трубок, амплитуды высоковольтного импульса) можно обеспечить время создания и плотность плазмы, необходимые для эффективного вывода СВЧ энергии из накопительного резонатора.

В 6.4. представлены результаты экспериментальных исследований одноканального компрессора СВЧ импульсов на основе сверхразмерного брэгговского резонатора, возбуждаемого на моде Н01 круглого волновода и использующего разработанные плазменные переключатели. Определены коэффициенты усиления по мощности и эффективность компрессии в зависимости от длительности импульса накачки, давления и состава газа в газоразрядных трубках переключателя. В режиме самопробоя газа в выходном рефлекторе достигнут высокий ~25 МВт уровень мощности в сжатом импульсе длительностью 40-50 нс. В режиме внешнего запуска получены сжатые импульсы с мощностью 11 МВт и длительностью импульса 50 нс при коэффициенте усиления по мощности равном 9.

Рис.14. Осциллограммы входного Pinc и сжатого импульсов Pcom, полученные для двухканального компрессора с объединенным вводом-выводом энергии: р = 0,4 Toр, Pinc = 5,1 MВт, Pcom = 53 МВт, длительность сжатого импульса 43 нс, эффективность компрессии 56 %;

В п.6.5. представлены результаты исследования 100-мегаваттного активного двухканального компрессора СВЧ импульсов проходного и отражательного типа 3-х сантиметрового диапазона длин волн, возбуждаемого c использованием мощного СВЧ генератора – магникона, разработанного фирмой "Omega-P” совместно с NRL (США). В этом компрессоре использовались разработанные плазменные переключатели. Каналы компрессоров соединялись с СВЧ генератором и нагрузкой через 3 dB квазиоптический направленный ответвитель с повышенной электропрочностью. Использование ответвителя позволило исключить влияние отраженного сигнала на режим генерации магникона и увеличить эффективность накопления энергии в компрессоре по сравнению с одноканальной схемой. На высоком (~ 5 MВт) уровне падающей мощности продемонстрирована возможность когерентного сложения импульсов, сжатых в каждом из каналов компрессора. В 3-х сантиметровом диапазоне длин волн достигнуты рекордные по энергетике и эффективности параметры сжатых импульсов. Так, в режиме внешнего запуска получены сжатые импульсы с мощностью 53 МВт и длительностью 43 нс, рис.14. Коэффициент усиления по мощности при этом превышал 10, а эффективность компрессии достигала 56 %.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты диссертационной работы

  1. Исследован пробой газа СВЧ импульсами большой интенсивности и малой длительности. Измерена частота ионизации в различных газах в широкой области давлений и значений приведенного электрического поля, а также в сверхсильном поле при низких давлениях, когда осцилляторная энергия электронов превышает потенциал ионизации атомов и молекул. Установлено насыщение зависимости частоты ионизации от амплитуды СВЧ поля в области параметра E/=510-7-210-6 В/см с и существование нижней границы порога пробоя по давлению, не зависящего от амплитуды поля и связанного с высокой поступательной скоростью электронов и действием пондеромоторной силы. Измерения энергетического спектра электронов в разлетающейся разрядной плазме подтвердили наличие электронов с высокой (до 3,5 кэВ) энергией при пробое газа в сверхсильном СВЧ поле. Показано, что в сверхсильном СВЧ поле константы большинства элементарных процессов падают с увеличением осцилляторной энергии электронов значительно медленнее, чем в постоянном электрическом поле той же амплитуды и чем изменяется сечение соответствующего процесса.
  1. Установлено, что высокие значения напряженности электромагнитного поля в наносекундном импульсе изменяют пространственно- временную картину развития разряда в волновом пучке. Высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной  структуры разряда при высоких давлениях, связанной с пробоем на отдельных затравочных электронах. В сильных полях на кинематику волны пробоя начинает оказывать влияние конечное время распространения излучения вдоль оси волнового пучка, приводящее к смещению области первоначального пробоя из фокальной плоскости в направлении падающего излучения. Показано, что 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.
  1. Установлено, что значительная энергия электронов, сохраняющаяся в распадающейся плазме из-за высокой степени ионизации и возбуждения газа приводит к изменению характера деионизации плазмы в различных газах. Так в азоте и кислороде наблюдается медленный рекомбинационный распад, а в воздухе обнаружен быстрый распад плазмы, характерный для диссоциативного прилипания электронов. Показано, что наряду с процессами прилипания и отлипания электронов существенное влияние на распад плазмы оказывают процессы ионной конверсии. Высокая энергия электронов связана с передачей электронам энергии при столкновении с метастабильными молекулами азота (удары 2-го рода). Обнаружено, что после пробоя газа низкого давления в сверхсильных полях в разрядной плазме остаются электроны с энергией превышающий потенциал ионизации. В процессе релаксации энергии электронов их концентрация продолжает возрастать в течение времени (0,5-1 мкс) после окончания СВЧ импульса и достигает величин, в 5-10 раз превышающих критическую для падающего излучения.
  1. Продемонстрирована возможность использования наносекундного разряда в волновом пучке для накачки УФ лазеров. В экспериментах получена мощность генерации азотного лазера 60-70 кВт в поперечной схеме накачки и 100-120 кВт в продольной схеме. Эффективность лазерной генерации составляла величину 10-410-3, а удельный энергосъем равнялся 0,52 Дж/атм.л. Установлено, что при возбуждении лазерной смеси с помощью сходящейся цилиндрической TE-волны в газоразрядных трубках большого диаметра происходит последовательная генерация лазерного излучения слоями плазмы расположенными на различных расстояниях от его оси. Такая динамика приводит к удлинению лазерного импульса и увеличению мощности генерации. Получена лазерная генерация в воздухе в свободно локализованном разряде (без трубки), в режиме усиления спонтанного излучения и продемонстрирована возможность создания атмосферного лазера с дистанционной СВЧ накачкой на переходах 2+ - системы азота. Построена численная модель азотного лазера, возбуждаемого наносекундным СВЧ разрядом в поле цилиндрической ТЕ-волны. Установлено, что подбором давления лазерной смеси, диаметра газоразрядной трубки и величины падающей СВЧ мощности можно эффективно управлять параметрами разряда, добиваясь почти полного поглощения СВЧ излучения и высокой эффективности лазерной генерации. Показаны перспективы использования свободно локализованного наносекундного СВЧ разряда в атмосфере Земли в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника света (радиозвезды) для настройки наземных оптических телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы.
  1. Изучены механизмы формирования в наносекундном СВЧ разряде атмосферного давления тонких плазменных нитей с повышенной яркостью. Показано, что причиной возникновения интенсивно излучающих нитей является ионизационно-перегревная неустойчивость. К развитию указанной неустойчивости может приводить быстрый нагрев газа при тушении электронных уровней молекул, эффективно возбуждающихся в разрядной плазме. Установлено, что 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 плазменной нити.


  1. Показано, что динамика озона в наносекундном разряде в кислороде существенным образом зависит от длительности, частоты повторения и энергии СВЧ импульсов. Определены оптимальные условия по приведенному электрическому полю (E/N~10-15 В·см2), при которых на диссоциацию кислорода в разряде идет максимальная из возможной доля энергии СВЧ импульса. Минимальная цена ~ 4 эВ получена для в разряде, создаваемом короткими (~5 нс) импульсами с низкой частотой повторения. Показано, что величина квазистационарной концентрации озона в импульсно-периодическом разряде в кислороде в значительной мере определяется колебательным возбуждением молекул озона, сильно ускоряющем реакцию его гибели и диффузией, влияющей на баланс колебательной энергии.
  1. Проведено экспериментальное исследование процесса синтез озона в наносекундном разряде в воздухе и азотно-кислородных смесях. Показано, что в свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты плазмохимических реакций быстро покидают разрядную область возможна эффективная генерация озона в коротких (~5-10 нc) наносекундных импульсах. Установлено, что увеличение длительности и частоты повторения импульсов приводит к разрушению образованного на начальной стадии озона в результате накопления в разрядной области окислов азота. Образование окислов связано с ростом поступательной и колебательной температур азота при увеличении энерговклада в разряд. Показано, что достижение высокой концентрации озона при минимальном количестве окислов азота при комнатной температуре возможно только при небольшом числе СВЧ импульсов в серии или низкой частоте повторения импульсов, а также при прокачке газа через область разряда. Понижение температуры газа приводит к росту эффективности генерации озона и снижению наработки окислов азота. В широком диапазоне экспериментальных условий (давления газа, мощности и длительности СВЧ импульсов, длины электромагнитной волны) определена энергоцена образования одной молекулы озона. Установлено, что эффективность диссоциации кислорода существенным образом зависит от электродинамической структуры разряда. На основании численного моделирования динамики наносекундного СВЧ разряда в широком диапазоне параметров определена эффективность диссоциации кислорода.
  1. Проведен цикл исследований, посвященных разработке активного метода воздействия на стратосферу пучками мощных микроволн. На основании результатов модельных экспериментов и численных расчетов установлено, что при создании в атмосфере Земли с помощью наносекундного СВЧ-разряда в пересекающихся волновых пучках искусственной ионизованной области (ИИО) в зависимости от выбранного режима могут нарабатываться различные малые составляющие, представляющие интерес для изучения их динамики в условиях реальной атмосферы. Показано, что эффективная генерации озона в ИИО может быть осуществлена на высоте 20-25 км излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 4-6 кВ/см СВЧ-импульсами длительностью 30-50 нс. В этом случае СВЧ энергия эффективно поглощается в разрядной плазме, и имеются значения удельных энерговкладов, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота близко к их естественному отношению в атмосфере, а энергоцена образования одной молекулы озона составляет величину ~ 30 эВ. Оптимальным режимом воздействия на атмосферу является небольшая серия наносекундных импульсов при смене местоположения ИИО путем сканирования волновыми пучками в максимуме естественного озонного слоя.
  1. Экспериментально исследован процесс очистки атмосферы от фреонов (CFC) в разрядах наносекундной длительности. Установлено, что механизмы деструкции фреонов в наносекундном коронном и СВЧ разрядах имеют одинаковую природу, определяемую значительной долей энергии электронов идущей на ионизацию и диссоциацию молекул при больших значениях параметра E/N в этих разрядах. Проведено сравнение различных каналов разрушения фреона в зависимости от длительности импульса и содержания СFC в обрабатываемой смеси. Определена энергоцена разрушения одной молекулы CFC в разряде. Установлено, что разрушение CFC в наносекундных разрядах, в отличие от разрядов большей длительности, происходит преимущественно в областях, занятых плазмой, а энергозатраты на очистку при низком содержании фреона оказываются ниже, чем в СВЧ разрядах большей длительности. Показано, что при деструкции фреона, в первую очередь происходит разрыв C-Cl и С-С связей в молекулах CFC, а лишь затем разрушаются более прочные C-F связи в обогащенных фтором продуктах реакций. Определены продукты разрушения фреона в разряде. Установлено, что основным продуктом разрушения фреона являются молекулы хлора, число которых близко к числу разрушенных молекул CFC. Обнаружено, что при определенных условиях конкуренция азотного и хлорного циклов приводит к замедлению распада концентрации озона. На основании данных эксперимента проведена оценка эффективности разрушения фреона с помощью наносекундного СВЧ разряда, создаваемого в тропосфере на высотах 15-30 км.
  1. Разработаны и исследованы мощные источники наносекундного СВЧ излучения на основе временной компрессии импульсов (СВЧ компрессоры). Увеличение мощности сжатых импульсов достигнуто при использовании высокодобротных цилиндрических резонаторов, возбуждаемых на осесимметричных модах с низкими омическими потерями. Для вывода энергии из таких резонаторов разработана серия быстродействующих и электропрочных плазменных переключателей, обладающих резонансными свойствами. Изготовлены и испытаны на высоком уровне мощности различные конструкции активных СВЧ компрессоров с такими переключателями. В схеме двухканального компрессора продемонстрировано когерентное сложения сжатых в каждом из каналов СВЧ импульсов на высоком (~ 5 MВт) уровне падающей мощности. Достигнуты рекордные по энергетике и эффективности параметры импульсов для 3-х сантиметрового диапазона длин волн. Получены сжатые импульсы мощностью 53 МВт и длительностью до 60 нс с коэффициентом усиления по мощности более 10 и эффективностью компрессии 56 %.

       

Список работ по теме диссертации

  1. Вихарев А.Л., Гильденбург В.Б., Денисов В.П. Иванов О.А. и др. Пробой гелия высокочастотными импульсами наносекундной длительности. // 4-я Всес.конф. по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой: Тез.докл. Ташкент: ФАН, 1985, с.102-103.
  2. Вихарев А.Л., Гильденбург В.Б., Иванов О.А. и др. Пробой газов высокочастотным импульсом наносекундной длительности. // Физика плазмы, 1986, т.12, N12, с.1503-1507.
  3. Vikharev A.L.,Gitlin M.S.,Ivanov O.A. et al. Heating of nitrogen in a pulsed microwave discharge under strong excitation of electron levels. //Proc. 18th Intern. conf. on phenomena in ionized gases. Swansea, UK, 1987, p.46-47.
  4. Vikharev A.L., Gildenburg V.B., Ivanov O.A. et al. Study of gas ionization in a nanosecond microwave pulse. // Ibid.,p.106-107.
  5. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Степанов А.Н. Наносекундный СВЧ разряд в газе. // В кн.: Высокочастотный разряд в волновых полях. Горький: ИПФ АН СССР, 1988, с.212-229.
  6. Бабин А.А., Вихарев А.Л., Гинцбург В.А. Иванов О.А. Азотный лазер, возбуждаемый свободно локализованным СВЧ разрядом.// Письма в ЖТФ, 1989, т.15, N5, с.31-33.
  7. Babin A.A., Vikharev A.L., Gintsburg V.A., Ivanov O.A. et al. A nitrogen laser pumped by a freeiy localized microwave discharge.// Proc. 19th Intern. conf. on phenomena in ionized gases. Belgrade, Yugoslavia, 1989, p.632-633.
  8. Богатов Н.А., Брижинев М.П. ,Вихарев А.Л. Иванов О.А. и др. Наносекундный СВЧ разряд в газе высокого давления. //В кн.: Всес. семинар по высокочастотному пробою газов: Тез. докл. Тарту: ТГУ, 1989, с.59-61.
  9. Брижинев М.П., Вихарев А.Л., Голубятников Г.Ю. Иванов О.А. и др. Ионизация газа низкого давления в сверхсильном СВЧ поле. // ЖЭТФ, 1990, т.98, N2, с.434-445.
  10. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Ким А.В. Газовые лазеры с накачкой СВЧ излучением. // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1990, вып.6, с.256-296.
  11. Vikharev A.L., Golubyatnikov G.Yu., Eremin B.G. Ivanov O.A. et al. Gas ionization in a superstrong microwave field. // Proc. 10th European conf. on atomic and molecular physics of ionized gases. Orleans, France, 1990, p.140-141.
  12. Vikharev A.L., Golubyatnikov G.Yu., Ivanov O.A. et al. Plasma decay in nitrogen-oxygen mixtures after nanosecond microwave pulse.// Ibid., p.266-267.
  13. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Kim A.V., Litvak A.G. Ultraviolet radiation of artificial ionized layer in the upper atmosphere. // Proc. 20th Intern. conf. on phenomena in ionized gases. Pisa, Italy, 1991, p.45-46.
  14. Вихарев А.Л., Иванов О.А., Степанов А.Н. Газовый УФ-лазер с накачкой СВЧ излучением. // А.с.1597067 (СССР), кл.Н 01 s 3/097, заявка N4458473 от 11.07.88г.
  15. Иванов О.А., Лирин С.Ф. Возбуждение электронных уровней азота в разряде низкого давления в сверхсильном СВЧ поле .// 8-я Всес. конф. по физике низкотемпературной плазмы: Минск: ИТМО АН БССР, 1991, ч.1, c.35-36.
  16. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., и др. Численное моделирование азотного лазера, возбуждаемого наносекундным СВЧ разрядом. // Тр. межд. совещ. Высокочастотный разряд в волновых полях. Тез. докл. Ташкент, 1992, с.39-40.
  17. Иванов О.А., Лирин С.Ф. Возбуждение электронных уровней азота в газовом разряде низкого давления в сверхсильном СВЧ поле. // Физика плазмы, 1992, т.18, вып.1, с.124-127.
  18. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Creation of the artificial ionized layer by microwave beams for the ozone generation in the upper atmosphere. // ICPIG-XXI. Bochum. 1993. V.1.P.123-124.
  19. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Plasma parameters and induced UV radiation of filament in a high pressure microwave discharge. //Ibid, P.127-128.
  20. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A. et al. Modeling of plasma chemical processes in the artificial ionized layer in the upper atmosphere by nanosecond corona discharge. // Physics Letters A, 1993, V.179, N.2, p.122-126.
  21. Иванов О.А., Колыско А.Л. Манометр с фотоэлектрической регистрацией.// Приборы и техника эксперимента, 1993, Т.5, С.205-207.
  22. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A. et. al. Modeling of the creation and kinetics of the artificial ionized layer in the upper atmosphere. // J. Geophys. Res. D, 1994, V.99., N.10, P. 21097-21108.
  23. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М. Иванов О.А. и др. Генерация озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в воздухе. //Материалы конференции "Физика и техника плазмы". 1994. Минск: БГУ. Т.2. c.421-424.
  24. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., Колыско А.Л. Параметры плазмы и динамика формирования нитевидных образований в СВЧ-разряде высокого давления. // ЖЭТФ, 1994, т.106, вып.1(7), С.172-185
  25. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., и др. Индуцированное УФ излучение наносекундного СВЧ разряда в азоте, возбуждаемого в поле цилиндрической ТЕ-волны. // Квантовая электроника, 1994, т.21, №7, С.647-650
  26. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Nitrogen laser excited by a nanosecond microwave discharge in the field of a cylindrical TE mode.// Proc. of the workshop Strong microwave in plasma. N.Novgorod. 1994. V.1, P.293-298.
  27. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Litvak A.G. Nonequilibrium plasma produced by microwave nanosecond radiation: parameters, kinetics, practical applications. // Ibid., V.1, P.187-208
  28. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., Колыско А.Л. Распад плазмы наносекундного СВЧ-разряда в воздухе // Прикладная физика, 1994, вып.4, С.38-43.
  29. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. A nitrogen laser excited by nanosecond microwave discharge. - J. Phys. D: // Appl. Phys., 1995, v.28, p.523-529.
  30. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Nanosecond microwave discharge as an ozone source in the upper atmosphere. // Physics Letters A, 1995, v.207, p.209-213.
  31. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Freon destruction in a nanosecond corona discharge.// Proc. of 17th symposium on plasma physics and technology. Prague, 1995, P.317-319.
  32. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., Kolisko A.L. Dynamics of ozone formation in nanosecond microwave discharge. //ICPIG-XXII. Hoboken (USA). 1995. V.1. P.123-124.
  33. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Разрушение фреона в наносекундном коронном разряде. //Труды конференции ФНТП, Петрозаводск, 1995, т.1, с. 57-60
  34. Вихарев А.Л., Иванов О.А. Неравновесная плазма, создаваемая наносекундным СВЧ излучением. // Труды конференции ФНТП, Петрозаводск, 1995, т.1, с. 66-69
  35. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Генерация озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в воздухе. //Письма в ЖТФ, 1995, Т.21, вып.9, С.26-31.
  36. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Litvak A.G. Creation of artificial ionized layer in the atmosphere by microwave nanosecond radiation. //In book: Microwave plasma and its applications. Ed. by Yu.A. Lebedev, Moscow Phys. Society, 1996, P. 391-405.
  37. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Определение эффективности разрушения фреона в распадающейся плазме наносекундного СВЧ разряда. //ЖТФ, 1996, Т.66, N.7, С.56
  38. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Litvak A.G. Nonequilibrium plasma produced by nanosecond radiation: parameters, kinetics, and practical applications. // IEEE Trans. Plasma Sci., 1996, v.24, №2, p.460-474.
  39. Ахмеджанов Р.А.,Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. О роли атомов кислорода O(3P) в разрушении фреона в наносекундном коронном разряде. //Письма в ЖТФ, 1996, Т.22, вып.3, С.29-36.
  40. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Исследование процессов разрушения фреона-113 в наносекундном коронном разряде. //ТВТ, 1997, т.35, №4, с. 524-537
  41. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Energy cost of ozone production in nanosecond microwave discharges. // Proc. XXIII Intern. conf. on plenomena in ionized gases. Toulouse, France, 1997, V.1, p. 272-273.
  42. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. The main chanels of freon dectruction in nanosecond corona discharge.// Ibid, p.274-275
  43. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Исследование процесса образования озона в наносекундном СВЧ разряде в воздухе и кислороде. // ЖТФ, 1997, т.67, №3, с.9-18.
  44. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., Колыско А.Л. Как штопать озоновые дыры. // В кн. Российская наука: Выстоять и возродиться. //М.: Наука. Физматлит, 1997, 368с.
  45. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Влияние электродинамической структуры СВЧ-разряда на эффективность диссоциации кислорода в воздухе. // Физика плазмы, 1997, т.23, №1, с. 58-67.
  46. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А. и др. Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода.// Письма в ЖТФ, 1998, Т.24, №20, С.6-11.
  47. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. Active microvawe pulse compressors employing oversized resonators and distributed plasma switches. //Advanced Accelerator Concepts, Eighth Workshop, Wes Lawson, C. Bellamy and D.F. Brosius eds., AIP. Conf. Proc.472, 975, 1998.
  48. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et. al. 100 MW active X-band pulse compressor. // IEEE Conf. of Partical Accelerator, New York, 1999, Proc. 1-5, 1474.
  49. Иванов О.А., Ахмеджанов Р.А., Иванова Л.С. Эволюция продуктов разрушения примеси фреона-113 в в воздухе под воздействием наносекундных коронного и микроволнового разрядов. // ТВТ, 1999, т.37, вып. 5, с.801-808.
  50. Ivanov O.A., Akhmedzhanov R.A., Ivanova L.S. Destruction of freon admixture in air in nanosecond microwave and corona discharges. //Proc. XXIV Intern. conf. on plenomena in ionized gases. Warsaw, Poland, 1999, V.1, p. 117-118.
  51. Гуревич А.В., Литвак А.Г., Вихарев А.Л., Иванов О.А. и др. Искусственная ионизованная область как источник озона в стратосфере .// УФН. 2000. Т.170.№.11. С.1181
  52. Gold S.H., Kinkead A.K., Nezhevenko O.A., Hirshfield J.L., Yakovlev V.P., Vikharev A.L., Ivanov O.A., et.al “High power accelerator R&D at the NRL 11,424-GHz magnicon facility, Advanced Accelerator Concepts, //AIP Conf. Proc. 2002
  53. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., Isaev V.A., Kuzikov S.V.,  Koldanov V.A., Hirshfield J.L. “Development and research of plasma switches of high power microwaves” //Proceedings of the International Workshop “Strong microwaves in plasmas.” N.Novgorod, /Ed. by A.G.Litvak, v.1, 2003, pp.270-275
  54. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A., et al. Microwave active pulse compression using plasma switches.// Proceedings the Int. Workshop. Strong microwaves in plasmas./ Ibid., pp.90-104.
  55. Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., и др.” Исследование активных СВЧ компрессоров, возбуждаемых излучением магникона на частоте 11,4 ГГц, //Изв. Вузов. Радиофизика, 2003, т.46, вып.10.C.897-906
  56. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A. et al., High-power test of a two channel X-band active RF pulse compressor using plasma switches. //High Energy Density and High Power RF, 6th Advanced Accelerator Concepts Workshop, edited by S.H.Gold and G.S.Nusinovich, AIP Conf. Proc., Melville, New York, 2003, 691, P.197-202.
  57. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A. et al., “Plasma Switch for X - Band Active SLEDII RF Pulse Compressor” Proceedings of the Eleventh Advanced Accelerator Concepts Workshop, Stony Brook, New York 21 – 26 June 2004, Editor Vitaly Yakimenko, (AIP conference proceedings vol. 737, p. 790-796)
  58. Иванов О. А., Лобаев М. А., Вихарев А. Л.,и др. Исследование мультипакторного разряда на поверхности кварцевых трубок в плазменных переключателях большой СВЧ мощности // Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП - 2004. Петрозаводск, т.2, с.139-144
  59. Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Ivanov O.A. et. al. “Experiments on active RF compressors using plasma switches,” // AIP Conf. Proc., v.47, 2005
  60. Vikharev A.L., Ivanov O.A., Gorbachev A.M., et. al. “Active compression of rf pulses” //Proceedings of the NATO Advanced Research (Workshop on Quasi – Optical Control of Intense Microwave, Nizhny Novgorod, Russia, 17 – 20 feb. 2004) NATO Science Series II vol. 203 “Quasi –Optical Control of Intense Microwave Transmission” edited by J. L. Hirshfield and M. I. Petelin, p.199 – 216. 2005
  61. Вихарев А.Л., Иванов О.А. “Плазмохимические процессы в плазме наносекундных СВЧ разрядов”. // Кн. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. VIII-I, гл.6. М. ЯНУС-К. 2006
 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.