WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 11 03;04;09;12 Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках © К.В. Александров, Л.П. Грачев, И.И. Есаков, В.В. Федоров, К.В. Ходатаев Московский радиотехнический институт РАН, 117519 Москва, Россия e-mail: esakov@dataforce.net (Поступило в Редакцию 23 января 2006 г.) На основе экспериментальных наблюдений вводится классификация электрических разрядов в воздухе среднего и высокого давления в квазиоптических пучках электромагнитного излучения СВЧ-диапазона длин волн. Определяются диффузный и стримерный, надкритический, подкритический и глубоко подкритический типы. Для каждого типа разряда для двух длин волн электромагнитного поля выясняются области их реализации в зависимости от давления воздуха и уровня поля.

PACS: 52.80.Pi Введение При указанной длительности ЭМ-излучения pul такие разряды являются сугубо динамическими объектами.

Рассматривается импульсный электрический разряд В процессе развития они, как правило, „распространяв воздухе в линейно поляризованных квазиоптических ются“ в пространстве преимущественно навстречу возпучках электромагнитного (ЭМ) излучения СВЧ-диа- буждающему их ЭМ-излучению. Свойства внутренних пазона длин волн [1–7]. При этом подразумевается областей этих разрядов существенно нестационарны.

разряд, который зажигается в следующих условиях: Эксперименты показывают, что такие разряды, зажженные в некотором диапазоне давлений воздуха p и — длина волны ЭМ-излучения от 1 до 10 cm;

соответствующем уровне исходного поля E0, способны —давление p исходного воздуха атмосферного состаэнергетически эффективно взаимодействовать с возбужва — от единиц до 760 Torr;

дающим их ЭМ-полем. Это дает основание рассматри— в исходном воздухе концентрация свободных элеквать различные варианты их практического применетронов определяется только естественными факторами;

ния [8].

— длительность ЭМ-импульсов с прямоугольной огиВ некоторых работах производится частичная классибающей pul — несколько десятков микросекунд;

фикация таких разрядов [1–3]. В настоящей работе эта — ЭМ-импульсы — одиночные или с паузами между классификация производится более целенаправленно, и ними, обеспечивающими отсутствие взаимного влияния для каждого из определенных типов разряда эксперименпоследовательных разрядов;

тально выясняется E0-p области их реализации. Экспе— разрядная область удалена от устройств, формирурименты выполнялись в ЭМ-пучках с = 8.9 и 2.5 cm.

ющих ЭМ-пучок, и близлежащих элементов конструкции на расстояния, не меньшие нескольких длин волн ЭМ-излучения ;

СВЧ-разряд в пучке ЭМ-волны — уровень электрической составляющей исходного с = 8.9 cm ЭМ-поля в разрядной области E0 незначительно превышает минимальный, критический пробойный уровень Эксперименты в квазиоптическом пучке ЭМ-волны с поля Ecr, обеспечивающий самостоятельный пробой воз = 8.9 cm выполнялись на установке, подробно описандуха при данном давлении p, или меньше его.

ной в работе [9].

Такие разряды отличаются как по способу их ре- В установке линейно поляризованное ЭМ-излучение ализации, так и по основным физическим факторам, длительноcтью pul = 40 µs фокусируется в центральной ответственным за формирование их пространственной области „безэховой“ герметичной камеры с размерами, структуры и свойств. Так, если при E0 > Ecr возмо- примерно равными 10. При этом фокусное пятно жен самостоятельный электрический пробой воздуха, имеет характерный поперечный размер в несколько то при E0 < Ecr пробой воздуха должен быть иници- сантиметров, а продольный — 10 cm. Максимальная ирован [3,6]. При низких давлениях воздуха структу- амплитуда поля E0 в фокусной области ЭМ-пучка в ра разряда и его свойства определяются в основном различных импульсах может варьироваться от 6.5 kV/cm ионизационно-полевыми процессами [5]. При сравни- до 100 V/cm. Давление воздуха p в рабочей камере тельно высоком давлении на формирование структуры устанавливается в диапазоне 3-760 Torr.

разряда и его свойства существенно влияют уже и В экспериментальных условиях самостоятельный протепловые процессы в газе [5]. бой воздуха осуществим только до p 100 Torr. При Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках ственная структура такого разряда зависит от давления воздуха. С ростом давления сравнительно однородное разрядное плазменное образование, заполняющее область ЭМ-пучка с E0 Ecr и в опытных условиях характерное для p < 10 Torr, разбивается на отдельные диффузные плазмоиды. Они могут быть вытянуты как вдоль вектора E0 [1,4,5], так и поперек его [4,5]. Надкритический СВЧ-разряд диффузного типа практически не поглощает энергию возбуждающего его ЭМ-поля.

Нагрев воздуха в области разряда не превышает нескольких десятков градусов [10].

На рис. 1, b представлено характерное изображение надкритического с E0 > Ecr стримерного типа разряда, горящего при давлении воздуха p > pthres. Такой разряд представляет собой сложную пространственноразвитую систему тонких плазменных каналов. Разряд зарождается на фоновом свободном электроне и формируется прорастающими и ветвящимися стримерными каналами. На ход ионизации воздуха в каналах существенно влияет ионизационно-перегревный процесс [5], а их удлинение и ветвление определяется величиной и распределением поля на их концах, головках. Отдельные участки плазменных каналов длиной, близкой к /2, электродинамически резонансно взаимодействуют с возбуждающим разряд ЭМ-полем. В результате СВЧ-разряд стримерного надкритического типа с пространственноразвитой структурой практически полностью поглощает ЭМ-энергию этого поля, что приводит к росту газовой температуры T в его резонансных плазменных каналах до тысячи градусов и выше. Именно это свойство такого типа разряда позволяет рассматривать различные способы его практического применения.

Рис. 1. Надкритический, с E0 > Ecr, СВЧ-разряд в квазиопВ то же время осуществить самостоятельный пробой тическом волновом пучке с = 8.9cm при pul = 40 µs: a — воздуха в ЭМ-поле сантиметрового диапазона длин диффузный (p = 15 Torr, E0 = 6.5kV/cm); b — стримерный волн при сравнительно высоких давлениях p воз(p = 130 Torr, E0 = 6.5kV/cm).

духа сложно. Так, даже предельно сфокусированный ЭМ-пучок имеет характерный поперечный размер фокального пятна. В результате из-за ограниченноэтом в опытах при давлении воздуха до нескольких де- сти импульсной мощности традиционных импульсных сятков Torr горел диффузный тип разряда. С превышени- СВЧ-генераторов Pgen величиной в 105-106 W, поле в ем же давления некоторого граничного, порогового зна- фокусе такого пучка E0, как правило, не превышает чения pthres диффузный тип разряда трансформируется нескольких kV/cm. Для самостоятельного же электрив стримерный тип. Характерные снимки этих разрядов ческого пробоя воздуха при p > 200 Torr нужны десятприведены на рис. 1. Это „интегральные“ фотографии, ки kV/cm [11]. Однако опыты показывают, что СВЧт. е. полученные с временем экспозиции exp pul. На разряд в квазиоптическом волновом пучке может быть них, как и на всех последующих аналогичных иллю- зажжен и в подкритическом поле при E0 < Ecr. Для страциях, СВЧ-излучение поступает слева, в вектор E0 пробоя газа в этом случае должны быть приняты спевертикален. циальные меры, т. е. пробой должен быть инициирован.

Рис. 1, a соответветствует одной из возможных ре- Один из методически разработанных способов инициализаций надкритического, с E0 > Ecr диффузного ти- ации СВЧ-пробоя заключается в помещении в ЭМ-пучок па разряда, горящего при давлении воздуха p < pthres. металлического шарика [12] или параллельного векПространственная структура и свойства такого разряда тору E0 ЭМ-вибратора [13]; при диаметре шарика определяются в основном ионизационно-полевыми про- 2a /2 поле на его полюсах, где вектор E0 перпенцессами, т. е. ход ионизации в разрядной области обу- дикулярен поверхности шарика, утраивается. При длине словлен взаимным динамическиим влиянием исходного ЭМ-вибратора 2L /2 и его диаметре 2a /2 поле поля и поля нарабатывающейся плазмы [5]. Простран- на полюсах вибратора возрастает многократно.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 54 К.В. Александров, Л.П. Грачев, И.И. Есаков, В.В. Федоров, К.В. Ходатаев Опыты показали, что в зависимости от давления воздуха подкритические инициированные СВЧ-разряда в волновом ЭМ-пучке, как и разряды в надкритическом поле, бывают диффузного и стримерного типа. При этом трансформация типа разряда от диффузного к стримерному также происходит при превышении давлением воздуха p величины граничного давления pthres.

Характерное изображение диффузного инициированного шариком подкритического разряда при величине поля E0 < Ecr и давлении воздуха p < pthres приведено на рис. 2. Плазменные области разрядов такого типа локализованы только около инициатора. При этом в зависимости от уровня поля или разрядная область плазменной дугой соединяет полюса инициатора (рис. 2), или диффузные плазменные „шапки“ локализуются только у Рис. 3. Подкритический, с E0 < Ecr, стримерный СВЧего полюсов. Воздух в плазме таких разрядов в течение разряд в волновом пучке ( = 8.9cm, pul = 40 µs, p = 360 Torr, времени их горения, как и у надкритических диффузных E0 = 6.5 kV/cm, разряд инициирован шариком с 2a = 5mm).

разрядов, нагревается лишь на десятки градусов.

Как указывалось, в опытах в подкритическом поле с E0 < Ecr при давлении воздуха p > pthres инициированный разряд реализуется в стримерной форме. Однако в В определенном диапазоне подкритичности поля при отличие от подкритических диффузных разрядов стриEcr > Eo > Ethres, где Ethres — некий граничный уровень мерный подкритический разряд бывает двух типов [14].

поля, стримерный разряд, зародившись на полюсах инициатора, способен „отрываться“ от него. В этом случае, так же как и в надкритическом поле, удлиняющиеся и ветвящиеся стримерные плазменные каналы формируют его пространственно-развитую структуру. Характерная фотография этого типа разряда приведена на рис. 3.

Изображение типичного элемента, набор которых, в основном, и формирует пространственную структуру подкритического, с E0 < Ecr, стримерного разряда, представлено на рис. 4. Отдельные участки этой „синусоиды“ с отростками на ее вершинах, параллельными вектору E0 исходного поля, являются электродинамически резонансными участками. Их наличие обеспечивает высокую эффективность энергетического взаимодействия подкритического разряда с пространственно-развитой стримерной структурой с возбуждающим его ЭМ-полем.

Температура T воздуха в резонансных плазменных участках такого разряда возрастает до тысяч градусов.

В результате в опытах в месте касания плазменных каналов поверхности инициатора, выполненного, например, из меди или алюминия, фиксируется ее испарение.

С уменьшением уровня исходного поля E0 ниже граничного уровня Ethres глубоко подкритический, с E0 Ecr, стримерный разряд теряет способность отрываться от инициатора. При экспериментах в полях такого низкого уровня пробой воздуха, как правило, инициировался ЭМ-вибратором. Стримерные плазменные каналы зажигающегося при этом глубоко подкритического разряда дугой соединяют концы вибратора или соединяют концы вибратора с его боковой поверхностью, или локализуются только у концов вибратора. Такая электродинамическая система, состоящая из Рис. 2. Подкритический, с E0 < Ecr, диффузный СВЧЭМ-вибратора и плазменных каналов, также характериразряд в волновом пучке ( = 8.9cm, pul = 20 µs, p = зуется резонансными свойствами. В результате газовая = 20 Torr, E0 = 7 · 102 V/cm, разряд инициирован шариком с 2a = 2.5mm). температура T в плазменных каналах и в этом случае Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Области реализации различных типов СВЧ-разряда в квазиоптических электромагнитных пучках способные отрываться от инициатора стримерные разряды с пространственно-развитой структурой и глубоко подкритические, с E0 Ecr, стримерные разряды с привязанными к инициатору плазменными каналами.

Линия 2 для pthres в определенном смысле условна.

В опытах есть некоторая область давлений воздуха, в которой идентифицировать диффузный или стримерный типа разряда затруднительно. На рис. 5 эта область заштрихована.

Во всем диапазоне давлений воздуха ниже линии есть некоторая узкая переходная область с E0 < Ecr.

В этой области малое отражение ЭМ-волны от инициированного подкритического разряда может приводить к самостоятельному пробою воздуха в ЭМ-пучке перед этим разрядом [3].

СВЧ-разряд в пучке ЭМ-волны с = 2.5 cm Рис. 4. Характерный структурообразующий элемент Эксперименты в квазиоптическом пучке ЭМ-волны с подкритического, с E0 < Ecr, стримерного СВЧ-разряда = 2.5 cm выполнялись на установке, подробно описанв волновом пучке ( = 8.9cm, pul = 40 µs, p = 150 Torr, ной в работе [16].

E0 = 1.2 V/cm, разряд инициирован ЭМ-вибратором с 2L = В этих экспериментах линейно поляризованное и 2a = 0.8mm).

ЭМ-излучение длительностью pul = 35 µs фокусируется в центральной области „безэховой“ герметичной камеры с размерами 16, фокусное пятно имеет характерный достигает тысяч градусов, что приводит к испарению поперечный размер. В продольном направлении поверхности вибратора в местах ее касания разрядными амплитуда поля в ЭМ-пучке существенно модулирована.

каналами.

В околофокусной области характерный период модуляТаким образом, из опытов следует, что в квазиоптичеции поля 1.5 cm. Вопытах отсутствует возможность ском ЭМ-пучке с = 8.9 cm наблюдаются следующие изменять мощность СВЧ-генератора Pgen 100 kW.

типы СВЧ-разряда: диффузный надкритический, стриВ последовательных импульсах она остается неизменмерный надкритический, диффузный подкритический, ной. При этом максимальная амплитуда поля в фокусстримерный подкритический и стримерный глубоко подной области ЭМ-пучка E0 = 3.7 kV/cm, а например, в критический. На рис. 5 показаны E0-p области реалиближайшем к нему минимуме E0 = 1.8 kV/cm. При удазации этих типов разряда [15], которые соответственно лении от фокуса вдоль оси ЭМ-пучка уровень поля E0 в обозначены цифрами I-V. Эти области определены в среднем значительно уменьшается. Давление воздуха p результате анализа набора интегральных фотографий в камере устанавливается в диапазоне 3-760 Torr.

разрядов, горящих при установленном в каждом конНа данной установке самостятельный пробой воздуха кретном опыте уровне исходного поля E0 и давлении в поле с E0 > Ecr осуществим только до p 80 Torr.

воздуха p.

Pages:     || 2 |



© 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.