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

1. Предмет исследований, обзор литературы.

Успехи в создании генераторов мощного СВЧ излучения и развитие средств радиолокации в сороковых годах 20-го века породили новое научное направление — физику газового разряда в электромагнитном поле СВЧ диапазона. Исследования были связаны с проблемой прочности волноводных трактов и созданием коммутирующих элементов в антенных переключателях. В связи с развитием космической техники проводились исследования электрической прочности антенных систем высоколетающих аппаратов.

В начале второй половины прошлого столетия была сформулирована идея, связанная с дальней передачей энергии с помощью мощного СВЧ излечения. К исследованиям в рамках специальной программы научных исследований был привлечен ряд организаций. Важное место в этой программе занимали исследования газоразрядных явлений в мощном потоке СВЧ излучения и, в частности, разряд в фокусе СВЧ излучения, названный впоследствии свободным.

По-видимому, впервые свободный безэлектродный разряд в фокусе СВЧ излучения, удаленный от излучателя и каких-либо других элементов конструкции, был получен в 1959 году в СССР при исследовании проблемы газоразрядной безопасности бортовых антенн высоко летающих объектов [1, 2]. Фотография этого разряда, полученного в фокусе СВЧ излучения, приведена на Рис. 1. Фокусировка излучения осуществлялась с помощью.

Рис. 1.Фотография свободно локализованного разряда в фокусе СВЧ излучения, длина волны Х=3ст, давление воздуха — 3 Torr.

Схема реализации свободного безэлектродного СВЧ разряда, примененная в этом эксперименте, показана на Рис. 2. Она стала типичной во всех последующих исследованиях. Вместо линзы применялись также и вогнутые металлические зеркала.

Рис. 2. Схема реализации свободно локализованного СВЧ разряда. 1 -СВЧ генератор, 2 — элементы формирования сфокусированного излучения, 3- разряд, 4 — вакуумная камера.

Электромагнитные колебания, создаваемые генератором 1, с помощью антенной системы 2 излучаются в виде сходящегося квазиоптического пучка с образованием фокуса 3. Термин «квазиоптический пучок» подразумевает, что в направлениях, поперечных вектору распространения ЭМ поля, он имеет характерный размер в несколько полуволн. В безэховой камере 4, откачиваемой до заданного давления, в фокусе, где амплитуда электрического поля максимальна, возникает разряд.

Несколько позднее в 1962 году независимо был получен разряд в фокусе излучения на длине волны 3 cm в аргоне при мощности генератора 2 kW [3].

В число основных организаций, привлеченных к исследованиям разряда в потоке мощного СВЧ излучения, входили НИИ Радиоприборостроения (г.Москва), ФГУП «МРТИ РАН» (г.Москва), ИОФ РАН (г.Москва), ИПФ РАН (Нижний Новгород), МГУ им. М. В. Ломоносова, МГТУ им. Н. Э. Баумана (г.Москва), ОИВТ РАН (г.Москва), ФТИ им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург). В этих институтах были созданы специализированные установки, среди которых особо можно отметить уникальную по своим параметрам многофункциональную установку ДОР-2 [4], на которой были получены важные данные о свободных разрядах в фокусе излучения с длиной волны 4.3cm.

К началу 90-х годов был накоплен большой массив наблюдательных и теоретических данных о свободном разряде в СВЧ волновых полях в диапазоне длин волн 0.8-^10 cm, давления 0,1-^760 Torr, длительности импульса излучения Н800 fis, и плотности потока энергии в фокусе Ю'-ЧО5 W/cm. Результаты исследований нашли отражение в обзорных работах, монографиях и сборниках [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

Полученные сведения коротко можно свести к следующему.

Для разных длин волн сантиметрового диапазона получены зависимости пробойного уровня поля от давления, длительности, импульса, при программированном воздействии и пр. [13]. Полученные данные не противоречат данным, приведенным в работе [14].

Определена зависимость скоростей реакций ионизации электронным ударом и других важных констант в СВЧ поле от параметра Е/р [15, 16], где Е — амплитуда колебаний электрического поля, р — давление газа (преимущественно воздуха) при комнатной температуре.

Вид разряда сильно меняется в зависимости от давления газа и длительности импульса. ' С ростом давления разряд при длительности ' импульса короче 100 цб меняется от диффузного в виде почти однородных плазмоидов, возникающих в максимумах поля в районе фокуса, к многоплазмоидному [17] и далее к многонитевому [18, 19]. Граничные значения давления, разделяющие типы разрядов, тем выше, чем короче длина волны, и зависят от сорта газа.

Названные типы разрядов проявляются в различных газах, что свидетельствует об универсальности механизмов развития разряда.

Происхождение филаментации диффузионного разряда связывается с механизмом ионизационно-перегревной неустойчивости, теория которой [20] модернизирована применительно к однородной плазме в однородном волновом поле [21, 22, 23, 24, 25, 26, 19, 27, 28, 29, 30, 31]. В слабостолкновительной плазме (у/со<1, малые давления) взаимодействие с полем, определяемое рефракцией, приводит к образованию характерных чашеобразных плазмоидных структур, наблюдаемых в экспериментах на всех используемых длинах волн [32].

Стримерный разряд способен распространяться в поле, уровень которого много меньше пробойного (критического) значения и может быть инициирован созданием локального увеличения поля на остриях металлических предметов, в качестве которых использовалась т.н. «метелка» [33, 34], снижением плотности газа с помощью искрового разряда (электродного или лазерного [35]) или за счет возбуждения молекул газа.

Развитие импульсного стримерного разряда сопровождается его распространением в основном в сторону источника излучения со скоростью несколько километров в секунду [27,36].

Оценки и частные измерения указали на высокую температуру газа в каналах инициированного разряда вплоть до нескольких тысяч Кельвин при радиусе большем или порядка 0.01 ст. Ионизация в них может достигать величины порядка 1% [37].

Стримерные каналы окружены плазменным ореолом, происхождение которого предположительно объясняется либо линейчатым, либо тормозным ультрафиолетовым излучением [38, 39].

В случае линейной поляризации поля филаментарный и стримерный типы разрядов развиваются преимущественно в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля. При круговой поляризации такой асимметрии не наблюдается [28].

Нагрев продуктов развитого стримерного разряда последующим излучением малого (сильно подкритического) уровня большой длительности, приводит к общему нагреву всей фокусной области, занятой разрядом, так что разряд переходит в форму однородного плазмоида, названного свободно локализованным равновесным СВЧ разрядом [40, 41, 42]. Скорость распространения такого разряда мала и определяется мощностью нагрева и теплопроводностью' [43]. ' Результаты экспериментальных исследований физических механизмов распространения СВЧ разрядов как в волноводах, так и в пучке излучения, обобщены в [44].

Наблюдаемые пространственные формы каналов подкритического стримерного разряда навели на мысль об аналогии с антенными системами [45, 46, 47, 48, 49]. Классификация форм СВЧ импульсного разряда была дополнена подкритическим типом разрядов с приближенным определением области его существования для излучения с длиной волны 4.3 сш [50].

Полуаналитические модели и неполное численное моделирование начальной стадии развития разряда высокого давления свидетельствуют в пользу высказанного предположения о стримерной природе его распространения [51, 46].

Распространение внешних (по отношению к разряду) ударных волн в продуктах импульсного подкритического стримерного разряда сопровождается их сильной деструкцией [52, 53, 54].

СВЧ разряды способны оказывать существенное влияние на физико-химические процессы в газовых смесях, в частности, на процессы горения [55].

Проведенные исследования дали основание для формулирования ряда предложений по использованию СВЧ разрядов, опирающихся на возможность их дальнего воздействия [5].

Дальнейшее развитие физики СВЧ разрядов в значительной мере происходило в рамках сформировавшегося направления плазменной аэродинамики. В работу в формирующемся направлении исследований постепенно подключились научные организации США, Великобритании, Франции и других стран [56].

Технология стримерных разрядов в проблемах плазменной аэродинамики могут сыграть исключительно важную роль, поскольку импульсные стримерные СВЧ разряды сопровождаются газодинамическими процессами, тем более мощными, чем выше давление [57, 58, 59].

Формулирование задач аэрокосмических приложений стимулировало проведение целенаправленных исследований физики СВЧ разрядов, их свойств в условиях, типичных для приложений.

Работы, обобщенные в диссертации, выполнялись в русле этого направления. Результаты исследований, включенные в диссертацию, отражены в публикациях, список которых приведен в разделе Список публикаций соискателя по теме диссертации.

2. Цели исследований.

Целью исследований являлось изучение свойств СВЧ разрядов с позиций возможности их применения в решении прикладных проблем. Помимо имевшихся к началу работ большого объема экспериментальных и теоретических данных потребовались дополнительные исследования.

Особенно это касалось высоких газовых давлений, поскольку этот диапазон диктовался условиями ряда возможных актуальных приложений. Прежде всего, потребовалась реализация СВЧ разряда в квазиоптическом ЭМ пучке в различных исходных условиях и определение энергетической эффективности взаимодействия разрядной плазмы с возбуждающим её ЭМ полем, поскольку этот параметр в значительной мере определяет практическую ценность СВЧ разряда, а, следовательно, необходимость подробного исследования его свойств в зависимости от длины волны излучения в различных условиях (в скоростных потоках реального воздуха и горючих смесей, в струях при инжекции, в объеме и на поверхности), а также, выявление определяющих физических механизмов, ответственных за формирование структуры разряда и его свойств, знание которых необходимо для построения адекватных теоретических моделей СВЧ разрядов, обладающих сложной структурой.

3. Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований импульсного разряда в надкритическом СВЧ поле на X = 8.9 ст. Показано, что развитие надкритического импульсного СВЧ разряда на 1=8.9 cm в диапазоне v/g)=R100 начинается с быстрого распространения диффузной формы с заполнением области надкритического поля с последующим формированием нитевидной структуры. В диапазоне l<50, наблюдения полностью коррелируют с наблюдениями на более коротких 1 при тех же значениях v/co.

2. Результаты исследования физического явления: самосжатия СВЧ тока в резонансном стримерном канале магнитным давлением (СВЧ пинч-эффект) и крупномасштабных МГД неустойчивостей плазменного канала. Впервые наблюдался СВЧ пинч-эффект при разряде в открытом высокодобротном резонаторе при высоком давлении на 1=8.9 cm и 1=4.3 ст. Развитие разряда в этом случае начинается ростом вытянутого вдоль Е канала, развивающегося со скоростью, до 100 km/s, в полном соответствии с представлением о стримерном механизме развития разряда высокого давления в надкритическом поле. Стример достигает резонансной длины, и почти полностью опустошает резонатор. Темп опустошения резонатора, свидительствует о резонансном характере взаимодействия разряда с полем. При уровне поля в резонаторе, превышающем критическое, и давлении газа, превышающем пороговое значение, развитие разряда сопровождается образованием перетяжки (одной или более). При давлении водорода выше 5 атмосфер наблюдается развитие змейковой моды возмущения, не приводящей к развалу токового • li канала. Развитие наблюдаемых неустойчивостей качественно и количественно объясняется проявлением самосжатия токового СВЧ канала усредненным магнитным полем тока, наведенного в стримере при достижении электродинамического резонанса.

3. Результаты исследования методов калиброванной инициации разряда в подкритическом и глубоко подкритическом иоле СВЧ волны. Предложен и разработан метод калиброванной инициации разряда пассивным прямолинейным (или кольцевым) ЭМ вибратором или системой ЭМ вибраторов и на его основе создан простой метод измерения абсолютного значения напряженности СВЧ поля с помощью калиброванного вибратора (проще всего, металлического шарика малого размера), облучаемого УФ, помещаемого в точку измерения.

4. Результаты исследования пространственной структуры, динамики развития и основных свойств СВЧ разряда стримерного типа в подкритическом поле квазиоптического ЭМ пучка на длинах волн 8.9cm и 2.4 cm. Определены границы существования инициированного стримерного разряда в подкритическом поле квазиоптического электромагнитного пучка на X = 8.9 cm и 2.4 cm и переходной зоны от диффузного к стримерному типуПоложение середины этой зоны оценивается соотношением р<�цгЛ~ 250 Torr-cm. Полученные данные относительно границ существования подкритического стримерного разряда для разных длин волн согласуется с результатами теоретической оценки, основанной на ограниченности способности стримера создавать необходимую надкритичность поля на его голове.

5. Результаты исследования разряда, инициированного в глубоко подкритическом поле. Глубоко подкритический разряд выделен в отдельный тип разряда. Исследована эффективность взаимодействия прямолинейного, резонансного вибратора, нагруженного глубоко подкритическим разрядом, с СВЧ полем. Определено сечение поглощения системы вибратор — глубоко подкритический разряд в свободном пространстве и присутствии рефлектора. Показана и частично исследована способность глубоко подкритического разряда, инициированного прямолинейным резонансным вибратором, выполненным в виде инжектора топливной смеси, инициировать и поддерживать горение смеси массовым коэффициентом избытка топлива, большим 0.2. Исследованы свойства глубоко подкритического разряда, инициированного кольцевым резонансным вибратором. Показано, что такой разряд способен квазистационарно существовать в потоке воздуха атмосферного давления, создавая зону энерговыделения размером около 0.1 cm, поднимая температуру в следе в приповерхностном слое.

6. Результаты исследования СВЧ подкритических разрядов, инициированных на поверхности диэлектрика. Порог пробоя на поверхности диэлектрика с инициатором или без него совпадает с порогом пробоя в отсутствие диэлектрика. Область существования поверхностного разряда совпадает с областью существования объемного подкритического стримерного разряда. Свойства стримерных каналов поверхностного разряда идентичны при прочих равных условиях свойствам каналов объемного стримерного разряда. Структура • стримерной сети поверхностных разрядов в отличие от структуры объемных разрядов характеризуется образованием ячеек с размерами Л/4 вдоль вектора Е и !/8 поперек вектора Е. При малой подкритичности и угле падения излучения на поверхность с инициатором большем нуля, наблюдается одновременное развитие поверхностного и объемного разрядов. Свойства поверхностного подкритического стримерного разряда не зависят, от материала и толщины диэлектрика, что свидетельствует о несущественности влияния физико-химических процессов на развитие разряда по поверхности диэлектрика. '.

7. Результаты исследований по контролю газодинамических потоков с помощью, СВЧ разряднойтехнологии. Экспериментально показана возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке за счет выделения СВЧ мощности перед головной УВ и в донной частивозможность создания боковой силы на профиле, обтекаемом скоростным потоком воздуха, за счет энерговыделения в поверхностном подкритическом разряде. Получена зависимость силы от выделяемой мощности. Экспериментально показано, что распространение УВ через область стримерного разряда после его завершения сопровождается ее деструкцией.

8. Результаты исследований по инициации и стабилизации горения в скоростных потоках горючих смесей. Экспериментально показана способность подкритического и глубоко подкритического разрядов инициировать и поддерживать горение в модельной горючей смеси при скорости потока смеси до 200 m/s. '. • .

4.-Формальные основания представления диссертации Актуальность проблемы.

Известно, что одной из ключевых проблем, сдерживающих развитие перспективных. летательных аппаратов (ЛА), являются трудности, связанные проблемой организации высокоскоростного горения топливных смесей и проблемами управления полетом ЛА. Ведущие мировые исследовательские лаборатории прилагают большие усилия по поиску новых методов зажигания и стабилизации горения смеси в скоростном потоке и управления скоростными потоками. В международном научном сообществе с нарастающей активностью обсуждаются методы воздействия плазмы газовых разрядов на параметры горения в каналах силовых установок и течения вокруг ЛА. Большое место отводится обсуждению этой проблемы на самых авторитетных конференциях по астронавтике и аэронавтике (в частности, на регулярных конференциях Американского Института Астронавтики и Аэронавтики, AIAA, во Франции, ONERA, на Международной конференции European Conference, for Aerospace Sciences, состоявшейся в Москве в 2005 г. под патронажем ONERA). Работы в этом направлении ведутся в США (AF, NASA), Франции (ONERA), Великобритании (British Aerospace, University of Liverpool, University of Bristol) и во многих других научных центрах. Наиболее интенсивно работы ведутся в C1IJA (Boeing Inc., John Hopkins University, NASA Langley Research Base, NASA Dryden Flight Research Base, Princeton University, Old Dominion University, Wright-Patterson AF Base, State University of New Jersey, Northrop Grumman Corporation, Eagle Aeronautics Дпс, Lockheed Martin Aeronautics, Air Force Research Laboratory, Rutgers University, Orbital Research Inc., Naval Research Laboratory, AF Space Command/XPY, Naval Surface Warfare Center, NASA Glenn Research Center, US AF Academy, AF Office of Scientific Research и др.).

Зарубежные исследователи в своих работах для создания газоразрядной плазмы обычно используют различные-типы электрических разрядов. Это разряды постоянного тока в потоке, барьерные разряды (DBD), эрозионные разряды, микроволновые разряды и др.

В России также идут работы по изучению физических основ методов воздействия плазмы газовых разрядов на параметры горения в силовых установках. Они проводятся в ФГУП «МРТИ РАН», МГУ им. М. В. Ломоносова, Московский физико-технический институт (г.Долгопрудный), ОИВТ РАН, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (С-Петербург) и др. В них также обычно используются все вышеперечисленные типы электрических разрядов. Результаты исследований в данном направлении известные к настоящему времени указывают на то, что наибольшие перспективы применения имеют СВЧ разряды.

Научная новизна.

В диссертационной работе систематически изложены результаты экспериментальных исследований СВЧ разряда в воздухе и ряде других газов в квазиоптическом пучке на длинах волн 8.9cm и 2.4cm и в открытом двухзеркальном резонаторе на длине волны 8.9cm и 4.3cm.

Впервые получен и исследованы СВЧ пинч-эффект — удержание плазмы стримерного канала усредненным магнитным полем наведенного в нем СВЧ тока и магнитогидродинамические неустойчивости, свойственные токовому каналу в условиях магнитного самосжатия.

Показано, что подкритический стримерный СВЧ разряд и глубоко подкритический СВЧ разряд взаимодействует с возбуждающим его ЭМ полем с высокой эффективностью.

Показан резонансный характер взаимодействия подкритического стримерного разряда с полем как отдельных фрагментов его структуры, так структуры в целом. Выявлена принципиальная необходимость ветвления стримерных каналов для развития в волновом поле и причины распространения ему навстречу.

Исследованы свойства подкритического и глубоко подкритического разрядов в условиях, типичных для ряда приложений. Показана принципиальная возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке с кпд, превышающем единицу, и создания боковой силы с помощью СВЧ разряда. Показана и исследована способность подкритических и глубоко подкритических СВЧ разрядов инициировать и поддерживать горение в топливных смесях в различных вариантах инжекции в диапазоне коэффициента избытка топлива.

Практическая значимость.

Практическая ценность выполненных исследований определяется выявленной высокой энергетической эффективностью взаимодействия стримерного подкритического и глубоко подкритического СВЧ разрядов с ЭМ полем квазиоптического ЭМ пучка, что явилось основанием для развертывания поисковых работ по их применению в ряде конкретных предложений по использованию этих видов СВЧ разряда в практических устройствах. В ходе этой проработки на существующих установках выполнен ряд экспериментов, показывающих на количественном уровне реальность этих предложений.

Данные типы разрядов могут быть использованы в плазменной газодинамике для управления характеристиками как дозвуковых, сверхзвуковых, так и гиперзвуковых летательных аппаратов. Выполненные эксперименты показали влияние этих разрядов на лобовое сопротивление модели и на боковые управляющие силы. В этой связи с участием автора диссертации в настоящее время ведутся исследования различного вида стримерных СВЧ разрядов на поверхности диэлектрика." .

Используемые в исследованиях для оценки температуры плазменных каналов СВЧ разряда опыты по его зажиганию в модельной горючей смеси показали возможность поджига и стабилизации горения этой смеси в режиме ее высокоскоростного течения по разрядной области. При этом поджигается и весьма бедная смесь. Эти наработки позволяют рассматривать возможность применения таких разрядов в прямоточных реактивных двигателях и в наземных газотурбинных установках.

На основе полученного в эксперименте факта поджига бедной горючей смеси подкритическим стримерным разрядом сформулировано предложение по использованию этого разряда в поршневых двигателях внутреннего сгорания нового поколения.

На основании полученных экспериментальных данных ведутся исследования возможности использования СВЧ разряда в плазмотронах с вихревой подачей газа и по использованию СВЧ разряда в установках по газификации низкокалорийных углей и бытовых отходов.

Достоверность полученных результатов.

Исследования проводились на нескольких установках с разными длинами волн в широком диапазоне значений параметров и при разных условиях. Сопоставление данных, полученных на разных установках с участием автора и установках других исследовательских групп, показали отсутствие противоречий. Результаты экспериментов многократно обсуждались с ведущими отечественными и зарубежными специалистами. Работа поддерживается в течение ряда лет грантами 18ТС и СМЖ Все это свидетельствует о достоверности полученных результатов.

Апробация работы.

Результаты исследований, положенных в основу настоящей диссертации, докладывались на различных всероссийских и международных конференциях. В их числе: III Всесоюзная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (1989, г. Новосибирск) — 2-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (май 1995, г. Иваново) — 4-я Международная конференция «Strong microwaves in plasma» (август 1999 г., Нижний Новгород) — Международное совещание по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, ИВТАН, 2000 г, 2003 г.) — Ill — VI Международный симпозиум «Термохимические и плазменные процессы в аэродинамике» (Санкт-Петербург, 2002 г., 2004 г., 2006 г., 2008 г.) — 32nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference and 4th Weakly Ionized Gases Workshop (11−14 June 2001, Anaheim, CA), 41st — 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008) Reno, NV- 2nd International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC) (19−21 September 2006, 2007 и 2008 г. Quality Inn Governor Falls Church, Virginia, U.S.A.) — Восьмая международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 4−13 июня 2008, 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2009, Orlando, Florida), 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January 2010, Orlando, Florida). Сборники трудов этих конференций опубликованы.

5. Личный вклад автора и публикации.

К личному вкладу соискателя следует отнести следующее. (Соответствующие ссылки на публикации будут даны в основных главах диссертации.).

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

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

При непосредственном участии автора диссертации в экспериментах были исследованы универсальные виды СВЧ разряда в квазиоптическом ЭМ пучке. В этих экспериментах в воздухе были реализован стримерный вид пространственно-развитого СВЧ разряда в надкритическом поле и в подкритическом поле на длине волны 8.9cm. В экспериментах с участием соискателя был реализован стримерный глубоко подкритический привязанный к инициатору СВЧ разряд в воздухе. В опытах было показано, что выявленные виды СВЧ разрядов являются универсальными и для других газов, с некоторыми их особенностями.

Соискателем был разработан и использован в экспериментах способ измерения средней по объему газовой температуры СВЧ разряда среднего давления путем зондирования его слабой ударной волной.

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

Изучение динамики развития стримерного вида инициированного подкритического СВЧ разряда с пространственно-развитой структурой позволило определить роль СВЧ стримерного механизма в ее формировании. В процессе этих исследований было также выявлено влияние электродинамических факторов и связанных с ними резонансных явлений на конкретную геометрию подкритического СВЧ разряда и способность этого вида разряда и глубоко подкритического СВЧ разряда энергетически эффективно взаимодействовать с возбуждающим разряд ЭМ полем.

Выполненные при непосредственном участии соискателя эксперименты по исследованию безэлектродного СВЧ разряда в воздухе в открытом резонаторе подтвердили выполненные ранее сотрудниками НИИ Радиоприборостроения и ИОФ РАН эксперименты, показывающие характер распределения поглощенной резонансным разрядным каналом энергии ЭМ поля по длине этого канала. При участии соискателя была выявлена роль перетяжечной неустойчивости токового плазменного СВЧ канала в воздухе на это распределение. Эксперименты показали роль этой неустойчивости и в плазменном резонансном канале СВЧ разряда в водороде. При участии соискателя было впервые обнаружено явление изгибной неустойчивости резонансного плазменного токового СВЧ канала в воздухе и в водороде.

При непосредственном участии соискателя была восстановлена и модернизирована установка ДОР-2 с А,=8.9ст [60]. При этом соискателем на созданной установке ИР-8 был проведены ряд оригинальных исследований СВЧ разряда в режиме «стоячей» волны в квазиоптическом двухзеркальном резонаторе. Кроме того, эта установка была модернизирована для проведения исследований в режиме «бегущей» квазиоптической ЭМ волны. Под руководством и при непосредственном участии соискателя были созданы новые экспериментальные установки с Я.=2.5сш и Х"12.5сш. При участии соискателя установка с А,=4.3ст [4], работающая в режиме бегущей волны, была модернизирована для проведения опытов с СВЧ разрядами в режиме стоячей волны с высокодобротным открытым двухзеркальным резонатором.

Указанные достижения были получены лично автором диссертации, при его личном участии и под его руководством. Соискатель являлся и является руководителем Проектов МНТЦ (ISTC) № 1840, № 2429, № 3572 и Проектов АФГИР (CRDF) по программам GAP и FSTM: UKE2−1508A-KV-05, IJKE2−1518A-KV-07 и RUP2−5 071-MO-07.

В экспериментальных работах в течение многих лет основными соратниками были Л. П. Грачев, К. В. Александров, В. В. Федоров, Г. И. Мишин, М. П. Князев, Б. А. Шарай. Н. И. Грицов, М. Ю. Никитин, В. В. Цыпленков и др. Всем им автор приносит искреннюю благодарность. .

Основные результаты исследований соискателя опубликованы в 39 статьях в различных отечественных и зарубежных журналах («Физика плазмы», «Известия СО АН СССР, Сер. технических наук», «Радиотехника и электроника», «Прикладная физика», «ЖТФ», «Письма в «ЖТФ», «Applied physics letters», «IEEE Transactions on Plasma Sciences»), итоговых отчетах по Проектам МНТЦ и АФГИР (см. раздел Список публикаций, соискателя по теме диссертации). ¦

6. Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, 9 глав, Заключения, спискалитературы.- '. '" ч, — - ••-'-.¦¦ .У:.:'/' ¦

Выводы.

S Экспериментально показана теоретически предсказанная [152] возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке за счет выделения СВЧ мощности в донной части.

S Экспериментально показана теоретически предсказанная возможность создания боковой силы на профиле, обтекаемом скоростным потоком воздуха, за счет энерговыделения в поверхностном подкритическом разряде получена зависимость силы от выделяемой мощности.

S Экспериментально показана теоретически предсказанная возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке за счет выделения СВЧ мощности перед головным скачком с кпд, существенно большим единицы.

S Экспериментально показана способность подкритического и глубоко подкритического разрядов инициировать и поддерживать горение в модельной горючей смеси при скорости потока смеси до 200 m/s.

Заключение

.

Проведено комплексное исследование различных типов газового разряда в потоке СВЧ излучения на разных длинах волн сантиметрового диапазона в широком диапазоне давления газа и уровня плотности потока энергии излучения в импульсном и непрерывном режимах в сложных постановках, имитирующих типичные ситуации реальных условий. Особое внимание уделялось экспериментальным исследованиям разрядов, инициированных в поле с уровнем меньшем и много меньшем критического значения. Использование максимально возможной в лабораторных условиях длины волны излучения, при которой еще возможно воссоздавать условия квазиоптики (8.9 сш и 12.3 сш), позволило исследовать структурные особенности формирования подкритических стримерных разрядов и понять основные закономерности, определяющие их развитие.

Исследование феноменологии СВЧ импульсного разряда в надкритическом СВЧ поле на длине волны 8.9 cm показало, что в диапазоне средних значений давления воздуха (l<50) его свойства полностью коррелируют с таковыми на более коротких длинах волн при тех же значениях v/ro. Исследования динамики развития надкритического импульсного СВЧ разряда на длине волны 8.9 cm в диапазоне значений параметра v/to>50 показало, что его развитие начинается с быстрого распространения диффузной формы с заполнением области надкритического поля последующим формированием нитевидной структуры. Формирование плазмоидных структур с четвертьволновым периодом в диффузных надкритических разрядах требует дальнейших теоретических исследований.

Использование открытого резонатора, играющего роль накопителя СВЧ энергии с высокой плотностью энергии в объеме и высоком уровне электрического поля, позволило провести исследование разрядных явлений при давлении газа в несколько атмосфер и обнаружить новое физическое явление — СВЧ пинч-эффект безэлектродного прямолинейного разряда. СВЧ пинч наблюдался при разряде в открытом высокодобротном резонаторе при давлении газа выше атмосферного на длинах волн A=8.9 cm и А,=4.3 ст. Развитие разряда в резонаторе при высоком давлении начинается с единичного электрона с образованием вытянутого вдоль поля канала, концы которого развиваются со скоростью, нарастающей от 10 до 100 km/s при выходе на резонанс, в полном соответствии с представлением о стримерном механизме развития разряда высокого давления в надкритическом поле. Стример достигает длины, близкой к резонансной, и почти полностью опустошает резонансный накопитель. Темп, в котором происходит опустошение накопителя, свидительствует о резонансном характере взаимодействия стримерного разряда с полем. При уровне поля в резонаторе, превышающем пороговое значение в несколько раз и давлении в несколько атмосфер, развитие разряда сопровождается образованием перетяжки в центральной области (одной или более) со следами повышенного энерговыделения в ней. При давлении водорода выше 5 атмосфер наблюдается развитие змейковой моды возмущения большой амплитуды, не приводящее, тем не менее, к развалу токового канала. Развитие наблюдаемых неустойчивостей качественно и количественно объясняется проявлением самосжатия токового СВЧ канала усредненным магнитным полем тока, наведенного в стримере при достижении электродинамического резонанса. Параметры плазмы в токовом канале резко возрастают с увеличением давления газа. Пинч-эффект в безэлектродном СВЧ стримерном разряде получен и исследован впервые.

Для уверенной инициации подкритических и глубоко подкритических разрядов были предложены и исследованы калиброванные резонансные и дорезонансные инициаторы различной конфигурации и системы инициаторов. Для тонких вибраторов различной геометрии получены зависимости коэффициента увеличения поля и их резонансной длины от радиуса проводника. Предложен и разработан простой метод измерения абсолютного значения напряженности СВЧ поля с помощью калиброванного вибратора (проще всего, металлического шарика малого размера), облучаемого УФ, помещаемого в точку измерения. Разработана теория учета диффузионных потерь электронов на шарик, позволяющая ввести поправку.

Исследования пространственной структуры, динамики развития и основных свойств разрядов, инициированных в подкритическом поле на длинах волн 8.9 сш и 2.4 ст, подтвердили, в основном, полученные ранее сведения и внесли существенные дополнения, позволившие понять и промоделировать основные закономерности, определяющие распространение стримерного разряда в подкритическом поле. В результате исследований инициированных разрядов в подкритическом поле определены границы существования инициированного стримерного разряда и переходной зоны от диффузного к стримерному типу в зависимости от длины волны излучения. Середина переходной зоны от диффузного разряда к стримерному оценивается соотношением рй/ -Я^250Тогг-сш Полученные данные относительно границ существования подкритического стримерного разряда для разных длин волн вполне удовлетворительно согласуется с результатами теоретической оценки, основанной на ограниченности способности стримера создавать необходимую надкритичность поля на его голове.

Глубоко подкритический разряд выделен в самостоятельный тип разряда, как представляющий особый интерес с точки зрения приложений. Исследована эффективность взаимодействия прямолинейного резонансного вибратора, нагруженного глубоко подкритическим разрядом, с СВЧ полем. Определено сечение поглощения системы вибратор — глубоко подкритический разряд в свободном пространстве и присутствии рефлектора 0.24-Х, 2. Показана и частично исследована способность глубоко подкритического разряда, инициированного прямолинейным резонансным вибратором, выполненным в виде инжектора топливной смеси, инициировать и поддерживать горение смеси массовым коэффициентом избытка топлива, большим 0.2. Исследованы свойства глубоко подкритического разряда, инициированного кольцевым резонансным вибратором. Показано, что двухэлектродный разряд способен квазистационарно существовать в потоке воздуха атмосферного давления, создавая локальную зону энерговыделения с характерным размером порядка 0.1 cm, поднимая температуру в следе в приповерхностном слое над диэлектрической поверхностью, обтекаемой потоком.

Отдельную форму инициированных подкритических разрядов представляют стримерные разряды на поверхности диэлектрических тел. Порог пробоя на поверхности диэлектрика с инициатором или без него совпадает с порогом пробоя в отсутствие диэлектрика независимо от ориентации поверхности диэлектрика относительно вектора Пойнтинга падающего излучения. Область существования поверхностного разряда совпадает с областью существования объемного подкритического стримерного разряда. Свойства стримерных каналов поверхностного разряда (радиус, интенсивность свечения, скорость распространения) идентичны при прочих равных условиях свойствам каналов объемного стримерного разряда. Структура стримерной сети поверхностных разрядов отлична от структуры объемных разрядов и характеризуется образованием ячеек с размерами А/4 вдоль вектора электрического поля и А/8 поперек вектора электрического поля. При малой подкритичности (Есг/Ео<2) и угле падения волны излучения на поверхность с инициатором, большем нуля, наблюдается одновременное развитие поверхностного и объемного стримерного разряда. Свойства поверхностного подкритического стримерного разряда не зависят от материала и толщины диэлектрика, что свидетельствует о несущественности влияния физико-химических процессов на предпочтительность распространения разряда по поверхности диэлектрика и с указанным в работе [49] уровнем поля при длине волны излучения 4.3 cm, примерно равным 1 kV/cm.

Экспериментальные исследования по контролю газодинамических потоков с помощью СВЧ разрядной технологии подтвердили теоретически предсказанную возможность снижения лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке за счет выделения СВЧ мощности перед головным скачком с кпд существенно большем единицы и за счет выделения СВЧ мощности в донной части. Экспериментально подтверждена теоретически предсказанная возможность создания боковой силы на профиле, обтекаемом скоростным потоком воздуха, за счет энерговыделения в поверхностном подкритическом разряде, получена зависимость силы от выделяемой мощности. Зондирование области разряда слабой ударной волной показало, что распространение ударной волны через область стримерного разряда непосредственно после его завершения сопровождается ее полной деструкцией.

Экспериментальные исследования по инициации и стабилизации горения в скоростных потоках горючих смесей показали способность подкритического и глубоко подкритического разрядов инициировать и поддерживать горение в модельной горючей смеси при скорости потока смеси до 200 m/s.

Выявленные свойства стримерных СВЧ разрядов указывают на их перспективность для различных приложений как в области плазменной аэродинамики, так и в области плазменно-стимулированного горения и позволяют рассматривать различные варианты их практического применения. Физические принципы, положенные в основу некоторых из этих вариантов, прошли проверку на лабораторном уровне, которая подтвердила их перспективность.