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:

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;

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;

Анализ перспектив и разработка основ использования свободно локализованного наносекундного СВЧ разряда в лазерной технике, плазмохимии, экологии и исследованиях атмосферы;

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

- 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:

) 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.

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.

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”.