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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ? = е2E2/2m?2 ~ 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 (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/см?Тор, 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/?=5?10-7-2?10-6 В/см?с. 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.