Физико-химические процессы в плазме наносекундных СВЧ разрядов

Размещено на http://www.Allbest.ru/

01.04.08 - Физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Тема:

Физико-химические процессы в плазме наносекундных СВЧ разрядов

Иванов Олег Андреевич

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор Ю.В. Чугунов

Общая характеристика работы

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 (ф>>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 I_i ) 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.

2. 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.

3. 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”.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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 TE_on, 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 ф = 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 н < щ) существенно превышала потенциал ионизации атомов и молекул, и составляла величину Э = е²E²/2mщ² ~ 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 Л_N и электрического поля Л_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 щ >> н и щ << н. 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/см?Тор, а также в сверхсильном поле (п.2.2.2) при низких давлениях (щ >> н), 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/щ = 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.]

В п.2.5 приводятся результаты исследования процессов релаксации плазмы после наносекундного СВЧ разряда. Установлено, что после пробоя газа низкого давления (щ>>н) сверхсильным СВЧ полем в разрядной плазме остаются электроны с высокой (превышающий потенциал ионизации) энергией.

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

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 ~ 3?10^-15 B?см² 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 C³П_u( = 0)-B³П_g( = 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 C³П_u и B³П_g, 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 B³П_g( = 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/щ 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 C³П_u( = 0)-B³П_g( = 0), длина волны УФ излучения л = 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 N_C( = 0) и нижнего N_B( = 0) лазерных уровней и плотности фотонов N_ph. 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

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.].

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

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.