CC BY
0физика плазмы иплазменные технологии
Измерения концентрации плазмы в газоразрядной трубке плазменной антенны
Степин В.П.1, Богачев Н.Н.1, Жуков В.И.1, Андреев С.Е.1, Усачёнок М.С.2
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва 2- Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси,
Минск, Беларусь
Е-mail: vjacheslav-stepin@rambler.ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-162-164
Плазменные антенны, изучаемые в настоящее время, представляют собой антенны с токоведущими или управляющими элементами из плазмы газового разряда или полупроводниковой плазмы. Такие антенны имеют ряд преимуществ перед антеннами с металлическими элементами: возможность электронного управления характеристиками, меньшая радиолокационная заметность и др. Управление характеристиками антенны осуществляется изменением либо концентрации плазмы, либо пространственной конфигурации (наличие плазмы, длина, радиус и др.) [1-5]
Для управления характеристиками антенны необходимо контролировать концентрацию плазмы. Многие известные методы измерения концентрации плазмы (зонд Ленгмюра, оптическая спектроскопия и т.д.) не подходят для измерения концентрации плазмы в антенне в связи с особенностями её конструкции.
СВЧ резонатор является одним из основных средств диагностики газоразрядной плазмы, служащий для определения концентрации электронов и частоты столкновений электронов. Концентрация электронов определяется по смещению резонансной кривой резонатора, а частота столкновений — по изменению его добротности. Исследуемая газоразрядная плазма антенны, заключенная в стеклянную трубку, размещается на оси волновода. В общем виде формула, связывающая среднюю объемную концентрацию электронов в бесстолкновительной плазме и смещение резонансной кривой резонатора, следующая [6]:
= - (1)
Урез 2пкр
22-24 октября 2024 г.
где ш — резонансная частота; (пе) — средняя объемная плотность электронов; Су — коэффициент формы, определяющий связь между величинами, измеряемыми при зондировании плазмы, и концентрацией электронов.
Рис. 1. Схема измерительного стенда концентрации плазмы в плазменной
антенне:
1 — радиостанция Vertex VX-2100; 2 — аттенюатор 3 дБ, 3 — коаксиальное согласующее устройство; 4 — резонатор; 5 — плазменная антенна; 6 — векторный анализатор цепей Keysight
Измерения с использованием СВЧ резонатора проводились на стенде, схема которого представлена на рис. 1. В цилиндрический резонатор (диаметром 90 и высотой 30 мм) помещалась исследуемая плазма в газоразрядной люминесцентной лампе плазменной антенны, выполненной в виде прямой стеклянной трубки диаметром 12 и длиной 20 мм. Также в рабочем стенде был задействован аттенюатор на 3 дБ, подключенный к FM радиостанции Vertex 2100 с выходной мощностью до 50 Вт и рабочей частотой в 444 МГц. Измерения на стенде проводились следующим образом: сигнал от передающей радиостанции VX-2100 поступал напрямую (либо через аттенюатор) на исследуемую антенну через коаксиальное согласующее устройство, после этого в газоразрядной трубке антенны создавалась плазма и излучался сигнал. Одновременно с этим через цилиндрический резонатор проходил сигнал векторного анализатора цепей Keysight N9912A и измерялись спектры S11 и S21. По спектру S21 определялось смещение резонанса по частоте в диапазоне частот 3,3 Гц - 3,9 ГГц, которое использовалось для вычисления средней по
4
N9912A.
я ▲ физика плазмы иилазмеиные технологии
радиусу концентрации плазмы в газоразрядной трубке плазменной антенны.
Результаты измерений распределения концентрации плазмы по длине плазменной антенны представлены на рис. 2. Из графика видно почти линейное снижение концентрации при удалении от точки ввода излучения передатчика. Уменьшение на 3 дБ мощности, подводимой к антенне, за счёт использования аттенюатора в среднем снижает концентрацию плазмы в плазменной антенне в 1,5-2 раза.
--1-1-1-1-1-1-1-[-i-1-1-1-1-г-
-2 0 2 4 6 В 10 12
L, cm
Рис. 2. График зависимости распределения концентрации плазмы по длине газоразрядной трубки плазменной антенны без аттенюатора (A) и с аттенюатором 3 дБ (B).
Авторы выражают благодарность д.т.н., доценту Замуруеву С.Н., к.ф.-м.н. Карфидову Д.М., к.ф.-м.н. Сергейчеву К.Ф. за помощь в организации и проведении экспериментальных измерений.
1. Borg G.G., Harris J.H., Martin N.M., et al., Physics of Plasmas. 2000, 75, 2198-2202.
2. Rayner J.P., Whichello A.P., Cheetham A.D. IEEE Trans. on plasma science. 2004, 32(1), 269-281.
3. Ye H.Q., Gao M., Tang C.J. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2011, 59(5), 1497-1502.
4. Anderson T. Plasma antennas. Artech House, 2020, 352 p.
5. Sadeghikia F., Noghani M. T., Simard M.R. AEU-International Journal of Electronics and Communications. 2016, 70(5), 652-656.
6. В.Е. Голант Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы, М., «Наука», 1968, 327 с.
