Основные параметры подпорогового микроволнового разряда в воздухе и углекислом газе Текст научной статьи по специальности «Физика»

Основные параметры подпорогового микроволнового разряда в воздухе и углекислом газе

Артемьев К.В.1, Борзосеков В.Д.2,

112 Давыдов А.М. , Моряков И.В. , Степахин В.Д.

1 - ОФП, лаборатория газокинетических явлений в СВЧ-разряде 2 - ОФП, лаборатория Рамус

Е-mail: borzosekov@fpl gpi. ru Введение

Разряд, развивающийся в подпороговых (напряженность поля волны значительно меньше пробойного) волновых полях и распространяющийся вдоль пучка навстречу источнику излучения, интересен для различных плазмохимических приложений [1]. Такой вид разряда при атмосферном давлении распространяется со скоростями 103^105 cm/s, а его структура представляет собой удлиненные вдоль линий напряженности электрического поля волны разрядные каналы с ионизованным и нагретым газом в пространстве между каналами. Плотность плазмы в каналах достигает значения 1017 cm-3, температура электронов 10 eV, а газ нагревается до температур порядка 10 kK. Распространение разряда вдоль волнового пучка связано с возникновением в УФ (ультрафиолетовом) ореоле головной части разряда несамостоятельного разряда и формированием новых разрядных каналов вследствие развития (нелинейной стадии) ионизационно-перегревной неустойчивости.

Прикладные задачи плазмохимии требуют получения детальных зависимостей скорости распространения разряда и температуры газа от интенсивности микроволнового излучения, давления газа и рода газа. Также данные зависимости необходимы для проверки предсказаний теории.

Экспериментальная часть

Схема эксперимента представлена на рис. 1. Гауссов пучок микроволнового излучения (длина волны = 4 mm), генерируемый гиротроном Борец 75/08, использовался для возбуждения разряда. Эксперименты были проведены при варьировании мощности излучения от 80 до 400 kW, длительности импульса излучения от 0.5

до 12 ms. В качестве газовой среды в закрытом цилиндрическом реакторе из оргстекла мы использовали воздух (давления 738, 390, 200 Шгг) либо углекислый газ (давления 750, 390 Шгг). Для каждой использованной мощности микроволнового излучения длительность подбиралась таким образом, чтобы разряд по длине максимально заполнял камеру реактора (длина 50 но не касался

согласованного (толщина окна подобрана так, чтобы минимизировать отражение) входного кварцевого окна. Поскольку волновые поля в нашем случае подпороговые для пробоя газа, то первичная инициация разряда должна выполняться внешним источником. В описываемых экспериментах инициатором разряда являлся установленный на дне реактора клубок хаотически переплетенных нитей из нержавеющей стали, на которых происходило локальное усиление поля до пробойных значений.

Рис. 1. Схема эксперимента

Скорость распространения головной части разряда определялась с помощью локационного метода [2]. Поскольку часть микроволнового излучения отражается плотной плазмой фронта разряда, то смешивая данное отраженное излучение с опорным излучением, которым является подаваемое в реактор излучение гиротрона, можно регистрировать набеги фаз. Помня, что набег фаз

равный 2п происходит при смещении фронта разряда на hJ2, из регистрируемого сигнала интерференции опорного и отраженного излучений легко получить скорость перемещения головной части разряда.

Спектрометрические измерения (спектрометр AVASPEC-2048) были использованы для определения температуры газа в разряде. Стоит отметить, что использование оргстекла как материала реактора ограничивало регистрируемый спектр 390 nm с коротковолновой стороны из-за поглощения в материале стенок. Спектры строились в координатах Вина, а температура определялась по континууму как в работе [3].

Результаты и обсуждение

Полученные величины скоростей распространения подпорогового микроволнового разряда как в воздухе, так и в углекислом газе показывают пропорциональность скорости интенсивности излучения в степени 3/2 и обратную пропорциональность начальной плотности газа. Такой результат качественно соответствует нелинейной теории ионизационно-перегревной неустойчивости разряда при высоких давлениях газа. При этом обнаружено двукратное понижение скорости в углекислом газе по сравнению с воздухом.

Измеренные температуры газа в головной части разряда составляют 3.5^5.5 kK для разрядов в воздухе и 8^15 kK в углекислом газе. При этом в воздухе температуры несколько растут с уменьшением плотности, тогда как в углекислом газе падают.

Авторы выражают благодарность всему научному коллективу лаборатории Рамус и лаборатории газокинетических явлений в СВЧ-разряде отдела физики плазмы ИОФ РАН за подготовку и проведение трудоемкой серии экспериментов, а также за помощь в анализе и интерпретации результатов.

1. Artem' ev K.V., Batanov G.M. Berezhetskaya N.K. et al. Plasma Physics Reports. 2018, 44, 12, 1146-1153.

2. Artem' ev K.V., Batanov G.M. Berezhetskaya N.K. et al. Plasma Physics Reports. 2019, 45, 10, 964-971.

3. Батанов Г.М., Бережецкая Н.К., Копьев А.В. и др. ТВТ. 2008, 46(1), 135.