CC BY
32
УДК 533.9.082.74
А.А. Кучуркин, В.И. Тамбовцев, А.В. Тепляков
Челябинский государственный университет
Сверхвысокочастотная диагностика газоразрядной плазмы
Работа посвящена СВЧ-диагностике и анализу свойств газоразрядной плазмы. Электронная температура исследуемой среды находится в диапазоне температур плазменной оболочки спускаемого космического аппарата. Исследования направлены на решение проблемы бесперебойной радиосвязи.
Ключевые слова: СВЧ диагностика, ионизованный газ, газоразрядная плазма, ионосферные возмущения, критическая частота, радиопрозрачная среда, максвелловское время релаксации зарядов.
Работа посвящена СВЧ-диагностике и анализу свойств газоразядной плазмы. Одно из направлений, в физике ионизованного газа (плазмы), определяется задачами радиофизики, решение которых необходимо при рассмотрении вопросов организации надёжных радиоканалов связи с подвижными объектами, а также связано с изучением ионосферных возмущений. Такие возмущения наблюдаются, например, при торможении космического аппарата (КА) в относительно плотной среде основания ионосферы — ниже слоя Е.
Спускаемый аппарат имеет скорость 6 ... 8км/с. Перед аппаратом образуется ударная волна, в которой происходит разогрев газа за счет диссипации энергии, связанной с торможением [1]. Происходит ионизация газа и его снос по потоку. След имеет протяженность более километра [2]. Существенным является присутствие на линии радиосвязи с КА плазменных образований (искусственного или естественного происхождения) с критической концентрацией, соответствующей нулю диэлектрической проницаемости в модели сплошной среды для рабочей длины радиоволны [3]. Такая среда не прозрачна для радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. И, как следствие, возникает проблема с организацией радиообмена. Возникают также вопросы радиолокации или радиообнаружения спускаемого КА.
В настоящее время свойства плазменных образований недостаточно изучены [4]. В реальных условиях следует учитывать диссипацию энергии, возбуждение колебательных степеней свободы, диссоциацию молекул, образование электронного газа и пр. Ширина фронта ударной волны в этом случае определяется релаксацией наиболее медленного процесса. В ударных волнах, за фронтом которых газ сильно ионизован или которые распространяются по плазме, ионная и электронная температуры не совпадают. В скачке уплотнения нагреваются только тяжелые частицы, но не электроны. Однако, благодаря высокой подвижности и скорости, нагретые электроны появляются и перед скачком уплотнения. Ввиду большого разнообразия происходящих процессов, ограничим-
ся анализом известных радиофизических свойств изучаемой среды.
Для решения обозначенных проблем необходима экспериментальная наземная отработка всех аспектов моделировании работы радиосистемы в процессе выполнения программы полета КА с учетом влияния радиофизической обстановки вблизи КА, особенно во время проведения радиофизических экспериментов, связанной с наличием плазменных образований. Известно, что керамическая защита антенны разогревается до 3...4 тысяч градусов Кельвина. Учитывая температурный коэффициент теплообмена, можно допустить, что температура обтекающего термически ионизованного газа в 2...3 раза выше.
4,0 5,0 6,0 V, км\с
Рис. 1. Зависимость электронной плотности в области прямого скачка уплотнения от скорости движения при торможении КО.
На рис. 1 показана известная зависимость расчётного значения электронной плотности равновесного состояния газа от скорости движения при торможении КА в атмосфере на различных высотах [2]. При одной и той же скорости тела элек-
тронная плотность возрастает с уменьшением высоты.
Но, так как скорость аппарата уменьшается, реально наибольшую плотность можно ожидать на высоте 75 км, где она достигает значений пе ~ 1018 м-3. Число столкновений электронов достигает значений уе « 1011 с-1. Собственная частота плазмы при этом составляет икр = 104 МГц, что соответствует длине волны 3 см. Следовательно, волны длиной вплоть до нескольких сантиметров не распространяются в данной среде. Это обстоятельство определило в работе спектральный диапазон исследований: СВЧ-диагностика [5].
На рис. 2 для сравнения приводятся параметры различных видов газовой плазмы [6]. Исследуемая в работе среда соответствует закрашенной — левой верхней четверти рисунка. Это может быть струя промышленного плазматрона или же реактивная струя самолёта. В природных условиях данная среда, например, заполняет слой О основания ионосферы. Её распространенность свидетельствует, о том, что изучение радиофизических свойств исследуемой среды и с этих позиций является актуальной задачей.
Рис. 2. Свойства природной и лабораторной газовой плазмы. 1 — дуга высокого давления, 2 — ударная труба, 3 — термоядерный реактор, 4 — дуга низкого давления, 5 — эксперимент по синтезу ядер, 6 — пламя, 7 — плазма щелочных металлов, 8 — флуоресцентные лампы, 9 — солнечная корона, 10 — ионосфера, 11 — космос, 12 — межпланетное пространство.
Исследуемая среда никак не может считаться плазмой в буквальном понимании. Заряженные частицы сталкиваются с нейтральными столь часто, что характер их движения определяется в основном газодинамическими, а не электрическими силами. Концентрация заряженных частиц все же столь велика, что нельзя полностью исключить из рассмотрения кулоновские взаимодействия, как это допускается при анализе процессов в слабо-ионизованном газе. Взаимодействие газодинамических и электрических сил приводит не только к возникновению стороннего поля, но и к структуризации зарядов и, возможно, сопровождается их колебаниями около полюсов равновесия.
Ионизованный газ — это трёхкомпонентная среда ионов, электронов и нейтральных атомов. Из-за высокой частоты столкновений в исследуемой среде отсутствуют характерные плазменные колебания. Это обстоятельство не учитывается в хрестоматийно известных источниках, например [3]. Достаточно плотная плазма газового разряда считается бесстолкновительной, хотя основные процессы в разрядном столбе определяются столкновениями.
В идеальной плазме флуктуационное нарушение квазинейтральности приводит к возникновению плазменных затухающих колебаний с частотой (в системе СИ):
и,„ = ' , (1)
\£о те)
где те, пе и е — масса, концентрация и заряд электронов.
Плазменные колебания могут развиваться и существовать на интервале времени между двумя столкновениями те = 1/уе. Если же ипте < 1, то этот коллективный процесс развиваться не будет. Неравенство характеризует переход от плазмы к ионизованному газу — ИГ [4]. Сравним определительные соотношения для плазмы (2) и ИГ(3):
ипт0 > 1, 6 Ь, М ^ 1 плазма; (2)
Те < 1, 6 < Ь, N > 1 ИГ. (3)
Здесь Ь — характерный линейный масштаб исследуемой среды, М — количество заряженных частиц в сфере Дебая.
Для ИГ среднее время флуктационного разделения зарядов необходимо заменить временем релаксации локального заряда — максвелловским временем Тм. Известно, что время Тм определяется через равенство токов смещения и токов проводимости [7] или же отношением проницаемости к проводимости:
£о £о те Vе
Тм = -------- = ----------•
&а Пее2
(4)
Для исследуемой среды тм имеет значение намного порядков большее по сравнению с подобной величиной для металлических проводников. Для ИГ при изменении пе от 1015 до 10
18 -3
и значение
тм изменяется от мс до мкс. Эта величина является одной из основных характеристик, ИГ — масштаб времени разделения зарядов. При исследовании частотных свойств ИГ скорей всего потребуется не тм, а обратная величина: шкр = 1/тМ — критическая частота. Если в (4) подставить значения, соответствующие значениям для области, отмеченной на рис. 1, то получаем икр ~ 3 • 1011 Гц.
Критическая частота — частота, для которой ИГ переходит от состояния с преобладанием диэлектрических свойств к состоянию с преобладанием свойств проводника. Если говорить о дисперсионной зависимости, то для ИГ она должна обрываться внизу при частоте икр. В ИГ не могут
распространяться электромагнитные волны с частотой, меньшей Шкр.
В качестве физической модели ионизованной среды в работе используется газоразрядная среда ультрафиолетовой лампы и лампы дневного света, температура электронов, в которой около 10 тысяч градусов Кельвина, что качественно соответствует температуре исследуемой среды. Радиофизические свойства среды определяются поведением электронов. Эксперименты по определению критической частоты ИГ, полученного в лабораторных условиях с использованием газового разряда, проводятся на установке Р2-61 — измеритель коэффициента стоячей волны по напряжению [8].
Газовый разряд составляет основу плазмотронов, а также источников излучения и ламп, генерирующих излучение в широкой области длин волн. Рабочим веществом служит плазма разряда в смесях газов или их смеси с парами ртути [9]. В качестве газоразрядного источника используется люминесцентная лампа (ртутная лампа низкого давления) FL 166/ black. Лампа FL 166/ black представляет собой колбу цилиндрической формы. Диаметр лампы — 16 мм. Внутреннее пространство колбы наполнено инертным газом (аргон, pAr = 400 Па) с парами ртути (pHg = 0,93 Па). В торцы трубки впаяны две пары основных электрода, между которыми и происходит разряд. Положительный столб занимает почти все пространство от катода до самого анода (от конца фарадее-ва темного пространства до анода). Длина трубки 190 мм.
На рис. 3 представлена схема измерительной части установки. В волновод, сечение которого 25 х 10 мм2, вертикально встраивается люминесцентная лампа FL 166/ black. Лампа размещается в пучности стоячей волны. Лампа FL зафиксирована в волноводной вставке между согласованной нагрузкой и трактом отраженной волны. Отраженная волна детектируется и выводится на индикатор Р2-61. Частота изменяется от 8 до 12 ГГц.
Рис. 3. Волноводная вставка
На рис. 4 и рис. 5 в виде фото, представлены результаты экспериментов. Измерения проводятся и при отключенной (рис. 4) и при включенной лампе (рис. 5). В обычном состоянии (выключенная лампа или при небольшом напряжении) газовый промежуток является хорошим изолятором, так что при небольших, приложенных к электродам, напряжениях ток в цепи практически отсутствует. Это объясняется тем, что в обычных условиях в газе или парах металла существует
лишь ничтожное количество заряженных частиц, образующихся под действием космического излучения, естественной радиоактивности фотоионизации и других подобных причин. Среда остается прозрачной во всем диапазоне радиочастот.
ДБ
30 Г
10 Рис. 4
ДБ
30
20
10
лУ" Г-
10
Рис. 5
12 ГГц
При включенной лампе визуально наблюдаем положительный столб фиолетового-ультрафиоле-тового свечения, который представляет собой газоразрядную плазму — область тлеющего разряда. Максвелловское время определяется для момента, когда отмечается возникновение разницы для отраженного сигнала более чем на 10 дБ, при выключенной и включенной лампе (сравните фото рис. 4 и рис. 5). Частота, на которой отмечается это различие, является критической, — 10 ГГц. В исследуемом ИГ не могут распространяться электромагнитные волны с частотой, меньшей ^кр.
На основании полученных данных определяется максвелловское время релаксации зарядов — это 10_11 с. Действительно, тМ = 1/шкр = (2 • п • 1010)-1 « 1,6 • 10_11 с. В среде могут распространяться электромагнитные волны, если их период колебаний меньше максвелловского времени.
В качестве независимого эксперимента, подтверждающего достоверность наших выводов, сошлёмся на ранее проведённые СВЧ-измерения в открытом пространстве [10]. Для цеховой лампы дневного света при определённых условиях (напряжение на лампе не достигало максимального значения) критическая частота равнялась 9 ГГц. В данном эксперименте частота 9 ГГц не перестраивалась и определялась настройкой клистрона.
Как показывают эксперименты и расчеты, температура электронов в столбе разрядов низкого давления достигает 104 К и более (соответствует температуре электронов ударной волны), а средняя по сечению концентрация электронов пе « 1016 м_3 [9]. На рис. 2. данная среда соответствует закрашенной части и соответствует обла-
сти № 8. Делая выводы об изучаемой среде, мы видим, что исследуемый ИГ следует рассматривать как «плохой проводник» (при низких частотах — менее 10 ГГЦ) и как «плохой диэлектрик» (при частотах выше 10 ГГц). На рис. 6 для различных материалов представлена зависимость а/шее0 (критерий того, как нужно рассматривать данный материал — это изолятор или проводник) от частоты ш в логарифмическом масштабе в предположении независимости от частоты величин а и 6 [7].
а /00£80
Рис. 6. Зависимость параметра о/шее® от частоты
Здесь также отмечена область, соответствующая ионизованному газу. Исследуемый газ при относительно высоких частотах, когда а/шее« 1 (^кр > 10 ГГц), ничем не отличается от неионизо-ванного. Электромагнитные волны в такой среде распространяются так же, как в свободном пространстве.
На рис. 6 отмечен диапазон, соответствующий параметрам исследуемого в работе столкновитель-ного ионизованного газа.
Основные результаты работы. Разработан оригинальный метод СВЧ-диагностики ИГ по определению критической частоты на основе регистрации обратной (отраженной) волны на установке Р2-61.
Анализ свойств и СВЧ-диагностика ИГ показывает, что исследуемая среда является столкно-вительной, в которой не реализуются коллективные плазменные процессы.
В работе обозначен характерный параметр среды, определяющий, в частности, радиофизиче-
ские свойства исследуемого ИГ — максвелловское время релаксации зарядов — тм . Критическая частота для исследуемого ИГ рассчитывается не через плазменную частоту ип, а через тм .
Результаты лабораторных экспериментов показывают, что одним из следствий взаимодействия СВЧ-излучения с плазменным образованием закритической концентрации действительно может быть сбой в радиосвязи, если частота радиообмена находится в сантиметровом диапазоне [10].
Литература
1. Альперт Я.Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме. — М.: Наука, 1974.
2. Клеймон Дж. След объекта, входящего в атмосферу // Ракетная техника и космонавтика. — 1964. — Вып. 10.
3. Кролл А., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. — М.: Мир, 1977.
4. Нечаев Ю.Б., Тамбовцев В.И., Усачёв В.К. Динамоэлектрические процессы в энергетических системах и в нижней ионосфере. — М.: Радио и связь, 2003. — 200 с.
5. Голант В.Е. СВЧ-методы исследования плазмы. — М.: Сов. Радио, 1968.
6. Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику. — М.: 1969.
7. Шимони К. Теоретическая электротехника. — М.: Мир, 1964.
8. Кучуркин А.А., Тамбовцев В.И., Тепляков А.В. Микроволновая диагностика ионизованного газа // Труды VIII международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — 2009. — С. 266-267
9. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
10. Тамбовцев В.И., Усачёв В.К. Чернов В.М. СВЧ диагностика ионизованного газа // Труды VI международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». — 2007. — С. 211-213.
11. Литвина З.Ю. О возможности передачи информации через плазму / / Системи обробки інформації. — 2007. — Вип. 9 (67). — С. 201-203.
Поступила в редакцию 29.01.2010.
