Физико-химические процессы в плазме наносекундных СВЧ разрядов

• Автор: Иванов, Олег Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 352 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ
РАЗРЯДОВ
1Л. Установки для создания разряда на основе релятивистских СВЧ генераторов
1.1.1. Установки для исследования частоты ионизации в СВЧ поле
1.1.2. Установки для исследования кинетических и плазмохимических процессов
1.1.3. Установка для исследования разряда в сверхсильных СВЧ полях
1.2. Установка для создания наносекундного разряда на основе активного компрессора СВЧ импульсов
1.2.1. Существующие конструкции компрессоров СВЧ импульсов
1.2.2. Установка для создания наносекундного разряда на основе магнетрона и компрессора СВЧ импульсов
1.3. Установка для исследования наносекундного коронного разряда
1.4. Применяемые методы диагностики
1.4.1. Методы скоростной фоторегистрации
1.4.2. Методы измерения концентрации электронов
1.4.3. Измерение энергии электронов
1.4.4. Методы диагностики продуктов плазмохимических реакций
1.4.5. Измерения поступательной и колебательной температуры газа
ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРЫ И СТРУКТУРА НАНОСЕКУНДНОГО СВЧ РАЗРЯДА
2.1. Процессы ионизации в наносскундном СВЧ разряде
2.1.1. Частота ионизации и пороговое поле импульсного пробоя
2.1.2. Кинетическая теория ионизации газов в сильном СВЧ поле
2.2. Исследование процесса ионизации газов в наносекундном СВЧ разряде
2.2.1. Измерения частоты ионизации при средних и высоких давлениях
2.2.2. Измерение частоты ионизации в сверхсильном поле при низком давлении
2.2.3. Порог пробоя в неоднородном сверхсильном СВЧ поле при низких давлениях
2.2.4. Расчет скорости ионизации в сверхсильных СВЧ полях
2.2.5. Энергетический спектр электронов при низких давлениях
2.3. Динамика и пространственная структура наносекундных СВЧ разрядов
2.3.1. Дискретная структура разряда при высоких давлениях
2.3.2. Особенности структуры СВЧ разряда атмосферного давления
2.3.3. Переход от дискретного разряда к однородному
2.3.4. Кинематика волны пробоя в наносекундном СВЧ разряде
2.4. Процессы с участием молекул в электронно возбужденных состояниях
2.4.1. Влияние сильных полей на динамику и пространственное распределение светимости в наносекундном разряде
2.4.2. Возбуждение электронных уровней молекул в сверхсильном СВЧ поле
2.5. Концентрация электронов и распад плазмы
2.5.1. Дополнительная ионизация плазмы после разряда в сверхсильном СВЧ поле
2.5.2. Распад плазмы наносекундного СВЧ разряда в азоте
2.5.3. Деионизация плазмы наносекундного СВЧ разряда в кислороде
2.5.4. Распад плазмы наносекундного СВЧ разряда в воздухе
2.5.5. Распад плазмы в инертных газах
2.6. Релаксация температуры электронов
ГЛАВА 3. УФ ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ НАНОСЕКУНДНЫХ СВЧ РАЗРЯДОВ
3.1. УФ-лазсры с СВЧ накачкой. Обзор экспериментальных результатов
3.2. УФ лазеры, возбуждаемые наиосекундным СВЧ разрядом в волновом пучке
3.2.1. Конструкция лазера и условия эксперимента
3.2.2. Результаты экспериментов
3.3. Релаксация электронных уровней азота после наносекундного СВЧ разряда

3.4. Численная модель азотного лазера в поле цилиндрической ТЕ волны
3.4.1. Постановка задачи и основные уравнения
3.4.2. Результаты расчета и их обсуждение
3.4.3. Индуцированное УФ излучение стримерных образований в наносекундном СВЧ разряде высокого давления
3.5. УФ излучение искусственной ионизованной области в верхней атмосфере
3.5.1. Условия необходимые для генерации индуцированного УФ излучения свободно локализованным разрядом в атмосфере
3.5.2. Использование оптического излучения наносекундных СВЧ разрядов для диагностики малых составляющих атмосферы
3.5.3. Наносекундный СВЧ разряда в верхней атмосфере как референтный источник излучения для адаптивной оптики
ГЛАВА 4. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НАНОСЕКУНДНОМ СВЧ РАЗРЯДЕ В АЗОТНО-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЯХ
4.1. Синтез озона в кислороде
4.1.1. Динамика образования озона в наносекундном СВЧ разряде в кислороде. Результаты экспериментов
4.1.2. Численное моделирование процессов синтеза озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в кислороде
4.1.2.1. Моделирование СВЧ разряда
4.1.2.2. Основные каналы образования и разрушения озона в кислороде
4.1.2.3. Влияние электрон-ионных процессов и колебательной кинетики на генерацию озона
4.1.3. Процессы определяющие величину стационарной концентрации озона
4.2. Синтез озона в азотно-кислородных смесях
4.2.1 Основные каналы образования озона и диссоциации кислорода в воздухе
4.2.2. Динамика образования озона и окислов азота. Результаты экспериментов
4.2.3. Анализ результатов экспериментов
4.2.4. Влияние температуры газа на процесс синтеза озона
4.2.5. Энергетическая цена образования озона и оптимальные условия диссоциации молекул кислорода
4.2.5.1. Энергетическая цена образования молекул озона
4.2.5.2. Оптимальные условия диссоциации молекул кислорода в разряде
4.2.6. Расчет энергоцены диссоциации кислорода в воздухе
4.3 Наносекундный СВЧ разряд как источник озона в стратосфере
4.3.1. Схема создания искусственной ионизованной области в верхней атмосфере
4.3.2. Образование и разрушение озона в натурных условиях
4.3.3. Динамика малых составляющих атмосферы в наносекундном СВЧ-разряде
4.3.4. Оптимальное расположение источника озона
4.3.5. Расчеты энергетической цены образования озона в ИИО
4.3.6. Соотношение между Оз и NOx в ионизованной области
4.3.7. Формирование искусственного озонового слоя
ГЛАВА 5. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ ВО ФРЕОНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЯХ
5.1. Энергоцена разрушения фреона в наносекундных разрядах
5.1.1. Разрушение фреона в распадающейся плазме СВЧ разряда
5.1.2 Оценка эффективности разрушения фреона в распадающейся плазме
5.2. Основные каналы разрушения фреона в наносекундных разрядах
5.3. Роль атомов 0(3Р) в процессе деструкции фреонов
5.4. Продукты плазмохимических реакций разрушения фреонов в воздухе
5.4.1 .Динамика окислов азота и хлора при малом содержании фреона

5.4.2. Численное моделирование плазмохимических процессов во фреоно-воздушных смесях
5.4.3. Эволюция радикалов фреона в наносекундном СВЧ разряде
5.5. Основные каналы трансформации CFC в наносекундных разрядах
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ИСТОЧНИКОВ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВРЕМЕННОЙ КОМПРЕССИИ СВЧ ИМПУЛЬСОВ
6.1. Временная компрессия СВЧ импульсов
6.1.1. Физические основы активной компрессии СВЧ импульсов
6.1.2. СВЧ компрессоры с использованием сверхразмерных резонаторов
6.1.3. Компрессоры СВЧ импульсов на основе брэгговских рефлекторов
6.2. Электрически управляемые плазменные переключатели
6.2.1. Переключатели на основе брэгговских рефлекторов
6.2.2. Плазменный переключатель с активной и пассивной секциями на основе скачкообразного расширения круглого волновода
6.2.3. Резонансный плазменный переключатель
6.3. Генератор импульсов высокого напряжения и особенности наносекундного пробоя газоразрядных трубок, применяемых в плазменных переключателях
6.3.1. Генератор наносекундных импульсов высокого напряжения
6.3.2. Наносекундный высоковольтный пробой длинных газоразрядных трубок
6.4. Одноканальный брэгговский компрессор 3-см диапазона длин волн
6.4.1. Усиление по мощности и эффективность сжатия импульсов в одноканальном компрессоре
6.4.2. Тестирование компрессора на высоком уровне СВЧ мощности
6.5. Двухканальный СВЧ компрессор с З-dB направленным ответвителем
6.5.1. Конструкция двухканального СВЧ компрессора
6.5.2. Квазиоптический З-dB направленный ответвитель
6.5.3. Измерения фазы в сжатых импульсах на низком уровне СВЧ мощности
6.5.4. Двухканальный компрессор с воздушной изоляцией, возбуждаемый СВЧ импульсами магнетрона
6.6. Двухканальный 100-мегаваттный СВЧ компрессор возбуждаемый излучением магникона на частоте 11,4 ГГц
6.6.1. Двухканальный компрессор проходного типа, возбуждаемый мегаваттными СВЧ импульсами
6.6.2. Двухканальный компрессор с объединенным элементом ввода-вывода энергии, возбуждаемый мегаваттными СВЧ импульсами
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

управляемые брэгговские рефлекторы и переключатели, обладающие резонансными свойствами. Представлена серия плазменных переключателей, использующих различные электродинамические принципы. В п.6.2.1, описан плазменный переключатель на основе управляемого брэгговского рефлектора. Исследования показали, что для коммутации такого рефлектора распределенным набором газоразрядных трубок необходимо, чтобы плазма, возникающая при пробое газа, имела высокую концентрацию и однородность. Эти требования можно существенно ослабить, если электродинамическая структура выходного рефлектора обладает резонансными свойствами и, соответственно, для нарушения резонанса достаточно лишь небольшого изменения параметров среды, заполняющей газоразрядные трубки. Этот метод был реализован в осесимметричном СВЧ компрессоре, работающем на моде Н01 круглого волновода и использующем управляемый выходной рефлектор в виде скачкообразного расширения волновода (п.6.2.2.) или резонансный плазменный переключатель (п.6.2.3.). Представлены результаты расчетов и экспериментальной проверки указанных переключателей и детально описаны принципы их работы.
Перевод компрессора из режима накопления энергии в режим вывода осуществляется путем быстрого образования плазмы в расположенных в переключателе газоразрядных трубках. Для обеспечения эффективного вывода энергии из резонатора коммутатор должен иметь малое время образования плазмы (~1 О'8 с) с концентрацией превышающей критическую. Например, для СВЧ излучения 3-см диапазона электронная концентрация в трубках должна превышать величину 1Че > 2Ч012 см'3. Поэтому при разработке коммутатора необходимо знать динамику пробоя газа и параметры плазмы в длинных трубках, которые, в свою очередь, зависят от плотности газа и приложенного напряжения. Важную роль при этом играет конструкция источника импульсов высокого напряжения, используемого для создания плазмы.
В п.6.3. рассматриваются конструкция малогабаритного генератора высоковольтных импульсов и особенности наносекундного пробоя в газоразрядных трубках, применяемых в плазменных переключателях. Приводятся результаты экспериментального исследования высокоскоростных волн ионизации в длинных трубках, определены скорость распространения фронта ионизации и концентрация электронов в разряде. Показано, что выбором соответствующих параметров (давления и рода газа, диаметра газоразрядных трубок, амплитуды высоковольтного импульса) можно обеспечить время создания и плотность плазмы необходимые для эффективного вывода СВЧ энергии из накопительного резонатора.