научная статья по теме РАЗВИТИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПЛАЗМЕННОЙ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПЕРЕДАТЧИКА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАЗВИТИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПЛАЗМЕННОЙ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПЕРЕДАТЧИКА»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 7, с. 742-746

РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ

УДК 537.5

РАЗВИТИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПЛАЗМЕННОЙ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПЕРЕДАТЧИКА

© 2015 г. В. Н. Коновалов1, Г. П. Кузьмин2, И. М. Минаев2, А. А. Рухадзе2, О. В. Тихоневич2

1АО Акустический институт им. академика Н.Н. Андреева Российская Федерация, 117036, Москва, ул. Шверника, 4

2Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Вавилова 38 E-mail: minaev1945@mail.ru, rukh@fpl.gpi.ru Поступила в редакцию 30.09.2014 г.

Рассмотрены характеристики плазменного слоя (плазменной антенны вибраторного типа), возбуждаемого излучением передатчика, такие как распределение плотности носителей по радиусу диэлектрической трубки (вблизи границы) и скорость роста плазменной области по длине трубки. Показано, что можно выделить характерные размеры: радиус диэлектрической трубки, радиус плазменного столба и толщину скин-слоя, и, в зависимости от соотношений этих размеров рассматривать влияние переходного слоя на возбуждение поверхностной волны в плоской либо цилиндрической симметрии.

DOI: 10.7868/S0033849415070098

ВВЕДЕНИЕ

В ряде работ отмечается необходимость управления электродинамическими параметрами антенн. Наибольший интерес вызывают вибраторные плазменные антенны, возбуждаемые излучением собственного передатчика. Характеристики плазменных вибраторных антенн определяют геометрические параметры газоразрядной трубки (длина и диаметр), состав и давление газа в трубке, скорость роста плазменного столба и плотность создаваемой в этой трубке плазмы.

В работе [1] экспериментально показано, что в газоразрядных трубках, наполненных разреженным газом, возможно одностороннее возбуждение протяженного ВЧ-разряда, поддерживаемого распространяющейся азимутально-симметрич-ной модой поверхностной волны (ПВ) ЕПВ. В работе [2] рассмотрены условия, при которых начальная ионизация газа проводится на входе газоразрядной трубки, заполненной газом, полем излучения собственного передатчика на частоте ю, а ПВ возбуждается на границе плазма — вакуум при достижении определенной плотности плазмы икр в трубке так, что

л(г) > >/2ю, (1)

Юп

где юпл(г) =

4ne ne(r)

■, ne(r) — плотность зарядов,

m

е и т — заряд и масса электрона, ю — частота поля ПВ, г—расстояние от оси плазменного цилиндра.

В работе [3] для определения уровня плотности плазмы рассмотрено распространение вдоль оси 0z поверхностной Е-волны (плоский случай, рис. 1) с отличными от нуля компонентами поля Ех, Ву, Ег, спадающими в направлении оси 0х по обе стороны от плоской границы х = 0 полупространства. Область х < 0 — среда с диэлектрической проницаемостью е(ю), зависящей от частоты поля ю, область х > 0 — вакуум. В реальных условиях на этой границе плотность носителей меняется практически от нуля до значений, при которых может распространяться ПВ и выше. Таким

Стекло Плазма

Вакуум

г

Среда

Рис. 1. Пространственное распределение поля в поверхностной волне на плоской поверхности раздела среда—вакуум.

РАЗВИТИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПЛАЗМЕННОЙ ВИБРАТОРНОИ АНТЕННЫ

743

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования характеристик плазменной антенны; 1 — кварцевая трубка, 2, 3 — диэлектрические пробки, 4 — электрод, 5 — металлическое основание, 6 — согласующая линия, 7 — генератор.

Рис. 3. Структурная схема установки для измерения поперечного распределения светимости: 1 — кварцевая труба, 2 — коллиматор, 3 — фотодатчик (фототранзистор), 4 — усилитель постоянного тока, 5 —аналого-цифровой преобразователь, 6 — микроконтроллер (МК), 7 — исполнительное устройство (ИУ).

Диэлектрическая стенка

5

10

Рис. 4. Нормированные графики поперечного распределения светимости плазменного столба на частоте генератора 460 МГц при мощности генератора 15 Вт (квадратики) и 20 Вт (кружки).

пе, см

1011 1010 109 108 107

-3

Диэлектрическая стенка

12 г, мм

Рис. 5. График распределения плотности носителей по радиусу трубки, рассчитанный с учетом амбипо-лярной диффузии и на основе данных, полученных из оптических измерений. Стрелкой отмечено значение плотности соответствующей условию (1).

6

0

3

9

г, мм

образом, возбуждение протяженного ВЧ-разря-да, поддерживаемого распространяющейся ази-мутально-симметричной модой ПВ ЕПВ, происходит на плазменном столбе, диаметр которого Дф меньше диаметра диэлектрической трубки на толщину переходного слоя. Диаметр Дф определяется условием (1).

1. ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ВДОЛЬ РАДИУСА ТРУБКИ

В работе [4] показано, что распределение плотности носителей в плазме можно оценить по измерениям интенсивности свечения плазмы. Измерение интенсивности свечения плазмы вдоль радиуса трубки проводилось на установке, схема которой приведена на рис. 2 и 3. Возбуждение и поддержание плазменного столба осуществляются излучением передатчика на открытом конце коаксиального кабеля, соединенного

через элемент связи с диэлектрической трубкой, заполненной газом. В данной работе плазму возбуждали в кварцевой трубке диаметром 28 мм, заполненной аргоном при давлении ~3 Торр. На рис. 4 приведены результаты измерений интенсивности свечения плазменного столба по радиусу трубки. Из представленных графиков следует, что форма распределения интенсивности свечения плазменного столба, поддерживаемая ВЧ-колеба-ниями, слабо зависит от мощности передатчика (в нашем диапазоне мощностей Р < 20 Вт). Размер переходного слоя мал по сравнению с длиной волны, но соизмерим с радиусом трубки г0. Интенсивность свечения плазменного столба падает от центра к стенкам трубки. Между плазменным столбом и стенками трубки образуется "вакуумный" зазор из-за ухода зарядов на стенки и низкой температуры самой стенки.

На рис. 5 приведена кривая, соответствующая расчетному распределению плотности носителей по радиусу трубки с учетом амбиполярной диф-

Рис. 6. Структурная схема установки для измерения скорости перемещения фронта ионизации; 1 — кварцевая труба (лампа), 2, 3 — световоды, 4 — ФЭУ, 5 — осциллограф, 6 — диодный детектор.

(а)

(в)

Ь

1

(б)

1

(г)

2

1

2

фузии и по данным, полученным из результатов оптических измерений. Стрелкой и горизонтальной линией отмечено значение плотности соответствующей условию (1). Как видно из рисунка радиус плазменного столба, соответствующий условию (1), показанный вертикальной линией, несколько меньше внутреннего диаметра трубки.

В области значений радиусов, обведенных окружностями на рис. 4 и 5, ход кривых светимости и распределения плотности электронов полностью совпадают. Таким образом, в дальнейших расчетах будем полагать, что световой сигнал от световода 2, начинает поступать на ФЭУ (рис. 6) при плотности носителей ~5 х 107 см-3.

2. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗА И РОСТ ПЛАЗМЕННОГО СТОЛБА

Формирование плазменного столба в четвертьволновой антенне происходит от электрода, подводящего ВЧ-напряжение, и далее вдоль трубки. Скорость ионизации плазмы в антенне -один из главных факторов, определяющих время ввода антенны в рабочее состояние.

Измерение скорости ионизации плазмы возбуждаемой излучением ВЧ-передатчика в диапазоне частот 430.. .460 МГц проводили на установке, схема которой приведена на рис. 6.

Результаты измерений представлены на рис. 7 в виде осциллограмм (скорость развертки 250 мкс/дел) сигнала с детектора (излучение плазменного столба на частоте 433 МГц), размещенного на расстоянии 0.5 м от плазменной антенны (кривые 1) и суммарного сигнала от световодов (кривые 2). Как видно из приведенных графиков сигнал с детектора (кривые 1) имеет локальный максимум в момент прохождения фронта ионизации на расстоянии четверти длины волны (~17 см для частоты 433 МГц).

Рис. 7. Осциллограммы сигналов при расстоянии между световодами 5 см (а), 10 см (б), 15 см (в), 20 см (г). Кривые 1 — сигнал излучения плазменной антенны; кривые 2 — суммарный сигнал от световодов. Скорость развертки — 250 мкс/дел.

Скорость ионизации оценивалась по времени появления сигнала от световода 3, расположенного на заданном расстоянии (5, 10, 15 и 20 см) от световода 2 (рис. 6). На графиках рис. 7а—7г этот момент отмечен точкой. По результатам измерения скорость продвижения фронта ионизации составила -100...110 м/с .

3. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

А. Измерение плотности носителей вдоль радиуса трубки

Вибраторная плазменная антенна представляет собой цилиндрический столб плазмы, частично либо полностью заполняющей кварцевую трубку радиусом г0 ~ 1.3 см. Плазму в трубке длиной А,/4 создают ионизацией газа с давлением Р0 = 1.3 Торр. Ионизацию производит источник излучения в диапазоне частот 150.450 МГц; при этом распределение плотности носителей по радиусу соответствует приведенному на рис. 4. Если радиальное распределение плотности плазмы определяется диффузией, то в этом случае время т, в течение которого плазма находится в равновесном состоянии, должно удовлетворять неравенству

т > 1/V,, (2)

где V,- — частота ионизации атомов газа в трубке.

РАЗВИТИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА ПЛАЗМЕННОЙ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЫ 745

В этих условиях для определения радиального распределения плотности плазмы можно использовать уравнение амбиполярной диффузии:

В1 £(гдП) = о,

гдг\ ¿77

(3)

где Ба — коэффициент амбиполярной диффузии [5],

А =

_Те + Т

2

Viо'

(4)

Mviо М V ю

Здесь Те и Т — температура электронов и ионов соответственно, причем в ВЧ-разряде Те > Т,

V = -у] Те/М — скорость ионного звука. Кроме того, теплопроводность плазмы считается высокой и температура Те — однородной. Частота столкновений ионов с нейтральными атомами ую равна

V,■о =

МТе

Ve0 - 3 X 10Ч7Те.

(5)

Давление Р0 в (5) измеряется в торрах, а температура Те — в электронвольтах. Формулы (4) и (5) подразумевают, что плазма слабоионизованная, так как при Р0 < 3 Торр плотность электронов не превышает п = 1012 см-3, т.е. степень ионизации п/п0 < 10—5. Для частоты ионизации запишем формулу [6]

Vi -Ve оехр (-I/ Те ) ,

(6)

дп дг

= 0, п|

= 0.

(7)

• = 0

Общее решение уравнения (3) в приближении аксиально-симметричного распределения плотности пл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком