Сверхвысокочастотная диагностика газоразрядной плазмы

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 ... 8 к м / 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.

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-

ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 3 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 n e ^ 10 18 м - ³ . Число столкновений электронов достигает значений v e ^ 10 ¹¹ с - ¹ . Собственная частота плазмы при этом составляет v _кр = 10 4 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 D 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):

^n = ( neeL ^ / , (1) εоme где me, ne и e — масса, концентрация и заряд электронов.

Плазменные колебания могут развиваться и существовать на интервале времени между двумя столкновениями т _е = 1 /v _e . Если же ш _п т _е <  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):

ш _п т 0 >  1 , 5 ^ L, N d ^ 1 плазма; (2)

Ш п т е <  1 , 5 < L, N d >  1 ИГ . (3) Здесь L — характерный линейный масштаб исследуемой среды, N d — количество заряженных частиц в сфере Дебая.

Для ИГ среднее время флуктационного разделения зарядов необходимо заменить временем релаксации локального заряда — максвелловским временем τ М . Известно, что время τ М определяется через равенство токов смещения и токов проводимости [7] или же отношением проницаемости к проводимости:

^т м =

ε о

σ a

ε о m e ν e n e e ²

Для исследуемой среды τ М имеет значение намного порядков большее по сравнению с подобной величиной для металлических проводников. Для ИГ при изменении п _е от 10 ¹⁵ до 10 18 м - ³ и значение τ М 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 т _М , а обратная величина: ш _кр = 1 /т _М — критическая частота. Если в (4) подставить значения, соответствующие значениям для области, отмеченной на рис. 1, то получаем ш _кр ~ 3 - 10 ¹¹ 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 ωкр . 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, p Ar = 400 Па) с парами ртути ( p Hg = 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 мм ² , 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

ТРУДЫ МФТИ. — 2010. — Том 2, № 3 лишь ничтожное количество заряженных частиц, образующихся под действием космического излучения, естественной радиоактивности фотоионизации и других подобных причин. Среда остается прозрачной во всем диапазоне радиочастот.

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 v _кр .

На основании полученных данных определяется максвелловское время релаксации зарядов — это 10 ^{- 11} с. Действительно, т м = 1 /ш _кр = (2 • п • 10 ¹⁰ ) “ 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 ne ^ 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 σ/ωεε0 (критерий того, как нужно рассматривать данный материал — это изолятор или проводник) от частоты ω в логарифмическом масштабе в предположении независимости от частоты величин σ и ε [7].

СУ /(O880

Рис. 6. Зависимость параметра σ/ωεε 0 от частоты

Здесь также отмечена область, соответствующая ионизованному газу. Исследуемый газ при относительно высоких частотах, когда о/шее q 1 ( ν 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 — τМ . Критическая частота для исследуемого ИГ рассчитывается не через плазменную частоту шп, 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].