СВЧ диагностика газового разряда

    Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Дипломная работа

СВЧ диагностика газового разряда.

Челябинск – 2006

Содержание

Введение. Актуальность проблемы

Возникла проблема организации надёжной связи со спускаемым космическим аппаратом в слоях ионосферы (100±10км). На этих высотах ионизированный газ находится в состоянии неидеальной плазмы. Скорее всего, связь возможно осуществить на СВЧ (λ~1 см), которые пока не используются в космической связи. По имеющимся данным температура и концентрация электронов соответствует параметрам ионизованного газа, который приблизительно соответствует параметрам газоразрядной плазмы ДРЛ. В предлагаемой работе разрабатывается аппаратура для исследования газоразрядной плазмы.

В работе рассматриваются общие свойства частично ионизованного газа лампы высокого давления (ДРЛ), и предлагается метод исследования электрических свойств газоразрядной плазмы. Используется модернизированный школьный демонстрационный СВЧ стенд, в котором генератор на клистроне заменён диодом Ганна.

         Лампа ДРЛ размещается внутри волновода. СВЧ-излучатель (диод Ганна) с одной стороны отрезка волновода, а детектирующий диод располагается  на другом конце. Предполагается исследовать газоразрядную плазму на поглощение. При анализе сигнала на слух получается совершенно очевидный результат: наблюдается модуляция СВЧ-сигнала промышленной частотой (точнее с двойной частотой, т.к. модуляция происходит каждый полупериод). Также сигнал наблюдался и обрабатывался с экрана осциллографа. Можно утверждать, что при некотором мгновенном напряжении на газоразрядной лампе состояние её плазмы таково, что происходит полное экранирование СВЧ-сигнала.

Оригинальность предложенного метода заключается в том, что при эксперименте меняется не частота источника излучения, технически это сложно обеспечить, а мгновенная величина питающего напряжения. Следовательно, меняются и параметры среды за счет изменения напряжения. Исследование свойств газоразрядной плазмы является предметом дальнейших исследований.

Глава 1. Постановка исследований

1.1.          СВОЙСТВА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ (ГРП)

ГРП – среда с малой степенью ионизации: в газе нейтральных атомов или молекул в небольшом количестве присутствуют ионы и электроны. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия частиц пренебрежимо мала по сравнению с кинетической: е/4peоd << kT, где d – радиус Дебая–Гюккеля, определяющий линейных масштаб действия кулоновских сил:       

.                                                                                    (1)

Здесь eо – электрическая постоянная, nе – концентрация электронов.

         В ГРП преобладают столкновения с нейтральными частицами. Тепловое движение заряженных частиц мало, чем отличается от движения нейтральных частиц, если отсутствуют внешние электромагнитные поля, –  применимы соотношения молекулярно-кинетической теории [1]. В термодинамически равновесном ГРП концентрация частиц также как и в газовой плазме определяется формулой Саха (1920 г.). Для ГРП удобно представить результат относительно концентрации электронов:

ne = (2me)3/4(kT)1/4Ро1/2h3/2exp(-ejи/(kT)),                                                   (2)

где  Ро  – давление нейтрального газа, eφи=W1 -W2 – энергия ионизации. В смеси газов φи относится к легкоионизируемым компонентам, даже если их количество nли мало.

В классической газовой плазме локальное нарушение квазинейтральности приводит к возникновению плазменных затухающих колебаний с частотой

wn  = 2π νn:

,   (3)    где me – масса электрона.

Плазменные колебания могут развиваться и существовать на интервале времени между двумя столкновениями tо = 1/νо. Если же wntо< 1, то этот коллективный процесс развиваться не будет. Неравенство  характеризует переход от плазмы к ГРП [1]. Сравним определительные соотношения для ГРП и плазмы: .                                          (4)    

Здесь L – характерный линейный масштаб исследуемой среды, Nd – количество заряженных частиц в сфере Дебая. Различие между газовой плазмой и ИГ определяется соотношением для частот. Хотя понятие плазменной частоты для ИГ не имеет физической реальности. Невыполнение в (4) вторых соотношений (плазменных приближений) приводит к нарушению условия квазинейтральности, а невыполнение третьих, – приводит к нарушению электрической однородности: газ становится слабоионизованным, тепловое движение “маскирует” кулоновские взаимодействия: kT>e2(4πεoδ)–1.

В ГРП время флуктационного разделения зарядов tn = 1/wn необходимо заменить на время релаксации локального заряда, – максвелловским временем tМ. Время tМ определяется через равенство токов смещения и токов проводимости:

         .                                                                 (5)

Для исследуемой среды tМ имеет значение на много порядков большее по сравнению с подобной величиной для металлических проводников. Для ИГ при изменении ne от 1015 до 1018 м–3 и значение tМ изменяется от мс до мкс. На рис. 1 приводятся параметры различных видов ионизованного газа [2]. «Техническая» плазма размещается в закрашенной левой верхней четверти рисунка. 

Колебательные и волновые процессы в исследуемой среде определяются по воздействию на  электрическую компоненту. Выделяются три области частот:

ВЧ –     n > 1/teо,     СЧ – 1/teо ≤ n ≥  1/tМ,    НЧ – n < 1/tМ .                          (6)

         Между wn,  teо , tМ существует однозначная зависимость: wn2 teо tМ = 1. Если tm>te0, то tn>te0 и наоборот, если tm<teо, то tn<teо. Первая пара неравенств характеризует свойства ГРП, вторая – газовой плазмы. Следовательно, в качестве временнόго критерия подобия можно использовать безразмерную величину:  Та = tМ/teо.                                                                                              (7)

Рассматриваемая в работе среда удовлетворяют условию: Та>>1 [1].

1.2. Методы диагностики газоразрядной плазмы

К определяемым параметрам плазмы относятся плотность n, электронная Te и ионная Ti температуры, интенсивность излучения, электрические и магнитные поля и другие. Понятие «температура» обычно используется условно, так как  распределение частиц по энергиям в лабораторной и космической плазме редко бывает максвелловским. В таких случаях речь идёт о кинетической температуре, т.е. о средней энергии частиц.

Методы диагностики плазмы делятся на активные и пассивные. Пассивные методы (например, измерение собственного излучения плазмы) не оказывают влияния на исследуемый объект. К ним относятся спектроскопические методы, а также фотографирование и измерения электромагнитных волн в широком диапазоне (тормозное излучение, циклотронное излучение и другие). В активных методах плазма непосредственно вовлекается в процесс измерения, и это может внести искажения в её состояние. Активные методы тем не менее используются наряду с пассивными, расширяя диапазон определяемых параметров. Наиболее распространены следующие активные методы диагностики плазмы: зондирование плазмы электрическими и магнитными зондами, СВЧ излучением, пучками заряженных и нейтральных частиц (корпускулярная диагностика плазмы) [3]. Корпускулярная диагностика плазмы может быть и пассивным методом, если исследуются свойства частиц, выходящих из объёма изучаемой плазмы.

Зонды вводятся внутрь плазмы для измерения её локальных параметров. Электрическим (ленгмюровским) зондом измеряют ток на него в зависимости от потенциала зонда относительно плазмы. Ток насыщения позволяет определить плотность плазмы, а форма характеристики при малых потенциалах даёт электронную температуру Te. Эти зонды находят широкое применение при исследовании холодной незамагниченной лабораторной плазмы и космической плазмы. Применение зондов при исследовании горячей плазмы ограничено вследствие загрязнений, вносимых материалом зонда, а также вследствие трудностей анализа измерений при наличии сильных магнитных полей.

Для измерения магнитных полей используются магнитные зонды – соленоиды различных размеров, вводимые в плазму. Такой зонд регистрирует dH/dt, а а для получения напряжённости магнитного поля Н сигнал с зонда интегрируется. В космической плазме магнитные поля измеряются феррозондами и квантовыми магнетометрами, а также по вращению плоскости поляризации.

Спектроскопическая диагностика плазмы является важнейшим методом исследования космической и лабораторной плазмы. Каждый из спектроскопических методов пригоден лишь в очень ограниченной области параметров плазмы. Анализ непрерывного спектра излучения плазмы позволяет определить Те и ne. Ширина и форма наблюдаемых спектральных линий могут дать информацию о температуре газа ( по эффекту Доплера), о плотности заряженных частиц (по эффекту Штарка), о магнитных полях и плотности заряженных частиц (по эффекту Зеемана). Вклад каждого из этих механизмов в наблюдаемый контур линии можно выделить даже в тех случаях, когда их влияние соизмеримо. Эффект Штарка сильнее всего влияет на далёкие «крылья» спектральной линии, Эффект Доплера - на центральную её часть, а зеемановские компоненты легко выделить, исследуя поляризацию. Анализ контуров линий излучения высокоионизированных атомов позволяет получить ионную температуру Ti горячей плазмы. Измерение рентгеновского тормозного излучения плазмы позволяет определить n и Te. Сплошной рентгеновский спектр излучения успешно регистрируется в лаборатории только для плазмы высокой плотности (n>>1017 см-3); при низкой плотности рентгеновское излучение возникает в основном из-за попадания частиц на стенки камеры [3].

Анализ рассеянного на свободно движущихся электронах электромагнитного излучения стал возможным только благодаря появлению и развитию лазеров большой мощности. При небольшой плотности плазмы интенсивность рассеянного излучения пропорциональна плотности. Контур линии рассеянного света определяется эффектом Доплера, причём, т.к. рассеяние происходит на электронах, а не на ионах, ширины спектральных линий составляют сотни ангстрем. В плотной плазме возникает рассеяние на флуктациях плотности зарядов, и линия рассеянного излучения имеет в центре довольно острый пик, близкий по форме ионному доплеровскому [3,4].

Кроме основного максимума, соответствующего частоте падающего излучения, наблюдаются максимумы комбинационного рассеяния на шумах плазмы, позволяющие получить информацию об уровне её турбулентности. По положению комбинационных максимумов, отвечающих ленгмюровским плазменным частотам, определяют плотность плазмы. Сложность этих исследований заключается в том, что при малых плотностях (n<<1012 см-3) трудно выделить сигнал на фоне излучения, рассеянного на деталях установки, а при n ~ 1017 см-3 сильный фон создаёт собственное излучение плазмы [4].

Фотографирование плазмы в различных спектральных диапазонах позволяет грубо оценить пространственное распределение n и Te. Особенно полезны фотографии с помощью камеры-обскуры в мягком рентгеновском излучении. Сверхскоростная фотография позволяет понять динамику развития неустойчивостей и получить информацию о характере взаимодействия плазмы с магнитным полем [4].

Зондирование плазмы СВЧ излучением является одним из удобных методов определения ne (особенно для космической плазмы). Он основан на зависимости диэлектрической проницаемости ε плазмы от её плотности:

Страницы: 1, 2, 3