ПОВЕРХНОСТНЫЙ СВЕРХВЬ,JСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД

62
В естник Мо сков ско г о унив ер с ит е та. Серия
УДК
3.
Физика. А с трономия.
2007.
№
5
533.9
ПОВЕРХНОСТНЫЙ СВЕРХВЬ,JСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД
ПРИ ВЫСОКИХ ДАВ:ЛЕНИЯХ ВОЗДУХА
Л. В. Шибкова
(кафедра физичеСl'шй электроники)
E-mail: shibkov@phys.msu.ru
Исследован поверхностный СВЧ-разряд на кварцевой антенне при высоких дав­
лениях воздуха. Показано, что формиров,ание разряда сопровождается генерацией
ударных
волн,
а
продольная
скорость
его
распространения
достигает
нескольких
километров в секунду, что делает перспек:тивным применение этой формы разряда
в сверхзвуковой аэродинамике.
Для
поиска
оптимальных
способов
создания
размеры
которого
растут
с
уменьшением
давления.
неравновесной плазмы в сверхзвуковом потоке газа
Степень ионизации при р = 1о- 3 Тор достигает 10%
в
сверхвысокоча­
и более. Такой разряд перспективен для разработки
стотного разряда, а именно микроволновый разряд,
новых источников плазмы для целей микро- и на­
был
[ 1]
предложен
новый
тип
который создается поверхностной волной на диэлек­
ноэлектроники (плазменная обработка поверхности,
трическом теле, обтекаемом сверхзвуковым потоком
травление,
воздуха.
тий, для целей нанотехнологий).
да
Известно,
внутри
что
при
заполненной
трическими
стенками
создании
газом
СВЧ-разря­
трубки
подводимая
к
с
диэлек­
системе
элек­
При
< 50
осаждение
пленок
и
нанесение
покры­
средних давлениях воздуха 1 Тор < р <
Тор, когда частота столкновений электро­
тромагнитная энергия трансформируется в поверх­
нов с нейтральными молекулами порядка круговой
ностную
частоты электромагнитной энергии, поверхностный
волну.
согласованная
В
этом
система,
случае
когда
возникает
для
само­
существования
СВЧ-разряд
в
воздухе
представляет
поверхностной волны необходима плазменная среда,
менное образование толщиной
создаваемая самой поверхностной волной. При этом
покрывающее поверхность антенны [З,
волна
ные
пока
с
распространяется
ее
энергия
пространстве
достаточна
для
до
тех
создания
концентрация
пространства,
шается
до
исследован
плазма
при
-
П ес ,
Этот
и
плазмохимии.
т. е.
границу
области
электронов
поверхностная
способ
широко
В
этом
диэлектрик
внутри
За
кри­
умень­
волна
не
поверхностный разряд в этих местах
существует.
но
П ес .
концентрация
значения
проникает и
не
где
пор,
плазмы
концентрацией электронов не меньше, чем
тическая
в
в
-
достаточно
используется,
случае
например,
имеется
свободное
подроб­
поверхностной
времени
вания достигает значения 10 7 см/с. Так как напря­
женность
электрического
происходят эффективные диссоциация и нагрев мо­
зрения
уменьшения
поверхностного
пламенения сверхзвуковых
В
настоящей
вый
разряд,
работе
атмосферного,
плазма,
когда
поверхности
существование
которой
-
внутри
которого
поддер­
живается поверхностной СВЧ-волной.
В
[7]
< 1 Тор,
ментальная
когда частота столкновений элек­
ввода
СВЧ-энергии
круговой
нетрон
энергии,
по­
В
режиме
верхностный СВЧ-разряд представляет собой одно­
волны
при
волной
высоких,
воздуха.
включает
родное большого объема плазменное образование,
ная
камеру
в
либо
частых
2.4
в
вплоть
Экспери­
себя
вакуум­
СВЧ-мощность
диагностическую
излучения
магнетронный
однократном
посылок
следующие
см;
и
источника
импульсный
имел
.Л =
в
качестве
работающий
в
электромагнитной
теле,
микроволно­
поверхностной
давлениях
установка
пользовался
тронов с нейтральными молекулами много меньше
частоты
исследован
ную камеру, магнетронный генератор, систему для
систему.
было показано, что при низких давлениях
воздуха р
ис­
потоков углеводородного
создаваемый
диэлектрическом
создается
при
топлива.
на
на
трения
энергии в пограничный слой и для инициации вос­
существует создаваемая
пространство,
поверх­
лекулярного газа. Эти факты очень важны с точки
до
диэлектрик,
условиях
пространство,
исследуется система диэлектрик
свободное
в
в тонком приповерхностном слое, то в этих условиях
воздух. В
-
поля
ностного СВЧ разряда велика и поле локализовано
му и окружающий разрядную трубку атмосферный
располагается
В началь­
4].
распространения
пользовании поверхностного СВЧ-разряда для ввода
ками диэлектрической трубки, разделяющими плаз­
плазма
плаз­
поверхностного СВЧ-разряда в зоне его формиро­
волной плазма, ограниченная стен­
[1- 7]
скорость
собой
мм, равномерно
система
разрядной трубки, заполненной газом
пониженном давлении,
моменты
::::; 1
ис­
генератор,
режиме,
либо
СВЧ-импульсов.
Маг­
характеристики:
отдаваемая
W < 100
в
тракт
кВт;
длина
импульс­
длительность
Вестник Московского университета. Серия
3.
Физика. Астрономия.
№
2007.
5
63
импульсов т =
пульсов
f
мкс; частота повторения им­
1-100
1-100 Гц,
=
скважность в режиме повто­
ряющихся импульсов
Q = 1ООО;
мощность не превышала
ные
исследования
ний воздуха от
1.
На рис.
проводились
1 до 760
при этом средняя
Вт. Эксперименталь­
100
в
диапазоне
давле­
Тор.
представлен общий вид поверхностно­
го СВЧ-ра зряда при атмосферном давлении воздуха.
Ра зряд при высоких давлениях представляет собой
сложную систему, состоящую из тонких ветвящихся
плазменных
каналов
диаметром
от
до
0.1
1
мм
в зависимости от длительности воздействия, давле­
ния газа и подводимой СВЧ-мощности. СВЧ-ра зряд,
близкий по структуре к исследуемому в настоящей
работе,
получен также
в
Так как
[8].
в услови­
ях поверхностного СВЧ-разряда электрическое поле
локализовано
поверхности
в
тонком
антенны,
слое
то
газ
(h
в
мм)
1
rv
вблизи
приповерхностных
областях быстро нагревается. Это приводит к тепло­
вому взрыву вблизи поверхности кварцевой антенны
(позиция
на рис.
(1)
2),
и формирование разряда
сопровождается генерацией ударных волн
(2),
а на
поздних стадиях в области существования ра з ряда
образуется каверна
1 см
Зависимость продольной скорости распростране­
ния
Рис.
/.
Общий вид (вид спереди) поверхностного
СВЧ-разряда при атмосферном давлен ии воздуха.
Длительность и мпульса
мощность
W = 55
т
зона пониженной плотно­
(3) -
сти нейтрального газа.
=
1О
мкс, и мпульсная
кВт, СВЧ-энергия распростра-
няется снизу вверх
поверхностного СВЧ-ра зряда,
первые
мкс
10
его
воздуха при мощности
Видно,
ет
что
от
распространения
километров
в
секунду
за
давления
кВт приведена на рис.
70
скорость
несколько
усредненной
существования,
3.
составля­
и
монотонно
уменьшается с увеличением давления воздуха. Этот
результат
ванной
вполне
понятен,
мощности,
т. е.
при
фиксиро­
фиксированном
так
как
значении
напряженности электрического поля, такая важней­
шая
для
разряда
величина,
как
приведенное
трическое поле Е /п
(п
воздуха),
уменьшается
монотонно
давления воздуха,
что и
элек­
концентрация молекул
-
ведет к
с
увеличением
падению скорости.
v, км/с
12
10
8
6
4 '--~----'--~--'----~--'-----'
200
о
Рис.
2.
Мгновенная
(время
экспозиции
4
400
мкс)
воздуха
1 атм,
импульсной СВЧ-мощности
длительности и мпульса
момента
съемки
100
кВт,
мкс . Время задержки
относительно
СВЧ-импульса
55
120
переднего
мкс
фронта
800
р, Тор
теневая фотография (вид сбоку) области существо­
вания пов ерхностного СВЧ-разряда при давлении
600
Рис.
3.
Зависимость
пространения
давления
W = 70
воздуха.
кВт.
п ервые
продольной
поверхностного
И мпульсная
Значение
1О
скорости
рас­
СВЧ-разряда
скорост и
от
СВЧ-мощность
усреднено
мкс существован ия разряда
за
Вестник Московского университета. Серия
64
Данный тип разряда может найти практическое
2.
3.
Физика. Астрономия.
2007.
№
5
Шибков В.М., Александров А. Ф., Ершов А.П. и др .
аэродинамике (управление потоком вблизи поверх­
// Вестн. Моск. ун -та. Физ. Астрон. 2004. № 5. С. 67
(Moscow Uпiversity Phys. Bull. 2004. N 5. Р. 64).
ности тела, движущегося в плотных слоях атмосфе­
3. Шибков В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибко­
применение
ры,
в
снижение
условий
сверх-
и
гиперзвуковой
поверхностного
воспламенения
и
трения,
горения
плазменной
сверхзвуковых
потоков газообразного топлива и т. п.).
Автор
приносит
благодарность
профессорам
А. Ф. Александрову и В. М. Шибкову и доцентам
А. П. Ершову и В. А. Черникову за помощь в работе
и полезное обсуждение полученных результатов. Ра­
бота выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(грант
05-02-16532).
Литература
1.
ва Л.В.
оптимизация
//
ЖТФ.
2005. 75, № 4. С. 67.
4. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Шибко­
ва Л.В.
5.
//
ЖТФ.
2005. 75, № 4. С. 74.
Шибков В.М., Александров А . Ф., Ершов А.П. и др .
// Физика плазмы. 2005. 31, № 9. С. 857.
6. Двинин С.А., Шибков В.М., Михеев В.В. // Физика
плазмы. 2006. 32, № 7. С. 654.
7. Шибков В.М., Двинин С.А., Ершов А.П. и др . // Фи­
зика плазмы. 2007. 33, № 1. С. 77.
8. Gritsinin S./., Kossyi !. А . , Malykh N.f. et a l. // Prepriпt
of Geпeral Physics lпstitute of RAS. N 1. М., 1999.
Шибков В.М., Виноградов ДА., Восканян А.В. и др .
// Вестн. Моск. ун -та. Физ. Астрон. 2000. № 6. С. 65
(Moscow Uп iv e rsit y Phys. Bull. 2000. N 6. Р. 80).
Поступила в редакцию
04.05.07