Geum.ru

Автореферат разослан сентября 2007 г

Вид материалаАвтореферат

Содержание


В четвертой главе
Пятая глава
Шестая глава
Подобный материал:
1   2   3   4   5


На основе анализа линейной стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости приводятся результаты упрощенных оценок параметров плазменной нити для условий эксперимента.

В п.3.5. обсуждаются перспективы использования свободно-локализованного наносекундного СВЧ разряда в атмосфере Земли в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника (радиозвезды) для настройки адаптивной оптики наземных телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы. Определены условия, необходимые для генерации индуцированного УФ излучения свободно локализованным разрядом при создании в верхней атмосфере искусственной ионизованной области [Борисов Н.Д., Гуревич А.В.]. Показано, что способность наносекундных СВЧ разрядов эффективно возбуждать электронные уровни молекул и атомов может быть использована как для диагностики параметров турбулентной атмосферы, так и для определения концентрации ее малых составляющих, оказывающих существенное влияние на климат, состояние озонового слоя Земли и парниковый эффект. Рассмотрены различные варианты применения наносекундного СВЧ разряда в атмосфере для этих целей.

В следующих двух главах приводятся результаты исследования плазмохимических процессов в наносекундных СВЧ разрядах.

В четвертой главе представлены результаты исследования процесса синтеза озона в наносекундном СВЧ разряде в азотно-кислородных смесях. Синтез озона является одним из наиболее распространенных плазмохимических процессов, осуществляемых с помощью электрических разрядов. Эффективная диссоциация кислорода в сочетании с коротким временем воздействия позволяют надеяться на высокую производительность этого процесса и в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде. Исследования проводились в широком диапазоне экспериментальных условий: использовались электромагнитные волны различных частотных диапазонов, варьировалась длительность, частота повторения и мощность СВЧ импульсов, разряд создавался при различной геометрии начального поля, в свободном пространстве и кварцевых трубках, изменялись состав и плотность газа.

В п.4.1. приводятся результаты экспериментального исследования процесса образования озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в кислороде. В п.4.1.1 описаны условия и параметры, при которых проводились эксперименты. Разряд зажигался в диапазоне давлений кислорода р=3100 Тор в двух принципиально различных электродинамических системах: в квазиплоской стоячей и цилиндрически сходящейся TE электромагнитных волнах. В экспериментах использовалось излучение 3-см и 8-мм диапазона, СВЧ импульсы длительностью от 5 до 500 нс и мощностью от 50 кВт до 15 МВт. Частота повторения изменялась от 1 до 103 Гц. Концентрация озона измерялась методом абсорбционной спектроскопии по поглощению излучения ртутной лампы в полосе Хартли. Представлены результаты экспериментов по изучению динамики образования озона в зависимости от давления, длительности и частоты повторения СВЧ импульсов. При непрерывной серии СВЧ импульсов концентрация О3 в вакуумной камере сначала линейно нарастала, и через некоторое время достигала квазистационарного уровня [O3]st, величина которого зависела от частоты следования импульсов и возрастала пропорционально квадрату плотности молекул кислорода. Измерения концентрации озона на стадии линейного роста позволили определить число молекул О3, образованных в течение одного СВЧ импульса. Эксперименты показали, что общее количество образованных за импульс молекул озона определяется величиной поглощенной СВЧ энергии и слабо зависит от объема занимаемого разрядом. Для сравнения эффективности образования озона в различных условиях была измерена энергия, затраченная на образование одной молекулы озона. Минимальная энергоцена η ≈ 4 эВ на молекулу была получена в разряде, создаваемом сжатыми СВЧ импульсами 3-см диапазона длин волн.

В импульсно-периодическом режиме поддержания разряда величина максимально достижимой концентрации озона падала с ростом частоты повторения для длинных (500 нс ) импульсов и возрастала при использовании коротких (τ=6 нс) импульсов. Такая зависимость, объясняется нагревом и более сильным колебательным возбуждением озона в разряде, создаваемом длинными импульсами. Этот вывод подтверждается результатами измерений температуры газа при различной частоте повторения импульсов. Кроме того, при высокой частоте следования импульсов атомы O не успевают конвертировать в озон за время между импульсами, в результате чего в разряде поддерживается достаточно высокая концентрация атомов, что приводит к снижению эффективности образования озона. Определена зависимость степени конверсии атомов кислорода в озон от концентрации атомов, образованных в течение одного СВЧ импульса.

В п.4.1.2. рассматривается численная модель процесса синтеза озона в импульсно-периодическом разряде в поле цилиндрической ТЕ волны. Определяемая из решения уравнения Гельмгольца самосогласованная эволюция электрического поля и плотности электронов в разряде, использовалась для расчета концентраций атомов, ионов, электронно и колебательно возбужденных молекул образованных за время СВЧ импульса. Критерием правильности определения концентраций этих частиц служило совпадение результатов расчета распада плазмы с данными эксперимента. Определенные таким образом концентрации возбужденных частиц и радикалов, использовались в качестве начальных условий для программы, моделирующей динамику образования озона в импульсно-периодическом режиме.

В следующих разделах представлен анализ основных каналов образования и гибели озона в кислороде. Генерация озона в СВЧ разряде происходит в результате диссоциации молекулы кислорода электронным ударом и последующего присоединения атома О к молекуле О2 с образованием молекулы озона в колебательно возбужденном состоянии. Гибель озона происходит преимущественно в реакции с атомарным кислородом. При этом, если молекула озона колебательно возбуждена, то эта реакция ускоряется во много раз, причем основной вклад в ускорение реакции вносит вторая колебательная мода. Подробно обсуждается колебательная кинетика озона. На основе простой кинетической модели рассматривается влияние колебательного возбуждения на установление стационарной концентрации озона. Показано, что для адекватного описания эксперимента необходимо привлечение дополнительного канала передачи энергии в колебательное возбуждение озона. Приводятся результаты расчета стационарной концентрации озона для многоимпульсного режима в условиях, близких к эксперименту. Показано, что динамика образования озона в кислороде определяется совместным влиянием многих процессов. Прежде всего, это генерация в СВЧ разряде атомов и возбужденных частиц, которая сильно зависит от напряженности электрического поля и давления газа. Затем это собственно реакции синтеза и деструкции озона, чувствительные к составу плазмы, процессам колебательной кинетики и диффузии. Важную роль в формировании стационарной концентрации озона играют также электронно-возбужденные молекулы кислорода в состоянии O2(b), которые передают свою энергию в колебательное возбуждение озона [Eliasson B.].

В п.4.2 приводятся результаты исследования процесса синтеза озона в воздухе и азотно-кислородных смесях. Специфика этого процесса, обусловлена наработкой в разряде высоких концентраций атомов, электронно и колебательно возбужденных молекул азота. Наличие этих частиц с одной стороны способствует увеличению эффективности диссоциации кислорода в разряде, а с другой приводит к появлению окислов азота разрушающих озон в процессе плазмохимических реакций. В п.4.2.1. рассмотрены основные процессы с участием заряженных и возбужденных частиц, приводящие к диссоциации молекул кислорода и образованию озона. Основными каналами образования атомарного кислорода являются диссоциация молекулярного кислорода электронным ударом и соударения с электронно-возбужденными молекулами азота, которые в свою очередь образуются при столкновении с электронами. Константы этих реакций являются быстро растущими функциями параметра E/N. Поэтому, энергоцена образования молекулы озона существенным образом зависит от динамики электрического поля и концентрации электронов в разряде и определяется затратами энергии на диссоциацию кислорода.

В п.4.2.2. представлены результаты экспериментов по синтезу озона в азотно-кислородных смесях. Исследования проводились с помощью тех же экспериментальных установок и при тех же параметрах, что и при изучении процесса образования озона в кислороде. Разряд зажигался в свободном пространстве (моделировался режим достаточно быстрого ухода продуктов реакций из области занимаемой плазмой) и в кварцевой трубке (реализовывался режим накопления продуктов химических реакций). В экспериментах наблюдалось существенное различие динамики плазмохимических процессов в этих режимах, а также в длинном (τ = 500нс) и коротком (τ = 6нс) наносекундных СВЧ импульсах. Кроме того, на процесс образования озона влияли частота следования импульсов, процентное содержание кислорода в смеси O2:N2 и плотность газа. В коротком импульсе динамика образования О3 в свободно-локализованном разряде в воздухе была аналогична динамике в кислороде, но максимально достижимое значение концентрации озона было существенно ниже, рис.7. Для разряда, поддерживаемого длинными импульсами, наблюдалось другая динамика. В начальный период серии импульсов концентрация озона линейно нарастала, достигала максимума, а затем плавно спадала до более низкого уровня, рис.8. При высоких частотах повторения импульсов для достижения максимальной концентрации озона требовалось примерно одинаковое число импульсов. В повторных сериях импульсов генерация озона ухудшалась, а его распад усиливался.






Рис.7. Зависимость концентрации озона в разряде, создаваемом короткими (τ=6 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F = 50Гц. Давление воздуха: 1 – 18Тор, 2 - 12Тор и с частотой F = 10Гц при давлении: 3 - 18Тор, 4 - 12Тор.
Рис.8. Динамика озона в разряде, создаваемом длинными (τ=500 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F: 1 - F=250Гц, 2 - F=50Гц, 3 - F=10Гц; давление воздуха p=18Тор.


Эксперименты показали, что причиной уменьшения концентрации озона являются образующиеся в разряде окислы азота. Действительно, в момент начала спада концентрации озона в эксперименте регистрировалась заметная концентрация (~1013 cм-3) двуокиси азота. Влияние окислов азота на динамику озона проверялась для разряда в смеси N2:O2. Было установлено, что уже несколько процентов N2 приводят к уменьшению (по сравнению с кислородом) стационарной концентрации озона, а при 10 % добавке азота на зависимости O3(t) появляется характерный для экспериментов в воздухе падающий участок. Образование высокой концентрации окислов является следствием нагрева и колебательного возбуждения азота при высоких частотах повторения импульсов в отсутствии прокачки газа. В этом случае суммарная энергия, выделяемая в области разряда, может достигать значительных величин, не смотря на малую длительность СВЧ импульсов. В свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты реакций достаточно быстро покидают разрядную область (в нашем случае в результате диффузии), падения концентрации озона не наблюдается даже в течение длительной серии импульсов. Измерения поступательной и колебательной температур в разряде в зависимости от давления и частоты повторения импульсов показали, что температура газа при длительном воздействии и высоких частотах повторения СВЧ импульсов может достигать 400-500 К. Рост температуры газа сопровождается уменьшением константы реакции образования озона и увеличением скорости его разрушения, что приводит к уменьшению концентрации озона, наработанного на начальной стадии разряда. Измеренные значения колебательной температуры лежали в области пороговых значений для реакции образования окислов азота с участием колебательно возбужденных молекул, Тv = 0,2÷0,3 эВ. При этом значения Т и Тv в разряде, создаваемом цилиндрической волной, оказались несколько выше, чем в квазиплоской геометрии из-за более высокого удельного энерговклада, достигаемого в области фокуса цилиндрически сходящейся волны.

Качественный анализ полученных в эксперименте результатов представлен в п.4.2.3. Обсуждаются процессы образования окислов азота в разряде и проводится сопоставление сделанных оценок с экспериментальными данными. Отмечается, что проведенные эксперименты указывают на возможность значительной наработки в наносекундных СВЧ разрядах в воздухе, как озона, так и оксидов азота. При этом получение максимально возможной концентрации озона и минимального количества окислов азота при комнатной температуре газа возможно только при кратковременном поддержании разряда, т.е. при небольшом числе СВЧ импульсов в серии или низкой частоте повторения импульсов, а также при прокачке газа через область разряда. В этом случае не происходит накопления окислов азота до величины, ограничивающей образование озона.

Для прогноза воздействия наносекундных СВЧ разрядов на стратосферу были проведены измерения динамики озона при низких температурах газа. Результаты этих экспериментов приведены в п.4.2.4. В качестве источника СВЧ излучения использовался релятивистский карсинотрон (λ = 8 мм,  = 5 нс, Р=1015 МВт). Разряд зажигался в кварцевой колбе в пучностях стоячей волны, сформированной с помощью сферического зеркала. Стенки колбы могли охлаждаться жидким азотом. Температура газа устанавливалась равной температуре стенок и изменялась в диапазоне T = 200300 K. Удаленность разряда от стенок колбы обеспечивала протекание химических реакций непосредственно в объеме реактора. Эксперименты показали, что уменьшение температуры газа приводит к увеличению скорости образования озона и одновременно сильно снижает эффективность образования окислов азота. Наработка окислов азота в этих экспериментах не превышала уровня чувствительности метода измерений, концентрация озона при всех давлениях возрастала более чем на порядок, а спада O3 не наблюдалось даже при длительном воздействии, рис.9.


Рис.9. Зависимость концентрации озона от времени при концентрации нейтральных частиц N = 2∙1018 см-3, F = 3Гц и различной температуре воздуха.
Рис.10. Энергетическая цена образования одной молекулы озона в зависимости от частоты повторения СВЧ импульсов (λ=3см) при давлении газа p=20 Тор: воздух, 1 - τ= 500 нс; 2 - τ= 6 нс; кислород, 3 – τ = 500нс; 4 - τ=6 нс.


В п.4.2.5. приводятся результаты измерений затрат СВЧ энергии, идущей на образование одной молекулы озона. Обнаружено, что энергоцена может изменяться в широких пределах в зависимости от условий эксперимента и электродинамической структуры разряда. Минимальная энергоцена была получена в разряде в кислороде с использованием сжатого (6 нс) импульса 3-см диапазона длин волн и составляла величину η = 4 эВ на молекулу. В длинном импульсе при тех же условиях энергоцена была существенно выше η = 23 эВ, рис.10. Полученная в коротких импульсах более низкая энергоцена образования O3 с одной стороны свидетельствует о том, что эффективность диссоциации кислорода в этом разряде близка к оптимальной (~2,5 эВ), а с другой стороны, что предположение о полной конверсии атомов O в озон нарушается при увеличении длительности СВЧ импульсов. Энергоцена образования озона в воздухе возрастала при увеличении частоты следования импульсов и была примерно в четыре раза выше, чем в чистом кислороде. Установлено также, что при импульсно-периодическом воздействии прокачка газа через разрядную область снижает энергоцену образования озона в воздухе. Кроме того, энергоцена уменьшалась с ростом давления газа, причем для разряда в квазиплоской стоячей волне она была ниже, чем для разряда, создаваемого цилиндрической волной. Эффективность образования озона уменьшалась также при переходе к 8-миллиметровому диапазону длин волн. При этом, в зависимости от плотности воздуха, энергоцена составляла величину ~ 50100 эВ при комнатной температуре газа, снижаясь до 2540 эВ при температуре Т = 200 К.

На основе простой качественной модели рассмотрены условия наиболее эффективной диссоциации кислорода в разряде в зависимости от параметра E/N. Условиям оптимума соответствует минимум энергозатрат на диссоциацию молекул О2, то есть расходуется максимально возможная доля энергии СВЧ импульса. Показано, что оптимальное значение приведенного электрического поля лежит вблизи порога пробоя кислорода. Проводится сравнение результатов расчета с данными эксперимента.

С целью объяснения результатов экспериментов и выяснения характера зависимости энергоцены от различных параметров СВЧ разряда было проведено численное моделирование динамики наносекундного СВЧ разряда в воздухе (п.4.2.6.). Рассматривались разряды в поле симметричной цилиндрической TE-волны и в поле плоской стоячей волны. В результате вычислений было установлено, что, в случае СВЧ импульсов очень малой (~310 нс) длительности, рост концентрации электронов происходит в области максимального поля и вид распределения плазмы подобен начальному распределению поля. При росте плотности плазмы уменьшение величины электрического поля в разряде происходит практически одинаковым образом в независимости от геометрии начального поля. Максимальная концентрация электронов зависит от объема занимаемого плазмой и для разряда в цилиндрической волне существенно выше, чем для разряда в плоской волне. При этом в плоской геометрии плазма более эффективно поглощает СВЧ энергию.

Знание динамики развития разряда позволило определить число образованных в разряде атомов кислорода и, таким образом, рассчитать зависимость энергоцены диссоциации кислорода от давления воздуха, длительности СВЧ импульса, амплитуды начального электрического поля и длины электромагнитной волны при различных геометриях начального поля. Было установлено, что в реакциях диссоциации с участием возбужденных молекул азота образуется около половины всего атомарного кислорода. Сравнение измеренной энергоцены образования озона с рассчитанной для условий близких к реализуемым в эксперименте показало их удовлетворительное совпадение. Сформулированы условия, необходимые для достижения наибольшей эффективности диссоциации кислорода в наносекундном СВЧ разряде. Сделан вывод о существенном влиянии электродинамической структуры разряда на эффективность плазмохимических процессов.

В начале 80-х годов А.В. Гуревичем была высказана идея создания в атмосфере Земли искусственной ионизованной области (ИИО), хорошо отражающей радиоволны (радиозеркало). В дальнейшем, интерес к созданию ИИО был обусловлен разнообразием задач, которые можно решать с ее помощью. В п.4.3. обсуждается перспектива использования наносекундного СВЧ разряда в качестве источника озона в верхней атмосфере. Отметим, что экологические последствия активных СВЧ экспериментов в верхней атмосфере в настоящее время однозначно не определены, поскольку наработка окислов азота, разрушающих озон в каталитических реакциях, сильно зависит от режима поддержания ИИО. Поэтому большое значение приобретают лабораторные эксперименты и оценки, проводимые на их основе. В данном параграфе детально обсуждаются процессы образования и эволюции озона в натурных условиях и в случае создания в стратосфере искусственного источника озона. На основе простейшей одномерной модели проводятся численные оценки возможной энергоцены образования озона в разряде создаваемом в атмосфере Земли пересекающимися пучками радиоволн. Вычисления проведены для двух длин волн (3см и 8мм) и для разных высот в области озонового слоя, рис.11.






Рис.11. Расчет энергоцены образования атома кислорода в ИИО, создаваемой на высотах: 1 - 20 км, 2 - 25 км, 3 - 30 км, СВЧ-излучение с длиной волны 3 см (сплошная кривая) и 8 мм (пунктир) и длительностью импульса τ= 50 нс.


Установлено, что эффективная генерация озона в ИИО может быть достигнута на высотах 2025 км СВЧ излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 46 кВ/см при длительности СВЧ-импульсов 3050 нс. В этих условиях энергоцена образования молекулы озона будет составлять величину ~ 3040 эВ. Такая производительность (~100 г озона на 1 кВт час затрат электроэнергии) атмосферного озонатора сравнима с показателями озонаторов, использующихся в настоящее время для технологических целей на производстве. Наибольшая эффективность генерации озона достигается при использовании СВЧ-импульсов, для которых стадия пробоя значительно короче длительности импульса, при условии, что круговая частота электромагнитного поля меньше частоты столкновений электронов с молекулами. В этом случае значительная доля энергии СВЧ-импульса поглощается в разрядной плазме и возможно достижение условий, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота в разряде близко к их естественному отношению в атмосфере ~ 103. При этом особенно важную роль играет низкая температура газа (T≈200220 K) в стратосфере. Оптимальным режимом воздействия на атмосферу является небольшая серия наносекундных импульсов при последующей смене местоположения ИИО путем сканирования волновыми пучками. При этом, благодаря атмосферным ветрам, диффузии и большому времени жизни молекул озона на высотах максимума озонного слоя и ниже (более 100 суток), генерируемый в ИИО озон, разносится на большие расстояния и может создавать локальный искусственный слой значительного масштаба.

Таким образом, проведенный цикл исследований демонстрирует принципиальную возможность осуществления генерации озона в стратосфере с помощью ИИО. Отметим, что обсуждаемый натурный эксперимент не приведет к сколь-либо значительным возмущениям в глобальном масштабе, однако, несомненно, мог бы способствовать более глубокому пониманию сложных плазмохимических процессов в озоновом слое.

Пятая глава посвящена исследованию процессов разрушения примеси фреона в воздухе при воздействии импульсно-периодических наносекундных коронного и СВЧ разрядов. Газоразрядный метод очистки атмосферы от загрязнений является одним из интенсивно разрабатываемых применений неравновесной плазмы. Современные плазмохимические методы очистки основаны на избирательном разрушении примесей в плазме газового разряда, а также на наработке в очищаемом газе атомов, радикалов и возбужденных молекул, вступающих в реакции с вредными веществами и разрушающими их. Особую актуальность эта тематика приобрела в связи с проблемами "парникового эффекта" и "озоновых дыр", одной из основных причин появления которых, как полагают, является антропогенное загрязнения атмосферы хлорфторуглеродами (CFC). Среди разнообразных предлагаемых способов очистки атмосферы от фреонов [Wong A.Y., Stix T.,. Sugiyama L.E.], весьма привлекательным представляется метод с использованием импульсных СВЧ разрядов различной длительности. Идея использования разрядов, создаваемых мощными пучками микроволнового излучения в нижних слоях атмосферы (в тропосфере) для очистки атмосферы от фреонов была предложена в начале 90-х годов Г.А.Аскарьяном и И.А.Коссым с соавторами. Однако, эксперименты, моделирующие этот процесс в лабораторных условиях, как правило, проводились в СВЧ разрядах большой длительности при высоких энерговкладах (~1 Дж/см3) и большом процентном содержании фреона. Процессы, определяющие деструкцию CFC в наносекундных разрядах, могут существенно отличаться от процессов, протекающих в других типах разрядов. Отметим, что наиболее эффективными методами очистки в настоящее время, наряду с электронными пучками, считаются барьерный и импульсный коронный разряды. Плазма этих разрядов по своим параметрам и свойствам весьма близка к плазме, создаваемой СВЧ излучением наносекундной длительности. Поэтому часть экспериментов по изучению плазмохимических процессов (в основном при большой частоте повторения импульсов) проводилась с помощью наносекундного коронного разряда при энерговкладах близких к энерговкладам в наносекундном СВЧ разряде.

В п.5.1. представлены результаты изучения эффективности разрушения фреона в импульсно-периодическом наносекундном коронном разряде. Эксперименты проводились при давлениях p= 10-760 Тор в воздухе, кислороде и аргоне при различном процентном содержании фреона C2Cl3F3 (CFC-113) без прокачки газа. Энергетические затраты на разрушения одной молекулы фреона определялись методом абсорбционной ИК спектроскопии по уменьшению концентрации молекул CFC-113 после обработки газовой смеси разрядом. Эксперименты показали, что при давлении воздуха р=100 Тор увеличение процентного содержания фреона от 0,1 до 10% приводит к снижению энергоцены разрушения одной молекулы с 800 до 20 эВ. При фиксированном процентном содержании примеси фреона энергетические затраты на очистку увеличивались с ростом давления газовой смеси. Приводится сравнение результатов эксперимента с данными других авторов, рис.12. Установлено, что энергозатраты на разрушение одной молекулы CFC при низком содержании фреона оказываются в наносекундном разряде ниже, чем в СВЧ разрядах большей длительности.

В работах Г.А.Аскарьяна, И.А.Коссого и др. был предложен метод очистки атмосферы Земли от фреонов с помощью разряда, создаваемого на заданной высоте наземными антеннами, основанный на разрушении CFC в процессах диссоциативного прилипания электронов. Разрушение молекул фреона происходит при этом избирательно, преимущественно на стадии распада плазмы, холодными электронами, для которых константа диссоциативного прилипания особенно высока (ka=10-7-10-9 cm3/с). Поэтому использование наносекундных СВЧ разрядов, в которых значительная доля энергии идет на ионизацию газа, является предпочтительным. Эффективность очистки при этом определяется характером распада плазмы. В п.5.1.1. и п.5.1.2. представлены результаты экспериментов по изучению деструкции фреона в распадающейся плазме наносекундного СВЧ разряда.

Эксперименты, моделирующие процесс очистки атмосферы с помощью наносекундного СВЧ разряда, проводились в смеси воздуха с фреоном (CFC-113). В качестве источника электромагнитного излучения использовался карсинотрон 8-миллиметрового диапазона длин. Удельный энерговклад, в зависимости от давления воздуха, составлял 10-3-10-1 эВ/молекула. Электронная концентрация в распадающейся плазме измерялась резонаторным методом. В параграфе приводятся результаты измерения скорости распада плазмы при различном содержании фреона в воздухе, рис.13. Снижение доли фреона приводило к сближению скоростей распада плазмы в воздухе и смеси воздуха с фреоном, а при парциальных давлениях ниже рf* = 3·10-5 Тор влияния фреона на распад плазмы не наблюдалось. Величина порогового давления определялась равенством частот прилипания электронов к молекулам фреона и кислорода. Продемонстрирована возможность разрушения фреонов при их низком содержании, но в этом случае обнаруженный в эксперименте быстрый распад плазмы (гл.2) повышает энергозатраты на удаление одной молекулы фреона в несколько раз. На основании экспериментально установленной скорости распада плазмы определена эффективность разрушения фреона с помощью наносекундного разряда в тропосфере на высотах 15-30 км.






Рис.12. Зависимость энергоцены разрушения молекулы CFC от процентного содержания фреона при 80% очистке (р=100 Тор): 1 - CFC-113 наш эксперимент, 2 - CFC-12, 3 - CFC-114, 4 - CFC-113 (СВЧ разряды микросекундной длительности).
Рис.13. Изменение скорости распада плазмы в смеси воздуха с CFC-113 при общем давлении р=10 Тор и различных парциальных давлениях фреона: 1 - рf=0, 2 -рf=3.6∙10-4 Тор, 3 -рf=9∙10-3 Тор.


Анализ эффективности различных каналов разрушения фреона в зависимости от длительности наносекундного импульса и содержания фреона в газовой смеси представлен в п.5.2. Показано, что при высоком содержании фреона и использовании импульсов большой длительности, основными каналами являются разрушение CFC при соударении с образующимися в разряде возбужденными частицами и атомами, а также диссоциация фреона электронным ударом. В импульсах очень короткой длительности и при низком содержании примеси фреона преобладают процессы разрушения, связанные с диссоциативным прилипанием электронов и перезарядкой отрицательных ионов. К некоторому увеличению эффективности разрушения CFC в процессах диссоциативного прилипания может приводить каталитический цикл, связанный с отлипанием электронов от ионов хлора [Александров Н.Л.]. Приводятся оценки концентрации фреона и длительности СВЧ импульса, необходимые для преобладания того или иного канала.

В п.5.3. представлены результаты эксперимента по исследованию генерации озона в газовой смеси, содержащей примесь СFC-113. Данные эксперимента позволили установить роль атомов O(3P) в процессах разрушения фреонов и провести оценку константы этого процесса.

В параграфе п.5.4. рассмотрены динамика и процессы трансформации продуктов разрушения фреона. В разряде образуются значительные концентрации возбужденных молекул, радикалов и атомов, приводящие через цепь реакций к формированию большого числа разнообразных окислов и появлению каналов разрушения CFC, не связанных с электронным компонентом. В случае создания СВЧ разряда в атмосфере на низких высотах эти продукты будут частично вымываться на Землю дождями, частично же попадать в верхние слои атмосферы, взаимодействуя с ее малыми составляющими. Данное обстоятельство делает анализ продуктов плазмохимических превращений чрезвычайно важным. Анализ образующихся в разрядной плазме продуктов плазмохимических реакций проводился методами абсорбционной УФ и ИК спектроскопии. Представлены результаты измерений динамики окислов азота и хлора в импульсно-периодическом разряде. Обнаружено, что при низком содержании CFC конкуренция азотного и хлорного циклов приводят к падению эффективности гибели озона. Установлено, что при длительной обработке газовой смеси, основными продуктами разложения фреона являются молекулы хлора, концентрация которых хорошо коррелирует с результатами измерений убыли фреона в ИК диапазоне. При этом концентрации окислов хлора и азота оказываются на несколько порядков величины ниже, чем концентрация молекул Cl2.

В п.5.4.2. приводятся результаты численного моделирования процесса разрушения CFC-113 в импульсно-периодическом разряде и проводится сравнение с данными эксперимента. При расчетах использовалась упрощенная двухточечная модель, учитывающая плазмохимические процессы непосредственно в разряде и в реакторе (некоторой точке вне разряда), куда продукты химических реакций выносятся диффузией. Безусловно, данная модель является весьма грубой, но в то же время она позволяет качественно описать основные тенденции плазмохимических процессов, протекающих в сильно неоднородной плазме наносекундного коронного разряда.

Результаты экспериментального исследования эволюции радикалов фреона в наносекундных СВЧ и коронном разрядах, полученные на основе анализа ИК спектров поглощения, представлены в п.5.4.3. В экспериментах газовая смесь обрабатывалась СВЧ импульсами с параметрами: длина волны λ= 8 мм, длительность τ = 5 нс, мощность P=10-15 МВт, частота повторения импульсов F=1-4 Гц. Приводятся результаты измерения концентраций идентифицированных химических соединений, образующихся после обработки смеси, содержащей CFC-113, серией импульсов СВЧ и коронного разрядов.

В параграфе п.5.5. рассматриваются конкретные процессы, приводящие к разрушению фреонов, а также эволюция и трансформация радикалов, образующихся в процессе обработки газовой смеси. Анализ проведенных экспериментов показал, что существенную роль в деструкции фреонов при низких энерговкладах играют процессы диссоциации с участием заряженных частиц (диссоциативные ионизация, прилипание, перезарядка ионов и прямая диссоциация электронным ударом), а также реакции с атомами кислорода. При этом разрушение фреонов в наносекундных разрядах, в отличие от разрядов большей длительности, происходит преимущественно в областях, занятых плазмой. Установлено, что в процессе обработки смеси, содержащей фреон, происходит последовательное разрушение образующихся на предыдущей стадии хлорфторуглеродов, а преобладающими продуктами на конечной стадии процесса являются молекулы Cl2 и SiF4. Последние образуются в результате взаимодействия фторсодержащих радикалов с кварцевыми стенками реактора. Показано, что на начальной стадии обработки происходит, в основном, разрушение C-Cl и С-С связей в молекулах CFC, а лишь затем разрушаются более прочные C-F связи в обогащенных фтором продуктах реакций. Установлено, что механизмы деструкции фреона в наносекундном коронном и СВЧ разрядах имеют одинаковую природу, определяемую высокой долей энергии электронов, идущей на ионизацию и диссоциацию молекул при высоких значениях параметра E/N в этих разрядах.

Шестая глава посвящена разработке и исследованию мощных источников излучения (СВЧ компрессоров) для создания наносекундных СВЧ разрядов. Отметим, что большинство приложений низкотемпературной плазмы предполагает либо непрерывное поддержание разряда, либо использование импульсно-периодического режима с достаточно высокой средней мощностью. В случае наносекундного СВЧ разряда это приводит к необходимости использования источников излучения, способных работать с высокой частотой следования импульсов. Релятивистские СВЧ генераторы позволяют получать наносекундные импульсы мощностью до нескольких гигаватт, но являются сложными и дорогостоящими устройствами, не всегда удовлетворяющими этому требованию. Поэтому более перспективным для технологических процессов представляется использование СВЧ источников на основе временной компрессии импульсов.

В п.6.1. излагаются физические принципы, определяющие работу активных компрессоров микроволнового излучения. Метод компрессии СВЧ импульсов основан на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном резонаторе с последующим быстром выводом ее к нагрузке (модуляцией добротности). Одним из ключевых элементов активного компрессора является коммутатор (переключатель), обеспечивающий вывод энергии из накопительного резонатора. Для получения мощных сжатых импульсов с высокой эффективностью компрессии наиболее привлекательным представляется использование сверхразмерных резонаторов, работающих на модах типа TEon, с низкими омическими потерями. В параграфе приводится краткий обзор существующих компрессоров с такими резонаторами. Анализируется возможность использования в коротковолновой части СВЧ диапазона компрессоров с брэгговскими рефлекторами.

Параграф п.6.2. посвящен разработке новых конструкций плазменных переключателей для СВЧ компрессоров со сверхразмерными резонаторами. Показано, что в наибольшей степени требованиям, предъявляемым к переключателям таких компрессоров, отвечают управляемые брэгговские рефлекторы и переключатели, обладающие резонансными свойствами. Рассмотрена 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 H01 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 (~10-8 c) с концентрацией превышающей критическую. Например, для СВЧ излучения 3-см диапазона электронная концентрация в трубках должна превышать величину Ne > 2·1012 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. рассмотрены 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.

В 6.4. представлены результаты экспериментальных исследований одноканального компрессора СВЧ импульсов на основе сверхразмерного брэгговского резонатора, возбуждаемого на моде Н01 круглого волновода и использующего разработанные плазменные переключатели. Определены коэффициенты усиления по мощности и эффективность компрессии в зависимости от длительности импульса накачки, давления и состава газа в газоразрядных трубках переключателя. В режиме самопробоя газа в выходном рефлекторе достигнут высокий ~25 МВт уровень мощности в сжатом импульсе длительностью 40-50 нс. В режиме внешнего запуска получены сжатые импульсы с мощностью 11 МВт и длительностью импульса 50 нс при коэффициенте усиления по мощности равном 9.






Рис.14. Осциллограммы входного Pinc и сжатого импульсов Pcom, полученные для двухканального компрессора с объединенным вводом-выводом энергии: р = 0,4 Toр, Pinc = 5,1 MВт, Pcom = 53 МВт, длительность сжатого импульса 43 нс, эффективность компрессии 56 %;


В п.6.5. представлены результаты исследования 100-мегаваттного активного двухканального компрессора СВЧ импульсов проходного и отражательного типа 3-х сантиметрового диапазона длин волн, возбуждаемого c использованием мощного СВЧ генератора – магникона, разработанного фирмой "Omega-P” совместно с NRL (США). В этом компрессоре использовались разработанные плазменные переключатели. Каналы компрессоров соединялись с СВЧ генератором и нагрузкой через 3 dB квазиоптический направленный ответвитель с повышенной электропрочностью. Использование ответвителя позволило исключить влияние отраженного сигнала на режим генерации магникона и увеличить эффективность накопления энергии в компрессоре по сравнению с одноканальной схемой. На высоком (~ 5 MВт) уровне падающей мощности продемонстрирована возможность когерентного сложения импульсов, сжатых в каждом из каналов компрессора. В 3-х сантиметровом диапазоне длин волн достигнуты рекордные по энергетике и эффективности параметры сжатых импульсов. Так, в режиме внешнего запуска получены сжатые импульсы с мощностью 53 МВт и длительностью 43 нс, рис.14. Коэффициент усиления по мощности при этом превышал 10, а эффективность компрессии достигала 56 %.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.


Основные результаты диссертационной работы

  1. Исследован пробой газа СВЧ импульсами большой интенсивности и малой длительности. Измерена частота ионизации в различных газах в широкой области давлений и значений приведенного электрического поля, а также в сверхсильном поле при низких давлениях, когда осцилляторная энергия электронов превышает потенциал ионизации атомов и молекул. Установлено насыщение зависимости частоты ионизации от амплитуды СВЧ поля в области параметра E/ω=5·10-7-2·10-6 В/см с и существование нижней границы порога пробоя по давлению, не зависящего от амплитуды поля и связанного с высокой поступательной скоростью электронов и действием пондеромоторной силы. Измерения энергетического спектра электронов в разлетающейся разрядной плазме подтвердили наличие электронов с высокой (до 3,5 кэВ) энергией при пробое газа в сверхсильном СВЧ поле. Показано, что в сверхсильном СВЧ поле константы большинства элементарных процессов падают с увеличением осцилляторной энергии электронов значительно медленнее, чем в постоянном электрическом поле той же амплитуды и чем изменяется сечение соответствующего процесса.



  1. Установлено, что высокие значения напряженности электромагнитного поля в наносекундном импульсе изменяют пространственно- временную картину развития разряда в волновом пучке. Высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной структуры разряда при высоких давлениях, связанной с пробоем на отдельных затравочных электронах. В сильных полях на кинематику волны пробоя начинает оказывать влияние конечное время распространения излучения вдоль оси волнового пучка, приводящее к смещению области первоначального пробоя из фокальной плоскости в направлении падающего излучения. Показано, что различный характер зависимости сечений ионизации и возбуждения электронных уровней молекул от энергии электронов приводит к несовпадению пространственных распределений светимости и концентрации электронов и задержке оптического излучения относительно СВЧ импульса.



  1. Установлено, что значительная энергия электронов, сохраняющаяся в распадающейся плазме из-за высокой степени ионизации и возбуждения газа приводит к изменению характера деионизации плазмы в различных газах. Так в азоте и кислороде наблюдается медленный рекомбинационный распад, а в воздухе обнаружен быстрый распад плазмы, характерный для диссоциативного прилипания электронов. Показано, что наряду с процессами прилипания и отлипания электронов существенное влияние на распад плазмы оказывают процессы ионной конверсии. Высокая энергия электронов связана с передачей электронам энергии при столкновении с метастабильными молекулами азота (удары 2-го рода). Обнаружено, что после пробоя газа низкого давления в сверхсильных полях в разрядной плазме остаются электроны с энергией превышающий потенциал ионизации. В процессе релаксации энергии электронов их концентрация продолжает возрастать в течение времени (0,5-1 мкс) после окончания СВЧ импульса и достигает величин, в 5-10 раз превышающих критическую для падающего излучения.



  1. Продемонстрирована возможность использования наносекундного разряда в волновом пучке для накачки УФ лазеров. В экспериментах получена мощность генерации азотного лазера 60-70 кВт в поперечной схеме накачки и 100-120 кВт в продольной схеме. Эффективность лазерной генерации составляла величину 10-410-3, а удельный энергосъем равнялся 0,52 Дж/атм.л. Установлено, что при возбуждении лазерной смеси с помощью сходящейся цилиндрической TE-волны в газоразрядных трубках большого диаметра происходит последовательная генерация лазерного излучения слоями плазмы расположенными на различных расстояниях от его оси. Такая динамика приводит к удлинению лазерного импульса и увеличению мощности генерации. Получена лазерная генерация в воздухе в свободно локализованном разряде (без трубки), в режиме усиления спонтанного излучения и продемонстрирована возможность создания атмосферного лазера с дистанционной СВЧ накачкой на переходах 2+ - системы азота. Построена численная модель азотного лазера, возбуждаемого наносекундным СВЧ разрядом в поле цилиндрической ТЕ-волны. Установлено, что подбором давления лазерной смеси, диаметра газоразрядной трубки и величины падающей СВЧ мощности можно эффективно управлять параметрами разряда, добиваясь почти полного поглощения СВЧ излучения и высокой эффективности лазерной генерации. Показаны перспективы использования свободно локализованного наносекундного СВЧ разряда в атмосфере Земли в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника света (радиозвезды) для настройки наземных оптических телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы.



  1. Изучены механизмы формирования в наносекундном СВЧ разряде атмосферного давления тонких плазменных нитей с повышенной яркостью. Показано, что причиной возникновения интенсивно излучающих нитей является ионизационно-перегревная неустойчивость. К развитию указанной неустойчивости может приводить быстрый нагрев газа при тушении электронных уровней молекул, эффективно возбуждающихся в разрядной плазме. Установлено, что образование плазменной нити сопровождается ростом параметра E/N и концентрации электронов. При этом резко возрастает эффективность возбуждения электронных уровней молекул и мощность спонтанного излучения, а также создаются условия для возникновения инверсной населенности и режима усиления УФ излучения вдоль плазменной нити.



  1. Показано, что динамика озона в наносекундном разряде в кислороде существенным образом зависит от длительности, частоты повторения и энергии СВЧ импульсов. Определены оптимальные условия по приведенному электрическому полю (E/N~10-15 В·см2), при которых на диссоциацию кислорода в разряде идет максимальная из возможной доля энергии СВЧ импульса. Минимальная цена ~ 4 эВ получена для в разряде, создаваемом короткими (~5 нс) импульсами с низкой частотой повторения. Показано, что величина квазистационарной концентрации озона в импульсно-периодическом разряде в кислороде в значительной мере определяется колебательным возбуждением молекул озона, сильно ускоряющем реакцию его гибели и диффузией, влияющей на баланс колебательной энергии.



  1. Проведено экспериментальное исследование процесса синтез озона в наносекундном разряде в воздухе и азотно-кислородных смесях. Показано, что в свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты плазмохимических реакций быстро покидают разрядную область возможна эффективная генерация озона в коротких (~5-10 нc) наносекундных импульсах. Установлено, что увеличение длительности и частоты повторения импульсов приводит к разрушению образованного на начальной стадии озона в результате накопления в разрядной области окислов азота. Образование окислов связано с ростом поступательной и колебательной температур азота при увеличении энерговклада в разряд. Показано, что достижение высокой концентрации озона при минимальном количестве окислов азота при комнатной температуре возможно только при небольшом числе СВЧ импульсов в серии или низкой частоте повторения импульсов, а также при прокачке газа через область разряда. Понижение температуры газа приводит к росту эффективности генерации озона и снижению наработки окислов азота. В широком диапазоне экспериментальных условий (давления газа, мощности и длительности СВЧ импульсов, длины электромагнитной волны) определена энергоцена образования одной молекулы озона. Установлено, что эффективность диссоциации кислорода существенным образом зависит от электродинамической структуры разряда. На основании численного моделирования динамики наносекундного СВЧ разряда в широком диапазоне параметров определена эффективность диссоциации кислорода.



  1. Проведен цикл исследований, посвященных разработке активного метода воздействия на стратосферу пучками мощных микроволн. На основании результатов модельных экспериментов и численных расчетов установлено, что при создании в атмосфере Земли с помощью наносекундного СВЧ-разряда в пересекающихся волновых пучках искусственной ионизованной области (ИИО) в зависимости от выбранного режима могут нарабатываться различные малые составляющие, представляющие интерес для изучения их динамики в условиях реальной атмосферы. Показано, что эффективная генерации озона в ИИО может быть осуществлена на высоте 20-25 км излучением 3-см диапазона длин волн с напряженностью электрического поля в области пересечения пучков 4-6 кВ/см СВЧ-импульсами длительностью 30-50 нс. В этом случае СВЧ энергия эффективно поглощается в разрядной плазме, и имеются значения удельных энерговкладов, при которых соотношение концентраций озона и окислов азота близко к их естественному отношению в атмосфере, а энергоцена образования одной молекулы озона составляет величину ~ 30 эВ. Оптимальным режимом воздействия на атмосферу является небольшая серия наносекундных импульсов при смене местоположения ИИО путем сканирования волновыми пучками в максимуме естественного озонного слоя.



  1. Экспериментально исследован процесс очистки атмосферы от фреонов (CFC) в разрядах наносекундной длительности. Установлено, что механизмы деструкции фреонов в наносекундном коронном и СВЧ разрядах имеют одинаковую природу, определяемую значительной долей энергии электронов идущей на ионизацию и диссоциацию молекул при больших значениях параметра E/N в этих разрядах. Проведено сравнение различных каналов разрушения фреона в зависимости от длительности импульса и содержания СFC в обрабатываемой смеси. Определена энергоцена разрушения одной молекулы CFC в разряде. Установлено, что разрушение CFC в наносекундных разрядах, в отличие от разрядов большей длительности, происходит преимущественно в областях, занятых плазмой, а энергозатраты на очистку при низком содержании фреона оказываются ниже, чем в СВЧ разрядах большей длительности. Показано, что при деструкции фреона, в первую очередь происходит разрыв C-Cl и С-С связей в молекулах CFC, а лишь затем разрушаются более прочные C-F связи в обогащенных фтором продуктах реакций. Определены продукты разрушения фреона в разряде. Установлено, что основным продуктом разрушения фреона являются молекулы хлора, число которых близко к числу разрушенных молекул CFC. Обнаружено, что при определенных условиях конкуренция азотного и хлорного циклов приводит к замедлению распада концентрации озона. На основании данных эксперимента проведена оценка эффективности разрушения фреона с помощью наносекундного СВЧ разряда, создаваемого в тропосфере на высотах 15-30 км.



  1. Разработаны и исследованы мощные источники наносекундного СВЧ излучения на основе временной компрессии импульсов (СВЧ компрессоры). Увеличение мощности сжатых импульсов достигнуто при использовании высокодобротных цилиндрических резонаторов, возбуждаемых на осесимметричных модах с низкими омическими потерями. Для вывода энергии из таких резонаторов разработана серия быстродействующих и электропрочных плазменных переключателей, обладающих резонансными свойствами. Изготовлены и испытаны на высоком уровне мощности различные конструкции активных СВЧ компрессоров с такими переключателями. В схеме двухканального компрессора продемонстрировано когерентное сложения сжатых в каждом из каналов СВЧ импульсов на высоком (~ 5 MВт) уровне падающей мощности. Достигнуты рекордные по энергетике и эффективности параметры импульсов для 3-х сантиметрового диапазона длин волн. Получены сжатые импульсы мощностью 53 МВт и длительностью до 60 нс с коэффициентом усиления по мощности более 10 и эффективностью компрессии 56 %.