Семинар по аэромеханике

7.06.06 в комн. 240 в 10 ч.
В. М. Шибков
(Физ-фак МГУ)
СВЧ РАЗРЯДЫ: ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Аннотация

В докладе представлены результаты исследований низкотемпературной плазмы двух типов сверхвысокочастотных разрядов, а именно, свободно локализованного СВЧ разряда, создаваемого в сфокусированном пучке электромагнитного излучения, и поверхностного СВЧ разряда, создаваемого на диэлектрическом теле поверхностной СВЧ волной. Работы выполнены в течение последних лет на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова.
При формировании подавляющего большинства видов газового разряда используются одно- или многоэлектродные системы подвода энергии, что с практической точки зрения малопригодно для дистанционного создания плазмы в заданной области пространства. И лишь безэлектродные системы, использующие для подвода электромагнитной энергии сфокусированные пучки, идеально подходят для этой цели. Свободно локализованный СВЧ разряд в волновых полях является одной из таких систем. В случае свободно локализованного разряда электрическое поле локализовано в области каустики сфокусированного СВЧ пучка. Эта локализация не зависит от того, что электромагнитная энергия фокусируется либо в неподвижный, либо в движущийся газ. А так как пробой газа в условиях свободно локализованного СВЧ разряда происходит за время меньшее, чем время протекания газа через область занятую разрядом, то разряд не сдувается сверхзвуковым потоком воздуха. Рассмотрены способы локализации разряда в заданном месте пространства и его основные свойства (скорость распространения, степень ионизации, нагрев газа, напряженность электрического поля и др.).
Показано, что поверхностный СВЧ разряд представляет собой тонкий плазменный слой, равномерно покрывающий внешнюю поверхность диэлектрического тела. Скорость распространения разряда может достигать величины 100 км/с, что на несколько порядков величины превышает скорость звука в воздухе. Волна пробоя определяет скорость распространения поверхностного разряда в первые моменты его возникновения (t=1-3 мкс). Амбиполярная диффузия ответственна за механизм распространения разряда в стадии его развития (t=3-100 мкс), тогда как механизм медленного горения возможен только на стационарной стадии существования разряда (t>100 мкс). Электрическое поле локализовано в тонком приповерхностном слое толщиной ~1 мм. Большое значение приведенного электрического поля E/n=100-500 Td ведет к эффективному вкладу энергии в плазму, то есть к быстрому нагреву газа и эффективной наработке активных и заряженных частиц. Температура газ достигает 1000-2000 К, а на начальной стадии формирования поверхностного разряда наблюдается быстрый нагрев воздуха со скоростью ~70 К/мкс.
Экспериментально исследовано воспламенение сверхзвукового потока пропан-воздушной смеси с помощью свободно локализованного СВЧ разряда, поверхностного СВЧ разряда и комбинированного СВЧ разряда. Показано, что все типы СВЧ разрядов приводят к надежному воспламенению углеводородного топлива. Реализовано стационарное горение пропан-воздушного сверхзвукового холодного потока в условиях комбинированного СВЧ разряда и разряда постоянного тока.

Для нахождения степени влияния различных каналов передачи энергии на воспламенение горючих сверхзвуковых потоков разработана кинетическая модель горения воздушно-углеводородных смесей, учитывающая влияние электрического поля на процессы диссоциации молекул и создания активных радикалов, возбужденных и заряженных частиц в условиях неравновесной газоразрядной плазмы. Выявлено сильное влияние величины приведенного электрического поля на индукционный период.