СВЧ диагностика газового разряда
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Дипломная работа
СВЧ диагностика газового разряда.
|
Факультет: |
Физический |
|
Исполнитель: |
Нестеров Н. А. |
|
Кафедра: |
Радиофизика и электроника |
|
Группа: |
ФФ‑504 |
|
Специальность: |
013800 – Радиофизика и электроника |
|
Научный руководитель: |
Профессор кафедры РФИЭ ЧелГУ, д.ф.-м.н. Тамбовцев В.И. |
|
|
|
Рецензент: |
Аспирант каф.общей физики Тепляков А.В. |
|
|
Дата защиты: |
21 июня 2006 г. |
|
Научный консультант: |
– |
|
Оценка: |
|
|
Челябинск – 2006
Содержание
|
|
Введение. Актуальность проблемы |
3 |
|
Глава 1. |
Постановка исследований |
4 |
|
1.1. |
Свойства газоразрядной плазмы |
4 |
|
1.2. |
Методы исследования газоразрядной плазмы |
7 |
|
1.3. |
Волноводы |
10 |
|
1.4. |
Эффект Ганна |
18 |
|
1.5. |
Детекторный СВЧ диод |
27 |
|
1.6. |
Газоразрядные лампы |
28 |
|
Глава 2. |
Разработка СВЧ установок для исследования плазмы |
30 |
|
2.1. |
Структурная схема установки с рупорными антеннами |
30 |
|
2.2. |
Исследование газоразрядной плазмы лампы дневного света |
32 |
|
2.3. |
Структурные схемы установок на волноводе |
34 |
|
2.4 |
Определение концентрации электронов по критической частоте |
36 |
|
Заключение. Основные результаты |
38 |
|
|
Список используемой литературы |
39 |
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)
