Глава 2. Разработка СВЧ установок для исследований плазмы
2.1. Структурная схема установки с рупорными антеннами
При изучении раздела физики "Колебание и волны" в последние годы в школьной практике применялась установка с генератором СВЧ. Она в 3х сантиметровом диапазоне позволяла демонстрировать практически все свойства электромагнитных волн (отражение, преломление, фокусировки, интерференции, дифракции и т.д.). В данной работе предложено применение принципиально иного устройства, использующего в качестве СВЧ генератора маломощный диод Ганна.
Упрощенный вариант данной установки представлен на рисунке 9.
|
Блок схема УНП:
1 - генератор СВЧ; 2 - модулятор; 3 - передающая антенна; 4 - приемная дипольная антенна с диодом (ДКВ - 7М); 5 - индикатор излучения (гальванометр М1032, осциллограф); 6 - блок питания (ВС - 24 М).
На рисунке 10 приведена принципиальная схема передающего устройства (1,2, рис.9). Данной схемы нет ни в одном описании к данной установке широко распространенной в школе. Режим внутренней модуляции осуществляется с помощью ВК-1 который представляет собой переключатель типа тумблер установленный с соответствующим обозначением.
Рис. 10
В результате проведенных исследований предложен элементарный вариант установки.
|
Схема элементарного передающего устройства. 1-Х1 КД 202В (защитный диод), 2- диод Ганна АА723А.
Вариант представленный на рис. 11 также хорошо работает, но модуляции осуществляется за счет пульсирующего тока стандартного блока питания ВС-24М (см. рис.9).
2.1. Исследование газоразрядной плазмы лампы дневного света.
В эксперименте использовалась демонстрационная СВЧ-установка, изготовленная на кафедре радиофизики и электроники ЧелГУ. Лампа дневного света [3] размещается в фокусе рупора антенны СВЧ-передатчика. Приёмная антенна располагается либо за лампой – исследования на поглощение, либо исследования проводятся на отражение, если приёмная антенна находится под углом 90о. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 12.
Параметры газоразрядной лампы дневного света: цеховой светильник из двух ламп дневного света, напряжение питания 220 В, частота 50 Гц, мощность лампы 60 Вт, габариты 36 мм х 120 см. Схема включения представлена на рис. 13 [10].
Параметры СВЧ-генератора: частота 10 ГГц, длина волны 3 см, используется диод Гана. мощность излучения 2 мВт, амплитудная модуляция [4]. Детектор выполнен на СВЧ-диоде. Выходной сигнал звуковой частоты либо воспроизводится динамиком, либо просматривается на осциллографе.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
В экспериментах на просвет и на отражение наблюдается модуляция излучения с двойной промышленной частотой, а именно с частотой 100 Гц. Это объяснимо, т.к. все процессы в лампе происходят каждый период. На рис. 14 изображена осциллограмма при исследовании плазмы на просвет.
Обработка и анализ сигнала детектора показывает следующее. Во-первых, газоразрядная среда становится непрозрачной на частоте просвечивания при высоком напряжении. Во-вторых, для состояния ГРП определяется максвелловское время релаксации зарядов – это 10–11 с. Действительно,
tМ = 1/w = (2π∙10∙109 Гц) –1 ≈10–11 с. (8)
2.3. Структурные схемы установок на волноводе
Для более качественного исследования свойств газоразрядной плазмы используется модернизированная установка, состоящая из волновода (22,5х10 мм) внутри которого располагается лампа ДРЛ (125(8)-1). Источником СВЧ колебаний является диод Ганна АА723А (λ=3 см). На обоих концах волновода стоят заглушки для образования стоячей волны внутри волновода. В Н01 моде вектор электрического поля параллелен узкой стенке волновода. Напряжённость электрического поля в этом направлении постоянна, а вдоль широкой стенки меняется по закону косинуса.
|
|
|
|
Рис. 15 Распространение Н01 волны в волноводе.
1- Диод Ганна; 2 – детектирующий СВЧ диод; 3 – заглушки на концах волновода
Размеры лампы (13 мм) меньше длины волны в волноводе (54 мм), лампа находится в пучности стоячей волны, то есть влияет в целом на характеристики стоячей волны образовавшейся внутри волновода. При определённой концентрации электронов волна будет проходить, а при некоторой критической концентрации будет происходить полное экранирование СВЧ сигнала. По критической частоте можно определить tМ (см. ф. (8)).
На предлагаемой установке за счёт высокой добротности Q чувствительность метода определения tМ и концентрации электронов увеличивается во столько же раз (т.е. в Q раз). В отличие от ранее предлагаемого метода диагностики газоразрядной плазмы, предлагается измерять амплитуду, а не изменение фазы колебания (изменение фазы должно приводить к изменению резонансной частоты, что требует сложной СВЧ аппаратуры).
2.4. Определение концентрации электронов по критической частоте
Для ГРП νe>>ωe и, как следствие, переход от диэлектрика к проводнику формально происходит при ω<<ωe. Для области частот ω<ωe при νe>>ωe получаем следующее выражение:
(22) , где νe – частота столкновений, ωe- расчётная плазменная частота.
Назовём критической частотой такую частоту, для которой ГРП переходит от состояния с преобладанием диэлектрических свойств к состоянию с преобладанием свойств проводника. Из (22), приравнивая действительную и мнимую части, получаем
ωкр=ωe2/νe (23)
Если говорить о дисперсной зависимости, то для ГРП она должна обрываться внизу при частоте ωкр . Необходимо также отметить, что в области ω> ωкр дисперсия линейная: ω/k=c. Если для ГРП выполняется условие ωe > νe , то дисперсия практически не отличается от приведённого выше соотношения:
, (24)
т.к. в выражении (24) под корнем можно пренебречь вторым слагаемым.
Выражение (23) позволяет написать соотношение для концентрации электронов
Здесь Se – сечение упругого взаимодействия электрона с нейтральными частицами.
Размер молекулы аргона 3,8·10-10 м, Se=11,34·10-20 м2
Температура газа в трубке Т до 5500 К. Давление в трубке Р=105 Па
=8,85·10-12 Ф·м-1 ,k=1,38·10-23 Дж·К-1 ,me=9,1·10-31 кг.
Тогда получается, что ne=2,27·1017 м-3 , что соответствует параметрам плазмы газового разряда (рис. 1).
По данным книги автора Голанта, если отсечка проходящей волны происходит на частоте генерации 10 ГГц, то концентрация электронов ne=3·1017 м-3.
Заключение. Основные результаты
Разработана методика определения параметров газоразрядной плазмы, позволяющая определить концентрацию электронов по частоте отсечки.
Исследования на просвечивание и отражение с применением установки на рупорных антеннах позволили определить максвелловское время релаксации для газоразрядной плазмы лампы дневного света.
Разработана установка на волноводе, которая отличается от ранее предложенных установок тем, что плазма размещается внутри пучности стоячей волны. Данная установка значительно более чувствительна и обладает меньшими потерями (в 10-20 раз).
В заключение отмечу, что в дальнейшем предполагается разработка датчика для использования на космической станции.
Список используемой литературы
1. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. – Москва: ВШ, 1973 г.
2. Тамбовцев В.И. Разделение зарядов в ионизованных потоках //Известия вузов, Радиофизика. Том XLШ, № 9, 2000 г.
3. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. М., 2004 г.
4. Подгорный И. М. Лекции по диагностики плазмы. М., 1968 г.
5. Голант В. И.СВЧ методы исследования плазмы. М., 1968 г
6. Потёмкин В. В. Радиофизика. М. 1988 г.
7. Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. «Наука», 1989 г.
Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику. – Москва: Мир. 1969 г.
8. Горбачёв А. И., Кукарин С. В. Полупроводниковые СВЧ диоды. М., 1968 г.
9. М.Т. Иванов и др. Теоретические основы радиотехники. - М: ВШ. 2002 г.
10. Подгорный И. М. Лекции по диагностики плазмы. М., 1968 г.
11. Цеховой светильник дневного света. Инструкция. М – Л, «Энергия», 1977 г.
