Экспериментальное исследование воздействия магнитной изоляции на прохождение радиоволн через плазменные образования

Б. Ю. БОГДАНОВИЧ, А. В. НЕСТЕРОВИЧ, А. Г. ПОНОМАРЕНКО, В. В. ЯНЕНКО

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

МАГНИТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ПРОХОЖДЕНИЕ РАДИОВОЛН

ЧЕРЕЗ ПЛАЗМЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ

Представлены результаты экспериментального исследования прохождения через плазму электромагнитных волн СВЧ в диапазонах 10 и 3 см. Плазма создавалась в люминесцентных лампах, расположенных между двумя рупорными антеннами или внутри прямоугольного волновода. Измерены коэффициенты отражения S11 и передачи S21 в частотных диапазонах 2,5–4 ГГц, 3–3,4 ГГц и 9,95–10,05 ГГц. Исследовано воздействие локального подмагничивания плазмы с индукцией до 0,2 Тл на прохождение СВЧ-волны.

Исследования в диапазоне l = 10 см. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки, которая была создана в РУЦ НИЯУ МИФИ для целей исследования прохождения электромагнитных волн 10-сантиметрового диапазона через область с низкотемпературной плазмой.

Передача электромагнитной волны здесь происходит между рупорными антеннами РА1 и РА2, а слой плазмы создается четырьмя люминесцентными лампами ЛЛ типа ЛБ40-2, установленными в ряд вплотную друг к другу в пространстве между РА1 и РА2. Электропитание ламп осуществляется от блока питания магниторазрядного насоса БП100, который представляет собою двухполупериодный выпрямитель с падающей нагрузочной характеристикой. Предварительный накал ламп не применяется, зажигание разряда осуществляется подъемом напряжения БП100 выше напряжения пробоя.

Электрически лампы включены последовательно. Для стабилизации горения разряда применено частичное сглаживание пульсаций разрядного тока с помощью П-образного фильтра нижних частот С1-L-С2. Напряжение на лампах измеряется вольтметром V, среднее значение разрядного тока – миллиамперметром, а мгновенные значения тока – осциллографом С1-70 с шунтом Rш = 75 Ом. Свойства плазмы как среды, передающей электромагнитную волну, определяются путем измерения коэффициента S21 передачи сигнала из антенны РА1 в антенну РА2 и коэффициента отражения S11 от передающей антенны РА1. Данные измерения осуществляются векторным анализатором СВЧ-цепей типа N5230A фирмы Agilent inc. Измерения указанных параметров выполнялись в частотном диапазоне 2,4–4,0 ГГц.

В лампах возбуждался разряд, средние параметры которого регулировались с помощью ЛАТР, а мгновенный ток разряда контролировался электронно-лучевым осциллографом с шунтом Rш. Период пульсаций разрядного тока во всех режимах остается неизменным (10 мс), что свойственно двухполупериодному выпрямителю напряжения промышленной сети. Глубина пульсаций, как и значения минимального Umin и максимального Umax напряжений на шунте, определяются установленным уровнем напряжения блока БП100.

Мгновенное значение тока плазмы значительно отличается от своего среднего значения. Поскольку частота пульсаций невысокая (100 Гц) и остается существенно меньше частоты соударений частиц плазмы и событий рекомбинации, имеет место заметное изменение основных параметров плазмы (концентрации электронов, удельной проводимости) синхронно с разрядным током. В свою очередь, это влияет на процессы прохождения и отражения электромагнитных волн. Иначе говоря, коэффициенты S21 и S11 пульсируют во времени. Для того чтобы указанные пульсации не препятствовали измерениям коэффициентов S21 и S11, была применена синхронизация работы анализатора N5230A с разверткой осциллографа С1-70 и питающей сетью 50 Гц (см. сигнал “external trigger” на рис. 1).

Таблица 1

Режимы установки в контрольных экспериментах по отработке технологии измерений

*Режим измерений без плазмы (лампы погашены)

В ходе первой серии экспериментов, режимы которых представлены в табл. 1, были выполнены измерения коэффициентов S21. Полученные данные позволили сделать следующие выводы:

·  увеличение тока плазмы сопровождается падением коэффициента передачи S21;

·  максимальное падение коэффициента передачи наблюдается при больших значениях тока плазмы;

·  плазма проявляет нелинейные свойства: в области большого разрядного тока ее электрическое сопротивление уменьшается, т. е. ВАХ ламп имеют участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением;

·  в области сильных разрядных токов проявляется нестабильность характеристик разряда.

Следующая серия экспериментов была выполнена в частотном диапазоне 3,0÷3,4 ГГц. Длительность процесса измерения характеристик S11 и S21 в этой серии была сокращена до 2,136 мс. Предприняты меры по подмагничиванию участка плазмы полем постоянных магнитов ПМ (см. рис. 1). Полученные экспериментальные зависимости S11(f) и S21(f) подвергнуты обработке с целью определения доли поглощенной мощности. Обработка основывалась на том, что . С учетом соотношений ; , доли отраженной и поглощенной мощностей волны определялись как и . Анализ полученных результатов позволил констатировать следующее.

·  Применение локального подмагничивания плазмы приводит к увеличению среднего сопротивления ламп, причем это явление сильнее всего ощущается при высокой яркости плазмы.

·  Подмагничивание приводит к некоторому изменению коэффициентов передачи и отражения. При этом в области яркой плазмы подмагничивание уменьшает коэффициент передачи, а в области низкой яркости, напротив, увеличивает.

·  Доля энергии, поглощаемой внутри четырехполюсника с подводящими кабе­лями, намного превышает долю явлений передачи и отражения. При этом к поглощаемой следует относить энергию, которая теряется в соединительных кабелях и излучается в окружающее пространство, минуя приемную антенну установки (см. рис. 1).

·  Доля поглощаемой энергии мало зависит от режима работы ламп (яркости свечения, наличия либо отсутствия подмагничивания). Так, средняя по диапазону доля поглощаемой энергии в разных экспериментах изменялась в пределах 0,878–0,881.

С целью оценить влияние внешнего поперечного магнитного поля на свойства плазмы в лампах и, соответственно, на условия распространения СВЧ сигнала, были выполнены измерения совместной ВАХ четырех ламп при разном количестве пластин в постоянных магнитах ПМ (см. рис. 1). Одновременно изменялась конфигурация ФНЧ выпрямителя (П-образный фильтр заменялся на Г-образный). Результаты представлены на рис. 2, где цифры означают число магнитных пластин, а буква «г» – соответствующий вариант фильтра.

Исследования в диапазоне l = 3 см. В установке диапазона l = 3 см предприняты меры к тому, чтобы внешнее постоянное магнитное поле могло быть направлено не только поперек направления тока плазмы, но и вдоль него. В отличие от установки рис. 1, здесь внешнее магнитное поле воздействует на плазму в той же области пространства, где распространяется электромагнитная СВЧ-волна. Во всех экспериментах питание подается через Г-образный фильтр нижних частот.

Внешний вид основного узла новой установки показан на рис. 3. Здесь электромагнитная волна распространяется по отрезку прямоугольного волновода 3. В центральной части этот волновод пересекает газоразрядная лампа типа FT5-6W/33, цилиндрический стеклянный баллон которой имеет наружный диаметр около 16 мм. Лампа в установке рис. 3 помещена в цилиндрическую металлическую обойму 4. Таким образом, поле волны, распространяющейся по волноводу, в месте пересечения лишь несколько изменяет свою структуру. Чтобы исключить излучение электромагнитной энергии через торцовые участки лампы, ввод электричества в нее осуществляется через четвертьволновые фильтры-пробки. Внешнее магнитное поле создается практически по всей длине лампы. Измерения показали, что в центральной части волновода индукция наложенного магнитного поля равна 0,2 Тл.

На рис. 4 представлены результаты обработки измерений коэффициентов S11(f) и S21(f). Эксперименту № 10 соответствует выключенная лампа, № 12 – включенная (ток разряда 147 мА), а № 14 – с наложенным продольным магнитным полем и разрядным током 133 мА.

Рис. 4. Распределение долей прошедшей, отраженной и поглощенной энергии волны

Можно видеть, что во всех случаях преобладающее значение имеет поглощение сигнала. Объект исследования проявляет себя как очень низкодобротная колебательная система (резонатор). Потери энергии в этом резонаторе максимальны на «резонансной частоте», которая в опытах № 10, 12 и 14 была равна 9,985, 9,995 и 10,0 ГГц соответственно. На частотах, которые отличаются от «резонансной», нарастает доля отраженной волны, поскольку полное входное сопротивление объекта на этой частоте становится комплексным. В итоге доля энергии волны, прошедшей через резонатор, оказывается небольшой, с максимумом на частоте резонанса [2].

В отсутствие магнитного поля потенциал зажигания лампы оказался равным 1000 В. Наложение продольного поля 0,2 Тл приводит к снижению этой величины до 665 ± 5 В. Продольное поле придает траекториям электронов вид спиралей, что приводит к росту вероятности ионизации и концентрации электронов. Если лампа расположена в том же магнитное поле, но ориентирована поперек силовых линий, то напряжение зажигания увеличивается до 1770±90 В. Данный результат качественно согласуется с результатами исследования воздействия поперечного магнитного поля на ВАХ ламп ЛБ40-2. Он подтверждает, что наложением магнитного поля можно влиять на параметры плазмы и степень ее прозрачности для СВЧ-волн с целью улучшения радиосвязи космических аппаратов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. . Т. 3.М.: Наука, 2000.

2.  , , // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. Аннотации докладов. Т.1.: Ядерная физика и энергетика. М., 2010. С. 181.