Плазменные и газовые среды для измерения параметров и управления характеристиками пучков миллиметровых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

ГИТ ЛИН Михаил Семенович

ПЛАЗМЕННЫЕ И ГАЗОВЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПУЧКОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 7 АПР 2014

Нижний Новгород 2014

005547299

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Жаров Александр Александрович

(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук)

доктор физико-математических наук, профессор Коссый Игорь Антонович (Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук)

доктор физико-математических наук, профессор Шибков Валерий Михайлович (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова»)

Ведущая организация:

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ)

Защита состоится 16 июня 2014 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.69.02 при ИПФ РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФ РАН.

Автореферат разослан

I!

марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Электромагнитное излучение (ЭМ) миллиметрового диапазона длин волн (крайне высокочастотный (КВЧ) диапазон) находит последние годы все более широкое применение в радиолокации, навигации, связи, научных исследованиях, медицине, в системах обеспечения безопасности, для обработки материалов, нагрева и диагностики плазмы и т.д. [1 —9]. Достоинствами миллиметровых (ММ) волн являются их широкая полоса частот, способность проходить через многие оптически непрозрачные среды, возможность формирования узких диаграмм направленности при относительно небольших размерах антенн, возможность фокусировки пучков ММ излучения в пятно размером несколько миллиметров, а также низкий уровень естественных и индустриальных помех в этом частотном диапазоне. Для успешного освоения ММ диапазона необходимо совершенствование существующих и разработка новых методов генерации, транспортировки и приема миллиметровых волн, а также измерения и управления их характеристиками. В частности, измерение пространственного распределения интенсивности ММ излучения необходимо при разработке и создании источников и линий передачи миллиметровых волн, антенн ММ диапазона, систем радиовидения и неразрушающего контроля, при микроволновой диагностике плазмы. Для измерения пространственных характеристик миллиметровых еолн обычно применяются электронные и тепловые методы [10 — 11]. Однако имеющиеся недостатки традиционных методов часто препятствуют их использованию для измерения пространственных параметров ММ излучения и радиовидения в реальном времени, поэтому актуальной является задача разработки альтернативных динамических методов визуализации и измерения пространственной структуры ММ излучения.

Для измерения характеристик и управления микроволновым излучением может быть использована газоразрядная плазма [12 - 14]. Перспективность использования для этих целей газоразрядной плазмы определяется относительной простотой методов ее создания, а также рядом других положительных качеств. Достоинствами плазменных микроволновых приборов являются широкая полоса рабочих частот, более высокая, чем у полупроводников, радиационная и лучевая стойкость, способность быстро восстанавливаться после микроволнового пробоя, лучшее, чем у тепловых методов измерений, быстродействие и чувствительность. Привлекательным является то, что в отличие от антенных решеток газоразрядная плазма - это сплошная среда, которую можно сделать как прозрачной, так и непрозрачной для ММ излучения. Кроме того, в настоящее время накоплен большой опыт по разработке и применению плазменных устройств и технологий в разных областях науки и техники [15], а также проведены многочисленные

экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия микроволнового излучения с плазмой, изучены свойства различных типов газовых разрядов в пучках электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов [16 - 20]. Однако, чтобы разработать новые методики использования газоразрядной плазмы для измерения характеристик ММ излучения и управления ими, требуется найти пути решения еще целого ряда задач физики газоразрядной плазмы и микроволн.

Несомненный интерес представляет изучение взаимодействия и самовоздействия миллиметровых волн в нелинейных средах, поскольку в ММ диапазоне эти явления исследованы значительно меньше, чем в оптическом диапазоне. Газоразрядная плазма является очень перспективной средой с точки зрения использования в квазиоптических нелинейных элементах ММ диапазона. Для этих же целей могут быть использованы газовые среды, в состав которых входят газы, состоящие из дипольных молекул. Применение в антенно-фидерных трактах нелинейных квазиоптических элементов на основе плазменных и газовых сред открывает новые возможности для быстрого управления параметрами пучков ММ волн. Такие нелинейные квазиоптические элементы могут быть использованы в антеннах с динамической диаграммой направленности, антенных системах с динамическим изменением поляризации излучения, в ограничителях мощности ММ излучения, в обращающих волновой фронт (ОВФ) зеркалах и т.д.

Вышеизложенное показывает, что разработка новых методов измерения и управления характеристиками пучков ММ волн, а также поиск и создание сред, которые могут бьггь использованы для этих целей, является актуальной задачей. Она имеет большое фундаментальное и прикладное значение. Данная диссертация посвящена созданию широкоапертурных сред1 на основе газоразрядной плазмы и газов, исследованию влияния на их параметры ЭМ излучения миллиметрового диапазона длин волн, а также изучению возможностей использования таких сред для быстрого измерения параметров и управления характеристиками ММ волн.

Цели и задачи диссертационной работы

Ниже перечислены цели и задачи диссертационной работы.

1. Разработка методов создания широкоапертурных плазменных и газовых сред, которые могут быть использованы для измерен™ параметров и управления характеристиками миллиметровых волн.

2. Создание нового быстродействующего метода визуализации и измерения пространственного распределения интенсивности ММ волн.

1 Под тирокоапертурными средами в данной работе подразумеваются среды, характерные размеры апертуры которых значительно больше, чем рабочая длина волны ММ излучения.

3. Изучение физических основ метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума (ОК), излучаемого положительным столбом (ПС) разряда постоянного тока в смеси Сэ-Хе (Сэ-Хе разряд). Исследование характеристик данного метода. Изучение перспектив его использования для измерения параметров источников и линий передачи ММ излучения, а также в быстродействующих системах радиовидения.

4. Исследование взаимодействия ММ излучения с газоразрядной плазмой, под держиваемой сторонними источниками ионизации, а также с газами с резонансным поглощением молекул. Изучение возможностей использования таких газоразрядных и газовых сред в нелинейной микроволновой квазиоптике. Демонстрация работоспособности нелинейных квазиоптических устройств ММ диапазона.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработаны оригинальные конструкции и изготовлены газоразрядные приборы, которые позволили с помощью Св-Хе разряда постоянного тока создавать при давлении газа десятки торр стационарный пространственно однородный слой плазмы с размерами апертуры более 10 см.

2. Предложен и реализован метод визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн, основанный на использовании оптического континуума, который излучается плоским положительным столбом СБ-Хе разряда при давлении газа десятки торр. Временное разрешение и чувствительность по энергии данного метода являются рекордными для методов визуализации ММ волн, использующих сплошные среды. Показано, что пространственное разрешение данного метода составляет примерно пять штрихов на сантиметр.

3. Впервые исследовано влияние ММ излучения на яркость оптического континуума, излучаемого газоразрядной плазмой. Показано, что наблюдаемый в экспериментах рост яркости континуума в видимом диапазоне при воздействии ММ излучения на положительный столб Сэ-Хе разряда связан с возрастанием яркости электронно-ксенонового (е-Хе) тормозного континуума (ТК) в результате увеличения числа электронов с энергией более 2 эВ.

4. Впервые создана система активного радиовидения ММ диапазона, позволяющая получать двумерные изображения объектов с частотой десятки кадров в секунду.

5. Предложено использовать в качестве нелинейной среды для миллиметровых и сантиметровых волн неравновесную газоразрядную плазму. Механизм нелинейности такой среды обусловлен зависимостью высокочастотной проводимости неравновесной газоразрядной плазмы от эффективной температуры электронов Те, которая зависит от интен-

сивности падающего микроволнового излучения. Впервые измерены величины кубичного коэффициента преломления и быстродействия неравновесной газоразрядной плазмы, создаваемой разрядом постоянного тока и ультрафиолетовым (УФ) излучением.

6. Экспериментально продемонстрировано ограничение и стабилизация мощности ММ излучения при прохождении его через слой плазмы положительного столба Св-Хе разряда.

7. Впервые реализовано обращение волнового фронта миллиметрового излучения методами нелинейной квазиоптики.

Научная и практическая значимость результатов

Исследования, описанные в данной диссертации, направлены на создание и изучение физических основ новых методов измерения параметров и управления характеристиками пучков миллиметровых волн. Научная и практическая значимость диссертации заключается в следующем:

• Описанный в диссертации метод визуализации пространственной структуры миллиметровых волн, который использует оптический континуум, излучаемый слоем плазмы положительного столба Сб-Хс разряда, может применяться при разработке и создании источников, линий передачи и антенн ММ диапазона. Проведенное экспериментальное и теоретическое изучение основных характеристик данного метода позволило найти области его использования, в которых он либо не имеет конкурентов, либо имеет важные преимущества по сравнению со стандартными методами измерений характеристик ММ волн. Данная методика измерений хорошо работает в диапазоне энергий, в котором из-за недостаточной чувствительности не могут быть использованы тепловые методы визуализации. Этот метод был успешно использован в ИПФ РАН для исследования выходных характеристик импульсных оротро-нов ММ диапазона и гиротронов с импульсным магнитным полем.

• Данный метод визуализации ММ волн может быть использован также для радиовидения в реальном времени. В диссертации было продемонстрировано, что он может применяться для регистрации динамических процессов, а также для оперативного обнаружения скрытых объектов, помещенных в почтовые конверты и бандероли. Он может быть также использован для неразрушающего контроля, например, для определения качества изготовления и однородности диэлектрических поглощающих и радиопрозрачных материалов.

• Результаты исследования плазмы разряда при среднем давлении газа, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, могут быть использованы при разработке других плазменных методов измерения и управления параметрами ММ излучения.

• Предложенный и изученный в диссертации новый класс нелинейных сред для микроволнового излучения - среды на основе неравновесной газоразрядной плазмы - является одним из наиболее перспективных для применения в нелинейных квазиоптических устройствах длинноволновой части ММ диапазона.

• Результаты исследований нелинейных свойств плазменных и газовых сред, а также экспериментов, которые продемонстрировали работоспособность квазиоптического самоограничителя и стабилизатора мощности, ОВФ зеркала ММ диапазона, могут быть использованы при разработке нелинейных микроволновых элементов для антенно-фидерных устройств, применяемых в радиолокации, связи, для радиоэлектронного противодействия, передачи энергии с помощью ММ волн.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. С помощью разряда постоянного тока в смеси паров цезия и ксенона при давлении газа десятки торр создан стационарный плоский однородный слой плазмы с размерами апертуры более 10 см, толщиной несколько сантиметров и концентрацией электронов более 1012 см"3.

2. Метод, основанный на использовании оптического континуума, который излучается плоским положительным столбом Cs-Xe разряда при давлении ксенона около 45 Торр, позволяет с микросекундным временным разрешением проводить визуализацию и измерение пространственного распределения интенсивности ММ излучения. Данный метод визуализации является широкополосным и может быть успешно использован для измерения пространственного распределения интенсивности ЭМ излучения во всем миллиметровом диапазоне. Он обладает высокой энергетической чувствительностью, которая в восьмимиллиметровом и двухмиллиметровом диапазонах не хуже, чем 10 мкДж/см2 и 200 мкДж/см2 соответственно.

3. Рост яркости континуума, излучаемого в видимом диапазоне однородным положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, при воздействии на плазму микроволнового излучения или при увеличении напряженности квазипотенциального электрического поля связан с возрастанием яркости е-Хе тормозного континуума в результате увеличения числа электронов с энергией более 2 эВ.

4. Пространственное разрешение метода визуализации ММ излучения, который основан на использовании оптического континуума, излучаемого положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, ограничено в первую очередь влиянием электронной теплопроводности. Для данного метода визуализации функция размытия линии экспоненциально уменьшается с расстоянием от бесконечно узкого пучка, и при давлении ксенона 45 Торр ее ширина равна примерно 2 мм. Основной причиной возникновения аксиальной асимметрии изображений аксиально-симметричных пучков

ММ излучения является пространственная неоднородность нагрева электронов квазипотенциальным электрическим полем, которая возникает из-за вариации проводимости плазмы под действием микроволнового пучка.

5. Метод визуализации ММ волн, использующий оптический континуум, излучаемый положительным столбом Cs-Xe разряда среднего давления, позволяет осуществлять в реальном времени контроль режима работы источников ММ излучения, а также качества настройки волноводных трактов и квазиоптических линий передачи. В ряде случаев он позволяет идентифицировать рабочую моду импульсных источников миллиметрового излучения средней мощности, а также зарегистрировать наличие примеси паразитных мод.

6. С помощью метода активного радиовидения ММ диапазона, который использует плоский положительный столб Cs-Xe разряда в качестве двумерного визуализатора ММ волн, получены теневые изображения объектов с частотой следования кадров более 10 Гц. Такой метод радиовидения может успешно применяться для неразрушающего контроля, оперативного обнаружения скрытых в радиопрозрачных упаковках предметов, а также для регистрации в реальном времени динамических процессов, недоступных для визуального наблюдения.

7. Механизм вырожденного четырехволнового смешения (ВЧВС) миллиметровых волн в газообразном серооксиде углерода (OCS) связан с насыщением резонансного поглощения электромагнитного излучения при переходе между вращательными уровнями молекул OCS. При оптимальном давлении OCS, температуре газа 200 К и эффективной длине области взаимодействия волн 60 см коэффициент отражения в пучок с обращенным волновым фронтом при ВЧВС излучения с частотой около 182 ГГц достигает величины примерно 0,5%.

8. Неравновесная плазма положительного столба Cs-Xe разряда среднего давления является эффективной нелинейной средой для ММ волн. Нелинейность высокочастотной поляризации такой плазменной среды обусловлена зависимостью концентрации электронов и их высокочастотной подвижности от эффективной температуры электронов Те, которая зависит от интенсивности падающего микроволнового излучения. Плазма положительного столба Cs-Xe разряда в восьмимиллиметровом диапазоне имеет большой кубичный коэффициент преломления, который при давлении ксенона 30 Topp и начальной концентрации электронов Ne0 = 4-1012 см"3 равен «2= -0,07 см2/Вт. Быстродействие такой нелинейной среды порядка 1 мс.

9. Механизм нелинейности плазмы несамостоятельного газового разряда в азоте и его смесях с кислородом, который поддерживается внешним ультрафиолетовым излучением, обусловлен изменением скорости объемных потерь электронов в плазме при их нагреве ММ излучением, в частности, изменением частот электрон-ионной рекомбинации и прилипания электронов к нейтральным молекулам. Время отклика такой нелинейной

плазменной среды определяется временем рекомбинации электронов и ионов, и при начальной концентрации электронов в фотоионизационной плазме Ые0 ~ 2-1011 см"3 оно примерно равно 10 мкс.

10. Концентрация метастабильных молекул Ы2 | в несамостоятельном микроволновом разряде в азоте, поддерживаемом сторонним ультрафиолетовым излучением, не превышает 1014 см"3, поэтому ступенчатая

ионизация молекул Х2 ) не является причиной его ионизационной неустойчивости.

Публикации и апробация результатов

Диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАН. Результаты исследований по теме диссертации отражены в 63 публикациях [1А -63А], которые включают 21 статью в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах (из них 10 статей опубликовано в зарубежных научных журналах, включенных в международные системы цитирования; 10 статей издано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов); 3 препринта, 25 работ, опубликованных в трудах всесоюзных, всероссийских и международных конференций, 14 тезисов докладов на конференциях.

Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИПФ РАН, а также на международных и всероссийских конференциях:

• 18, 19 и 20-й Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Свонси, 1987; Белград, 1989; Пиза, 1991),

• 8 и 9-й Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике в ионизованных газах (Грайсвальд, 1986; Лиссабон, 1988),

• 18 и 27-й Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Колчестер, 1993; Сан Диего, 2002),

• совместной 31-й Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и 14-й Международной конференции по тера-герцовой электронике (Шанхай, 2006),

• 33-й Международной конференции по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (Пасадена, 2008),

• 3, 6 и 8-м Международных совещаниях Микроволновые разряды: основы и приложения (Фонтево, 1997; Звенигород, 2006 и 2012),

• 1, 2, 3, 4, 5 и 6-м Международных совещаниях Мощные микроволны в плазме (Суздаль, 1990; Нижний Новгород, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005),

• 7-м Международном совещании Мощные микроволны: источники и приложения (Нижний Новгород, 2008),

• 35, 37, 38, и 39-й Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2008, 2010, 2011, 2012),

• всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород 2005, 2007 и 2009), и др.

Личный вклад автора

Все опубликованные по теме диссертации работы были сделаны в соавторстве с коллегами или студентами Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, которые выполняли под руководством соискателя курсовые и дипломные работы либо работы на соискание степени бакалавра или магистра физики. В большинстве опубликованных по теме диссертации работ вклад автора был определяющим. Соискателем была предложена и разработана методика создания стационарного пространственно однородного плазменного слоя с помощью разряда постоянного тока в смеси паров цезия с ксеноном. Был предложен и реализован метод визуализации и определения пространственного распределения интенсивности ММ волн, основанный на использовании оптического континуума, который излучается положительным столбом Сэ-Хе разряда при среднем давлении газа. Соискателем были спланированы и проведены эксперименты, которые позволили определить основные характеристики этого метода визуализации ММ волн. Были проведены расчеты и эксперименты, которые показали, что рост яркости континуума в видимом диапазоне при воздействии на него микроволнового излучения связан с возрастанием яркости е-Хе тормозного континуума в результате увеличения числа энергичных электронов. Автором была построена аналитическая модель, которая описывает поведение в пространстве яркости ОК, излучаемого слоем плазмы ПС Сэ-Хе разряда. При непосредственном участии автора были проведены эксперименты, сравнение с которыми продемонстрировало правильность разработанной модели. Совместно со специалистами по вакуумной СВЧ электронике соискателем было продемонстрировано, что метод визуализации ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом Сэ-Хе разряда, может успешно использоваться для измерения параметров излучения на выходе импульсных генераторов ММ излучения. Автором было предложено использовать в качестве нелинейной среды для микроволн неравновесную газоразрядную плазму, и было экспериментально продемонстрировано, что такие среды могут успешно применяться в нелинейных квазиоптических устройствах длинноволновой части ММ диапазона. При непосредственном участии автора было проведено исследование влияния метастабильных молекул азота на устойчивость объемной формы несамостоятельного микроволнового разряда, поддерживаемого сторонним УФ излучением. Для этого им была разработана высокочувствительная методика измерения концентрации молекул азота в метастабильном

электронном состоянии А. Автором была высказана идея использования резонансного насыщающегося поглощения газов, состоящих из дипольных молекул, в качестве механизма нелинейного взаимодействия пучков ММ волн. С использованием такой нелинейной среды им впервые в диапазоне ММ волн были проведены успешные эксперименты по обращению волнового фронта квазиоптического пучка.

В работах [1А - 10А, 14А, 15А, 17А - 19А] автором был внесен основной вклад в подготовку и проведение экспериментов, обработку и интерпретацию их результатов, а его вклад в постановку задач и подготовку публикаций был равным вкладам других соавторов. В работах [20А, 23А -24А] автором внесен определяющий вклад в постановку задачи и интерпретацию результатов экспериментов, а также подготовку публикаций. В работах [21 А, 25А - 28А] автором внесен основной вклад в постановку задач, в подготовку и проведение экспериментов, обработку и интерпретацию их результатов, подготовку публикаций. Автор являлся руководителем и одновременно основным исполнителем работ [29А — ЗЗА, 35А - 43 А, 45А — 57А, 58А, 59А, 61А]. В этих работах он внес основной вклад в постановку задач, планирование, подготовку и проведение экспериментов, обработку, анализ и интерпретации полученных результатов, построение теоретических моделей, объясняющих или предсказывающих результаты экспериментов, подготовку текста публикаций. В работах [11А — 13А, 16А, 22А, 34А, 44А, 60А, 62А, 63 А] вклад автора на всех этапах работы был равным вкладу других соавторов.

Структура к объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, списка сокращений и условных обозначений, списка авторских публикаций и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 342 страницы, включая 2 таблицы, 207 рисунков, а также списки работ автора, в которых опубликованы основные результаты диссертации (63 наименования), и цитируемой литературы (373 наименования).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе диссертации рассматриваются способы создания пространственно однородной плазмы с большой апертурой при помощи разряда постоянного тока в смеси Cs-Xe, а также методы ее диагностики [29А — ЗЗА, 37А - 42А, 48А, 58А]. В п. 1.1 описаны газоразрядные трубки и экспериментальные установки для создания пространственно однородной плазмы с помощью Cs-Xe разряда. В наших исследованиях использовались

Рис. 2. Спектр излучения однородного ПС Сэ-Хе разряда в видимом диапазоне (а). Спектр излучения, прошедшего через набор оптических фильтров (б)

К слоя, а также регистрировать оптическое ■ИяйчьЬ, ' в^ИИиВИИ излучение плазмы. Для более высокой Рис. 1. Фотография газоразрядной пространственной однородности слоя трубки в термостате плазмы в ряде газоразрядных трубок

были применены секционированные аноды и катоды. С использованием трубок такой конструкции были созданы слои плазмы с апертурой 10x8 см2 и 18 х 12 см2. Для достижения необходимого давления паров цезия газоразрядные трубки помещались в термостат и нагревались до температуры 80 — 120 °С с помощью потока горячего воздуха. В конце п. 1.1 описаны электрические схемы питания газоразрядных трубок.

В п. 1.2 описаны методы диагностики плазмы ПС Сз-Хе разряда. Диагностика ПС осуществлялась зондовыми, микроволновыми и оптическими методами. В п. 1.2.1 описана методика измерения напряженности продольного электрического поля и концентрации электронов в ПС Ся-Хе разряда. Измерения распределения в пространстве относительной величины концентрации электронов проводились с помощью подвижного электрического зонда по электронной ветви его вольтамперной характеристики. Абсолютная величина концентрации электронов в положительном столбе определялась по величине разрядного тока J на основании результатов измерений напряженности продольного электрического поля Е и температуры электронов Т , а также по поглоще-

нию микроволнового излучения в слое плазмы. В п. 1.2.2 приведены схемы и описание экспериментальных установок, которые использовались для исследования спектров излучения ПС Сэ-Хе разряда в видимом диапазоне. Измерения эффективной температуры электронов в плазме проводились по спектру континуума, излучаемого в видимом диапазоне ПС Сз-Хе разряда (рис. 2). Методика этих измере-

ний описана в п. 1.2.3. Раздел 1.2.4 посвящен методике измерения пространственного распределения интенсивности излучения ПС Cs-Xe разряда в видимом диапазоне. Изображения свечения слоя плазмы регистрировались при помощи телекамеры со светосильным объективом. При измерении пространственного распределения оптического континуума перед объективом телекамеры устанавливался набор оптических фильтров, не пропускающий линейчатое излучение атомов (рис. 2). Изображения сохранялись и обрабатывались на компьютере. Измерения показали, что основным источником шума на изображениях свечения ПС является система регистрации.

В п. 1.3 описаны экспериментальные исследования положительного столба Cs-Xe разряда среднего давления в отсутствие воздействия КВЧ излучения2. Положительный столб Cs-Xe разряда экспериментально исследовался при давлении ксенона РХе 30 и 45 Topp и плотности разрядного тока j от 50 мА/см2 до 200 мА/см2. Эксперименты показали, что при фиксированном значении разрядного тока в зависимости от температуры стенки трубки наблюдаются три формы положительного столба: контрагированный ПС, пространственно-однородный ПС и ПС со шнуром. В газоразрядных трубках с площадью поперечного сечения около 15 см* при разрядном токе 1,5 А положительный столб был контрагирован и занимал только часть поперечного сечения при температуре стенок трубки tDT > 105 °С. При температуре трубки в диапазоне от 100 °С до 85 °С положительный столб был однородным в пространстве и заполнял все поперечное сечение газоразрядной трубки. В пространственно однородном ПС при давлении ксенона 30 Topp и плотности разрядного тока около 0,12 А/см2 концентрация электронов в зависимости от температуры трубки составляла величину от 3,5-1012 до 5-1012 см"3, температура электронов - от 0,37 до 0,5 эВ. При дальнейшем охлаждении трубки внутри ПС возникал ярко светящийся плазменный шнур диаметром около 5 мм, направленный вдоль направления тока (третья форма ПС). Основной причиной перехода от первой, контраги-рованной, формы ПС ко второй, пространственно-однородной, форме ПС, а затем и его третьей форме является уменьшение концентрации цезия в объеме трубки при понижении ее температуры. В экспериментах по визуализации ММ излучения и нелинейному взаимодействию пучков ММ волн использовался пространственно-однородный положительный столб Cs-Xe разряда.

Вторая глава диссертации посвящена методу визуализации и определения пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн с помощью оптического континуума, излучаемого положительным столбом разряда в смеси паров цезия с ксеноном [38А - 43А, 49А, 50А, 58А, 59А, 61 А]. В п. 2.1 рассматриваются существующие в настоящее вре-

2 Свойства плазмы разрядов в смеси цезия и инертных газов при более низких давлениях

изучались, например, в работах [21, 22]

мя методы определения пространственного распределения интенсивности микроволн, анализируются их достоинства и недостатки. В этом разделе диссертации показано, что, наряду с дальнейшим совершенствованием этих методов, необходима разработка альтернативных динамических методов визуализации и измерения пространственной структуры ММ излучения.

Параграф 2.2 посвящен экспериментальному исследованию характеристик предложенного нами метода визуализации пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи OK, излучаемого ПС Cs-Xe разряда. В п. 2.2.1 описана экспериментальная установка, которая использовалась для исследования воздействия КВЧ излучения восьмимиллиметрового диапазона на слой плазмы ПС Cs-Xe разряда, а также визуализации пространственного распределения интенсивности ММ излучения на выходе конических рупорных антенн. Плазменный слой создавался при давлении ксенона 45 Topp, плотность разрядного тока была 0,1 А/см2. В отсутствие воздействия КВЧ излучения напряженность продольного электрического поля в однородном ПС была 1,15 В/см, температура и концентрация электронов Ne0 = 2,7-1012 см"3 и Те0 = 0,47 эВ соответственно. В качестве источника ММ излучения использовался магнетрон с рабочей частотой 35,4 ГГц, который генерировал импульсы ММ излучения мощностью до 20 Вт и длительностью до 100 мс. Проведенные нами эксперименты показали, что при интенсивности ММ излучения W большей пороговой величины WBr происходил микроволновый пробой плазменного слоя, и наблюдались плазменные филаменты, вытянутые вдоль направления вектора электрического поля КВЧ излучения. В условиях экспериментов величина порога микроволнового пробоя однородного ПС в восьмимиллиметровом диапазоне была WBr < 4 Вт/см2. Была измерена зависимость яркости OK АI от интенсивности ММ излучения. При W < fVBl зависимость ДI(W)!I0 с точностью

несколько процентов аппроксимируется монотонно возрастающим полиномом второго порядка (рис. 3). Для интервала 0 < W < WBi / 3 изменение интенсивности оптического континуума AI приблизительно (с точностью 10%) прямо пропорционально интенсивности ММ излучения W. Для проверки работоспособности предложенного метода были проведены модельные эксперименты по визуализации пространственного распре-14

МУГв,

Рис. 3. Зависимость относительного изменения интенсивности ОК от интенсивности падающего на плазменный слой ММ излучения

деления интенсивности ЭМ излучения восьмимиллиметрового диапазона на выходе конических рупорных антенн, возбуждаемых низкими ТЕ модами круглого волновода (рис. 4), а также в квазиоптическом пучке. Эти эксперименты описаны в п. 2.2.2. Сравнение результатов измерений пространственных распределений, проведенных данным методом, с расчетными распределениями и распределениями, определенными другими методами, показали, что данный метод может быть успешно использован для визуализации и измерения пространственной структуры ММ излучения интенсивностью меньше пробойной. Параграф 2.2.3 посвящен измерению чувствительности метода визуализации по энергии и мощности КВЧ излучения в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн. При регистрации изображения, полученного с использованием одного импульса ММ излучения, была достигнута пороговая чувствительность (отношение сигнал/шум равно 1) порядка 10 мкДж/см2. Такая чувствительность по энергетической экспозиции является рекордной для визуализаторов микроволн на основе сплошных сред. Пороговая чувствительность по интенсивности КВЧ излучения, которая была достигнута в экспериментах, составляла в восьмимиллиметровом диапазоне величину около 15 мВт/см2. В проведенных экспериментах чувствительность метода по энергии и интенсивности КВЧ излучения была ограничена шумами телекамеры. В п. 2-2.4 описаны эксперименты, целью которых являлось определение временного разрешения данного метода визуализации. В этих экспериментах для исследования динамики интенсивности оптического континуума вместо телекамеры был использован фотоэлектронный умножитель. Измерения показали, что динамика нарастания интенсивности ОК после быстрого включения КВЧ излучения хорошо описывается экспоненциальной зависимостью, и время отклика интенсивности ОК равно г= 0,8+0,1 мкс. Параграф 2.2.5 посвящен демонстрации возможности применения данного метода для визуализации ММ излучения с микросекундной и субмикросекундной длительностью импульса. Было экспериментально показано, что при постоянной мощности с уменьшением длительности импульса ММ излучения ти в диапазоне менее 1 мкс вариация энергетической экспозиции ОК уменьшается приблизительно прямо пропорционально т2и . Было экспериментально продемонстрировано, что данный метод может применяться для визуализации пространственной структуры импульсного ММ излучения с интенсивностью порядка 1 кВт/см* и длительностью импульса более 0,2 мкс. В п. 2.2.6 описаны модельные эксперимен-

ту, отн. ед.

-4 -2 0 2 4

А", СМ

Рис. 4. Пространственное распределение изменения интенсивности ОК на выходе конического рупора, возбуждаемого модой ТЕ°,

ты по измерению пространственного распределения интенсивности ЭМ излучения двухмиллиметрового диапазона длин волн на выходе конического гофрированного рупора, запитываемого излучением импульсного оро-трона с максимальной мощностью 0,6 Вт (рис. 5) [46А, 50А, 65А]. В результате этих экспериментов было продемонстрировано, что данный метод визуализации может быть успешно использован для измерения пространственного распределения интенсивности КВЧ излучения и в коротковолновой части миллиметрового диапазона (рис. 6). Он обладает в этом диапазоне энергетической чувствительностью несколько сотен мкДж/см2.

Рис. 5. Фотография экспериментальной установки (вид сверху)

-2-1012 X, см

Рис. 6. Распределение изменения интенсивности ОК, измеренное на выходе конического гофрированного рупора

Третья глава диссертации посвящена изучению физических основ метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Сз-Хе разряда среднего давления [48А, 50А, 58А, 60А -63А]. В п. 3.1 изучается механизм влияния электромагнитного поля на яркость оптического континуума, излучаемого ПС Ся-Хе разряда. В этом разделе проведен расчет спектров континуального излучения однородного ПС в видимом диапазоне и оценен вклад в него рекомбинационного и тормозных континуумов. Проведенные в п. 3.1 расчеты показали, что основной вклад в континуальное излучение однородного ПС в видимом диапазоне дает электронно-ксеноновый тормозной континуум. В этом разделе также дано объяснение наблюдаемому в экспериментах росту яркости ОК при увеличении продольного электрического поля в ПС или интенсивности падающего на плазму ММ излучения. Показано, что он связан с ростом яркости е-Хе тормозного континуума из-за увеличения числа энергичных электронов с энергией более 2 эВ в результате дополнительного нагрева электронов в плазме электрическим полем.

В п. 3.2 исследуется влияние на характеристики оптического континуума отклонения реальной функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) от максвелловской ФРЭЭ, которое происходит при энергиях элек-

тронов более 3 эВ. Показано, что это отклонение необходимо учитывать при измерении эффективной температуры электронов по спектру ОК, излучаемого ПС. Были проведены расчеты спектрального распределения излу-чательной способности оптического континуума для максвелловской и реальной ФРЭЭ %и(Л,Те) и ¿;(л,Те) соответственно. Они показали, что при увеличении Те от 0,4 эВ до 0,6 эВ как в случае максвелловской ФРЭЭ, так и в случае реальной ФРЭЭ наблюдается рост яркости оптического континуума почти на порядок. Расчеты также показали, что абсолютная величина ¿¡(Л,Те) от 1,2 до 1,8 раз меньше, чем величина £М(Л,Г). Различие относительных величин роста яркости ОК, который происходит в результате дополнительного нагрева электронов, <?(Л,Те)/%(Л,Те0) и ¿;м(А,Те)/%м(1,Те0)

не превышает 30%. Были проведены расчеты зависимости интегральной по длине волны света интенсивности оптического континуума от интенсивности ММ излучения. Результаты этих расчетов хорошо согласуются с результатами экспериментов, описанных в п. 2.2.1.

В п. 3.3. описаны эксперименты по исследованию влияния величины продольного электрического поля Е0 в ПС на яркость ОК, излучаемого однородным положительным столбом. Эти эксперименты проводились в отсутствие воздействия ММ излучения, и величина электрического поля варьировалась путем изменения температуры газоразрядной трубки. При разных значениях плотности тока и величины Е0 были измерены спектральные распределения яркости оптического континуума и отношения яркости к концентрации электронов ^/Л^ • Сравнение результатов этих

измерений с результатами расчетов продемонстрировало их хорошее согласие. Таким образом, была доказана правильность модели, используемой для описания и объяснения механизма влияния электрического поля на яркость ОК, излучаемого ПС СБ-Хе разряда.

Параграф 3.4 посвящен выяснению основных факторов, которые приводят к нелокальное™ отклика оптического континуума, излучаемого положительным столбом СБ-Хе разряда, на воздействие ММ излучения и ограничивают пространственное разрешение данного метода визуализации. В начале п. 3.4 описаны эксперименты по визуализации узкого пучка ЭМ излучения двухмиллиметрового диапазона длин волн с известным пространственным распределением интенсивности. В качестве такого эталонного пучка использовался бесселев пучок с шириной по полувысоте несколько миллиметров. Была построена аналитическая модель, которая описывает поведение в пространстве яркости О К, излучаемого слоем ПС Св-Хе разряда среднего давления, в условиях воздействия на него пучков ММ излучения. Так как яркость ОК локально зависит от эффективной температуры и концентрации электронов в плазме, был проведен расчет поведения в про-

странстве температуры и концентрации электронов при воздействии на слой плазмы ПС Cs-Xe разряда ММ волн. Показано, что связь вариации концентрации электронов с вариацией их температуры под действием ММ излучения можно считать почти локальной. Поведение температуры электронов было описано уравнением баланса энергии электронов. Найдена связь между пространственными распределениями температуры электронов и интенсивности ММ излучения. В частности, было промоделировано поведение в пространстве температуры электронов при воздействии на слой плазмы одномерных и аксиально-симметричных пучков ММ излучения. Анализ и сопоставление результатов расчетов и экспериментов позволил выяснить основные причины возникновения искажений изображений пространственного распределения ММ излучения. Было показано, что нелокальность отклика оптического континуума и пространственное разрешение данного метода визуализации определяются в первую очередь влиянием электронной теплопроводности. Была рассчитана функция размытия линии для данного метода, и найдено, что в условиях экспериментов по визуализации ММ излучения ее ширина равна примерно 2 мм (рис. 7). Были определены факторы, которые ответственны за нарушение аксиальной симметрии изображений аксиально-симметричных пучков ММ излучения. В конце п. 3.4 было проведено сравнение результатов расчетов поведения температуры электронов в пространстве и экспериментов по визуализации ММ излучения на выходе рупорных антенн и в фокусе аксикона. Это сравнение продемонстрировало хорошее согласие расчетов и экспериментов.

Параграф 3.5 посвящен моделированию динамики отклика температуры электронов на быстрое изменение интенсивности ММ излучения. С помощью уравнения баланса энергии электронов была рассчитана вариация температуры электронов в однородном ПС Cs-Xe разряда под действием импульса ММ излучения. Расчеты показали, что зависимость вариации температуры электронов от времени описывается экспоненциальной функцией, которая совпадает с измеренной зависимостью от времени интенсивности оптического континуума. Показано, что быстродействие данного метода визуализации определяется временем изменения температуры электронов под действием ММ излучения, и в наших экспериментальных условиях оно равно примерно 0,8 мкс.

Четвертая глава диссертации посвящена демонстрации прикладных возможностей метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда [43А — 47А, 49А — 57А, 61А].

С, см

Рис. 7. Нормированная функция размытия линии

В п. 4.1 описаны результаты исследований характеристик выходного излучения перестраиваемого по частоте импульсного оротрона двухмиллиметрового диапазона. Вывод излучения из резонатора оротрона осуществлялся через сверхразмерный волновод четырехмиллиметрового диапазона. При разработке оротрона предполагалось, что в этом сверхразмерном волноводе

будет преимущественно возбуждаться мода ТЕ°0 прямоугольного волновода. Проверка этого предположения и определение пространственной структуры излучения на выходе оротрона при настройке его на разные частоты являлись весьма важными задачами. Сравнение результатов экспериментов и расчетов показало, что на частотах 130 и 140 ГГц пространственное распределение интенсивности ОК приблизительно соответствует распределению интенсивности КВЧ излучения в моде ТЕ°0, причем мощность этой моды составляла не менее 90% от выходной мощности оротрона. При настройке оротрона Eta частоту 150 ГГц наблюдалось неодномодовое излучение, о чем, в частности, свидетельствовала сильная зеркальная асимметрия распределения интенсивности ММ излучения. Достаточно хорошее согласие результатов эксперимента и расчетов удается достичь, если предположить, что на выходе оротрона, кроме основной моды ТЕ°0, имеется еще мода ТЕ°,, причем ее мощность составляет около 40% от мощности

рабочей моды ТЕ°0 . С помощью данного метода визуализации также были проведены относительные измерения зависимости мощности, генерируемой оротроном, от частоты.

В п. 4.2 описаны эксперименты по визуализации с помощью оптического континуума, излучаемого слоем плазмы ПС Cs-Xe разряда, пространственной структуры излучения на выходе гиротрона с импульсным магнитным полем. Рабочая частота гиротрона была 110 ГГц, его мощность достигала 10 кВт. По расчетам рабочей модой гиротрона должна являться вращающаяся мода круглого волновода ТЕ?2. В первой серии экспериментов по визуализации ММ излучения в гиротроне был установлен резонатор, длина которого была в полтора раза больше оптимальной. В этом случае на выходе гиротрона наблюдалась стоячая по азимуту структура, которая возникла из-за того, что имелась примесь моды ТЕ°2 с противоположным по отношению к электронному пучку направлением вращения. Мощность примеси моды с противоположным направлением вращения была равна примерно 0,5% от мощности основной моды. Во второй серии экспериментов в гиротроне был установлен резонатор с оптимальной длиной. В этом случае картина свечения ОК соответствовала практически чисто вращающейся моде ТЕ?2- Примесь моды ТЕ?2 с противоположным направлением вращения была меньше, чем 0,1%. Было также продемонстрировано, что

с помощью данного метода визуализации возможно осуществлять оперативный контроль настройки волноводного тракта и режима работы источника ММ излучения.

Миллиметровые волны могут эффективно применяться для обнаружения спрятанных предметов, опасных веществ, для интроскопической диагностики диэлектрических и композиционных материалов, для исследования качества поверхностей под диэлектрическими покрытиями и т.д. В этой связи п. 4.3 посвящен применению метода визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого газоразрядной плазмой, для радиовидения и неразрушающего контроля. Данная методика была применена для визуализации теневых радиоизображений объектов, освещаемых ММ волнами. Использование плоского ПС Сэ-Хе разряда в качестве двумерного быстродействующего сенсора для ММ волн позволяет достичь числа точек разрешения порядка тысячи. В данных экспериментах КВЧ излучение генерировалось магнетроном с частотой 35,4 ГГц и с максимальной мощностью 20 Вт. Частота повторения миллисекундных импульсов ММ излучения была 12,5 Гц. Тестовый объект располагался вплотную к окну газоразрядной трубки и облучался квазигауссовым пучком ММ излучения шириной 7 см. Для изучения влияния дифракции ММ излучения на качество радиоизображений тонких плоских объектов были проведены эксперименты по визуализации картины дифракции пучка ММ излучения, который падал на край плоского непрозрачного для ММ волн экрана, а также на щель, вырезанную в таком экране. В рамках скалярной теории дифракции были проведены расчеты пространственного распределения интенсивности прошедшего за экран ММ излучения. Сравнение результатов расчетов и экспериментов позволило сделать вывод, что наблюдаемое в экспериментах размытие резких границ на радиоизображениях связано в первую очередь с влиянием дифракции. Раздел 4.3.2 посвящен визуализации радиоизображений стационарных амплитудных объектов, т.е. объектов, которые были сделаны из металла или сильно поглощающих ММ излучение диэлектрических материалов. Было изучено влияние поляризации ММ излучения на качество изображения щелевых объектов и показано, что поляризация излучения слабо влияет на качество изображения. Была исследована зависимость качества изображения от расстояния между исследуемым объектом и плазменным слоем. Была проведена серия экспериментов по визуализации различных амплитудных объектов размером несколько сантиметров, в частности, объектов в форме букв, вырезанных из алюминиевой фольги или сделанных в виде щелей в фольге (рис. 8), и ряда других металлических предметов. П. 4.3.3 посвящен визуализации

Рис. 8. Изображения букв, составляющих аббревиатуру названия Института прикладной физики РАН

радиоизображений стационарных фазовых объектов, т.е. объектов, которые были сделаны из диэлектрических материалов, слабо поглощающих КВЧ излучение. Был проведен эксперимент по визуализации радиоизображения простого диэлектрического объекта - прямоугольного параллелепипеда из тефлона. Было проведено сравнение результатов эксперимента по визуализации радиоизображения такого прямоугольного параллелепипеда с результатами моделирования дифракции плоской волны на тонкой диэлектрической тефлоновой пластине заданной ширины. Оно показало, что расчетное распределение интенсивности ММ излучения близко к экспериментальному распределению интенсивности ОК. Был проведен ряд демонстрационных экспериментов по визуализации более сложных диэлектрических объектов: тефлоновой пластины с двумя канавками, пластикового магнита, сделанного в форме бугылки, круглого кулона из агата, рыбки из пемзы. Были получены радиоизображения лекарственных препаратов, сделанных в виде таблеток различного состава, формы и размеров. Эти эксперименты продемонстрировали возможность применения данного метода визуализации в системах контроля и обеспечения безопасности. Разработанный метод визуализации был также успешно использован для регистрации в реальном масштабе времени теневых радиоизображений нестационарных объектов и исследования динамики процессов. Этим экспериментам посвящен п. 4.3.4. В частности, был заснят процесс вытекания воды из стеклянной трубки (рис. 9). Длительность этого процесса была около 1 с. Были также проведены эксперименты по ре-

-4-2 0 2 4-4 -2 0 2 4-4-2 0 2 4-4 -2 О 2 4-4 -2 0 2 4 см х', см х\ см х', см X', см

Рис. 9. Визуализация процесса вытекания воды из стеклянной трубки

гистрации динамики процесса затухающих колебаний маятника, период колебаний которого равнялся примерно 0,8 с.

Пятая глава диссертации посвящена изучению возможностей использования широкоапертурных газоразрядных и газовых сред в нелинейной микроволновой квазиоптике [21 А, 25А - ЗЗА, 35А - 37А]. В п. 5.1 рассмотрены возможные конструкции динамических антенно-фидерных устройств, в которых могут быть использованы нелинейные микроволновые квазиоптические элементы. В частности, описаны возможные конструкции и принципы действия нелинейных линзовых антенн, микроволновых самоограничителей и стабилизаторов мощности, волноводных или квазиоптических фазовращателей, амплитудных селекторов импульсов, устройств, осуществляющих динамическое изменение поляризации КВЧ излучения, антенн с обращением волнового фронта. Предложена схема самофа-

зирующейся антенной решетки, в которой ОВФ осуществляется при вырожденном четырехволновом смешении ММ излучения в нелинейной среде. Кроме того, в п. 5.1 дается краткий обзор работ других авторов по созданию и изучению нелинейных сред для микроволнового излучения, а также экспериментальному исследованию взаимодействия и самовоздействия микроволновых пучков в этих нелинейных средах. В конце п. 5.1 рассматривается наше предложение использовать неравновесную газоразрядную плазму в качестве нелинейной среды для миллиметровых и сантиметровых волн, обсуждаются механизмы ее нелинейности.

В п. 5.2 описаны исследования свойств нелинейной среды для миллиметровых волн на основе неравновесной плазмы ПС Св-Хе разряда, а также эксперименты, демонстрирующие возможность ее использования в нелинейном ограничителе мощности ММ диапазона и в некоторых других нелинейных микроволновых устройствах. Приводится описание эксперимента по изучению нелинейного взаимодействия ММ излучения с плазмой ПС Сэ-Хе разряда. Было экспериментально исследовано поведение во времени концентрации электронов в плазме, а также интенсивности прошедшего через плазму ММ излучения при различной интенсивности падающего длинноимпульсного ММ излучения. Была измерена зависимость изменения квазистационарного значения концентрации электронов от интенсивности падающего на плазменный слой ММ излучения (рис. 10). Проведено сравнение результатов измерений с результатами расчетов в рамках кинетической модели ПС Сб-Хс разряда, описанной в приложении 1, которое показало, что между ними имеется хорошее согласие. В частности, из результатов экспериментов и расчетов следует, что зависимость изменения концентрации электронов от интенсивности ММ излучения при 1У0 < 0,5 Вт/см2 может быть аппроксимирована линейной функцией ~ Я ^ с коэффициентом пропорциональности <7 равным в восьмимиллиметровом диапазоне ц =2-1012 (Вт см)"1. Используя найденное значение было определено, что квазистационарная величина кубичного коэффициента преломления плазмы ПС в этом частотном диапазоне равна = -7-10"2 см2/Вт. Коэффициент поглощения слоя ПС Ся-Хе разряда увеличивается с ростом интенсивности падающего ММ излучения, поэтому такой слой можно использовать для самоограничения и стабилизации мощности микроволнового

1,2-

1,0-

«л 0,8-

о

0,6-

и <1 0,4-

0,2-

0 +

А

И

У

У *

У

0 0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0,6 0,7 1Г0, Вт/см'

Рис. 10. Зависимости приращения концентрации электронов от интенсивности ММ излучения

излучения. Было экспериментально продемонстрировано, что, если интенсивность падающего излучения не превышает пробойного значения, такой слой плазмы ограничивает стационарное значение интенсивности проходящего излучения на уровне примерно 0,3 Вт/см2 (рис. 11). Была оценена возможность использования такого плазменного слоя в качестве нелинейного элемента в нелинейном квазиоптическом фазовращателе ММ диапазона. В восьмимиллиметровом диапазоне при интенсивности излучения 0,5 Вт/см2 квазистационарная величина дополнительного набега фазы в слое ПС Сэ-Хе разряда толщиной 3 см будет равна примерно яг/4. Рассмотрена принципиальная схема двухпроходового фазовращателя, используя который можно увеличить фазовый сдвиг до тс/2 ■ Основываясь на результатах экспериментов по

определению кубичного коэффициента преломления плазмы ПС, был оценен коэффициент отражения в волну с обращенным волновым фронтом Ирс при ВЧВС ММ излучения с частотой 35,4 ГГц в однородном слое ПС Сэ-Хе разряда. Было отмечено, что нелокальность изменения температуры и концентрации электронов под действием КВЧ излучения (см. п. 3.4) может приводить к почти полному размытию решетки показателя преломления с малым пространственным периодом. Были проведены эксперименты, которые показали, что электронная теплопроводность не приводит к существенному размытию решетки с большим пространственным периодом. С учетом этого было найдено, что в слое ПС толщиной 2 см при интенсивности волн накачки 0,4 Вт/см2 коэффициент отражения в ОВФ волну может быть порядка 10%.

Параграф 5.3 посвящен экспериментальной демонстрации ОВФ миллиметровых волн при ВЧВС в газообразном серооксиде углерода. Механизм нелинейности такой среды связан с насыщением под действием ММ излучения перехода между вращательными уровнями дипольных молекул. Достоинствами такой нелинейной среды являются простота ее создания и высокое быстродействие. Эти нелинейные среды наиболее эффективны в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, где сильно резонансное поглощение при вращательных переходах молекул.

ГГ0, Вт/см2

Рис. 11. Зависимость интенсивности прошедшего через плазму ММ излучения от интенсивности падающего ММ излучения

Была создана экспериментальная установка для обнаружения и исследования процесса ВЧВС коротких миллиметровых волн в OCS. Источником ММ излучения с частотой примерно 182 ГГц служил гиротрон с импульсным магнитным полем. Мощность излучения на частоте выбранной вращательной линии равнялась 30 кВт. Квазиоптическая зеркальная линия служила для формирования пучков накачки и сигнального пучка. Эти пучки направлялись в вакуумную камеру, которая наполнялась газообразным OCS. Камера была помещена в термостат и охлаждалась до температуры 200 К для увеличения резонансного поглощения молекулами ММ излучения. Для подтверждения влияния насыщения вращательного перехода OCS на распространение резонансного ЭМ излучения была измерена зависимость от давления коэффициента прохождения через газ интенсивного ММ излучения. На основании результатов этих экспериментов было оценено, что давление газа, при котором параметр насыщения равен единице, примерно равно 10 Topp. Если в вакуумную камеру посылались одновременно сигнальный пучок и пучок накачки, то при давлении газа меньше 30 Topp приемной системой регистрировался отраженный сигнал, который возникал в результате ВЧВС в газе. С помощью подвижного приемника было установлено, что отраженный пучок распространялся навстречу сигнальному пучку. Подтверждением того, что отраженный сигнал возникал при ВЧВС в газе, также служило его исчезновение при перекрытии любого из падающих

на газовую среду пучков, как сигнального, так и накачки. Измерения показали, что максимальное значение коэффициента отражения в ОВФ волну достигается при давлении газа около 7 Topp (рис. 12), и оно было равно примерно 0,5%. По оценкам, в условиях наших экспериментов быстродействие ОВФ зеркала на основе OCS было лучше, чем 10 не.

Шестая глава диссертации посвящена изучению возможности использования в качестве объемной нелинейные среды для ММ волн плазмы, создаваемой путем ионизации газа УФ излучением [6А - 9А, 17А - 20А, 22А - 24А]. Параграф 6.1 является, в основном, обзорным. В нем рассмотрены методы создания однородной объемной плазмы с помощью электронных пучков и ультрафиолетового излучения. Метод создания плазменной среды с помощью пучка релятивистских электронов является технически сложным и требует принятия мер по обеспечению радиационной безопасности. Метод создания объемной

Рис. 12. Зависимость коэффициента отражения в ОВФ волну от давления газа

плазмы путем ионизации газа ультрафиолетовым излучением достаточно прост и надежен, хотя по достижимым параметрам плазмы он уступает методу, использующему энергичные электронные пучки [17, 23, 24]. В п. 6.1 рассмотрены особенности использования для ионизации газа различных типов источников УФ излучения. Искровые источники УФ излучения хорошо подходят для создания фотоионизованного газа большого объема. В результате облучения молекулярных газов УФ излучением искровых разрядов достигается плотность фотоэлектронов Ю10 - 1012 см"3. В исследованиях, описанных в работах [23, 24], была продемонстрирована возможность создания с помощью искровых и скользящих разрядов плотной фотоионизационной плазмы с апертурой несколько десятков сантиметров и объемом несколько литров при давлении газа в диапазоне от единиц до нескольких тысяч торр. Такая фотоионизационная плазма успешно используется в качестве активной среды газовых лазеров. Методы генерации плазмы с помощью УФ излучения также являются перспективными для создания объемной нелинейной среды для микроволнового излучения.

Параграф 6.2 посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию воздействия ММ излучения на фотоионизационную плазму, т.е. изучению КВЧ несамостоятельного разряда (КВЧ HP), поддерживаемого сторонним УФ излучением [17, 20А, 22А, 24А]. В нем приведено описание установки для исследования плазмы КВЧ HP и методов ее диагностики. Для фотоионизации газа использовалось импульсное УФ излучение одной свободной искры. Характерные размеры фотоионизационной плазмы в проведенных модельных экспериментах были невелики и составляли несколько сантиметров. Была экспериментально исследована зависимость концентрации электронов от интенсивности ММ излучения. Эксперименты проводились в чистом и техническом азоте, а также смесях азота и кислорода при давлении газа в диапазоне десятки - сотни торр. При отсутствии ММ излучения концентрация электронов в зависимости от состава газа была от 2-1011 до 61011 см"3. При малых интенсивностях ММ излучения, когда параметр EejN < 10 Тд, наблюдался рост концентрации электронов с ростом интенсивности ММ излучения, причем при 0,1 Тд < EejN < 5 Тд концентрация электронов возрастала степенным образом с ростом интенсивности ММ излучения; здесь Ее - эффективное электрическое поле в КВЧ волне, N- концсшрация атомов или молекул в газе. Концентрация электронов могла увеличиваться в 2 - 3 раза. В техническом азоте и воздухе при EejN > 20 Тд рост концентрации электронов сменялся ее падением. В чистом азоте концентрация электронов продолжала слабо расти с ростом интенсивности ММ излучения и при Ee/N >20 Тд. Зависимость электронной концентрации в фотоионизационной плазме от интенсивности ММ излучения, которая на-

блюдалась в эксперименте, связана с изменением скорости потерь электронов в плазме, т. с. с изменением при нагреве электронов частоты электрон-ионной рекомбинации и прилипания электронов к нейтральным молекулам. В диапазоне от Ee/N = 20 Тд до порога пробоя фотоионизационной плазмы (Ee/N « 80 Тд) зависимость концентрации электронов от интенсивности ММ излучения можно приближенно аппроксимировать линейной функцией.

Опираясь на результаты описанных в п. 6.2 экспериментов, в п. 6.3 были изучены характеристики нелинейной среды для ММ волн на основе плазмы, создаваемой путем ионизации УФ излучением азота и его смеси с кислородом. Найдена нелинейная высокочастотная проводимость такой плазменной среды. Показано, что плазма КВЧ HP может быть использована в качестве нелинейной среды для ММ излучения как невысокой интенсивности, когда Ee/N < 5 Тд, так и достаточно мощного ММ излучения 20 Тд < Ee/N < 80 Тд. Проведенные оценки показали, что коэффициент отражения в ОВФ волну ММ излучения с частотой 40 ГГц при ВЧВС в слое фотоионизационной плазмы длиной 20 см при парциальном давлении азота и кислорода PN =12 Topp и PQ =3 Topp, концентрации электронов

2-10" см"3 и интенсивности волн накачки 10 Вт/см2 может составлять около 5%. Быстродействие такой нелинейной среды определяется временем рекомбинации электронов и ионов, и оно примерно равно 10 мкс. Была также оценена возможность использования КВЧ HP в качестве нелинейного элемента в нелинейных квазиоптических фазовращателях ММ диапазона. Для этого была найдена величина дополнительного набега фазы для ММ излучения с частотой 40 ГГц в слое фотоионизационной плазмы при указанных выше параметрах. При интенсивности ММ излучения IV ~ Ю Вт/см2 дополнительный набег фазы будет равен Д<pNL = 1,2я\ Если, наложив на фотоионизационную плазму однородное постоянное электрическое поле с E0/N » 20 Тд, дополнительно нагреть электроны до 0,7 эВ, то ее можно использовать как нелинейную среду с кубичной нелинейностью для мощного ММ излучения. При интенсивности ММ излучения W — 10 кВт/см2 дополнительный фазовый сдвиг в слое фотоионизационной плазмы длиной 20 см при PN — 12 Topp, Р0 =3 Topp и Ne0 - 2-10" см"3 может достигать л/2.

При превышении интенсивности ММ излучения критического значения WB однородное устойчивое горение разряда нарушается, и несамостоятельный разряд переходит в самостоятельную фазу. При переходе несамостоятельного микроволнового разряда в самостоятельный утрачивается ряд его полезных для приложений свойств, в частности, пространственная однородность плазмы, поэтому очень важным является изучение механизмов

такого перехода. Этому вопросу посвящен п. 6.4. В нем изучается механизм неустойчивости объемного несамостоятельного КВЧ разряда, поддерживаемого УФ излучением. Согласно результатам моделирования несамостоятельного разряда в азоте [25], основную роль в возникновении неустойчивости такого разряда должна играть ступенчатая ионизация молекулярного азота электронным ударом через метастабильный электронный уровень А3Zj . Нами была экспериментально изучена возможность влияния процесса ступенчатой ионизации с участием метастабильных молекул

на устойчивость режима однородного объемного горения несамостоятельного КВЧ разряда в азоте, поддерживаемого УФ излучением. Основной целью экспериментов было измерить в плазме КВЧ HP населенность колебательных уровней молекул N2^3Zy j по поглощению 1+-системы азота с помощью высокочувствительного метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС). Методика измерений концентрации N2 от-

рабатывалась в тлеющем разряде в азоте при давлении газа 1,5 Topp и опробовалась в самостоятельном КВЧ разряде среднего давления. Интересным результатом наших измерений в тлеющем и самостоятельном КВЧ

разрядах явилось то, что концентрация молекул N2 j ведет себя во

время импульса разряда немонотонно: после достижения максимума наблюдается быстрое уменьшение населенности колебательных уровней состояния . В плазме несамостоятельного КВЧ разряда линии поглощения 1+ - системы N2 обнаружены не были. Это означало, что концентрация метастабильных молекул j в КВЧ HP не превышает 10м см"3. При

концентрации молекул j < Ю14 см"3 частота ступенчатой иониза-

ции значительно меньше частоты ионизации молекул УФ излучением, следовательно, ступенчатая ионизация в плазме КВЧ HP не может обеспечить наблюдаемый в эксперименте при W > WBr рост концентрации электронов и развитие ионизационной неустойчивости.

В заключении приведены основные результаты работы.

Приложение 1 посвящено моделированию кинетики однородного ПС разряда постоянного тока в смеси Cs-Xe при средних давлениях газа и изучению влияния на его характеристики воздействия ММ излучения [60А, 62А, 63А]. В разделе П1.1 описана кинетическая модель пространственно однородного ПС Cs-Xe разряда среднего давления. Расчеты проводились для давления ксенона 30 и 45 Topp и плотности тока около 0,1 А/см2. Для расчетов нами использовались нестационарные балансные уравнения для концентраций заряженных и возбужденных частиц, а также квазистацио-

парное уравнение Больцмана для ФРЭЭ. Были проведены расчеты зависимости кинетических и электрических характеристик ПС Cs-Xe разряда от концентрации цезия в отсутствии воздействия КВЧ излучения. Результаты этих расчетов приведены в разделе П1.2. Раздел П1.3 посвящен моделированию динамики напряженности потенциального электрического поля, температуры и концентрации электронов, концентраций заряженных и возбужденных частиц в плазме ПС Cs-Xe разряда при воздействии на нее длинного импульса ММ излучения. В этом разделе также рассчитаны зависимости стационарных значений этих параметров от интенсивности ММ излучения. Результаты проведенных в приложении 1 расчетов хорошо описывают результаты экспериментов и могут быть использованы для совершенствования визуализаторов ММ излучения и нелинейных сред для ММ волн на основе плазмы ПС Cs-Xe разряда.

Нагрев молекулярных газов может существенным образом влиять на параметры и устойчивость объемных нелинейных сред для ММ излучения на основе плазмы КВЧ HP. В связи с этим, приложение 2 посвящено экспериментальному исследованию динамики нагрева азота, а также смеси азота и кислорода в тлеющем и самостоятельном микроволновом разрядах по вращательной структуре спектров поглощения молекул [1А - 5А, 10А -14А]. Для регистрации спектров поглощения был использован метод внут-рирезонаторной лазерной спектроскопии. Временное разрешение и чувствительность метода определялись длительностью импульса генерации лазера, которая составляла 4-8 мкс. Исследование динамики нагрева чистого азота в тлеющем разряде при давлении 1,5 Topp проводилось по относительным интенсивностям линий поглощения Р\- и Qn- вращательных ветвей (8, 4) полосы 1+-системы N2. Данная методика может быть использована только для диагностики газового разряда в чистом азоте. Динамика нагрева газа в самостоятельном свободно локализованном КВЧ разряде в техническом азоте и воздухе при давлении газа десятки торр была измерена методом BPJIC по вращательной структуре оптического спектра поглощения а - системы радикала NH2. Этот радикал образуется в плазме разряда при разложении диагностической добавки аммиака. Используя результаты проведенных измерений, можно заключить, что при энерговкладе в плазму больше и порядка 1 Дж/см"3атм за время около 100 мкс газ греется на несколько сотен градусов. При величине энерговклада порядка 0,1 Дж/см"3атм нагрев газа за это время не превышает десятков градусов.

Основные результаты, полученные в диссертации

1. Предложена методика создания стационарной пространственно однородной плазмы при давлении газа десятки торр с помощью разряда постоянного тока в смеси паров цезия с ксеноном. Разработаны конструкции и изготовлены газоразрядные приборы, которые позволили создавать одно-

родный слой плазмы положительного столба Cs-Xe разряда с размерами рабочей апертуры до 18 х 12 см2 и эффективной толщиной от 1 до 6 см, а также вводить без искажений пучки ММ излучения в такой плазменный слой. Показано, что в однородном положительном столбе Cs-Xe разряда путем изменения величины разрядного тока и температуры газоразрядной трубки можно варьировать концентрацию электронов в диапазоне 1012 — 5-1012 см"3, температуру электронов в диапазоне 0,4 - 0,6 эВ.

2. Предложен и реализован метод визуализации и определения пространственного распределения интенсивности ММ волн, основанный на использовании оптического континуума, который излучается положительным столбом Cs-Xe разряда при среднем давлении газа. Модельные эксперименты по визуализации излучения на выходе рупорных антенн и в квазиоптических пучках, в которых в качестве двумерного сенсора для ММ излучения использовался плоский положительный столб Cs-Xe разряда при давлении ксенона 45 Topp и плотности разрядного тока 0,1 А/см2, доказали применимость данного метода для измерения пространственного распределения интенсивности ММ излучения с характерными размерами неодно-родностей больше и порядка 1 см. Экспериментально продемонстрировано, что величина чувствительности по энергии данного метода визуализации лучше, чем 10 мкДж/см2 в восьмимиллиметровом диапазоне и 200 мкДж/см2 в двухмиллиметровом диапазоне. Показано, что рассматриваемый метод визуализации ММ волн обладает высоким временным разрешением, которое в условиях экспериментов было равно примерно 0,8 мкс. Динамический диапазон данного метода по интенсивности около 10 дБ.

3. Показано, что основной вклад в континуум, излучаемый в видимом диапазоне пространственно-однородным положительным столбом Cs-Xe разряда при давлении ксенона больше и примерно равном 30 Topp, степени ионизации плазмы меньше и порядка 3-10"6, дает тормозное излучение при столкновении электронов с атомами ксенона (е-Хе тормозной континуум). Наблюдаемый в экспериментах рост яркости континуума в видимом диапазоне при увеличении напряженности электрического поля в положительном столбе Cs-Xe разряда или при воздействии на него микроволнового излучения связан с возрастанием яркости е-Хе тормозного континуума в результате увеличения числа энергичных электронов (с энергией более 2 эВ).

4. Построена аналитическая модель, которая описывает поведение в пространстве яркости оптического континуума, излучаемого плоским положительным столбом Cs-Xe разряда. С помощью этой модели показано, что уменьшение контрастности изображений ММ пучков и их уширение, а также ограничение пространственного разрешения данного метода визуализации связано в первую очередь с влиянием электронной теплопроводности. Рассчитана функция размытия линии для данного метода визуализации, и найдено, что в условиях экспериментов ее ширина равна примерно 2 мм. Показано также, что основной причиной возникновения аксиальной асимметрии

изображений аксиально-симметричных пучков ММ излучения служит пространственная неоднородность нагрева электронов квазипотенциальным электрическим полем, которая является результатом вариации проводимости плазмы из-за нагрева электронов под действием ММ излучения.

5. Метод визуализации ММ волн при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом Cs-Xe разряда, успешно использован для измерения параметров излучения на выходе импульсных электровакуумных генераторов ММ диапазона. С его помощью были идентифицированы рабочие моды перестраиваемого по частоте импульсного оротрона двухмиллиметрового диапазона и гиротрона с импульным магнитным полем с рабочей частотой 110 ГГц, а также оценена величина примесей паразитных мод. Проведены относительные измерения зависимости мощности, генерируемой оротроном, от частоты. Была продемонстрирована возможность с помощью данного метода осуществлять юстировку волноводного тракта и осуществлять оперативный контроль режима работы источника ММ излучения.

6. Создана система активного радиовидения ММ диапазона, позволяющая получать двумерные изображения объектов с частотой десятки кадров в секунду. Для преобразования радиоизображений предметов в видимые изображения использовался метод визуализации ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого плоским положительным столбом Cs-Xe разряда. В ближней зоне были получены теневые изображения радиопрозрачных, а также поглощающих и отражающих ММ излучение объектов. Показано, что такой метод радиовидения в ММ диапазоне может применяться для оперативного обнаружения и распознавания скрытых предметов, а также для регистрации динамических процессов в реальном времени.

7. Экспериментально реализовано обращение волнового фронта миллиметрового излучения при резонансном вырожденном четырехволновом смешении в газообразном серооксиде углерода. Показано, что механизм нелинейного взаимодействия ММ волн в такой среде связан с насыщением поглощения электромагнитного излучения при переходе между вращательными уровнями молекул OCS. Коэффициент отражения сигнального пучка в пучок с обращенным волновым фронтом при вырожденном четырехволновом смешении излучения с частотой 182,4 ГГц составлял примерно 0,5% при эффективной длине взаимодействия волн 60 см, температуре сероокси-да углерода 200 К и оптимальном давлении газа, равном 7 Topp для интенсивности ММ излучения около 300 Вт/см2.

8. Предложено использовать в качестве объемной нелинейной среды для миллиметровых и сантиметровых волн неравновесную газоразрядную плазму. Механизм нелинейности неравновесной газоразрядной плазмы обусловлен зависимостью ее кинетических коэффициентов (скоростей рождения и гибели заряженных частиц, их подвижности, коэффициентов диффузии и т.д.) от температуры электронов, которая зависит от интенсивности микроволнового излучения.

9. Показано, что плазма положительного столба Cs-Xe разряда среднего давления может являться эффективной объемной нелинейной средой для микроволн. Экспериментально установлено, что нагрев ММ излучением электронов в такой неравновесной плазме приводит к изменению их концентрации и высокочастотной подвижности. Такая нелинейная среда в восьмимиллиметровом диапазоне имеет большой кубичный коэффициент преломления, который при давлении ксенона 30 Topp и начальной концентрации электронов Ne0 = 4-1012 см"3 равен п2 = - 0,07 см2/Вт. Быстродействие нелинейной среды на основе плазмы положительного столба Cs-Xe разряда порядка миллисекунды. Экспериментально продемонстрировано, что при интенсивности падающего излучения менее 1 Вт/см2 положительный столб Cs-Xe разряда является ограничителем мощности ММ излучения.

10. Определена нелинейная восприимчивость в ММ диапазоне неравновесной плазмы несамостоятельного разряда в азоте и его смесях с кислородом, который поддерживается внешним ультрафиолетовым излучением. Изучено влияние на нелинейную восприимчивость состава газа и величины приведенного электрического поля Ee/N. Показано, что при распространении ММ излучения частотой 40 ГГц через слой плазмы несамостоятельного разряда в смеси 12 Topp азота и 3 Topp кислорода длиной 20 см для начальной концентрации электронов Ne0 = 2-10п см"3 нелинейный фазовый сдвиг может достигать ж!2. Быстродействие такой нелинейной среды определяется временем рекомбинации электронов и ионов, и при Ко = 2Т0П см"3 оно примерно равно 10 мкс.

11. Разработана методика измерения динамики населенности колебательных уровней молекул азота в метастабильном электронном состоянии

по поглощению 1+-системы. Она основана на использовании высокочувствительного абсорбционного метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Эта методика применена для измерения концентрации ме-

тастабильных молекул N2 v") в тлеющем разряде, а также самостоятельном и несамостоятельном микроволновом разрядах. Эксперименты в тлеющем разряде и самостоятельном микроволновом разряде в азоте показали, что в газоразрядной плазме с течением времени нарабатываются частицы, которые эффективно тушат молекулы азота в состоянии Л3Е+. Установлено, что концентрация молекул в несамостоятельном микроволновом разряде, поддерживаемом сторонним ультрафиолетовым излучением, не превышает 1014 см"3, поэтому ступенчатая ионизация молекул

N2 ) не является причиной его ионизационной неустойчивости.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Левитан Б. А., Толкачев А. А. Перспективы создания мощных радиолокационных станций миллиметрового диапазона длин волн // Радиотехника. 2009. No. 10. С. 63-68.

2. Rao P. R. Role of MM Waves In Terrestrial and Satellite Communications // Int. Journal of Systems and Technologies. 2010. V. 3, No.l. P. 25-34.

3. Tatsukawa Т., Doi A., Teranaka M., et al. Microwave invasion through anti-reflecting layers of dielectrics at millimeter wave irradiation to living bodies // Int. I. Infrared and Millimeter Waves. 2005. V. 26, P. 591-606.

4. Kharkovsky S., Zoughi R. Microwave and millimeter wave nondestructive testing and evaluation - Overview and recent advances // IEEE Instrum. Meas. Mag. 2007. V. 10, No.4. P. 26-38.

5. Sheen D. M., McMakin D.L., Hall Т. E. Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. V. 49, No. 9. P. 1581-1592.

6. Bykov Yu. V., Rybakov К. I., Semenov V. E. High-temperature microwave processing of materials (topical review) // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. V. 34, P. R55 - R75.

7. Cairns R. A. Radio frequency heating of plasmas. Bristol: IOP Publishing Ltd., 1991. 161 p.

8. Denisov G. G., Litvak A. G., Myasnikov V. E., et al. Development in Russia of high-power gyrotrons for fusion // Nucl. Fusion. 2008. V. 48, P. 054007-1 - 054007-5.

9. Luhmann N. C., Jr., Bindslev H., Park H., Sanchez J., Taylor G., Yu С. X. Chapter 3: Microwave Diagnostics // Fusion Science and Technology. 2008. V. 53, No. 2. P. 335-396.

10. Розанов Б. А., Розанов С. Б. Приемники миллиметровых волн. М.: Радио и связь, 1989. 168 с.

11. Jawla S., Hogge J-P., Alberti S., et al. Infrared Measurements of the RF Output of 170-GHz/2-MW Coaxial Cavity Gyrotron and Its Phase Retrieval Analysis // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2009. V. 37, No. 4. P. 414 - 424.

12. Abramovich A., Kopeika N. S., Rozban D. Design of inexpensive diffraction limited focal plane arrays for millimeter wavelength and terahertz radiation using glow discharge detector pixels // J. Appl. Phys. 2008. V. 104, No. 3. P. 033302-1 -033302-4.

13. Meger R. A., Mathew J., Gregor J. A., Pechacek R. E., Fernsler R. F., Manheimer W. M., Robson A. E. Experimental investigations of the formation of a plasma mirror for high frequency microwave beam steering // Phys. Plasmas. 1995. V. 2, No. 6. P. 2532 - 2538.

14. Anderson T. Plasma Antennas. Artech House Publishers, 2011. 203 p.

15. Bogaerts A., Neyts E., Gijbels R., van der Mullen J. Gas discharge plasmas and their applications // Spectrochim. Acta Part B. 2002. V. 57, P. 609-658.

16. Батанов Г. M., Грицинин С. И., Коссый И. А. и др. СВЧ-разряды высокого давления // Труды ФИАН. М.: Наука, 1985. Т. 160, С. 174 - 203.

17. Высокочастотный разряд в волновых полях. Под ред. А. Г. Литвака. Горький: ИПФ АН СССР, 1988. 298 с.

18. Батенин В. М., Климовский И. И., Лысов Г. В., Троицкий В. Н. СВЧ-генераторы плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 224 с.

19. Зарин А. С., Кузовников А. А., Шибков В. М. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе. М.: Нефть и газ, 1996.203 с.

20. Hidaka Y., Choi Е. М., Mastovsky I., Shapiro М. A., et al. Plasma structures observed in gas breakdown using a 1.5 MW, 110 GHz pulsed gyrotron // Physics of Plasmas 2009. V. 16, No. 5. P. 055702-1 - 055702-7.

21. Wazink J. H., Polman J. Cesium depleation in the positive column of Cs-Ar discharge //J. Appl. Phys. 1969. V. 40, No. 6. P. 2403- 2408.

22. van Tongeren H. Positive column of the Cs-Ar law-pressure discharge // J. Appl. Phys. 1974. V.45, No.l. P.89-96.

23. Richardson M. C., Leopold K., Alcock A. J. Large Aperture C02 Laser Discharges // IEEE J. Quant. Electron. 1973. V. QE-9, No. 9. P. 934 - 939.

24. Карлов H. В., Кузьмин Г. П., Прохоров А. М. Газоразрядные лазеры с плазменными электродами // Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1984. Т. 48, No. 7. С. 1430 - 1437.

25. Баиадзе К. В., Вецко В. М., Напартович А. П., Старостин А. Н. О влиянии неустойчивости несамостоятельного разряда в азоте на энерговклад и предельные концентрации химически активных частиц // ТВТ. 1981. Т. 19, No. 2. С. 261 -271.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1А. Быков Ю. В., Иванов Д. В., Гитлин М. С., Новиков М. А., Полуш-кин И. Н., Ханин Я. И., Щербаков А. И. Измерение температуры газов и плазмы методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // Материалы III Всесоюзной школы-конференции Современные методы магнитного удержания, нагрева и диагностики плазмы. Харьков. 1982. Т. 1, С. 163-165.

2А. Быков Ю. В., Иванов Д. В., Гитлин М. С., Полушкин И. Н. Использование ВРЛС для диагностики молекулярной плазмы // Труды VI Симпозиума по молекулярной спектроскопии. Томск. 1982. С. 188.

ЗА. Быков Ю. В., Гитлин М. С., Новиков М. А., Полушкин И. Н., Ханин Я. И., Щербаков А. И. Измерение газовой температуры методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // ЖТФ. 1984. Т. 54, No. 7. С. 13101314.

4А. Богатов Н. А., Гитлин М. С., Голубев С. В., Полушкин И. Н., Разин С. В. Использование внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС)

для измерения температуры газа по поглощению 1+ - системы N2 // III Всесоюзная конференция Метрологическое обеспечение температурных и теп-лофизических измерений в области высоких температур. Тезисы докладов. Харьков. 1986. С. 67-69.

5A. Bogatov N. A., Gitlin М. S., Golubev S. V., Polushkin I. N., Razin S. V. Dynamics of gas heating in glow-discharge studied by absorption of 1+ system of N2 // Abstracts of 8th European Sectional Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized gases. Greifswald. 1986. P. 382-383.

6A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V., Razin S. V. Investigation of instability of a microwave non-self-sustained discharge// Ibid. P. 384-385.

7A. Bogatov N. A., Borodachova Т. V., Gitlin M. S„ Golubev S. V., Polushkin I. N., Razin S. V. The study of population dynamics of vibrational levels of states in a gas discharge by intracavity laser spectroscopy (ICLS)

technique // Ibid. P. 386-387.

8A. Богатов H. А., Гитлин M. С., Голубев С. В., Разин С. В. Исследование динамики населенности колебательных уровней состояния N2(^3Z„ j в

газовом разряде методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // II Всесоюзная конференция Теоретическая и прикладная оптика. Тезисы докладов. Ленинград. 1986. С. 188-189.

9А. Богатов Н. А., Гитлин М. С., Голубев С. В., Разин С. В. Экспериментальное исследование неустойчивости несамостоятельного СВЧ разряда //ЖТФ. 1987. Т. 57, В.1. С.194-195.

10А. Богатов Н. А., Гитлин М. С., Голубев С. В., Полушкин И. Н., Разин С. В. Определение температуры нейтральной компоненты плазмы газового разряда методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии по линиям поглощения 1+-системы азота//Физика плазмы. 1987. Т.13, В.5. С.629-631.

11 А. Вихарев A. JL, Гитлин М. С., Иванов О. А., Полушкин И. Н., Степанов А. Н., Щербаков А. И. Нагрев азота в импульсном СВЧ разряде в условиях интенсивного возбуждения электронных уровней молекул // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13, В.4. С. 223-226.

12А. Бердышев А. В., Вихарев A. JI., Гитлин М. С., Дерюгин А. А., Иванов О. А., Кочетов И. В., Литвак А. Г., Напартович А. П., Полушкин И. Н., Степанов А. Н., Щербаков А. И. Нагрев молекулярного газа в импульсном СВЧ разряде // Аннотации докладов Всесоюзного совещания Высокочастотный разряд в волноводных полях. Горький. 1987. С. 58.

13А. Vikharev A. L., Gitlin М. S., Ivanov О. A., Polushkin I. N., Shcherba-kov A. I., Stepanov A. N. Heating of nitrogen in a pulsed microwave discharge under strong excitation of electron levels // Contributed papers XVIII Int. Conference on Phenomena in Ionized Gases. Swansea. 1987. V. 1, P.46-47.

14А. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V., Polushkin I. N., Razin S. V., Zorin V. G. The study of the dynamics of nitrogen heating in a glow discharge by ICLS technique // Ibid. V.4, P. 754-755.

15A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V., Razin S. V. Investigation

of relaxation of metastable N2 j molecules after a pulsed discharge in nitrogen // Abstracts of Ninth European Sectional Conf. on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases. Lisbon. 1988. P. 79-80.

16A. Бердышев В. А., Вихарев A. JI., Гитлин M. С., Дерюгин А. А., Иванов О. А., Кочетов И. В., Литвак А. Г., Напартович А. П., Полушкин И. Н., Степанов А. Н., Щербаков А. И. Нагрев молекулярного газа в импульсном СВЧ разряде // ТВТ. 1988. Т. 26, No.4. С. 661-666.

17А. Богатов Н. А., Гитлин М. С., Голубев С. В., Разин С. В. Исследование релаксации метастабильных молекул после импульсного

разряда в азоте методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии // Препринт ИПФ АН СССР. No. 219. Горький: ИПФ АН, 1988. 38 с.

18А. Вихарев А. Л., Гитлин М. С., Иванов О. А., Разин С. В., Степанов А. Н. Динамика населенности электронных уровней азота в импульсном СВЧ разряде // Всесоюзный семинар по высокочастотному пробою газов. Тезисы докладов. Тарту. 1989. С. 174-176.

19A. Bogatov N. A., Gitlin М. S., Golubev S. V., Razin S. V. Deactivation of N2 After a Discharge in Nitrogen at Large Energy Input into the Gas //

Contributed Papers XIX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Belgrade. 1989. V.3,P. 604-605.

20A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V. Degenerate Four-Wave Mixing of Millimeter Radiation in Plasma of a Non-Self-Sustained Discharge // Contributed Papers XX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases. Pisa. 1991. V. 6, P. 1174-1175.

21 A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Litvak A. G., Luchinin A. G., Nusinovich G. S. Phase Conjugation of Millimeter-Wave Radiation by Degenerate Four-Wave Mixing in Saturable-Absorbing Media // Proc. of Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, N. Novgorod: IAP RAS, 1991. V. 2, P.520 - 524.

22A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V., Zorin V. G., Razin S. V. Investigation of Instability and Nonlinearity Mechanisms of Non-Self-Substained Discharge in a Microwave Beam // Ibid. V. 1, P.413-418.

23A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V. Degenerate Four-Wave Mixing in Plasma of a Non-Self-Substained Discharge in the Beams of MM Electromagnetic Waves // Препринт ИПФ AH. No.301. Нижний Новгород: ИПФ АН, 1991.26 с.

24А. Богатов Н. А., Гитлин М. С., Голубев С. В. Нелинейная высокочастотная восприимчивость фотоионизованной плазмы и вырожденное че-

тырехволновое смешение в ней миллиметрового излучения // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18, No.22. С. 89-93.

25А. Bogatov N. A., Gitlin М. S., Litvak A. G., Luchinin A. G., Nusinovich G. S. Resonantly Enhanced Degenerate Four-Wave Mixing of Millimeter-Wave Radiation in Gas //Physical Review Letters. 1992. V.69, No.25. P.3635-3638.

26A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Litvak A. G., Luchinin A. G., Nusinovich G. S. Demonstration of Resonantly Enhanced Degenerate Four-Wave Mixing of Millimeter-Waves in Gas // 18th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. Colchester. SPIE Proceeding. 1993. V.2104, P. 80-81.

27A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Golubev S. V., Litvak A. G., Luchinin A. G., Nusinovich G. S. Experimental Investigation of Millimeter-Wave Phase Conjugation via Four-Wave Mixing in Nonlinear Media // Proc. of the II Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 1994. V. 2, P. 496-512.

28A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Litvak A. G, Luchinin A. G., Nusinovich G. S. Millimeter Wave Phase Conjugation via Resonantly Enhanced Degenerate Four-Wave Mixing in Gas // Turkish J. of Physics. 1995. V.19, No. 3. P.492-497.

29A. Богатов H. А., Гитлин M. С., Дикань Д. А., Лучинин Г. А. Экспериментальное исследование возможности использования положительного столба газового разряда в ксеноне с примесью паров цезия в качестве нелинейной среды для миллиметровых волн // Препринт ИПФ РАН No. 385. Нижний Новгород. 1995. 31 с.

ЗОА. Bogatov N. A., Gitlin М. S., Dikan D. A., Luchinin G. A. Fast Highly Nonlinear Volumetric Medium for Microwaves Based on the Plasma of the Positive Column of Cs-Xe DC Gas Discharge // Proc. of the Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 1997. V. 1, P. 344 - 356.

31 A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Dikan D. A., Luchinin G. A. Cs-Xe dc Gas Discharge as a Fast Highly Nonlinear Volumetric Medium for Microwaves // Phys. Rev. Lett. 1997. V.19, No. 15. P. 2819 - 2822.

32A. Bogatov N. A., Gitlin M. S., Dikan D. A., Luchinin G. A. Fast Highly Nonlinear Volumetric Medium for Microwaves Based on the Plasma of the Positive Column of Cs-Xe DC Gas Discharge // Abstr. 3-rd Int. Workshop Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. Fontervraud. 1997. V.2, P. 9.

ЗЗА. Богатов H. А., Гитлин M. С., Дикань Д. А. Нелинейная среда для миллиметровых волн на основе плазмы положительного столба Cs-Xe разряда // Труды конференции по физике низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. 1998. Т. 3, С. 608-611.

34А. Manheimer W. М., Fernsler R., Gitlin М. S. Fast, High Power, Microwave Components Based on Beam Generated Plasmas // IEEE Trans, on Plasma Sci. 1998. V. 26, No. 5. P. 1543-1555.

35A. Богатов H. А., Гитлин M. С. Нелинейная микроволновая квазиоптика // Труды VII Всероссийской школы-семинара Физика и применение микроволн. Красновидово. 1999. Т. 1, С. 76-79.

36А. Богатов Н. А., Гитлин М. С. Нелинейная микроволновая квазиоптика // Известия АН. Сер. Физическая. 1999. Т. 63, No. 12. С. 2340-2349.

37А. Bogatov N. A., Gitlin М. S., Dikan D. A. Generation and study of Cs-Xe discharge plasma slab for nonlinear microwave quasioptical experiments // Proc. of the International Workshop Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 2000. V.l, P. 335 -340.

38A. Gitlin M. S., Perminov A. O., Zelenogorsky V. V. Microwave beams imaging by recombination continuum of cesium emitted by the positive column of the Cs-Xc DC discharge // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2002. V. 30, No. 1. P. 150-151.

39A. Гитлин M. С., Зеленогорский В. В., Перминов А. О. Визуализация СВЧ пучков с помощью рекомбинационного излучения положительного столба разряда в смеси паров цезия с ксеноном // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, No. 11. С. 1-7.

40А. Gitlin М. S., Perminov А. О., Zelenogorsky V. V. Time-Resolved Imaging of Millimeter-Waves Using Recombination Continuum of Cesium Emitted by a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // 27-th International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Conference Digest. San Diego. 2002. P. 35-36.

41 A. Abubakirov I. E., Gitlin M. S., Perminov A. O., Zelenogorsky V. V. Time-Resolved Imaging of Millimeter-Waves Using Recombination Continuum of Cesium Emitted by a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // Proc. of the Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 2003. V. 2, P. 725-730.

42A. Абубакиров И. Э., Гитлин М. С., Зеленогорский В. В. Определение пространственного распределения интенсивности СВЧ излучения с помощью рекомбинационного континуума, излучаемого положительным столбом разряда в смеси паров цезия с ксеноном // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2003. Т. 46, No. 8-9. С. 805-812.

43А. Гитлин М. С., Глявин М. Ю., Голованов В. В., Зеленогорский В. В., Лучинин А. Г. Использование рекомбинационного континуума, излучаемого положительным столбом разряда в смеси паров цезия с ксеноном, для визуализации миллиметровых волн // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. Нижний Новгород. 2005. С. 28-29.

44А. Gitlin М. S., Glyavin М. Yu., Luchinin A. G., Zelenogorsky V. V. Imaging the Output Field Pattern of a 110 GHz Gyrotron with Pulsed Magnetic Field Using Recombination Continuum Emitted by a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // IEEE Trans, on Plasma Science. 2005. V. 33, No. 2. P. 380-381.

45A. Gitlin M. S., Glyavin M. Yu., Golovanov V. V., Luchinin A. G., Zelenogorsky V. V. Application of recombination continuum emitted by a slab of the positive column of the Cs-Xe DC discharge for imaging of field pattern of moderate-power millimeter waves // Proc. of the VI Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas. N. Novgorod. 2006. V. 1, P. 375-379.

46А. Bratman V. L., Fedotov A. E., Gitlin M. S., Glyavin M. Yu., Golovanov V. V., Luchinin A. G., Zelenogorsky V. V. Imaging the Output Field Pattern Short Millimeter Wave Sources Using Visible Continuum Emitted by the Cs-Xe DC Discharge // Joint 31-st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 14-th Int. Conf. on Terahertz Electronics. Conf. Digest. Shanghai. 2006 P. 297.

47A. Gitlin M. S., Golovanov V. V., Spivakov A. G., Zelenogorsky V. V. Time-resolved imaging of microwaves using visible continuum emitted by the positive column of a Cs-Xe DC discharge // Proc. of the 6-th Int. Workshop Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. Moscow. 2006. P. 141144.

48A. Гитлин M. С., Спиваков А. Г. Исследование механизма влияния величины электрического поля на яркость оптического континуума, излучаемого положительным столбом разряда в смеси паров цезия с ксеноном // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, В. 5. С. 46-54.

49А. Гитлин М. С., Голованов В. В., Перминов А. О., Стукачев С. Е., Федотов А. Э. Визуализация электромагнитного излучения коротковолновой части миллиметрового диапазона при помощи оптического континуума, излучаемого Cs-Xe разрядом // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Нижний Новгород. 2007. С. 70-71.

50А. Fedotov А. Е., Gitlin М. S., Golovanov V. V., Perminov А. О., Stuka-chev S. Е. Imaging of Short Millimeter Waves Using the Visible Continuum Emitted by the Cs-Xe DC Discharge // Proc. of the 6-th Int. Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies. Kharkov. 2007. V. 1, P 263265.

51 А. Гитлин M. С., Глявин M. IO., Голованов В. В., Зеленогорский В. В., Лучинин А. Г., Перминов А. О., Спиваков А. Г., Стукачев С. Е., Федотов А. Э., Цветков А. И. Визуализация и измерение пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи оптического континуума, излучаемого положительным столбом Cs-Xe разряда // Тезисы докладов 35-ой Международной конференции по физике плазмы и УТС. Москва. 2008. С. 282.

52А. Gitlin М. S., Golovanov V. V., Tsvetkov A. I. Real-Time Shadow Projection Millimeter-Wave Imaging Using Visible Continuum from a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // IEEE Transactions on Plasma Science. 2008. V. 36, No. 4. P. 1398-1399.

53A. Gitlin M. S., Golovanov V. V., Tsvetkov A. I., Zelenogorsky V. V. Real-Time Shadow Projection Millimeter-Wave Imaging Using Visible Continuum from a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // 33-rd Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. Pasadena. 2008. Paper 1189.

54А. Гитлин М. С., Цветков А. И. Использование оптического континуума, излучаемого Cs-Xe разрядом, для визуализации в реальном времени теневых радиоизображений объектов, освещаемых СВЧ излучением // Тезисы докладов XVIII Всероссийской научно-технической конференции Не-разрушающий контроль и техническая диагностика. Нижний Новгород: Машиностроение, 2008. С. 38 - 39.

55А. Гитлин М. С., Цветков А. И. Быстродействующий радиовизор миллиметрового диапазона на основе плазмы положительного столба Cs-Xe разряда // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн. Нижний Новгород. 2009. С. 78-79.

56А. Gitlin М. S., Golovanov V. V., Tsvetkov A. I., Zelenogorsky V. V. Shadow Projection Millimeter-Wave Imaging Using Visible Continuum from a Slab of the Cs-Xe DC Discharge // Proc. of VII Int. Workshop Strong Microwaves: Sources and Applications. N. Novgorod. 2009. V. 2, P. 582-586.

57A. Gitlin M. S., Tsvetkov A. I. Real-time millimeter-wave shadowgraphy using the visible continuum from a slab of the Cs-Xe DC discharge // Applied Physics Letters. 2009. V. 94, No. 23. P. 234102-1 - 234102-3.

58A. Gitlin M. S., Golovanov V. V., Spivakov A. G., Tsvetkov A. I., Zele-nogorskiy V. V. Time-resolved imaging of millimeter waves using visible continuum from the positive column of a Cs-Xe DC discharge // Journal of Applied Physics. 2010. V. 107, No. 6. P. 063301-1 -063301-11.

59A. Gitlin M. S., Tsvetkov A. I. Imaging of Pulsed Watt-scaie Millimeter Waves Using Visible Continuum from a Cs-Xe Discharge // Proceedings of the 40th European Microwave Conf. Paris. 2010. P. 1520 -1523.

60A. Гитлин M. С., Лебедев Ю. А., Цветков А. И., Эпштейн И. Л. Нульмерная кинетическая модель положительного столба разряда постоянного тока в смеси Cs-Xe в условиях воздействия СВЧ излучения // Сборник трудов VI Международного симпозиума по теоретической и прикладной плаз-мохимии. Иваново. 2011. С. 112 -115.

61 A. Gitlin М. S., Fedotov А. Е„ Stukachev S. Е., Tsvetkov A. I. Nonlocali-ty of microwave-induced variations in the intensity of the visible continuum from a medium-pressure cesium-xenon dc discharge // Physics of Plasmas. 2012. V. 19, No. 3. P. 033508-1 -033508-11.

62A. Epstein I. L., Gitlin M. S., Lebedev Yu. A. Model of the Positive Column of a Cs-Xe DC Discharge Affected by a Microwave Pulse // Proceedings of the 8-th Int. Workshop Microwave Discharges: Fundamentals and Applications. Moscow: Yanus-K. 2012. P. 97 - 100.

63 A. Gitlin M. S., Epstein I. L., Lebedev Yu. A. Modeling of the positive column of a medium pressure Cs-Xe dc discharge affected by a millimeter wave pulse // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46, No. 41. P. 415208-1 - 415208-11.

Гитлин Михаил Семенович

ПЛАЗМЕННЫЕ И ГАЗОВЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПУЧКОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Автореферат

Подписано к печати 27.02.2014 г. Формат 60 х 90 '/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 120 экз. Заказ № 17.

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук

На правах рукописи

05201451001

ГИТЛИН Михаил Семенович

ПЛАЗМЕННЫЕ И ГАЗОВЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПУЧКОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

01.04.08 - физика плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2014

Содержание.........................................................................................................................2

Введение..............................................................................................................................5

Глава 1. Создание широкоапертурной плазмы с помощью Св-Хе разряда постоянного тока и ее диагностика.........................................................................................35

1.1. Газоразрядные трубки и экспериментальные установки для создания пространственно однородного положительного столба Сэ-Хе разряда.............................35

1.2. Методы диагностики плазмы положительного столба Сэ-Хе разряда.........................45

1.2.1. Измерение напряженности продольного электрического поля

и концентрации электронов в положительном столбе..............................45

1.2.2. Эмиссионная оптическая спектроскопия ПС С5-Хе разряда.......................50

1.2.3. Измерение температуры электронов в ПС Св-Хе разряда.............................53

1.2.4. Методика измерения пространственного распределения

интенсивности оптического излучения ПС Сэ-Хе разряда...........................55

1.3. Экспериментальное исследование плазмы положительного столба

Сэ-Хе разряда.............................................................................................60

Глава 2. Метод визуализации и определения пространственного распределения интенсивности миллиметровых волн при помощи

оптического континуума, излучаемого ПС Св-Хе разряда................................................69

2.1. Методы визуализации и определения пространственного

распределения интенсивности миллиметровых волн............................................69

2.2. Экспериментальное исследование характеристик метода визуализации пространственного распределения интенсивности ММ волн

при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Сэ-Хе разряда........................73

2.2.1. Исследование воздействия ММ излучения на слой плазмы ПС

Св-Хе разряда.................................................................................73

2.2.2. Визуализация пространственного распределения интенсивности ЭМ излучения восьмимиллиметрового диапазона на выходе

рупорных антенн и в квазиоптическом пучке..........................................76

2.2.3. Определение чувствительности метода по энергии и мощности

ЭМ излучения в восьмимиллиметровом диапазоне длин волн......................83

2.2.4. Измерение временного разрешения метода визуализации миллиметровых волн........................................................................85

2.2.5. Визуализация ЭМ излучения восьмимиллиметрового диапазона

с длительностью импульса порядка микросекунды...................................88

2.2.6. Визуализация ЭМ излучения двухмиллиметрового диапазона

длин волн......................................................................................95

Глава 3. Физические основы метода визуализации ММ излучения

при помощи оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда.....................102

3.1. Механизм влияния электрического поля на яркость оптического континуума, излучаемого ПС Cs-Xe разряда........................................................................103

3.2. Функция распределения электронов по энергии в однородном

ПС Cs - Хе разряда и влияние ее вида на оптический континуум............................107

3.3. Экспериментальное исследование зависимости яркости ОК от величины электрического поля.............................................................................................115

3.4. Исследование причин нелокальности отклика ОК, излучаемого

ПС Cs-Xe разряда среднего давления, на воздействие микроволнового

излучения. Пространственное разрешение метода визуализации.............................120

3.4.1. Эксперименты по визуализации пространственного распределения интенсивности ММ излучения в фокальной области аксикона.......................120

3.4.2. Моделирование поведения в пространстве яркости ОК в условиях воздействия на плазму ММ излучения......................................................123

3.4.3. Сравнение результатов расчетов и экспериментов.....................................135

3.5. Динамика отклика температуры электронов на быстрое изменение

интенсивности ММ излучения....................................................................................140

Глава 4. Демонстрация прикладных возможностей метода визуализации

ММ излучения при помощи оптического континуума, излучаемого

ПС Cs-Xe разряда.............................................................................................................142

4.1. Исследование характеристик излучения оротрона двухмиллиметрового

диапазона..................................................................................................143

4.2. Визуализация ММ излучения на выходе гиротрона с импульсным

магнитным полем......................................................................................................151

4.3. Визуализация теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами..........................................................................................157

4.3.1. Экспериментальная установка для динамической визуализации

теневых радиоизображений объектов, освещаемых ММ излучением..................158

4.3.2. Визуализация радиоизображений стационарных амплитудных объектов..........160

4.3.3. Визуализация радиоизображений стационарных фазовых объектов.....................168

4.3.4. Визуализация в реальном времени радиоизображений нестационарных объектов....................................................................................................................176

Глава 5. Использование широкоапертурных газоразрядных и газовых сред в нелинейной микроволновой квазиоптике................................................................179

5.1. Нелинейные среды и нелинейные квазиоптические антенно-фидерные устройства диапазона сантиметровых и миллиметровых волн...........................180

5.2. Нелинейная среда для миллиметровых волн на основе однородной

плазмы ПС Cs-Xe разряда среднего давления...................................................196

5.3. Обращение волнового фронта при резонансном вырожденном четырехволновом смешении миллиметровых волн в газообразном

серооксиде углерода............................................................................................209

Глава 6. Изучение возможности использования фотоионизационной плазмы в качестве объемной нелинейной среды для миллиметровых волн...........................217

6.1. Методы создания однородной объемной плазмы с помощью электронных

пучков и ультрафиолетового излучения........................................................217

6.2. Несамостоятельный КВЧ разряд в молекулярных газах среднего

давления, поддерживаемый ультрафиолетовым излучением.............................223

6.3. Характеристики нелинейной среды для ММ волн на основе фотоионизованного молекулярного газа.............................................................237

6.4. Исследование механизма неустойчивости объемного несамостоятельного

КВЧ разряда, поддерживаемого УФ излучением...........................................244

Заключение................................................................................................................252

Приложение 1. Кинетика положительного столба Cs-Xe разряда среднего

давления в условиях воздействия на него ММ излучения......................................256

П1.1. Кинетическая модель пространственно однородного ПС разряда

постоянного тока в смеси Cs-Xe....................................................................256

П1.2. Кинетические и электрические характеристики ПС Cs-Xe разряда в отсутствии воздействия ММ излучения........................................................263

П1.3. Моделирование влияния ММ излучения на кинетические и

электрические параметры плазмы ПС Cs-Xe разряда............................................269

Приложение 2. Исследование динамики нагрева азота, а также смеси азота и кислорода в тлеющем и микроволновом разряде по вращательной структуре спектров поглощения молекул методом BPJIC....................................................281

Список сокращений и условных обозначений.....................................................300

Список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации............310

Список литературы................................................................................................317

Введение

Диссертация посвящена разработке методов создания широкоапертурных сред на основе газоразрядной плазмы и газов, исследованию влияния на их параметры электромагнитного (ЭМ) излучения миллиметрового (ММ) диапазона длин волн, а также изучению возможностей использования таких сред для быстрого измерения и управления характеристиками миллиметровых волн. Под широкоапертурными средами в данной работе подразумеваются среды, характерные размеры апертуры которых значительно больше, чем рабочая длина волны ММ излучения.

Диапазон ММ волн (длина волны 1-10 мм) соответствует диапазону крайне высокочастотного (КВЧ) электромагнитного излучения (частотный диапазон 30- 300 ГГц). Разработка методов измерения и управления характеристиками электромагнитных волн миллиметрового диапазона является актуальной задачей, поскольку ММ волны находят все более широкое применение в таких областях как радиолокация, связь, навигация, энергетика, обработка материалов, обеспечение безопасности, научные исследования, биология и медицина. Использование ММ излучения в этих областях является вполне оправданным благодаря целому ряду важных достоинств миллиметровых волн. Такими достоинствами ММ волн, в частности, являются их очень широкая полоса частот, способность проходить через дым, туман и многие оптически непрозрачные сплошные среды, возможность фокусировки в пятно размером несколько миллиметров и формирования узких диаграмм направленности при относительно небольших размерах антенн, низкий уровень естественных и индустриальных помех в этом частотном диапазоне. Миллиметровые волны уже используются в радиолокации [1, 2, 3], космической связи [4, 5, 6], применяются для зондирования атмосферы и поверхности океана [7], контроля движения на автодорогах [8], нагрева и диагностики плазмы [9 - 13], эмиссионной, абсорбционной [14 - 16], ЯМР и ЭПР спектроскопии [17 - 19], в радиоастрономии [20, 21] и т.д. В настоящее время ведется разработка нового поколения широкополосных высокоскоростных систем связи в диапазоне 60 - 100 ГГц [22, 23]. Разрабатываются технологии и методики применения излучения ММ диапазона для обработки и получения различных материалов, гипертермии и термоабляции биологических объектов [18, 24, 25], медицинского контроля состояния пациентов [26]. Широко обсуждаются возможности использования ММ волн для передачи энергии с космических солнечных электростанций на Землю и подпитки энергией летательных аппаратов с земли [27, 28]. Большой интерес представляет также использование миллиметровых волн в системах радиовидения для поиска скрытых предметов и неразрушающего контроля [29 - 35].

Прогресс в области использования ММ волн неразрывно связан с прогрессом в области разработки устройств генерации и усиления КВЧ излучения. Полупроводниковые КВЧ приборы занимают лидирующие позиции среди генераторов и усилителей малой мощности. За несколько последних десятилетий были разработаны и усовершенствованы многие типы вакуумных источников ММ излучения средней (рабочий диапазон по мощности от единиц ватт до единиц киловатт) и высокой мощности (уровень мощности до сотен мегаватт): лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ), клинотроны, оротроны, магнетроны, клистроны, лазеры на свободных электронах, гиротроны и другие гирорезонансные КВЧ приборы [17, 36 - 41]. Для успешного освоения КВЧ диапазона не менее важны, чем источники ММ излучения, устройства„транспортировки, преобразования, приема, измерения и управления характеристиками миллиметровых волн. При разработке и использовании различных приборов ММ диапазона часто необходимо измерять излучаемую и принимаемую мощность, временные, частотные и поляризационные характеристики КВЧ излучения, его угловой спектр, пространственное распределение интенсивности и фазы и т.д. Для измерения и управления параметрами импульсного или нестационарного КВЧ излучения, как правило, нужно использовать быстрые методы, которые позволяют проводить эти операции в реальном масштабе времени. Для измерения и управления ММ излучением малой мощности в основном используются полупроводниковые КВЧ приборы: выпрямляющие и смесительные диоды, переключатели, ограничители, фазовращатели и т.д. [44 - 47]. Однако чувствительность полупроводниковых приборов к нагреву, невысокий порог их необратимого пробоя КВЧ излучением существенно ограничивает возможности их использования для измерения параметров ММ излучения средней и высокой мощности. Кроме того, полупроводниковые КВЧ приборы являются сосредоточенными элементами, поэтому для измерения и управления пространственным распределением ММ излучения необходимо использовать решетки, состоящие из большого числа таких элементов. В длинноволновой части ММ диапазона для динамического управления параметрами КВЧ излучения, быстрого сканирования лучом пространства и изменения характеристик антенн последнее время начинают использоваться антенные решетки с управляемыми фазами -фазированные антенные решетки (ФАР) [1, 2, 48, 49]. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн ФАР уже достаточно давно нашли широкое применение [50, 51]. Однако с уменьшением длины волны резко возрастают требования к точности изготовления элементов антенных решеток, сильно увеличиваются потери в волноводных трактах и других элементах, увеличивается нежелательное влияние элементов друг на друга, а также " уменьшается предельная пропускаемая ими мощность электромагнитного излучения. Приемные, передающие и измерительные антенные решетки КВЧ диапазона весьма сложны

и дороги, поскольку состоят из большого числа сложных и дорогих управляемых или регистрирующих элементов [52], кроме того, они могут быть не пригодны для решения ряда конкретных задач, поэтому весьма актуальной является задача разработки альтернативных методов быстрого измерения параметров и управления пучками ММ волн. Поиску путей решения этой задачи посвящена данная диссертационная работа.

В 50 - 60-х годах 20 века было предложено использовать элементы на основе газоразрядной плазмы в качестве альтернативы твердотельным сосредоточенным элементам в приборах для измерения [53, 54] и управления [55] сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением (СВЧ диапазон - это частотный диапазон 3-30 ГГц, что соответствует диапазону сантиметровых (СМ) волн). Началось также изучение возможностей применения газоразрядной плазмы в качестве СВЧ антенн с быстро изменяемыми характеристиками [56, 57]. Перспективность использования газоразрядной плазмы для измерения и управления микроволновым излучением определяется относительной простотой методов ее создания, а также многими ее уникальными свойствами. В частности, можно достаточно быстро генерировать и гасить плазму, изменять форму занимаемого ей объема, управлять ее комплексной диэлектрической проницаемостью. Достоинством плазменных микроволновых приборов также является широкая полоса рабочих частот, более высокая, чем у полупроводников, радиационная и лучевая стойкость, способность быстро восстанавливаться после микроволнового пробоя. Это позволяет надеяться, что плазму можно будет широко использовать для динамического управления электромагнитным излучением. Немаловажно также то, что уже накоплен большой опыт по разработке и применению плазменных устройств и технологий в разных областях науки и техники, в частности, газоразрядная плазма массово используется в источниках света, газовых лазерах, информационных и телевизионных экранах, плазмохимических реакторах и т.д. [58, 59]. Однако, с другой стороны, недостатком применения плазмы в антенно-фидерных системах является необходимость использования оборудования для ее создания и поддержания, что усложняет их конструкцию и приводит к заметному удорожанию. За прошедшее с начала исследований время были изучены возможности применения в устройствах СВЧ диапазона газоразрядной плазмы, создаваемой с помощью разрядов постоянного и переменного тока [53, 54, 60 - 69], электронных пучков [70], фотоионизации газа лазерным [71 - 75] и некогерентным ультрафиолетовым (УФ) излучением [76], а также за счет поверхностного ВЧ [77] или самостоятельного СВЧ разрядов [55].

Все газоразрядные микроволновые устройства можно условно разделить два типа. В устройствах первого типа воздействие микроволнового излучения не оказывает влияния на плазму или это влияние не существенно для их работы. Как правило, такие устройства

предназначены для управления микроволновым излучением невысокой мощности. Плазма в устройствах этого типа, в основном, просто заменяет твердотельные проводники или диэлектрики. Для микроволнового излучения с частотой ниже плазменной частоты диэлектрическая проницаемость плазмы отрицательна, и она хорошо отражает электромагнитные волны. Для излучения такого частотного диапазона сплошные или полые плазменные цилиндры, создаваемые с помощью разряда постоянного тока, поверхностного ВЧ разряда или путем фотоионизации газа узкими лазерными лучами, могут служить в качестве �