СВЧ-разряд — это разряд, который получается, когда возбуждают плазму. Плазма — это ионизированный газ. Как ее получить? Большинство из нас знакомы с таким природным явлением, как молния. Фактически это электрический разряд в воздухе, в области которого и наблюдается ярко светящаяся плазма. Многие виды газовых разрядов можно видеть в вечернем городе в разноцветном свечении рекламных вывесок.
Фото: Getty Images
Фото: Объединенный институт высоких температур РАН
Диапазон частот, который используется для возбуждения плазмы, не очень велик. Люди договорились выделить всего несколько частот, потому что работающие на других частотах установки могут создать помехи для радиосвязи. Наиболее используемые чистоты — 13,56 и 2450 МГц — высокие (ВЧ-разряд) и сверхвысокие (СВЧ-разряд) частоты.
СВЧ-разряды — очень многообразные и интересные объекты для исследования. Эти разряды и условия их образования в стеклянных трубках сначала были изучены в лабораторных условиях. Для этого использовались специальная аппаратура и весьма сложные установки. Такие разряды известны с 1940-х годов, когда активно разрабатывалась радиолокационная техника. Разряды зажигались в трубках, волноводах, резонаторах. В работах 1960-х годов была реализована идея концентрации СВЧ-энергии посредством параболического зеркала и получен свободный локализованный СВЧ-разряд в аргоне.
Разработка новых мощных СВЧ-генераторов и появление фазированных антенных решеток позволили создать новые установки с фокусировкой микроволнового пучка, на которых и был получен СВЧ-разряд в фокальной области и фактически в свободном пространстве. Это позволило создавать и исследовать микроволновый газовый разряд — основной объект для изучения нашей лаборатории. Первые экспериментальные результаты были получены на установках ОИВТ РАН и физического факультета СПбГУ.
На рис. 1 показаны три типа разрядных структур: синусоидальный, дипольный и шаровой. Чем интересны эти фото? Многие читатели заметят, что эти разрядные структуры напоминают антенны, которые можно увидеть на крышах домов или, например, на кораблях и самолетах. СВЧ-разряды проявляют антенные свойства для оптимального приема энергии в процессе своего развития. И это, видимо, является одним из фундаментальных свойств СВЧ-разрядов в свободном пространстве. В экспериментах были зафиксированы разрядные структуры, которые соответствуют известным типам СВЧ-антенн: дипольная, дисковая, спиральная, синусоидальная и ряд других. Самоорганизация разрядных структур в СВЧ-диапазоне очень четко просматривается, и это явление еще найдет свое применение в решении технических вопросов. Такие разряды можно использовать в плазмохимии, получении волоконных световодов, коммутирующих устройствах радиолокационных станций, газоразрядных источниках света.
Фото: Объединенный институт высоких температур РАН
Фото: Объединенный институт высоких температур РАН
Мы с коллегами работаем над применением СВЧ-разрядов в магнитоплазменной аэродинамике и, в частности, осуществляем экспериментальное изучение плазменных потоков в воздухе. Для этого в сверхзвуковом воздушном потоке устанавливались тела различной геометрии: шар, конус и другие. Вблизи тела в сверхзвуковом потоке формируется присоединенная ударная волна. При этом пробные тела из-за геометрического различия испытывают разное силовое воздействие со стороны потока, интенсивность которого фиксируется специальным датчиком. Потом перед телом в набегающем потоке создается разряд, и опять записывается сигнал воздействия. Датчик устанавливается на передней поверхности тела (в так называемой точке торможения). Схема эксперимента показана на рис. 2. Направление движения потока слева направо. СВЧ-разряд перед обтекаемым телом представлен на рис. 2а. В данном случае разряд состоит из нескольких плазмоидов. Изменение сферической структуры ударной волны перед телом в результате воздействия набегающей плазменной области представлено на рис. 2б.
Фото: Объединенный институт высоких температур РАН
Фото: Объединенный институт высоких температур РАН
Многочисленные эксперименты показали, что создание плазменной области перед телом приводит к снижению лобового сопротивления, то есть уменьшению силового воздействия со стороны потока в несколько раз. Ввод СВЧ-энергии в поток для его регулирования и управления может быть достаточно эффективным при правильной организации структуры разряда. С практической точки зрения можно говорить о снижении расхода топлива на сверхзвуковом аппарате, движущемся в воздушной атмосфере. Конечно, этот подход требует тщательной оценки энергозатрат, необходимых для создания таких плазмоидов в области летящего сверхзвукового аппарата. Однако развитие технологий в наше время столь стремительно, что применение СВЧ-разрядов или создание плазменной оболочки на телах могут найти свое применение для решения аэродинамических задач уже в недалеком будущем.