ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЧ-РАЗРЯДОВ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ

1. Создана усовершенствованная математическая модель тлеющего разряда в парах ртути. Модель основана на гидродинамическом приближении в двумерной осесимметричной геометрии. Модель представляет собой систему начально-краевых задач для уравнений неразрывности электронов, ионов, метастабильных атомов (в возбужденном состоянием 5d(^10) 6s6p), сохранения энергии электронов и уравнение Пуассона для потенциала электрического поля. В модели учтены 4 вида неупругих столкновений частиц: ионизация прямым электронным ударом, ступенчатая ионизация, возбуждение атомов и гашение возбужденных состояний. Проведены расчета характеристик разряда в трубке радиусом 1,2 см, с расстоянием между электродами 36 см при давлении 60 Па. Численные расчеты показали, что модель в целом удовлетворительно передает структуру тлеющего разряда. Выделяются протяженная область положительного столба, в которой распределения концентрации частиц и энергии электронов существенно однородны вдоль трубки. Концентрация электронов в объеме достигает 1.1*10^{18} м^{-3}, в приповерхностном слое у стенки трубки ≈10^{13} м^{-3}. Концентрация метастабилей в объеме составляет 5*10^{18} м^{-3}, электронная температура 0,9 эВ. Потенциал электрического поля изменяется линейно в пределах положительного столба. Нарушения однородности в распределениях частиц наблюдаются в приэлектродных зонах. Заметим, что модель не может быть использована для расчета характеристик катодного и анодного слоев, так как это требует учета нелокальности ФРЭЭ. При увеличении напряжения на электродах от 50 до 600 В концентрация электронов увеличивается практически по близкой к линейному закону зависимости. Расчеты с повышением давления газа до 133 Па показали, что структура разряда сохраняется, распределения концентраций частиц и электронной энергии остаются равномерными вдоль трубки, отклонения от равномерности наблюдаются вблизи электродов. Концентрация электронов увеличивается до 2.5*10^{18} м^{-3}, электронная температура достигает 1,1 эВ. Проведены расчеты функции распределения электронов при давлении 60 Па путем решения кинетического уравнения Больцмана в двухчастичном приближении в диапазоне средних энергий электронов от 2 до 10 эВ. Установлено, что ФРЭЭ имеет более «тяжелый» хвост, чем Максвелловское распределение. С увеличением средней энергии электронов хвост утяжеляется, концентрация высокоэнергетичных электронов увеличивается. Разработана методика задания начального условия для двумерного параболического уравнения неразрывности электронов. Методика основана на решении одномерной задачи на собственные значения для стационарной задачи. Методика апробирована на примере начально-краевой задачи для ВЧИ-разряда пониженного давления, как ближайшего аналога рассматриваемой в настоящем проекте задачи. 2. Усовершенствована конструкция плазменной антенны. В схему между источником ВЧ-сигнала и антенной добавлен амплифайер KL -505 и измеритель коэффициента поверхностной стоячей волны присоединен к разрядной камере на расстоянии от рамочной антенны. Методом коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) получено распределение коэффициента стоячей волны (КСВ) по частоте источника ВЧ- сигнала. Определена резонансная частота 51,86 МГц. Данной частоте соответствует значение концентрации электронов в приповерхностном слое разряда 6.7*10^{13} м^{-3}. При изменении мощности разряда от 1,5 до 10 Вт средние значения концентрации электронов в приповерхностном слое составили (1-7)*10^{13} м^{-3} . Получена диаграмма направленности плазменной антенны. Методом оптической электронной спектроскопии (ОЭС) получены спектры излучения тлеющего разряда в парах ртути при давлении 60 Па. Наибольшую интенсивность имеет линия 253,6 нм, что соответствует возбужденному состоянию атома ртути 5d(^10) 6s6p. Интенсивность линий других длин волн меньше основной линии примерно в 20 000 раз). Получены графики Больцмана для отношений интенсивности спектральных линий при различных напряжениях источника. Установлено, что значения электронной температуры составляют 9 200-10 600 К. 3. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными по измерению концентрации электронов методом КСВН и энергии электронов методом ОЭС показало их удовлетворительное согласование. Так, расчет концентрации электронов совпадает по тренду с экспериментальными измерениями методом КСВН. Различия между ними связаны как с несовершенством методики измерения, так и неполнотой математической модели. Расчетные значения электронной температуры находятся в диапазоне результатов измерения методом ОЭС. Результаты исследований показали, что метод КСВН в сочетании с ОЭС и математическим моделированием может быть использован для определения электронной концентрации и средней электронной в плазменной антенне на основе тлеющего разряда.