ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ С ПОЛЕМ СПИРАЛИ

July 19, 2012 by admin Комментировать »

В. В. Синьков, В. А. Сошенко Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины 12,   ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина Тел.: (+38 0572) 448395; e-mail: vas@nord.vostok.net

В.                                                          Е. Новиков Научно Технологический Центр « ЭФО» НАН Украины, Харьков, Украина


Аннотация Представлено описание аппаратуры для получения плазменной струи и исследования её параметров. Приведены результаты исследований взаимодействия плазменной струи с электромагнитным полем спиральной антенны.

I.  Введение

В настоящее время авторам неизвестны конструкции излучающих антенн, которые могли бы применяться в мобильных источниках на базе магнитокумулятивных генераторов (МКГ). Использование плазменной антенны в таких источниках могло бы решить ряд проблем, связанных с уменьшением габаритов источника, и расширить полосу излучаемого сигнала за счет внесения нелинейностей в тракты генератора и излучающей антенны.

Интерес к использованию возможностей плазмы для управления параметрами антенн возник еще в 60-е годы (ключи, фазовращатели, разрядники, передача энергии по плазменному образованию). Были выполнены исследования передачи сигнала частотой 10 ГГц по плазменному образованию, возникающему в результате пробоя в воздухе, инициированного лазерным излучением [1]. Проведены расчеты сфероидальной антенны, окруженной плазмой [2]. Экспериментальные данные показывают увеличение мощности сигнала укороченной антенны, окруженной слоем замагниченной плазмы [3].

В работе приведены результаты исследования параметров плазменной струи, полученной взрывным методом, и эффект увеличения выходной мощности сигнала, возникающий при взаимодействии плазменной струи с внутренним электромагнитным полем спирали.

II.  Основная часть

В результате подрыва рабочего заряда МКГ не только выполняется работа деформации лайнера, но и образуется большое количество продуктов взрыва. В атмосфере они образуют плазменный сгусток. Целью исследований, проведенных авторами, являлось определение возможности использования этого сгустка в качестве излучающей антенны.

Для получения плазмы, аналогичной плазме, образующейся при работе МКГ, разработан генератор плазмы. Источником энергии в этом генераторе является пиропатрон. После удара бойка по капсюлю пиропатрона происходит подрыв заряда. В результате взрыва, продукты взрыва выносятся в отводящий канал, оканчивающийся соплом. Далее продукты взрыва через сопло выносятся в атмосферу, образуя в воздухе плазменную струю. Момент выхода плазменной струи из генератора показан на рис.1. Конструкция генератора позволяет путем ввода в отводящий канал веществ с низким потенциалом ионизации изменять концентрацию струи. Существует возможность изменять концентрацию струи и ее размеры, увеличивая или уменьшая величину заряда пиропатрона.

Рис. 1. Плазменная струя Fig.1. Plasma Jet

Скорость истечения струи на срезе сопла, определенная акустическим и контактным методами, составила 580 м/с.

Для определения электрических характеристик плазменной струи использовался двойной зонд [4]. Наиболее пригодной для проведения измерений в условиях ударных нагрузок оказалась конструкция зонда, выполненная из параллельных проводников диаметром 0.3 мм и расположенных на расстоянии 5 мм. Схема включения зонда и измерительной аппаратуры приведена на рис. 2. Один из электродов зонда заземлен, а на второй через резистор R1 подается питание от параметрического стабилизатора на диоде D1. Сигнал зонда снимается с резистора R1 на параллельно включенные осциллограф и АЦП. Синхронизация приборов осуществляется с помощью разрывного ключа, установленного на срезе сопла.

На рис.З представлен сигнал зонда при его размещении в центре плазменной струи на расстоянии 15 см от среза сопла. Представленный на рис.З сигнал содержит регулярные составляющие, для уменьшения влияния которых на результаты измерений, обработка полученных сигналов проводилась усреднением результатов 4 н6 опытов. Для уменьшения ошибок, вызванных разбросом мощностей зарядов пиропатронов, сигнал нормировался относительно максимального значения. На рис.4 представлены сигналы зонда, расположенного в центре плазменной струи на различных расстояниях L, от среза сопла.

Рис. 6. Экспериментальный стенд Fig. 6. Experimental setup

Рис. 5. Сопротивление зондового промежутка Fig. 5. The sound gap resistance

Рис .4. Сигналы зонда Fig. 4. The sound signals

Длительность сигнала немного превышает 0,5 мс. Амплитуда тока зонда 13 с увеличением расстояния от среза сопла спадает, а форма сигнала, претерпевает изменения. В частности плато на спадающем участке (L= 15 см) последовательно трансформируется в выбросы на (L= 20 и L= 25 см), а затем переходит в уплощение на вершине сигнала (L=30 см). Это свидетельствует о протекании одновременно различных процессов. С одной стороны это естественное уменьшение концентрации, обусловленное рекомбинацией частиц, с другой стороны это свидетельствует о различных значениях скорости струи в различных ее сечениях. На рис.5 представлена зависимость сопротивления зондового промежутка. Минимальное сопротивление промежутка составляет 970 ом. Это сопротивление поддерживается в течение 80 мкс. Интервал времени, в течение которого сопротивление этого промежутка увеличивается до 6 Ком, составляет 40 мкс. Проведенная оценка показывает, что концентрация электронов в струе составляет 109 см3.

Результаты экспериментов позволяют сделать вывод, что полученная плазменная струя является слабоионизированным газом. Длина активного участка струи (участка на котором существует сигнал зонда) составляет 15 см. Струя распространяется на расстояние 70 см.

Установка для эксперимента по взаимодействию плазменной струи с внешним электромагнитным полем показана на рис.6. Для возбуждения струи использовано внутренне поле спиральной антенны. Плазменная струя со среза сопла попадает в диэлектрический экран, на котором намотана спираль. Питание спирали осуществляется генератором мощностью 5 Вт в частотном диапазоне 300 -800 МГц.

Спираль имеет следующие размеры: длина спирали L = 30 см, диаметр спирали D = 5 см, количество витков N= 21. При частоте генератора 400 МГц отношение A7D много меньше 10. При этих геометрических соотношениях расчет сопротивления излучения подобен расчету сопротивления для круглой рамки. Сопротивление излучения составляет 170 Ом. В осевом направлении излучение в такой спирали отсутствует, а в направлении перпендикулярном оси спирали диаграмма направленности близка к круговой. Эквивалентная схема такой спирали может быть представлена в виде контура. Как известно, диэлектрическая проницаемость плазмы определяется соотношениемгде юр плазменная частота, а а частота входного сигнала. Поскольку в частотном диапазоне ниже плазменной частоты е < 1, то при вводе внутрь спирали плазменной струи резонансная частота эквивалентного контура изменяется. Резонансная частота контура определяется выражениемгде Е распределение электрического поля вдоль спирали, е (г) диэлектрическая постоянная, Lдлина спирали. Временная зависимость e{t) имеет резкий нарастающий фронт и относительно медленный спад.

Система, образованная спиральной антенной и плазменной струей является нелинейной и параметрической, в которой по мере продвижения плазменного сгустка внутрь спирали происходит изменение резонансной частоты контура. Результатом измене-

ния резонансной частоты контура, характеризующего антенну, является возникающая в этом случае параметрическая неустойчивость, которая приводит к резкому увеличению протекающего в спирали тока. Напряженность поля, формируемого спиральной антенной, увеличивается в соответствии с увеличением тока спирали. Характер этого процесса определяется запасенной в спирали энергией, изменением концентрации во времени и величиной сопротивления излучения.

Решение уравнений для эквивалентной схемы качественно подтверждает справедливость исходной физической модели. Результаты экспериментов показывают увеличение напряженности поля более чем на 20 дБ в частотном диапазоне 360 530 МГц при длительности выходного сигнала менее 0.3 мкс.

Результаты экспериментов по возбуждению более протяженных струй будут представлены в ближайшее время

I.     Заключение

Результаты исследований взаимодействия плазменной струи с внешним электромагнитным полем показывают, что плазменная струя увеличивает мощность выходного сигнала и может быть в дальнейшем использована в качестве активной импульсной антенны для мобильных источников.

II.    Список литературы

1 .Г. А. Аскарьян и др. Письма в ЖЭТФ. Т.1, с. 18, 1965.

2. Росляков Н. М., Тенякова Н. А. Излучение вытянутой сфероидальной антенны с плазменным покрытием. Радиотехника и электроника. 1992, в. 4, с. 583-592.

3. Е. Е. Dynin, А. V. Kostrov, A. I. Smirnov, М. V. Starodubtsev. Strong microwaves in plasmas. Russian Academe of Sciensics. Institute of Applied physics. Edited by A. G. Litvak. Volume 1, Nizhny Novgorod, 1998, p. 482-485.

4. О. В. Козлов. Электрический зонд в плазме. М. Атомиздат, 1969, стр. 292.

PLASMA JET HELICAL ANTENNA FIELD INTERACTION

V. V.Sin’kov, V. A. Soshenko The A. Usikov Institute of Radio Physics and Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine 12, Proskura Str., Kharkov, 61085, Ukraine Tel: (+38 0572) 448395, e-mail: vas@nord.vostok.net

V. E. Novikov Electrophysical Center NAS Ukraine

Abstract Presented in this paper are experimental results of plasma jet and electromagnetic field interaction. The setup for plasma-jet creation is described.

I.  Introduction

The use of plasma antenna in MCG-based mobile sources could solve many problems, such as lessening of the source dimensions and expanding of radiating signal band.

II.  Main part

In order to get plasma, which could be identical to that, which MCG produces, plasma generator has been developed. The exploder is a power source of the generator. The explosive products flux to the atmosphere through a nozzle and form a plasma jet. The moment of fluxing-out is shown in Fig.1. Twin sound was used for research of plasma jet electrical characteristics. The sound connection circuit is shown in Fig.2. The sound signal time dependence for the case when sound is located on 15 cm distance from generator nozzle is shown in Fig.3. Several sound signals time dependences for cases of different distances are shown in Fig.4. The sound gap resistance is shown in Fig.5. Experimental setup is shown in Fig.6. Power of the generator for helical antenna feeding was 5 W within the frequency band 300 800 MHz. The helical antenna and plasma jet complex correspond to a parametrical system. Experimental results have demonstrated the increasing of field density more than on 10 dB.

III.  Conclusion

Experimental results of the plasma jet external electromagnetic field interaction have demonstrated that plasma jet enhances output signal power. The plasma jet can be used as a pulse antenna for mobile sources.


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты