В. В. Синьков, В. А. Сошенко Інститут радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 12, вул. Ак. Проскури, Харків, 61085, Україна Тел.: (+38 0572) 448395; e-mail: vas@nord.vostok.net

В. Є. Новиков Науково Технологічний Центр «ЕФО» НАН України, Харків, Україна


Анотація Представлено опис апаратури для отримання плазмового струменя і дослідження її параметрів. Наведено результати досліджень взаємодії плазмового струменя з електромагнітним полем спіральної антени.

I. Вступ

В даний час авторам невідомі конструкції випромінюючих антен, які могли б застосовуватися в мобільних джерелах на базі магнітокумулятівних генераторів (МКГ). Використання плазмової антени в таких джерелах могло б вирішити ряд проблем, пов’язаних зі зменшенням габаритів джерела, і розширити смугу випромінюваного сигналу за рахунок внесення нелінійностей в тракти генератора і випромінюючої антени.

Інтерес до використання можливостей плазми для управління параметрами антен виник ще в 60-і роки (ключі, фазообертачі, розрядники, передача енергії по плазмовому освітою). Були виконані дослідження передачі сигналу частотою 10 ГГц по плазмовому утворення, що виникає в результаті пробою в повітрі, ініційованого лазерним випромінюванням [1]. Проведено розрахунки сфероїдальної антени, оточеній плазмою [2]. Експериментальні дані показують збільшення потужності сигналу укороченою антени, оточеної шаром замагніченій плазми [3].

В роботі наведені результати дослідження параметрів плазмового струменя, отриманої вибуховим методом, і ефект збільшення вихідної потужності сигналу, що виникає при взаємодії плазмового струменя з внутрішнім електромагнітним полем спіралі.

II. Основна частина

В результаті підриву робочого заряду МКГ не тільки виконується робота деформації лайнера, а й утворюється велика кількість продуктів вибуху. В атмосфері вони утворюють плазмовий згусток. Метою досліджень, проведених авторами, було визначення можливості використання цього згустку в якості випромінюючої антени.

Для отримання плазми, аналогічної плазмі, що утворюється при роботі МКГ, розроблено генератор плазми. Джерелом енергії в цьому генераторі є пиропатрон. Після удару бойка по капсулю пиропатрона відбувається підрив заряду. В результаті вибуху, продукти вибуху виносяться в відвідний канал, що закінчується соплом. Далі продукти вибуху через сопло виносяться в атмосферу, утворюючи в повітрі плазмову струмінь. Момент виходу плазмового струменя з генератора показаний на рис.1. Конструкція генератора дозволяє шляхом введення в відвідний канал речовин з низьким потенціалом іонізації змінювати концентрацію струменя. Існує можливість змінювати концентрацію струменя і її розміри, збільшуючи або зменшуючи величину заряду пиропатрона.

Рис. 1. Плазмова струмінь Fig.1. Plasma Jet

Швидкість закінчення струменя на зрізі сопла, певна акустичним і контактним методами, склала 580 м / с.

Для визначення електричних характеристик плазмового струменя використовувався подвійний зонд [4]. Найбільш придатною для проведення вимірювань в умовах ударних навантажень виявилася конструкція зонда, виконана з паралельних провідників діаметром 0.3 мм і розташованих на відстані 5 мм. Схема включення зонда та вимірювальної апаратури наведена на рис. 2. Один з електродів зонда заземлений, а на другий через резистор R1 подається живлення від параметричного стабілізатора на діоді D1. Сигнал зонда знімається з резистора R1 на паралельно включені осцилограф і АЦП. Синхронізація приладів здійснюється за допомогою розривного ключа, встановленого на зрізі сопла.

На ріс.З представлений сигнал зонда при його розміщенні в центрі плазмового струменя на відстані 15 см від зрізу сопла. Представлений на ріс.З сигнал містить регулярні складові, для зменшення впливу яких на результати вимірювань, обробка отриманих сигналів проводилася усередненням результатів 4 Н6 дослідів. Для зменшення помилок, викликаних розкидом потужностей зарядів пиропатронов, сигнал нормировался щодо максимального значення. На рис.4 представлені сигнали зонда, розташованого в центрі плазмового струменя на різних відстанях L, від зрізу сопла.

Рис. 6. Експериментальний стенд Fig. 6. Experimental setup

Рис. 5. Опір зондового проміжку Fig. 5. The sound gap resistance

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

Тривалість сигналу трохи перевищує 0,5 мс. Амплітуда струму зонда 13 зі збільшенням відстані від зрізу сопла спадає, а форма сигналу, зазнає змін. Зокрема плато на спадающем ділянці (L = 15 см) послідовно трансформується в викиди на (L = 20 і L = 25 см), а потім переходить в сплощення на вершині сигналу (L = 30 см). Це свідчить про протікання одночасно різних процесів. З одного боку це природне зменшення концентрації, обумовлене рекомбінацією часток, з іншого боку це свідчить про різних значеннях швидкості струменя в різних її перетинах. На рис.5 представлена ​​залежність опору зондового проміжку. Мінімальна опір проміжку становить 970 ом. Це опір підтримується протягом 80 мкс. Інтервал часу, протягом якого опір цього проміжку збільшується до 6 Ком, становить 40 мкс. Проведена оцінка показує, що концентрація електронів в струмені становить 109 см3.

Результати експериментів дозволяють зробити висновок, що отримана плазмовий струмінь є слабоіонізірованним газом. Довжина активної ділянки струменя (ділянки на якому існує сигнал зонда) становить 15 см. Струмінь поширюється на відстань 70 см.

Установка для експерименту із взаємодії плазмового струменя з зовнішнім електромагнітним полем показана на рис.6. Для порушення струменя використано внутрішньо поле спіральної антени. Плазмова струмінь з зрізу сопла потрапляє в діелектричний екран, на якому намотана спіраль. Харчування спіралі здійснюється генератором потужністю 5 Вт в частотному діапазоні 300 -800 МГц.

Спіраль має такі розміри: довжина спіралі L = 30 см, діаметр спіралі D = 5 см, кількість витків N = 21. При частоті генератора 400 МГц ставлення A7D багато менше 10. При цих геометричних співвідношеннях розрахунок опору випромінювання подібний розрахунку опору для круглої рамки. Опір випромінювання становить 170 Ом. В осьовому напрямку випромінювання в такій спіралі відсутня, а в напрямку перпендикулярному осі спіралі діаграма спрямованості близька до кругової. Еквівалентна схема такої спіралі може бути представлена ​​у вигляді контура. Як відомо, діелектрична проникність плазми визначається співвідношеннямде юр плазмова частота, а а частота вхідного сигналу. Оскільки в частотному діапазоні нижче плазменной частоти е <1, то при введенні всередину спіралі плазмового струменя резонансна частота еквівалентного контуру змінюється. Резонансна частота контура визначається виразомде Е розподіл електричного поля вздовж спіралі, е (г) діелектрична постійна, Lдліна спіралі. Тимчасова залежність e {t) має різкий наростаючий фронт і відносно повільний спад.

Система, утворена спіральної антеною і плазмовим струменем є нелінійною і параметричної, в якій у міру просування плазмового згустку всередину спіралі відбувається зміна резонансної частоти контура. Результатом зраді-

ня резонансної частоти контуру, що характеризує антену, є виникаюча в цьому випадку параметрична нестійкість, яка призводить до різкого збільшення протікає в спіралі струму. Напруженість поля, що формується спіральної антеною, збільшується відповідно до збільшення струму спіралі. Характер цього процесу визначається запасеної в спіралі енергією, зміною концентрації у часі і величиною опору випромінювання.

Рішення рівнянь для еквівалентної схеми якісно підтверджує справедливість вихідної фізичної моделі. Результати експериментів показують збільшення напруженості поля більш ніж на 20 дБ у частотному діапазоні 360 530 МГц при тривалості вихідного сигналу менше 0.3 мкс.

Результати експериментів з порушення більш протяжних струменів будуть представлені найближчим часом

I. Висновок

Результати досліджень взаємодії плазмового струменя з зовнішнім електромагнітним полем показують, що плазмовий струмінь збільшує потужність вихідного сигналу і може бути в подальшому використана в Як активної імпульсної антени для мобільних джерел.

II. Список літератури

1. Г. А. Аскарьян та ін Листи в ЖЕТФ. Т.1, с. 18, 1965.

2. Росляков Н. М., Тенякова Н. А. Випромінювання витягнутої сфероїдальної антени з плазмовим покриттям. Радіотехніка та електроніка. 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. Електричний зонд в плазмі. М. Атомиздат, 1969, стор 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.


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.