Можно ли укротить разряд? Можно. Ученые Института общей физики (ИОФ) им. А.М.Прохорова РАН занимаются исследованиями в этой области несколько десятилетий. И достигли немалых успехов, а на некоторых позициях находятся впереди планеты всей. О том, зачем надо укрощать разряды, как это делается и какая от этого польза, нашему корреспонденту рассказал заведующий лабораторией газодинамических явлений в СВЧ-разряде доктор физико-математических наук Игорь КОССЫЙ.
— Наша лаборатория ведет исследования, связанные с физикой низкотемпературной плазмы, в основном газоразрядной, — вводит в курс дела Игорь Антонович. — Мы занимаемся разрядами, которые возникают под действием микроволнового излучения. Причина нашего интереса к такому явлению в фундаментальных физических особенностях микроволнового плазмообразования. В течение двух последних десятилетий в результате исследований, которые проводили наши сотрудники в тесном взаимодействии с другими лабораториями ИОФ, а также Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), были открыты, изучены (и продолжают изучаться) такие характерные для микроволнового диапазона явления, как резонансное поглощение микроволн в бесстолкновительной плазме, низкопороговое плазмообразование на границе “металл — диэлектрик”, сильно нелинейные явления в несамоподдерживающемся микроволновом разряде высокого давления, нерезонансный вторичноэмиссионный микроволновый разряд. Интерес к этим явлениям подогревается постоянно открывающимися широкими прикладными возможностями, актуальными для современной техники и технологий.
Используя результаты фундаментальных исследований, мы разработали принципиальные схемы и реализовали ряд новых конструкций источников плазмы (“плазмотронов”), которые находят применение (или имеют такие перспективы) в плазмохимии, авиационной и космической технике. Именно инновационные приложения можно назвать одним из определяющих факторов при оценке важности проводимых в лаборатории работ.
— Кто-то еще, кроме вас, решал эти проблемы?
— Могу с гордостью сказать, что российская наука до сих пор занимает одно из ведущих мест в мире в области физики генерации плазмы микроволнами и взаимодействия мощных микроволн с плазмой. Зарубежные коллеги лишь приступают к исследованиям, начало которым было положено отечественными учеными десятилетия назад. К сожалению, нынешнее состояние отечественной науки вряд ли позволит сохранить в ближайшие годы наше лидерство в области фундаментальной микроволновой газоразрядной физики.
— Что предшествовало вашим нынешним исследованиям?
— Физикой микроволновых газовых разрядов ученые лаборатории стали заниматься в 1970-х годах. В то время была поставлена задача найти применение уникальному свойству микроволнового излучения, благодаря которому можно направленно передавать без существенных потерь через огромные расстояния в земной атмосфере высокую энергию с выделением ее в определенных областях. Нужно было заложить фундаментальные основы под проект глобальной очистки атмосферы от загрязняющих ее озоноразрушающих примесей, а также под проект создания микроволновой бестопливной ракеты, ускоряемой мощными микроволнами. В обоих случаях использовался эффект самопоглощения микроволнового пучка в плазме, который создает сам пучок в заданном месте воздушного пространства.
Но в последние 15-20 лет основной акцент в исследованиях сместился от проблем космических к наземным, имеющим экологическую значимость. В лаборатории созданы микроволновые плазмотроны — перспективные устройства, способные решать множество плазмохимических задач. В числе актуальных целей — утилизация попутных газов, которые сегодня бесполезно сжигаются в огромных количествах. Эти газы сопровождают нефтедобычу, и они могут служить интересам инновационной энергетики.
У нас создан и испытан один из последних вариантов микроволновых плазменных источников — импульсный капиллярный источник, который генерирует тонкую плазменную нить вдоль оси капилляра в потоке аргона при атмосферном давлении. В основе конструкции — предсказанная, обнаруженная и исследованная учеными двух академических институтов (нашего и уже упоминавшегося Института прикладной физики РАН) особенность микроволн, суть которой в возбуждении в плотной газовой среде нитей (каналов). В них концентрируется практически вся генерируемая микроволновая энергия. Возникающая плазменная структура имеет чрезвычайно высокую плотность энерговыделения. По этому параметру даже при относительно маломощном микроволновом импульсе можно достичь значений, рекордных для всей газоразрядной физики.
Один из наших проектов “Микроволновый капиллярный факел, как средство воздействия на электрофизические и оптические характеристики металлических поверхностей” получил поддержку Регионального общественного фонда содействия отечественной науке (РОФСОН). В частности, он предполагает разработку генератора плазмы, способного в открытом воздушном пространстве (при атмосферном давлении) модифицировать поверхность металлических образцов благодаря возникающим на ней микровзрывам.
Взрывоэмиссионные явления на контактах плазмы с металлическими поверхностями были обнаружены много лет назад в токамаках и стеллараторах — установках для исследования магнитного “удержания” горячей плазмы в тороидальных ловушках. Ученые предположили, что такого рода взрывы могут происходить и в низкотемпературной плазме при давлениях, близких к атмосферному. Первые же эксперименты действительно продемонстрировали появление приповерхностных микродуг (искрений) при соприкосновении нити капиллярного разряда с металлической мишенью. Построение физической модели такого явления — одна из задач проекта. Большую практическую значимость имеет проблема использования процессов взрывной эмиссии для решения одной из самых серьезных задач современной техники космической связи: возможность достижения после плазменной обработки заметного ослабления вторичноэмиссионных электронных потоков с модифицированных поверхностей при облучении их микроволнами в условиях глубокого вакуума.
— В чем тут сложность?
— Перспективы развития космической спутниковой связи во многом зависят от решения проблемы подавления микроволновых вторичноэмиссионных разрядов (так называемых мультипакторов) на элементах бортовой радиоэлектронной аппаратуры. На первый взгляд, это кажется парадоксальным, но мультипакторный разряд возникает именно в глубоком вакууме при облучении металлических поверхностей микроволнами. Его суть в том, что, начиная с некоторых значений микроволновой мощности, появление у поверхности всего лишь одного электрона может привести к лавинообразному явлению за счет умножения числа элементарных отрицательно заряженных частиц в процессах вторичной эмиссии с металлических поверхностей. Такие разряды приводят к разрушению компонентов бортовых устройств и являются причиной ограничения величины мощности передаваемой и принимаемой электромагнитной волны. Несмотря на интенсивную работу ведущих лабораторий мира (США, Англии, Испании, Германии), в современной технике космической связи до сих пор нет приемлемого метода преодоления мультипакторного барьера.
Сегодня в Институте общей физики работают над кардинальным решением проблемы. Это модификация поверхностей металлических элементов, благодаря которой значительно снижается вторичная электронная эмиссия без каких-либо видимых изменений радиофизических свойств. Один из способов подразумевает покрытие металлических деталей приемно-передающего тракта микроволновой аппаратуры связи космического объекта тонкими наноструктурированными углеродными пленками. Этот способ одобрен международным экспертным сообществом Инновационного центра “Сколково”, его реализацией занимается проектная компания “ПЛАЗМА-ПРО”.
Цель проекта, поддерживаемого РОФСОН, — поиск возможностей для реализации другого способа. Его суть в изменении исходно гладкой структуры поверхности за счет покрытия множеством острых игольчатых наростов и кратеров микронных размеров. В этом случае решается задача генерации в открытом пространстве воздушной атмосферы плазменных струй, взаимодействие которых с металлической поверхностью может привести к микровзрывам. В результате образуется специфическая шероховатость, которая существенно снижает интенсивность вторичноэмиссионных процессов и, соответственно, уменьшает вероятность возникновения мультипактора, разрушающего бортовую аппаратуру.
Задача проекта — создать условия для возникновения микровзрывных процессов на металлических деталях и достичь заметного ослабления вторичноэмиссионных электронных потоков с модифицированных поверхностей при облучении их микроволнами в условиях глубокого вакуума.
— Расскажите о коллективе, который работает над такими непростыми задачами.
— В нашей команде как ученые с многолетним стажем работы в ИОФ, так и молодые физики. Хотелось бы назвать некоторых из них. Это научный сотрудник Алексей Давыдов, выпускник МИРЭА, недавно окончил аспирантуру в ИОФ и готовится к защите кандидатской диссертации. Алексей — обладатель стипендии Президента России для молодых ученых, автор конструкции капиллярного микроволнового плазмотрона, проводил первые исследования на этом устройстве. Научный сотрудник Константин Артемьев, выпускник МГУ, только что окончил аспирантуру нашего института, завершает работу над диссертацией. Он очень способный физик-экспериментатор. Игорь Моряков, выпускник МИРЭА, готовит в ИОФ магистерскую диссертацию. В составе исполнителей проекта также кандидат физико-математических наук Геннадий Семенович Лукьянчиков, один из старейших сотрудников ИОФ, внесший весомый вклад в физику вторичноэмиссионных микроволновых разрядов в виде экспериментов и расчетов, выполненных в лаборатории в 1970-х годах.
На снимках, предоставленных ИОФ РАН: Игорь Коссый и Алексей Давыдов; облучение металлического образца микроволновой плазменной струей.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев