Физико - химические процессы в плазме наносекундных СВЧ разрядов (стр. 2 )

В параграфе (п.2.2.1.) приводятся результаты измерений частоты ионизации при средних и высоких давлениях в различных газах в широкой области значений приведенного электрического поля E/p=10-103 В/см·Тор, а также в сверхсильном поле (п.2.2.2.) при низких давлениях (ω >> ν), когда осцилляторная энергия электронов превышает потенциал ионизации молекул и достигает значений 1,2-3,5 кэВ. В экспериментах зарегистрировано насыщение зависимости частоты ионизации от амплитуды СВЧ поля в области значений параметра E/ω=5·10-7-2·10-6 В/см·с. Приводится сравнение данных эксперимента с результатами других авторов и численными расчетами частоты ионизации в сильных полях, рис.1. В п.2.2.3. рассматривается влияние пространственной неоднородности сверхсильного высокочастотного поля на пороговые характеристики пробоя в сильно разреженном газе. В области насыщения частоты ионизации обнаружено существование нижней границы пробоя по давлению, связанной с высокой поступательной скоростью электронов и действием пондеромоторной силы. Величина порогового давления не зависела от амплитуды поля и определялась характерным масштабом его неоднородности. Установлено, что граница порогового давления, при котором возможен пробой, сдвигается в область более низких давлений с ростом уровня предварительной ионизации газа. Представлена физическая интерпретация наблюдаемых эффектов и сопоставление с данными эксперимента. Измерения энергетического спектра электронов в разлетающейся разрядной плазме (п.2.2.5.) подтвердили наличие электронов с высокой (~ нескольких кэВ) энергией при пробое газа в сверхсильном СВЧ поле.

Результаты исследования динамики и структуры наносекундного разряда в различных газах приведены в параграфе 2.3. Обнаружено, что высокая скорость ионизации и малая длительность импульса, приводят к формированию дискретной (многоплазмоидной) структуры разряда при высоких давлениях, связанной с пробоем на отдельных затравочных электронах. Определены критерии перехода от дискретной структуры разряда к однородной. Обсуждаются механизмы вытягивания плазмоидов вдоль вектора электрического поля в области высоких давлений. Установлено, что в сильных полях на кинематику волны пробоя оказывает влияние конечное время распространения СВЧ излучения вдоль оси волнового пучка, приводящее к смещению области первоначального пробоя из фокальной плоскости в направлении падающего излучения. В п.2.4. приводятся результаты экспериментов по исследованию динамики разряда в сверхсильном поле в области низких давлений газа, демонстрирующие эффекты, связанные с высокими энергиями электронов. Показано, что различный характер зависимости сечений ионизации и возбуждения электронных уровней молекул от энергии электронов (в области 20-100 эВ сечение ионизации растет, а сечение возбуждения падает) приводит к наблюдаемому в экспериментах несовпадению пространственных распределений светимости и концентрации электронов, а также задержке оптического излучения относительно СВЧ импульса. Приведены результаты упрощенного расчета констант различных элементарных процессов в сверхсильном поле. Отмечается, что константы большинства процессов в СВЧ поле уменьшаются с увеличением энергии электронов значительно медленнее, чем изменяется сечение соответствующего процесса, и чем это происходит в постоянном поле той же напряженности.

Рис.1.Частота ионизации в азоте (1-4) и гелии (5-7): ▲, ●- наш эксперимент и расчет (кривые 1 и 2); ∆, о - данные рис.2.7., кривые 3 и 5 – данные [], кривая 4,6,7 - расчеты других авторов [, ]	Рис.2. Зависимость максимальной (достигающейся после мощного наносекундного СВЧ импульса) концентрации электронов от давления.

В п.2.5. приводятся результаты исследования процессов релаксации плазмы после наносекундного СВЧ разряда. Установлено, что после пробоя газа низкого давления (ω>>ν) сверхсильным СВЧ полем в разрядной плазме остаются электроны с высокой (превышающий потенциал ионизации) энергией. В результате концентрация электронов в области пробоя продолжает возрастать в течение продолжительного времени (0,51 мкс) и достигает величин, в 510 раз превышающих критическую для падающего излучения, рис.2. Заметный рост плотности плазмы после наносекундного СВЧ импульса связан с продолжающимся процессом ионизации в течение времени релаксации энергии электронов. Представлена физическая интерпретация наблюдаемого эффекта и сопоставление, сделанных на ее основе оценок, с данными эксперимента.

В следующих параграфах приводятся результаты исследования распада плазмы после наносекундного СВЧ разряда в широкой области давлений р=10-260 Тор в различных газах (воздух, N2,O2,Ar, He). Установлено, что значительная энергия электронов (Te~110 эВ), сохраняющаяся в распадающейся плазме из-за высокой степени ионизации и возбуждения газа приводит к изменению характера деионизации плазмы в различных газах. Так, в азоте и кислороде наблюдается медленный рекомбинационный распад, а в воздухе (на начальной стадии) обнаружен быстрый экспоненциальный распад плазмы, характерный для диссоциативного прилипания электронов к молекулам кислорода. На основании численного моделирования показано, что наряду с процессами прилипания и отлипания электронов существенное влияние на распад плазмы оказывают процессы ионной конверсии, приводящие к образованию ионов, обладающих высоким коэффициентом рекомбинации и устойчивых к процессу отлипания, рис.3.

Рис.3. Рассчитанные зависимости электронной концентрации (давление воздуха р = 60 Тор): 1 и 2 - без учета и с учетом процесса отлипания электронов, соответственно, 3 - с учетом образования комплексных отрицательных ионов и отлипания электронов; х - эксперимент;

Отмечается, что высокая энергия электронов на стадии распада плазмы при средних давлениях может быть обусловлена передачей электронам энергии при столкновении с метастабильными молекулами азота (удары 2-го рода). Приводятся результаты измерений температуры электронов в распадающейся плазме наносекундного разряда подтверждающие вывод о наличии у электронов высокой энергии (п.2.6).

Третья глава посвящена изучению процессов, определяющих оптическое излучение разрядной плазмы, создаваемой с помощью волновых пучков, и анализу перспектив практического использования наносекундного разряда в качестве источника мощного УФ излучения. Одной из наиболее характерных особенностей наносекундного СВЧ разряда является эффективное возбуждение электронных уровней молекул. На их возбуждение при высоких значениях амплитуды приведенного электрического поля расходуется (наряду с ионизацией) значительная доля поглощаемой в плазме разряда энергии. Например, при величине приведенного электрического поля E/N ~ 3·10-15 B·см2 до 80% вложенной в разряд энергии идет в электронные степени свободы [ и др.]. Большая плотность электронно-возбужденных частиц в разряде в значительной мере определяет высокую излучательную способность создаваемой таким образом плазмы. Отметим, что при высоких значениях параметра E/N наиболее эффективно возбуждаются высоколежащие электронные уровни молекул и атомов излучение которых лежит в ультрафиолетовой области спектра. Поэтому одним из возможных применений создаваемой наносекундными СВЧ импульсами неравновесной плазмы является накачка эксимерных лазеров и лазеров на электронных переходах молекул. Генерируемое разрядом УФ излучение может также оказывать заметное влияние на протекающие в плазме химические процессы.

В п.3.1. представлен краткий обзор экспериментальных исследований, посвященных возбуждению УФ газовых лазеров с помощью разряда, формируемого мощным СВЧ излучением. Основными достоинствами этого метода являются технологичность транспортировки и ввода СВЧ энергии в лазерное устройство, эффективность поглощения электромагнитной энергии в плазме разряда, достижение высоких удельных мощностей накачки (105-107 Вт/cм3), отсутствие неустойчивостей инициируемых электродами и продолжительное сохранение чистоты рабочей смеси из-за отсутствия электродов.

До проведения настоящих исследований, в основном, рассматривались волноводные конструкции лазеров с СВЧ накачкой. При этом в наиболее распространенной схеме УФ лазер возбуждался продольным СВЧ разрядом в одномодовом волноводе. Существенным недостатком такой конструкции является ограничение на величину транспортируемой по волноводному тракту СВЧ мощности, связанное с пробоем газа или мультипакторным разрядом (при вакуумировании волноводов) и неоднородное по длине лазерной трубки возбуждение активной среды. Эти особенности волноводных лазеров приводят к уменьшению поглощаемой в разряде СВЧ энергии и, соответственно, мощности лазерного излучения.

Успехи современной высокочастотной электроники в значительной мере связаны с разработкой генераторов, использующих многомодовые, сверхразмерные электродинамические системы. Вывод энергии из таких приборов обычно осуществляется в виде волнового пучка, а для его транспортировки используются зеркальные линии. Поэтому, увеличение энерговклада в разряд может быть достигнуто при переходе от волноводных элементов к квазиоптическим СВЧ системам, в которых в значительной мере снимаются ограничения на величину транспортируемой мощности. В п.3.2. рассматриваются два варианта использования излучения релятивистского СВЧ генератора для накачки УФ-лазеров, отвечающие случаям поперечного и продольного возбуждения активной среды. В первом случае накачка осуществлялась с помощью свободно локализованного СВЧ разряда в поле сходящейся цилиндрической ТЕ-волны. Во втором, газоразрядная трубка располагалась непосредственно в выходном сверхразмерном волноводе релятивистского СВЧ генератора. Приводятся результаты экспериментов по возбуждению УФ лазеров (азотного на переходах C3Пu(=0)-B3Пg(=0) 2+-системы азота и эксимерного XeCl лазера) излучением релятивистского генератора в широком диапазоне СВЧ мощностей и давлений лазерной смеси (р=10-760 Тор). Достигнутая в экспериментах мощность генерации азотного лазера составляла величину 60-70 кВт для поперечной схемы накачки и 100-120 кВт для продольной. Эффективность генерации, определяемая как отношение мощности лазерной генерации к мощности СВЧ излучения, составляла величину 10-410-3, а удельный энергосъем равнялся 0,52 Дж/атм. л. Установлено, что при возбуждении лазерной смеси с помощью цилиндрической TE-волны в газоразрядных трубках большого диаметра происходит последовательная генерация лазерного излучения слоями плазмы расположенными на различных расстояниях от оси. В результате этого происходит удлинение лазерного импульса и увеличение мощности генерации. Лазерная генерация наблюдалась и в свободно локализованном (без трубки) разряде в воздухе, в режиме усиления спонтанного излучения. Максимальная мощность УФ излучения достигала значений (13) кВт, а удельный энергосъем составлял величину (50150) Вт/см3. Таким образом, в этих экспериментах была продемонстрирована возможность создания атмосферного лазера с дистанционной СВЧ накачкой.

В п.3.3. приводятся результаты экспериментального исследования динамики населенностей уровней C3Пu и B3Пg, играющих существенную роль в кинетике азотосодержащей плазмы и в значительной мере определяющих излучение наносекундного СВЧ разряда (2+-система азота). По оригинальной методике с использованием поглощения УФ излучения, генерируемого самим исследуемым разрядом, измерена константа тушения нижнего лазерного уровня B3Пg(=0).

В параграфе (п.3.4.) подробно анализируется работа азотного лазера, возбуждаемого с помощью волнового пучка. Представлены результаты численного моделирования азотного лазера, возбуждаемого наносекундным СВЧ разрядом в поле цилиндрической ТЕ волны в газоразрядной трубке и в свободном пространстве и обсуждаются эффекты, к которым приводит движение границы разряда при увеличении длительности СВЧ импульса. Концентрация электронов рассчитывалась на основе уравнения ионизационно-рекомбинационного баланса, а величина электрического поля (при медленно меняющейся в масштабе 1/ω концентрации электронов) из уравнения Гельмгольца для комплексной амплитуды поля с комплексной диэлектрической проницаемостью плазмы. Мощность индуцированного излучения из единицы объема определялась для 2+ системы азота (переход C3Пu(=0)-B3Пg(=0), длина волны УФ излучения λ=337,1 нм) в рамках упрощенной кинетической модели [W.A.Fitzsimmons, L.W.Anderson et.al]. Для этого уравнения для концентрации электронов и амплитуды электрического поля дополнялись уравнениями баланса для населенностей верхнего NC(=0) и нижнего NB(=0) лазерных уровней и плотности фотонов Nph. Численная модель строится весьма близкой к условиям, реализуемым в эксперименте, что дает возможность сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, рис.4. На основании расчета определена самосогласованная пространственно-временная эволюция электромагнитного поля, электронной концентрации, населенностей лазерных электронных уровней азота, а также мощности спонтанного и индуцированного излучения. Показано, что динамика разряда и лазерного излучения существенным образом зависят от величины приведенного электрического поля E/N в падающей волне. На начальной стадии пробоя концентрация электронов возникает в центре разряда и плавно спадает к его периферии. С течением времени поле на оси разряда уменьшается вследствие поглощения и отражения СВЧ мощности и возрастает на его границе, что приводит к уширению распределения концентрации электронов. В результате такой динамики индуцированное УФ излучение также первоначально возникает на оси разряда, а затем смещается вдоль радиуса, рис.5. Результаты расчетов находятся в хорошем качественном и количественном соответствии с данными эксперимента. Проведенный анализ показал, что путем подбора давления лазерной смеси, диаметра газоразрядной трубки и величины падающей СВЧ мощности можно эффективно управлять параметрами разряда, добиваясь почти полного поглощения СВЧ излучения и высокой эффективности лазерной генерации.

Рис.4. Форма импульса лазера: 1 - расчет; 2 - эксперимент.	Рис.5. Пространственное распределение мощности индуцированного излучения в различные моменты времени для разряда в трубке при Ee/p=200 В/см·Тор: 1 - 3нс, 2 - 5нс, 3 - 10нс, 4 - 15нс.

В п.3.4.3 обсуждаются механизмы формирования в наносекундном СВЧ разряде атмосферного давления тонких плазменных нитей с повышенной яркостью [ и др. ]. В эксперименте такие нити возникали на фоне квазиоднородных, вытянутых вдоль вектора электрического поля, плазмоидов, образующихся при пробое газа на отдельных затравочных электронах. Вытягивание первичных плазмоидов обусловлено эффектом квазистатичеcкого усиления поля в полярных областях плазменного эллипсоида с размерами меньше длины волны и диэлектрической проницаемостью > 1 (полярная ось параллельна внешнему полю) [, и др.]. Затем внутри однородного плазмоида формировались одна или две яркие тонкие нити. Возможной причиной возникновения интенсивно излучающих нитей в разряде высокого давления может быть ионизационно-перегревная неустойчивость. К развитию указанной неустойчивости приводит быстрый нагрев газа при тушении электронных уровней молекул, эффективно возбуждающихся в разрядной плазме.

Проведен анализ данной неустойчивости на основе численного моделирования динамики разряда в СВЧ поле цилиндрической TE-волны с учетом процессов нагрева и вытеснения газа в неизобарическом случае. Согласно расчетам на начальной стадии наблюдается лавинообразный рост концентрации электронов в области максимального поля вблизи оси разряда. Увеличение концентрации электронов приводит к экранировке поля и переходу разряда в квазистационарное состояние. В течение этого времени происходит нагрев и рост давления газа, однако на начальной стадии нагрева скорость разлета молекул газа невелика, поэтому его плотность практически не меняется. С увеличением скорости разлета происходит уменьшение плотности газа в центральной области разряда, и увеличение частоты ионизации. Это приводит к возрастанию концентрации электронов вблизи оси разряда, уменьшению характерного радиуса их распределения и образованию тонкой плазменной нити. Возникновение плазменной нити в наносекундном СВЧ разряде высокого давления сопровождается быстрым ростом параметра E/N и эффективности возбуждения электронных уровней молекул. В результате резко возрастает удельная мощность спонтанного излучения, создаются условия для создания инверсной населенности и возникновения режима индуцированного УФ излучения вдоль нити, рис.6.

Рис.6. Зависимость от времени удельной мощности индуцированного Pind и спонтанного излучения Psp вдоль оси плазменной нити при давлении воздуха p=500 Тор и начальном значении параметра Ee/p = 40 В/cм Тор.

На основе анализа линейной стадии развития ионизационно-перегревной неустойчивости приводятся результаты упрощенных оценок параметров плазменной нити для условий эксперимента.

В п.3.5. обсуждаются перспективы использования свободно-локализованного наносекундного СВЧ разряда в атмосфере Земли в качестве азотного лазера с дистанционной накачкой, референтного источника (радиозвезды) для настройки адаптивной оптики наземных телескопов и для диагностики малых составляющих атмосферы. Определены условия, необходимые для генерации индуцированного УФ излучения свободно локализованным разрядом при создании в верхней атмосфере искусственной ионизованной области [, ]. Показано, что способность наносекундных СВЧ разрядов эффективно возбуждать электронные уровни молекул и атомов может быть использована как для диагностики параметров турбулентной атмосферы, так и для определения концентрации ее малых составляющих, оказывающих существенное влияние на климат, состояние озонового слоя Земли и парниковый эффект. Рассмотрены различные варианты применения наносекундного СВЧ разряда в атмосфере для этих целей.

В следующих двух главах приводятся результаты исследования плазмохимических процессов в наносекундных СВЧ разрядах.

В четвертой главе представлены результаты исследования процесса синтеза озона в наносекундном СВЧ разряде в азотно-кислородных смесях. Синтез озона является одним из наиболее распространенных плазмохимических процессов, осуществляемых с помощью электрических разрядов. Эффективная диссоциация кислорода в сочетании с коротким временем воздействия позволяют надеяться на высокую производительность этого процесса и в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде. Исследования проводились в широком диапазоне экспериментальных условий: использовались электромагнитные волны различных частотных диапазонов, варьировалась длительность, частота повторения и мощность СВЧ импульсов, разряд создавался при различной геометрии начального поля, в свободном пространстве и кварцевых трубках, изменялись состав и плотность газа.

В п.4.1. приводятся результаты экспериментального исследования процесса образования озона в импульсно-периодическом наносекундном СВЧ разряде в кислороде. В п.4.1.1 описаны условия и параметры, при которых проводились эксперименты. Разряд зажигался в диапазоне давлений кислорода р=3100 Тор в двух принципиально различных электродинамических системах: в квазиплоской стоячей и цилиндрически сходящейся TE электромагнитных волнах. В экспериментах использовалось излучение 3-см и 8-мм диапазона, СВЧ импульсы длительностью от 5 до 500 нс и мощностью от 50 кВт до 15 МВт. Частота повторения изменялась от 1 до 103 Гц. Концентрация озона измерялась методом абсорбционной спектроскопии по поглощению излучения ртутной лампы в полосе Хартли. Представлены результаты экспериментов по изучению динамики образования озона в зависимости от давления, длительности и частоты повторения СВЧ импульсов. При непрерывной серии СВЧ импульсов концентрация О3 в вакуумной камере сначала линейно нарастала, и через некоторое время достигала квазистационарного уровня [O3]st, величина которого зависела от частоты следования импульсов и возрастала пропорционально квадрату плотности молекул кислорода. Измерения концентрации озона на стадии линейного роста позволили определить число молекул О3, образованных в течение одного СВЧ импульса. Эксперименты показали, что общее количество образованных за импульс молекул озона определяется величиной поглощенной СВЧ энергии и слабо зависит от объема занимаемого разрядом. Для сравнения эффективности образования озона в различных условиях была измерена энергия, затраченная на образование одной молекулы озона. Минимальная энергоцена η ≈ 4 эВ на молекулу была получена в разряде, создаваемом сжатыми СВЧ импульсами 3-см диапазона длин волн.

В импульсно-периодическом режиме поддержания разряда величина максимально достижимой концентрации озона падала с ростом частоты повторения для длинных (500 нс ) импульсов и возрастала при использовании коротких (τ=6 нс) импульсов. Такая зависимость, объясняется нагревом и более сильным колебательным возбуждением озона в разряде, создаваемом длинными импульсами. Этот вывод подтверждается результатами измерений температуры газа при различной частоте повторения импульсов. Кроме того, при высокой частоте следования импульсов атомы O не успевают конвертировать в озон за время между импульсами, в результате чего в разряде поддерживается достаточно высокая концентрация атомов, что приводит к снижению эффективности образования озона. Определена зависимость степени конверсии атомов кислорода в озон от концентрации атомов, образованных в течение одного СВЧ импульса.

В п.4.1.2. рассматривается численная модель процесса синтеза озона в импульсно-периодическом разряде в поле цилиндрической ТЕ волны. Определяемая из решения уравнения Гельмгольца самосогласованная эволюция электрического поля и плотности электронов в разряде, использовалась для расчета концентраций атомов, ионов, электронно и колебательно возбужденных молекул образованных за время СВЧ импульса. Критерием правильности определения концентраций этих частиц служило совпадение результатов расчета распада плазмы с данными эксперимента. Определенные таким образом концентрации возбужденных частиц и радикалов, использовались в качестве начальных условий для программы, моделирующей динамику образования озона в импульсно-периодическом режиме.

В следующих разделах представлен анализ основных каналов образования и гибели озона в кислороде. Генерация озона в СВЧ разряде происходит в результате диссоциации молекулы кислорода электронным ударом и последующего присоединения атома О к молекуле О2 с образованием молекулы озона в колебательно возбужденном состоянии. Гибель озона происходит преимущественно в реакции с атомарным кислородом. При этом, если молекула озона колебательно возбуждена, то эта реакция ускоряется во много раз, причем основной вклад в ускорение реакции вносит вторая колебательная мода. Подробно обсуждается колебательная кинетика озона. На основе простой кинетической модели рассматривается влияние колебательного возбуждения на установление стационарной концентрации озона. Показано, что для адекватного описания эксперимента необходимо привлечение дополнительного канала передачи энергии в колебательное возбуждение озона. Приводятся результаты расчета стационарной концентрации озона для многоимпульсного режима в условиях, близких к эксперименту. Показано, что динамика образования озона в кислороде определяется совместным влиянием многих процессов. Прежде всего, это генерация в СВЧ разряде атомов и возбужденных частиц, которая сильно зависит от напряженности электрического поля и давления газа. Затем это собственно реакции синтеза и деструкции озона, чувствительные к составу плазмы, процессам колебательной кинетики и диффузии. Важную роль в формировании стационарной концентрации озона играют также электронно-возбужденные молекулы кислорода в состоянии O2(b), которые передают свою энергию в колебательное возбуждение озона [Eliasson B.].

В п.4.2 приводятся результаты исследования процесса синтеза озона в воздухе и азотно-кислородных смесях. Специфика этого процесса, обусловлена наработкой в разряде высоких концентраций атомов, электронно и колебательно возбужденных молекул азота. Наличие этих частиц с одной стороны способствует увеличению эффективности диссоциации кислорода в разряде, а с другой приводит к появлению окислов азота разрушающих озон в процессе плазмохимических реакций. В п.4.2.1. рассмотрены основные процессы с участием заряженных и возбужденных частиц, приводящие к диссоциации молекул кислорода и образованию озона. Основными каналами образования атомарного кислорода являются диссоциация молекулярного кислорода электронным ударом и соударения с электронно-возбужденными молекулами азота, которые в свою очередь образуются при столкновении с электронами. Константы этих реакций являются быстро растущими функциями параметра E/N. Поэтому, энергоцена образования молекулы озона существенным образом зависит от динамики электрического поля и концентрации электронов в разряде и определяется затратами энергии на диссоциацию кислорода.

В п.4.2.2. представлены результаты экспериментов по синтезу озона в азотно-кислородных смесях. Исследования проводились с помощью тех же экспериментальных установок и при тех же параметрах, что и при изучении процесса образования озона в кислороде. Разряд зажигался в свободном пространстве (моделировался режим достаточно быстрого ухода продуктов реакций из области занимаемой плазмой) и в кварцевой трубке (реализовывался режим накопления продуктов химических реакций). В экспериментах наблюдалось существенное различие динамики плазмохимических процессов в этих режимах, а также в длинном (τ = 500нс) и коротком (τ = 6нс) наносекундных СВЧ импульсах. Кроме того, на процесс образования озона влияли частота следования импульсов, процентное содержание кислорода в смеси O2:N2 и плотность газа. В коротком импульсе динамика образования О3 в свободно-локализованном разряде в воздухе была аналогична динамике в кислороде, но максимально достижимое значение концентрации озона было существенно ниже, рис.7. Для разряда, поддерживаемого длинными импульсами, наблюдалось другая динамика. В начальный период серии импульсов концентрация озона линейно нарастала, достигала максимума, а затем плавно спадала до более низкого уровня, рис.8. При высоких частотах повторения импульсов для достижения максимальной концентрации озона требовалось примерно одинаковое число импульсов. В повторных сериях импульсов генерация озона ухудшалась, а его распад усиливался.

Рис.7. Зависимость концентрации озона в разряде, создаваемом короткими (τ=6 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F = 50Гц. Давление воздуха: 1 – 18Тор, 2 - 12Тор и с частотой F = 10Гц при давлении: 3 - 18Тор, 4 - 12Тор.	Рис.8. Динамика озона в разряде, создаваемом длинными (τ=500 нс) СВЧ импульсами с частотой повторения F: 1 - F=250Гц, 2 - F=50Гц, 3 - F=10Гц; давление воздуха p=18Тор.

Эксперименты показали, что причиной уменьшения концентрации озона являются образующиеся в разряде окислы азота. Действительно, в момент начала спада концентрации озона в эксперименте регистрировалась заметная концентрация (~1013 cм-3) двуокиси азота. Влияние окислов азота на динамику озона проверялась для разряда в смеси N2:O2. Было установлено, что уже несколько процентов N2 приводят к уменьшению (по сравнению с кислородом) стационарной концентрации озона, а при 10 % добавке азота на зависимости O3(t) появляется характерный для экспериментов в воздухе падающий участок. Образование высокой концентрации окислов является следствием нагрева и колебательного возбуждения азота при высоких частотах повторения импульсов в отсутствии прокачки газа. В этом случае суммарная энергия, выделяемая в области разряда, может достигать значительных величин, не смотря на малую длительность СВЧ импульсов. В свободно локализованном СВЧ разряде, когда продукты реакций достаточно быстро покидают разрядную область (в нашем случае в результате диффузии), падения концентрации озона не наблюдается даже в течение длительной серии импульсов. Измерения поступательной и колебательной температур в разряде в зависимости от давления и частоты повторения импульсов показали, что температура газа при длительном воздействии и высоких частотах повторения СВЧ импульсов может достигать 400-500 К. Рост температуры газа сопровождается уменьшением константы реакции образования озона и увеличением скорости его разрушения, что приводит к уменьшению концентрации озона, наработанного на начальной стадии разряда. Измеренные значения колебательной температуры лежали в области пороговых значений для реакции образования окислов азота с участием колебательно возбужденных молекул, Тv = 0,2÷0,3 эВ. При этом значения Т и Тv в разряде, создаваемом цилиндрической волной, оказались несколько выше, чем в квазиплоской геометрии из-за более высокого удельного энерговклада, достигаемого в области фокуса цилиндрически сходящейся волны.

Качественный анализ полученных в эксперименте результатов представлен в п.4.2.3. Обсуждаются процессы образования окислов азота в разряде и проводится сопоставление сделанных оценок с экспериментальными данными. Отмечается, что проведенные эксперименты указывают на возможность значительной наработки в наносекундных СВЧ разрядах в воздухе, как озона, так и оксидов азота. При этом получение максимально возможной концентрации озона и минимального количества окислов азота при комнатной температуре газа возможно только при кратковременном поддержании разряда, т. е. при небольшом числе СВЧ импульсов в серии или низкой частоте повторения импульсов, а также при прокачке газа через область разряда. В этом случае не происходит накопления окислов азота до величины, ограничивающей образование озона.

Для прогноза воздействия наносекундных СВЧ разрядов на стратосферу были проведены измерения динамики озона при низких температурах газа. Результаты этих экспериментов приведены в п.4.2.4. В качестве источника СВЧ излучения использовался релятивистский карсинотрон (λ = 8 мм, J = 5 нс, Р=1015 МВт). Разряд зажигался в кварцевой колбе в пучностях стоячей волны, сформированной с помощью сферического зеркала. Стенки колбы могли охлаждаться жидким азотом. Температура газа устанавливалась равной температуре стенок и изменялась в диапазоне T = 200300 K. Удаленность разряда от стенок колбы обеспечивала протекание химических реакций непосредственно в объеме реактора. Эксперименты показали, что уменьшение температуры газа приводит к увеличению скорости образования озона и одновременно сильно снижает эффективность образования окислов азота. Наработка окислов азота в этих экспериментах не превышала уровня чувствительности метода измерений, концентрация озона при всех давлениях возрастала более чем на порядок, а спада O3 не наблюдалось даже при длительном воздействии, рис.9.