экспериментальное моделирование долгоживущих

Сб.тез.докл. под ред. проф. Смирнова Б.М. "Шаровая молния", М., ИВТАН, 1991 г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОЖИВУЩИХ
ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАЗОВАНИИ
Е.Т. Протасевич
EXPERIMENTAL MODELLING OF LONG-LIVED
PLASMA FORMATIONS
E.T. Protasevich
Results of investigation with high- and radio-frequency plasma beam and optical discharges in conditions of
variable humidity of air are submitted for consideration. General features of all types of discharges at the addition water
vapour to them noted.
Получение долгоживущего плазменного образования представляет фундаментальный и прикладной
интерес: в первом случае – для расширения представлений об окружающем нас мире, во втором – для выяснения
возможности получения в свободном пространстве энергоемкого объекта.
В работах [1–5] экспериментально показано, что при добавлении в ВЧ-разряд молекул Н2О удается
синтезировать, холодную неравновесную плазму с аномальными свойствами: низкой температурой нейтральных
и заряженных частиц; аномально большим временем распада; уплотнением холодной плазмы газового разряда;
появлением границы раздела между областями переохлажденной плазмы.
Ниже кратко проанализированы предварительные экспериментальные результаты по моделированию
долгоживущих плазменных образований (ДПО).
Высокочастотный разряд исследовали преимущественно при пониженном давлении (р ~ 14–3000 Па) в
кварцевых колбах с внутренним диаметром 7,2 и диной 35 см на импульсном генераторе с максимальной
выходной мощностью ~60 кВт на частотах 36–37 МГц при длительности ВЧ-импульса 10–75 мс и частоте
повторения 1–5 Гц. При использовании ВЧ-разряда впервые получено устойчивое воспроизведение плазмоидов
в узком диапазоне изменения относительной влажности воздуха . Дальнейшие эксперименты показали, что
время их жизни составляет ~0,5–5,0 с вместо 20 мкс в сухом воздухе, а диаметр ~2,5– 5,0 см при  ~ 95–97%.
Внешний вид установки и подробное описание этих экспериментов приведены в монографиях [6, 7] и
обзорах [1, 4, 8]. Отметим лишь, что полученные плазмоиды (рис.1) имели квазисферическую форму и не
смешивались с окружающим воздухом или исходной плазмой ВЧ-разряда, в которую подавали предварительно
приготовленную смесь (воздух + Н2О). Физико-химические процессы, протекающие при ионизации влажного
воздуха, не имеют однозначного толкования, поскольку их характер в значительной степени зависит от
концентрации молекул воды в воздухе и других примесей, а также от уровня мощности, поступающей в разряд.
Одно из объяснений замедления скорости распада плазмы предложено в [6, 9].
Визуальные наблюдения показывают, что даже без образования плазмоидов разряд во влажном воздухе
локализуется в области внешних кольцевых электродов, как это показано на рис.2, и имеет более четкую границу
раздела, чем разряд в сухом воздухе. Последнее обстоятельство вряд ли является случайным. Температурные
зависимости ВЧ-разряда во влажном воздухе [1] и численное моделирование физико-химических процессов
показывают, что в области оптимального содержания парой воды в разряде образуются сгусти холодной
неравновесной плазмы.
СВЧ-разряда в сухом и влажном воздухе изучали и в свободном пространстве. Схема эксперимента и
условия его проведения определялись имевшейся аппаратурой и размерами рабочего помещения.
Схема эксперимента приведена на рис.3. Триод с виртуальным катодом имел следующие характеристики:
частота генерации -3 ГГц, максимальная мощность излучения ~300 МВт, длительность СВЧ-импульса 1,0-1,5 мкс.
Фокусировку излучения осуществляли отражателем. Диаметр пятна в фокальной плоскости был равен 8-10 см.
Рис.1. Последовательные стадии образования сгустка холодной
неравновесной плазмы в ВЧ-разряде (темное образование
на светлом фоне первичной плазмы):
a – зарождение сгустка; б – его существование; в- распад.
Рис.2. Различные формы свечения
безэлектродного емкостного
ВЧ-разряда в сухом (а) и влажном
(б) воздухе.
При ионизации сухого воздуха ( < 60%) разряд вытянут в направлении распространения
электромагнитной волны, его свечение диффузное, хотя отсутствует четкая граница раздела между областью
ионизации и окружающим пространством. При повышении влажности воздуха в фокусе параболической
антенны формируется более компактное образование - плазмоид (рис.4). Время жизни такого плазмоида единицы - десятки миллисекунд при относительной влажности воздуха (80%. Анализ свечения разряда
методом цветокодированных эквиденсит [13] позволяет выделить в нем более яркую центральную часть,
состоящею из двух областей, протяженность которых соответственно составляет 1,5 и 3,0 см, а диаметр -0,3-0,5
см. Это наиболее горячие области разряда и расположены они к «голове» плазмоида по отношению к
направлению распространения электромагнитной полны, т.е. в фокусе антенны, где плотность СВЧ-энергии
максимальная. Диаметр плазмоида 2,5-3,5 см, длина 1-8 см. В сухом воздухе размеры свечения возрастают в
~1,5-3,0 раза.
Рис. 3. Упрощенная схема для исследований СВЧ-разряда в
открытом пространстве:
1 - устройство для вывода излучения: 2 – диэлектрическое
окно; 3 - отражатель; 4 - поток СВЧ-мощности;
5 - устройство для подачи пара; 6 - водяной пар;
7 - фотокамера
Плазмоидно-пучковьй разряд для моделирования плазмоидов изучали на сильноточном электронном
пучке ( ~ 1 МэВ, I ~ 20-30 кА,  ~ 50 нс) в металлической трубе с внутренним диаметром ~9 см н в открытом
пространстве. Рабочей средой служил влажный воздух. По формальным признакам результаты исследований
оказались отрицательными: появление плазмоида при помощи ФЭУ-130 зафиксировать не удалось, хотя энергия,
вкладываемая в разряд, и давление в трубе дрейфа были близки к таковым для емкостного ВЧ-разряда (~1 кДж, p
~ 0,1-100,0 кПа).
Рис. 4. Плазменное образование в фокусе параболическом
антенны, представленной на рис.3 ( ~ 10 см).
Заметное сокращение длительности плазменного тока Ip при инжекции пучка быстрых электронов, когда
 = 95-97%, можно объяснить снижением проводимости плазмы  в результате охлаждения электронов при
колебательном возбуждении электронным ударом молекул воды и их частичного разложения и разряде [14].
Другими словами, в плазменно-пучковом разряде имеет место такое же охлаждение плазмы, какое и в ВЧразряде. Однако более короткий временной интервал (десятки наносекунд по сравнению с десятками
миллисекунд) и то обстоятельство, что вода находилась в жидко-капельном, а не в парообразном состоянии, не
позволило, видимо, сформировать плазмоид, подобный описанному выше. На рис.5 приведены осциллограммы
длительности свечения плазменно-пучкового разряда в трубе дрейфа. Появление первого отрицательного пика
свечения на обоих снимках обусловлено ионизацией среды электронами пучка. Появление второго пика во
влажном воздухе связано с образованием в разряде через 20 мкс отрицательных ионов O2-, а также комплексов
чипа ОH- · H2O.
При инжекции сильноточного электронного пучка в свободное пространстве эффективность его
распространения зависит от влажности воздуха, и наблюдается его хорошее взаимодействие со струей водяного
пара. Однако и это не приводило к образованию плазмоидов в свободном пространстве при нормальном
атмосферном давлении. Свечение воздуха возникает, как правило, вследствие рассеивания электронов пучка на
молекулах газа, и говорить о появлении в этом случае какого-либо плазмоида преждевременно.
Рис.5. Осциллограммы длительности свечения плазменнопучкового разряда в трубе дрейфа при давлении 1,33 кПа
в сухом (а) и влажном (б) воздухе (длительность развертки
10 мкс/дел).
Лазерное излучение представляет определенный интерес для решения поставленной задачи, так как
позволяет моделировать плазменное образование в реальной атмосфере или в заданной области свободного
пространства. Энергия, излучаемая лазерами, составляет десятки - сотни килоджоулей. Эксперименты,
проводимые в аэрозольной камере объемом -5 м3 при атмосферном давлении на CO2 - лазере [6, 15], показали,
что максимальное время жизни плазменного образования достигается при относительной влажности воздуха
также – 96-97% и составляет 6-8 мс. Это хорошо согласуется с результатами исследований высокочастотного и
плазменно-пучкового разрядов. Поэтому было сделано несколько «пробных выстрелов» CO2 -лазера в реальную
атмосферу, в результате которых было установлено, что при ~273 К и ~ 100%-й влажности воздуха па высотах в
несколько десятков метров от поверхности Земли формируются устойчивые плазменные образования
квазисферической формы с длительностью послесвечения до ~8 с [16]. Диаметр таких образований 4 - 8 см, а
энергия в импульсе порядка 1 кДж. Внешний вид плазмоидов показан на рис.6*. Существенная особенность
лазерного пробоя - появление мощной ударной волны.
* Фотографии публикуются с согласия Ю.Д. Копытина.
Рис.6. Плазмоиды, полученные при оптическом пробое воздуха
(смещение ДПО вправо обусловлено наличием ветра; мелкие
светлые пятна – блики на пленке):
а - образование плазмоида; б - плазмоид через 3 с после
появления; в - распад плазмоида; г – эквиденситы плазмоида,
представленного для случая в.
Таким образом, приведенные эксперименты по пробою влажного воздуха показали, что существует
оптимальная концентрация паров воды, при достижении которой удается увеличить на несколько порядков
время распада плазмы. Независимо от вида ионизирующего излучения с макроскопической точки зрения
существуют по крайней мере три стадии, разделенные во времени в пространстве, обеспечивающие появление
ДПО:
испарение воды, если последняя представляет собой аэрозоль;
разложение молекул воды (пара) за счет энергии ионизирующего излучения;
протекание комплекса физико-химических реакций [17], в результате которых образуется холодная
неравновесная плазма с большим временем распада.
Подбором соответствующих параметров среды (относительная влажность, давление, исходное состояние
воды) или ионизирующего излучения (длительность импульса, его энергия, частота повторения и пр.) можно
обеспечить режим длительного распада плазмы.
В настоящее время до конца не выяснен и физический смысл самого охлаждения плазмы при добавлении
в разряд паров Н2О. Однако это обстоятельство в технических приложениях играет второстепенную роль.
Проведенные в лабораторных условиях и в открытом пространстве эксперименты в целом подтвердили
предположение о том, что для формирования долгоживущего плазменного образования наиболее важны
параметры ионизирующего излучения, а не его вид [1], и наличие переохлажденной плазмы. Кроме паров воды в
качестве средства охлаждения могут служить и другие вещества, вызывающие понижение температуры
отдельных компонент плазмы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Протасевич Е.Т. Холодная неравновесная плазма газового разряда//ТВТ, 1989, т.27, №6, c.1206-1218.
2. Протасевич Е.Т. Высоко частотный разряд во влажном воздухе при давлениях 1-20 мм рт. ст.//«Физика
космической и лабораторной плазмы», Под ред. А.Г. Пономаренко. COAН, Новосибирск: Наука, 1989.
с.170—174.
3. Протасевич Е.Т. Капичка В., Браблец А. Резонансное охлаждение плазмы ВЧ-разряда парами
воды//ЖТФ, 1985, т.55, №4, с.743-745.
4. Протасевич Е.Т. ВЧ-разряд при пониженном давлении в условиях переменной влажности
воздуха//Годишник на весшите учебни заведения. «Техническая физика» (Болгария), 1990, т.26, №2,
с.169-180.
5. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Протасевич Е.Т. Образование долгоживущих плазмодов при охлаждении
ВЧ-разряда потоком водно-капельного аэрозоля//ДАН СССР, 1987, т.296, №2, с.337-340.
6. Копытин Ю.Д., Протасевич Е.Т., Чистякова Л.К., Шишковский В.Л. Воздействие лазерного и ВЧизлучений на воздушную среду. Новосибирск: Наука, 1992, 190 с.
7. Дмитриев А.И., Похолков Ю.П., Протасевич Е.Т., Скавинский В.П. Плазмообразование в
энергоактивных зонах. Новосибирск: Ин-т геологии и геофизики СОРАН, 1993, 241 с.
8. Протасевич Е.Т. Светящиеся плазменные образования в атмосфере и их воспроизведение в
лабораторных условиях//Изв. вузов, «Физика», 1992, №3, с.87-104.
9. Куриленков Ю.К., Протасевич Е.Т. Об особенностях долгоживущих плазменных образований//Письма
ув ЖТФ, 1989, т.15, №14, с.7-12.
10. Протасевич Е.Т. О методе охлаждения электронов в плазме газового разряда//Изв. вузов, «Физика»,
Томск, 1983, 9 с. (Деп. в ВИНИТИ 28.12.82, №342-83).
11. Жерлицын А.Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В. Получение мощных импульсов CВЧ-излучения
микросекундной длительности в триоде с виртуальным катодом//Письма в ЖТФ, 1985, т.11, №17,
с.1083-1086.
12. Протасевич Е.Т. Физические процессы, возникающие при канализации мощного СВЧ-излучения в
атмосфере//Изв. вузов, «Физика», 1992, №7, с.108-115.
13. Броншэн В.А. Серебристые облака и их наблюдение. М.; Наука, 1984, 128 с.
14. Протасевич Е.Т., Сметанин В.И., Суриков Ю.П. Взаимодействие СЭП с увлажненной средой//Изв.
вузов, «Физика», Томск, 1988, 6 с. (Деп. в ВИНИТИ 9.02.88, №1077-В88).
15. Байрамов М.Б., Копытин Ю.Д., Протасевич Е.Т. Эффекты, возникающие при взаимодействии
плазмы лазерного и ВЧ-пробоя воздуха с потоком водно-капельного аэрозоля//Изв. вузов, «Физика»,
Томск, 1987, 11 с. (Деп. в ВИНИТИ 6.07.87, №6516- В87).
16. Дорошков В.В., Копытин Ю.Д., Протасевич Е.Т. Метастабильные ионизационные состояния
воздушной среды, инициируемые лазерным и высокочастотным излучением//Сб. тез. докл. XIII
Междунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике, 6-8 сентября 1988, Минск, 1988, т.2, с.233.
17. Григорьев. В.П., Протасевич Е.Т., Бейсамбаев Ж.К. Исследование физико-химических процессов при
ионизации влажного воздуха//Сиб. физ.-тех. журн., 1992, № 3, с.57-62.