Вероятность и время появления, размеры СВЧ-разряда с лазерной безыскровой инициацией при различных давлениях среды и энергии импульса лазера


Просмотр статьи
PDF, 1,2 МБ

Probability and induction time, size of microwave discharge with laser sparkless initiation at different gas pressure and laser pulse energy

In the work experimental data on the ignition probability, induction time, length and diameter
of the subcritical microwave discharge initiated by a laser pulse without a laser spark were obtained. The studies were carried out in air at pressures from 50 to 80 Torr, laser pulse energies
of 10-200 mJ and its delivery times from -100 to 0.5 μs relative to the microwave pulse. To
create microwave radiation, MI-505 magnetron with a radiation frequency of 9.6 GHz, a pulse
duration of 2.5 μs and a focusing system were used. In the plasma appearance zone, the microwave radiation intensity was estimated at 2.0 kV/cm. Evergreen 200 laser was used to initiate the microwave discharge, creating pulses with a half-width of 10 ns, a wavelength of
532 nm. Laser pulses are focused by a lens with a focal length of 250 mm. It was possible to
increase the threshold pressure of the microwave discharge from 50 Torr (without initiation) to
80 Torr (with laser initiation). Synchronous supply of microwave and laser pulses gives the
best result: discharge ignition without misfires, and the spread of characteristics (geometry, induction time) is the smallest. Premature supply of a laser pulse also allows obtaining a discharge with an increased ignition threshold, but its characteristics are worsened. Laser initiation also has a positive effect on the supercritical microwave discharge. The results obtained
can be useful in developing a generator of plasma formations in aerodynamics problems and
other problems with plasma energy input.

Microwave plasma, actuator, laser initiation, subcritical discharge, experiment.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.1.1168

Максим Евгеньевич Ренев, Юрий Владимирович Добров, Никита Денисович Осипов, Валерий Александрович Лашков, Игорь Чеславович Машек, Роман Сергеевич Хоронжук

Том 26, выпуск 1, 2025 год



В работе получены экспериментально данные о вероятности зажигания, времени индукции, длины и диаметра подкритического СВЧ-разряда, инициированного лазерным импульсом без лазерной искры. Исследования проводились в воздухе при давлениях от 50
до 80 Торр, энергиях импульса лазера 10-200 мДж и временах его подачи от -100 до 0,5
мкс относительно СВЧ-импульса. Для создания СВЧ-излучения использован магнетрон
МИ-505 с частотой излучения 9,6 ГГц, длительностью импульса 2,5 мкс и фокусирующая система. В зоне появления плазмы напряженность СВЧ-излучения оценена значением 2,0 кВ/см. Для инициации СВЧ-разряда использован лазер Evergreen 200, создающий импульсы с полушириной 10 нс, длиной волны 532 нм. Лазерные импульсы
фокусируются линзой с фокусным расстоянием 250 мм. Удалось поднять пороговое
давление СВЧ разряда с 50 Торр (без инициации) до 80 Торр (с лазерной инициацией)
Синхронная подача импульсов СВЧ и лазера дает наилучший результат: зажигание разряда без осечек, а разброс характеристик (геометрия, время индукции) наименьший.
Преждевременная подача лазерного импульса также позволяет получать разряд с повышенным порогом зажигания, однако его характеристики ухудшаются. Лазерная инициация положительно влияет и на надкритический СВЧ разряд. Полученные результаты
могут быть полезны при разработке генератора плазменных образований в задачах
аэродинамики и иных задачах с плазменным энерговложением.

СВЧ-плазма, актуатор, лазерная инициация, подкритический разряд, эксперимент.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.26.1.1168

Максим Евгеньевич Ренев, Юрий Владимирович Добров, Никита Денисович Осипов, Валерий Александрович Лашков, Игорь Чеславович Машек, Роман Сергеевич Хоронжук

Том 26, выпуск 1, 2025 год



1. Bletzinger P., Ganguly B. N., Wie D. W., Garscadden A. Plasmas in high speed aerodynamics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38, № 4. P. R33–R57. DOI: 10.1088/0022-3727/38/4/R01
2. Fomin V. M., Tretyakov P. K., Taran J.-P. Flow control using various plasma and aerodynamic approaches (Short review) // Aerospace Science and Technology. 2004. V. 8, № 5. P. 411–421. DOI: 10.1016/j.ast.2004.01.005
3. Knight D. Survey of Aerodynamic Drag Reduction at High Speed by Energy Deposition // Journal of Propulsion and Power. 2008. V. 24, № 6. P. 1153–1167. DOI: 10.2514/1.24595
4. Russell A., Zare-Behtash H., Kontis K. Joule heating flow control methods for high-speed flows // Journal of Electrostatics. 2016. Vol. 80. P. 34–68. DOI: 10.1016/j.elstat.2016.01.004
5. Starikovskiy A. Y., Aleksandrov N. L. Gasdynamic Flow Control by Ultrafast Local Heating in a Strongly Nonequilibrium Pulsed Plasma // Plasma Physics Reports. 2021. V. 47, № 2. P. 148–209. DOI: 10.1134/S1063780X21020069
6. Knight D., Kianvashrad N. Review of Energy Deposition for High-Speed Flow Control // Ener-gies. 2022. V. 15, № 24. P. 9645. DOI: 10.3390/en15249645
7. Azarova O. A., Kravchenko O. V. The Use of Spatially Multi-Component Plasma Structures and Combined Energy Deposition for High-Speed Flow Control: A Selective Review // Ener-gies. 2024. V. 17, № 7. P. 1632. DOI: 10.3390/en17071632
8. Thiyagarajan M., Scharer J. E. Experimental Investigation of 193-nm Laser Breakdown in Air // IEEE Trans. Plasma Sci. 2008. V. 36, № 5. P. 2512–2521. DOI: 10.1109/TPS.2008.2004259
9. Adelgren R., Elliot G., Knight D., Zheltovodov A., Beunter T. Energy deposition in supersonic flows // 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV, U.S.A.: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2001. DOI: 10.2514/6.2001-885
10. Elias P.-Q., Severac N., Luyssen J. M., Andre Y.-B., Doubet I. Improving supersonic flights with femtosecond laser filamentation // Sci. Adv. 2018. V. 4, № 11. P. eaau5239. DOI: 10.1126/sciadv.aau5239
11. Зудов В. Н., Третьяков П. К., Тупикин А. В. Некоторые особенности импульсно-периодического энергоподвода в сверхзвуковом потоке // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Т. 5, № 2. С. 43–54.
12. Kolesnichenko Y., Azarova O., Brovkin V., Khmara D., Lashkov V., Mashek I., Ryvkin M. Basics in Beamed MW Energy Deposition for Flow/Flight Control // 42nd AIAA Aerospace Sci-ences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004. DOI: 10.2514/6.2004-669
13. Lashkov V., Mashek I., Anisimov Y., Ivanov V., Kolesnichenko Y., Azarova O. Method of Vortex Flow Intensification under MW Filament Interaction with Shock Layer on Supersonic Body // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006. DOI: 10.2514/6.2006-404
14. Бровкин В. Г., Венедин П. В., Колесниченко Ю. Ф. СВЧ-разряд в свободном пространстве: физика и приложения // Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий. 2019. Т. 1, № 10. С. 65–69.
15. Knight D., Kolesnichenko Y. F., Brovkin V., Khmara D., Lashkov V. A., Mashek I. Interaction of Microwave-Generated Plasma with a Hemisphere Cylinder at Mach 2.1 // AIAA Journal. 2009. V. 47, № 12. P. 2996–3010. DOI: 10.2514/1.43657
16. Afanas’ev S. A., Brovkin V. G., Kolesnichenko Y. F., Mashek I. Ch. Effect of gasdynamic processes on structure and threshold of laser spark initiated microwave discharge // Tech. Phys. Lett. 2011. V. 37, № 8. P. 710–713. DOI: 10.1134/S1063785011080025
17. Afanas’ev S. A., Brovkin V. G., Kolesnichenko Yu. F. Laser spark initiated microwave dis-charge // Tech. Phys. Lett. 2010. V. 36, № 7. P. 672–674. DOI: 10.1134/S1063785010070266
18. Khoronzhuk R. S., Karpenko A. G., Mashek I. C., Lashkov V. A., Potapenko D. P. Microwave discharge initiated by double laser spark in a supersonic airflow // J. Plasma Phys. 2015. V. 81, № 3. P. 905810307. DOI: 10.1017/S0022377814001299
19. Lashkov V. A., Karpenko A. G., Khoronzhuk R. S., Mashek I. Ch. Effect of Mach number on the efficiency of microwave energy deposition in supersonic flow // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. P. 052305. DOI: 10.1063/1.4949524
20. Kolesnichenko Yu. F., Brovkin V. G., Azarova O. A., Grudnitsky V. G., Lashkov V. A., Mashek I. Ch. Microwave energy release regimes for drag reduction in supersonic flows // 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. Reno, NV, U.S.A.: American Institute of Aero-nautics and Astronautics, 2002. DOI: 10.2514/6.2002-353
21. Azarova O. A. Generation of Richtmyer–Meshkov and secondary instabilities during the inter-action of an energy release with a cylinder shock layer // Aerospace Science and Technology. 2015. V. 42. P. 376–383. DOI: 10.1016/j.ast.2015.01.027
22. Dobrov Y. V., Lashkov V. A., Mashek I. Ch., Khoronzhuk R. S. Investigation of heat flux on aerodynamic body in supersonic gas flow with local energy deposition. Saint Petersburg, Russia, 2018. P. 050009. DOI: 10.1063/1.5034637
23. Dobrov Y. V., Renev M. E., Lashkov V. A., Mashek I. Ch., Khoronzhuk R. S. Heat flux on streamlined body surface after local energy input // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 1959, № 1. P. 012016. DOI: 10.1088/1742-6596/1959/1/012016
24. Anderson K., Knight D.D. Interaction of heated filaments with a blunt cylinder in supersonic flow // Shock Waves. 2011. V. 21, № 2. P. 149–161. DOI: 10.1007/s00193-011-0306-2
25. Azarova O., Gvozdeva L. Control of triple-shock configurations in high-speed flows over a cylindrically blunted plate in gases for different Mach numbers // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2018. P. 1–9.
26. Azarova O. A., Grudnitsky V. G., Kolesnichenko Y. F. Stationary streamlining bodies by su-personic flow with an infinite thin low density channel // Matematicheskoe modelirovanie. 2006. V. 18, № 1. P. 79–87.
27. Azarova O. Supersonic Flow Control Using Combined Energy Deposition // Aerospace. 2015. V. 2, № 1. P. 118–134. DOI: 10.3390/aerospace2010118
28. Knight D., Azarova O., Kolesnichenko Y. Drag force control via asymmetrical microwave fil-ament location in a supersonic flow // Sixth European Symposium on Aerothermodynamics for Space VehiclesAt: Versailles, FranceVolume: European Space Agency, 2008, 1–8. 2008. V. 50, № 100. P. 150.
29. Kourtzanidis K., Raja L. L., Courmar S., Lago V. Numerical simulation of DC glow discharges for shock wave modification // 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting. San Diego, California, USA: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2016. P. 1–11. DOI: 10.2514/6.2016-2157
30. Azarova O. A., Erofeev A. V., Lapushkina T .A. A comparison of plasma and thermal effects upon supersonic flow past aerodynamic bodies // Tech. Phys. Lett. 2017. V. 43, № 4. P. 405–408. DOI: 10.1134/S1063785017040150
31. Phuoc T. X. Laser-induced spark ignition fundamental and applications // Optics and Lasers in Engineering. 2006. V. 44, № 5. P. 351–397. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2005.03.008
32. Usoskin I. G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., Fluckiger E. O., Butikofer R., Kovaltsov G. A. Ionization of the earth’s atmosphere by solar and galactic cosmic rays // Acta Geophys. 2009. V. 57, № 1. P. 88–101. DOI: 10.2478/s11600-008-0019-9
33. Федоров В.Ю., Кандидов В.П. Нелинейно-оптическая модель воздушной среды в задаче о филаментации фемтосекундных лазерных импульсов различной длины волны // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105, № 2. С. 306–313.
34. Сайфутдинов А.И. Гидродинамические и гибридные модели электрических разрядов в газах и их приложения: ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Казань, 2023. 592 c.
35. Kolesnichenko Y., Khmara D., Afanas’ev S. Optimization of Laser-Pulse-Controlled MW En-ergy Deposition // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007. DOI: 10.2514/6.2007-1228
36. Добров Ю. В., Лашков В. А., Машек И. Ч., Прокшин А. М,, Ренев М. Е., Хоронжук Р. С. Лазерная безыскровая инициация подкритичекого СВЧ разряда // Инженерно-физический журнал. Т. 97, №4. С. 1078.
37. Месяц Г.А. Законы подобия в импульсных газовых разрядах // Успехи физических наук. 2006. Т. 176, № 10. С. 1069–1091.