Aria tematica S/T: 11 Stiinte de baza
Platforma tehnologica: PT-11 Comunicatii mobile

Director,
Dr. Ovidiu Stoican

Contact:
e-mail: stoican@infim.ro
Tel: +40( 0)722308214

Apartenenta:
Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei  (INFLPR)
Str. Atomistilor, Nr. 409, P. O. Box: MG-36, 077125 BUCURESTI, ROMANIA
Tel:  +40 (0)21- 4574550/2226
Fax: +40 (0)21- 4574243
 

Parteneri:

1. Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei  (INFLPR) -Conducator de proiect
2. Universitatea din Bucuresti
3. Universitatea din Pitesti
4. Institutul National pentru Fizica si Inginerie Nucleara "Horia Hulubei" (IFIN-HH)

Obiectivul principal al proiectului de cercetare  îl constituie studiul transferului de energie dintre plasma unei descărcării electrice în gaz, de joasă temperatură şi un câmp electromagnetic de radiofrecvenţă extern.

Organizare:

01.08.2006-15.12.2006 Realizare si testare instalatie experimentala pentru studiul interactiei camp RF-plasma descarcare luminescenta.
01.01.2006-30.07.2007 Studii experimentale privind interactia plasma-camp electromagnetic de RF si de microunde.
01.07.2007-30.10.2007 Studii teoretice si experimentale asupra efectului câmpului electromagnetic de excitatie asupra plasmei.
01.11.2007-01.03.2008 Studii asupra bilantului energetic global al fenomenelor de transfer energetic plasma-camp RF.
02.03.2008-30.07.2008 Studii asupra variatiei cu frecventa si geometria campului RF a efectelor de transfer energetic plasma-camp RF.
01.08.2008- 30.09.2008 Studii teoretice asupra interactiei plasma-camp RF. Sistematizarea datelor experimentale. Concluzii.
 

Principalele rezultate ştiinţifice obţinute în cadrul INFLPR sunt legate de tehnologia antenelor cu plasmă şi studiul interacţiei plasmă-câmp electromagnetic RF cu aplicaţii în diagnoza plasmei.Tehnologia antenelor cu plasmă reprezintă o abordare nouă în domeniul radiocomunicaţiilor. Antenele convenţionale utilizează conductori metalici în scopul transmiterii sau recepţionării semnalelor RF. În cazul antenelor cu plasmă conductorii metalici sunt înlocuiţi prin coloane de gaz ionizat. Utilizarea antenelor cu plasmă este avantajoasă atunci când se lucrează în regim pulsat. Pentru că gazul poate fi ionizat numai în timpul transmisiei semnalului, anumite efecte tranzitorii (de exemplu efectul de “ringing”) care apar datorită comutării semnalului RF pot fi evitate. Această caracteristică prezintă interes mai ales în domeniul tehnologiei radar şi al comunicaţiilor digitale. Asemenea studii sunt necesare în scopul proiectării adecvate a sistemelor de comunicaţii echipate cu antene cu plasmă. În cadrul proiectului au fost studiate două geometrii de tuburi de descărcare funcţionând ca antene cu plasmă, anume cele corespunzătoare antenei dipol şi celei corespunzătoare antenei tip buclă. S-au utilizat descărcări în curent continuu deoarece au avantajul că pot fi obţinute şi comutate on/off uşor. Cercetările privind antenele cu plasma au avut trei mari obiective, anume: formarea pulsurilor RF, studiul radiaţiei RF datorate comutării descărcării şi efectul  circuitului de excitare asupra proprietăţilor plasmei. Suplimentar variaţiile câştigului şi ale factorului de undă staţionară (VSWR) au fost măsurate în diverse condiţii experimentale. O metodă simplă, ieftină şi fiabilă de a obţine pulsuri RF este aceea de a înseria tubul de descărcare într-un circuit de tip oscilator de relaxare. Astfel, tubul de descărcare funcţionează simultan ca antenă cu plasmă, comutator de curent continuu de înaltă tensiune şi comutator RF. Prin urmare, pulsurile RF sunt formate fără a utiliza dispozitive semiconductoare funcţionând la tensiuni înalte. Pentru a îmbunătăţii controlul asupra pulsurilor RF în cadrul proiectului au fost luate în considerare mai multe topologii de oscilatoare de relaxare. Anumite aplicaţii necesită existenţa a două antene, una funcţionând ca emiţător, cealaltă ca receptor pentru pulsurile RF. În timpul transmisiei funcţionarea antenei de recepţie trebuie blocată. Pentru aceste tipuri de aplicaţii a fost dezvoltată o topologie de circuit bazată pe un circuit de tip oscilator de relaxare. Circuitul conţine două tuburi de descărcare unul jucând rolul de antenă de emisie celălalt jucând rolul de antenă de recepţie, şi funcţionează ca circuit basculant astabil. O dificultate a acestui tip de abordare este aceea că forma pulsului RF este dificil de controlat. Metoda este utilă acolo unde forma pulsului RF nu este critică. Un alt mod de a obţine pulsuri RF este aceea de a alimenta tubul de descărcare folosind un generator autoblocat (convertor cc-cc de tip flyback). Punctul de funcţionare al generatorului autoblocat se ajustează automat astfel încât să se poată adapta la regimul de funcţionare al descărcării fără a fi necesară utilizarea unui rezistor de balast. Dispozitivul poate fi utilizat de asemenea în scopul detectării variaţiilor proprietăţilor descărcării. Este cunoscut că parametrii electrici ai generatorului autoblocat auto-oscilant (curentul de alimentare, factorul de umplere, frecvenţa de lucru) depind de caracteristicile electrice ale sarcinii. Monitorizând aceşti parametrii variaţiile proprietăţilor descărcării pot fi detectate. Un alt efect studiat a fost acela al câmpului electric de excitare asupra proprietăţilor descărcării. A fost investigată deplasarea perioadei de oscilaţie a unui oscilator de relaxare cu tub de descărcare plasat într-un câmp electromagnetic de microunde de mică intensitate. A fost pusă în evidenţă o variaţie semnificativă a perioadei oscilaţiilor de relaxare ca efect al câmpului de microunde. Experimentele au condus la concluzia că câmpuri electromagnetice RF mult mai mici decât câmpul electric continuu pot modifica tensiunea de străpungere a descărcării. Bazat pe această observaţie experimentală rezultă o metodă simplă de detecţie a câmpului electromagnetic de microunde. Pentru a avea performanţe egale cu cele ale antenelor convenţionale gazul ionizat trebuie să prezinte aceleaşi proprietăţi electrice cu cele ale conductoarelor metalice, de exemplu o conductivitate uniformă. Pentru a obţine o plasmă omogenă este necesară utilizarea unor configuraţii speciale de electrozi. Pe de altă parte este cunoscut că în anumite condiţii plasma unei descărcări electrice poate radia energie RF. Au fost efectuate studii experimentale asupra caracteristicii câmpului RF datorat pulsurilor de curent, într-o descărcare cu catod cavitar.  S-a demonstrat că descărcarea electrică reprezintă o sursă de semnal RF. Experimentele au arătat că câmpul RF constă dintr-un tren de pulsuri RF asociate fiecărui puls al curentului de descărcare. Forma de undă a acestor pulsuri este similară cu aceea a unei oscilaţii armonice amortizate într-un circuit cuplat inductiv. Au fost determinate câteva peak-uri de frecvenţă în spectrul acestor perturbaţii şi s-a determinat compoziţia lor spectrală. De regulă, numai regiunea descărcării în curent continuu numită coloană pozitivă este utilizată ca antenă cu plasmă. Coloana pozitivă este caracterizată printr-o conductivitate înaltă şi omogenă spaţial, sarcina spaţială fiind zero asemănator cazului unui conductor metalic. Cele mai multe din aranjamentele experimentale descrise în literatură utilizează “brăţări” metalice externe în scopul realizării excitaţiei RF pentru o antenă cu plasmă. Aceste brăţări pot aluneca de-a lungul tubului de descărcare în scopul poziţionării deasupra coloanei pozitive. De regulă, pentru a obţine un cuplaj bun între câmpul RF de excitaţie şi coloana de plasmă, cele două brăţări trebuie să aibă o suprafaţă mare similar armăturii unui condensator. Pentru că la frecvenţe joase circuitul de excitaţie RF este echivalent unui scurt circuit la masă a  fost evaluat efectul circuitului RF de excitaţie asupra caracteristicilor plasmei descărcării. S-au observat modificări ale proprietăţilor plasmei descărcării ca rezultat al prezenţei electrodului exterior conectat la masă. Efectul a fost detectat folosind un circuit de tip oscilator de relaxare, observându-se o deplasare semnificativă a frecvenţei ca efect al electrodului extern. S-a propus o metodă de comutare a antenelor cu plasmă bazată pe această observaţie. Studiul interacţiei dintre câmpul RF şi plasmă reprezintă un instrument important pentru diagnoza plasmei. A fost dezvoltată o metodă simplă şi practică destinată investigării distribuţiei spaţiale a absorbţiei câmpului RF de către o coloană de plasmă într-o bandă largă de frecvenţă.  Metoda se bazează pe măsurarea variaţiei amplitudinii diverselor armonici ale câmpului electromagnetic RF datorită volumului de plasmă. Ca sursă de semnal s-a utilizat un generator de zgomot care generează un câmp RF de bandă largă. Efectul câmpului RF în diverse condiţii experimentale a fost observat utilizându-se un analizor de spectru. Faţă de un generator RF vobulat generatorul de zgomot are avantajul că poate aplica plasmei simultan un semnal caracterizat printr-un spectru larg de frecvenţă. Generatorul RF vobulat furnizează la ieşire un semnal având o frecvenţă bine definită care variază în timp. Metoda a fost testată folosindu-se plasma unei descărcări în curent continuu. A fost de asemenea pusă la punct o variantă modificată a metodei care permite observarea excitării armonicelor RF în plasmă. Cele mai importante rezultate ale experimentelor pot fi sumarizate astfel: observarea prezenţei absorbţiilor selective RF precum şi dependenţa mărimii acestora de regiunea descărcării şi de configuraţia circuitului de alimentare al acesteia. În cursul desfăşurării proiectului a fost nevoie de  realizarea unor echipamente şi dispozitive care ţin de domeniul electronicii aplicate, necesare desfăşurării experimentelor şi care nu sunt disponibile comercial. Amintim aici pe cele mai importante: diverse circuite de tip gate-dip metru şi autodină, sistem pentru măsurarea frecvenţei pulsurilor RF, sisteme de izolare galvanică a diferitelor etaje folosind fascicule laser pentru control, alimentatoare se înaltă tensiune. În scopul interpretării unora dintre rezultatele experimentale, în cadrul IFIN-HH au fost efectuate studii teoretice privind propagarea undelor în medii prezentând diverse neomogenităţi. S-a pus la punct o metodă aproximativă pentru descrierea difracţiei undelor scalare pe diverse obstacole. Metoda poate fi aplicată în cazul a diverse geometrii: tub circular seminfinit, apertură practicată într-un ecran infinit şi un ecran plan seminifinit. Conform metodei efectul condiţiilor de frontieră este aproximat cu o distribuţie pe suprafaţă a surselor. De asemenea a fost realizat un model teoretic bazat pe elaborarea şi investigarea unei analogii între ecuaţiile câmpul magnetic şi ale  fluidelor. S-a acordat o atenţie deosebită soluţiei de tip vorticial Helmholtz, care a fost formulată pornind de la o distribuţie de vorticitate data. S-a aprofundat analogia dintre ecuaţiile electromagnetismului care dau câmpul magnetic în funcţie de curenţi (legea Biot-Savart şi legea Ampere între curenţi) şi mişcarea vorticială a fluidului. În cadrul Universităţii din Bucureşti au fost realizate studii experimentale asupra interacţiei plasmă-câmp RF în geometrie tip linie de transmisie. Scopul acestor studii a fost acela de a evalua posibilitatea modificării parametrilor unei linii de transmisie acţionând asupra parametrilor unei regiuni ionizate aflate în apropierea liniei de transmisie. Efectul plasmei asupra liniei de transmisie a fost evaluat măsurând variaţiile raportului de undă staţionară (VSWR) funcţie de parametrii descărcării. În cadrul  Universităţii din Piteşti a fost realizată o instalaţie experimentală destinată studiului interacţiei dintre plasmă şi un câmp electromagnetic de microunde. Scopul acestor studii a fost acela de a evalua posibilitatea stimulării emisiei de unde electromagnetice în domeniul microundelor în interiorul unei coloane de plasmă cuplate cu un strat dublu pulsat de sarcină electrică.  Experimentele au arătat stimularea de către stratul dublu a unei unde staţionare iono-acustice şi apariţia unui câmp electromagnetic de microunde cu lungimea de undă de ordinul centimetrilor. A fost propus un scenariu fenomenologic privind generarea complexităţii in mediile materiale aflate departe de starea de echilibru termodinamic.

 O. S. Stoican, Study of a dc glow discharge supplied by a flyback converter, 6^th International Conference of the Balkan Physical Union-BPU-6, August 22-26, 2006, Istanbul, Turkey, Book of Abstracts, p.937 (8-P-022)

Pagina de start
English page