Файл: Левитский С.М. Плазма служит человеку.pdf

стенками сосуда и сразу же отдают им свою энергию, приобретенную от электронов. Такая странная плазма низкого давления, в которой одновременно «сосуществу­ ют» очень горячий электронный газ и холодный газ из нейтральных атомов и молекул, называется неизотерми­ ческой плазмой.

Нужно отметить, что плазма высокого давления тоже бывает неизотермической: в первые моменты после приложения электрического поля температура электрон­ ного газа может быть выше, чем температура атомов и ионов, поскольку электроны еще не успели передать им приобретенную от поля энергию и вступить с ними в тепловой баланс.

Новые трудности должны возникнуть при дальнейшем нагреве высокотемпературной плазмы, характеризую­ щейся температурами в миллионы градусов. Проводи­ мость плазмы при таких высоких температурах настоль­ ко велика, что нагрев за счет электропроводности ста­ новится малоэффективным. Однако и здесь уже наме­ чаются некоторые перспективы. Следует думать, что к тому времени, когда удастся получать столь высокие температуры, будут разработаны эффективные способы дальнейшего нагрева высокотемпературной плазмы. Некоторые возможные способы ее нагрева мы рассмотрим ниже.

Плазма в современной технике

Плазма — источник света

В технике плазму начали использовать прежде всего как мощный источник света. Электрическая дуга, откры­ тая В. В. Петровым и приспособленная для целей осве­

щения П. Н. Яблочковым,— это по сути интенсивная плазма, нагреваемая проходящим через нее электриче­ ским током. Такая дуга с угольными электродами при­ меняется и до настоящего времени в качестве источника света в прожекторах и кинопроекционных аппаратах. Однако следует признать, что наиболее яркий свет в угольной дуге испускает не сама плазма, а положитель­ ный электрод — анод, бомбардируемый быстрыми элек­ тронами.

Более «чистым» плазменным источником света яв­ ляется свечение плазмы в трубках с разрядом низкого давления. В этих трубках плазма создается путем про­ пускания электрического тока через газ, находящийся под давлением от нескольких тысячных до нескольких миллионных долей атмосферы. Плазма, образующаяся в таком разряде, будет неизотермической — температура входящего в ее состав электронного газа может дости­ гать сотни тысяч градусов. И это несмотря на то, что температура находящегося в той же трубке обычного газа лишь едва превосходит комнатную! Электроны, об­ ладающие столь высокой температурой, могут создавать, конечно, весьма интенсивную ионизацию и возбуждение атомов газа. Возбужденные атомы испускают кванты света, которые и используются для освещения.

Примером такого источника света могут служить рек­ ламные газосветные трубки, наполненные неоном или аргоном. В практике для освещения применяются газо­ светные трубки низкого давления, наполненные парами натрия, которые дают яркий желтый свет, соответ­ ствующий характерной желтой линии в спектре этого элемента. Хотя натриевые лампы были изобретены около тридцати лет тому назад, они до сих пор остаются самым экономичным источником света. Однако, несмотря

20

на свою экономичность, они, как и другие газосветные лампы низкого давления, не нашли широкого примене­ ния в светотехнике. Дело в том, что спектр излучения га­ зосветных ламп всегда состоит из отдельных спектраль­ ных линий. Все предметы, освещаемые такими лампами, приобретают необычный и неприятный цвет, глаза от этого света быстро устают и человек теряет работоспо­ собность. Кроме того, у большинства веществ, пригодных для наполнения газосветных ламп (пары ртути, инерт­ ные газы), наибольшая интенсивность излучения при­ ходится не на видимый свет, а на ультрафиолетовую об­ ласть. В некоторых случаях это свойство полезно (на­ пример, в медицинской кварцевой лампе), но для источ­ ника видимого света оно не только не нужно, но да­ же вредно.

Получить от газосветного источника доброкачествен­ ный свет, приближающийся по своему спектральному составу к солнечному, можно двумя способами. Первый способ — люминесцентная лампа. Известно, что многие вещества под действием ультрафиолетового света начи­ нают испускать видимый свет. Это явление носит назва­ ние люминесценции. При люминесценции мощный ультра­ фиолетовый квант как бы разменивается на более мел­ кие кванты видимого света. Эти кванты-«осколки» могут быть различной величины, так что спектр, испускаемый люминофором, имеет уже вид не узкой спектральной линии, а широкой полосы. Он более приятен для глаза. Общий цвет люминесценции зависит от выбора вещест­ ва-люминофора, и при соответствующем подборе смеси люминофоров можно синтезировать белый свет, прибли­ жающийся к дневному.

В люминесцентной лампе стенки баллона покрывают­ ся изнутри люминофором, дающим белый свет, сама же

лампа наполняется смесью аргона и паров ртути. Излу­ чаемые плазмой ультрафиолетовые кванты, попадая на люминофор, «размельчаются» на кванты видимого бело­ го света. Люминесцентные лампы в несколько раз эконо­ мичнее обычных лампочек накаливания — при том же потреблении электрической энергии они дают в несколь­ ко раз больше света. Замена ламп накаливания люминес­ центными — задача ближайших лет.

Второй способ создания хороших газосветных источ­ ников основан на том, что плазма высокого и сверхвы­ сокого давления (при давлении газа в десятки и сотни атмосфер) по своим излучательным способностям при­ ближается к раскаленному твердому телу. Спектр излу­ чения такой плазмы уже не линейный, а сплошной и близок к спектру солнечного света. Особо хорошими свойствами отличаются ксеноновые лампы сверхвысокого давления, которые почти полностью имитируют солнеч­ ный свет. К сожалению, такие лампы дорого стоят и срок службы их короток. Поэтому применение их пока весьма ограниченно.

Замечательным источником света, созданным в пос­ ледние годы, является оптический квантовый генератор или, как его иногда называют, лазер.

В обычных газосветных лампах каждый возбужден­ ный атом испускает свой квант света практически неза­ висимо от других атомов. Поэтому излучение происходит равномерно во все стороны, а фазы световых волн, излу­ чаемых различными атомами, не совпадают друг с дру­ гом. Эти атомы можно уподобить совокупности перио­ дически мигающих лампочек, которые, однако, мигают не в такт друг с другом. Издали их свет, несмотря на то, что каждая из лампочек мигает, будет сливаться в единое ровное сияние.

22

Подобное излучение называется некогерентным. Неко герентным является излучение любого раскаленного тела, а также всех других источников света, которые были известны физике до последнего времени. Некогерентность света вызывает значительные трудности при демон­ страции его волновых свойств и является основной при­ чиной невозможности создания тонких узконаправленных световых лучей, подобных тем, которые будто бы мог испускать фантастический гиперболоид инженера Гарина.

Вместе с тем известно, что если возбужденный атом подвергается облучению светом с длиной волны, близкой к той длине волны, которую способен испустить сам воз­ бужденный атом, то последний испускает свет в том же направлении, с той же длиной волны и с той же фазой, что и облучающий его свет. Внешнее освещение побуж­ дает возбужденный атом высвечиваться, и при этом атом как бы «подстраивается» в такт внешней силе. Это явле­ ние называется вынужденным излучением; его теорети­ чески предсказал Эйнштейн еще в 1916 г., после чего оно было вскоре экспериментально обнаружено.

Можно себе представить, как световой квант, попа­ дая в среду, где есть возбужденные атомы, вызывает один за другим ряд актов вынужденного излучения; воз­ никшие кванты в свою очередь порождают новые акты вынужденного излучения, и в среде возникает лавина движущихся в одном и том же направлении квантов света, создающих излучение со строго одинаковыми дли­ ной волны и фазой. Вынужденное излучение оказывается тем фактором, который «организует» излучение всей совокупности возбужденных атомов. Получающаяся вспышка излучения будет нести в себе теперь уже коге­ рентный свет.

23

На возможность создания такого источника света указывал еще в 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант. Однако для воплощения в жизнь его проекта была необ­ ходима очень большая концентрация возбужденных ато­ мов и движущихся в строго заданном направлении оди­ наковых квантов света. Поэтому реализовать эту идею смогли лишь двадцать лет спустя. Созданный прибор получил название лазера !.

Рабочим веществом лазера, то есть средой, в которой создаются возбужденные атомы, может быть кристалл (чаще всего применяется рубин) или газ. Атомы рабо­ чего вещества возбуждают, облучая его светом с опре­ деленной длиной волны, которая этим веществом больше всего поглощается. Так, например, рубин свободно про­ пускает красные лучи, но сильно поглощает лучи зелено­ го цвета. Потому его следует облучать именно зеленым светом. Если рабочее вещество — газ, то его атомы можно возбудить, приводя газ в состояние неизотерми­ ческой плазмы. Обычно это осуществляется путем за­ жигания в газе электрического разряда. Свободные плазменные электроны, обладающие высокой темпера­ турой, соударяются с атомами газа и, отдавая им свою энергию, забрасывают внешние электроны атомов на высшие энергетические уровни. Получившиеся возбуж­ денные атомы будут готовы излучать кванты либо само­ произвольно (тогда излучение получится некогерент­ ным), либо вынужденно, под действием внешнего стиму­ лирующего кванта. В последнем случае излучение ока­ жется когерентным.

1 Слово «лазер» составлено из первых букв английского на­ звания того принципа, на основе которого работает этот прибор,— Light Amlifïcation by Stimulated Radiation (усиление света с помощью вынужденного излучения).

24

Работа лазера начинается с того, что какой-либо воз­ бужденный атом (а) самопроизвольно испускает квант света. Двигаясь в рабочей среде, этот квант вызывает излучение других возбужденных атомов, причем новые кванты движутся теперь в том же направлении, что и первоначальный, и вызывают все новые и новые акты вынужденного излучения. Образовавшаяся лавина кван­ тов достигает зеркала, отражается от него и вновь про­ ходит через рабочую среду в обратном направлении, по­ путно вызывая новые акты излучения и все более и бо­ лее разрастаясь.

Отразившись от второго зеркала, лавина квантов пойдет обратно, и так это будет повторяться много раз. Если первоначальный квант двигался не строго перпен­ дикулярно к зеркалу (в), то вызванная им лавина рано или поздно после ряда отражений дойдет до края одно­ го из зеркал и оборвется, уйдя в свободное пространство. Только квант, движущийся строго перпендикулярно к зеркалам (а или с), способен вызвать лавину излучения, которая будет отражаться от зеркал бесконечное число раз, непрерывно возрастая при этом.

Для вывода излучения из лазера одно из зеркал де­ лается обычно полупрозрачным, то есть пропускающим сквозь свой отражающий слой некоторую небольшую часть падающего света. Эта потеря квантов ограничива­ ет бесконечное нарастание лавины. Свет, вышедший из лазера, является строго когерентным и узконаправлен­ ным. Угол расхождения луча лазера может составлять всего несколько угловых секунд, тогда как угол расхо­ ждения лучших прожекторов — в несколько сот раз больший.

Но такая узконаправленность дается нелегко. Газо­ вый лазер работает успешно лишь в том случае, если зер­

26

кала его поставлены параллельно друг другу с точностью до нескольких угловых секунд, а отклонение поверхности зеркал от идеальной плоскости не превышает сотых долей микрона. Редко где в оптике приходится иметь дело с тре­ бованиями столь высокой точности!

Рубиновый лазер обычно работает импульсно: при облучении источником зеленого света количество воз­ бужденных атомов в нем накапливается. Когда концен­ трация их достигнет некоторого критического уровня, на­ чинается процесс вынужденного излучения, и вся накоп­ ленная энергия выбрасывается в виде короткой световой вспышки красного цвета длительностью 10-4—10“ 3се/с. Мощность светового излучения при этом весьма велика и доходит до 100 кет *.

Плазменный лазер в отличие от лазера на твердом теле может излучать свет непрерывно. Правда, мощность при этом невелика — всего несколько сотых или тысяч­ ных долей ватта. Зато плазменный лазер обладает по сравнению с рубиновым иными серьезными преимуще­ ствами— его излучение значительно более узконаправ­ ленно и более когерентно. Длина волны, излучаемая плазменным лазером, отклоняется от «стандарта» не бо­ лее чем на 10-9% (тогда как естественная ширина обыч­ ных спектральных линий светящихся газов составляет

Ю~3%).

Пока что трудно предсказать все возможности прак­ тического применения лазеров — они только вышли из физических лабораторий и делают первые шаги на тех­ ническом поприще. Но уже сейчас их успешно приме­ няют для резания и сварки тугоплавких веществ, уско-

рения химических реакций, даже для проведения хирур­ гических глазных операций. Лазеры предполагается использовать для дальней связи, в частности в условиях космоса, для поджига термоядерных реакций, для созда­ ния реактивной тяги в фотонной ракете. Может быть, не­ которые из этих идей окажутся неосуществимыми, но со­ вершенно очевидно, что беспрецедентные свойства лазе­ ров дают технике новое, до сих пор невиданное средство. С помощью его она сможет достичь таких результатов, которые раньше казались фантастическими.

Использование плазмы для получения высоких температур

Электрическая дуга, открытая В. В. Петровым, имела и другое замечательное свойство: на протяжении почти полутора веков она оставалась источником самых высо­ ких температур, доступных инженерам и физикам. В спе­ циальных дуговых печах химики и до сих пор получают соединения, требующие для своего изготовления темпе­ ратуры 2000—3000°К (карбиды, нитриды и др.). В плаз­ менном огне атомы инертных газов приобретают способ­ ность соединяться в молекулы типа Нег и НеЬ^. Дуго­ вые печи используются также для плавления железа, ни­ келя и других тугоплавких металлов.

Самое широкое применение в качестве источника вы­ сокой температуры плазма получила в дуговой электро­ сварке. Не вдаваясь в подробности этого хорошо извест­ ного технологического процесса, мы хотим только пере­ числить его разновидности: повсеместно применяемая сварка плавящимся электродом, разработанная акаде­ миком Е. О. Патоном электросварка под флюсом и, наконец, аргоново-дуговая сварка в защитной атмосфере аргона.

28