Файл: Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.pdf

ления интенсивности по сечению ла­ зерного луча. Поэтому редко бывает,

чтобы совпадали результаты измерений разных авторов для одного и того же газа и того же давления (иногда пороговые потоки раз­

личаются на порядок).

На рис. 2.2 приведены пороговые потоки для ряда молеку­ лярных и инертных газов, измеренные в работе Томлинсона, Да­ мона и Башера [4]. Измерения были сделаны на двух частотах с помощью рубинового и неодимового лазеров (А, = 6943 и 10600 А соответственно). Мощность импульсов достигала 5 Мет, длитель­ ность по полуширине 40 нсек, фокус линзы 5,5 см. Фокаль­ ное пятно для рубинового лазера было близко к кружку (оси 4,3-10_3 и 3,1 -10_3« , площадь 10-5 см2, а для неодимового пред­ ставляло довольно вытянутый эллипс с осями 13-10-3 и 3,4-10~3 см и площадью 3,5-10~6 см2. В целом из графиков видно, что на ча­ стоте неодимового лазера пробой происходит легче (о частотной зависимости подробнее речь пойдет ниже) и молекулярные газы имеют более высокие пороги, чем атомарные, причем пороги в них медленнее изменяются с давлением. В атомарных газах порого­ вые потоки убывают как Ир для неодимового лазера и как 1/р°>7 для рубинового (в исследованном интервале давлений). Очень показателен рис. 2.3 [4], на котором совмещены осциллограммы ряда импульсов, прошедших через область фокуса. Амплитуды импульсов последовательно уменьшаются. Видно, как пробой и поглощение наступают все позже и позже по мере ослабления

57

пиковой мощности и, наконец, при амплитуде ниже пороговой поглощение вовсе исчезает.

При исследовании зависимости порога от давления в диапазоне давлений от нескольких до двух тысяч атмосфер Гилл и Дугал [5] обнаружили минимумы порогов, как и при СВЧ-пробое. Измере­ ния были сделаны с рубиновым лазером мощностью до 30 Мет, длительностью 50 нсек (по половине мощности), диаметром фокуса 10~2 см. Результаты измерений показаны на рис. 2.4. Здесь поле Е амплитудное, а не среднеквадратичное. Вообще, в большинстве работ авторы не оговаривают, какое поле они рассчитывали, но в данной работе это явствует из приводимой расчетной формулы. На рис. 2.4 ясно видны минимумы. У гелия минимум широкий, центр его'приходится на давление 680 атм, минимальное порого­ вое поле 4-106 в/см. У аргона минимум острее, он лежит при 170 атм, величина поля меньше, 2,5-105 в!см. У азота минимум менее острый, лежит при 102 атм (4,4-106 в!см). Значения поро­ говых полей в общем согласуются по порядку величины с измере­ ниями Мейерэнда и Хота [1], но все же они в несколько раз мень­ ше.

S,8m/cMZ

58

Рис. 2.3. Зависимость мощности лу­ ча, прошедшего через фокус, от вре­ мени [4]

Рис. 2.4. Пороги пробоя рубиновым лазером [5]

W00 р,атм

Авторы объяснили свои результаты на основе классической фор­ мулы (1.7) для скорости нарастания энергии электронов в поле. Как и при СВЧ-пробое, минимум порогового поля примерно со­ ответствует максимальной скорости нарастания энергии электро­ нов, если рассматривать ее как функцию давления. В подразделе 6.3 уже говорилось о том, что максимум (deldt)Е, который появ­ ляется при равенстве круговой частоты поля и частоты столкнояёний, примерно совпадает по давлению с наблюдаемым минимумом порога СВЧ-пробоя. Оценки, сделанные таким же образом для частоты рубинового лазера и по данным об упругих сечениях ге­ лия и аргона, действительно дали разумное согласие с экспери­ ментом: для гелия по оценке 1450, для аргона 224 атм (необхо­ димо, конечно, иметь в виду, что при выборе эффективной частоты столкновений имеется некий произвол, особенно в случае аргона) х.

Минк и Радо [6] также наблюдали минимумы порогов и нашли, что в молекулярных газах (азоте, метане) пороги меняются с дав­ лениями медленнее, чем в инертных.

На рис. 2.5 приведены результаты измерения порогов пробоя ксенона, аргона и азота излучением неодимового лазера, получен­ ные Берквистом и Клеманом (длительность импульса 35 нсек,

1 Что касается попытки авторов объяснить пологость минимума у гелия и остроту у аргона соответственно пологостью и остротой максимумов кри­ вых зависимости упругого сечения от энергии электронов у этих газов, то с этим трудно согласиться. Это обстоятельство, как нам кажется, отно­ шения к делу не имеет.

59

но, как замедляется уменьшение порога при давлениях выше нескольких сотен торр. Пожалуй, это замедление сильнее, чем получалось у других авторов. Абсолютные значения порогов 17] согласуются с измерениями Томлинсона [81 в тех же газах на ру­

[9, 10] в области еще более низких давлений, до 20 тор, были про­ ведены с рубиновым лазером, длительность импульса 60 нсек, расходимость 1,4*10~3 рад, фокус линзы 1,8 см. Результаты пока­ заны на рис. 2.6. При самых низких давлениях порог начинает быстро расти, что связано с влиянием диффузионных потерь элек­

тронов. г Сравнительно низким порогом пробоя обладает хлор (лау till).

При атмосферном давлении на частоте рубинового лазера при дли­ тельности импульса 50 нсек, фокусе линзы 4,1 см порог равен 2,3■ 109 вт/см2, что в несколько десятков раз меньше, чем пороги для воздуха и инертных газов. Этот факт обращает на себя внима­ ние, так как потенциал ионизации у молекулы хлора довольно высок: 13,2 эв. Впрочем, чистота газа была не очень высокой,

99,5 %.

’Риццо и Клеве [12] исследовали пробой в парах ртути, рубидия

ицезия (рубин; площадь фокуса 5-10~4 см2), пороги в ртути ока-

Рис. 2.5. Пробой Аг, Хе, N2 излучением неодимовогоJ ла­ зера [7]

Рис. 2.6. Пороги пробоя криптона и ксенона [9] d

Лазер рубиновый

Е, 10Бд/см

60

зались сравнимыми с порогами в аргоне и гелии (рис. 2.7), а в слу­ чае цезия и рубидия световые потоки такого же порядка проби­ вают газ гораздо более низкой плотности. Авторы усматривают противоречие между результатами для щелочных металлов и лавинной теорией. По это и неудивительно: в газах со столь малыми

800 тор (см. раздел 8). Зависимость порога от давления изуча­ лась также в работах [14] (воздух, азот, гелий, аргон), [15] (ар­ гон), [16] (инертные газы), [54] (атомарные и молекулярные газы, выяснялась зависимость от потенциалов ионизации).

Пробой, вызываемый излучением лазера на углекислом газе, исследовали значительно позднее, чем пробой, создаваемый излу­ чением твердотельных лазеров, после того, как была замодулирована добротность газового лазера и получены достаточно мощные импульсы. Первое краткое сообщение о наблюдении факта пробоя импульсами газового лазера содержалось в статье Смита [17]. Первые измерения порогов для пробоя были сделаны в работе Н. А. Генералова, В. П. Зимакова, Г. И. Козлова, В. А. Масюкова и автора [18]. В непрерывном режиме лазер давал мощность до 70 вт. Добротность резонатора модулировалась при помощи вращающегося зеркала. В результате получались импульсы дли­ тельностью 0,3—1,5 мксек, с пиковой мощностью порядка 10 кет, следующие с частотой 50—250 гц. Через соляное окно излучение поступало в камеру с исследуемым газом и фокусировалось назад в середину сосуда сферическим зеркалом с фокусом 1,5 см. Радиус

кружка фокусировки составлял 4-10~3 см.

Пробой развивается за время порядка 0,1 мксек, и затем^большая часть излучения поглощается образовавшейся плазмой. Од­ новременно с поглощением происходит и частичное отражение све­ та от плазмы, а также возникает свечение, которое продолжается еще довольно долго после окончания светового импульса, однако затухает задолго до начала следующего. За порог пробоя прини­ малось начало появления редких видимых вспышек.

На рис. 2.8 показаны результаты измерения порогов для про­ боя ксенона, аргона, неона и гелия в интервале давлений от 2 до 25 атм. Порог в гелии несколько повышается, если газ хорошо очищен. Это, видимо, объясняется тем, что ионизации поглощен­ ного газа способствует передача энергии от возбужденных атомов гелия атомам примесей, которая идет на ионизацию последних. При пробое ксенона наблюдалось заметное отражение лазерного

= 10,6 мк величины: 1ДЗ-1019 11см3.

На рис. 2.8 явно видны минимумы порогового поля, хотя они выражены и не очень резко, ибо лежат вблизи границы исследован­ ного диапазона давлений. Оценка показывает, что положение ми-

61