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

Факт понижения порога пробоя при увеличении размеров об­ ласти фокусировки луча, в которой сосредоточено поле и где раз­ вивается пробой, казалось бы, свидетельствует о важной роли диффузионных потерь электронов. Однако прямые оценки показы­ вают, что электроны диффундируют слишком медленно и не успе­ вают покидать область фокуса, в особенности при высоких давле­ ниях. Авторы [23] предположили, что существуют некие «диффу­ зионноподобные» потери (как они их назвали), связанные с уходом

Рис. 2.12. Зависимость порогов от диффузионной длины [23]

Неодимовый лазер, р — 8,15 атм

возбуждения из области фокуса при диффузии резонансного из­ лучения. Надо полагать, что имеются в виду потери энергии, за­ пасенной в возбужденных атомах (в работе [23] говорится об этом очень кратко). Нам кажется сомнительным, чтобы такой механизм мог существенным образом повлиять на порог пробоя, так как по­ рог определяется скоростью развития лавины в самом начале это­ го процесса, когда электронов и возбужденных атомов еще очень мало и последние вообще не участвуют «в игре». Иными словами, судьба возбужденных атомов не может сказаться на величине порога.

Еще в работе [24] высказывалось предположение о том, что диффузионные потери действительно существуют и играют роль, но это диффузия электронов не из всей области фокуса, а из очень маленьких, «горячих» точек, в которых имеются повышенные ло­ кальные поля и где преимущественно развивается лавина. Дело в том, что распределение интенсивности по сечению лазерного луча весьма неравномерно и перепады интенсивности от одних точек к другим могут быть очень большими, в 10 и более раз. Это подтверждается и непосредственными измерениями, о чем речь пойдет в разделе 18. Распределение интенсивности в исходном луче подобным образом переносится и в область фокуса, т. е. там также имеются очень малые области с резко повышенным полем. Если уходить из всей области фокуса электроны не успевают, то выйти за пределы этих маленьких областей они могут успеть, и тогда это будет сказываться на скорости развития лавины.

Рис. 2.13. Пороги в гелии и аргоне [23J

Неодимовый лазер. Цифры около кривых Л, 10~3 см

р,тор

Рис. 2.14. Пороги|в аргоне и гелии на частотах рубинового (1) и неодимо­ вого (2) лазеров при Л = 2,4-10~3 см [23]

Е,1065/см

Рис. 2.15. Зависимость порогов в криптоне и ксеноне от фокусного расстоя­ ния линзы [9]

Лазер рубиновый, длительность импульса fi = 60 нсек

68

Надо сказать, что этот вопрос не проанализирован в достаточ­ ной степени, и высказанные соображения следует рассматривать как гипотезу.

Зависимость порогов от диаметра фокусного пятна изучалась [9, 10] при сравнительно низких давлениях. Результаты приве­ дены на рис. 2.15 (перейти от фокусного расстояния линзы к диа­ метру можно, зная расходимость их лазера 1 ,4-1 0 _3 рад).

Весьма ценными для теоретического исследования влияния размеров фокуса и диффузионных потерь на пороги пробоя яв­ ляются данные, полученные при помощи одномодового лазера, так как в этом случае получается гладкое распределение поля в области фокуса, лишенное случайных неоднородностей, что исклю­ чает неопределенности в величине полей. Измерение порогов с од­ номодовым лазером было сделано Смитом и Томлинсоном [25], Янгом и Херчером [16] и более детально в работе Алкока, Де Михелиса и Ричардсона [26]. В этой работе одномодовый рубиновый лазер давал очень слабо расходящийся световой пучок с гладким, почти гауссовым распределением интенсивности по углу, т. е. по сечению. Угловая расходимость по уровню 1/е от максимальной интенсивности составляла 0,63 ЛО- 3 рад. Фокусировка этого из­ лучения линзами с фокусами от 13 до 1 см позволила далеко про­ двинуться в сторону малых размеров фокуса, вплоть до Х ^ З х XIО" 4 см, что почти на порядок меньше, чем в работе [23] (X вы­ числялось по той же формуле). На рис. 2.16 показаны измерен­ ные пороги в аргоне при двух давлениях. Эти данные неплохо

ных давлениях и одинаковом фокусе линзы для пробоя одномодо­ вым и многомодовым лазерами. Результаты измерений порогов, сделанных с одномодовым лазером, очень удобны для сопостав­ ления с теоретическими расчетами, так как здесь распределение поля в области фокуса заведомо гладкое, без сильных неоднород­ ностей, которые характерны для многомодовых лазеров. В работе [26] также обсуждается возможность проявления эффектов само­ фокусировки лазерного излучения, разумеется, после того, как произошел пробой и образовалась плазма.

При пробое газов излучением лазера на углекислом газе наб­ людается такая же зависимость порога от диаметра, как и в случае рубинового или неодимового лазеров [20]. В этой работе был из­ мерен и порог для пробоя атмосферного воздуха на длине волны X = 10,6 мк. Лазер генерировал импульсы длительностью 200 нсек с пиковой мощностью более 1 Мет и расходимостью по половине мощности приблизительно 4,5 -ь 2,5-10- 3рад. Выше уже отмечалось, что для пробоя излучением лазера на углекислом газе необходим какой-то источник первых электронов. В этих опытах предварительную ионизацию обеспечивали примеси, по­ падающие в газ со стенок камеры, облученных самим лазерным

69

Е , 8/см

4, см

импульсом. В лабораторном воздухе первые электроны появля­ лись от каких-то присутствующих в нем загрязнений. Когда че­ рез область фокуса продували сухой азот, пробой никогда не воз­ никал, даже при максимальной интенсивности, которую мог дать лазер и которая превышала 1 0 10 вт1см2.

На рис. 2.18 показаны результаты измерений порогов в воз­ духе, аргоне, гелии при нескольких диаметрах фокуса. Пороги в гелии при 1 атм практически совпадают с порогами в аргоне при 1 атм, поэтому соответствующая кривая не проведена на рисунке.

Л. Е. Вардзигулова, С. Д. Кайтмазов и А. М. Прохоров [27] наблюдали понижение порога пробоя при наложении внешнего магнитного поля 200 кэ параллельно оси светового луча. Они свя­ зывают этот эффект с уменьшением влияния диффузионных потерь электронов, так как ларморовский радиус в таком поле, равный 10 5 cat, меньше длины свободного пробега. Однако Эдварс и Литвак [28] при поле 100 кэ и Чейн, Де Михелис и Кронаст [29] при

70

рогов для оптического пробоя газов были сделаны с лазерами, ра­ ботающими в режиме модулированной добротности. Длительности гигантских импульсов твердотельных лазеров в разных установ­ ках и у различных авторов варьируются обычно в пределах от 15—20 до 50—ВО нсек. Гигантские импульсы газовых лазеров на углекислом газе длятся дольше, 0,2—1,5 мксек (т. е. 200— 1500 нсек). В случае твердотельных лазеров прямых исследова­ ний влияния длительности импульса на порог при прочих равных условиях, пожалуй, не было Г Сравнивать данные по импульсам разной длительности, полученные на разных установках и раз­ ными авторами, довольно трудно. Все же из сопоставления, повидимому, можно сделать заключение о том, что при увеличении длительности импульса пороги несколько снижаются. Это вполне укладывается в представления о нестационарном характере раз­ вития лавины и критерия пробоя при малых длительностях им­ пульсов (см. подраздел В.2).

Прямое исследование влияния длительности было сделано в ра­ боте Смита [20] с газовым лазером. Гигантский импульс имел дли­ тельность 2 0 0 нсек, а импульс, прошедший через фокус в услови­ ях, когда воздух в фокусе пробивался, имел длительность 50 нсек. Пробой наступал как раз через это время, а после пробоя образо­ вавшаяся плазма почти полностью поглощала остальную часть импульса. Этот укороченный импульс и использовался для про­ боя. Измерения порогов с импульсами 200 и 50 нсек по длитель­ ности при всех прочих одинаковых условиях показали, что порог для пробоя не зависит от длительности импульса и определяется только его мощностью. Это свидетельствует о «стационарном» характере пробоя при столь больших длительностях воздействия поля. Порог определяется условием баланса между нарастанием энергии электронов и потерями (см. подраздел 6 .2 ).

Имеется опыт М. П. Ванюкова, В. И. Исаенко, В. В. Люби­ мова, В. А. Серебрякова и О. А. Шорохова [30], в котором наблю­ дался пробой атмосферного воздуха излучение^ неодимового лазера, работающего в режиме свободной генерации при дли­ тельности 0,8—1,2 мсек. Пробить воздух столь длинным импуль­ сом удалось потому, что лазер давал очень большую энергию, 800—1400 дж, так что средняя мощность была 1—2 Мет. Луч фокусировался линзой с / = 10 см. Авторы говорят, что поток в фокусе был (1 —3 ) - 1 0 9 вт/см, чему соответствует диаметр круж­ ка фокусировки примерно 4* 10—2 см. Надо сказать, что указан­ ный поток значительно меньше, чем пороговая величина для атмосферного воздуха в случае гигантского импульса 5 *10г 0 вт!см21

1 Резко различающиеся длительности сравнивали Вэнг и Дэвис [53]; см. конец раздела 9.

71

[3]. Вероятнее всего, пробой возникает потому, что импульс

ми» промежутками. Пички имеют длительность порядка 1 мксек и пиковую мощность, в несколько раз превышающую среднюю величину. Известно, что мощности отдельных особо энергичных пичков могут превышать среднюю мощность даже в десятки раз, и, видимо, они-то и пробивают воздух. (О пробое плотных газов

эффект обнаружили Смит и Хот [31]. Изучая пробой аргона при давлении 5,2-104 тор излучением неодимового лазера, они заме­ тили, что небольшая добавка к нему неона заметным образом понижает порог для пробоя. Так, при размерах фокуса, характе­

жался до 1,9-10е в/см и оставался неизменным при увеличении содержания неона в смеси до 20%. Это казалось тем более стран­ ным, что порог у чистого неона выше, чем у аргона, т. е. смесь пробивалась легче, чем любой из компонентов.

Можно было бы предположить, что добавка неона, не обла­ дающего рамзауэровским минимумом упругого сечения для элек­ тронов, заполняет таковой у аргона, что увеличивает скорость набора энергии электронов в поле при столкновениях с атомами. Однако при добавлении в аргон гелия или азота, также не обла­ дающих рамзауэровским минимумом, порог не уменьшался. В смесях аргона с гелием порог монотонно изменялся от более низкого для чистого аргона до более высокого для чистого гелия.

Существенно, что добавка неона понижала порог в аргоне только при давлении выше 5*1 0 3 тор (рис. 2.19), причем тем силь­ нее, чем больше давление. Такое давление как раз соответствует примерному совпадению времени между столкновениями атомов и постоянной времени развития лавины, т. е. атом-атомные столк­ новения могут сказываться на развитии лавины только при более высоких давлениях. Это обстоятельство заставило авторов [31] предположить, что понижение порога связано именно со столк­ новениями атомов неона и аргона.

Смит и Хот истолковали наблюдаемый эффект понижения по­ рога, считая, что добавление неона к аргону уменьшает «диффу­ зионноподобные потери», о которых уже говорилось в подраз­ деле 7.3.

Уменьшение потерь они непосредственно связывают с эффек­ том, происходящим при электрическом пробое в смеси Пеннин­ га. Смесь Пеннинга состоит из неона с небольшой примесью арго­

72