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

Ч А С Т Ь It

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАЗРЯДОВ И ПОДДЕРЖАНИЕ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

19.Механизмы распространения и аналогия с горением

Водной из ранних работ, посвященных лазерной искре, был обнаружен интереснейший эффект (Рэмсден и Дэвис [1]). Фронт плазмы, образующейся первоначально в области фокуса линзы, где происходит первичный пробой газа, в течение продолжающегося лазерного импульса быстро двигался вдоль светового канала на­ встречу лучу (рис. 6.1). О движении фронта можно было судить, рассматривая фоторазвертку процесса, полученную при помощи высокоскоростной фотографии (рис. 6.2). О движении свидетельст­ вовал и допплеровский сдвиг частоты лазерного излучения, рас­ сеянного от фронта под прямым углом. Оба метода указывали на то, что граница плазмы движется навстречу лучу со скоростью порядка 100 км/сек.

Для объяснения этого эффекта и оценки скорости Рэмсден и

Савич [2] выдвинули идею о «светодетонационной» волне. Суть дела состоит в следующем. От места, где происходит поглощение лазер­ ного излучения в плазме и интенсивно выделяется тепло, по газу распространяется сильная ударная волна. В ударной волне газ нагревается, ионизуется и приобретает способность поглощать ла­ зерное излучение. Следовательно, во все новых и новых слоях газа, примыкающих к фронту ударной волны и находящихся в поле лазерного излучения, выделяется энергия излучения, и эти слои последовательно становятся источниками поддержания ударной волны. Так ударная волна, двигаясь вдоль светового канала на­ встречу лучу, все время поддерживается и не затухает.

Распространяясь в боковых направлениях, поперечных лучу, ударная волна выходит за пределы светового канала и, лишенная «поддержки» энерговыделением, постепенно ослабевает. Что каса­ ется направления вдоль светового канала, но по лучу, то здесь ударная волна либо вовсе не поддерживается излучением, либо поддерживается заметно слабее, чем в направлении навстречу лучу. Это связано с тем, что лазерное излучение хорошо поглощается плазмой и довольно тонкий слой ее (он зачернен на рис. 6.1) уже

148

ным образом для того, чтобы совершить «непрерывный переход» от первой части книги ко второй. В последующих главах будут рас­ смотрены совсем другие явления и устройства, поэтому анализу во многом несхожих конкретных явлений целесообразно предпослать некий общий обзор объединяющих их основных особенностей.

В любых процессах, именуемых «разрядами», газ, находящийся во внешнем электрическом или электромагнитном поле, пребывает в ионизованном состоянии. Плазменное состояние вещества явля­ ется не только следствием выделения в нем электромагнитной энер­ гии, но и причиной диссипации поля, ибо неионизованные газы не проводят электрический ток и, как правило, не поглощают элек­ тромагнитные излучения в широких спектральных диапазонах, вплоть до далекого ультрафиолетового.

По признаку частоты поля принято различать разряды в пос­ тоянном (или слабопеременном) электрическом поле, высокочас­ тотные (масштабом частот которых служит мегагерц), сверхвысоко­ частотные (гигагерц). Дополним этот перечень понятием «оптического»разряда, имея в виду те же эффекты диссипации (поглощения) в плазме излучений оптического диапазона и поддержания за этот счет состояния ионизации в газе. Термин этот, быть может, еще не получил широкого распространения, но в данном случае он вполне отвечает существу дела, ибо все эффекты, которые будут рассмат­ риваться ниже, являются общими для различных частот электро­ магнитного поля, включая и оптические.

Любым разрядам свойственна тенденция к распространению. Действительно, всегда имеются механизмы передачи энергии от разрядной плазмы к окружающим холодным слоям газа, что спо­ собствует ионизации последних. Таковы, например, нагревание ударной волной (о чем уже говорилось), теплопроводностью или тепловым излучением плазмы, сопровождающееся термической ионизацией, непосредственная ионизация атомов тепловым излу­ чением плазмы или возбуждение их с последующей ионизацией. Если вновь ионизованные слои находятся в достаточно сильном поле, в них также выделяется энергия, она передается дальше, ионизация охватывает последующие слои и т. д. Иными словами, разряд распространяется по веществу. Заметим, именно по ве­ ществу; только в этом смысле мы и будем говорить о «распростра­ нении». Вовсе не обязательно, чтобы граница плазмы перемеща­ лась также и в пространстве. Вполне возможна ситуация, когда газ протекает через неподвижный разряд, т. е. эффект распростра­ нения присутствует, а движения границы в пространстве нет.

Такая, обращенная, картина распространения разрядов фигу­ рирует в плазмотронах — устройствах, предназначенных для непрерывной генерации плотной плазмы с помощью разрядов. В этих устройствах холодный газ непрерывным потоком проду­ вают через область, в которой горит стационарный разряд, и газ вытекает из нее в виде плазменной струи, чаще всего атмосферно­ го давления. На практике используются плазмотроны трех типов,

150

соответственно частотным характеристикам применяемого раз­ ряда. В дуговом плазмотроне дуговой разряд горит между двумя электродами, подчас сложной геометрии (рис. 6.3, а). В высокоча­ стотном — внутри катушки-индуктора, по которой пропускают ток высокой частоты; разряд поддерживается индуцированными вихревыми токами (см. рис. 6.3, б). В сверхвысокочастотном энер­ гия подается к разряду с помощью электромагнитной волны, бегущей по волноводу (см. рис. 6.3, б) Как мы увидим, возможно создание и оптического плазмотрона, в котором энергия подается к плазме световым лучом, причем для этого имеются не только теоретические, но и экспериментальные основания — уже был получен на опыте непрерывно горящий оптический разряд, под­ держиваемый в течение сколь угодно длительного времени лазер­ ным излучением.

Разумеется, тенденция к распространению реализуется толь­ ко при надлежащих условиях. Если, скажем, сильное поле лока­ лизовано в ограниченной области, через которую нет потока газа, или интенсивность поля достаточна только для компенсации потерь энергии из данной массы плазмы, но уже недостаточна для превращения в плазму новых слоев газа, разряд не распростра­ няется. В этих случаях происходит не генерация, а лишь поддер­ жание электромагнитным полем плазменного состояния в опреде­ ленной массе. Такие разряды в отличие от распространяющихся будем называть «статическими». Большинство разрядов, которые встречаются в повседневной практике, являются статическими, например разряды в замкнутых трубках или сосудах.

151

Существенно, что для поддержания плазмы в незатухающем статическом разряде и для распространения разрядов требуются сравнительно небольшие поля, во всяком случае гораздо меньшие тех, которые необходимы для пробоя газа. Это, конечно, предпо­ лагает применение посторонних средств для первоначального инициирования разряда, но, с другой стороны, открывает больше возможностей для управления разрядами, чем при пробое, кото­ рый вспыхивает самопроизвольно, стоит полю превысить порого­ вое значение.

Распространение разрядов подчиняется закономерностям, в не­ которых отношениях являющимся общими независимо от характе­ ра поля или движущего механизма. Эффект часто можно рассмат­ ривать как распространение некоей волны. Основная задача теории — вычисление скорости распространения и параметров обра­ зующейся плазмы — принадлежит при этом к классу задач тео­ рии «режимов», которая охватывает волны многих типов: горения, детонации, лучистого охлаждения и др. [3—5]. Статический раз­ ряд в известном смысле также включается в эту схему: он пред­ ставляет собой предельный случай «распространения» с нулевой скоростью. Мы увидим, что при постепенном уменьшении прило­ женного поля скорость распространения монотонно уменьшается до нуля. Кстати сказать, отвечающая нулевой скорости величина поля служит «порогом», необходимым для стационарного поддер­ жания плазмы в разряде данного типа. При меньших полях ста­ ционарное существование разряда оказывается невозможным — плазма распадается из-за потерь энергии.

Вообще существует глубокая физическая и математическая аналогия между процессами распространения разрядов при вы­ делении в плазме энергии поля и горением, связанным с выделе­ нием энергии химической. Физическая причина аналогии коре­ нится в сходном характере температурной зависимости основных факторов, которыми определяются скорости выделения энергии в веществе в обоих случаях — скорости химической реакции при горении и степени ионизации в разрядных явлениях.

Химические реакции в горючих смесях совершенно не идут при обычных температурах и резко ускоряются при нагревании.

ростей оказывается чрезвычайно сильной. Когда смесь поджи­ гают в каком-либо месте, передача тепла от горячих продуктов сгорания к еще не реагировавшим слоям ведет к воспламенению последних, и волна горения распространяется по веществу. При этом возможны два основных механизма нагревания исходной смеси и соответственно два механизма распространения горения: детонация и медленное горение.

162

В первом случае смесь нагревается до воспламенения ударной волной, за которой непосредственно следует зона, где протекает

в сжатом ударной волной газе при плотности, превышающей плот­ ность исходной смеси (при высоком давлении). Во втором случае теплопередача осуществляется медленным механизмом тепло­ проводности, пламя распространяется с дозвуковой скоростью, процесс идет при почти постоянном давлении, т. е. в зоне горения, где температура высока, плотность значительно меньше плотно­ сти холодной смеси.

Подобно скоростям химических реакций, степень ионизации очень резко возрастает с повышением температуры, при неболь­ ших ионизациях — также по закону больцмановского типа ехр (— 1/2кТ), где I — потенциал ионизации атомов или молекул. Энергия внешнего поля выделяется в газе в виде джоулева тепла токов или в результате поглощения излучений 1 только при до­ статочно высокой ионизации. В данном случае также уместно говорить о температуре «воспламенения», вернее, температуре «ионизации», ибо в силу чрезвычайной резкости нарастания ио­ низации с температурой температура, при которой начинается заметная диссипация поля, фиксируется с достаточной степенью определенности. Обычно эта величина лежит в пределах 5000— 12 000° К, в зависимости от рода газа и частоты поля.

Основные (но не единственные) механизмы распространения разрядов — теплопроводность и ударная волна — совпадают с теми, которые осуществляют распространение горения. Этому соответствуют режимы распространения разрядов, аналогичные медленному горению и детонации. Об одном из них, «детонацион­ ном», уже упоминалось в начале этого раздела. Кстати сказать, световая детонация — это единственный изученный вариант ре­ жима такого типа. Эффектов типа медленного горения много. Сюда относятся и соответствующий режим лазерной искры, и про­ цессы, которые протекают в плазмотронах, и некоторые другие процессы. Более всего сходны с настоящим горением равновесные теплопроводностные режимы распространения разрядов, которые наблюдаются при высоких давлениях порядка атмосферного и выше (в частности, в плазмотронах). При высоких давлениях со­ стояние плазмы близко к термодинамически равновесному и газ приходит в движение, как и при распространении пламени.

Наблюдаются режимы распространения разрядов, в которых газ неподвижен и распространение плазменного фронта имеет характер волны ионизации. Это происходит при низких давлениях или при небольших степенях ионизации, когда энергия, которая первоначально выделяется в электронном газе, либо не успевает

1 Какой из этих терминов является более естественным, зависит от того, классический или квантовый характер имеет процесс диссипации элект­ ромагнитного поля.

153

передаваться газу тяжелых частиц, либо недостаточна для его нагревания, газ остается холодным и потому не приходит в дви­ жение. Возможны механизмы распространения разрядов и от­ личные от обычной атомарной или молекулярной теплопровод­ ности: электронная теплопроводность, перенос теплового излу­ чения плазмы, диффузия резонансного излучения.

Мысль о сходстве теплопроводностного механизма распростра­ нения плазменного фронта в поле с процессом медленного горения,

впостоянном однородном электрическом поле, движимой меха­ низмом электронной теплопроводности. Работа эта была сделана

всвязи с опытами 10. М. Волкова’ [7] (1965), в которых наблю­

далось радиальное расширение цилиндрического канала разряда между двумя электродами, причем расширение было явно не гид­ родинамического происхождения. В 1968 г. [8] была подмечена далеко идущая аналогия между механизмом превращения холод­ ного газа в плазму в безэлектродном высокочастотном плазмот­ роне и горением в обычной химической горелке. На этой основе

была построена теория распространения разряда и теория плаз­ мотрона.

В опытах Ф. В. Бункина, В. И. Конова, А. М. Прохорова и В. Б. Федорова [9] (1969 г.) было обнаружено медленное рас­ ширение лазерной искры (со скоростями порядка десятков мет­ ров в секунду), существенно отличное от быстрого движения, которое всегда наблюдалось раньше. Авторы интерпретировали его как распространение лазерной искры в режиме медленного горения. Еще в 1961 г. Бест и Форд [10] описали явление, которое нередко наблюдается в СВЧ-передатчиках киловаттной мощности, работающих в непрерывном режиме. В волноводе, служащем для передачи СВЧ-мощности к антенне, внезапно вспыхивает локали­ зованный разряд, и плазменное образование бежит вдоль волново­ да по направлению к генератору. Этот эффект был объяснен только в 1971 г. на основе представлений о распространении разряда в режиме медленного горения [11]. Даже из этого далеко не пол­ ного перечня работ видно, сколь разнообразны явления, в кото­ рых наблюдается распространение разрядов, и сколь широк диа­ пазон приложений теории, включающей в себя аналогию с горе­ нием (см. также обзор [12]).

Все же аналогия между распространением разрядов и горе­ нием, впрочем как и всякая аналогия, справедлива лишь до опре­ деленных пределов. Главное и, надо сказать, принципиальное различие этих двух процессов состоит в следующем. При хими­ ческом горении в данной массе вещества может выделиться лишь ограниченное количество энергии, которое определяется тепло­ творной способностью горючего. По этой причине температура ПР°ДУКТ0В горения более или менее фиксирована. Соответственно фиксируются и величины скоростей детонации или медленного

154