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

Т ~ 20 000°, 0 ж 0,18 кет/см). Пороговая мощность получилась равной Pt ^ 4 3 вт. Для иллюстрации пунктиром показаны нереализующиеся неустойчивые решения, которым соответствуют меньшие радиус плазмы и температура в центре; при Р = Pt оба решения, устойчивое и неустойчивое, вырождаются в одно.

27.3. Эксперимент. Мощность, необходимая для поддержания оптического разряда в атмосферном воздухе, скажем прямо в ком­ нате, довольно велика, по расчету примерно 3 кет. В то время, когда ставились первые эксперименты, лазеров такой мощности практически не было, и, естественно, необходимо было выбрать более легкие для осуществления эксперимента условия. Что нужно для того, чтобы зажечь разряд при небольших лазерных мощно­ стях, с очевидностью вытекает из качественных представлений о характере процесса.и. видно из формулы (7.3). Пороговая мощ­ ность тем меньше, чем больше плотность газа (так как при этом свет лучше поглощается) и чем меньше его теплопроводность (меньше вынос тепла из области разряда). Таким образом, легче всего зажечь разряд в малотеплопроводных газах, таких, как тя­ желые инертные, и при повышенных давлениях.

Непрерывно горящий оптический разряд, поддерживаемый сфо­ кусированным лучом лазера на углекислом газе, был впервые получен в 1970 г. в работе Н. А. Генералова, В. П. Зимакова, Г. И. Козлова, В. А. Масюкова и Ю. П. Райзера [3]. Луч лазера на углекислом газе мощностью всего лишь 150 вт подавался в камеру, наполненную ксеноном, под давлением в несколько ат­ мосфер. Луч фокусировался в середине свободного объема вдали от всех поверхностей в кружок радиусом 5 -10'3 см. Для поджи­ гания разряда служил другой лазер на С02, который давал перио­ дические ^импульсы мощностью 10 кет, длительностью 1 мксек, с частотой следования 100 гц. При фокусировке этих импульсов в газе происходил пробой и появлялась начальная плазма. Фо­ кусы обоих лазеров тщательно совмещались. После инициирова­ ния поджигающий лазер отключался, а разряд, питаемый лучом непрерывно работающего лазера, продолжал гореть, при опреде­ ленных условиях очень стабильно и сколь угодно долго. Надо сказать, что вопрос о способе инициирования разряда не имеет принципиального значения, зажечь разряд удается различными, притом гораздо более простыми способами, что и делалось в даль­ нейших экспериментах.

Свойства непрерывного оптического разряда исследовались [4] с более мощным лазером. На рис. 7.3 показана фотография раз­ ряда, сделанная через окно камеры. На рис. 7.4 приведена серия фотографий увеличенного изображения разряда при различных мощностях света и давлениях газа (ксенона). Плазменное образо­ вание имеет размеры порядка миллиметра, тем большие, чем выше мощность. Разряд всегда начинается в фокусе, где происходит поджигание, затем несколько смещается вдоль луча навстречу световому потоку и останавливается. Измеренные скорости рас-

230

ном расположении светового луча разряд теряет стабильность и гаснет. Это связано с влиянием архимедовой силы, под действием которой плазма всплывает и выходит из области интенсивного поля. Возможно, здесь сказывается и влияние конвективных га­ зовых потоков. Вертикальная подача питающего излучения снизу вверх надежно стабилизирует разряд и снимает верхнюю по давлению границу его устойчивого существования. В этом случае плазма, всплывая вверх, попадает в область более интен-

сивного светового поля и снова разрастается, смещаясь вниз по лучу, так что разряд становится устойчивым.

На рис. 7.5 показаны измеренные пределы для существования устойчивого горения при горизонтальной подаче лазерного из­ лучения в аргоне и ксеноне. Нижние ветви соответствуют обычно­ му порогу, определяемому потерями, верхние — пределу устой­ чивости. Область устойчивого горения заключена между верхней и нижней кривыми. При вертикальной подаче излучения верхних кривых нет, остаются только нижние, и разряд горит при любом высоком давлении. Видно, что при повышении давления порог (по потерям) понижается, причем сначала резко, а потом очень мед­ ленно. Такое поведение порога очень похоже на то, которое на­ блюдалось в опытах [90] по поджиганию разряда в импульсном режиме (см. подраздел 23.1). И причины эффекта здесь, по-види­ мому, те же самые. При низких давлениях преобладают теплопроводностные потери и пороговая мощность уменьшается с ростом давления в соответствии с формулой (7.3). При высоких же дав­ лениях преобладают потери на излучение, которые возрас­ тают с давлением примерно так же, как и поглощение лазер­ ного излучения. Поэтому соотношение тепловыделения и потерь становится слабо зависящим от давления.

В работе [4] определялась температура плазмы. По штарковскому уширению — линии водорода измерялась плотность электронов. В аргоне при давлениях 4—16 атм полуширина линии составляла 100—130 А, чему соответствует плотность электронов

5-1017 i /см3. При р = 2 атм 3,5«Ю17 1 /см,3. В предположе­ нии существования термодинамического равновесия этим значе­

232

ниям отвечает температура 23 000°. Легко видеть, что измеренная плотность электронов соответствует почти полной однократной ионизации газа и диапазон возможных вариаций температуры

сучетом различия температур электронов и ионов весьма огра­ ничен. Непосредственная оценка также показывает, что отрыв температур невелик. Таким образом, температура аргоновой плазмы при 2 атм составляет примерно 23 000°. Измеренная тем­ пература согласуется с расчетом, согласно которому температура плазмы оптического разряда при условии ее заметной прозрачно­ сти должна быть близкой к той, при которой ионизация (одно­ кратная) почти полная и коэффициент поглощения максимален. Плазма светится ослепительным белым светом; непрерывных источников света столь большой яркости раньше не было.

Вработе Фрэнцена [5] были воспроизведены опыты по полу­ чению непрерывного оптического разряда примерно в такой же постановке, при мощности лазера 0,6 кет. В статье Стюэрдинга [371 были сообщены сведения, почерпнутые в порядке личной информации от Конрада и Сциклауса, о том, что последние получили непрерывный оптический разряд в атмосферном воздухе

спомощью мощного газодинамического лазера на С02. Мощность была 100 кет, луч слегка фокусировался линзой с фокусным рас­ стоянием 15 ж в пятно площадью 10 см2, поток в фокусе составлял 10 кет!см2. Плазма двигалась от фокуса по расходящемуся лучу

клинзе, а затем останавливалась, как и в опытах [3, 4]. Длитель­ ность работы лазера и горения разряда не указывается. При таких больших диаметрах луча теплопроводностный механизм выноса энергии из разряда [1, 2] значительно уступает конвек­

тивному, связанному с тепловым расширением плазмы12 [37].

28. Высокочастотный индукционный разряд

Основы современной техники индукционных разрядов высоко­ го давления были заложены в 40-х годах работами Г. И. Бабата [6]. Г. И. Бабат, создав высокочастотные ламповые генераторы с мощ­ ностями порядка сотни киловатт, получил безэлектродный разряд в воздухе при атмосферном давлении и вводил в разряд огромные по тому времени мощности в десятки киловатт.

Индукционные разряды нашли серьезное практическое при­ менение. На их основе созданы безэлектродные плазмотроны, которые имеют ряд важных преимуществ по сравнению с дуговы­ ми. Главное — в безэлектродных плазмотронах генерируется сте­ рильно чистая плазма, не загрязненная продуктами разрушения электродов. Кроме того, плазменная струя получается более ста­

1 Примечание при корректуре.

2 Смит и Фаулер [39], фокусируя линзами с / ^ 14 см луч пятикпловаттного лазера непрерывного действия, получили оптический разряд в атмос­ ферном воздухе. Экспериментальный порог стабильного поддержания плаз­ мы — примерно 2 кет, что неплохо согласуется с предсказанной величиной.

233

бильной, и практически не ограничено время работы, тогда как в дуговых плазмотронах большой мощности быстро разрушаются электроды. Температуры плазмы обычно 6000—10 000° в за­ висимости от мощности и рода газа. Безэлектродные плазмотроны сейчас используют в плазмохимии, металлургии, для выращива­

тереса, который представляет этот вопрос, его принципиальное значение состоит в том, что по известному распределению темпе­ ратуры в плазме можно вычислить любые другие характеристики разряда: его омическое сопротивление, мощность, вкладываемую в разряд, распределения полей, самоиндукцию.

Довольно полное представление об энергетических и электро­ динамических закономерностях индукционного разряда можно получить, рассматривая идеализированную задачу об одномерном стационарном статическом разряде, который горит в неподвижном газе внутри диэлектрической трубки, помещенной в бесконечный соленоид. Стационарность состояния обеспечивается тем, что все выделяющееся в разряде тепло отводится от плазмы путем тепло­ проводности в охлаждаемые стенки трубки (рис. 7.6). Такая зада­ ча была строго сформулирована в работе В. Н. Сошникова и Е. С. Трехова [7].

В условиях цилиндрической симметрии и стационарности про­ цесса радиальное распределение температуры Т (г) описывается

где Ф — потери на излучение плазмы.

В соленоиде бесконечной длины магнитное поле имеет только осевую, а электрическое — азимутальную составляющие: H = H Z, Е = Е9. В случае мегагерцевых частот с хорошим приближением можно пренебречь токами смещения. Имея также в виду, что Е, Н ~ ехр (—iat), запишем уравнения Максвелла прямо для ком­

234