Введение к работе
Актуальность темы. Генерация изменений электрического потенциала и токов при.воздействии оптического излучения на вещество исследуется со времени открытия фотоэффекта [1]. Создание лазеров позволило начать изучение генерации токов при тепловом воздействии на материалы мощного светового пучка, о также наблюдать электрические токи в лазерной плазме [2,3]. В этих иеследсзаниях были получены килоамперные токовые импульсы и киловольтные изменения потенциала, которые ударно возбувдали колебательные цепи [4]. Поиск спонтанных радиоизлучений 151 и высокочастотных (ВЧ) токов в лазерной плазме показал, что они незначительны. Однако возможна генерация ВЧ токов и потенциалов зя счет управления светом параметрами низкотемпературной плазмы, созданной световым пучком. Этот принцип получения управляемой генерации ВЧ токов разрабатывался в диссертационной работе. Для создания плазмы и управления ее параметрами использовалось модулированное по интенсивности оптическое излучение лазеров или лазерной плазмы.
В настоящее время генерация изменений электрического потенциала и токов при воздэйствии мощного (io*-io"*Bt/cm*) оптического излучения на металлы исследуется в связи со следующими проблемами.
Изучаются способы преобразования световой энергии в электрическую (импульсные и ВЧ токи) для применения в системах передачи энергии при помощи световых пучков.
Исследуются метода преобразования света в излучение радиодиапазона, тлеющие большую эффективность, чем полученная при использовании нелинейных кристаллов (^ 10"*).
Ведется поиск новых способов детектирования лазерного излучения УФ и ИК диапазонов, которые, в частности, могут быть исполь-
зованы дистанционно при передача информации или лазерной локации.
Разрабатываются способы генерации мощных электрических импульсов, обладающих малой длительностью.
Регистрация токов к изменений потенциала используется как один из методов диагностики процесса воздействия СЕета на вещество.
Изучаются способы управления электрическими разрядами при помощи света.
Обсуждается возможность использования ионов, возникающих при фотоэффекте с поверхности в электроотрицательном газе, для технологических применений.
В настоящее время интенсивно исследуются генераторы СВЧ колебаний, использующие виртуальный катод. Генерация тока при фотоэффекте позволяет исследовать подобную систему при меньших энергиях электронов и изучить ее взаимодействие с плазмой. Представляет интерес также изучение неустойчивостей низкотемпературной плазмы в такой системе.
При фотоэмиссии возможно изучение динамики приповерхностных слоев пространственного заряда в наносекундном диапазоне длительностей.
Кроме этого при облучении металлов в газовой среде мощным ВУФ излучением развиваются газоразрядные процессы, поддерживаемые светом, которые исследуются в диссертационной работе.
Основная цель работы состояла в получении управляемой светом генерации ВЧ токов и изменений потенциала при воздействии мощного оптического излучения на.металлы, находящиеся в газово? среде.
Для достижения этой цели решались следующие задачи: 1. Исследование механизма генерации тока nptj образовании плазмы на поверхности заряженной мишени и возможности получения ВЧ тока таким способом в случае модуляции интенсивности лазерного пучка.
-
Изучение механизма генерации тока за счет термо - ЭДС, возни-какщей при образовании лазерной плазмы на поверхности нейтральной мишени и возможности получения ВЧ тока с помощью модуляции лазерного излучения.
-
Исследование электрических процессов при фотоэффекте с мишени в газе или фоновой плазме и возможности получения ВЧ токов и изменений потешіиала путем модуляции интенсивности УФ -света.
Научная новизна работа состоит н еладущем: 1. Показано, что на расстояниях \1 см от границы лагерной плазмы вс здух ионизуется многочаетотннм ВУФ излучением-, принадлежащим спектральной области, расположенной вблизи порога одно'отонной ионизации молекулярного кислорода. Подучены осциллограммы тген-енвности ионизирующего ВУФ излучения лазерной плазмы распространяющегося в атмосфере. Установлено, что интенсивность УФ и ВУФ излучения лазерной плазмы, создаваемой модулированным лазерным излучением, имеет модуляцию на той ге частоте. ?.. Показано, что возможна генерация ВЧ токов при распространении воліш фотоионизации газа от поверхности заряженных тел. Генерация тока обусловлена максвелловской релаксацией заряда мишени в плазме, возникающей за волной ионизации, которая движется с переменной скорэстыо.
3. При облучении модулированным лазерным пучком нейтральных
мишеней н атмосфере получены длительные (\- імкс) импульсы ВЧ тока.
4. Получены ВЧ колебания (75 МГц) потенциала на слое простран
ственного заряда (ОПЗ), возникшем щ'л фотоэффекте с металличес
кой мишен» в атмосфере, которые ігрекрз;цаются через время - 100 не
из-за прилипания фотоэлектронов (ЇО). Гри наличии вблизи облучае
мой поверхности фоновой плазмі? (-ТІ!) ВЧ колебаїгая тскл продолжают-
ся не менее 0,5 мкс. Изморена разность потенциалов на СПЗ равная Л<р % 0,2 В. Измерена средняя энергия электронов в фотоионизационной плазме в воздухе раЕная (ЗИ * 0,6) 10~*эВ. Установлено, что величина Аф ограничивается потоком отрицательных, ионов на мишень.
5. Экспериментально обнаружена неустойчивость .двойного слоя СПЗ,
возникающего при фотоэффекте с мишени в газе с давлением меньшэ
ю Тор. Неустойчивость проявляется в виде возникновения обратного
электронного тока из ФП на мишень, что приводит к скачкам потен
циала мишени или тока во внешней цепи при плавном изменении
интенсивности ВУФ излучения. Показано, что данная неустойчивость
обусловлена неустойчивостью электронного газа ФП в тормозящем
электрическом поле СПЗ, которое проникает в ФП из СПЗ, имеющего
конечные пространственные размеры. Получено условие равновесия
этого поля и электронного газа ФП.
-
Показано, что неустойчивость двойного слоя СПЗ развивается также втом случае, если двойной слой является виртуальным катодом, а ФП поддерживается током из СПЗ, что реализуется при малой нагрузке во внешней цепи. В такой системе получена полная модуляция Аф на частоте 75 МГц за счет переключения состояния СПЗ при глубине модуляции УФ. излучения х ю %. Данная неустойчивость позволила генерировать ВЧ токи (75 МГц) с амплитудой -^ 0,1 А.
-
Обнаружено, что при сопротивлении внешней нагрузки о,1-1 Ом, ток из ФП на мишень полностью компенсирует ток фотоэмиссии. Установлено, что плазма, создаваемая фотоэлектронами, обеспечивает компенсацию пространственного заряда токов величиной \ і А. Такой фотоэлектрический газовый разряд позволил преобразовать мощность ВУФ излучения в мощность тока с КПД не менез о,з Ж. Наблюдались нестационарная и квазистационарная формы разряда.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ PAEOTli!
1. Показано, что лазерная плазма может служить источником УФ и
ВУФ излучения с ВЧ модуляцией интенсивности. Результаты исследо
ваний по ионизации воздуха излучением плазмы могут использоваться
при разработке электрических коммутаторов и в исследованиях фото-
- ионизационной плазмы.
-
Обнаруженный и изученный в работе механизм генерации импульсов тока и перепадов потенциала при распространении волны Дютоиониза-ции от заряженного тела перспективен для получения как ВЧ токов, так и для генерации высоковольтных ультракоротких перепадов потенциала.
-
Модуляция термо - ЭДС лазерной плазмы позволяет преобразовать лазерное излучение в БЧ токи с КПД -- ю"т, что на три порядки величины превышает эффективность преобразования в нелинейных кристаллах. Такой лазерно-нлазмемный генератор можно перестраивать во всем радиедмапазоне.
4- Исслвдовашм фотоэффекта с поверхности в атмосфере позволило получить импульсы ВЧ колебаний потенциала длительностью -v 100 не, которые могут нэйти применение при лазс-рной передаче сигналов или лазерной локации. Ионы, возникающие при фотоэффекте в электроотрицательном газе, могут использоваться для химико-технологаческого воздействия на поверхность.
5. Обнаруженная неустойчивость электронного газа <Н1, находящегося в тормозящем электрическом ноле, может также наблюдаться в катодном слое тлеющего разряда и приводить к возникновению катодных пятен. В частности, противоположное по отношению к основному разряду направление тока в области неустойчивости может лвляться объяснением аномального направления движения катодного пятна в магнитом поле [6].
Такая неустойчивость можзт являться причиной эмиссии сгустков электронов с малой, подбарьерной средней энергией через потенциальные барьеры, например, через виртуальный катод, что может быть использовано для разработки генераторов ВЧ и СВЧ колебаний. Данная неустойчивость может наблюдаться и в другах средах, например, в голупрозодниках.
6. Плазма газового разряда, поддерживаемого энергией фотоэлектронов, (фотоэлектрического газового разряда) может применяться для технологического воздействия на поверхности материалов или использоваться в преобразователях световой энергии в электрическую.
-
Волна фотоионизации газа, распространяющаяся от лазерной плазмы на поверхности заряженного тела, создает электрический ток, величина которого определяется скоростью движения волны и начальным потенциалом мишени. Причем ВЧ модуляция интенсивности УФ излучения плазмы лазерным пучком вызывает ВЧ модуляцию скорости волны и приводит к генерации ВЧ тока.
-
ВЧ модуляция температуры лазерной плазмы лазерным пучком вызывает ВЧ модуляцию величины термо - ЭДС на ее границе. Это порождает ВЧ тою! длительностью не менее 1 мкс. Зфіективность преобразования по мощности достигает величины ю-7.
-
При фотоэффекте с поверхности металла в атмосфере ВЧ модуляция интенсивности УФ пучка создает ВЧ колебания разности потенциалов (Дер) на слое пространственного заряда (СПЗ) длительностью . 100 не, а в фоновой плазме (ФП) вчзывает ВЧ токи в течение 0,5 мкс.
4. Если давление электронного газа ФП презышает критическое,
определяемое условием к7вх - ег^Дф = п^кТ (где Е - напряжен
ность электрического поля, проникающего из СПЗ ограниченных раз-
меров в ОТ; по,п^ - концентрации частиц в ФП; ї - температура ФП), то развивается неустойчивость СПЯ, приводящая к переключению состояния двойного слоя СПЗ (исчезновению виртуального катода).
5. Неустойчивость СПЗ позволяет генерировать ВЧ колебания
амплитудой равной разности потенциалов на СПЗ при глубине модуля
ции интенсивности управляющего УФ излучения ч ЮЖ. причем кон
центрация электронов в ФП может достигать критического значения
за счет ионизации газа электронами, преодолевающими потенциальный
барьер СПЗ.
6. Поток фотоэлектронов с поверхности подяягаот ' и поддерживает
вблизи нее фотоэлектрический газовый разряд, плазма которого ком
пенсирует объемный заряд фототока к обеспечивает эффективное
(2 0,3 %) преобразование мощности УФ излучения в мощность тока.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Осноеннє результата исследований докладывались и обсуздались на vi,vxi,viii Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984; Ленинград.. 1988; Ленинград,1990); на XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985); на International oonferenoe on lasers'85 (Las Vegas, 1985); на II International conference on Trends in quantum electronics (Bucharest, 1985).
ПУБЛИКАЦИИ По материалам диссертации опубликована 1 работ из ню: 8 тезисов докладов на конференциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения.
