Введение к работе
Бурное развитие в течение последних 30 лет мощних импульсных систем таких как генераторы и коммутаторы мощных высоковольтных импульсов, импульсные лазеры, импульсные электронные и ионные пучки, импульсные источники света, технологии с использованием импульсных электрических разрядов (плазмохимические реакторы, разрушение твердых материалов, очистка поверхности, озонаторы и т.д.) потребоволо детального исследования начальных стадий электрического разряда в газах. Переход к наносекундному временному диапазону стимулировал мсследопэния быстрых стадий электрического пробоя. Среди них особое внимание всегда уделялось высокоскоростным волнам ионизации (ВВИ), котороые наблюдались как в молнии, так и в лабораторных условиях, однако не имели физической модели и являлись интересным неизученным объектом. Поскольку ВВИ чаще всего возникают при импульсном воздействии на разрядный промежуток и при завершении пробоя, то их возникновение будет определять электропрочность импульсных систем с высокой плотностью энергии. С другой стороны ряд задач требует создания плазменного столба с высокой проводимостью за короткие времена, например, лазеры на самоограниченных переходах, наиосекундные коммутаторы, обострители импульсов. Из-за сложности теоретического описания волн ионизации и отсутствия сведений о протекающих в ВВИ процессах, а также из-за отсутствия данных о таких важных характеристиках волны, как ток, затухание амплитуды, фронт, динамика формирования и движения ВВИ, особую актуальность приобретают экспериментальные исследования. Наибольший интерес как в научном, так и практическом плане представляют исследования ВВИ в длинных разрядных трубках с металлическим экраном ввиду хорошей воспроизводимости эксперимента и возможности . применения в коаксиальных газовых лазерах, источниках света и коммутаторах.
В это же время возникли задачи, требующие стабилизации или задания траектории электрического разряда в пространстве, такие как моделирование и исследование процессов в линейной молнии, передача энергии, новые типы высоковольтных коммутаторов, либо создания в пространстве протяженных плазменных областей заданной формы, например, для систем молниезащиты, .транспортировки электронных пучков, плазменных антенн. Эти задачи могли быть решены различными способами: пропусканием тока по тонкой проволочке, ионизацией воздуха жестким излучением, пучком электронов, ионов или а-частиц, с
помощью лазера. Каждый из этих способов имеет свои недостатки и ограничения. В нашей работе для стабилизации траектории разряда и создания плазменного канала использовался импульсный лазер, как наиболее универсальный и перспективный способ. Для инициирования электрического разряда представляют интерес три вида воздействия лазерного излучения на газ: уменьшение плотности газа в результате его нагрева в луче инфракрасного лазера, фотоионизация газа ультрафиолетовым лазером, оптический пробой воздуха. В настоящей работе для направления электрического разряда выбрана длинная лазерная искра (ДЛИ), позволяющая работать с атмосферным воздухом и оказывающая наибольшее влияние на траекторию разряда.
Основной целью настоящей работы являлось исследование-физической природы направляемых лазером электрических разрядов и высокоскоростных волн ионизации, возникающих при импульсном пробое. При исследованиях направляемых разрядов ставились задачи как создание HP большой длины, так и создания HP с максимально высокой возможной скоростью прорастания, для чего необходимо было обнаружить ВВИ в HP и создать концепцию их развития.
В соответсвии с этим в работе решались следующие задачи:
1. Создание экспериментальной установки для получения и
исследования направляемого электрического разряда вдоль ДЛИ или
вдоль сплошной лазерной искры.
2. Исследование направляющих свойств ДЛИ с разными характе
ристиками: количеством и размером очагов, временем жизни ДЛИ,
протяженностью ДЛИ. Создание направляемых разрядов большой длины.
-
Обнаружение и исследование высокоскоростных волн ионизации в направляемом разряде. Создание HP с максимально высокой скоростью прорастания.
-
Исследование развития разряда на одиночном плазменном очаге оптического пробоя.
-
Моделирование HP и создание .физической модели.
-
Исследование передающих электрических свойств плазменного канала HP, а также его устойчивости при длительном пропускании тока.
-
Создание установки и методик для исследования ВВИ в длинных газоразрядных трубках при напряжениях 150-300 кВ.
-
Исследование свойств и динамики ВВИ (скорости, тока, затухания амплитуды, фронта) в зависимости от параметров высоковольтных импульсов, рода газа и его давления, параметров разрядного устройства.
Создание ВВИ с максимально высокой скоростью движения.
Э. Обнаружение в ВВИ высокоэнергетичных электронов и исследование их влияния на динамику ВВИ. Создание физической модели ВВИ.
10. Исследование воздействия ВВИ на газ и различных применений ВВИ, основанных на высокой скорости заполнения плазмой разрядного объема и возможности создания сильных электрических полей.
Научная новизна
Установлено, что на развитие и характеристики направляемого лазером электрического разряда основное влияние оказывают три параметра: погонная плотность очагов оптического пробоя ДЛИ, время жизни ДЛИ до прихода высоковольтного электрического импульса, крутизна фронта высоковольтного электрического импульса.
Показано, что если очаги оптического пробоя ДЛИ расположены достаточно далеко и области разрежения газа в процессе их эволюции не перекрываются, то направляющие свойства ДЛИ обусловлены усилением электрического поля вблизи плазменных очагов ДЛИ
Предложена физическая модель развития направляемого разряда, когда плазменные очаги ДЛИ не перекрываются.
Обнаружено, что при большой крутизне электрического импульса направляемый разряд развивается в виде высокоскоростной волны ионизации, во фронте которой происходит эффективная ионизация. Зарегистрирована средняя скорость распространения 3-20 см/нс, что на порядок выше скорости, полученной ранее, при меньшей крутизне электрического импульса.
Обнаружено, что движение ионизующих волн в HP может быть как равномерным, так и с остановками. При ступенчатом движении в процессе распространения по промежутку скорость ВВИ уменьшается вплоть до остановки волны, затем скачком возрастает в несколько раз в случае возобновления движения. Впервые зафиксировано самораспространение волны ионизации после снятия напряжения.
Обнаружено, что распространение ВВИ при оптимальных условиях происходит в виде нелинейной диффузии потенциала вдоль канала ДЛИ. В процессе движения ширина фронта ВВИ увеличивается, и это приводит к значительному уменьшению ее скорости и к остановке из-за резкого падения частоты ионизации во фронте.
Обнаружено существование минимума затухания ВВИ в зависимости от давления газа.
Получены комплексные данные о динамике формирования и движения ВВИ в широком диапазоне давлений при амплитуде 100-300 кВ
Показано, что для ВВП в длинных разрядных трубках при напряжениях 100-300 кВ существует область давлений, зависящая от рода газа, наиболее благоприятная для распространения ВВИ, в которой скорость и ток максимальны, а затухания амплитуды и скорости - минимальны.
Достигнута наивысшая скорость для ВВИ в лабораторных условиях -20 см/нс, которая близка к скорости свободно летящего электрона, прошедшего разность потенциалов, разную амплитуде приложенного импульса напряжения - 250 кВ.
Показано, что предельная максимальная скорость при движени ВВИ в промежутках с низким значением диэлектрической проницаемости є~1 определяется скоростью движения высокоэнергетичных электронов с энергией, равной потенциалу фронта, а в промежутках с высокими значениями є - скоростью подвода электромагнитной энергии к фронту.
Обнаружено "обострение" фронта при отрицательной полярности импульса напряжения. Обоснована минимальная длительность фронта.
Обнаружено, что фронт ВВИ является источником высокоэнергетичных электронов, ток которых при давлениях ниже оптимальных сравним с полным током во фронте ВВИ.
Показано, что при отрицательной полярности высокоэнергетичные электроны определяют диапазон давлений, при которых скорость ВВИ достигает своего максимального значения. Величина этого давления обратно пропорциональна величине приведенного электрического поля, при котором происходит "убегание" электронов.
Предложена физическая модель формирования и движения ВВИ.
При накачке ВВИ азотного лазера обнаружены волны лазерного излучения, движущиеся с теми же скоростями и в том же направлении, что и ВВИ.
Измерены радиационные времена жизни уровня азота С3Пи и сечения тушения его молекулами азота и кислорода.
Научная и практическая ценность полученных в диссертации результатов и сделанных обобщений состоит в том, что они позволяют разработать концепцию формирования и динамики направляемых лазером электрических разрядов и высокоскоростных волн ионизации, создать новые методы исследования длинных искр и молнии, кинетики и сечений элементарных процессов в газах и плазме, создать новые подходы при разработке импульсных источников плазмы и излучения.
Практическая ценность диссертационной работы обусловлена широкими возможностями применения разработанных дачиков и методик измерения, импульсных лазерныхх систем, волн ионизации и направляе-
мых разрядов в импульсной, коммутирующей, газоразрядной и лазерной технике. Разработаны емкостные делители с временным разрешением 0,3 не для регистрации наносекундных импульсов амплитудой 100-700 кВ. Показана возможность создания с помощью ВВИ обострителей фронта импульса напряжения и на активной нагрузке получен фронт -1 не при исходной длительности фронта 3,5-9 не и амплитуде импульса напряжения 150-700 кВ. Продемонстрирована возможность создания нового типа коммутаторов на основе направляемого разряда с одним или несколькими каналами. Направляемые лазером разряды такхе могут быть использованы для создания систем молниезащиты, плазменных антенн, систем каналирования электронных пучков.
Разработана схема и создан лазер на неодимовом стекле с регулируемой длительностью импульсов излучения от 20 не до 2 мкс. Исследования свойств импульсного азотного лазера, возбуждаемого волной ионизации, показали, что эффективность накачки и удельная снимаемая мощность существенно выше, чем в схемах с традиционным продольным разрядом, и сравнимы со схемой накачки поперечным разрядом. Обнаружено, что эффективность накачки отрицательной ВВИ выше, чем положительной. Накачка азотного лазера волнами ионизации позволяет получить лазерный импульс с несколькими пиками с регулируемой задержкой между ними, что может быть использовано в системах диагностики и калибровки. Объяснено уменьшение мощности и энергии азотного лазера при использовании воздуха в качестве рабочего газа. Измерено радиационное время жизни верхнего лазерного уровня СэПи и сечения его тушения молекулами азота и кислорода.
Автор выносит на зашиту следующие основные положения:
Результаты исследований электрического пробоя вдоль длинной лазерной искры при различных параметрах ДЛИ и разных импульсах напряжения амплитудой 150 кВ - 2 MB.
Обнаружение в направляемых разрядах ВВИ, движущихся со скоростями до 1010 см/с, и результаты исследования их динамики.
Создание направляемых разрядов со сложной траекторией или двумя каналами.
Механизмы развития HP, зависящие от начальных условий пробоя. Создание методики и результаты комплексных исследований ВВИ в разрядных трубках при амплитудах наносекундных импульсов напряжения 150-300 кВ. Получение максимально высоких скоростей движения 2.1010 см/с. Обнаружение минимума затухания амплитуды ВВИ. Обнаружение области давлений, наиболее благоприятных для движения ВВИ.
Результаты экспериментальных исследований высокоэнергетичных электронов в ВВИ и их влияния на динамику ВЕЗИ.
Физическую модель формирования и движения ВВИ.
Результаты исследований накачки азотного лазера с помощью ВВИ. Обнаружение волн лазерного излучения.
Измеренные радиационные времена жизни уровня С Пи и сечения его тушения молекулами азота и кислорода.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1982), VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1988), Всес. совещании "Инверсная заселенность на переходах в атомах и молекулах", (Томск.: СФТИ ТГУ. 1986), VII Всес. конференции "Физика низкотемпературной плазмы", (Ташкент, 1987), VIII Всес. конф. "Физика низкотемпературной плазмы" (Минск, 1991), конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 20-26 июня 1995 г.), XV Int. Conf. on Phenomena in ionized Gases, (Minsk. 14-18 July. 1981), XX Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, (1991. Piza), II Всес. симпозиуме no радиационной плазмодинамике, (1991, Кацивели), Всес. совещании "Высокочастотный разряд в волновых полях", (Горький. 1987), III Всес. совещании "Высокочастотный разряд в волновых полях", (23-26 мая 1989,. Куйбышев), IV Всесоюзной конференции "Физика газового разряда" (Махачкала, 1988), V Всес. конф. "Физика газового разряда". (Омск. 1990), VI конф. "Физика газового разряда", (Казань, 1992), "VII Конф. "Физика газового разряда".( Самара, 21-24 июня 1994 г), XXXIII и XXXVII научных конференциях МФТИ (Москва, 1987, 1990), VIII Всес. конф. "Взаимодействие оптического излучения с веществом", (Ленинград, 1990), Всесоюзной конференции "Долгоживущие плазменные образования и малоизученные формы естественных электрических разрядов в атмосфере," (Ярославль, Гос. университет. 1990, зональных научно-технических семинарах "Применение лазеров в народном хозяйстве". (Челябинск, 1989 и 1990), научных семинарах ОИВТ РАН, МФТИ, ИПМ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 60 работ, список которых приведен в конце автореферата. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 195 страницах, содержит 64 рисунка, 2 таблицы и список литературы, насчитывающий 280 названий.
