книги из ГПНТБ / Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов
.pdfА К А Д Е М И Я Н А У К СССР
Институт проблем механики
10. П. Р А Й З Е Р
ЛАЗЕРНАЯ ИСКРА
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАЗРЯДОВ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « НАУКА»
М О С К В А
1974
УДК 533.9.15 + 537.52.7
ГОС~Т!у£ : И^НАЯ
«Я'у !^ че« кая
^ ; lofihQ t ЕКА С вО Р
Р а й з е р |
Ю. П. |
Лазерная искра и распространение разрядов. М., |
«Наука» , 1974. |
|
Рассматриваются |
пробой газов |
лазерным излучением и эффекты |
распространения |
|
плазменных |
фронтов. Изложена |
теория развития электронной лавины |
под действием |
оптического и сверхвысокочастотного излучения. Формулируется подход к задаче о под держании плазмы в электромагнитных полях. Рассмотрены генераторы плотной плазмы —
плазмотроны. Говорится о явлениях |
«световой детонации», о «горении» светового |
луча, о взаимодействии луча и плазмы. |
Рассматриваются многие фундаментальные |
вопросы физики взаимодействия ионизованного газа с электромагнитным полем. Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, студентов старших курсов и аспирантов соответствующих специальностей, Таблиц 5. Иллюстраций 103, Библиогр. 344 назв.
20409—0411 |
(СУ Издательство «Наука», 1974 г, |
Р 042(01)—74 402—74 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
В этой книге рассматривается определенный круг разрядных явлений, которые интенсивно изучались в течение последнего десятилетия и фактически открывают новые разделы физики газо вого разряда. К их числу в первую очередь принадлежит полу ченный в 1963 г. эффект лазерной искры — один из интереснейших
вобласти взаимодействия интенсивного излучения с веществом. Явление лазерной искры в качестве важнейшего элемента
включает в себя процесс пробоя газа, т. е. возникновения и разви тия в нем бурной ионизации под действием поля. Осуществление пробоя полями оптических частот стало возможным только после создания лазеров, и притом лазеров, дающих особенно мощные, хотя и очень кратковременные световые импульсы. Процесс опти ческого пробоя содержит много необычного, так как в этом случае проявляется квантовый характер поля. Тем не менее сейчас он исследован с ненамного меньшей степенью доскональности, чем пробой в постоянном электрическом поле, который изучается уже в течение многих десятков лет, так что настало время подведения первых итогов. Пробою газов в полях оптического диапазона посвя щена первая часть книги; много внимания там уделяется и близ ким вопросам сверхвысокочастотного пробоя.
Во второй части рассматриваются процессы поддержания плот ной низкотемпературной плазмы и эффекты распространения раз рядов, т. е. превращения в плазму новых масс газа, находящихся во внешнем поле. В отличие от пробоя эти разрядные процессы могут протекать и в полях сравнительно небольшой интенсивно сти — необходимо лишь однажды зажечь разряд. Эффекты рас пространения разрядов и поддержания плазмы за счет электро магнитной энергии наблюдаются в самых разнообразных усло виях. Они всегда присутствуют в лазерной искре, лежат в основе действия дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных ге нераторов плазмы — плазмотронов, которые широко применяют ся в науке и технике, зачастую возникают в используемых на практике сверхвысокочастотных устройствах. Недавно была реа лизована многообещающая возможность непрерывного и длитель ного поддержания плазмы путем подвода к ней энергии с помощью лазерного луча.
5
Систематическое рассмотрение подобных эффектов в полях различных частотных диапазонов и формулировка некоего общего теоретического подхода к их описанию составляет содержание второй части книги. Анализ с единой точки зрения во многом не схожих процессов помогает лучше понять известные явления и создает теоретические основы для объяснения и предсказания новых эффектов.
Главное внимание в книге уделяется выяснению физической сущности явлений, методам простого теоретического расчета ха рактерных величин и зависимостей. Но наряду с этим приводится и много экспериментальных сведений, ценных в качестве спра вочного материала. В частности, сделана попытка собрать воедино большинство полезных экспериментальных данных по оптическому пробою газов. По возможности подробно и доступно разбираются необходимые вопросы общефизического характера: взаимодейст вие электронов с электромагнитным полем, взаимоотношение клас сического и квантового подходов к этим процессам и др. Нашей целью было сделать книгу полезной не только для специалистов— физиков и инженеров, но и для тех, кто только приступает к изу чению соответствующих разделов физики взаимодействия электро магнитного поля с ионизованным газом и физики разрядов. В кни ге использована литература, опубликованная в основном до сере дины 1972 г.
Автор глубоко благодарен 11. П. Пашинину, который ознако мился с рукописью и сделал ряд ценных замечаний, Г. А. Аскарьяну — за обсуждение многих вопросов физики лазерной искры, Н. М. Сериковой и Н. Н. Магретовой — за большую помощь, ока занную при подготовке книги.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение электрического пробоя газов в постоянном электри ческом поле в свое время явилось одной из центральных проблем физики газового разряда. Основная характеристика эффекта — это величина пробивающего напряжения между электродами, ко торая, как хорошо известно, зависит от произведения давления на длину разрядного промежутка и описывается кривыми Пашена.
Еще с конца прошлого века известен и безэлектродный пробой газа в поле высокой частоты. Его легко наблюдать, если внутрь соленоида поместить откачанный сосуд и пропустить через ка тушку высокочастотный ток достаточной силы. Под действием вихревого электрического поля, которое индуцируется перемен ным магнитным потоком, в остаточном газе возникает пробой, и в сосуде самопроизвольно зажигается разряд. Природа этого эффекта стала в достаточной мере понятной не так уж давно, фак тически в результате работ Дж. Дж. Томсона 1926—1927 гг. Томсон экспериментально доказал, что разряд имеет индукцион ную природу, и вывел теоретически условия зажигания: зависи мость порогового для пробоя магнитного поля (или тока в солено иде) от давления газа и частоты. Подобно кривым Пашена для пробоя разрядного промежутка в постоянном электрическом поле, пороговое магнитное поле при изменении давления проходит че рез минимум. Для практического диапазона высоких частот от сотен килогерц до десятков мегагерц минимумы лежат в области низких давлений: поэтому безэлектродный пробой в давние време на наблюдался только в сильно разреженных газах.
Следующий существенный шаг в сторону более высоких частот был сделан уже в наше время. В годы второй мировой войны разви тие радарной техники вызвало большой интерес к явлениям в сверх высокочастотном (микроволновом) диапазоне электромагнитного поля, т. е. в диапазоне гигагерцевых частот и длин волн, изме ряемых миллиметрами и сантиметрами. Пороговое для пробоя электрическое поле в СВЧ-волне в зависимости от давления газа также имеет характерный минимум. Минимальные напряженно сти электрического поля соответствуют давлениям газа, измеряе мым миллиметрами ртутного столба, и имеют порядок десятков пли сотен вольт на сантиметр. Основы теории сверхвысокочастот
7
ного (или, как иногда говорят для простоты, высокочастотного) пробоя были заложены в конце 40-х — начале 50-х годов. Физике СВЧ-пробоя в газах посвящена превосходная книга А. Мак-Донал да [1], 1966 г., которая вышла в русском переводе в 1969 г. В ней излагается теория пробоя и приводится большое количество экспериментальных данных. В дальнейшем нам придется рассмат ривать вопросы СВЧ-пробоя весьма подробно.
Если обратиться к книгам по физике газового разряда, напи санным до изобретения лазеров, даже к книге С. Брауна 1959 г. (русский перевод — 1961 г. [2]), в которой впервые было дано короткое, но обстоятельное изложение физики СВЧ-пробоя, то можно заметить, что в них не проскальзывают даже чисто умо зрительные допущения о возможности пробоя газов излучением оптического диапазона. И действительно, до изобретения лазеров наибольшие интенсивности света, которых можно было достичь, фокусируя лучи даже самых мощных источников, были столь слабыми, что любое предположение о возможности такого пробоя казалось бы совершенно фантастичным. Более того, даже после соз дания первого рубинового лазера в 1960 г. мощность этого источ ника была далеко не достаточной, для того чтобы «пробить» газ световым излучением. Воздух оставался безучастным к лучу ла зера, как и в случае световых лучей любых других источников.
Только после создания оптических генераторов с модулирован ной добротностью, работающих в режиме гигантского импульса, когда максимальные мощности достигают десятков мегаватт, и притом в результате острой фокусировки таких мощных лучей, впервые удалось наблюдать оптический пробой. Теперь этому не приходится удивляться, ведь для пробоя газов на оптических частотах требуются огромные электрические поля порядка 10е—107 е/cat. Для сравнения укажем, что в постоянном электри ческом поле, впрочем как и на высоких и сверхвысоких частотах, атмосферный воздух пробивается при напряженности поля 3-104 в!см. Когда луч рубинового лазера, работающего в режиме гигантского импульса, пропустили через фокусирующую линзу,
ввоздухе, в точке фокуса, вспыхнула искра, как при электриче ском пробое разрядного промежутка. Впервые об этом сообщили
вфеврале 1963 г. Мейкер, Терхун и Сэвидж [3] на III Международ ной конференции по квантовой электронике в Париже, и в то
время это вызвало сенсацию.
Явление лазерной искры сразу же и надолго приковало к себе внимание физиков. После первых сообщений об эффекте, которые появились в 1963 г., новое явление стало предметом детальных исследований и самых оживленных обсуждений в физических журналах и на конференциях в разных странах. Открытие лазер ной искры стимулировало развитие ряда новых направлений в фи зике разрядов и плазмы. Сюда относятся вопросы лавинного пробоя газов на оптических частотах, генерации плазмы световым излуче нием, общая теория распространения разрядов, поддерживаемых
8
электромагнитными полями, и др. Возникла непосредственная необходимость в построении теории многоквантовых процессов — фактически нового раздела квантовой механики, который, каза лось бы, представлял чисто академический интерес.
Показателем темпа, с которым разворачивались исследования по лазерной искре, может служить следующий факт. В свое время по лазерной искре были опубликованы две обзорных статьи, одна из них автора [41, в которой были подведены итоги работ пример но до весны 1965 г., другая — Де Михелиса [51, доведенная до уровня мая 1968 г. Оба обзора содержали почти исчерпывающую библиографию, и если в первом из них список литературы, непос редственно касающейся лазерной искры, содержал около 50 ссы лок, то во втором это число выросло уже до 160. В настоящее время оно достигает нескольких сотен. Современное состояние исследо ваний освещено в обзоре Г. В. Островской и А. II. Зайделя [23].
Явление лазерной искры можно ориентировочно разбить на три последовательных стадии. На первой стадии происходит про бой, т. е. в холодном газе развивается ионизация и образуется начальная плазма. Для второй стадии характерны эффекты взаи модействия еще не закончившегося лазерного импульса с уже об разованной плазмой: движение плазменного фронта, поддерживае мого лазерным излучением, нагревание плазмы до очень выоких температур, поглощение и отражение лазерного света плазмой. И, наконец, на третьей стадии наблюдаются явления взрывного характера, которые продолжаются еще долго после окончания светового импульса: распространение постепенно затухающей ударной волны, источником которой послужило выделение в газе энергии лазерного импульса, свечение взрывной волны, напоми нающее огненный шар ядерного взрыва, но, конечно, в миниатюр ном масштабе, диамагнитные эффекты, проявляющиеся при нало жении внешнего магнитного поля, и т. д. В первой части книги изучается только первая стадия лазерной искры — пробой, вто рая и третья стадии относятся к области генерации плазмы и рас пространения разрядов, они будут рассматриваться во второй части. Общий вид лазерной искры в воздухе представлен на фотографии рис. 1.1, сделанной с большой экспозицией.
Обнаруженные при изучении лазерной искры эффекты движе ния плазмы навстречу световому лучу являются проявлением об щей тенденции к распространению, свойственной разрядам не только в оптическом, но и в любых других диапазонах частот электромагнитного поля: высокочастотном, сверхвысокочастот ном, в постоянном электрическом поле. Всегда существуют процес сы, которые способствуют ионизации слоев газа, соприкасающих ся с разрядной плазмой: нагревание ударной волной, теплопро водностью, тепловым излучением плазмы и др. Если вновь иони зованные слои находятся в достаточно сильном поле, в них также выделяется много энергии, ионизация охватывает следующие слои, и разряд (плазменное состояние) распространяется по веществу.
0