ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 12, с. 1142-1149
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.523.4,537.874
ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РАЗРЯДА ПЛАЗМЕННОЙ ФИЛАМЕНТОЙ, СОЗДАВАЕМОЙ В АТМОСФЕРЕ ИНТЕНСИВНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
© 2008 г. Н. Л. Александров*, Э. М. Базелян**, Н. А. Богатов, А. М. Киселев, А. Н. Степанов
Институт прикладной физики РАН, Н. Новгород, Россия *Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия ** Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Москва, Россия Поступила в редакцию 05.05.2008 г.
Экспериментально исследован высоковольтный разряд, стимулированный плазменной филамен-той, создаваемой в атмосферном воздухе интенсивными лазерными импульсами фемтосекундной длительности. Продемонстрировано трехкратное снижение порога возникновения инициированного разряда по сравнению с разрядом в невозмущенном воздухе. Показано, что время формирования инициированного разряда уменьшается почти на 3 порядка величины при увеличении приложенного напряжения в 2 раза. Построена расчетная модель разрядного процесса, адекватно описывающая экспериментальные результаты. В частности, расчет воспроизводит наблюдавшуюся в эксперименте резкую зависимость времени формирования инициированного разряда от приложенного напряжения и характерные величины электрических полей, необходимых для пробоя в этом случае.
PACS: 52.80.Mg, 42.65.Re
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования по инициированию электрического пробоя длинных воздушных промежутков при помощи лазерных импульсов ведутся уже около 40 лет [1-19] с целью управления траекторией искрового разряда, скоростью его развития, изменением среднего пробивного поля в межэлектродном пространстве. Практическими стимулами такой работы являются перспектива создания мегавольтных коммутаторов и искусственное инициирование молнии в грозовом облаке. В последнее десятилетие особое внимание уделяется филаментированным пучкам фем-тосекундных лазерных импульсов [10-19]. Эффект филаментации обусловлен балансом самофокусировки лазерного излучения вследствие керровской нелинейности воздуха и дефокусиру-ющим действием плазмы, возникающей при увеличении интенсивности пучка в процессе его самофокусировки. Плазменный канал - филамен-та - оказывается сплошным в отличие от четочной структуры длинных лазерных искр [4-9], создаваемых наносекундными импульсами мощных С02-и М-лазеров, и поэтому больше подходит на роль инициирующего и направляющего разряд проводника. Судя по проведенным исследованиям, плазма в сформированном тонком (~0.01 см) канале отличается высокой (~1016 см-3) плотностью электронов и низкой газовой температурой [20].
Проблема преобразования этого канала в искровой фактически сводится к анализу двух возможных вариантов развития событий: либо неравновесная лазерная плазма распадается, либо ток, протекающий по каналу под действием постоянного электрического поля в промежутке, успевает нагреть газ, замедлить гибель электронов и, в конце концов, включить реакции ассоциативной ионизации с участием атомов О и N и т.д., которые не нуждаются в электрическом поле и придают разряду падающую вольт-амперную характеристику, знаменуя собой завершение искрового пробоя промежутка. В этом отношении разряд, стимулированный лазерной филаментой, должен быть подобен стримерному пробою воздушных промежутков [21], ибо в последнем случае тоже налицо быстро образующийся плазменный канал, который оставляет в воздухе волна ионизации, движущаяся со скоростью вплоть до 109 см/с. Как и в филаменте, при стримерном пробое начальная газовая температура в канале мало отличается от окружающей, а плотность электронов способна подняться до 1014-1015 см-3.
Целью экспериментальной части настоящей работы явилось систематическое измерение характеристик и параметров высоковольтного разряда, стимулированного плазменной филаментой. В ряде работ, выполненных ранее, изучались отдельные аспекты данной проблемы. Так, в [15]
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
наблюдалась локализация мегавольтного высоковольтного разряда, создаваемого в зазоре острие - плоскость по направлению лазерной искры. Было продемонстрировано 10-кратное увеличение скорости распространения лидера по лазерной искре и 50% снижение порога образования лидера. Снижение порога появления высоковольтного разряда и его локализация по лазерному лучу наблюдались также в [17]. В работе [16] при инициации разряда в плоском промежутке с постоянно приложенным к электродам напряжением в несколько десятков киловольт было проведено исследование динамики канала пониженной концентрации газа, формирующегося на месте плазменной филаменты, методом скоростной лазерной дифрактометрии. В этой работе была предложена модель, качественно объясняющая снижение пробойного поля высоковольтного разряда за счет джоулева нагрева плазмы током, протекающим в филаменте под действием постоянного поля, что приводит к уменьшению концентрации газа в месте формирования филаменты и, как следствие, снижению порога пробоя.
Однако многие вопросы "взаимодействия" плазменной филаменты, создаваемой фемтосе-кундными лазерными импульсами, и высоковольтного разряда в промежутке с плоской геометрией, наиболее доступном для численного моделирования, остаются невыясненными. Основное внимание в настоящей работе было уделено измерению зависимости пробивного напряжения от энергии лазерных импульсов и длины промежутка, а также исследованию влияния воздействующего напряжения на время развития искрового пробоя. Полученный экспериментальный материал послужил основой для тестирования физической расчетной модели разрядного процесса, выполненной с детальным учетом кинетических процессов в плазме.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Схема эксперимента представлена на рис. 1. Постоянное высокое напряжение от стабилизированного источника подавалось на плоские полированные электроды из дюралюминия диамет-
ром 60 мм. Расстояние между электродами в экспериментах изменялось от 1 до 16 мм. В разрядную цепь было включено балластное сопротивление R3 = 100 Ом. Ток в разрядной цепи измерялся по напряжению на безындуктивном шунте R2 = 1 Ом с помощью осциллографа Tektronix 3052B с полосой пропускания 500 МГц. В центрах дисковых электродов были сделаны отверстия диаметром 3 мм с закругленными кромками, через которые лазерное излучение вводилось в разрядный промежуток. Для генерации лазерных импульсов была использована фем-тосекундная лазерная система на кристаллах Ti:Sa [22]. Длина волны лазерного излучения X ~ 800 нм, длительность импульсов т ~ 70 фс, энергия в импульсе W < 15 мДж. Диаметр лазерного пучка на выходе лазерной системы составлял 8 мм. Лазерное излучение фокусировалось сферическим зеркалом с фокусным расстоянием 80.6 см таким образом, чтобы фокальная область находилась в месте расположения электродов. Эксперименты проводились в атмосферном воздухе без какой-либо предварительной его подготовки.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В отсутствие лазерной филаменты величина пробивного напряжения соответствовала известным значениям пробойных полей для атмосферного воздуха [23]. При этом положение канала разряда в плоскости электродов было случайным, что указывает на практически полное отсутствие влияния отверстий в электродах на электрическую прочность промежутка. Когда через отверстия в электродах в промежуток подавалось лазерное излучение, ситуация развивалась следующим образом. При малой энергии фемтосекундного лазерного импульса, недостаточной для генерации плазменной филаменты, пробивное напряжение промежутка не изменялось, а случайное расположение канала разряда между электродами сохранялось. При превышении энергией лазерного импульса порогового значения (W ~ 0.5-0.6 мДж) в фокальной области лазерного луча формировался плазменный канал, проходящий через отверстия в электродах и
напряжение, кВ 16 г
14
12
10
4%т
о оо о
о о
о о
о
• II
напряжение, кВ 40
30
20
10
0 4 8 12
энергия лазерного импульса, мДж
Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения от энергии лазерного импульса. Светлые кружки - есть разряд, черные кружки - нет разряда. Расстояние между электродами к = 4.5 мм.
пересекающий газоразрядный промежуток. Напряжение, необходимое для появления искрового разряда в промежутке, при этом резко понижалось. Одновременно происходила локализация развивающегося разряда: он становился жестко привязанным к месту возникновения филаменты.
О зависимости пробивного напряжения от энергии лазерного импульса можно судить по экспериментальным данным на рис. 2. В силу флуктуации энергии лазерного излучения от импульса к импульсу методика получения этой зависимости была следующей. Устанавливалась некоторая энергия в лазерном импульсе. Затем напряжение на электродах поднималось до уровня, когда пробой за счет флуктуации энергии лазерного излучения происходил примерно в половине импульсов. Соответственно светлые кружки на рис. 2 отвечают случаю, когда пробой имел место, а черные - когда пробоя не было. Затем энергия в лазерных импульсах изменялась и процедура повторялась. Из рис. 2 можно видеть, что рождение филаменты при межэлектродном расстоянии к = 4.5 мм снижало пробивное напряжение, по крайней мере, в 2 раза. При дальнейшем повышении энергии в лазерном импульсе величина пробойного напряжения практически не менялась.
На рис. 3 показана экспериментальная зависимость минимального пробивного напряжения невозмущенного воздушного промежутка между
0 4 8 12 16 20
расстояние между электродами, мм
Рис. 3. Зависимость пробивных напряжений самостоятельного Ц (точки) и инициированного филаментой Цу (треугольники) разрядов от расстояния между электродами. Энергия лазерных импульсов ^ = 3-4 мДж. Сплошная линия - аппроксимация экспериментальных данных по порогу пробоя атмосферного воздуха в плоском промежутке [20].
плоскими электродами без филаменты Ц и разряда, инициированного плазменной филаментой, от расстояния между электродами. По мере увеличения расстояния между электродами к величины минимального пробивного напряжения увеличиваются практически линейно. Однако при наличии ла
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.