ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 664-675
УДК 537.521
РОЛЬ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОПУСКАНИЯ ПЛАЗМЫ ЗА ФРОНТОМ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ
ВОЛН ИОНИЗАЦИИ © 2015 г. Н. А. Ашурбеков, К. О. Иминов, Г. Ш. Шахсинов, А. Р. Рамазанов
Дагестанский государственный университет, г. Махачкала E-mail: nashurb@mail.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.
Экспериментально исследованы динамика заселения возбужденных метастабильных состояний атомов, нестационарные оптические спектры излучения и пропускания наносекундных разрядов в плазменных волноводах, наполненных инертными газами в широком диапазоне изменения внешних условий. Приведены оценки энергий электронов, ускоренных на фронте высокоскоростной волны ионизации, и дан анализ влияния высокоэнергетичных электронов на динамику развития наносекундного разряда в экранированных диэлектрических трубках. Приведены результаты экспериментального исследования процессов формирования поперечного распределения параметров плазмы, и определена их роль при формировании спектров пропускания неоднородной плазмы наносекундных разрядов вблизи узких спектральных линий поглощения. Впервые во внерезонатор-ных экспериментах обнаружено и исследовано формирование спектров пропускания дисперсионного вида вблизи спектральных линий поглощения атомов неона.
Б01: 10.7868/80040364415030011
ВВЕДЕНИЕ
В последнее годы активно исследуются процессы взаимодействия когерентного оптического излучения с плотной резонансно поглощающей средой [1—5]. Это, прежде всего, связано с возможностью существования спонтанной когерентности в такой среде и ее влиянием на целый ряд явлений в лазерной физике. Для создания протяженной оптически плотной резонансно поглощающей среды с успехом можно использовать коаксиальные плазменные волноводы в условиях формирования и распространения высокоскоростных волн ионизации (ВВИ), в которых удается создать значительные плотности возбужденных атомов [6—8]. Обилие и разнообразие физических процессов, возможность управляемого изменения плотности и неоднородное пространственное распределение заряженных и возбужденных частиц в плазменных волноводах позволяют детально исследовать наиболее типичные процессы взаимодействия когерентного излучения с оптически плотной резонансно поглощающей средой. Особенностью плазмы таких разрядов являются генерация высокоэнергетичных электронов на фронте высокоскоростной волны ионизации и возможность получения в них метастабильных атомов с плотностью, сопоставимой с плотностью электронов плазмы. Плотность метастабильных атомов инертных газов в продольных
наносекундных разрядах при давлениях газа несколько десятков Тор может достигать величин порядка 1014 см-3 [7, 9]. При взаимодействии с такой средой лазерного излучения наносекундной длительности могут проявиться принципиально новые лазерно-индуцированные эффекты, обусловленные как нелинейными свойствами, так и коллективными эффектами с участием метаста-бильных состояний атомов [4, 5, 10-13].
Несмотря на значительное число исследований электрических характеристик таких систем и параметров ВВИ, в литературе практически отсутствуют работы по изучению нестационарных оптических спектров пропускания в условиях формирования и распространения ВВИ в плазменных волноводах.
Целью данной работы является проведение комплексных экспериментальных исследований, направленных на установление взаимосвязи между электрокинетическими характеристиками ВВИ, концентрацией возбужденных атомов на метаста-бильных уровнях и лазерно-индуцированными эффектами в плазме высоковольтных наносе-кундных разрядов, развивающихся в режиме генерации высокоэнергетичных электронов в плазменных волноводах.
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В данной работе в качестве плотной резонансной поглощающей среды с узкими резонансами использована плазма наносекундных электрических разрядов в инертных газах, формируемая в цилиндрическом волноводе за фронтом ВВИ. Процессы формирования высокоскоростных волн ионизации при наносекундном электрическом пробое газов в длинных экранированных трубках к настоящему времени достаточно хорошо изучены (см., например, [6—8]). В таких системах локализация электрического поля на фронте высокоскоростной волны ионизации создает условия для формирования группы высокоэнер-гетичных электронов в области фронта ВВИ, что является необходимым условием эффективного заселения возбужденных, в том числе и метаста-бильных, состояний атомов. Таким образом, процесс формирования заданных оптических свойств продольных наносекундных разрядов следует изучать в комплексе с процессами генерации высо-коэнергетичных электронов и их энергетической релаксацией на фронте и за фронтом волны ионизации.
В данной работе комплексные исследования электрокинетических и оптических свойств на-носекундного разряда в экранированных трубках были выполнены при различных начальных условиях (давлениях газа и амплитудах высоковольтных импульсов напряжения на электродах плазменного волновода), а также при нескольких режимах формирования и распространения ВВИ.
Плазменный волновод представлял собой стеклянную газоразрядную трубку длиной 50 см с внутренним диаметром 1 см, снабженную внутренними электродами. Электроды изготовлены из алюминия в виде полых цилиндров, сквозь которые распространялось зондирующее плазму лазерное излучение и регистрировалось оптическое излучение самого разряда вдоль трубки. Разрядная трубка помещалась в металлический экран диаметром 2 см, который вместе с разрядной трубкой представлял собой плазменный волновод. Напуск газа и откачка разрядной камеры производились через два специальных отвода на электродах, соединенных с вакуумной системой и баллоном с газом (рис. 1).
Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. Для формирования высокоскоростных волн ионизации был разработан специальный генератор высоковольтных импульсов напряжения, собранный по трансформаторной схеме в коаксиальном исполнении, в котором первичная обмотка состояла из четырех витков, а вторичная — из двух обмоток по 12 витков в каждой. В качестве коммутирующего устройства в ГИН использовался керамический тиратрон типа ТГИ-130/10. Такой генератор позволял одно-
Рис. 1. Схема плазменного волновода: 1 — кварцевое окошко, 2 — электрод, 3 — металлический экран, 4 — напуск и откачка газа, 5 — стеклянная трубка, 6 — изолятор.
временно вырабатывать два синхронизованных высоковольтных импульса напряжения с регулируемой амплитудой до 40 кВ с частотой следования до 100 Гц и с длительностью импульсов напряжения по полувысоте около 100 нс.
Для исследования электрических характеристик ВВИ вдоль разрядной трубки на определенных расстояниях друг от друга были установлены пять емкостных датчиков, причем два крайних датчика были установлены на расстоянии, превышающем двойной диаметр металлического экрана, что позволяло исключить влияние краевых эффектов на результаты измерения характеристик ВВИ. Рядом с каждым емкостным датчиком был установлен световой датчик (рис. 2), позволяющий регистрировать перемещение фронта оптического в ВВИ. Система емкостных и оптических датчиков давала возможность определить скорость распространения ВВИ, измеряя время задержки сигналов с любых двух датчиков. Кроме того, анализ амплитуд сигналов с емкостных датчиков позволял определить и коэффициенты затухания ВВИ в процессе распространения волны ионизации вдоль трубки.
Для измерения тока разряда между металлическим экраном и одним из электродов включался омический шунт обратного тока из малоиндуктивных сопротивлений. По величине измеренного тока, а также по коэффициенту затухания ВВИ оценивались плотность электронов за фронтом ВВИ. Напряжение на разрядном промежутке измерялось с помощью калиброванного делителя напряжения.
Для определения концентрации возбужденных атомов и исследования нестационарных оптических спектров пропускания в качестве источника зондирующего излучения был использован широкополосный лазер на красителях оксазин-17. Оптическая накачка лазера на красителе осуществ-
Спектрограф
ПЗС-камера
Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки для комплексной диагностики продольного наносекундного разряда в плазменном волноводе.
лялась эксимерным лазером на молекулах XeCl модели CL 5000 (ООО "Оптосистемы", Россия) со следующими параметрами: длина волны излучения лазера — 308 нм, длительность импульса генерации ~8 нс, частота повторения импульсов — до 100 Гц. Накачка лазера на красителе производилась через кварцевую цилиндрическую линзу по поперечной схеме накачки. Резонатор лазера на красителе был образован из плоского зеркала с коэффициентом отражения ~100% и клинообразной кварцевой пластинки. Спектр генерации лазера на красителе без селективных элементов в резонаторе имел ширину около 15 нм. Все измерительные приборы, сквозь которые проходило оптическое излучение от разрядной трубки, и сама разрядная трубка были жестко закреплены на оптической скамье. Разрядная камера с помощью микрометрического винта могла перемещаться и поворачиваться относительно оптической оси (рис. 2).
Регистрация оптических спектров спонтанного излучения разряда и спектров пропускания плазменного волновода производилась с помощью мо-нохроматора/спектрографа типа MS504i (SOL Instruments Ltd., Минск). Для регистрации спектрального распределения интенсивности излучения с монохроматором использовалась цифровая ПЗС-камера HS 102H с типом фоточувствительного прибора с переносом заряда (ПЗС) модели S9840 фирмы Hamamatsu. При исследовании электрических характеристик и сигналов с выхода ФЭУ в качестве регистрирующих приборов ис-
пользовались двухканальный аналогово-цифро-вой преобразователь (ЦЗО ACK-3151), подключенный к персональному компьютеру, или осциллограф типа Tektronix TDS 3032B, которые позволяли регистрировать измеряемые характеристики в цифровом виде.
Регистрация картин пространственного распределения собственного оптического излучения плазмы в поперечном сечении разрядной трубки производилась с помощью высокочувствительно
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.