Electrical parameters of a laser beam channel in atmosphere. I.pdf В работе [1] показано, что при взаимодействии мощного лазерного излучения с атмосферой происходит ионизация среды в зоне воздействия. В результате этого изменяются электрическое поле, электропроводность, подвижность зарядов как в лазерном пучке, так и возле него. Электрические параметры относятся к числу основных параметров, характеризующих канал распространения лазерного пучка. В канале распространения лазерного излучения в аэрозольной атмосфере происходит также изменение микрофизических параметров аэрозоля, сопровождающееся изменениями его оптических и электрических характеристик [2]. Поэтому исследования электрических параметров в зоне воздействия необходимы при создании лазерной системы молниезащиты, получении канала высокой проводимости в атмосфере. В реальной атмосфере большое влияние на степень ионизации в канале пучка, а следовательно, и на электропроводность помимо аэрозольной составляющей оказывают метеорологические параметры атмосферы, в частности ветер и влажность. Например, ветер определяет длительность воздействия излучения на конкретную частицу аэрозоля. Электропроводность канала, которая определяется характеристиками аэроионов [3], в первую очередь зависит от концентрации образовавшихся лёгких, средних и тяжёлых ионов, имеющих разную подвижность. Подвижность отрицательных ионов обычно больше, чем положительных. Влажность воздуха снижает подвижность ионов вследствие образования средних ионов и перезарядки лёгких ионов с образующимся водным аэрозолем. По этой причине подвижность утяжеленных ионов над сушей выше, чем над водной поверхностью. Коэффициент рекомбинации тяжелых ионов на 3-4 порядка меньше, чем легких. Образовать устойчивые отрицательные ионы могут лишь частицы, обладающие положительным электронным сродством, например атомы кислорода, углерода, молекулы кислорода, озона, окислов азота, атомы и молекулы хлора брома, йода и др. Реальная концентрация легких ионов в чистой атмосфере составляет 500-1000 см-3. Химический состав их также сильно разнится. Для тропосферного континентального аэрозоля разработана специальная модель на основе многочисленных экспериментов [4]. По этим данным в атмосферном аэрозоле дисперсионная функция содержит: SiO2 - 35 %, SO4-2 - 24 %, CO3 - 10 %, Ca2+ - 9 %, Fe2 O3 - 6 %, органика - 6 %. Для мелкодисперсного аэрозоля в атмосфере (размер частиц меньше 1 мкм) характерно повышенное содержание органики до 10-20 %, повышенное содержание ионов К+ (до 14 %). Эти факторы могут способствовать значительному снижению потенциала ионизации соединений, входящих в субмикронную фракцию. Проведённые оценки [5] с учётом среднестатистических характеристик реальной атмосферной трассы длиной в 1 км показали, что для CO2-лазера с частотой импульсов 104 Гц и энергией в импульсе 0.05 Дж средняя ионная концентрация составляет 104 см-3, следовательно, проводимость в канале в 50-100 раз превышает проводимость атмосферного воздуха. Исследования [6-8] электрической проводимости воздуха в зоне действия 20 нс KrF-УФ-лазерного луча с длиной волны 247 нм были проведены в диапазоне плотности мощности I = 3106-71010 Вт/см2. В области I = 3108-71010 Вт/см2 зависимость концентрации электронов от плотности мощности имеет квадратичный вид, а в области I = 3106-3108 Вт/см2 - линейна. Линейная зависимость может быть связана с одноквантовой или двухступенчатой ионизацией сложных органических примесных молекул с низкими потенциалами ионизации и промежуточными резонансными уровнями. Также в этом случае не следует исключать фотоионизацию аэрозольных частиц. Квадратичная зависимость характерна для двухквантового возбуждения кислорода в промежуточное состояние с последующей быстрой одноквантовой ионизацией. Однако ввиду сильного поглощения излучения на этой длине волны на длинных атмосферных трассах для практических задач предпочтительнее использовать лазер с длиной волны , для которой поглощение значительно меньше. Исследование электрической проводимости лазерного пучка в условиях оптического пробоя проводилось на установке, представленной на рис. 1. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - камера; 2 - конические зонды; 3 - прямоугольные зонды; 4 - лазерный источник; 5 - фокусирующая линза; 6 - источник питания; 7 - нагрузочное сопротивление R1; 8 - балластное сопротивление R2; 9 - осциллограф; 10 - ловушка излучения; 11, 12 - выключатели электродов; 13 - подложка для пыли; 14 - виброгенератор Проводимость среды измерялась внутри тефлоновой камеры 1, в которой укреплялись конические зонды 2 для ввода и вывода излучения вдоль трассы продольного лазерного луча и прямоугольные медные зонды 3 для создания электрического поля поперечного направления. Излучение лазера 4 фокусировалось линзой 5 (f = 0.5 м) через конический медный электрод 2 в центр камеры 1 и выводилось через второй трубчатый электрод 2. К зондам 2 и 3 подключался источник постоянного напряжения 6 через нагрузочное 7 и балластное 8 сопротивления, причём величина сопротивления намного превышала внутреннее сопротивление источника ЭДС 6. На запоминающем осциллографе 9 регистрировался сигнал с балластного сопротивления 7. После прохождения камеры излучение лазера попадало в оптическую ловушку 10. Включение и выключение напряжения на электродах производилось выключателями 11, 12. Для создания запылённости воздуха с целью увеличения вероятности пробоя в центральной зоне камеры 1 устанавливалась подложка 13 с источником аэрозольных частиц и виброгенератором 14. Распылялись частицы Al2O3 (среднеквадратичный размер d ~ 5-10 мкм и концентрация Nч ~ 109 м-3. Источниками лазерного излучения служили импульсные лазеры на углекислом газе (λ = 10.6 мкм, энергия импульса 5 Дж, длительность основного пика генерации tи = 10-7 с) и на стекле с неодимом (λ = 1.06 мкм, энергия импульса 500 Дж, tи = 10-3 с). Как показали проведённые эксперименты, время существования проводящего канала (по уровню проводимости 0.1 σmax, где σmax - максимальная проводимость канала) для CO2-лазера на 2-3 порядка превышает длительность генерации излучения и составляет от 10-70 мкс для низковольтного напряжения на электродах (~ 5 В) до 100-500 мкс для высоковольтного напряжения (4-6 кВ). Для лазера на стекле с неодимом время жизни электропроводящего канала соста- вило ~ 510-4 с, что примерно в 2 раза меньше длительности лазерного импульса. Отметим, что в данном случае плотность энергии P ~ 2•107 Дж/м2 недостаточна для инициирования развитого пробоя и проводимость в основном связана с ионизацией парового ореола частиц. Для плазмы, создаваемой CO2-лазером, при высоком напряжении между электродами проявляется осциллирующий характер поведения электрической проводимости (f ~ 5•104 Гц). На рис. 2 показан временной сигнал с сопротивления R1, характеризующий опосредованно изменение электропроводности в канале. Рис. 2. Зависимость сигнала на нагрузочном сопротивлении R1 от времени При напряжении источника 6-5000 В, R1 = 103 Ом, R2 = 106 Ом через 8•10-5 с сигнал максимален и составляет 7 В. Такой сигнал может появиться, если сопротивление всей цепи уменьшится до 7•105 Ом или в цепи появится дополнительный источник напряжения, эквивалентный 2000 В и включенный последовательно с основным источником 6. В момент 2•10-5 c сигнал уменьшается до ~ 2 В, что равнозначно увеличению полного сопротивления до 2.5•106 Ом. Второй максимум при 2•10-4 c наступает, если величина напряжения дополнительного источника напряжения в цепи достигает 1000 В. В дальнейшем источник дополнительной ЭДС рассасывается и сопротивление между электродами резко возрастает, но весь процесс носит колебательный характер. Колебания проводимости связаны с движением электронов плазмы пробоя в электрическом поле. При этом электрон приобретает дополнительную энергию Ev. Но движение электронов тормозится действием положительного поля оставшихся ионов. И когда энергия движения электронов Ev = 0, то начинается обратный процесс: электроны устремляются к ионам, сначала набирают скорость, но под действием внешнего поля движение их замедляется и скорость становится равной нулю. Затем процесс происходит в обратном режиме. То есть под действием поля электроны движутся в противоположном направлении и снова набирают скорость, затем за счёт поля ионов движение замедляется и скорость становится равной нулю. И так процесс колебаний продолжается до тех пор, пока рекомбинационные процессы не приведут к распаду плазмы. При максимальном отклонении электронов, когда Ev = 0, oбразуется дополнительный источник электроэнергии, включенный последовательно с основным источником. При этом разность потенциалов на сопротивлении R1 возрастает по сравнению с тем, что фиксировалось при замыкании электродов. Когда электроны двигаются в противоположном направлении в поле положительных ионов, наведённый источник прекращает своё действие и проводимость становится положительной. Измерения ионной проводимости канала пучка CO2-лазера в допробойном режиме были проведены и в натурных условиях, результаты которых показаны на рис. 3. В этом случае использовался лазерный источник с длиной волны λ = 10.6 мкм со средней плотностью мощности на трассе 109 Вт/м2 и длительностью импульса 10-6 c. Схема измерений была аналогичной, приведённой на рис. 1 для измерения электропроводности лазерной плазмы. Только здесь использовались коаксиальные медные электроды. Электроды имели длину 0.4 м, диаметр выходного отверстия - 0.02 м, внешнего - 0.04 м, толщина стенок - 310-3 м. Излучение лазера 4 через телескоп Кассегрена сначала выводилось в свободную атмосферу и затем фокусировалось в области установки коаксиальных медных электродов. Лазерное излучение проходило конические медные электроды, установленные на тефлоновых изоляторах, и в конце трассы на расстоянии 70 м попадало в оптическую ловушку 10. К электродам через последовательные сопротивления 7, 8 100 и 300 МОм прикладывалось высоковольтное напряжение (5-10 кВ) от источника ЭДС 6. Электрический сигнал проводимости регистрировался с сопротивления 7 с помощью осциллографа MDO 3000 9. Коаксиальные медные электроды устанавливались соосно между собой и осью CO2-лазера. Расстояние между коаксиальными медными электродами регулировалось от одного до 15 см. Рис. 3. Зависимость средней ионной концентрации от расстояния между электродами С целью увеличения чувствительности схемы балластные сопротивления 7 и 8 выбирались порядка ~ 108 Ом. Ток, протекающий между электродами, рассчитывался по формуле , (1) где - концентрация, заряд и подвижность ионов соответственно (ui = Vдр / Е; Vдр - дрейфовая скорость движения ионов во внешнем электрическом поле напряжённостью E). Регистрируемый сигнал , (2) где - плотность тока между электродами; - площадь электродов, между которыми течёт ионный ток; - входное сопротивление осциллографа (в данном эксперименте = 106 Ом). Если для обычного атмосферного воздуха ~ 5•108 м-3, ~ 1.6• 10-9 K, ~ 2.5 см2•В-1•с-1 (в случае лёгких ионов), то при E = 5•105 В/м Sэ = 10-2 м2. Сигнал на осциллографе составлял 0.410-4 В и был сопоставим с уровнем внешних помех. При лазерном воздействии сигнал в течение (4-10)10-2 с увеличивался до 0.1-0.8 В, что примерно на три порядка больше, чем для обычного атмосферного воздуха. На рис. 3 показано изменение средней ионной концентрации в зависимости от расстояния между электродами. Видно, что средняя концентрация ионов ni на расстоянии до 6 см между электродами составляет более 5105 см-3. Спад концентрации ионов с расстояния 6 см объясняется рассасыванием облака ионов в окружающее пространство атмосферы, а также уменьшением напряжённости электрического поля, в котором находятся ионы. Время регистрации ионной проводимости , где - характерная область с ионной проводимостью, - скорость ветра. При = 0.2 м, = 5 м/с время регистрации = 40•10-3 с, что совпадает с временем регистрации, полученным в эксперименте. Выводы 1. Проведённые эксперименты с CO2-лазером ( мкм, энергия в импульсе Еи ~ 5 Дж, длительность основного пика генерации ~ 310-7 с) показали, что время существования проводящего канала для CO2-лазера на 2-3 порядка превышает длительность генерации излучения и составляет от 10-70 мкс для низковольтного напряжения на электродах (~ 5 В) до 100-500 мкс для высоковольтного напряжения (4-6 кВ). Для лазера на стекле с неодимом ( мкм, Еи ~ 500 Дж, ~ 10-3 с) время жизни электропроводящего канала составило ~ 510-4 с, что в 2 раза меньше длительности лазерного импульса. Для плазмы CO2-лазера обнаружен осциллирующий характер поведения электрической проводимости (f ~ 5104 Гц), который наблюдался только при высоком напряжении (1000-5000 В). 2. Натурные атмосферные измерения с лазерным источником с длиной волны λ = 10.6 мкм, с плотностью мощности на трассе 109 Вт/м2 выявили повышение электропроводности воздушной среды на 2-3 порядка по сравнению с электропроводностью невозмущенной среды. Повышенная ионная проводимость канала лазерного пучка может быть использована для создания лазерных антенн и инициирования разрядов грозового электричества. В отличие от длинной лазерной искры в атмосфере, такой канал может иметь протяжённость сотни метров и километров при сравнительно низкой энергетике излучения.

Скачать электронную версию публикации