Low threshold ionization effects in the laser radiation propagation channel.pdf Распространение мощного лазерного пучка в газодисперсных средах или в атмосфере с фоновым аэрозолем сопровождается широким спектром эффектов, связанных с тепловыми, акусто-гидродинамическими и ионизационными процессами, которые протекают как в окрестности дисперсных частиц, так и в масштабах пучка [1, 2]. Следует принять во внимание, что до начала режима развитого испарения и взрыва аэрозолей вследствие инициирования химических реакций в интенсивном оптическом поле возможен режим горения и детонации газодисперсной среды. Последние явления протекают при значительно меньшем выделении энергии в единице объёма [3-6]. Минимальная энергия, необходимая для воспламенения, например, микрочастиц металла связана с параметрами среды [7]. Данные по кинетике гетерогенного окисления металлов показывают, что в основном энергия активации гетерогенных процессов окисления меньше теплоты испарения, соответствующих металлов [4-6]. Ниже рассматриваются физические механизмы и энергетические пороги ионизации при различном воздействии на аэрозольно-газовые среды. На рис. 1 приведены данные по энергии активации окисления и теплоты испарения некоторых металлов [3, 7-9]. Результаты показывают, что с повышением температуры дисперсных частиц в зоне радиационного воздействия скорость испарения превышает скорость гетерогенного окисления начиная с некоторой температуры. Рис. 1. Энергия активации окисления L и теплота испарения E металлов: 1 - Zn, 2 - Mg, 3 - Hf, 4 - Sn, 5 - Si, 6 - Cr, 7 - Cu, 8 - Be, 9 - Ti, 10 - Fe, 11 - Ni, 12 - U, 13 - Zr, 14 - Nb Скорость испарения дисперсных частиц нелинейно возрастает с повышением температуры. Для вольфрама она изменяется от 10-10 до 10-1 г/(см2∙с) при изменении Т от 2300 до 4800 К, молибдена - 10-10 до 30 г/(см2∙с), при изменении Т от 2300 до 4800 К, тантала - 10-10 до 1 г/(см2∙с) при изменении Т от 2050 до 5000 К. При высоких температурах гетерогенная реакция окисления поверхности микрочастиц переходит в реакцию окисления паров. Критическая энергия и температура воспламенения микрочастиц некоторых металлов представлены в табл. 1 [10]. Таблица 1 Критические условия воспламенения металлов Металл (4.2∙106), Дж/кг Тв, К d, мкм Al 8.3 2570 14 Mg 9.0 2720 17 B - 1700 10 Следует отметить, что минимальная температура воспламенения субмикронных металлических частиц связана c минимальной толщиной оксидного слоя по поверхности частиц, не препятствующего развитию гетерогенной реакции при взаимодействии поверхности частиц с кислородом. Эксперименты, выполненные с частицами Al диаметром 0.1-1.0 мкм, при концентрации кислорода 17-41 %, показали, что минимальная температура воспламенения составляет 500-600 К [9]. При воздействии лазерного излучения на микрочастицы их температура сложным образом зависит от условий теплообмена с окружающей средой и фактора эффективности поглощения лазерного излучения. Так, для алюминиевых одиночных частиц размером 400 мкм критическая интенсивность воспламенения при воздействии излучения с  = 10.6 мкм составляет Wкр = = 5.51012 Вт/м2, для частиц размером 1-30 мкм Wкр = 108-109 Вт/м2 [8]. Средняя скорость пламени при этом составляет 2-8 м/с [11]. Для органической пыли энергия активации воспламенения находится в диапазоне 40-100 кДж/кМоль [12]. Время задержки воспламенения составляет 35-105 мкс для угольной пыли, 200-1000 мкс - для пшеницы, 2-20 мкс - для муки. При интенсивностях W >> Wкр энергия излучения, необходимая для воспламенения, возрастает линейно с увеличением размера частиц [13]. Для аэровзвесей Wкр на 2-3 порядка ниже, чем для одиночных частиц, и зависит как от диаметра луча, так и от концентрации микрочастиц в объёме облучения. Для частиц Al при изменении диаметра пучка от 1 до 4 см величина Wкр изменяется от 8∙106 до 106 Вт/м2. При массовой плотности частиц Mg B = 0.4 кг / м3 при тех же параметрах значения Wкр приблизительно в 2 раза выше. При изменении массовой концентрации дисперсных частиц от 100 до 400 кг/м3 Wкр = (900-550)104 Вт/м2 - для частиц Al и Wкр = (1100-1800)104 Вт/м2 - для частиц Mg [13]. При определённых соотношениях концентрации дисперсных частиц и окислителя возможен переход горения в детонационный режим. Для порошка Mg со среднемассовым размером частиц dm  17 мкм детонация наблюдается только в диапазоне концентраций B = 0.6-0.8 кг/м3 [14], причём скорость детонации практически не зависит от концентрации и составляет D = 1250 м/с. Что касается избыточного давления при детонации, то оно составляет (2-14)105 Па при изменении концентрации частиц в пределах 0.07-2 кг/м3. Наибольшая детонация наблюдается в аэровзвесях Al, Mg, Ti, наименьшая - в аэровзвесях Fe, Ta, Nb [8]. Исследование условий детонации органической пыли показало, что скорость волны детонации составляет 1300-2000 м/с, давление - до 5106 Па, а оптимальная концентрация B = 0.2-0.3 кг/м3 [15]. Температура за фронтом ударной волны для такой пыли достигает максимума (2400-2750 К) через 200-400 мкс. В смесях с 40 % O2 максимальная температура за фронтом детонации 3000- 3550 К [14]. Эксперименты показали, что для органической пыли оптимальный диаметр частиц, при которых происходит детонация, составляет 50-100 мкм [16]. Для угольной пыли параметры детонации ниже. Так, при концентрации пыли 0.35 кг / м3, содержащей 85-90 % частиц размером менее 75 мкм, избыточное давление на фронте волны составляет (0.7-2.8)105 Па, средняя скорость 100-300 м/с и температура воспламенения микрочастиц размером d  8105 м равна 820 К [17]. При воздействии электромагнитного излучения на некоторый объем горючей среды, в которой находятся угольная пыль или молекулы азота, кислорода, метана, разрушение одной молекулы, например метана, происходит при энергии кванта электромагнитного излучения 14.08 эВ, или 1356 кДж/моль [8]. Атомы водорода, углерода и кислорода будут отрываться при поглощении энергии соответственно 3.46, 3.61 и 3.64 эВ на 1 атом или 339, 339 и 351 кДж/моль. Для инициирования химических реакций необходимо разорвать молекулу кислорода на атомы с помощью фотонов с энергией 5.13 эВ на молекулу или 494 кДж/моль. При формировании молекулярных структур из атомов происходит выделение энергии. Рассмотрим этот процесс на следующих примерах. У атома углерода два электрона на внутренней орбите не изменяют своего состояния, а четыре электрона, находящихся на его внешней орбите, соединяются с двумя электронами каждого из двух атомов кислорода. Атомы кислорода, в свою очередь, предоставляют по два электрона для формирования связи с атомами углерода. При образовании одной молекулы диоксида углерода (СО2) выделяется энергия 7.48 эВ, или 720 кДж/моль. Образующиеся две молекулы воды 2Н2О при объединении четырех атомов водорода выделяют 9.06 эВ и при присоединении двух атомов кислорода - 5.15 эВ. Всего выделяется 14.19 эВ, или 1367 кДж/моль. Кроме того, одновременное излучение фотонов при образовании двух молекул воды выделяет еще 5.98 эВ, или 576 кДж/моль, и в результате генерирует энергию взрыва 20.17 эВ, или 1943 кДж/моль. Для разрушения одной молекулы СН4 и одной молекулы О2 необходима энергия 19.21 эВ. При образовании молекула СО2 и 2Н2О выделятся 27.65 эВ, т.е. в 1.44 раза больше, чем было затрачено. Избыток выделенной энергии, относительно затраченной первоначально, инициирует продолжение процесса в горючей среде. Распространение горения в пылевой и в метано-воздушной средах во многом похожи. Скорость распространения фронта горения и возможность взрывного продолжения процесса зависит от концентрации метана или дисперсной пыли в воздухе. Оценки показывают, что при концентрации электронов 1012 см-3 и Е = 1 кВ/см энергия, выделяемая в единице объема за 1 с, Е2 ~ 108 эрг/(см3с) [17-19]. Типичная скорость тепловыделения в химических реакциях горения составляет 1010 эрг/(см3с), т.е. «джоулева» добавка невелика по сравнению с теплом, выделяющимся в основных химических реакциях. Характерное пространственное распределение электронов и ионов в пламени представлено на рис. 2 [16, 19-21], где х - пространственная координата вдоль оси пламени. В холодном газе (область 1) ионизация мала и обусловлена диффузией. В области 2, которую определяет ширина пламени ~ /u, где  - температуропроводность газа, u - скорость распространения пламени, происходит резкое увеличение концентрации ионов до максимального значения. Образующиеся ионы диффундируют в область 3, где происходит их рекомбинация [7, 22, 23]. Из экспериментальных данных следует, что далее в области 4 концентрация ионов не меняется [22, 23]. При различных условиях горения значения концентрации ионов находятся в пределах ~1012-1013 см-3. Рис. 2. Пространственное распределение электронов и ионов В случае детонации аэровзвеси, например состоящей из частиц Al, под воздействием внешнего источника (электрического поля, химической реакции, лазерного пробоя) средняя скорость детонационной волны составляет 0.1-1.5 км/c, давление - 20-100 атм, температура - 500-2200 К, длина зоны детонации - 2-30 м [15]. Электропроводность в объеме, в котором наблюдается детонация, достигает 10-2-1 См/м. В работе [24] проведено численное моделирование оптического пробоя для частиц корунда (Al2O3: r0 = 0,1 мкм, Kп = 0.04, n ~ 109 см-3), диспергированных в газовой смеси Н2:F2:Не с различным содержанием фтора и гелия [24]. Парциальное давление фтора PF варьировалось от 100 до 1000 мм рт.ст. Как известно, опти¬ческий пробой возникает при опре¬деленном пороговом значении интенсивности лазерного излучения I. При превышении интенсивности излучения I ~ 5109 Вт/см2 в среде развивается электронная лавина и через некоторое время возникает сама плазма лазерного пробоя. На рис. 3 приведены зависимости концентрации (Ne) и температуры (Te) электронов в режиме детонации аэровзвесей от интенсивности лазерного излучения (I). Из рисунка видно, что при интенсивности лазерного излучения 17- 28 Вт/см2 концентрация электронов возрастает до значений 61014 см-3 [25]. Рис. 3. Концентрация (Ne) и температура (Te) электронов в режиме детонации аэрозоля Следует отметить, процесс горения может перейти в детонационный режим при определённом выделении внешней энергии (электромагнитной, тепловой) [21]. Средняя энергия инициирования детонации аэровзвесей составляет 5-20 МДж. При лазерном воздействии интенсивность излучения для микросекундного CO2-лазера составляет (5-30)109 Вт/см2, концентрация электронов (3-4.5)1014 см-3. Средние параметры поджига различных аэровзвесей представлены в табл. 2, где Nmin - минимальная концентрация частиц, необходимая для их пожига; Tи - температура искрового поджига; Tсв - температура самовозгорания; О2(%) - процентное содержание кислорода; Еподж - энергия внешнего поджига. В зависимости от вещества минимальная концентрация Nнв изменяется от 2.5 для нафталина до 158 г/м3 для муки. Энергия внешнего поджига составляет 13-30 мДж. Из таблицы видно, что минимальная энергия поджига, равная 13-15 мДж, наблюдается для муки и алюминиевой пыли. Таблица 2 Условия поджига аэровзвесей внешним источником Вещество Nmin, г/м3 Tи, °С Tосв, С О2¬(%) Еподж, мДж Пробковая мука 15 522 817 10 Крахмал, пыль 40 - - 10 30 Сера 2.3 232 2 - Органическое стекло, 74 мкм 12.6 260 460 - - Алюминевая пыль 40-58 - 640 - 15 Мука 158 - - - 13-14 Нафталин 2.5 - - - - Заключение В незапылённой (чистой) атмосфере для создания длинных каналов ионизации необходимо излучение с высокой мощностью. Практическая реализация каналов ионизации в аэрозольно-газовых смесях, как показывают исследования, вполне возможна при использовании энергетических установок с мощностью на 2-3 порядка ниже необходимой для создания ионизационных каналов в чистой атмосфере. Фазовые переходы и различные химические реакции в газодисперсных средах способствуют повышению уровня ионизации и снижению порогов оптического пробоя в каналах мощных лазерных пучков. Причем экзотермические реакции, идущие со значительным выделением энергии в единице объёма, представляют наибольший интерес. При лазерном инициировании таких реакций возможно получение значительно большего (на порядки) энерговыделения в единице объёма среды, чем было в неё вложено. При поджиге пыли наиболее низкий порог воспламенения у серы, для металлов - у алюминия. Создание длинных каналов ионизации в режиме горения со средней концентрацией электронов 1012 см-3 возможно только при предварительном распылении аэрозоля вдоль трассы лазерного луча со средней концентрацией частиц 2-160 г/м3 и энерговкладом 15-30 мДж. Протяжённые каналы с концентрацией электронов вдоль трассы порядка 1014 cм-3 и более можно создать, используя детонационный режим с предварительным вкладом энергии 15-50 мДж. При этом средняя интенсивность, например излучения СО2-лазера наносекундной длительности, составляет 5107 Вт/см2. Последнее позволяет использовать на практике промышленные лазеры. При этом необходимый энерговклад может быть осуществлён в режиме горения аэровзвеси с дальнейшим переходом волны горения в детонационный режим.

Скачать электронную версию публикации