Research of the possibility of extended ionization channels creation in aerozol-gas suspension under laser exposure.pdf Введение Воздействие лазерного излучения с интенсивностью 107-1014 Вт/м2 на газодисперсные среды может вызвать целый ряд необратимых диссипативных процессов, связанных с радиационным нагревом, испарением, диссоциацией, фрагментацией и ионизацией аэрозольной компоненты и её паров, а также сопутствующими химическими реакциями. В работах [1-8] рассмотрены эти явления и показана принципиальная возможность оптического пробоя в атмосфере, при интенсивностях 1012-1014 Вт/м2 и при наличии на трассе дисперсных частиц размером 1-10 мкм и более. Причем наибольший интерес представляют длинные каналы ионизации атмосферы, инициированные очагами пробоя. В настоящее время продолжаются исследования, позволяющие создавать эффективную систему лазерной молниезащиты [9-12]. Ее основой является длинная лазерная искра, соединяющая грозовое облако с заземленным металлическим стержнем - классическим молниеотводом. Максимальные длины управляемого лазерной искрой электрического разряда ~ 16 м были получены в России и Японии при использовании импульсных СО2-лазеров с энергией до 0.5 кДж и сферической оптики. Позднее было показано, что длинная лазерная искра с хорошей проводимостью канала и временем его включения получается с помощью конической оптики [9, 13]. Для направления электрических разрядов с использованием лазерной искры в основном рассматриваются импульсные субмикросекундные СО2-, DF-лазеры и фемтосекундные твердотельные лазеры [13]. Расчёты плотности мощности импульсных CO2-лазеров с длительностью 10-9 с, необходимой для создания длинной сплошной лазерной искры длиной в 1000 м и с концентрацией электронов 1012 см-3, показали, что начальная интенсивность пучка должна быть не менее 1011 Вт/cм2 [9]. Известно, что под действием лазерного излучения в аэрозольно-газовых средах могут инициироваться экзотермические реакции [1, 2], в результате чего должен снижаться порог интенсивности, приводящей к ионизации среды по трассе распространения излучения, что, в свою очередь, представляет интерес в создании лазерных и плазменных антенн [3, 8, 11-14]. Поэтому целью настоящей работы является исследование физических механизмов, в результате которых повышается электропроводность аэрозольно-газовых сред под действием лазерного излучения и появляется возможность создания длинных проводящих каналов при минимальных энергетических затратах. Процессы при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом В объёме лазерного пучка с повышенной энергетикой изменяется агрегатное состояние вещества и его временные и пространственные масштабы. Это происходит из-за различных физических процессов, происходящих под воздействием излучения. К числу их относятся испарение, кипение, взрыв капель и др. Энергетические границы, в которых проявляются эти процессы, можно оценить по диаграмме фазовых переходов. В основу построения диаграммы положим следующие рассуждения. В канале мощного лазерного излучения происходит диссипация. Эффективность диссипации характеризует коэффициент поглощения п. Энерговклад в единицу массы вещества пропорционален интенсивности излучения (где I - интенсивность излучения, Вт/м2; 0 - плотность вещества, кг/м3; - время воздействия). Сравнивая энерговклад с величинами энергетических барьеров веществ ∆Н за характерное время «включения» потерь, можно установить соответствие интенсивности инициируемому механизму воздействия. Основными энергетическими барьерами являются нормальная энтальпия испарения Hп и приращение энтальпии, необходимые для нагрева вещества до точки кипения Hк и до границы абсолютной неустойчивости вещества Hs [1]. Смысл первой величины очевиден, вторая позволяет оценить мощность излучения, при которой давление паров уравновешивается с атмосферным и далее наступает интенсивное поверхностное испарение. Третья величина характеризует уровень интенсивности, необходимой для достижения абсолютной термодинамической неустойчивости и взрывного распада вещества. К другим энергетическим характеристикам физических процессов следует отнести удельную кинетическую энергию вещества при характерных для взрыва скоростях разлёта , удельную теплоту горения ∆F и поверхностную свободную энергию при развитой фрагментации единицы массы вещества [2]. Энергетические потери в канале пучка (механические, тепловые, радиационные) зависят и от ограниченности области воздействия. Важнейшими временами энергетических потерь в этом случае являются: время распространения тепла через область воздействия tп ≈ l2/v (тепловые потери) и время распространения звука ts ≈ l/s, где  - коэффициент температуропроводности среды, s - скорость звука. Здесь l является либо размером частицы, либо расстоянием, на котором происходит экстинкция, либо размером «горячей точки» [14], либо другим характерным размером области воздействия лучистой энергии. На рис. 1 представлена энергетическая диаграмма фазовых переходов в поле лазерного излучения для капель воды радиуса 5 мкм, при условии однородного тепловыделения. По оси ординат отложен уровень энерговклада в единицу массы вещества, по оси абсцисс - время воздействия в секундах. «Критериальные кривые» , , построены по данным работ [1, 2, 14]. Выделим уровни энерговклада 1, 2, 3, соответствующие точкам пересечения кривых , и уровни , tп - : ts,п = С помощью диаграммы фазовых переходов можно идентифицировать процессы воздействия излучения на микрочастицу. В каждой полосе, ограниченной уровнями 1, 2, 3, реализуется тот или иной режим воздействия, который характеризуется энерговкадом и временем воздействия [2, 14]. Задавая какое-либо значение интенсивности и двигаясь параллельно временной оси, можно проследить прохождение различных стадий процесса и оценить их длительность. В рассматриваемом случае видно, что при энерговкладах ниже уровня 1 механические и тепловые потери включаются раньше, чем достигается какой-либо из этих энергетических барьерных режимов. Вблизи уровня 1 температура вещества близка к точке кипения и происходит интенсивное испарение с поверхности, которое заканчивается за время t ~ 310-6-710-5 c. В полосе, ограниченной уровнями 1 и 2, наблюдается поверхностное испарение перегретой жидкости (нагретой выше температуры кипения) и тепловые потери включаются раньше, чем достигается граница абсолютной термодинамической неустойчивости. Перегретая жидкость является примером неравновесной системы. В ней возникают такие специфические динамические явления, как взрывообразное вскипание за счёт запасённого тепла, неустойчивость поверхности раздела жидкость - пар, формирование фронта фазового перехода. В полосе 2-3 идёт изобарный одновременный нагрев до границы абсолютной неустойчивости. Абсолютная неустойчивость - это вид неустойчивости, при котором малое начальное возмущение в любой точке пространства неограниченно нарастает с течением времени. В этом случае (тепловые потери отсутствуют) происходит взрыв. Далее идёт испарение двухфазной среды (за время ~ 10-6 c) при энерговкладах 4.21012 Дж/кгс. Выше уровня 3 возможна ситуация, при которой энергия испарения Нп (расходуется) закачивается изохорически. Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля. За время t < ts, возникает закритическое состояние, релаксирующее далее по газодинамическим законам (изобарный, изохорный, изотермические процессы). В сверхкритическом состоянии, в области выше критических температуры и давления, не существует границы раздела фаз между жидкостью и газом, а есть единая текучая, относительно плотная, легко сжимаемая среда, не имеющая постоянного объема. В такой форме вещество, с одной стороны, все еще обладает существенной растворяющей способностью, подобно жидкостям, а с другой - обладает транспортными характеристиками, больше характерными для газов, - низкой вязкостью, легко варьируемой плотностью, высокими коэффициентами диффузии. Рис. 1. Энергетическая диаграмма фазовых переходов в поле лазерного излучения Естественно, энергетические диаграммы позволяют идентифицировать процессы воздействия без учета их кинетики. Еще одним из ограничений является следующее обстоятельство. Для многих твёрдых веществ, широко распространённых в природе, в настоящее время нет достаточно достоверных данных о границах фазовых переходов. К примеру, для углерода нет полной ясности в объяснении P-T-диаграммы [15]. Температура тройной точки углерода по данным разных авторов составляет Тт = 4000-5000 К, давление Pт = 107 Па, Тк = 6800 К. Однако в атмосфере кислорода при T = 1000 К происходит воспламенение углерода и его сгорание [15, 24]. Это и означает, что для данного случая диаграмма, показанная на рис. 1, не реализуется. Только в атмосфере инертных газов (He, Ar, Ne) при воздействии излучения с длиной волны  = 1.06 мкм и интенсивностью ~ 31010 Вт/м2 наблюдали испарение жидкого углерода [16] при давлении 107 - 108 Па и температуре 5000-7000 К. Металлы в интенсивном оптическом поле Многие аэрозольные частицы, находящиеся в атмосфере, содержат оксиды металлов, например Al2O3, CuO, Fe2O3 и др. Выясним, как изменяются основные параметры металлов в интенсивном оптическом поле. Для металлов критические параметры (температура, плотность, давление) измерены непосредственно только для ртути и цезия [17]. Критическая температура 14 металлов (Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al, Pb, Zr, Hf, Nb, Mb, W, Pt, Re) и ртути, определённая экспериментально по данным электрического взрыва проводников [17], линейно зависит от теплоты сублимации металла v0 при T = 0 [18]: Ткр = m + n v0 , (1) где m = 1000 К; n = 54 кмоль/ккал. При использовании данных работ [10, 18] для v0 с помощью (1) можно получить следующие значения Ткр: Bi - 2440, Fe - 6330, In - 4140, Mo - 9470, Ni -8280, Ta - 11080, Ti - 7030, V - 7590, R - 11950 К. Критическую плотность металлов можно оценить по значению плотности жидкого металла пл в точке плавления Тпл и производной вблизи Тпл, которая для многих жидких металлов остаётся постоянной вплоть до температуры, превышающей нормальную температуру кипения [19]: . (2) Критическое давление металлов находится по известным значениям с использованием фактора [10, 17, 18] , (3) где - удельная газовая постоянная; кр - объём вещества, в котором достигаются критические параметры. Например, для цезия Zкр = 0.20, для ртути Zкр = 0.41 [19]. Значения критических параметров некоторых металлов приведены в табл. 1. Интенсивность лазерного излучения, при которой взрывной механизм разрушения металлов становится преобладающим, должна удовлетворять условию, при котором время нагрева поверхности металла до точки спинодали tsp ≤ 10-5 c [19]. Если прогрев аэрозольной частицы осуществляется в основном за счет теплопроводности, то связь между Iкр и Tsp определяется соотношением [15] , (4) где ,  - теплопроводность и температуропроводность металла; r - коэффициент отражения, Tsp - температура металла в точке спинодали. Глубина x0, на которой температура в момент tsp составляет T = 0.5Tsp, равна . (5) Таблица 1 Критические параметры металлов Металл Ткр, K кр, кг/м3 Pкр108, Па Cu 5450 2350 3.3-6.8 Ag 4220 3250 2.1-4.3 Au 6990 5200 3.0-6.2 Zn 3310 2000 1.7-3.5 Cd 2610 2750 1.05-2.2 Al 3940 720 1.7-3.5 Pb 4150 3020 1.0-2.1 Величины Iкр соответствуют стационарному и фазовому взрыву приповерхностного слоя металла, который начинается в окрестности точки спинодали. Под действием импульса с tsp  10-5 c при интенсивности излучения, обеспечивающей взрывной режим испарения металлов, наблюдается цикличность в чередовании взрывов [17]. Причём в каждом их них выбрасывается слой металла толщиной x0. Значения Iкр при tsp ≤ 10-8 с соответствует нестационарному фазовому взрыву, который определяется механизмом распада жидкой фазы в области её термодинамической неустойчивости. Как показали эксперименты [17], выполненные с электрическим взрывом медных проводников, для реализации состояния термодинамической неустойчивости за время (1-5)10-8 с требуется энергия, примерно в 4 раза превышающая значение энтальпии в начальной точке взрыва Hэ. В расчёте на единицу исходного объёма эта величина составляет 8.5106 кДж/м3. Если время действия лазерного импульса tи  10-8 с, то подобное наблюдается при значении плотности потока, превышающем 1010 Вт/м2. При действии на металлы наносекундных импульсов с интенсивностью I  1013 Вт / м2 из зоны облучения выбрасывается смесь, состоящая из плазмы (T  105 К) и жидкого металла [20]. Такая ситуация соответствует характеру нагрева при неустойчивой фазе, в которой температура более горячих областей должна расти за счёт понижения температуры более холодных областей. Неизбежность фазового взрыва жидкости в условиях её импульсного нагрева со скоростью  108 К/c следует из термодинамики перехода жидкости в пар [17]. В табл. 2 приведены некоторые критические параметры взрывного испарения металлов по данным [17-19]. Фазовые взрывы, превращающие жидкость в пар, сами по себе не приводят к ионизации. Расчёты показывают, что для ионизации паров испарённого вещества требуется энергия, в 5-10 раз превышающая энергию испарения, и для коротких лазерных импульсов наносекундного диапазона средняя интенсивность излучения составляет 109-1011 Вт/см2 [3]. Таблица 2 Критические параметры взрывного испарения металлов Металл 102, Вт/(мK) 10-4, м2/c Iкр1010, Вт/м2 при tsp, c 10-5 10-7 10-8 Ag 0.12 0.06 0.43 4.3 14 Cs 1.2 2.68 0.75 7.5 24 Cu 1.6 0.47 6.33 63.3 200 Al 0.95 0.33 4.34 43.4 137 Zn 0.58 0.16 1.97 19.7 62 Pb 0.17 0.11 0.92 9.2 29 Bi 0.14 0.10 0.55 5.5 17 Nb 0.71 0.27 7.12 71.2 225 Mo 0.84 0.18 9.50 95.0 300 W 0.92 0.25 11.2 112 353 Такая интенсивность даже для CO2- и ND-лазеров в области 10.6 и 1.06 мкм для длинных (сотни метров) атмосферных трасс является труднодостижимой задачей. Поэтому возникает необходимость рассмотреть более низкопороговые эффекты ионизации, связанные с химическими реакциями и приводящие к процессам горения и детонации. Выводы 1. Представленная энергетическая диаграмма фазовых переходов в зависимости от энерго¬вклада и времени воздействия лазерного импульса, позволяет идентифицировать процессы воздействия излучения на микрочастицы, включая тепловые и механические потери, перегретую жидкость и испарение с поверхности частиц, двухфазные и однофазные взрывы, закритическое состояние. 2. Проведенные оценки критических параметров металлов показывают, что наиболее низкой критической температурой и давлением обладает кадмий, в то время как для алюминия характерна наиболее низкая критическая плотность. 3. Данные по взрывному испарению металлов при времени воздействия лазерного импульса в диапазоне 10-5-10-8 с и интенсивностях 0.431010 - 3531010 Вт/ м2 указывают на то, что серебро, бериллий и свинец обладают наиболее низкими порогами взрывного испарения. 4. Для создания каналов ионизации на атмосферных трассах в режиме взрывного испарения требуется интенсивность порядка 108-1010 Вт/см2 при длительности импульса 1-10 нс. Однако в настоящее время реализация этих параметров - труднодостижимая задача и поэтому для снижения порога ионизации предпочтительнее инициирование на трассе химических реакций в аэрозольной среде.

Скачать электронную версию публикации