Главная Архив номеров N-17 декабря 2007 Создание сплошных лазерных искр для решения
 

Авторизация



Создание сплошных лазерных искр для решения Печать

В.В. Аполлонов, Л.М. Василяк, С.Ю. Казанцев, И.Г.Кононов, Д.Н. Поляков, А.В. Сайфулин, К.Н. Фирсов.

Введение
Для решения ряда научных и прикладных задач требуется создание в атмосферном воздухе протяженных плазменных каналов с контролируемыми местоположением и формой.
При решении некоторых проблем физики и техники возникли задачи, требующие создания плазменного канала в атмосферном воздухе, причем местоположение и форма такого канала должны быть контролируемые. Такие каналы могли бы найти применение в новых типах коммутаторов и в системах передачи энергии, системах транспортировки пучков заряженных частиц, для создания плазменных антенн, подавления сопротивления среды при движении сверхбыстрых объектов, а также при решении задач защиты ценных высокотехнологичных сооружений от ударов молнии.

При изучении этих проблем большое внимание было направлено на исследование возможности управления траекторией электрического разряда, или, другими словами, возможности создания направляемых электрических разрядов.
Наиболее перспективным методом создания плазменного канала или управления траекторией электрического разряда является воздействие на газ излучением лазера. Представляют интерес три вида воздействия лазерного излучения на газ: уменьшение плотности газа в результате его нагрева в луче инфракрасного лазера, фотоионизация газа ультрафиолетовым излучением и оптический прибор. При нагреве газа с присадкой в виде аммиака СО2 лазером можно создать канал с пониженной плотностью газа, вдоль которого развивается электрический разряд. При фотоионизации плотность газа вдоль траектории не изменяется, а создаются свободные электроны с помощью УФ лазера. Наиболее интенсивное и длительное возмущение на газ (из всех видов лазерного воздействия) оказывает оптический пробой. Протяженность канала оптического пробоя, направляемого длинной лазерной искрой, при фокусировке излучения лазера длиннофокусными линзами или зеркалами в реальных атмосферных условиях может составлять десятки метров и более. При слабой фокусировке гигантского импульса лазерного излучения длиннофокусной линзой в каустике возникают протяженный оптический пробой, состоящий из отдельных плазменных очагов, названный длинной лазерной искрой (ДЛИ).
ДЛИ состоит из отдельных очагов пробоя, хаотично расположенных в каустике фокусирующей линзы СО2-лазера (10,6 мкм). Очаги пробоя хаотично расположены как вдоль, так и поперек лазерного луча. В очагах в течение длительного времени поддерживаются высокая температура, низкая плотность газа и высокая концентрация свободных электронов, что позволяет получить направленные электрические разряды длиной в несколько метров. В наших исследованиях длина направленного разряда достигала 16 м при напряжении на разрядном промежутке 3 МВ и энергии излучения импульсного СО2 лазера, применяемого для получения ДЛИ, 460 Дж. Однако из-за разрывности искр, формируемых сферической оптикой, не удается добиваться надежной воспроизводимости результатов при попытках управления траекторией очень длинных разрядов. Об этом также свидетельствуют результаты испытаний лазерной системы молниезащиты в реальных грозовых условиях в Японии, закончившихся неудачей, поскольку в указанных экспериментах наблюдалось два случая совпадений по времени ударов молнии в молниеотвод с включением лазера, но траектории канала молнии и ДЛИ не совпадали.
Нами показана возможность создания сплошных лазерных искр с сопротивлением 100х400 Ом/см при фокусировке излучения СО2-лазера коническим зеркалом. Экспериментально определена необходимая для этого величина погонного вклада лазерной энергии, х200Дж/м. Показана возможность эффективного управления траекторией электрического разряда посредством сплошных лазерных искр. Установлено, что в явлениях переноса электрического потенциала и электрического пробоя сплошная лазерная искра является аналогом высокопроводящего металлического стержня. Обнаружен и интерпретирован эффект полярности при электрическом пробое воздушных промежутков между плазменным каналом и металлическим стержнем. Исследована поперечная структура проводимости сплошных лазерных искр и установлено, что с большой вероятностью высокая проводимость на начальном этапе обеспечивается фотоионизацией воздуха излучением первичных очагов оптического пробоя.
Сплошной, без разрывов, канал оптического пробоя - сплошная лазерная искра (СЛИ) - может быть получена при фокусировке излучения лазера конической линзой (аксиконом). В экспериментах, проводившихся в начале 70-х годов, при фокусировке Nd-лазера (длина волны - 1.06 мкм) получена искра длиной ок 1 м. Электрические характеристики СЛИ с длиной 9-12 см, создаваемой Nd-лазером с длительностью импульса излучения 40 нс, исследовались в России начиная с 80-х годов прошлого столетия. Результаты свидетельствуют о возможности эффективного управления траекторией электрических разрядов при использовании СЛИ, создаваемых за счет фокусировки лазерного излучения конической оптикой. Однако для реальных практических приложений необходимы значительно более длинные искры. Некоторые оценки показывают, что в реальной системе лазерной молниезащиты длина СЛИ за пределами коронной оболочки, окружающей вершину молниеотвода, должна быть не менее 30 метров.
В определенных условиях с помощью лазера можно создать протяженную плазменную область, не имеющую разрывов и вытянутую вдоль лазерного луча. При превышении порога пробоя чистого воздуха после окончания лазерного импульса вдоль оптической оси образуется сильноионизованный канал СЛИ длиной 20-30 см. СЛИ длиной 9-12 см с низким сопротивлением (0,5-1 Ом) создавалась при фокусировке аксиконом излучения импульсного одномодового неодимового лазера с энергией до 100 Дж, длительностью 40-50 нс. К промежутку было приложено постоянное напряжение в несколько вольт (1-25 В). Ток через разрядный контур начинал протекать сразу после оптического пробоя воздуха (время нарастания тока в разрядном контуре при замене канала искры медной проволокой составляло 0,5 мкс). Протекание тока, как сообщается авторами, не имеет порога по напряжению.
Увеличение длины волны лазерного излучения приводит к понижению порога оптического пробоя, что должно позволить увеличить важный для практических применений параметр - длину лазерной искры. В данной статье кратко описаны возможности создания СЛИ, а также возможности ее применения для направления электрического разряда и передачи потенциала.
Работа на экспериментальной установке
Излучение импульсного электроразрядного лазера с максимальной выходной энергией 300 Дж фокусировалось алюминиевыми коническими зеркалами. Угол падения лазерного пучка на фокусирующее зеркало не превышал 5о. Излучение искры в видимом диапазоне регистрировалось фотодиодом, производилось также ее фотографирование цифровым фотоаппаратом. Лазерный пучок с поперечным сечением в виде рамки с внешним и внутренним размерами, соответственно, 10х10 см и 3,3х3,3 см формировался неустойчивым телескопическим резонатором с трехкратным увеличением. Энергия излучения лазера контролировалась в каждом выстреле, разброс ее значений от выстрела к выстрелу не превышал 5%. Изменение энергии излучения в процессе экспериментов осуществлялось вариацией давления рабочей среды лазера и напряжения источника накачки, поскольку внесение в лазерный пучок фильтров в виде пластиковых пленок или металлических сеток приводило к искажению волнового фронта пучка и ухудшению качества СЛИ. Форма импульса излучения лазера контролировалась фотоприемником.

СЛИ формируется на оптической оси конического зеркала. Длина сплошной части искры зависит от энергии лазерного импульса, поперечного размера лазерного луча, угла конуса зеркала. Применявшаяся модель ТС-300 - это СО2 лазер с поперечной накачкой и неустойчивым резонатором, разработанный в ИОФ РАН. Отпечаток лазерного пучка на бумаге представлял собой рамку с внешними размерами 10х10 см и с внутренними размерами 3,3х3,3 см. Расходимость излучения лазера не превышала 3х10-4рад.
Электрические характеристики СЛИ исследовались по следующей схеме. В плазму искры вводились концы двух металлических стержней МС диаметром 2 мм, соединяемых с разноименно заряженными конденсаторами емкостью по 0,25 мкФ каждый и располагаемых, в зависимости от условий эксперимента, на разных расстояниях друг от друга. Максимальное напряжение зарядки конденсаторов составляло 50 кВ, то есть разность потенциалов между стержнями могла достигать 100 кВ. При исследовании электрического пробоя воздуха между металлическим стержнем и плазменным шнуром искры, один или оба стержня сдвигались перпендикулярно оси СЛИ на требуемое по условиям эксперимента расстояние. Полярность отодвигаемого стержня можно было изменять.
При проведении исследований электрических характеристик СЛИ, моменты появления искры и развития электрического разряда регистрировались скоростным фотодиодом. Сигналы с фотоприемников и делителей напряжения записывались осциллографом с полосой пропускания 100 МГц.
Результаты экспериментов
и их обсуждение
На фотографии видно, что лазерная искра выглядит как сплошной шнур, состоящий из ярких конусообразных элементов. Разрывы, характерные для искр, получаемых при фокусировке пучка сферической оптикой, в данном случае отсутствуют. Длина лазерной искры, определяемая углом раствора конуса и размерами пучка в его поперечном сечении, составляет более 90 см, и ее начало смещено от поверхности зеркала, поскольку в центре пучка излучение отсутствует. Можно предположить, что присутствие в структуре искры ярких конусообразных элементов обусловлено дифракционной структурой лазерного пучка и дифракционной картиной распределения мощности светового поля вдоль оси конического зеркала. Для сравнения на рис. 4 приведена фотография длинной лазерной искры, полученной при использовании зеркала с углом раствора конуса 179.16 град. и энергии излучения СО2-лазера 300 Дж. Увеличение угла раствора конуса, как и следовало ожидать, привело к увеличению длины искры до примерно 3 м, однако из-за недостаточной энергии лазера, вводимой в расчете на единицу длины искры, она перестала быть сплошной. Заметно также увеличился (примерно в 1,5 раза) и поперечный размер плазменных очагов в искре. Однако даже при недостаточной для образования сплошного канала энергии лазера, фокусировка излучения коническим зеркалом позволяет достичь большой погонной плотности плазменных очагов в искре по сравнению с фокусировкой сферической оптикой (при одинаковых длинах искр) из-за более равномерного распределения энергии лазерного излучения по длине.
Оценка, сделанная на основании фотографий, показывает, что при фокусировке лазерного пучка СО2-лазера коническим зеркалом для получения близкой к непрерывной сплошной структуры СЛИ, необходимы затраты энергии лазера около 200 Дж/м. Можно сделать экстраполяцию и оценить энергию лазера, необходимую для получения искры длиной 6-10 м, которая требуется для захвата реальной молнии. Это энергия в 1,2-2 кДж. В настоящее время изготовление подобного лазера не представляет принципиальных трудностей. Применение методов повышения пиковой мощности излучения, например, за счет инжекции в резонатор наносекундного импульса, позволит уменьшить энергию, потребную для образования лазерной искры и соответственно увеличить длину лазерной искры.
Исследования электрических свойств лазерной искры (полная длина СЛИ 90 см) подтвердили высокую эффективность применения таких искр для направления электрического разряда. Даже при энергии лазера 140 Дж, когда на концах искры наблюдались заметные разрывы, а длина сплошной ее части не превышала 50 см, наблюдался электрический пробой по искре между стержнями, погруженными в ее плазму на расстоянии 80 см друг от друга, при минимальной средней напряженности электрического поля 77 В/см. Нами была исследована зависимость средней скорости распространения проводящего канала направляемого лазером разряда вдоль искры от средней напряженности электрического поля.
Нами также проводились эксперименты по электрическому пробою воздушных промежутков между шнуром лазерной искры и металлическим стержнем при напряжении между стержнями 100 кВ, расстоянии между ними по горизонтали 45 см и энергии лазерного излучения 270 Дж.При пробое воздушного промежутка между плазменным шнуром лазерной искры и стержнем наблюдается выраженный эффект полярности, свидетельствующий о том, что реальный поперечный размер СЛИ значительно превышает видимый на фотографиях. Действительно, при замене искры стержнями с разными диаметрами, эффект полярности при пробое воздушного зазора, сравнимый с наблюдаемым в эксперименте при направлении разряда СЛИ, проявился лишь при диаметре стержня более 4 см.
Таким образом, эксперименты показали, что лазерная искра ведет себя аналогично проводящему стержню, причем проводимость СЛИ сохраняется достаточно долго.

Исследования выноса  потенциала СЛИ проводились с помощью резистивного делителя напряжения при энергии излучения СО2-лазера в 150 Дж. В этих условиях сплошной была лишь центральная часть искры длиной около 65 см. Расстояние между стержнями, погруженными в плазму лазерной искры СЛИ, варьировалось в пределах 1060 см. Положение потенциального стержня в эксперименте не изменялось, перемещался лишь стержень, соединенный с резистивным делителем напряжения. После каждого перемещения стержня его положение в плазменном шнуре проверялось с помощью специальной мишени, устанавливаемой в фокусируемый пучок вместе со стержнем. Полярность зарядного напряжения (400600 В) была отрицательной. Осциллограммы сигналов с делителя напряжения и фотодиода (регистрирующего излучение плазмы СЛИ) показали, что эти сигналы начинаются одновременно, т.е. СЛИ является проводящей практически с момента своего образования. Фронт нарастания напряжения на делителе имеет характерную ступенчатую форму, участки быстрого роста напряжения сменяются участками медленного. Длительность фронта нарастания напряжения до максимума, а, соответственно, и проводимости плазмы СЛИ не зависит от расстояния между стержнями лазерной искры. Существенна роль газодинамических процессов в формировании проводимости СЛИ.
В связи с обнаружением эффекта полярности при электрическом пробое воздушных промежутков между СЛИ и стержнем, представляет несомненный интерес исследование электропроводности лазерной искры в ее поперечном сечении. С этой целью стержень, соединенный с резистивным делителем напряжения, перемещался перпендикулярно оси СЛИ. Данный эксперимент проводился при расстоянии 10 см между измерительным и потенциальным стержнями вдоль лазерной искры и энергии излучения лазера 270 Дж. На наличие ореола ионизации вокруг лазерной искры при фокусировке лазерного пучка короткофокусной линзой указывалось нами ранее. Представляется однако целесообразным дальнейшее изучение этого интересного эффекта.
В заключение проведем оценку энергии СО2-лазера, необходимой для создания СЛИ в реальной системе лазерной молниезащиты. С учетом оценок длины СЛИ, которую нужно образовать за пределами коронной оболочки вокруг молниеотвода, и экспериментально полученной величины погонного энерговклада в 200 Дж/м, энергия излучения лазера должна составлять около 4 кДж. В настоящее время такие лазеры не являются чем-то экзотическим, возможно и дальнейшее увеличение их выходных характеристик. Заметим однако, что мы даем здесь заниженную оценку необходимой энергетики лазера для получения длинных лазерных искр, поскольку она не учитывает значительного прогресса в разработке лазеров импульсно-периодического действия и в технологии вариации параметров пространственно-временной структуры излучения.
Заключение
Таким образом, в статье обозначена возможность создания сплошных лазерных искр с сопротивлением 100400 Ом/см и определена величина погонного вклада лазерной энергии, необходимая для получения СЛИ. Показана также возможность эффективного управления траекторией электрического разряда. Такие каналы нашли весьма эффективное применение для решения задач защиты ценных высокотехнологичных сооружений от ударов молнии. Исследование вопросов передачи энергии на значительные расстояния, транспортировки пучков заряженных частиц в сложных электрофизических установках, создания плазменных антенн и подавления сопротивления среды при движении сверхбыстрых объектов также находятся в створе проводимых нами исследований и будут представлены в следующих специальных выпусках журнала «Оборонный заказ». Установлено, что в явлениях переноса электрического потенциала и электрического пробоя СЛИ является аналогом высокопроводящего металлического стержня. Обнаружен и интерпретирован эффект полярности при электрическом пробое воздушных промежутков между плазменным каналом СЛИ и металлическим стержнем. Исследована поперечная структура проводимости СЛИ. Установлено, что с большой вероятностью сплошная проводимость СЛИ на начальном этапе обеспечивается фотоионизацией воздуха излучением первичных очагов оптического пробоя.

 
Разработка сайтов