книги из ГПНТБ / Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

Институт проблем механики

10. П. Р А Й З Е Р

ЛАЗЕРНАЯ ИСКРА

И РАСПРОСТРАНЕНИЕ

РАЗРЯДОВ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « НАУКА»

М О С К В А

1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

В этой книге рассматривается определенный круг разрядных явлений, которые интенсивно изучались в течение последнего десятилетия и фактически открывают новые разделы физики газо­ вого разряда. К их числу в первую очередь принадлежит полу­ ченный в 1963 г. эффект лазерной искры — один из интереснейших

вобласти взаимодействия интенсивного излучения с веществом. Явление лазерной искры в качестве важнейшего элемента

включает в себя процесс пробоя газа, т. е. возникновения и разви­ тия в нем бурной ионизации под действием поля. Осуществление пробоя полями оптических частот стало возможным только после создания лазеров, и притом лазеров, дающих особенно мощные, хотя и очень кратковременные световые импульсы. Процесс опти­ ческого пробоя содержит много необычного, так как в этом случае проявляется квантовый характер поля. Тем не менее сейчас он исследован с ненамного меньшей степенью доскональности, чем пробой в постоянном электрическом поле, который изучается уже в течение многих десятков лет, так что настало время подведения первых итогов. Пробою газов в полях оптического диапазона посвя­ щена первая часть книги; много внимания там уделяется и близ­ ким вопросам сверхвысокочастотного пробоя.

Во второй части рассматриваются процессы поддержания плот­ ной низкотемпературной плазмы и эффекты распространения раз­ рядов, т. е. превращения в плазму новых масс газа, находящихся во внешнем поле. В отличие от пробоя эти разрядные процессы могут протекать и в полях сравнительно небольшой интенсивно­ сти — необходимо лишь однажды зажечь разряд. Эффекты рас­ пространения разрядов и поддержания плазмы за счет электро­ магнитной энергии наблюдаются в самых разнообразных усло­ виях. Они всегда присутствуют в лазерной искре, лежат в основе действия дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных ге­ нераторов плазмы — плазмотронов, которые широко применяют­ ся в науке и технике, зачастую возникают в используемых на практике сверхвысокочастотных устройствах. Недавно была реа­ лизована многообещающая возможность непрерывного и длитель­ ного поддержания плазмы путем подвода к ней энергии с помощью лазерного луча.

5

ВВЕДЕНИЕ

Изучение электрического пробоя газов в постоянном электри­ ческом поле в свое время явилось одной из центральных проблем физики газового разряда. Основная характеристика эффекта — это величина пробивающего напряжения между электродами, ко­ торая, как хорошо известно, зависит от произведения давления на длину разрядного промежутка и описывается кривыми Пашена.

Еще с конца прошлого века известен и безэлектродный пробой газа в поле высокой частоты. Его легко наблюдать, если внутрь соленоида поместить откачанный сосуд и пропустить через ка­ тушку высокочастотный ток достаточной силы. Под действием вихревого электрического поля, которое индуцируется перемен­ ным магнитным потоком, в остаточном газе возникает пробой, и в сосуде самопроизвольно зажигается разряд. Природа этого эффекта стала в достаточной мере понятной не так уж давно, фак­ тически в результате работ Дж. Дж. Томсона 1926—1927 гг. Томсон экспериментально доказал, что разряд имеет индукцион­ ную природу, и вывел теоретически условия зажигания: зависи­ мость порогового для пробоя магнитного поля (или тока в солено­ иде) от давления газа и частоты. Подобно кривым Пашена для пробоя разрядного промежутка в постоянном электрическом поле, пороговое магнитное поле при изменении давления проходит че­ рез минимум. Для практического диапазона высоких частот от сотен килогерц до десятков мегагерц минимумы лежат в области низких давлений: поэтому безэлектродный пробой в давние време­ на наблюдался только в сильно разреженных газах.

Следующий существенный шаг в сторону более высоких частот был сделан уже в наше время. В годы второй мировой войны разви­ тие радарной техники вызвало большой интерес к явлениям в сверх­ высокочастотном (микроволновом) диапазоне электромагнитного поля, т. е. в диапазоне гигагерцевых частот и длин волн, изме­ ряемых миллиметрами и сантиметрами. Пороговое для пробоя электрическое поле в СВЧ-волне в зависимости от давления газа также имеет характерный минимум. Минимальные напряженно­ сти электрического поля соответствуют давлениям газа, измеряе­ мым миллиметрами ртутного столба, и имеют порядок десятков пли сотен вольт на сантиметр. Основы теории сверхвысокочастот­

7

ного (или, как иногда говорят для простоты, высокочастотного) пробоя были заложены в конце 40-х — начале 50-х годов. Физике СВЧ-пробоя в газах посвящена превосходная книга А. Мак-Донал­ да [1], 1966 г., которая вышла в русском переводе в 1969 г. В ней излагается теория пробоя и приводится большое количество экспериментальных данных. В дальнейшем нам придется рассмат­ ривать вопросы СВЧ-пробоя весьма подробно.

Если обратиться к книгам по физике газового разряда, напи­ санным до изобретения лазеров, даже к книге С. Брауна 1959 г. (русский перевод — 1961 г. [2]), в которой впервые было дано короткое, но обстоятельное изложение физики СВЧ-пробоя, то можно заметить, что в них не проскальзывают даже чисто умо­ зрительные допущения о возможности пробоя газов излучением оптического диапазона. И действительно, до изобретения лазеров наибольшие интенсивности света, которых можно было достичь, фокусируя лучи даже самых мощных источников, были столь слабыми, что любое предположение о возможности такого пробоя казалось бы совершенно фантастичным. Более того, даже после соз­ дания первого рубинового лазера в 1960 г. мощность этого источ­ ника была далеко не достаточной, для того чтобы «пробить» газ световым излучением. Воздух оставался безучастным к лучу ла­ зера, как и в случае световых лучей любых других источников.

Только после создания оптических генераторов с модулирован­ ной добротностью, работающих в режиме гигантского импульса, когда максимальные мощности достигают десятков мегаватт, и притом в результате острой фокусировки таких мощных лучей, впервые удалось наблюдать оптический пробой. Теперь этому не приходится удивляться, ведь для пробоя газов на оптических частотах требуются огромные электрические поля порядка 10е—107 е/cat. Для сравнения укажем, что в постоянном электри­ ческом поле, впрочем как и на высоких и сверхвысоких частотах, атмосферный воздух пробивается при напряженности поля 3-104 в!см. Когда луч рубинового лазера, работающего в режиме гигантского импульса, пропустили через фокусирующую линзу,

ввоздухе, в точке фокуса, вспыхнула искра, как при электриче­ ском пробое разрядного промежутка. Впервые об этом сообщили

вфеврале 1963 г. Мейкер, Терхун и Сэвидж [3] на III Международ­ ной конференции по квантовой электронике в Париже, и в то

время это вызвало сенсацию.

Явление лазерной искры сразу же и надолго приковало к себе внимание физиков. После первых сообщений об эффекте, которые появились в 1963 г., новое явление стало предметом детальных исследований и самых оживленных обсуждений в физических журналах и на конференциях в разных странах. Открытие лазер­ ной искры стимулировало развитие ряда новых направлений в фи­ зике разрядов и плазмы. Сюда относятся вопросы лавинного пробоя газов на оптических частотах, генерации плазмы световым излуче­ нием, общая теория распространения разрядов, поддерживаемых

8

электромагнитными полями, и др. Возникла непосредственная необходимость в построении теории многоквантовых процессов — фактически нового раздела квантовой механики, который, каза­ лось бы, представлял чисто академический интерес.

Показателем темпа, с которым разворачивались исследования по лазерной искре, может служить следующий факт. В свое время по лазерной искре были опубликованы две обзорных статьи, одна из них автора [41, в которой были подведены итоги работ пример­ но до весны 1965 г., другая — Де Михелиса [51, доведенная до уровня мая 1968 г. Оба обзора содержали почти исчерпывающую библиографию, и если в первом из них список литературы, непос­ редственно касающейся лазерной искры, содержал около 50 ссы­ лок, то во втором это число выросло уже до 160. В настоящее время оно достигает нескольких сотен. Современное состояние исследо­ ваний освещено в обзоре Г. В. Островской и А. II. Зайделя [23].

Явление лазерной искры можно ориентировочно разбить на три последовательных стадии. На первой стадии происходит про­ бой, т. е. в холодном газе развивается ионизация и образуется начальная плазма. Для второй стадии характерны эффекты взаи­ модействия еще не закончившегося лазерного импульса с уже об­ разованной плазмой: движение плазменного фронта, поддерживае­ мого лазерным излучением, нагревание плазмы до очень выоких температур, поглощение и отражение лазерного света плазмой. И, наконец, на третьей стадии наблюдаются явления взрывного характера, которые продолжаются еще долго после окончания светового импульса: распространение постепенно затухающей ударной волны, источником которой послужило выделение в газе энергии лазерного импульса, свечение взрывной волны, напоми­ нающее огненный шар ядерного взрыва, но, конечно, в миниатюр­ ном масштабе, диамагнитные эффекты, проявляющиеся при нало­ жении внешнего магнитного поля, и т. д. В первой части книги изучается только первая стадия лазерной искры — пробой, вто­ рая и третья стадии относятся к области генерации плазмы и рас­ пространения разрядов, они будут рассматриваться во второй части. Общий вид лазерной искры в воздухе представлен на фотографии рис. 1.1, сделанной с большой экспозицией.

Обнаруженные при изучении лазерной искры эффекты движе­ ния плазмы навстречу световому лучу являются проявлением об­ щей тенденции к распространению, свойственной разрядам не только в оптическом, но и в любых других диапазонах частот электромагнитного поля: высокочастотном, сверхвысокочастот­ ном, в постоянном электрическом поле. Всегда существуют процес­ сы, которые способствуют ионизации слоев газа, соприкасающих­ ся с разрядной плазмой: нагревание ударной волной, теплопро­ водностью, тепловым излучением плазмы и др. Если вновь иони­ зованные слои находятся в достаточно сильном поле, в них также выделяется много энергии, ионизация охватывает следующие слои, и разряд (плазменное состояние) распространяется по веществу.

0