Экспериментальные исследования низкопорогового оптического разряда в воздухе при наличии твердых частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение.

Глава 1 Характеристики низкопороговой плазмы оптического пробоя (литературный обзор).

1.1 Пороговый характер образования плазмы.

1.2 Основные параметры лазерной плазмы.

1.3 Методы диагностики лазерной плазмы.

Глава 2 Описание комплекса аппаратуры и результаты экспериментальных исследований плазмы оптического пробоя в поле излучения неодимового лазера.

2.1 Динамика развития оптического пробоя под действием неодимового лазера.

2.2 Исследование электронной концентрации зондовым методом.

2.3 Автоматизированный комплекс для измерения температуры затравочной частицы при образовании лазерной плазмы в воздухе, результаты экспериментов.

2.4 Оптико-акустический метод исследования плазмы.

Глава 3 Изучение вторичных частиц, образовавшихся при оптическом пробое.

3.1 Образование вторичных частиц при оптическом пробое.

3.2 Экспериментальное исследование вторичных частиц.

Актуальность темы.

Появление лазерных источников света, имеющих такие уникальные свойства, как высокую степень когерентности, монохроматичности и поляризации излучения, а также большую интенсивность обусловили их использование в качестве инструмента как для научных исследований, так и для технологического применения. Лазерные источники широко используются в системах связи, локации, навигации, дальнометрии, зондирования, молниезащиты и т.д. При этом лазерное излучение распространяется в реальной атмосфере без использования канализирующих устройств.

Высокая концентрация энергии светового поля вызывает нелинейные процессы, характер которых зависит от параметров излучения и характеристик среды. Изучение этих эффектов ведется уже давно и представляет несомненный научный и практический интерес. Среди эффектов, сопровождающих распространение лазерного излучения в дисперсной среде (атмосфере) нас прежде всего будут интересовать процессы плазмообразования, которые важны для решения проблем лазерной физики и физики конденсированного состояния вещества.

Изучение отклика аэродисперсной среды на прохождение через нее мощного лазерного излучения (МЛИ) строится на основе поведения отдельной аэрозольной частицы с последующим обобщением на ансамбль частиц. Известно, что углеродные частицы составляют значительную долю атмосферного аэрозоля, причем в городских районах массовая доля углеродного аэрозоля составляет около 30% вследствие индустриальной 4 деятельности человека. В связи с этим исследование плазмообразования на отдельной углеродной частице представляет научно-практический интерес.

Цель диссертационной работы - экспериментальное исследование характеристик процесса плазмообразования на аэрозольной (углеродной) частице в воздухе при нормальном атмосферном давлении под действием излучения Nd-лазера, а также разработка экспериментальных установок для комплексной диагностики области оптического пробоя с использованием различных методов, таких как: оптический, зондовый, акустический, цветовой пирометрии и электронной микроскопии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование физических процессов, развивающихся при взаимодействии лазерного импульса с одиночными аэрозольными углеродными частицами.

2. Разработка методик и аппаратуры для комплексной диагностики плазменного образования.

3. Экспериментальное определение размеров вторичных частиц, возникающих в процессе плазмообразования и их количественное описание.

4. Разработка методики и автоматизированной установки для измерения температуры частицы в предпробойном режиме на основе метода цветовой пирометрии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны установки для комплексного определения характеристик плазмы оптического пробоя, которые включают в себя: 5

1. Установку для определения динамики плазменного образования, электронной концентрации и акустических колебаний при оптическом пробое на отдельной углеродной частице.

2. Установку для определения размеров вторичных частиц, температуры затравочной частицы в предпробойном режиме.

Получены спектры акустических колебаний, возникающих при оптическом пробое в воздухе при наличии частиц, и при пробое, инициированном электрическим разрядом.

Впервые определены микрофизические параметры вторичных частиц, образующихся при разрушении углеродных частиц в процессе плазмообразования.

На защиту выносятся:

1. Результаты комплексной диагностики параметров низкотемпературной плазмы, возникающей при оптическом пробое на отдельной углеродной частице.

2. Методика измерения температуры частицы в предпробойном режиме автоматизированным цветовым пирометром, основанная на предварительной цифровой калибровке по эталонному излучателю.

3. Комплексная диагностическая установка для определения параметров низкотемпературной плазмы.

Апробация работы.

Диссертационная работа выполнена в Алтайском государственном университете. Основные результаты и выводы опубликованы в работах [36,73-82]. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы обсуждались и докладывались на: 4-м симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», Томск, 1997г., Всероссийской научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно6 неоднородных сред», Барнаул, 1997г., Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2001г. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 117 страницах стандартного формата, содержит 19 рисунков, список литературы включает 94 наименования.

Выводы.

Установлено, что плазма является источником акустических колебаний, характер которых зависит от того, каким образом создан первичный очаг плазмы. Так, при аэрозольном пробое акустический импульс имеет характерные фазы сжатия и разрежения, а при пробое, инициированном электрической искрой акустический импульс имеет только фазу сжатия. В первом случае максимальное давление в звуковой волне значительно меньше, чем во втором случае. С помощью электрического зонда зафиксированы колебания электронной плотности, частота которых имеет тот же порядок, что и частоты, имеющие максимумы в спектре акустических колебаний.

Изучена динамика температуры частиц, используемых в качестве затравки при интенсивности воздействующего излучения ниже пороговой, при этом установлены три характерных температурных режима.

Исследованы вторичные частицы, образующиеся при взаимодействии мощного лазерного излучения с углеродной частицей. Построена гистограмма распределения частиц по размерам. Выяснено, что первичная сажистая частица распадается на фрагменты, большинство которых имеют размеры 10-500нм.

95

Рис. 14. Блок схема установки для регистрации вторичных частиц: 1- He-Ne лазер для юстировки зеркал Nd-лазера и центровки частицы; 2-делительная пластина; З-Ш-лазер; 4-собирающая линза; 5-углеродная частица; 6-подложка; 7-пирометр; 8-АЦП; 9-компьютер; 10-блок питания Nd-лазера; 11-блок синхронизации; 12-кнопка пуска для синхронного включения лазера и пирометра

96

Рис. 15 Микрофография вторичных частиц с увеличением 4000

97

Рис. 16. Микрофография вторичных частиц с увеличением 400

Рис. 17. Микрофография вторичных частиц с увеличением 8000

I-1

1 cm

Рис.19. Интегральная фотография разряда, инициированного на аэрозольной затравке

101

Заключение

В ходе работы исследовалось взаимодействие мощного излучения импульсного неодимового лазера с длиной волны А,=1.06мкм с углеродными частицами. Разработана методика проведения физических экспериментов по исследованию процесса плазмообразования на одиночных углеродных частицах. Определено пороговое значение интенсивности лазерного импульса для данного типа аэрозольного пробоя. Получена зависимость квадрата скорости фронта разряда, в направлении навстречу лазерному излучению для аэрозольного пробоя, с помощью которой определена пороговая интенсивность полазмообразования, составляющая

5 2

1поР=6-10 Вт/см . Пороговая интенсивность для оптического пробоя, инициированного электрическим разрядом соответственно равна 1пор=5-105Вт/см2.

Создана комплексная установка для исследования свойств плазмы. Автоматизированным цветовым пирометром определена температура затравочной частицы, исследована динамика температуры при нагревании углеродной частицы лазерным излучением. Зондовым методом определена такая важная характеристика плазмы, как электронная концентрация, максимальное значение которой пе=Т,6-101бсм"3. Этому значению соответствует проводимость плазмы ст=0,20м"1-с"1. Обнаружено, что плазма является источником акустических колебаний. Эти колебания зафиксированы и проведен их спектральный анализ. Проведено сравнение двух типов акустических сигналов, соответствующих различным видам пробоя.

Исследованы вторичные частицы, образующиеся в процессе фрагментации и переконденсации углеродной частицы. В работе приведена

102 гистограмма распределения осажденных частиц по размерам. Размеры частиц варьируются от 0,01 до 1,2мкм.

103

1. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. - Новосибирск: Наука, 1980. - 184с.

2. Зуев В.Е., Землянов А.А., Копытин Ю.Д., и др. Мощное лазерное излучение в атмосферном аэрозоле. Новосибирск: Наука, 1984. -180с.

3. Кандидов В.П. Обзор нелинейных эффектов при распространении лазерного излучения в атмосфере// Нелинейная оптика и оптоакустика: сборник статей. Томск, 1988. - С. 1-3.

4. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. Москва: Наука, 1974. - 230с.

5. Райзер Ю.П. Оптический разряд,—УФН, 1980, т.132, в.З,- С. 549-581.

6. Сорокин Ю.М., Королев И .Я., Крикунова Э.М. Пороговые характеристики коллективного оптического пробоя в аэрозольной среде// Квантовая электроника, 1986, №12 С.2464-2473.

7. Захарченко С.В., Семенов Л.П., Скрипкин A.M. Низкопороговый оптический разряд в аэродисперсной среде// Квантовая электроника, 1984, Т.П.-С.2487-2492.

8. Королев И.Я., Кособурд Т.П., Крикунова Э.М. и др. Комплексная диагностика области низкопорогового оптического пробоя в аэрозольной среде//ЖТФ, 1983, Т.53, в.8. С. 1547-1553.

9. Сорокин Ю.М. Эффект «холодного слияния». Нижняя по интенсивности граница оптического пробоя аэрозольных сред// ЖТФ, 1986, Т.56, в.7. С.1431-1433.

10. Вдовин В.А., Сорокин Ю.М. Численное исследование динамики аэрозольного микрофакела в световом поле// ЖТФ, 1981, Т.51, в.7. -С.1449-1457.

11. Вдовин В.А., Сорокин Ю.М. Газодинамические режимы аэрозольного микрофакела в световом поле// ЖТФ, 1981, Т.55, в.2. С.319-324.

12. Букатый В.И., Соломатин К.В. О составе пара вокруг тугоплавкой частицы при лазерном воздействии// Оптика атмосферы и океана, 2001, Т. 14, №1 С.34-37.

13. Букатый В.И., Кронберг Т.К., Соломатин К.В. О применимости квазистационарного сферически-симметричного приближения в задачах о горении и/или испарении частицы в поле мощного лазерного излучения. Барнаул,1997. 7с. Деп в ВИНИТИ 14.04.97, №1249-В97.

14. Бабаева Н.А., Васьковский Ю.М., Конов В.И. и др// Квантовая электроника, 1986, Т.13. -С.493.

15. Васьковский Ю.М., Коренев А.С., Ровинский Р.Е. и др. Развитие экранировки в лазерной плазме// Квантовая электроника, 1990, Т. 17, №10. С.1336-1337.

16. Негин А.Е., Осипов В.П., Пахомов А.В. Оптический пробой в аэрозолях под действием импульсного излучения С02-лазера// Квантовая электроника, 1986, Т.13, №11. С.2208-2215.

17. Воробьев B.C. Плазма, возникающая при взаимодействии лазерного излучения с твердыми мишенями/ Успехи физических наук, 1993, Т.163, №12. С.51-83.

18. Маркович И.Э., Петрухин А.И., Розенталь Г.Н. Измерение распределения энергии при испарении магния лазерным излучением // ЖТФ, 1983, Т.53, №8. С. 1497-1450.

19. Медленное горение лазерной плазмы и оптические разряды // Труды ИОФАН. М.: Наука, 1988. Т. 10,- 155с.

20. Биберман JI.M., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Низкотемпературная плазма с неравновесной ионизацией// УФН, 1979, Т.128, в.2.- С.233-271.

21. Грим Г. Спектроскопия плазмы. М.: Атомиздат, 1969. 452с.

22. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме.-Москва: Мир, 1978 -491с.

23. Бекефи Дж., Дейч К., Якоби Б. Спектроскопическая диагностика лазерной плазмы, В кн. Плазма в лазерах// Под. ред. Дж Бекефи.-М.: Энергоиздат, 1982. -412с.

24. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.—308 с. Фишер В.И. О сверхзвуковых режимах распространения волны ионизации по лазерному лучу// ЖТФ, 1983, Т.53, №11.- С.2143-2147.108

25. Селищев С.В., Смирнов A.JL, Токер Г.Р. и др. Формирование оптического пробоя на аэрозоле в газах повышенного давления// Квантовая электроника, 1989, Т.16, №3 С.558-561.

26. Букатый В.И., Гаськова О.В. Генерация акустических возмущений при оптическом пробое воздуха излучением неодимового лазера// Оптика атмосферы и океана, 1998, №1- С. 43-45.

27. Гальбурт В.А., Рябов О.А. Нестационарные явления при сверхзвуковом распространении оптического пробоя в газах// Квантовая электроника, 1989, Т.16, №10,- С.2141—2149.

28. Букатый В.И., Дейнес К.И., Тельнихин А.А. Экспериментальные исследования лазерной искры в режиме медленного горения// Оптика атмосферы, 1991, №7,- С.753-756.

29. Букатый В.И., Тельнихин А.А. Динамика хаоса и порядка в плазменно-радиационных системах Барнаул: Изд-во АГУ,1998.-123с.

30. Букатый В.И., Тельнихин А.А. Кооперативные эффекты в разряде светового горения// Оптика атмосферы и океана, 1996, Т.9, №8-С.532-539.

31. Жуховицкий Д.И. Неидеальная кластерная плазма//Теплофизика высоких температур, 1994, Т.32, №3. С.459-474.1 1 п

32. Копытин КЗ.Д., Сорокин Ю.М., Скрипкин A.M. и др. Оптическии

33. Рлп»л /т п л гт гтчг Uati Л Лтт^ттЛЛт"' ТГлт гт.«Л /* ^ л.тчттл» тт/'«ч тттЛ»алрлд В сиризОЛлл.— 1 lOBvjv^yiunpv^k. i iayKa. N^nOHpvKut- и1дслспис,1990.-159c.

34. Королев И .Я., Самохвалов А.В., Сорокин Ю.М. Спектральная акустическая диагностика коллективного оптического разряда// Оптика1ПОО п ОЛсимисфсрь!, 17О0, — v^. / J-OU.

35. Шаманаева Л.Г. Спектры акустического сигнала при оптическом113атмосферы и океана", Томск, 1997: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Томского ун-та.-104с.

36. Захарченко С.В., Синтюрин В.В. Исследование условий возникновения лазерной искры// ЖТФ, 1984, Т.54, №6,- С. 1095-1101.

37. Водопьянов K.JI., Кулевский JI.A., Михалевич В.Г. и др. Лазерная генерация звуковых импульсов субнаносекундной длительности в жидкостях.-ЖЭТФ, 1986, т.91, с. 114-120.

38. Букатый В.И., Тельнихин А.А. О возможном механизме образования длинной лазерной искры// ЖТФ,1983, №12,- С. 2339-2342.

39. Суторихин И.А. Низкопороговое нелинейное взаимодействие мощного лазерного излучения с антропогенным аэрозолем// Диссертация на соискание ученой степени доктора ф.-м.н., 1996.-287с.

40. Букатый В.И., Гаськова О.В., Тельнихин А.А. Оптический пробой воздуха под действием длинного лазерного импульса// Вестник Алтайского научного центра, 1999, №2. С.21-29.

41. Букатый В.И., Гаськова О.В. Исследование акустических сигналов при оптическом пробое, инициируемом электрическим разрядом// Известия АТУ, 2000, №1. С.69-71.

42. Букатый В.И., Гаськова О.В. Генерация акустических колебаний при лазерном пробое на сажистой частице// Сборник докладов 4 Симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск, 1997. С.108-110.

43. Букатый В.И., Гаськова О.В., Тельнихин А.А. Генерация акустических возмущений плазмой оптического пробоя, инициированной на аэрозольной затравке// Тезисы докладов 3 Международного аэрозольного симпозиума, Москва, 1996,- С14-16.

44. Букатый В.И., Гаськова О.В., Тельнихин А.А. Генерация акустических возмущений плазмой оптического пробоя, инициированной на аэрозольной затравке// Аэрозоли, 1996, Т.2, №12 С. 14-16.

45. Букатый В.И., Гаськова О.В. Исследование акустических возмущений, вызванных оптическим пробоем на твердой частице// Алтайский госуниверситет Барнаул, 1997- 8с,- Деп. В ВИНИТИ 14.10.97, №1248-В97.

46. Букатый В.И., Гаськова О.В. Экспериментальные исследования плазмы в воздухе при наличии частиц// Оптика атмосферы и океана, 2001, №3- С.388-392.

47. Букатый В.И., Гаськова О.В. Образование вторичного аэрозоля из плазмы с дисперсной фазой// 7 Международный Симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". Иркутск, 2001. С. 132.

48. Букатый В.И., Гаськова О.В., Перфильев О.В. Измерение температуры затравочной частицы при образовании лазерной плазмы в воздухе// Международная научно-техническая конференция "Измерение, контроль, информатизация". Барнаул, 2001. -С. 101.

49. Смирнов Б.М. Фрактальные кластеры// УФН, 1980, Т. 149, в.2. С. 178219.

50. Смирнов Б.М. Конденсация в неравновесной плазме металла// ТВТ, 1991, Т.29, №3 С.418-423.

51. Полуянский С.Н., Присняков В.Ф., Таран Э.Н. и др. Образование аэрозоля при лазерном пиролизе углерода// Тезисы докладов 14 Всесоюзной конференции по актуальным вопросам физики аэродисперсных систем. Одесса, 1986, Т.2. С.75.116

52. Лушников А. А., Пахомов А.В. Аэрозоли лазерной плазмы// Коллоидный журнал, 1990, Т.52, №1. С.62-66.

53. Белов Н.Н. Дробление частиц кварца в лазерном луче// Коллоидный журнал, 1987, в.5. С.987-990.

54. Дарьянов Б.В., В.Н.Краснопевцев Взаимодействие лазерного излучения с твердым горючим аэрозолем// сб. Взаимодействие мощного лазерного излучения с аэрозолем, Новосибирск, 1989г. С.3-8.

55. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. Москва: Химия, 1965. 328с.

56. Погодаев В.А., Рожденственский А.Е. Взрыв и оптический пробой слабопоглощающих водных аэрозолей в мощном световом поле// ЖТФ, 1983, Т,53, №8. С.1541-1547.

57. Смирнов Б.М. Конденсация в неравновесной плазме металла// ТВТ, 1991, Т.29, №3- С.418-423.

58. Гуськов К.Г., Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. О наблюдаемой скорости движения оптического разряда// Квантовая электроника, 1990, Т. 17, №7- С.937-945.

59. Шаманаев С.В. Статистический анализ спектров акустического сигнала при лазерном пробое на частицах монодисперсного аэрозоля// 7