Генерация импульсных и ВЧ токов и потенциалов при воздействии мощного оптического излучения на металлы в газовой среде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ6 од

^ 1.ы1 ' российская акадилия наук

ФИЗИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ имени П.Н. Лебедева

на пр&ьах рукописи удк 621.373.826

МИШКИН ЕВГЕНИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

генерация импульсных и вч токов и потенциалов при воздействии мощного оптического излучения на металлы в газовой среде

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва - 1993

-Работа выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьское рэволюции Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН.

Научные руководители: . доктор физико-математических наук,

профессор А.З.Грасюк кандидат физико-математических наук Л.Л.Лосев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.И.Конов

кандидат физико-математических наук А.П.Канавин

Ведущая организация: НПО "Астрофизика" Защита диссертации состоится "_"

1993г, в , часов на заседании специализированного совета K00Z.39.0I в Физическом институте та. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 117924, .г.Москва, Ленинский проспект, д.53. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН. . Автореферат разослан "_" ___ 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета к.ф.- м.н.

В.А.Чуонков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Генерация изменений электрического потенциала и токов при.воздействии оптического излучения на вещество исследуется со времени открытия фотоэффекта [1]. Созд&ние лазеров позволило начать изучение генерации токов при тепловом воздействии на материалы мощного светового пучка, о также наблюдать электрические токи в лазерной плазме [2,3]. В этих иеследсзаниях были получены килоамперные токовые импульсы и киловольтные изменения потенциала, которые ударно возбуздали колебательные цепи [4]. Поиск спонтанных радиоизлучений [51 и высокочастотных (ВЧ) токов в лазерной плазме показал, что они незначительны. Однако возможна генерация ВЧ токов и потенциалов за счет управления светом параметрами низкотемпературной плазмы, созданной световым пучком. Этот принцип получения управляемой генерации ВЧ токов разрабатывался в диссертационной работе. Для создания плазмы и управления ее параметрами использовалось модулированное • по интенсивности оптическое излучение лазеров или лазерной плазмы.

В настоящее время генерация изменений электрического потенциала и токов при воздайствии мощного (ю'-ю'^Вт/см2) оптического излучения на металлы исследуется в связи со следующими проблемами.

Изучаются способы преобразования световой энергии в электрическую (импульсные и ВЧ токи) для применения в системах передачи энергии при помощи световых пучков.

Исследуются метода преобразования света в излучение радиодиапазона, тлеющие большую эффективность, чем полученная при использовании нелинейных кристаллов 10"'°).

Ведется поиск новых способов детектирования лазерного излучения УФ и Ж диапазонов, которые, в частности, могут быть исполь-

зованы дистанционно при передача информации или лазерной локации.

Разрабатываются способы генерации мощных электрических импульсов, обладающих малой длительностью.

Регистрация токов к изменений потенциала используется как один из методов диагностики процесса воздействия света на вещество.

Изучаются способы управления электрическими разрядами при помощи света.

Обсуждается возможность использования ионов, возникающих при фотоэффекте с поверхности в электроотрицательном газе, для технологических применений.

В настоящее время интенсивно исследуются генераторы СВЧ колебаний, использующие виртуальный катод. Генерация тока при фотоэффекте позволяет исследовать подобную систему при меньших энергиях электронор и изучить ее взаимодействие с плазмой. Представляет интерес также изучение неустойчивостей низкотемпературной плазмы в такой системе.

При фотоэмиссии возможно изучение динамики приповерхностных слоев пространственного заряда в наносекундном диапазоне длительностей.

Кроме этого при облучении металлов в газовой среде мовдшм БУФ излучением развиваются газоразрядные процессы, поддерживаемые светом, которые исследуются в диссертационной работе.

Основная цель работы состояла в получении управляемой светом генерации ВЧ токов и изменений потенциала при воздействии мощного оптического излучения на.металлы, находящиеся в газовоР среде.

Для достижения этой цели решались следующие задачи: 1. Исследование механизма генерации тока тщ образовании плазмы на поверхности заряженной мишени и возможности получения ВЧ тока таким способом в случае модуляции интенсивности лазерного пучка.

2. Изучение механизма генерации тока за счет термо - ЭДС, возни-какщея при образовании лазерной плазмы на поверхности нейтральной мишени и возможности получения ВЧ тока с помощью модуляции лазерного излучения.

3. Исследование электрических процессов при фотоэффекте с мишени в газе или фоновой плазме и возможности получения ВЧ токов и изменений потештала путем модуляции интенсивности УФ -света.

Научная новизна работа состоит ь кладущем: 1. Показано, что на расстояниях -VI см от границы лагерной плазмы вс здух ионизуется многочаетотным ВУФ излучением-, принадлежащим спектральной области, расположился вблизи порога одно^отонной ионизации молекулярного кислорода. Подучены осциллограммы интенсивности ионизирующего ВУФ излучения лазерной плазмы распространяющегося в атмосфера. Установлено, что интенсивность УФ и ВУФ излучения лазерной плазмы, создаваемой модулированным лазерным излучением, имеет модуляцию на той аге> частоте. ?.. Показано, что возмсшш генерация ВЧ токов при распространении вол1ш фотоионизации газа от поверхности заряженных тел. Генерация тока обусловлена максвелловской релаксацией заряда мишени в плазме, возникающей за волной ионизации, которая движется с переменной скорэстыо.

3. При облучении модулированным лазерным пучком нейтральных мишеней в атмосфере получены длительные (\- 1мкс) импульсы ВЧ тока.

4. Получены ВЧ колебания (75 МГц) потенциала на слое пространственного ?зряця (СИЗ), возникашем пря фотоэффекте с металлической мишени в атмосфере, которые прекращаются через время - 100 не из-за ири.чшадая фотоэлектронов (ТО). Три ичш'пга вблизи облучаемой поверхности фоновой плазм»? (•№) ВЧ колебшгая тска продолжают-

ся не менее 0,5 мкс. Изморена разность потенциалов на СПЗ равная Д<р % 0,2 В. Измерена средняя энергия электронов в фотоионизационной плазме в воздухе раЕнал (3,1 - 0,6) ю~*эВ. Установлено, что величина Лф ограничивается потоком отрицательных ионов на мишень.

5. Экспериментально обнаружена неустойчивость .двойного слоя СПЗ, возникающего при фотоэЩЕвкте с мишени в газе с давлением меныпэ ю Тор. Неустойчивость проявляется в виде возникновения обратного электронного тока из ФП на мишень, что приводит к скачкам потенциала мишени или тока во внешней цепи при плавном изменении интенсивности ВУФ излучения. Показано, что данная неустойчивость обусловлена неустойчивостью электронного газа ФП в тормозящем электрическом поле СПЗ, которое проникает в ФП из СПЗ, имеющего конечные пространственные размеры. Получено условие равновесия этого поля и э/шктронного газа ФП.

6. Показано, что неустойчивость двойного слоя СПЗ развивается также в.том случае, если двойной слой является виртуальным катодом, а ФП поддерживается током из СПЗ, что реализуется при малой нагрузке во внешней цепи. В такой системе получена полная модуляция Лф на частоте 7Ъ МГц за счет переключения состояния СПЗ при глубине модуляции УФ. излучения х ю %. Данная неустойчивость позволила генерировать ВЧ токи (75 МГц) с амплитудой ^0,1 А.

7. Обнаружено, что при сопротивлении внешней нагрузки 0,1-1 Ом, ток из <Н1 на мишень полностью компенсирует ток фотоэмиссии. Установлено, что плазма, создаваемая фотоэлектронами, обеспечивает компенсацию пространственного заряда токов величиной V 1 А. Такой фотоэлектрический газовый разряд позволил преобразовать мощность ВУФ излучения в мощность тока с КДЦ не менез о,з %. Наблюдались нестационарная и квазистационарная формы разряда.

научная и практическая ценность рабом

1. Показано, что лазерная плазма может служить источником УФ и ВУФ излучения с ВЧ модуляцией интенсивности. Результаты исследований по ионизации воздуха излучением плазмы могут использоваться при разработке электрических коммутаторов и в исследованиях фото- ионизационной плазмы.

2. Обнаруженный и изученный в работе механизм генерации импульсов тока и перепадов потенциала при распространении волны фотоиониза-цпи от заряженного тела перспективен для получения как В1! токов, так и для генерации высоковольтных ультракоротких перепадов потенциала.

3. Модуляция термо - ЭДС лазерной плазмы позволяет преобразовать лазерное излучение в БЧ тога! с КПД что на три порядка величины превышает эффективность преобразования в нелинейных кристаллах. Такой лазерно-нлазмьнннй генератор можно перестраивать во всем рэдиедмапазоне.

4- Исследование фотоэффекта с поверхности в атмосфере позволило получить импульсы ВЧ колебаний потенциала длительностью -V \оо не, которые могут нэйти применение при лйзерной передаче сигналов или лазерной локации. Ионы, возникающие при фотоэффекте в электроотрицательном газе, могут использоваться для химико-технологаческого воздействия на поверхность.

5. Обнаруженная неустойчивость электронного газа ФП, находящегося в тормозящем электрическом поло, может также наблюдаться в катодном слое тлеющего разряда и приводить к возникновению катодных пятен. В частности, противоположное по отношению к основному разряду направление тока в области неустойчивости может лвляться объяснением аномального направления движения катодного пятна в магнитом поле [6].

Такая неустойчивость можзт- являться причиной эмиссии сгустков электронов с малой, подбарьерной средней энергией через потенциальные барьеры, например, через виртуальный катод, что может быть использовано для разработки генераторов ВЧ и СВЧ колебаний. Данная неустойчивость может наблюдаться и в других средах, например, в полупроводниках.

6. Плазма газового разряда, поддерживаемого энергией фотоэлектронов. (фотоэлектрического газового разряда) может применяться для технологического воздействия на поверхности материалов или использоваться в преобразователях световой энергии в электрическую.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Волна фотоионизации газа, распространяющаяся от лазерной плазмы на поверхности заряженного тела, создает электрический ток, величина которого определяется скоростью движения волны и начальным потенциалом мишени. Причем ВЧ модуляция интенсивности УФ излучения плазмы лазерным пучком вызывает ВЧ модуляцию скорости волны и приводит к генерации ВЧ тока.

2. ВЧ модуляция температуры лазерной плазмы лазерным пучком вызывает ВЧ модуляцию величины термо - ЭДС на ее границе. Это порождает ВЧ тою! длительностью не менее 1 мкс. Эффективность преобразования по мощности достигает величины ю-7.

'. 3. При фотоэффекте с поверхности металла в атмосфере ВЧ модуляция интенсивности УФ пучка создает ВЧ колебания разности потенциалов (Д<р) на слое пространственного заряда (СПЗ) длительностью -V юо не, а в фоновой плазме (ФЩ вчзывает ВЧ токи в течение 0,5 мкс. 4. Если давление электронного газа ФП превышает критическое, определяемое условием К^/вх - еп^Лф = п^кт (где Е - напряженность электрического поля, проникающего из СПЗ ограниченных раз-

- з -

меров в ФП; n^.n^ - концентрации частиц в ФП; т - температура ФП), то развивается неустойчивость СПЯ, приводящая к переключению состояния двойного слоя СПЗ (исчезновению виртуального катода).

5. Неустойчивость СПЗ позволяет генерировать ВЧ колебания ■■■ амплитудой равной разности потенциалов на СПЗ при глубине модуляции интенсивности управляющего УФ излучения ч ЮЖ, причем концентрация электронов в ФП может достигать критического значения за счет ионизации газа электронами, преодолевающими потенциальный барьер СПЗ.

6. Потек фотоэлектронов с поверхности подвигает и поддерживает вблизи нее фотоэлектрический газовый разряд, плазма которого компенсирует объемный заряд фототока к обеспечивает ¡эффективное (г 0,3 %) преобразование мощности УФ излучения в мощность тока.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результата исследований докладывались и обсуждались на vi,vxi,VIII Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984; Ленинград.. 1988; Ленинград,1990); на XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985); на International oonferenoe on lasers'85 (Las Vegas, 1985); на .TI International conference on Trends in quantum electronics (Bucharest, 1985).

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликован: 19 работ из них 8 тезисов докладов на конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения.

Работа изложена на 180 страницах, включая 50 рисунков и список цитируемой литературы из 159 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы, изложены цели работы, показана практическая полезность полученных результатов, содержится информация о структуре и содержании диссертации, а также приведены защищаемые положения.

В первой главе описаны способы получения мощного лазерного излучения с ВЧ модуляцией интенсивности на частотах 75 МГц (С02 лазер), 200 и 600 МГц "(Nd лазер) за счет биений двух световых волн с различными частотами.

Описан метод регистрации ионизирующего излучения лазерной плазмы п концентрации электронов фотоионизационной плазмы в атмосфере с использованием ионизационного датчика наполненного воздухом. Дан обзор работ по исследованию ионизации воздуха.

Установлено, что воздух ионизуется многочастотным ВУФ излучением лазерной плазмы, принадлежащим спектральной области, расположенной вблизи порогаг однофотонной ионизации молекулярного кислорода. Интенсивность ВУФ излучения достигает величины -- о,1 Вт/см2, а концентрация электронов n^ х ю" см"3 на расстоянии 4 см от граница плазмы. Коэффициент поглощения ионизирующего излучения ; убывает обратно пропорционально расстоянию от плазмы. Изучено изменение интенсивности ионизирующего излучения во времени.

Показано, что если лазерный импульс имеет ВЧ модуляцию интенсивности, то УФ и ВУФ излучение лазерной плазмы модулировано на той «о частоте (75. 200, боо МГц). Следовательно, лазерная плазма может быть источником УФ и ВУФ излучений с ВЧ модуляцией интенсивности и длительностью i мкс.

Рассмотрены методы регистрации токов и изменений потенциала.

Во второй главе дан обзор результатов работ по генерации токов при воздействии лазерного излучения на заряаенныв тела. Исследована динамика изменения потенциала заряженной металлической мишени и Еозбуидаемого в ней тока при образовании лазерной плазмы на ее поверхности.

Установлено, что изменение потенциала мишени Ли имеет две стадии - быструю, происходящую за время длительности лазерного импульса и медленную с длительностью % 1 мс. Быстрой стадии изненения потенциала соответствует шпульс тока амплитудой -V о,1 А для СОя лпзера и до 0,5 А для N1 лазера.

Изменение потенциала мишени обусловлено увеличением электрической емкости мишени в момент образования вблизи ее поверхности проводящей плазменной области. Показано, что ток 1, возбуядэемый в мишени, определяется зависимостью 1 ** иоу , где - начальный потенциал мишени, V - скорость расширения проводящей области (у ю7см/с). Проводящая область расширяется за счёт движения волны фотоионизации холодного газа, поддерживаемой ВУФ излучением лазерной плазмы. . .

Изучение зависимостей Ди от интенсивности и длины водны лазерного излучения (X. = 10,6; 1,06; 0,53; 0,26 мкм) показало, что изменение потенциала мишени наблюдается также в доплазмонннх решшах облучения, для которых Ли максимально в случае X = 0,26 мкм.

Для одночастотного ионизирующего излучения в плоской геометрии

задачи получено выражение для скорости волны фотоионизации:

хуф

V = ---

сН

где а - коэффициент поглощения УФ излучения. Эта зависимость объясняет роет амплитуда тока с уменьшением давления газа. В

случае многочастотного ионизирующего УФ излучения справедливо:

v ^ <Х Irtw

То есть, в данном случав величина тока возрастает с ростом амплитуды и может нарастать, если 1уф увеличивается быстрее, чем линейная функция времени.

Если интенсивность УФ излучения модулирована, то происходит модуляция скорости расширения проводящей области и генерируемого тока. Таким способом получены ВЧ токи на частотах 75 МГц (1 мА), 200 МГц, 600 МГц (10 ыА).

В третьей главе дан обзор результатов по генерации импульсных и ВЧ токов в плазме и связанной с ней внешней цепи из-за присутствия термо - ЭДС в неоднородной лазерной плазме.

Исходя из уравнений баланса энергии для электронов и ионов однородной плазмы, нагреваемой лазерным излучением, показано, что если лазерный пучок имеет модуляцию интенсивности, то в зависимости температуры электронов от-времени Te(t) возникает переменная составляпцая с частотой модуляции лазерного излучения. Модуляция происходит как в нестационарном, так и в квазистационарном случаях, последний из которых реализуется в экспериментах с СОг (75 МГц) и Nd (600 МГц) лазерами.

Так как разность потенциалов на двойном слое, возникающем на фронте лазерной плазмы (термо - ЭДС) имеет величину Л<р ^ туе, то под действием модулированного лазерного пучка в экспериментах наблюдается модуляция Дер с амплитудой до 0,5 В (С02 ,пазер). При этом в случае облучения изолированной мишени генерируются ВЧ токи смещения, амплитуда которых определяется собственной емкостью ореола ионизации воздуха перед плазменным фронтом. Это приводит к задержке в 50 - 100 не максимума амплитуда ВЧ тока относительно

максимума колебаний лазерной интенсивности. Получена теоретическая зависимость амплитуды ВЧ токов от параметров эксперимента.

ВЧ токи достигали величины -v 1 мА на частоте 75 МГц и 5 мА на частоте боо МГц. При облучении изолированного полуволнового вибратора в нем резонансно возбукдались колебания на частоте 600 МГц. Показано, что в атмосфере могут быть получены ВЧ токи (75 МГц) с амплитудой -v о,1 А и импульсы тока величиной х 1 А. КПД преобразования лазерной мощности в мощность ВЧ тока равен 10~7. Это достигается, если терло - ЭДС замыкается на внешнюю цепь, когда плазменный фронт прдаодит мимо вспомогательного металлического электрода или дополнительного лазерного факела.

Четвертая глава посвящена изучению электрических и газоразрядных процессов при фотоэффекте с поверхности металла, находящегося в газе. Приводится обзор исследований, в котором указывается на аналоги» между фотоэмиссией с катода, происходящей в газе низкого давления и принципом работы термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) тепловой энергии в электрическую, основанном на поджигании газового разряда при термоэмиссии с катода, находящегося в газе.

В экспериментах источником ВУФ излучения с ВЧ (75 МГц) модуляцией интенсивности служила лазерная плазма, которая поджигалась на поверхности вспомогательной металлической мишени модулированным излучением С02 лазера. В атмосфере лазерная плазма обеспечивала интенсивность ВУФ излучения на исследуемой поверхности равную i ф ^ 0,1 Вт/см2 {\ \ 100 нм), а при давлении газа р < ю Тор было выполнено 1,8 кВт/см7 < 1уф < ю кВт/см2 (A. v 70 нм). На поверхности облучалось пятно площадью 0,4 см2.

Установлено, что в атмосфер- происходит модуляция величины Д'р на частоте 75 МГц, которая продолжается в течение 50 - 100 не после начала облучения. Затем амплитуда колебаний &.'(, резко (ч ю

не) уменьшается, из - за прилипания фотоэлектронов (ФЗ), потерявших начальную энергию. Поэтому объемный заряд и напряженность электрического поля в СЮ определяется отрицательными ионами. Электроны в СПЗ распределен по закону Больцмана, что подтверждается экспериментальной зависимостью Д«р -v (чш/е) lnd^), где -средняя энергия электронов фоновой плазмы (®1), которая возникает из -за фотоионизации газа. Из этой зависимости получено, что т^ = (3.1 - 0,6) Ю"2эВ. Дпя металлов максимальное значение Дф (5 -8) Т^/е v о,2 В. Рост величины Аф ограничивается через время > 1,5 мкс потоком отрицательных ионов, нейтрализующихся на поверхности.

Значение Аф экспоненциально возрастает с уменьшением давления газов, что связано с ростом времени релаксации энергии электронов в ФП. Для Дф равно v ю В, а для Не - Дф х го В при атмосферном давлении. Для воздуха обнаружено увеличение скорости роста Дф -v при р < 500 Тор.

Когда мишень покрывалась слоем диэлектрика, который испарялся пучком вспомогательного С02 лазера после УФ облучения, то наблюдалось увеличение Дф в два раза за время 1,5 мкс, что объясняется электрогазодинамическим эффектом.

ВУФ облучение мишени, находящейся в рекомОширунцей лазерной плазме, позволило увеличить продолжительность ВЧ тока до 0,5 мкс.

При ВУФ облучении мишени в газе низкого давления (р < 10 Тор) наблодаются новые явления. Для изолированной мишени (сопротивление нагрузки Hjj = 70 МОм) величина Au(t) v Дф(1) после первоначального нарастания скачкообразно уменьшается, а затем достигает второго максимума, совпадающего во времени с максимумом 1уф. Первый максимум Дф соответствует неустановившемуся взаимодействию СПЗ и ФП. В этом случае Аф n- p"°'s для р < 0,2 Тор и Дф -v р~* для

р > 0,2 Top.

Для второго максимума Д<р, соответствующего установившемуся

случаю получена зависимость:

I , 8 а ,

ЛФ^ -i- ( 1 - exß ( - —-Ь )J

Öde1- 1 J

где - начальная средняя энергия ФЗ; d^ - дебаевский радиус <1-П; - средняя длина пробега ФЭ; 8 - доля энергии, теряемая ФЭ при смещении на расстояние от поверхности мишени (в случав упругих столкновений и максвелловского распределения электронов справедливо выражение О = (2т/ы),х* 4/(Зк)"г ). Поэтому Дф ^ Ti0/ е = sonst при р < 0,5 Тор (7в > б йл) и Дф х р~а'я при р > 0,5 Top (Ze < 5 dj, что подтверждается экспериментом.

Таким образом, скачкообразное изменение величины Дер является следствием изменения состояния СПЗ. Рассмотрены возможные известные причины такого перехода между состояниями СПЗ и найдена новая причина, так как известные процессы не объясняют наблюдений. Это неустойчивость равновесия электронного газа плазмы с постоянным электрическим полем, заданным на его границе. Получено условие равновесия такой системы:

— - е п Дф=п Т 8* * *

где - напряженность постоянного однородного электрического поля, заданного на границе полупространства, заполненного плазмой; n^ , пв - концентрации и ..нов и электронов в объеме плазмы шины считаются неподвижными); т - температура плазмы.

Увеличение давления электронного газа (концентрации электронов или их температуры) вше критического уровня, определяемого данным условием, приводит к нарушению равновесия, то есть к возникновению электронного тока по направлению к границе плазмы (обрат-

ного электронного тока из плазмы на мишень). Электрическое поле на границе плазмы в экспериментах создается деойным слоем фотоэмиссионного объемного заряда, вследствие ограниченности его

Дф

пространственных размеров. Это поле имеет величину st £ — в

центре тонкого двойного слоя с диаметром D. Неустойчивость СПЗ была зарегистрирована также в экспериментах, в которых оптический фильтр из Lip исключал фотоионизацию газа. Концентрация электронов в Iii определялась током из СПЗ, который являлся в данном случае виртуальным катодом, и зависела от RH и I ф. Поэтому при RH = 70 МОм величина A<p(t) изменялась плавно, так как ток и пв были незначительными, а при RH = 100 Ом из - за неустойчивости СПЗ изменялось распределение потенциала в слое (исчезал виртуальный катод), что приводило к скачкообразному изменению величины и знака приэлектродного падения потенциала и сигнала Ди( t) в зависимости от величины t). Такое

переключение состояния СПЗ происходило с частотой 75 МГц при неглубокой ("V 10%) модуляции 1уф. Экспериментально установлено, что электрическая ток, который регистрируется в такой системе (без фильтра) при RH = 0,1 Ом, модулируется на частоте 75 МГц из - за развития неустойчивости СПЗ. Глубокая модуляция тока возникает при увеличении максимального значения i ф. Уменьшение потерь электронов из MI за счет создания тормозящего электрического полл вблизи отверстия, служащего для ввода БУФ излучения, существенно увеличивает глубину и длительность модуляции тока. Получены ВЧ токи с амплитудой ^-0,1 А. Импульсный ток им'-л значение 1 А. ВЧ ток возбуждал электронные колебания плазмы, имевшие добротность равную В момент развития неустойчивости наблюдался скачок фази я) 1:4 колебаний тока. 00наруа.(-но. что черед r¡»m« ^ г-оо не иосле начала облуччния

фототек полн-ютью компенсируется обратным током из ФП, поэтому импульс тока но внешней цепи имеет двулолярную форму. Полная компенсация фототока обратным током происходит из - за нестационарности разряда, который локализован вблизи катода. Па интегральных фотоснимках наблюдается свечение газа в области с размерами 5 I вблизи облучаемой поверхности. Амплитуда тока проходит через максимум при межэлектродном расстоянии порядка 10 Хв , что совпадает с аналогичным условием для ТЭП, работающем в дуговом режиме разряда. Амплитуда тока растет при уменьшении разности потенциалов на газоразрядном промежутке.

Через время 1 мкс (при р = 2,5 ю"? Тор) такой фотоэлектрический газовый разряд распространяется на весь межэлектродный промежуток, то есть разряд переходит в стационарное состояние, что проявляется в возрастании тока от нуля до величины 1 А. Длительность квазистационарной фазы разряда достигала 15 мкс по полувысоте, что соответствует продолжительности импульса УФ излучения.

Плазма фотоэлектрического газового разряда, аналогично дуговому газовому разряду в ТЭП, обеспечивает компенсацию объемного заряда тока, что позволило преобразовать мощность ВУФ излучения в мощность то{са с КПД не менее 0,3". В нагрузке выделялась мощность в нескольно Ватт. Величина фото - ЭДС (средняя энергия Ф0) была равна для медной мишени:

С = (1л>т - А)/е ^ 14 В где Ьг>т - энергия кванта ВУФ излучыния, имеющего максимальнный квантовый выход фотоэффекта; а - работа выхода материала мишени.

В Заключении приводятся основные результат, полученные в диссертационной работе.

основные результаты работы

1. Установлено, что атмосферный воздух, на расстояниях ^ 1 см от границы лазерной плазмы ионизуется многочастотным ВУФ излучением, принадлежащим спектральной области, расположенной вблизи порога однофотонной ионизации молекулярного кислорода. В плоской'геомет-ркл эксперимента концентрация электронов и когчффициент поглощения ВУФ излучения уменьшаются обратно пропорционально расстоянию.

2. Показано, что ВЧ модуляция интенсивности лазерного пучка вызывает ВЧ модуляцию интенсивности УФ и ВУФ излучения лазерной плазмы. То есть получен источник УФ и ВУФ излучения с ВЧ модуляцией интенсивности и длительностью импульса ^ 1 мкс.

3. Получены импульсные и ВЧ токи амплитудой 0,5 А и ю мА (¿00 и 600 МГц, N<1 лазер), а также 0,1 А и 1 мА (75 МГц, соа лазер) при облучении заряженных металлических тел лазерным излучением ь атмосфере. Показано, что механизмом генерации' этих токов является максвелловская релаксация электрического заряда ь плазме, возникающей за волной фотоионизации газа, движущейся с неременной скоростью.

4. Осуществлена генерация ВЧ токов за счет модуляции термо-ЭДС лазерной плазмы модулированным по интенсивности лазерным пучком. Получены ВЧ токи амплитудой 5 мА на частоте 6сю МГц к ^ 0,1 А на частоте 75 МГц в атмосфере. Показано, что собственная■ емкость области УФ ионизации воздуха определяет амплитуду ВЧ токов смещения, генерируемых термо-ЭДС. Эффективность преобразования в мощность ВЧ тока равна Ю-7 при мощности термо - ЭДС \ 1 Вт и ВЧ тэрмо - ЭДС о,1 Вт на один лазерный факел сечением ^ 1 мм'.

5. В течение ^ 100 не получена ВЧ модуляция А</> на СПЗ, возникающем при фотоэффекте в атмосфере. В рекомбинируюцей плазме ВЧ модуляция тока продолжается не менее 0,5 мкс. Измерена величина

i<p вблизи поверхности, которая равна -v 0,2 В и ограничивается потоком отрицательных ионов на облучаемую мишень. Установлено, что в воздухе величина Лф определяется Тв фоновой плазмы при р > 160 Тор или т^ фотоэлектронов при р < 160 Тор. ь. Обнаружена неустойчивость двойного слоя СПЗ, находящегося в ФП, и показано, что она вызывается неустойчивостью электронного таза в тормозящем электрическом поле, причем условие равновесия имеет следукщий вид:

К

— - еп Дф=п k Т Ь%

7. Неустойчивость СПЗ использована для получения ВЧ колебаний Дф и тока. Установлено, что переключение состояния СПЗ из-за развития его неустойчивости позволяет получать полную модуляцию Дф при глубине модуляции интенсивности УФ излучения v 10%.

8. Получен фотоэлектрический газовый разряд, который за счет компенсации пространственного заряда позволил преобразовать мощность УФ излучения в мощность тока величиной м i с эффективностью не менее 0,зх. Мощность тока в нагрузке составляла несколько Ватт. Наблюдались нестационарный и стационарный режимы дугового разряда. Генерировались ВЧ токи амплитудой -v о, 1 А на частоте 75 МГц.

Основные материалы, изложенные в диссертации опубликованы ь следующих работах:

1. Н.Г. Басов, Б.И. Васильев, А.З. Грэсюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Лазерно - плазменное детектирование разностной частоты двух световых волн. - Письма в ЖЭТФ, 1964, т.40, вьгп.з, с.114-116.

¿. Н.Г. Басов, А.З. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Г-зн^рация разностных частот двух световых волн методом лазерно -

менного детектирования. - Тезисы докладов ХП Все«. конф. по когерентной и нелинейной оитике (№>оква, 1985), ч.2, с.763-764.

3. Б.И. Васильев, А.З. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Лазерно - плазменное детектирование. - ЖЭТФ, 1986, т.90, ВШ.5, С.1635-1645-

4. Н.Г. Басов, А.З. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Лазерно -плазменное детектирование. - Изв. АН СССР, сер. Физич., 1986, т.50, N.6, с.1087-1094.

5. Б.И. Васильев, А.З. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Влияние длины волны и длительности импульса излучения лазера на изменение потенциала заряженной мишени. - Тезисы докладов VI Всес. конф. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984), с.333.

6. Б.И. Васильев, А.З. Грасюк, Е.А. Мешалкин. Динамика изменения потенциала мишени под действием лазерной плазмы. - Тезисы докладов VI Всес. конф. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Паланга, 1984), с.334.

7. .Б.И. Васильев, А.З. Грасюк, В.А. Золотарев, Л.В. Кулаков, Е.А. Мешчлкин, М.П. Фролов. Влияние длины волны лазерного излучения на изменение потенциала заряженной мишони. - ЖТФ, 1986," Т.56, вып.4, с.780-782.

8.. Б.И. Васильев, А.З. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Динамика изменения потенциала заряженной мишени при ьоздейстьии лазерной плазмы. - ЖТФ, 1486, т.56, ыш.5, е.«73-877.

</. А.А. Антипин, А.З. Грает, Л.Л. Лосев, А.И. Луценко, Е.А. Мешалкин." Г^нерання высокочастотных токо£ при. сингармоническом лазерном и.х'д-'йствии на металлическую мишень. Физика плаэмы, 1387, т.13. н.з, с.з'б-зл.

10. Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Ионизация воздуха излучением лагерной плазмы. - ЖТФ, 1987, т.57, вып.З, с.446-453.

11. A.A.. Antipov, N.G. B3PÛV, A.Z. Grasiuk, L.L. Losev, A.P. liutsenko, E.A. Meshalkin. Laser - plasma detection. - Proc. oí the Int. Conf. on Lasers'85 (Las Vegas, 1985), pp.163-170.

12. A.A. Antipov, N.G. Basov, A.Z. Grasiuk, L.L. Losev, A.P. Lutsenko, E.A. Meshalkin. Laser - plasma detection: generation of ultrahigh - frequency currents on solid surface exposed to laser radiation. - Proc. of the 2nd Conf. on Trends in Quantun Electronics (Bucharest, 1985), pp.207-216.

13. A.A. Антонов, A.3. Грасюк, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Эффект лазерно - плазменного детектирования на низкотемпературной лазерной плазме, инициируемой на поверхности металла излучением С02 - лазера. - Тезисы докладов VII Всес. конф. по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988), с.178-179.

14. A.A. Антипов, Л.Л. Лосев, Е.А. Мешалкин. Увеличение амплитуды ВЧ токов при воздействии на нейтральную мишень .микросекундного импульса сог - лазера. - Квантовая электроника, 1988, Т.15, N.9, С.1867-1875.

15- Е.А. Мешалкин. Наблюдение неустойчивости двойного слоя и поджигание фотоэлектрического газового разряда УФ излучением. - Тезисы докладов, vin Всес. конф. по Взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), с.9.

16. Е.А. Мешалкин. Установление слоя пространственного заряда при фотоэффекте с мишени в газе. - Тезисы докладов vin Всес. конф. по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), с.Ю.

17. Е.А. Мешалкин. Неустойчивость двойного слоя и поджиганий

фотоэлектрического газового разряда УФ излучением. - Физика плазмы, .1991, т.17, вып.8, с.996-1002.

18. Е.А. Мешалкин. Установление слоя пространственною заряда, его неустойчивость и поджигание дугового разряда при фотоэффекте с мишени в газе. - Изв. АН СССР, сер. Физич., 1991, т.55, N.6» с.1158-1162.

19. Е.А. Мешалкин. Установление слоя пространственного заряда при фотоэффекте с мишени в газе. - ЖТФ, 1991, т.61, вып.8, с.43-50.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Л. Юз, Л.А. Дюбридж. Фотоэлектрические явления. - Л.: ОНТИ, Главная редакция общетехнической литературы, 1936.

2. Н.Г. Басов, О.Н. Крохин, Г.В. Склизков. Исследование динамики нагревания и разлета плазмы, образующейся при фокусировании мощного излучения лазера на вещество. - Труды ФИАН, 1970, т.52, с.171-236.

3. R.E. Honig, J.R. Woolston. Laser - induced emission of

electrons, ions, and neutral atoms from eolid surfaces. -«

Appl.phjrb Lett., 1963, vol.2, N.7, pp.138-139.

4. Г.А. Аскарьян, И.М. Раевский. Возбуадение высокочастотных колебаний импульсом лазера. - Письма в ЖЗТФ, 1980, т.32, вып.2, с.115-119.

5. И.Н. Гончаров, В.И. Конов, Т.М. Мурина, П.И. Никитин, A.M. Прохоров, В.М. Сидорин, В.А. Чудненко. Электрическое иоле лазерной искры, поджигаемой вблизи проводящей мишени. - Письма В ЮТФ, 1977, Т.26, мш.7, с.551-554.

6. В.П. РаПаер. Физика газового» разряда. - М.: Наука, 198?.