Лазерно-плазменная генерация электрических, магнитных полей и токов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДИШ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи УДК 621.378

КАБАШИН Андрей Викторович

1АЗЕРН0-ПЛАЗМЕННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ТОКОВ.

(01.04.21 - Лазерная фазика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 19Э4 г.

Работа выполнена в отделе "Светоиндуцированные поверхностные явления" Института общей физики Российской Академии Наук.

Научный руководитель: кандидат Зизико-математических наук старший научный сотрудник П.И.Никитин

ифицальные оппоненты I доктор физико-математических наук Г.А.Аскарьян ИОФ РАН

кандидат физико-математических наук

А.Н.Поляничев

ГП "НПО Астрофизика"

Ведущая организация: Физический институт РАН,

Защита состоится " лщ^ 1994 года в 15 часов на заседании Специализированного совета К.003.49.02 1 в Институте общей физики РАН по адресу:

117942. ГСП-1, Москва, В-333, улица Вавилова, 38, Институт общей физики РАН.

диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан " года.

Ученый секретарь Специализированного Совета К.003.49.02

кандидат физико-математических наук .-/^Г^/УЛ-.- Т.Б.Воляк.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Акт2§льность_твьыл Исследование лазерной плазмы является >■ нестоящее время интенсивно развивавшейся областью современной физики. Среда наиболее актуальных проблем з данной области значительное место занимают лучевая энергетика, связанная (. трансформацией световой энергии в электрическую, лазерное ускорение заряженных частиц, лазерный термоядерный синтез. Напрямую связанной с решением подобных проблем является изучение электромагнитных полей и токов в лазерной плазме, что обуславливает достаточно большое количество публикаций на эту тему.

Уже в одной из первых работ /I/, посвященных исследованию оптического пробоя воздуха, сообщалось о наблюдении электрического дипольного момента лазерной искры. Вскоре в экспериментах с; лазерной искрой /2/, а затем и при лазерном облучении твердой миейня /3/ были зарегистрированы магнитные поля Еблизи плазмы. Эти работы вызвали значительный интерес к изучению магнитных полей плазмы, особенно, в связи с их возмоним - влиянием на физику лазерного термоядерного синтеза.

Измеренные значения магнитных полей в плазме при интенсивности! греющего излучения I - Ю15 Вт/см2 достигают величин порядка нескольких негагаусс, а величина токов в плазмо превышаот 250 кА. Наличие негагауссных полей приводит к существенному влиянию на процессы теплопереноса в плазме, динамику развития плазмы и эффективность энерговклада в мишень, а таксе эффективность поглощения лазерного излучения и генерацию различных видов неустойчивос-тей. Кроме того, меняются спектральные характеристики излучения плазмы из-за Зеемановского расщешюння спектральных линий. Все эти и многие другие аспекты влияния магнитных полей могут оказаться принципиально ванными при решении раз-тачных задач ©геики взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с плазмой, в

частности, для проблей лазерного термоядерного синтеза. В связи с этим исследование закономерностей и механизмов генерации электрических, магнитных шлей и токов в лазерной плазме приобрели в настоящее время большую актуальность.

Следует отметить, что исследование лазерно-плазменной генерации токов представляет большой самостоятельный интерес в связи с возможностью использования подобных токов для прямого преобразования лазерной анергии в электричество. Б последнее время этой проблеме уделяется болызов внимание в связи с возможностью эффективной поредачи энергии лазерным луком на большие расстояния в космосе и атмосфере. Лазерно-индуцированные токи могут быть использованы и для возбуждения высокочастотных электромагнитных колебаний, а такта в качестве легочников сввроссальшх магнитных полей вне плазмы. Так. при 1=Ю14 Вт/см2 были получены поля мегагаусных величин, создаваемые в витке радиусом I мл токами в 100 кА. Интерес представляет как повышение эффективности .преобразования в известных схемах;' так. и поиск новых способов лазерно-шшзкенного возбуждения токов.

Кроме того, как известно, существует глубокая аналогия между генерацией электромагатшх полей при оптическом пробое воздуха и электромагнитными возмущениями, возникающими.при.взрывах взрывчатых веществ в атмосфере. Во многих случаях поджиганием лазерной искры можно моделировать процесс генерации электромагнитам возмущений при взрывных явлениях в достаточно простых экспериментальных условиях. Исследование электрических сигналов вЬлизи лазерной искры может объяснить физику возбуждения электромагнитных полай при взрывах ВВ. Вопрос о механизмах их возникновения представляет большой научный интерес и до сих Пор остается открытым.

Основная цель работы состояла в исследовании законов оностей и механизмов возбуждения электрических, магнитных полей и токов лазерной плазш в условиях умеренных интенсивностей грепцего излучения

108-1013 Вт/см2, а такта влияния фактора пространственной всиммат

(

рии плазмы и ореола ионизации на процесс генерации полей и токов

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследование пространственно-временной структуры магнитны» полей лазерной плазмы и методов их усиления вне плазменной области.

2. Поиск новых методов лазерпо-шшзмепного возбуждения токов вдоль проводящих мишеней.

3. Исследование пространственно-временной структуры олактриче ских полей лазерной плазмы при различных параметрах греющего излу чения.

4. Выяснение влияния различных факторов, связанша с присутствием мишени (топологии, соотношений размеров, проводимости) на процесс генерации электромагнитных шлей и токов лазерной плазмы.

Научная и практическая ценность работы.

Проведенное совместное исследование электрических, магнитных полей и токов позволило построить непротиворечивую кортину происходящих явлений. ООнаруген ряд новых эффектов, ранео не отмечавшихся в литературе.

Так, установлено существенное влияние процессов, происходящих на кон¿акте ореола ионизации с мишенью, не генерацию магнитных полей и токов вдоль милени. Показано, что учет подобных процессов, имеющих наяСсльчшй пространственный масштаб, мозет объяснить многие отмечавшиеся ранее в литература противорэггия экспериментальных результатов. Обнарувено, что создание адалктрпи контактирования ореола с поверхностью мишени приводит к существенному усилении магнитных полей за мишенью, а такзз к генерации вдоль нее электрического тока.

Кроме того, получен ряд новых результатов по исследованию электрических полей лазерной плазмы, к которым, в частности, можно отнести прямую регистрацию квадрупольгсШ конфигурации объемных

нарядов в лазерной искре, а танке установление закономерностей пространственной эволюции подобной потенциальной структуры в зависимое™ от интенсивности, длины волна и длительности импульса сущего излучения.

Полученные результаты позволяют лучше понять механизмы возбуждения электромагнитных полей и токоа в лазерной плазме и объяснить ряд ранее наблвдавшихся эффектов. Кроме того, она могут оказаться полезными для решения целого ряда проблем лазерной физики, таких ка! прямое преобразования лазерной энергии в электричество, создания интенсивных магнитных полей вне плазмы, дистанционной диагностики электромагнитных параметров плазмы, ускорения заряженных частиц.

Нз_э ащщ _выносятся :

Т. Установление принципиальной роли целого рада факторов, связанных с присутствием мишени (ее топологии, соотношений размеров, пространственного положения относительно центра плазмообразования, проводимости на контакте с ореолом ионизации) на процесс генерации и распределения электрических, магнитных полей и токов лазерной плазмы.

2. Обнаружение новых способов лазерно-плазмешюго возбуаденш электрического тока вдоль облучаемой мишени и значительного (более чем в 100 раз) усиления магнитных полей вне плазмы, в частности, i области за мишеныо, при асимметричном контакте ореола ионизацш плазмы с повехностью мишени.

3. Экспериментальное выявление "контактного" и "индукционного" механизмов лазерно-плазменного возбуждения электрических полей и токов вдоль поверхности прр:зодящей мишени, реализующихся как при пространственной асишетрш самой лазерной плазмы, так и при асимметрии контактирования ореодз ионизации с мишенью.

Обнаруяэние возможностей существенного усиления токов вдоль мишени за счот поджигания на ее поверхности нескольких асимметрич-

Ч

них плазменных сгустков, образующих "плазменную решетку".

4. Установление закономерностей пространственно-временной эво лицеи структуры электрических полой лазерной искры (квадруиольная дтюльная) при вариациях интенсивностей греющего излучения в диапа зона Ю9-Ю13 Вт/см2, а также длин волн и длительностей рмпульсов.

Апрдбация_ЕаботЫ;. Основные результаты исследований докладыва лись и обсуэдались нэ XIX и хх Международных конференциях по явле пиям в ионизированных газах (г. Белград, Югославия, ишь 1989; г. Пиза, Италия, июль 1991), VIII Всесоюзной конференции по вэаимодей ствию оптического излучения с веществом <г. Ленинград, сентябрь 1990), IV Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения, плазменных и электронных потоков с веществом (г. Бозтери, Кирг. ССР, сентябрь 1990), XV Международном симпозиуме по физике ионизированных газов (г. Дубровник, Югославия, июль 1990), xiv Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (г. Санкт-Петербург, сентябрь 1991), VI Европейской конференции "Евродэтчики-У1" (г. Сан-Себастьян, Испания, октябрь 1992), Мевдународной конференции "Оптика лазеров-93" (г. Санкт-Петербург, июнь 1993), хх Европейской конференции по физике плазмы и управляемому синтезу (г. Лиссабон, Португалия, июль 1993), IV Мевдународной конференции "Физические проблеммы оптических измерений, связи и обработки информации" (г. Севастополь, сентябрь 1993).

Помимо этого диссертационная работа докладывалась па семинарах отделов "Колебаний", "Светоиндуцировавных поверхностных явлений" и "Физики плазмы" ИОФ РАН.

Щбликации^ Материалы диссертации изложены в Г8 печатных рабо тах, опубликованных в различных научных журналах и тезисах докладов конференций.

Структура_и_объем_дисс§£гауиил Диссертация состоит из ввэде -

няя, пята глав, заключения и списка цитируемой литературы из 120 наименований; Полный объем диссертации 195 страниц, включая 57 рисунков .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ввеаенш обоснована актуальность темы диссертации, изложены цели работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Содержится информация о структуре и содержании диссертации, а также приведены защищаемые положения.

В_ порвой__главе представлен литературный обзор работ,

¡¡освященных исследованию полей и токов лазерной плазмы.

В { I. I рассмотрены работы по исследованию магнитных полей плазмы. Указанные работы свидетельствуют о наличии полей мегагаус-сного диапазона внутри лазерной плазмы и полей до I кГс в области окружающего плазму ореола ионизации. Однако, величина полай вне плазмы и ореола, например, в области за мишэнью, обычно не превышает 0,1 Гс даже при высоких ивтенсивностях греющего излучения.

Для усиления полей вне плазмы и ореола предлагалось создавать магнитный диполышй момент плазмы за счет наклонного падения излучения на мишень или прохождения лазерного луча не через центр фокусирующей линзы.

Вместе с тем актуальным остается поиск новых способов усиления магнитных полей вно плазмы и ореола, способных обеспечить максимальные амплитуды полей в условиях произвольных геометрии и пространственных размеров мишени.

В § 1.2 приведен обзор работ по исследованию лазерно-плазменной генерации токов. Отмеч ¡тся, что основной схемой исследования токов в плазме являлась схема двухэлектронного газового преобразователя. В такой схеме плазма поджигается между двумя пгзктродами разомкнутой цепи, а возникающая в плазме ЭДС приводит к токам через электрическую нагрузку мевду этими электродами. Опубликованные

\

ранее работы свидетельствуют о перспективности использования возоу* даемых лазером токов для проблем прямого преобразования световой энергии в электричество. Исследования ведутся как по увеличении интенсивности грепдего излучения, приводящему к вкладу новых ноли но Слых «зхайнгаов генерации ЭДС и токов в плазме, так и повышению эффэкхЕвтсти эеиыкакия подобной ЭДС в двухэлектроЕной схеме. йзств с тем значительный интерес представляет поиск новых способов дазорпо-плазиешого воэбундения токов, причем не в специально при-го то зленной цепи, а в условиях схйгшой пленарной геометрии еепгони.

В § 1.3 отмечены экспериментальные сложности взварения электрических полей вблиэп плэзма, что обуславливает небольшое число публикаций на ату тему. Известны лишь раСотн по изучению электрических полей прл оптическом пробое воздуха, причем исследования проводились либо при интенсивностях греющего излучения i«I011-I012 Вт/см2, либо при уморенных интенсивностях i«I07-I0e Вт/сл2. Показано, что результаты подобных исследований достаточно противоречивы, и не позволяют с уверенностью судить о наличии той или иной конфигурации объемных зарядов в плазш. Отмечена необходимость изучения пространственной структуры элактричосютс полей плазш в пярокои диапазоне интенсизностей греющего излучения.

Во второй главе описывается базовая экспериментальная установка и методике проведения експеркментов.

Для создания плазм: в опытах использовались импульсы излуче-нея длительность» от 0,7 не до 4 икс в широком спектральном диапазоне от 0,53 до 10,6 ккм.

В качестве источника ИК излучения использовался микросекуцдшй TEA С02 лазер, работащий в рззвме сдвоенных импульсов с регулируемой зэдвракой мевду ними т=1-2000 икс. Диаметр пятна фокусировки составлял 3-4 ш. е интенсивность излучения в области фокуса I=I08-5-I09 ВТ/см2.

Кроме того, в экспериментах ш исследования электрических иолей при оптическом пробое воздуха использовался неодимовый лазер о энергией до 350 ыД* на первой U=I,06 мкм) и до 160 мДк па второй и=0,53 мкм) гармонике излучения. Лазерные импульсы имели длительность х либо раваув 0,7 не, либо 3,5 не на каадой из гармоник. Диаметр пятна фокусировки был менее 100 мкм, а максимальная интенсивность излучения достигала 2-Ю13 Вт/см2.

В опытах использовались проводящие мишени из медной фольги, в также диэлектрические милени из тефлона различной толщины (0,1-2) nei и размеров (3-8) см.

Для исследования генерации токов вдоль поверхности мишени края мишени соединялись проводником с малым активным сопротивлением. Ток в цепи замкнутого контура мишени регистрировался поясами Роговского.

Для- регистрации возникающей между краями мишени разности штенциалов в ряде случаев исшльзовался интегрально-оптический модулятор на основе интерферометра Махв-Цандера. >

Для измерения магнитных полей вблизи плазмы использовались волоконные магнитооптические датчики на основе феррит-гранатовых пленок и кристаллов полумагнитных полупроводников сампте с порогом чувствительности 0,3 Э, пространственным разрешением 2 мм, Еремен-ным - 0,6-20 но, а также индукционные катушки с временным разрешением 20 не чувствительностью 2 мВ при производной поля 0,4 Гс/ыкс. Описана методика градуировки датчиков магнитного шля.

Для регистрации и измерения потенциалов электрического шля вблизи плазмы пробоя воздуха использовался зондовый метод. Зонд представлял собой отрезок центральной жилы 50-омного кабеля длиной 1-2 см, помещенный в диэлектрический кожух. Для регистрации сигналов микросекундах длительностей между жилой ' и оплеткой кабеля запаивалось сопротивление нагрузки и=50 СМ. Сигнал с зонда подавался через согласующую 50-омную нагрузку на вход осциллографа, при

подключении кабеля к которому оплетке заземлялась.

При характерных параметрах измерительной цепи сигнал роздн < случае нано- и микросекундных импульсов выражается следущнп формулой:

где $ - потенциал электрического поля в области расположения 'юад& относительно нулевого, с - собственная емкость зонда.

Кроме того, с помощью фотохропогрэфа СФР-1 и электронно оптической камеры "Агат СФ-1" проводилась фотосъемка динамики разлета плазмы вдоль лазерного луча.

Третья_глава посвящена исследованию основных закономерностей и механизмов лаэерно-плазиенного возбуждения электрических токов и напряжений вдоль проводящей мишени.

Плазма поджигалась на мшени в форвакууме (Р=0,1 Тор) иэлучо нием С02 лазера умеренной интенсивности 1=Ю8-Ю9 Вт/см2.

В 5 3.1 рассматривается эффект генерации тоха вдоль одиночной кольцеобразной мишени, реализующийся при пространственно-асикыет-ричном распределении интенсивности г(х) в пятне облучения на поверхности мишени.

Рассмотрены различные способы создания асимметрии излучения на поверхности и установлены оптимальные режимы плазмообразования. при которых реализуются максимальные токи вдоль мишени.

Показана возможность существенного (в 3-10 раз) усиления токов вдоль мишени за счет поджигания на ее поверхности нескольких асимметричных плазменных сгустков, образующих "плаз^энную решетку". При этом максимальные величины гокоз зарегистрированы при плазмооб-разовании тандемными лазерннми импульсами на гофрированных мишенях с асимметричным профилем гофров и составляли 16 А при интенсивности греющего излучения 3-Ю8 Вт/см2.

Установлено, что при пороговых для плазмообразования условиях.

когда асимметрия плазмы определяется не только распределением 1(х), но н неоднородность» поглощательной способности а.(х) различных участков самой мишени, токи вдоль поверхности могут возникать и определяться распределением л(х).

Поставлена различные контрольные эксперименты, в ходе которых выявлены два механизма генерации тока вдоль замкнутой мишени, контактирующей с асимметричной лазерной плазмой. Установлено, что один из механизмов связан с возникновением магнитного дипольного момента и "асимметричной" плазме /2/, приводящего к появлению магнитных шлей в области за мишенью. В этом случае, изменение магнитного потока, проходящего через замкнутый контур мишени, приводит к возбуадению вдоль нее электрического тока (индукционный механизм).

Другой механизм (контактный) связан со структурой электрических полей и токов, замыкающихся в пределах пятна облучения. Для объяснения . вклада контактного механизма предложена качественная модель, в которой рассматривается возникновение тангенциальных плазменных ЭДС с1 и сг на контакте с мишенью за счет разделения зарядов на градиентах электронной концентрации <ше/ах:

с 1,2 - 7Г-; (2)

' в!

где ме1,ке2- концентрации алектронов перед и за плазменным фронтом.

Поскольку подобные ЭДС на участках с противоположными

градиентами аые/ах близки по величине, но противоположны по направлению, они должьы компенсироваться.

Однако, при асимметричном распределении I(к) участки приложения подобных ЭДС на мишени в пределах пятна облучения а существенно отличаются, что приводит к различию сопротивлений трубок плазменных токов на разных склонах градиента. В этом случае в цепи мишени возникнет результирующий ток, который можно оценить по следующей формуле:

где rp - характерное внутреннее сопротивление плазменной оолн'-ти и,, - общая длина контура кольцеобразной мишени.

Из работ по исследованию токов при аналогичных интенсивности» грепцего излучения следует, что величина тока в плазма c/r I ка Gчйтая i^- 15 см получим оценку для тока в цепи 20 А. чт.• Удовлегворительно согласуется с экспериментально зарегистрирован ными значениями тока в цепи.

5 3.2 посвящен поиску новых способов лазерно-плаэменного возбуждения токов.

Обнаружено, что создание асимметрии контактирования ореопн ионизации с поверхностью мишени приводит к генерации электрического тока вдоль мишени, а также разности потенциалов между ее краями.

Для моделирования этого явления использовалось несколько экспериментальных схем. В одной из таких схем лазерный луч с сим Матричным распределением интенсивности в пятне облучения (<а«3 ш) смещался относительно геометрического центра мишени длиной (3-5) сМ. В другой схеме осуществлялось непосредственное асимметричное перекрывание диэлектриком области контакта ореола с мишанъю при плазмобразовэнии в ее геометрическом центре. При этом в обоих случаях все пятно облучения находилось на поверхности мишени, так что асимметрии внутри пятна не создавалось.

Показано, что явление генерации тока в данной постановке связано со структурой плазменных токов, протекаших в области ореола ионизации и замыкающихся по поверхности мишени. При этом наиболее эффективная генерация токов в цепи наблюдалась при переходе от двумерного растекания плазменных токов по проводящей поверхности (квадратные мишени) к квазиодномерному (протяженные в одном направлении мишени).

Установлены возможности существенного (в 40-60 раз) усиления токов вдоль мишени при увеличении эффективных пространственных

ра-змуриь ореола за счет использования тандемных лазерных импульсов. Максимальные амплитуды токов вдоль мишени,достигали величин порядка 100 А при интенсивности греющего излучения 1=109 Вт/см2, что 'соответствовало КЦЦ преобразования энергии лазерного излучения в электрический ток порядка 0,02-0,03*.

В ходе контрольных экспериментов выявлены два механизма генерации токов, реализующиеся при создании асимметрии контактирования ореола ионизации с поверхностью мишени. Один из механизмов связан с выплескиванием магнитных шлей из плазмы (Глава iv), другой 'контактный) - непосредственно со структурой плазменных токов в крупномасштабной системе "плазма- ореол ионизации- мишень". Интерпретация подобных механизмов будет дьна в Главе XV совместно с результатами исследования магнитных полей.

Четвертая_глава посвящена исследованию пространственно-временной структуры магнитных полей вблизи лазерного факела, поджигаемого при Р=0,1 Тор излучением С02-лазера умеренной интенсивности 1-Ю9 Вт/см2, "а также возможностей их усиления вне плазмы.

В § 4.1 сообщается о результатах исследования магнитных полей при плазмообразовании на проводящей мишени.

Обнаружено, что создание асимметрии контактирования ореола ионизации с поверхностью мишени приводит к существенному (более чем в 100-1000 раз) усилению магнитных полей вне плазмы, в частности, в области за мишенью ("выплескивание" поля из плазмы).

Так, к выплескиванию поля в область за мишенью приводил сдвиг луча с симметричным распределением Кх) в пятне облучения (а -3 мм) относительно геометрическог . центра мишени с характерными размерами -з -6 см. При этом во всей области за мишенью регистрировалось поле в(, одной полярности, а направление вектора в опредоляло( векторным произведением {*ЛХЬ где к - волновой вектор падающего излучения, вектор, проведенный из центра мишени в точку илазмообразования.

Показано, что к аналогичному выплескиванию поля приводит и непосредственное асимметричное перекрывание диэлектриком оОласти контакта ореола с мишенью .при плазмообразовакии в центре мишени.

Установлены возможности значительного (в 20-40 раз) усиления сигналов поля за мишенью при увеличении эффективных пространственных размеров ореола за счет поджигания рекомбинирующей плазмы тандемными лазерными импульсами. Однако, в отличие от наблюдавшихся ранее при Р= I Атм резонансноподобных зависимостей в2(г), в нашем случав максимальные величины вс2 достигались в широком диапазоне задержек т= 40-200 мкс, причем дажо при г= I мс не наблюдалось независимого действия импульсов. На наш взгляд, подобное отличие результатов, объясняется тем, что в разреженном газе процессы рекомбинации в ореоле происходят значительно медленнее.

Максимальная величина магнитного поля за мишенью во время второго импульса на расстоянии 3 см от плазмы достигала 15 Э, в то время как в симметричном случае магнитные поля за мишенью не регистрировались на уровне 0,1 Э.

Установлено, что при достаточно больших размерах мишени I. • и для генерации магнитных полей вне плазмы фактор сдвига луча относительно центра мишени играет большую роль, чем, например, направление закручивания токов /3/ или образование в плазме нескомпенсирсванного токового витка за счет наклонного падения излучения или неоднородности химического состава плазмы. Отмечается необходимость учета подобного фактора при,интерпретации результатов и, возможно, именно этим обстоятельством объясняются многочисленные противоречия экспериментальных результатов в литературе.

Установлено, что в отличие от ранее опубликованных работ, в нашем случае расщвделение полей как перед проводящей, так и диэлектрической мишенью имеет эволюционирующую во времени квадру-польную конфигурацию, состоящую из двух разделанных во '¡рамени

тороидальных компонент противоположной полярности. Выявлена активная роль мишени в процессе генерации и распределения магнитных полей как перед, так и за мишенью. В частности, показано, что структура полей существенно зависит от соотношения размеров мишени, ее топологии, проводимости на контакте с ореолом, а также положения относительно центра плазмообразования.

Кроме того, установлено, что создание анизотропии направления протекания плазменных токов по поверхности мишени, например, за счет использования длинных и узких (квазиодномерных) мишеней, приводит к появлению магнитного поля в области за мишенью даже при плаэмообразовании в ее геометрическом центре.

В } 4.2 сообщается о результатах исследования магнитных полей при плаэмообразовании на мишени из диэлектрика.

Установлено, что сдвиг луча относительно центра диэлектрической мишени также приводит к значительному (более чем в 100 раз) усилению магнитных полей вне плазмы, в частности, в области за мишенью. Однако, интересным результатом являлся факт противоположности полярности поля за диэлектриком по сравнению со случаем проводника. Так, направление вектора поля за диэлектриком Id в этом случае определялось векторным произведением -[к,Тхь Амплитуда полей во время второго импульса на расстоянии 3 см от плазмы достигала величин порядка 5 3, в то время как при плаэмообразовании в центре мишени поля не регистрируются на уровне 0.1 Э.

В § 4.3 построена качественная модель генерации электрических, магнитных полей и токов в лазерном факеле, в которой рассматривается разделзние зарядов в плазме под действием сторонних сил, основными из которых в случае умеренных интенсивностей i являются сила, связанная с градиентом гидродинамического давления vpe> а также термосила, пропорциональная vtc. В этом случае из формул для возникающего в плазменном фронте электрического поля или ЭДС (2)

можно получить хорошо известное выражение для источника магнитных полей в плазме /4/:

3 " >Г¥(7Те* ™е> <4)

в

В наших экспериментах наблюдались две области локализации источников э, одна из которых расположена вблизи переднего плазменного фронта, где происходит основное поглощение излучения и ™в максимальны, вторая - в непосредственной близости от мишени из-за возникновения сильных в области заднего фронта, что обуславливает фонтанообразную структуру токов, а также квадрупольную структуру магнитных полей в системе "плазма - ореол ионизации - мишень".

При сдвиге луча к краю мишени из-за поглощения УФ-излучения со стороны края только окружающим остаточным газом область ореола ионизации вблизи края оказывается более ионизованной, т.е. имевдей меньшее электрическое сопротивление. В следствие этого для диэлектрической мишени токовый виток вблизи края оказывается относительно доминирующим. Это приводит к результг увдему крупномасштабному магнитному дапольному моменту в системе "плазма-ореол-мишень", который и обуславливает появление магнитного поля за в окружающем плазму и ореол пространстве.

Однако, при плазмообразовашш на проводящей мишени к рассмотренной токовой структуре добавляются трубки тока, замыкающиеся по поверхности проводника и имеющие низкое сопротивление. В результате этого относительно доминирующим становится токовый виток со стороны наибольшего контакта с мишенью. Это означает возникновение в системе "плазма-ореол-мшень" магнитного дипольного момента, связанного с поверхностным током, который и определяет поле в вне плазмы и □реола противоположной полярности.

Подобное выплескивание магнитного поля в область за кольцеобразной проводящей мишенью (§ 3.2) может приводить к генерации тока з замкнутой цепи за счет индукционного механизма, связанного с

появлением ЭДС индукции в контуре мишени.

Кроме того, в случае кольцеобразной проводящей мишени домини-рупцнй виток плазменных токов может зашкаться не только по поверхности мишени, контактирующей с ореолом, но и ло "обходной" цепи, включающей в себя внешний проводник. При атом величина токов в "прямой" и "обходной" цепи определяется соотношением активных сопротивлений внешнего проводника гк и области мншени, контактирующей с ореолом гм> Несмотря на то, что в наших экспериментах гк превышало гм в 4-20 раз, измеренный ток во внешней цепи за счет подобного фактора, названного в диссертации крупномасштабным контактным механизмом, составлял порядка 100 А.

Пятая_глава посвящена экспериментальному исследованию электрических шлей плазмы оптического пробоя воздуха.

В § 5.1 рассмотрены результаты исследования полей вблизи лазерной искры, поджигаемой микросекундными импульсами С02-лазера с х=Ю8-5-Ю9 Вт/см2.

Показано, что зондом регистрируется двуполярный сигнал, соответствующий производной потенциала электрического поля в данной точке, обусловленного происходящими в плазме процессами.

Обнаружено, что распределение полей вблизи лазерной искры соответствует квадрулольной конфигурации объемных зарядов в плазме. Подобную конфигурацию могут составить два противоположно направленных диполя, локализованных в области переднего (а1) и заднего (а2) плазменных фронтов.

Установлено, что в условиях умеренных интенсивностей греющего излучения Ю8-5Ю9 Вт/см2 величина диполя <а1 более чем в 5-20 раз превышает величину а2. При этом оцененная по пространственной зависимости потенциала Ф(г,г) величина преобладающего диполя составляла (1-4)-Ю_3 ед.СГСЕ.

Измеренная скорость движения плазменного фронта о=4-Юб см/с

находится в хорошем соответствии со скоростью движения светодетона-ционной волны. В качества причины возникновения диполей <11 и рассматривается механизм, связанный с разделением зарядов во фронте светодетонэционной волны из-за наличия и ?тв в плазме. Оценку для величины динольного ¡момента в плазме можно получить, используя формулу для электрического поля к во фронте (2)«

* — 455 Тво1п "в1/Не2 -Ш1'71 Тео (5)

где тао и з = п«2 - характерные температура и площадь сечения плазмы в районе фронта.

Проведенные по формуле (4) оценки дают <1 - З Ю"3 ед. СГСЕ, что удовлетворительно согласуется с экспериментальным значением.

В § 5.2 и 5 5.3 представлены результаты исследования электрических полей при поджигании искры наносекундными и субнаносекундными импульсами неодимового лазера с интенсивностью 1-Ю11- 2-Ю13 Вт/см2.

Установлено, что в рассматриваемых случаях распределение полей вблизи искры также соответствует квадрупольной. конфигурации объемных зарядов в плазме. Однако, при этом существенно изменяется относительный вклад диполей в районе переднего н заднего фронтов. Так, в данных условиях диполь а2 является существенно доминирующим, причем величина а2 превышает величину а1 более чем в 100 раз и составляет ап2=(0.1-0,3)-10~4 ед. СГСЕ в случае наносекундных и лд2=(1,5-4)-Ю~4 ед. СГСЕ в случае субнаносекундных к,пульсов.

Подобное относительное вырождение диполя при высоких интенсивностях связывается с переходом от светодетонационного режима распространен оптического разряда к режиму волны пробоя. Действительно, из теневой фоторазвертки изображения искры следует, что скорость распространения перэдпего плазменного фронта о«

7 8

6-Ю -9-10 см/с существенно превышает достижимую в данных условиях скорость ударной волны я мокзт быть объяснена лишь движением фронта

ь режиме волны пробоя.

Установлено, что в условиях работа тепловых механизмов на величину динолышх моментов в плазма реиавдее значение оказывает геометрический фактор, связанный с гопервчш&ю размерами лазерной шшаш. Это связано с тем, что в зависимости а(1) от интенсивности грающего излучения (4) вавяснмость шющгда птазшннрй области в(1) оказывается существенно сильнее чей, например, тв(1) или нв(1). Таким образом, в рассмотренных условиях для генерации макышальньи амплитуд полей вне искры выгодным оказывается создавать плазму; микросекундами импульсами излучения С02-лазвра умеренной интенсивности (1-Ю9 Вг/сма), имеющего низкий порог плазиооОразозания и, соответственно, большие размера плазда, чем короткими вшульсами на лазера существенно Солее высокой интенсивности (I - Ю13 Вт/см2).

Установлено, что в условиях субнаносекундаых длительностей н максимальных интенсивностей излучения I « Ю13 Вт/смг наблрдаится существенные изменения в пространственной структуре алектричэских полей вблизи заднего фронта искры, зависящие от длены волны грещзго излучения (для первой и второй гармоник на лазера). Подобные изменения связываются с перераспределением зарядов в плазме из-за вклада нелинейных мзханизмов.

Выясноно влияние присутствия мивэни, еэ материала на распределение электрических полей вблизи лазерной шгаэмн. Так, шдаиганнз плазмы на мишени из диэлектрика изменяет лишь условия илазмообразования и динамику развития плазменных фронтов, что приводит к искаженно пространственного распределения электрических полай всего плазменного столба. Показано, что. наиболее сильные искажения структуры полёй наблюдаются в случае суонаносекундных импульсов достаточно высокой интенсивности х » 1013 Вт/см2.

В то же время помещение вблизи плазмы проводящей ютаени кардинально меняет распределение потенциалов полей, созданных лазерной

плазмой. В частности, при создании оптического пробоя непосредст венно на поверхности мишени вблизи плазмы регистрируются лишь потенциалы отрицательной полярности. Кроме того, наличие проводящей мишени существенно влияет на сигналы с проволочных зондов, расположенных вблизи плазмы. Предложена качественная интерпретация обнаруженных закономерностей и рассмотрены возможности их использования для увеличения чувствительности зондовнх измерений.

§_эаключвнии приводятся основные результаты диссертации:

1. Установлена принципиальная роль целого ряда факторов, связанных с присутствием мишени, на процесс генерации магнитных полей и токов лазерной плазмы. В частности, ее топология, соотношения размеров (даже когда они более, чем в десятки раз превосходят размеры пятка облучения), пространственное положение относительно центра плазмообразования, проводимость на контакте с ореолом могут определять структуру магнитных полей вблизи лазерной плазмы, а также токов вдоль поверхности облучаемой мишени.

Показано, что при плазмообразовашш в геометрическом центре проводящей мишени создание анизотропии направления протекания плазменных токов по ее поверхности, например, за счет использования длин; х и узких (квазиодномерных) мишеней, приводит к появлении магнитного поля в области за мишенью.

Выяснена роль проводящей мишени в распределении электрических полей, созданных лазерной плазмой, в также ее влиян-е на сис/гзд зондовой регистрации.

2. Выяснены закономерности пространственно-временной пьолкши и установлено наличие двух компонент магнитного ноля плазмы, поджигаемой микросекундным С02-лззером как на проводящей, так и на диэлектрической мишени, которые образуют эволюционирующую во времени квадрупольную конфигурацию.

3. Обнаружено, что создание асимметрии контактирования ореола

ионизации плазмы с поверхностью мишени приводит к "выплескиванию" магнитных полей из лазерной плазмы, в частности, в область за мишенью. Показано, что полярность "выплескиваемого" поля противоположна для проводящей и диэлектрической мишеней. Установлено, что структура выплескиваемых за мишень магнитных полей имеет квази-дипольную конфигурация, а величина поля за мишенью за счет этого механизма даже при умеренных интонсивностях грепдего излучения i=I09 Вт/см2 на расстоянии 30 мм от плазмы достигает 15-20 Э, что более чем на 2-3 порядка превышает амплитуду полей при плазмооб-разовании в центре мишени.

4. Исследован эффект лазерно-плазменной генерации тока вдоль проводящей мишени, проявляющийся при асимметричном распределении интенсивности в пятне облучения на поверхности мишени.

Обнаружено, что поджигание на поверхности мишени нескольких асимметричных плазменных сгустков, образующих "плазменную решетку", приводит к существенному (в 3-10 раз) усилению токов вдоль мишени.

5. Обнаружено, что создание асимметрии контактирования ореола ионизации плазмы с поверхностью мишени приводит к генерации электрического тока вдоль ее поверхности. Величина токов вдоль мишени длююй 50 мм достигала 100 А при интенсивности греющего излучения i=I09 Вт/см2. При этом эффективность преобразования лазерной энергии в электрическую составляла 0,03%.

Экспериментально выявлены два механизма генерации тока вдоль мишени, реализующихся как при пространственной асимметрии самой лазерной плазмы, так и при асимметрии контактирования ореола ионизации с мишенью. Показано, что один из них (индукционный) связан с магнитными полями плазмы и реализуется лишь для замкнутых кольцеобразных мишеней. Другой механизм (контактный) связан со структурой плазменных электрических полей и токов, протекающих в пределах пятна облучения, а также в крупномасштабной системе "плазма-ореол-мишень".

6. Проведено экспериментальное исследования электрических полей лазерной искри в условиях различных длин волн (О.ЬЗ, 1,06 и 10,6 икм), длительностей (микросекундные. наносекундные, оубнано-секундные) и интенсивностей (Ю9 - Ю13 Бт/см2) греющего излучения. Показано, что для генеращет максимальных амплитуд электрических полей вне искры в условиях работы градиентного механизма разделения зарядов fi < I013 Вт/см2) определяющим является геометрический фактор, связанный с поперечными размерами плазменной области. Однако, при интенсивностях излучения i * I013 Вт/см2 указанная тенденция изменяется, поскольку при таких интенсивностях начинает проявляться нелинейный механизм, существенно зависящий от длины волш гремцего излучения и вызывающий значительное подраспределение зарядов в плазме.

7. Обнаружено, что распределение электрических полнй вблизи лазерной искры соответствует квадрупольной конфигурации объемных зарядоь в плазма, состоящей из двух противоположно направленных диполей в районе переднего и заднего плазменных фронтов. Измерены характерные величины составляющих диполей при различных параметрах греющего излучения.

Установлены закономерности пространственной эволюции квадру польной потенциальной структуры в зависимости от длительности импульса и интенсивности греющего излучения, в частности, условия относительного доминирования и выровдания составляющих се диполей.

Основные_результаты_дассертации опубликованы в следующих работах:

1. Кабаппш A.B., Конов В.И., Никитин П.П., Прохоров A.M. Влияние пространственной модуляции излучения на структуру токов вдоль проводника, контактирующего с лазерной плазмой.- Препринт ИОФАН Н46, 1983, С.1-23.

2. kabashin a.v., konov v.l., nijiitin p.i., pr okhorov a.m., konjevi с h• and vikor l. gener&tion of electг iс current under the

laser-assisted production of asymmetric plasma grating on metallic target.- Proc. of the XIX Int. Conf. on Phenomena in IonizecS Gases, Belgrade, 7-11 July 1989, Edited by J.M.Labat! v.2, p.496-497.

3. Кабашин А.В., Конов В.И., Никитин П.И., Прохоров А.К., Рощепкин Г.В. О влиянии пространственно-временной модуляции излучения на структуру плазменно-индуцированных электрических токов и магнитных нолей.- Тезисы докладов viii Всесоюзной конф. по взаимодействию оптического излучения с веществом, 6-II сент. 1990, Ленинград: Изд. ГОИ, М2, с.64-65.

4. КаОашин А.В., Конов В.И., Никитин П.И., Прохоров A.M., Рощешсин Г.В. Возможности управления параметрами полей и токов приповерхностной плазмы за счет пространственно-временной модуляции излучения.- Тезисы докладов iv Всесоюзной конф. по взаимодействию излучения, плазменных и электронных потоков с веществом, 4-7 сент. 1990, Фрунзе: Изд. ИАЭ. 66-67.

5. Kabashin A.V., Konov V.I., Nikitin P.I., Prokhorov A.M., Konjevic N.. Vikor L. Use of spatially modulated laser radiation for plasma generation of currents along metallic target.-Proceedings of the XV Summer School and Int. Symp. on Phyoice of Ionized Gases, Sep.3-7 1990, Dubrovnik, Yugoslavia, p.277-278.

6. Kabashin A.V., Konov V.I., Nikitin P.I., Frokhorov A.M., Konjevic N., Vikor L. Laser-placaa generation of currents nlong a conductive target.-Journal of Applied Physicc, 1990, v.68, p.3140-3146.

7. Кабашин А.В., Конов В.И., Никитин П.И., Прохоров A.M., Рощепкин Г.В. Особенности генерации магнитных полей л токов вдоль мишени при поджигании плазмы излучением с пространственно-временной модуляцией интенсивности.- Известия АН СССР. сер. физическая, 1991, Т.55, с.II88-II94.

8. Kabashin A.V., Konov V.I., Nikitin P.I., Roschepkin G.V. Influence of laser plasma and its aureole asymmetry on generation

of electromagnetic fields and current along the target.• Proceedings of the XX Int. Conf. on Phenoaena in Ionized Gasee, 8-12 July 1991, Plea, Italy, v.3, p.761-762.

9. Кебешин А.В., Конов В^И., Никитин П.И. Воэбувдение элекгри чоскпх полей и токов вдоль шшэни при воздействии на нее импульсного электромагнитяого излучения,- Тезлсы докладов xiv Меад. конф. по когерентной и нолинейпой оптике, 24-27 сент. IS9I, Санкт-Петербург: Изд. ГСП, т.1, с.134-135.

10. Kabaehin A.V. Fibre-optical sensors for electromagnetic experiments in plasma.- Book -of Aba. of the Int. Conf. "Eurosen-яогв-VI", 5-7 October 19?2, San Sebastian, Spain, p.263.

11. Кабашзш А.В-,. Колов В.И., Никитин П.И. Выплескивание маг нитного полз из лазерной плазмы при асимметричном контакте ореола ионизации с.мишеньв.- Тезисы докладов Кезд. конф. "Оптика лазеров-93", 21-25 пеня: 1993, Санкт-Петербург! Изд. ГОИ, т.2, с.661.

12. Кабашн А.В., Коков В.И., Нш. тин П.И., Беляев B.C., Виноградов В.И., Матзфонов А.П. Злоктрическпе поля лазерной искры, подвигаемой субианосекунднкми лазерными ищу ль сами.- Тезисы докладов Меад.- конф; ^Оптика лазеров-93", 21-25 ашл 1993, Санкт-Петербург: Изд. ГОИ, т.2, с.660.

13. Kabaehin A.V., Hikitin P.I., Konov V.I., Experimental etudy of electric and magnetic fields of laser plasma.- Proceedings of the 20th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, 2G-30 July 199Э, Lisbon, Portugal, v. 17C, part IV, p.1253-1256.

14. Kochunov A.N., Kabaahin A.V., Hikitin P.I., Borovsky A.V. Generation of magnetic fields and potential structures in viscous laser driven plasiia.- Proceedings of the 20th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, 26-30 July J993, Lisbon, Portugal, v. 17C, pert IV, p.1257-1260.

15. Кабашин A.B., Никитин П.И. Использование волоконно-оптиче

сках датчиков для регистрации электромагнита параметров плазмы.-Тезисы IV Мекд. кон}. "Физические проблема оптических измерений, связи и обработки ияХормацни", 13-18 сент. 1ЭЭЗ, Севастополь, с.22.

1С. Кабанин A.B., Никитин П.И., Конов В.И. Экспериментальное исследование структура магнитных полей лазерной плазмы и методов их усиления вне плазменной области.-Препринт ИМ РАН нЗО, 1993, С.1-4Я.

17. Кабашин A.B., Никитин П.И., Конов В.И., Беляев B.C., Виноградов В.И., Матафэнов А.П. Исследование пространственно- временной структуры электрических полей лазерной плазмы при различных параметрах греющего излучения.- Препринт ИСй РАН H3I, 1993, с.1-41.

18. Кабашин A.B., Никитин П.И., Конов В.И. Новый механизм возбуждения электрического тока при асимметричном контакте ороола ионизации плазмы с поверхностью мишени.-Прецр.ИОЭ РАН N39, 1993, с.1-36.

Список литературы. использораной в автореферате:

1. Аскарьян Г.А., Рабинович К.С., Смирнова А.Д., Студенов В.Б. -Письма в ЮТЯ. 1965, т.2, 503-506.

2. Коробкин В.В., Серов Р.В.- Письма в ЮТФ, 1966, т.4, 103-106.

3. Аскарьян Г.А., Рабинович М.С., Смирнова А.Д., Студенов В.Б.

Письма в ВЭ!М, 1967, т.5. II6-II8.

4. Stanper J.A., Papadopoulos К., Sudan R., Dean S.O.,. McLean E.A., Dawnon J.M.- Phys. Fev. Lett., 1971, v.26, 1012-1015.