Развитие разряда в луче СО2 лазера и генерация токов при двухимпульсном воздействии на мишень тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АКАДВШ. НАУК РЕСПУБЛИК!! ГРУЗИЯ

На правах рукописи

Гукберидзе Гия Гурамович

РАЗВИТИЕ РАЗРЯДА В ЛУЧЕ 002 ЛАЗЕРА И ГЕНЕРАЦИЯ ТОНОВ ПРИ ДВУХШПУЛШШ ВОЗДЕЙСТВИИ НА Ш2ЕНЬ

01.04.06 - физика и Х!ПП1Я плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертсции на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тбяласи 1992

Работа выполнена в Институте физики Академии наук Грузии

Научный руководитель: к.ф.м.н. Э.М.Бархударов

Официальные оппоненты: д.ф.м.н. А.Г.Хантадэе

к.ф.м.н. Й>.Н.Ава*ков

Ведущая организация - Абастуыанская астрофизическая

обсерватория

Защита диссертации состоится " " 1932 г.

на заседании специализированного совета Д 007.01.01 по защите докторских диссертаций при Институте физики АН Грузии, Тбикиси, 380077, ул. Тамарашвияи 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики АН Грузии.

Автореферат разослан "2? " % 1932 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук Г.И.Сурашшпвили

ОЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОШ

Актуальность теш. Изучение физических процессов, лежаппсс в основе взаимодействия мощного лазерного излучения с материалами, имеет больпое научное и прикладное значение. Понимание этих процессов важно дпя описания электродинамических и тепловых явлений на поверхности мишени при создании лазерной плазмы, исследования электродинамических эффектов и плазменных неустойчиво ст ей на фронте и внутри плазмы, выяснения возможностей применения и выявления пределов применимости лазерных методов обработки и т.д.

Особый интерес представляет работы по генерации токов в лазерной плазме. Результаты этих исследований можно использовать при резении таких вопросов, как преобразование энергии электромагнитного излучения в электрическую, возможность формирования высоковольтных импульсов для коннутйции быстропротекающих процессов, исследования влияния тока быстрых электронов на динамику лазерной пяаа:ш и др. Одиеяо, несмотря на достаточное число работ в этой области, эффективность лаз ерн о-зли с сисн но г о преобразования световой энергии в онерги» тока остается очень низкой. Эдн к« из способов поЕетения эффективности является метод двух-гагпульсного облучения кипени. Кзсмотря на то, что двухиштульсное воздействие осложняет общуо кертину развития процесса, оно, тем не менее, приводит к росту генерируемых в плаэие токов. Поэтому исследование механизмов увеличения тока представляет несомнен-интерес.

Иззгстно, что после пробоя разряд в осноснсп ркспространя-зтся н&зстречу излучению. Тем нз менее, з некоторых экспериментах с испольэо2г.!пго!,1 длинных лазерная инпульсоа, через опреде-ккный ерзлеяной интервал, наглодается гкброс пгглмэякого сгуст-

ка из области фокуса по направлению излучения, т.е. происходит повторный пробой,и разряд меняет направление развития. Такой же эффект можно наблвдать и в случае двухимпульсного ретама при соответствующем подборе временной задержки, формы и энергии импульсов. Исследование этого эффекта является важным, так как открывает новые возможности для повышения эффективности воздействия на мишень (комбинированное свето-плазменное воздействие), создания каналов пониженной плотности для проведения потоков частиц, получения направленного электрического пробоя и др.

Изучение этого явления продолжается с целью создания обобщенной модели развития процесса,в рамки которой укладывались бы результаты проведенных экспериментов.

Основной целью диссертационной работы является:

- Комплексное исследование механизмов повышения эффективности преобразования лазерной энергии в электрическую и увеличение генерируемых в лазерной плазме токов в случае двухимпульсного воздействия на проводящую мишень в вакууме, при атмосферном давлении в воздухе и в условиях предварительного создания абляционного облака полимера у поверхности комбинированной мишени (металл-винипласт).

- Изучение возможностей понижения порога СВЧ разряда при предварительном пробое воздуха излучением СО^ лазера.

- Исследоваяие процесса развития оптического пробоя, создаваемого излучением импульсного СХ^ лазера с анергией 15+60 Дк и длительностью 5 икс в различных газах (Не , Мк , воздух, кг •

Хе- ) в интервале давлений 0,5 ^ Р 760 Тор.

- Выяснение механизмов развития разряда по направлению распространения лазерного луча.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- На базе TEA COg лазера создана установка для получения 1вух имцульсов излучения с регулируемой задержкой в интервале 1+200 мкс.

- Обнаружен эффект увеличения токов и КЩ преобразования гря двухнмцульсном воздействии на мишень в вакууме и в условиях редварительнэго создания абляционного облака у поверхности ком-инированной юшени (металл-винипласт).

- Исследоваго развитие плазменных фронтов и ударньк волн случае двухимпульсного воздействия кз мишень в воздухе при

тмосферном давлении. Определены оптимальнш условия для генера-ии токов.

- Изучены пространственное и временное распределение кон-ентращда паров а процессе лазерной абляции полимерной мишени ри интенсивностях излучения,близких к порогу плазмообраэования.

- Исследовано влияние слабого продольного магнитного поля а тони, эмитируемые плазмой. Подтверждено предположение об уз-зм угловом распределении быстрых электронов.

- ЕЬказака возмоккость инициации СВЧ разряда на лазерной :кре в воздухе при уровнях СВЧ мощности почти на два по ряда а ие пороговых.

- На основе анализа экспериментальных данных и численного )делировакия процесса прохождения лазерного излучения через юпиротцувся неоднородную плазму показано, что изменение напыления развития разряда в легких газах обусловлено в основном [|фектом тепловой самофокусировки.

Практическое значение диссертационной работы состоит в сле-■юцем:

-■ Установка для гекзрации двух импульсов с регулируемой щержкой может быть использована при ревении ряда задач, требую-

- б -

щих многократного воздействия на вещество.

- Результаты исследования вопросов генерации токов и динамики развития лазерной плазмы позволяют определить пути дальнейшего повышения эффективности непосредственного преобразования энергии лазерного излучения в электрическую и могут способствовать созданию строгой модели данного процесса. Шлученные результаты позволяют расширить круг задач по практической реализации процессов генерации токов и могут быть использованы при проведении различных физических экспериментов для создания специальных приборов: диагностики лазерной плазмы, детектирования мощного лазерного излучения, дистанционной бесконтактной коммутации быстропротекавщих процессов и др.

- Результаты по создании абляционного облака атомов могут быть использованы для решения задач, относящихся к изучению вопросов плазмохимии, формирования и применения потоков плазмы нужной концентрации, моделирования астрофизических процессов, получения тонких шгенок и др.

- Описанный способ инициации СВЧ разряда в свободном пространстве делает его весьма перспективным для целей особо чистой плазмохимии и для техники мощных молекулярных лазеров.

- Результаты исследования процессов плазмообразования и прохождения лазерного излучения через плазму могут быть использованы в работах по лазерной обработке материалов, т.к. открывают новые возможности для повышения эффективности воздействия на мишень (комбинированное свето-плазменное воздействие), по созданию каналов пониженной плотности для проведения потоков частиц, для получения направленного электрического пробоя и ар.

Апробация .работы. Результаты диссертации докладывались ка ХУ Европейской конференции по взаимодействию лазерного излуче-

ния с веществом (Шлиерзее, 1982), У1 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983 г.), ХУШ Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Прага, 1987г.), II Всесоюзном совещании "Высокочастотный разряд в волновых полях" (Куйбышев, 1989 г.), Международно Я конференции по физике плазмы (Нью-Дели, 1989г.), на УШ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991 г.).

Личный вклад автора в опубликованные работы состоял в активном участии в постановке исследовавшихся задач, создании экспериментальных стендов, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов и формировании основных выводов.

• Структура- и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 133 страницах машинописи, включающих 40 рисунков и список цитируемой литературы, включающий 100 наименований.

(»ДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность, основная цель, научная новизна и практическое значение работы. Излагается план диссертации. Отмечена некоторая особенность в изложении материала, а именно: ввиду того, что для проведения основных исследований по тема диссертации потребовалось проведение дополнительных экспериментов по изучению параметров лазерной плазмы. Они, а также используемые в работах методы диагностики, изложены в первой глав®. Обзор литературы разделен на две части, которые поиепрны в начале второй и i четьей глав. Подобное расположение излагаеного материала преде;является автору более целесообразным.

В первой главе приводятся результаты по определению параметров лазерной плазмы (скорость расширения, плотность и температура электронов), дается описание используемой диагностичес кой методики и конструкции 00g лазера. Рассмотрены мою и двух импульсные режимы генерации.

В § I.I описывается конструкция OOg лазера с двойным поперечным разрядом с предионизацией на катоде. Лазер, состоящий из восьми идентичных блоков, с энергией до 120 Дж и длительностью имгульса ~ 1,5 мкс, цутем несложной процедуры можно перевести в режим двухиыпуль с но й генерации. Для этого лазер был разделен на две секции по 2 и 6 блоков (для перераспределения энергии в импульсах можно менять количество блоков в секциях). Коммутация секций осуществлялась через отдельные разрядники, ко торые запускались от генератора задержанных имцульсов. Это позволило на выходе лазера (в одном резонаторе) получить два импульса излучения с регулируемой задержкой между ними в интервале 1+200 мкс. Длительность каждого имцульса ~ 1,5 мкс энергии VJa 5 Дж и V4 = 45 Дж. Таким образом, на одной установке можно работать как в монокмлульсноы, таи и двухимцульсном режиме без применения дополнительной оптики н аппаратуры.

В § 1.2 приводится описание экспериментальной установки и результаты измерения параметров лазерной плазмы с помощью элект рического зонда Ленгмюра. С целью получения лазерной плазмы в вакууме, медная мишень поменялась в камеру, представляющую собо восьмигранную призму из нержавеющей стали. Высота камеры Зпг-м, объем - 55 л.

Излучение импульсного CXi^ лазера вводилось в камеру через окно из Aúc^ и фокусировалось на мишень с помощью вогнутого медного зеркала с фокусным расстоянием F - IR см. Двзер работал в моноимцульсном режиме с длительностью импульса = м

и пиковой интенсивностью 10^ вт/см^. Излучение диагностического лазера (ргубиновнй лазер ОГМ-20; Т = 25 не, Л = 0,69 мкм) расщеплялось на два пучка, опорный и предметный, и сходилось в плоскости расположения регистрационного материала (пленки ТИП-18). Через одну "из граней камеры вводился проволочный зонз. Ленгмюра под углом 45° к оси излучения СОг, лазера. Медная мишень через нагрузочное сопротивление соединялась со стенками камеры. Можно было подавать на мкшень положительное или отрицательное смещение относительно стенок камеры в интервале 0*1500 в.

Электрический зонд Ленгмюра, изготовленный из молибденовой проволоки диаметром 0,3 мм и длиной 10 км, располагался на расстоянии 15 си от мишени и предназначался для измерения скорости-расширения-плазмы, концентрации и температуры электронов.

Как показали измерения, плазма состоит из двух групп -быстрой (скорость распространения = 2*10^ см/сек) и медленной - 1^2 ■ Ю® см/сек. 1Ъ зоцдовым характеристикам были определены температура и концентрация электронов плазчы на поздних стадиях расширения. 1Ьлучены следующие результаты: для быстрой компоненты Я-е = 1010 см-®, Те = 20 эв, для медленной ГЦ,- ЮП см"3, Те =* 10 ээ.

В § 1.3 приводятся результаты из кэ рения температуры электронов та начальной стадии формирования лазерной плазмы и иссле-хования влияния ггагштюго шля ва вольт-амперчуи характеристи-1у разряда. Для определения температуры использовался метод нздерживакчизе потенциалов, разработанный с участием автора, руть ¡зтода заключается в следующем: если га шгаекь подать положительное смэщэккв относительно стенок какери, элэктрога плазмы ¡удут двигаться в тормозящем п;ла,и ток в цзпи шазекь-нагрузоч-гое сопротявлениэ-стенки кемег 1 можно описать следующим вырожс-гаем: й 7 X ег-Р гд8 Ц _ потещнал юшога,

Те - температура электронов. ГЬ полученной экспериментальной зависимости тока от величины напряжения можно определить температуру электронов для разных энергий излучения. Измерения были выполнены при энергиях излучения 154-60 Да, температура электронов при этом менялась в интервале 804-170 эв.

Исследовалось влияние продольного магнитного поля на токи, эмитируемые плазмой. Магнитное поле создавалось солеиноидом длиной /. = 14 си и диаметром а II см. Индукция в центре соленоида В = 3-10-2Т. Металлический корпус соленоида заземлялся. О влиянии магнитного поля свидетельствует изменение полярности сигнала, что, по-видимому, связано с тем, что движущаяся вдоль и поперек магнитного поля плазма имеет различную полярность (электроны зашгничены). Однако при больших сопротивлениях, когда ток в цепи.обеспечивают высокоэнергичные ( ~ I кэв) электроны, способные преодолеть задерживающие потенциалы большой величины (т.к. в процессе формирования плазмы на мишени последняя заряжается положительно относительно стенок каыеры) изменение полярности сигнала не происходит. Этим подтверждается предположение о более узком угловом распределении быстрых электронов.

В § 1.4 рассматривания принципы теневого и интерференционного методов с применением в качестве источника излучения импульсного рубинового лазера 0ГМ-20. Дона методика расчета по определен!® концентрации электронов и тяжелой компоненты в плазме, рассмотрены частные случаи, позволяющие однодлинноволновой методикой определять концентрацию электронной или тяжелой компоненты. Шказано, что в условиях эксперимента (Не, 400 Тор) вкладом нейтральной компоненты в общий сдвиг интерференционных полос можно пренебречь. Даны характеристики применявшихся светофильтров и фотоматериалов.

В 5 1.5 описываются конструкция и принцип работы датчика давления, сконструированного- на основе пьезозлемонта Ва ТгОд (титанаг бария). Приведены собственная частота, временное разрешение и чувствительность прибора.

Во второй_главе исследуется генерация токов в случае двух-имцульсного воздействия на проводящую мишень в вакууме, при атмосферном давлении в воздухе и в условиях предварительного создания абляционного облака полимера у поверхности комбинированной кишени (иетаяя-википласт). Показана возможность понижения порога ОВД разряда при предварительном пробое воздуха излучением СО^ лазера.

В § 2.1 дается обзор экспериментальных и теоретических работ, -посвящению: исслэдования электрических токов и полей в лазерной плазме. Рассмотрены возможности повшекия эффективности преобразования. Основное внимание уделено работам по взаимодействии лазерного излучения с веществом в реяимэ двухимцульсного облучения. ГЬказано преимущество этого реяима при решении ряда научных и прикладных задач.

В § 2.2 исследовалась генерация токов при двухимцульсном юэдействии на мишень в вакууме. Излучение СО2 лазера, фоку сиро->алось линзой из Л'дсй с фокусным расстоянием 15 см на ыедчую ишень»которая располагалась в вакуумной камере на расстоянии б см от линзы и нагружалась на маяоиццуктивное сопротивление, яотшсть потока в имгуяьсах 1| = Ю8 вт/см^, 12 « 4'109 вт/ск*\ тана разрядного промежутка 15 см.

В таком реяиме облучения наблюдались два токовых имцульса, кменшя задержка кеясду которыми точно соответствовала иктерва-' между имдульсаш излучения, причем второй импульс згачятель-> превосходил первый., фи задеркке 8 + 10 икс между им-

льсами набявдагтся возрасп- те тока примерка з 4-5 раз по ерав-

нению с моноимпульсным случаем, что соответствует увеличению мощности и эффективности преобразования более чем на порядок. Достигнуто рекордное значение КЩ по энергии ( ^ = 0,32$) в лазерном диапазоне для умеренных интенсивдастей излучения при низких давлениях (Р = 10 Тор).

Известно» что эффективгая передача энергии лазерного излучения плазме может быть реализована при условиях, когда плотность окружающего мишень газа Яд-Пц/^ , где П*. - критическая плотность плазмы для данного излучения (в случае (Х>£ лазера = 10^® см~^), 2- - зарядовое число иона. Однако в

условиях нашего эксперимента,в пределах точности метода опти-

Т7 1

ческой интерферометрии (Т1А ^ Ю см ), формирование газового облака при предварительном воздействии на мишень не зарегисг рировано, в то время как соответствующий первому лазерное импульсу токовый сигнал и характерная вспышка указывает на сущес вование плазмы у поверхности мишени. За время 8 икс плазма,

Г)

распространяясь со скоростью ~ 10 см/сек, заполняет весь раз рядный промежуток и обеспечивает компенсацию заряда при прохож дении тока в момент действия второго импульса, что и. является основной причиной увеличения генерируемых токов.

В § 2.3 исследуется генерация токов в условиях предварительного создания абляционного облака полимера у поверхности комбинированной мишени (металл-винишгаст). Эксперимент состода из двух стадий. В начале методом оптической интерферометрии исследовался процесс испарения винипласта под действием излуч< ния С02 лазера при интенсивностях, близких к. порогу ллазмооб разования. Затем изучались вопросы генерации токов при воздей ствии на мишень двумя сдвинутыми во времени импульсами из луче ния СХ>2 Лазера. Идея эксперимента заключается в следующем: пе вым имцульсом на мишени создается парогазовое облако (ПГО) с

онцзнтрацкей /2д = 10^ см-^, что является оптимальным для оглощения излучения на длине волны 10,6 мнм. Воздействие в тих условиях га комбинированную мишень вторым импульсом излу-ения должно привести к увеличении генерируемых в лазерной плазе токов из-за эффективного вклада энергии в ПГО.

В § 2.3 а эксперименты по испарению винипласта проводились

вакуумной камере при давлениях Р = 10 Тор. Энергия излуче-

ия импульсного СО2 лазера менялась в пределах 2*12 Дж,, излу-

ение фокусировалось линзой из . Область облучения 4x4

и2. При определении концентрации паров предполагалось, что со-

тношение концентрации различных атомов в ПГО соответствует

оставу кишега. Молекулярный состав испаренного веп^ства. явля-

тся сложным, но это не должно сказаться на определении плот-

гасти атомов, что обусловлено аддитивностью молекулярной и атом-

гой рефракции. Интерферограммы количественно были обработаны

: помощью ЭВМ методом Пирса. Результаты обработки интерферограмм

ля различных моментов времени и значений энергии облучения

дат информацию о временном и аксиальном распределении концент-

>ации. Максимальное газовциеление достигается через 6-7 мке пос-

® начала облучения при энергии ~ 8,5 Дж, что близко к порогу

[лазмообразования. Пзказано, что через Юч12 мке после начала

|блучения, начиная с 2 ^ 3 мм от поверхности мишени,плотность

19

аров держится на уровне 10 сы , т.е. достигаются оптимальные ■словия для эффективного поглощения энергии излучения.

В § 2.3 б исследуется генерация токов в вакууме в режиме яухимцульсного облучения комбинированной мишени. Мишень пред-тавляет из себя виннпластовый цилиндр диаметром 6 мм, вдоль оси оторого пропускалась медная проволока диаметром I мм. утренний электрод (проволока) выдвигался на расстояние ^ 7 мм т торца цилиндра. Излучение С0? лазера (фокусировалось линзой

из Мхс£ вблизи кончика проволочки. Расстояние от линзы до поверхности цилиндра 15,7 см, область облучения винипласт! 4x4 мм^. Назначение первого импульса с энергией * 2410 Дг. создание на поверхности мишени ПГО с описанными в предыдущем разделе параметрами. Второго - с энергией \л/г = 10*40 Дж -ионизация и нагрев образовавшегося облака. Расширяющаяся в ве куум плазма создает ЭДС, которая обеспечивает ток в цепи элек род-плазма-стенки камеры. С внешнего сопротивления Р- = 0,24 включенного в цепь, снга/лется электрическая энергия. Временна задержка между импульсами меняется в интервале 0 ^ ^Т й 200 1 Шказано, что предварительное воздействие на комбинированную мишень такжо приводит к увеличении генерируемых токов, ко в 31 чительно более широком интервале временных задержек между импульсами (10+100 мкс) по сравнению с медной мишенью. Это котик объяснить различным характером процесса газовцделешя в случае медной и вини пластовой мшени. Низкие значения величин генерируемых в предварительном импульсе токов (чуть выше уровня щуыо и степени ионизации в ПГО указывают на то, что рост токов в сл; чае комбинированной »мшени для интервала задеркек 10+20 кис обусловлен эффективным вкладом энергии второго шшульса в ПГО. Рост токов при больших задержках связан с созданизм в системе оптимального для генерации токов давления Р = 10"^ Тор вследствие заполнения вакуумной камеры парами винипласта.

В § 2.4 исследуются оптимальнее условия для генерации тока при двухимцульсном воздействии на мишень в воздухе при атмосфер ном давлении. Излучение импульсного лазера фокусировалось линзой из Л6с€ с Г а 15 см га медцую мишень дшшатром ~ б 1 Мишень, нагруженная на ыалоиндуктивное сопротивление & = 2 ом, служила одним из электродов, в качестве второго использовалось расположенное в одной плоскости коеассиально с первым электродом

даноо кольцо. Зазор между ними составлял ~ I мы, диаметр [тна фокусировки ~ 4 мм. Энергия импульсоз менялась в следую-х пределах: = 1,5 + 12 Дж, = 1.5 + 50 Дж. Сказано, о предварительное воздействие на мипень имцульсом малой энер-и увеличивает ток более чем на порядок в иирокоы диепазоне менения энергии второго импульса. Оптимальные условия следую-з: 8+15 мне, Ал/~ ^ = 1,5+5 Дж. При этом эффективность эобразования лазерной энергии в электрическую с ростом V/ ^ зктячески кг меняется. Увеличение снижает эффективность, тученнке результаты непосредственно связаны с характером шлообразовакяя и выделения лазерной энергии у поверхности ¡ени. Этот процесс исследовался методом теневой фотографии

использованием пьезоэлектрических датчиков давления. 1Ька-ю, что в оптимальных условиях энергия обоих имцулыов вынется непосредственно у поверхности мишени. С увеличением \л/*^ асть выделения энергии второго импульса удаляется от мшгеки, зависимости от величины Лл^^ пробой происходит на границе змы или на фронте распространяющейся после первого пробоя рной волны. Существенно увеличивается область энерговыделе, что не способствует росту эффективности. Для высоких зка-•)й энергии первого импульса ( \\[^ > 10 Дж) заметным стяно-гя отличие от точечного взрыва, т.е. энергия у мишени виделся в большой области. В этих условиях область пробоя второ-¡мпульса значительно удалена от микени. Такая картина плазмо-:зования с ростом Лл/ делает понятным снижение токов, гене-емых вторым имцульсом.

В 5 2.5 исследуется возможность понижения порога СЗЧ разря-ри предварительном пробое воздуха излучением СС^ лазера, г-тно, что предварительное создание плазменного образования ительчо понижает порог пробоя лазерного излучения по срявне-

нению с холодным газом. Для СВЧ разряда в качестве инициатора обычно использовались диэлектрики или металлодиэлектрические пластины, многострийниз металлические метелки, лазерный факел на твердой мишени и т.д. Однако все перечисленные способы обладают одним существенным недостатком - необходимостью ввода б СВЧ пучок твердотельных мишеней или электродов. Целью эксперимента была реализация СВЧ разряда в истинно свободном пространстве. Цучок СВЧ излучения (сантиметровый диапазон), форыиру« мый квазиоптической системой, фокусировался в камере в пятно с поперечге&и размерами порядка длины волны (много меньший диаме' ра камеры). Рабочий газ - воздух при атмосферной давлении. Длительность СВЧ кмцульса 750 икс. В фокальную плоскость СВЧ пучка вводился луч 002 лаэора. Лазерное излучение фокусиро валось линзой с Р = 15 сы. Шковая плотность »етщносги 5-10 вт/сы^. Кмицинрующее действие лазерной искры изучалось как при одновременном действии СО,, излучения и СВЧ имцуяьса, так и при включении СВЧ с задержкой АТ относительно 00£ ащульса. Установлено, что при одновременном действии ыишиалькэо СВЧ электрическое поле, при котором развивается СВЧ разрдд, равно Е„= 1,2 кВ/см (в то время, как величина пробойного СВЧ элект-

V

рического поля ~ 23 кВ/сы). Опредзлекы времена Д ^ , при ко торьк инициирующее действие лазерной искры прекращается: при Ее = 1,6-3 кВ/см д>7 = 1,5-2,5 мс. Эффект инициации разряда в сильтоподпороговых СВЧ полях в основной связан с локально уменьшением плотности газовой среды в мосте возбуждения лазерной искры.

В третьей глазе оптический пробой, создаваем«" излучением имцульсного С0£ лазера в различных газах исследуется методами теневого фотографирования, оптической интерфероштрни и щолево развертки собственного свечения искри. Результаты эксперимента

равниваются с результатами численного моделирования процесса амофокусировки лазерного излучения в плазме.

В 5 3.1 дан обзор литературы по исследованию динамики раз-ития лазерной искры. Описаны режимы распространения оптическо-э разряда и условия их реализации. Основное внимание уделено аботам, в которых зафиксировано изменение направления развития 13ряда и предложены механизмы распространения разряда по ла-;рному лучу. Обсуждается возможность привлечения процессов ша самофокусировки для объяснения этого эффекта.

В § 3.2 экспериментально Исследуется развитие оптического 1зряда, создаваемого излучением микросекундного С0<> лазера с [ергией 15+60 Дж и длительностью ~ 5 мкс в различных газах е, ife, воздух, кг, Ке) в интервале давлений 0,5 ¿ р ¿ 760 Тор. лучение фокусировалось с помощью линзы из h'a.ci с F = 15 см центр вакуумной камеры. 3ÍТ% энергии сосредоточено в пике с ительностью ~ 150 не. При низких давлениях, для облегчения обоя, в фокальную область вводилась игла. Полученные резуль-ты можно интерпретировать отдельно для легких (Не, Ме) и тяжек (кг, Хе, воздух) газов. В легких газах при 0,5 р 15 Гор эряд практически с одигаковой скоростью (светодетонационный «шизм) распространяется в обоих направлениях. С повышением зления скорость заднего 'фронта уменьшается до газокинетичес-i, а для переднего фронта в момент действия пика излучения 1лизуется механизм вол№ пробоя. В интервале дг.влений 20 ¿ р *• 760 Тор для Не и 30 ; р á ICO Тор для Jfe наблюдается смена ¡равления развития и разряд распространяется по лучу со скотью :0° ом/сек. Временной интервал &t от «мчала разряда смены направления развития растет с увеличением давления и ргии п.чпАющего излучет'я, кроме того, в одинаковых условиях Уе, к„ сравнению с 1'е, эгот интервал увеличивается почти в аза.

- 18 -

Показано (метод оптической интерферометрии), что в иомен изменения направления развития разряда происходит вытеснение электронов из области, занимаемой цучком, что характерно для процессов типа самофокусировки. В тяжелых газах этот эффект условиях эксперимента не наблюдался.

В 5 3.3 на основе анализа экспериментальных данных даете описание процесса развития оптического пробоя. Основное внимг ние уделено выяснению механизма распространения разряда по лу Проведено численное моделирование процесса распространения электромагнитного излучения в неоднородной плазме (Не, 400 Тс Шказано, что вытеснение электронов из области, занимаемой цу ком, происходит в основном из-за нагрева плазмы в поле волны, Сильная тепловая нелинейность приводит к самофокусировке изл! чения, вследствие чего прошедшая через плазму интенсивность (в это время на плазцу действует малоэнергичный хвост лазернс импульса) увеличивается до пороговой, на заднем фронте происэ дит повторный пробой и разряд распространяется по лучу. В тял лых газах переход к режима с повторным пробоем может реализоваться при больших длительностях лазерного импульса и при соответствующем подборе интенсивно спи излучения.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ВЫВОДЫ

1. На базе TEA COg лазера создана система, позволяющая ] нерировать два сдвинутых во времени импульса излучения (0*20( икс) с энергиями в импульсах 1,5*40 Дк.

2. Проведены исследования параметров лазерной плазмы в : ловиях генерации токов в случае моноимпульсного воздействия i

зень при интенсивностях излучения 10^ - 10^ вт/см^. Опреде-ш концентрация и температура электронов, скорость расширения 1змы и угловое распределение быстрых электронов.

3. Исследована генерация токов в лазерной плазме при двух-(у ль с ном воздействии на мишень в вакууме, в условиях предва-ельного создания абляционного облака полимеров и при атмос-1том давлении. Определены механизмы процессов.

4. Обнаружено увеличение на порядок эффективности преоб-ования в случае предварительного воздействия на мишень в ва-ме при определенной временной задержке (8 + 10 мкс) между

7 ль сами. Достигнуто рекордное значение КДЦ по энергии для ренных интенсивностей лазерного излучения ^ = 0,32$.

5. Исследован процесс абляции полимерной мишени при ин-

:ивностях излзгаения, близких к порогу плаэмообразования.

/чено пространственное и временное распределение концентра-

паров. Показано, что вблизи мишени достигается кснцентра-п 19 3

/¿д « 10 см , что является оптимальным для поглощения гчвния на длине волны 10,б мкм.

6. Показано, что двухимпульсное воздействие на комбиниро-мипень (металл-винипласт) приводит к существенному увели-

ю генерируемых токов в значительно более широком интервале ®ккых задержек между импульсами (10+100 тс). Рост токов большее задержках связан с созданием в системе оптимального

о

генерации токов давления Р = 10 Тор.

7. На основе систематического исследовагая картины генера-токов и сопутствующих явлений, связанных с развитием гагаз-ых фронтов и ударных волн в условиях двухкмцульсного воздей-я на мишень в воз,пухе при атмосферном давлении определены сальные условия процесса. Показано, что V/* £ не должно шать значения в несколько джоулей, при этом ? можно

- го -

менять в широких пределах Ц.БбЛ^ ^ 40 Дя). Эффективность преобразования при этом не меняется.

8. Продемонстрирована возможность инициации СВЧ разряда

на лазерной искре в воздухе в свободном пространстве при уровня СВЧ мощности почти на два порядка пике пороговых в пироком интервале задержки между СО^ лазером и СВЧ генератором.

9. Доведено систематическое исследование процесса развития оптического пробоя, создаваемого излучением импульсного С0^ лазера с энергией 15-!б0 Дж и длительностью 5 мкс в различных газах (Не, Уе, воздух, Аг, Хе) в интервале давлений 0,5 ^ р ^ 760 Тор. В условиях эксперимента а легких газах наблюдается изменение направления развития разряда и разряд распространяется по луцу. В тяжелых газах разряд в основном движется навстречу излучений.

10. Показано, что наблюдаемый эффект зависит от соотношений длительности лазерного излучения и времени газодинамического разлета лазерной плазмы. Шлученная экспериментальная картина распространения излучения через расширяющуюся плазму (сильк вытеснение электронов из области пробоя) свидетельствует в пол: зу механизма тепловой самофокусировки.

11. Проведено численное моделирование процесса распростра нид электромагнитного излучения в неоднородной плазме. Хорошее согласие полученных данных с результатами эксперимента указыза на пригодность предложенной модели те готовой самофокусировки дл объяснения механизма развития разрдаа по направлению раслростр нения лазерного луча.

- 21 -

сгааж пгсшаций ш теме диссертации

Бархударов Э.М., Гвяе^яяяи Г.З., Гумберидзе Г.Г., Размадзе Д.И., Тактакшвилл М.И. Разряд на твердой мишени, создаваемый излучением импульсного О^-лазера. - Тез .докл. У1 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературно!! плазмы, Яенинград, 1933, с. 195-197.

Barkhudarov Я.Н.,Gelaehvili G.V..Gumberidze G.G.,Taktakishvili M.I. Curent generation in 1азег plasma using the preaction of lew radiation pulse on the target. - Proc.18th Europian Conf. эп laser interaction with matter,Prague, 1987,p.131.

зархудпров Э.М., Гелашвили Г.З., Гумберидзе Г.Г., Тактаки-хвили М.И. Эффективность преобразования лазерного излучения ! электрическую энергию. - Квантовая электроника, 1937,

14, №9, с. I906-I90S. iarkhucîarov Е.Ы., Geluahvili G.V..Gumberidze G.G.,Taktakishvili I.I. Curent generation .in laser plasma using the praction of .aw-ener^y re.diatj.on pulse on the tari;et. - Laser and Particle earns,lyas.v .6,part 4, p.731 735.

архудароз Э.М., Гелашвили Г.В., ]\мберидзе Г.Г., Тактаки-рйли м.и. Генерация токов в лазерной плазме в условиях редварительной жижзэции среды. - Тезисы докладов II Всесо-зного совещания "Высокочастотный разряд в волновых полях", /Ибьегев, I9B5, с. 69.

/¡cov JJ.l'. ,Golubev ;J.K. .awabetiii? G.G. Que discharge excited y ¡aicrowaue i-a-Jiutioa crd CO . -laaar radiation. - Internatio-»]. conference on i'iaana Phyeice ,Bî:w ficlhi ,1989,contrib.ïapers , .III, 1172.

7. Бархударов Э.М., Гелашвили Г.В., Гумберидзе Г.Г., Тактаки швили М.И. Генерация токов и распространение плазменных фронтов при двухимцульсноы воздействии tía мишень в воздух - Квантовая электроника, 1990, т. 17, №6, с. 757-753.

8. Бархударов Э.М., Гелашвили Г.В., 1\мберидзе Г.Г., Тактакк швили М.И. Генерация токов в лазерной плазме при двухимцульсноы облучении комбинированной мишени. - Сообщения Ai Грузии, 199I, т.141, № I, с. 8Э-92.

9. Бровкин В.Г., Быков Д.Ф., Голубев С.К., Грицинин С.И., ГУмберидэе Г.Г., Коссый И.А.,_Тактакишэили М.И. Газовый г ряд, возбуждаемый СВЧ излучением и излучением СО^-лазера, ЖТО, 1991, т. 61, вып. 2, с. 153-157.

10. Бархударов Э.М., Гелашвили Г.В., Гумберидзо Г.Г., Никурал П.О. Развитие в газах оптического разряда, создаваемого t лучением микросокундного П^-тазера. - Материалы УШ Всесс ной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Мине 1991, ч. Ш, с. 69-70.