Оптический пробой

Оптический пробой - лазерная искра, самый молодой вид газового разряда. Впервые наблюдался в 1963г. в фокусе луча гигантского рубинового лазера с мощностью 30 МВт длительностью импульса 3-Ю"⁴ с, в электрическом поле Е ~ 6-10⁶ В/см. Явление было неоднозначным, привлекло широкое внимание и уже изучено не хуже других разрядов. К лазерной искре применим нестационарный критерий пробоя (8.17), причем роль потерь электронов Y_a и Yd может даже оказаться не существенной - время очень мало, все определяет создание электронов, лавин. Но вот "затравочный" электрон может родиться в результате многофотонного фотоэффекта (по существу квантового явления). Интересно, что есть большое сходство процессов пробоя в оптическом и СВЧ диапазонах -например, расчеты порогов пробоя и сравнение их с экспериментом.

Развитие лазеров и повышение их мощности привело к тому, что еще в 1976г. у нас смогли зажечь "искру" в воздухе длинной 8 м, а рекордные длины были больше десятка метров.

Важнейшие свойства плазмы:

• сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями, связанное с ее высокой электропроводностью;
• специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы;
• благодаря коллективным взаимодействиям плазма ведет себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны (например, ленгмюровские колебания плазмы);
• во внешнем магнитном поле плазма ведет себя как диамагнитная среда;
• удельная электрическая проводимость σ полностью ионизованной плазмы не зависит от плотности плазмы и увеличивается с ростом термодинамической температуры, пропорционально . При Т ≥ 10⁷ К, σ столь велика, что плазму можно приближенно считать идеальным проводником ().

Плазма – наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Основной источник энергии излучения звезд – термодинамические реакции синтеза, протекающие в недрах звезд при огромных температурах. Холодные туманности и межзвездная среда также находятся в плазменном состоянии. Они представляют собой низкотемпературную плазму, ионизация которой происходит, главным образом, путем фотоионизации под действием ультрафиолетового излучения звезд. В околоземном пространстве слабоионизованная плазма находится в радиационных поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.

Низкотемпературная газоразрядная плазма, образующаяся при тлеющем, искровом и дуговом разрядах в газах, широко используется в различных источниках света, в газовых лазерах, для сварки, резки, плавки и других видов обработки металлов.

Основной практический интерес к физике плазмы связан с решением проблемы управляемого термоядерного синтеза – процесс слияния легких атомных ядер при высоких температурах в управляемых условияхЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ И ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

Газовый разряд С это процесс протекания электрического тока через газ. Различают несамостоятельные и самостоятельные разряды. Несамостоятельный разряд возможен при инжекции электронов в разрядный промежуток (например, термоэмиссия с катода) или при ионизации газа каким- либо внешним источником. Несамостоятельные разряды используют довольно широко: это и ионизационные камеры технологического и дозиметрического назначения на атомных реакторах, газотроны в выпрямительных установках сетей питания постоянным током, плазмотроны с накаливаемым катодом и т.д. Физические процессы, протекающие в разных несамостоятельных разрядах, естественно, различаются, но не все они характерны для собственно газовых разрядов, как обычно понимают этот термин. В них с помощью электрического поля просто собирают образующиеся в объеме заряды (что вообще-то не совсем "просто"!), в пропорциональных счетчиках используют ограниченное образование электронных лавин, в гейгеровских счетчиках происходит коронный разряд, в газотронах и тиратронах «обходят» закон «3/2», как бы приближая анод к катоду, в дуговых лампах дневного света термоэмиссия с подогревных катодов только обеспечивает зажигание самостоятельной дуги. Однако наиболее широко применяются самостоятельные разряды, о них и будет речь. Самостоятельный тлеющий разряд зажигается тогда, когда напряжение на его активных участках достигает "напряжения пробоя", для дугового разряда необходимо создать условия возникновения термоэмиссии с катода. Коронные разряды возникают только при наличии участков с очень большой неоднородностью напряженности электрического поля, а искровые разряды принципиально импульсные. Все это справедливо для постоянных электрических полей, у полей ВЧ и СВЧ, которые широко используются в технологиях, есть своя специфика, особенно у полей лазерной искры.

§49. Электрический ток в газах

Столкновения частиц могут иметь упругий и неупругий характер. При упругом столкновении меняется направление движения частиц, происходит обмен импульсами и кинетической энергией. При неупругом столкновении внутренняя энергия и состояние одной из частиц (редко когда обоих) изменяется. Ионизация атома при ударе электроном происходит за счет передачи кинетической энергии электрона атому. Значение энергии электрона, достаточное для ионизации атома называется потенциалом ионизации U,. При многократной ионизации энергия, необходимая для отрыва каждого следующего электрона возрастает. Пионерами экспериментального определения потенциала ионизации атомов были Франк и Герц. Метод определения основывался на том, что зависимость тока, протекающего через диод в парах ртути, от ускоряющего электроны напряжения носит не монотонный возрастающий характер, а имеет провалы из-за потерь энергии электронов на возбуждение и ионизацию ато мов ртути. Зависимость вероятности ионизации атомов любого газа от энергии частиц Uзадается функцией ионизации:

ft = a (U-Uj)exp (-(U-Ui)/b),

Темный (таунсендовский) разряд

Темный (таунсендовский) разряд - это электрический разряд в газах при низком давлении (порядка нескольких Торр) и очень малых токах (менее 10° А). Электрическое поле в разрядном промежутке однородно или слабо неоднородно, и не искажается пространственным зарядом, который пренебрежимо мал. Назван по имени Таунсенда, который в 1900 г. создал теорию электронных лавин, по которой при условии выполнения развития самостоятельного разряда (8.19) ток разряда должен неограниченно возрастать со временем. Реально же ток ограничен параметрами цепи. Очень малый ток таунсендовского разряда обусловлен большим сопротивлением внешней цепи. Если сопротивление внешней цепи снижать, увеличивая ток, то таунсендовский разряд переходит в тлеющий.

Дата добавления: 2014-01-20