CC BY
13
Краткие сообщения по физике ФИ АН
номер 9-10, 1997 г.
УДК 533.9.07
СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ ПЛАЗМЕННОГО ВОЛНОВОДА, ОБРАЗОВАННОГО ДЛИННОЙ ЛАЗЕРНОЙ
ИСКРОЙ
А. В. Шелоболин
Экспериментально определены две собственные частоты плазменного волновода, образованного длинной лазерной искрой. Проведены оценки плотности носителей в этом волноводе.
В [1] сообщалось об экспериментах по инициированию электрического пробоя газов (ЭПГ) длинной лазерной искрой (ДЛИ). В [2] определялась продольная граница ЭПГ при малых 1 кВ/см) напряженностях электрического поля и было высказано предположение о волноводном характере ЭПГ при инициировании его ДЛИ. В [3] эта гипотеза получила подтверждение при скоростном фотографировании волны пробоя. Соответственно большой интерес представляют собственные частоты продольных волн в плазменном цилиндрическом резонаторе, образованном ДЛИ.
Схема и условия эксперимента аналогичны представленным в [1, 2]. Использовалась камера с диаметром окружности обратного токопровода 18 см. Расстояние между элек тродами, в качестве которых применялись две трубы диаметром 12 мм, составляло либо 7,5 см, либо 10 см. На один из электродов монтировался излучатель продольного электрического поля, который подключался к одному из элементов емкостного делителя, включенного параллельно основному емкостному накопителю. Обмотка излучателя и этот конденсатор образовывали резонансный контур положительной обратной связи. Частотно-фазовое рассогласование делало эту связь слабой. Постоянное напряжение на камере поддерживалось ниже границы ЭПГ.
Подбором собственной частоты контура обратной связи возбуждались колебания в цилиндрическом плазменном волноводе, образованном ДЛИ и эволюционирующем в приложенном электрическом поле. Регистрация возникающих токовых колебаний осуществлялась поясом Роговского с выводом сигнала на осциллограф С8-13. Источником
ДЛИ служило излучение неодимового лазера (10 Дж, 3 не). Все эксперименты проводились в воздухе при атмосферном давлении.
По осциллограммам тока в разрядном промежутке, представлявшим собой затухающие синусоиды, определялся период колебаний г и декремент затухания 7. Удалось зарегистрировать две моды колебаний: высокочастотную с параметрами г = 0,5 мке, 7 = (1,5 ± 0,3) мке и низкочастотную с параметрами г = 1,5 мке, 7 = (23 ± 7) мкс. При этом в качестве погрешности 7 указан статистический разброс между отдельными экспериментами. Для т подобный разброс не наблюдался, и погрешность значения этой величины можно оценить погрешностью временных осциллографических измерений, т.е. она менее 10%. Амплитудная калибровка ПР экспериментально не проводилась, однако расчетная чувствительность ПР позволяет утверждать, что амплитуды тока в первом максимуме составляли 0,2 - 0,4 А. Изменение межэлектродного расстояния с 7,5 см до 10 см заметного влияния на регистрируемые параметры не оказало.
Основной анализ полученных результатов сводится к идентификации зарегистрированной в [3] первичной волны ЭПГ и определению состояния плазмы канала, в котором она распространяется. Дополнительный анализ сводится к идентификации вторичной волны на базе имеющихся данных.
Наблюдавшаяся в [3] первичная волна ЭПГ должна быть отнесена к ионно-звуковым волнам, поскольку согласно фотографическим экспериментам скорость ее распространения соответствовала тепловой скорости ионов воздуха (105 см/с), при этом наблюдался существенный энергообмен между волной и средой. К классу поверхностных, а не
Г
объемных волн эту волну можно отнести в связи с тем, что в настоящем эксперименте декремент ее затухания зависит от частоты более сильно, чем линейно.
При анализе структуры канала, в котором распространяется первичная волна, следует выделить область допустимых значений температур (Г) и плотностей носителей заряда (п) на плоскости Т-п. Из фотографических экспериментов [3] вытекает требование для дебаевского радиуса г < 0,1 см. Отсюда следует Т/п < 4 ■ Ю-8 эВ ■ см3. С другой стороны, любая компонента плазмы канала должна иметь температуру не ниже комнатной, т.е. Т > 0,025 эВ. Совместное рассмотрение этих условий приводит к требованию на плотность носителей заряда п > 6 ■ 105 см~3. При этом следует подчеркнуть, что поскольку в исходные предпосылки масса носителей заряда не входила, то это условие распространяется как на электронную, так и на ионную компоненты.
Учитывая, что поверхностная волна распространяется с частотой, близкой к плазменной, можно определить соответствующие резонансным экспериментам критические
Краткие сообщения по физике ФИЛИ
номер 9-10, 1997 г.
плотности электронов и ионов на этой поверхности. Для электронной компоненты эт и значения составят 2,5 • 103 см~3 и 2,2 • 104 см~3 соответственно для НЧ и ВЧ зарегистрированных мод. Для ионной компоненты эти величины будут более, чем на четыре порядка выше, т.е. 108 см~3 и 109 см~3 (для ионов О^ и Аг/). Эти плотности ионов со ответствуют результатам работы [4], где аналогичные значения плотностей носителей получены в сходных условиях как из анализа балансных уравнений, так и из прямых зондовых измерений.
Сравнивая значения критических плотностей носителей заряда с величиной, выте кающей из анализа области допустимых значений, можно сделать вывод, что за коллективные эффекты в первичной волне ответственны исключительно ионы, а электроны присутствуют в ней как газ.
Вторичную волну следует интерпретировать как электронную. Предпосылкой для этого является совпадение оценки ее скорости, вытекающей из фотографических экспе риментов [3], с тепловой скоростью электронов, а также результаты работы [4], где ЭПГ начинался сразу со вторичной волны, а средняя ее скорость изменялась в зависимости от условий эксперимента в диапазоне 107 — 108 см/с. Для интерпретации вторичной волны как поверхностной или объемной прямых экспериментальных данных недостаточно. Вместе с тем из приведенных выше оценок можно предположить, что переход первичной волны во вторичную обусловлен наработкой электронной компонен ты в процессе распространения первичной волны, а не нелинейной перекачкой энергии из поверхностной волны в объемную. Оценивая из анализа области допустимых значе ний необходимую плотность электронов во вторичной волне, можно получить условп' порога ее возникновения п > 108 — 109 см~3.
Считаю необходимым выразить благодарность фирме БНЕМТН за помощь в пров^ дении этой работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Зворыкин В. Д. и др. Физика плазмы, 5, вып. 5, 1140 (1979).
[2] Зворыкин В. Д. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 8, 41 (1980).
[3] Н и к о л а е в Ф. А. и др. Phenomena in Ionized Gases, Minsk, 1981, p. 1304.
[4] К о о р m a n D. W. and Saum К. A. Appl. Phys., 44, N 12, 5328 (1973).
Поступила в редакцию 7 апреля 1997 г. После переработки 10 сентября 1997 г.
