Диссертация (Моделирование и оптимизация лазерно-плазменных источников корпускулярного и электромагнитного излучения), страница 27

Так, при интенсивности I 0  1 МВт/см2 (см. рис. 5, кривая2) максимальное значение max  5.26 мВ достигается за время t  46мкс.Таким образом, в диапазоне интенсивностей лазерного излучения0  I 0  Ith (ниже порога взрывного вскипания) электрический сигналопределяется диффузионным разделением зарядов, при этом егоамплитуда не превышает 8 мВ.4.2.5 Электрические импульсы в воде при интенсивностях вышепорога взрывного вскипанияПри воздействии на воду лазерного импульса с интенсивностьюI 0  Ith  1.19МВт/см2 в момент времени t2  253 нс в максимуметемпературного профиля (в точкеzexp  0.24мкм) происходит взрывноевскипание и формируется паровая полость. Температурные профили вводе в различные моменты времени t приводятся на рис. 6: t  t2 (кривая1), t  2t2 (кривая 2) и t  4t2 (кривая 3).Поскольку распределениетемпературы в паровой полости в нашей модели является однородным,области постоянной температуры на кривых 2 и 3 показывают ширинупаровой полости.В момент взрывного вскипания t2 скорость расширения паровойполости максимальна и составляет 1000 см/с, в дальнейшем она резкоуменьшается, достигая величины 130 см/с в момент t  1 мкс.206Рис.

6. Температурные профили T2 ( z ) в различные моментывремениtприоблученииводылазернымимпульсомсинтенсивностью I 0  1.19 МВт/см2.На рис. 7 приводятся профили электрического поля в воде вмоменты времени t после взрывного вскипания: t  t2 (кривая 1), t  2t2(кривая 2) и t  4t2 (кривая 3). Распределение электрического поля вмомент взрывного вскипания (кривая 1) определяется процессомдиффузионного разделения зарядов, происходившим до взрывноговскипания, и имеет форму, аналогичную профилям поля на рис. 4.

Послевзрывноговскипанияиобразованияпаровойполостиформаэлектрического поля резко изменяется (кривые 2 и 3), поскольку награницах паровой полости поле скачком изменяется в  l раз, т.е. болеечем на порядок (см. формулу (32)).207Рис. 7. Распределение электрического поля E в различныемоменты времени t при облучении воды лазерным импульсом синтенсивностью I 0  1.19 МВт/см2.Как видно из рис. 7, основной вклад в полный электрическийсигнал  (t ) после взрывного вскипания вносит электрическое поле впаровой полости. При этом в выражении (36) для разности потенциалов c (t ) между границами паровой полости слагаемое  2 (TR )E ( zR  0)  H (t )vоказывается определяющим.

Поскольку величины  2 ,  v и H (t ) - всегдаположительны, знак E ( zR  0) определяет и знак электрического сигнала (t ) (за исключением тех моментов, когда E ( zR  0) обращается в нуль,а также когда E ( zR  0) стремится к нулю при t   ).208Рис. 8. Зависимость электрического сигнала  (t ) (кривая 1) ивеличины ( 2 E (t ))* z  H (t ) (кривая 2) от времени t при облучении водыexpлазерным импульсом с интенсивностью I 0  1.19 МВт/см2.Зависимость электрического сигнала  (t ) от времени приводитсяна рис.

8 (кривая 1). В промежутке времени от t  0 до моментавзрывного вскипания t  t2 электрический сигнал возрастает подобносигналу на рис. 5. Поскольку в момент взрывного вскипания пароваяполость образуется в области отрицательного электрического поля (zexp  0.24мкм), сигнал  (t ) в течении 193 нс после взрывноговскипания (до момента времени t  446 нс) остается положительным.Однако, в дальнейшем, процесс разделения зарядов приводит к тому,что паровая полость оказывается в области положительного поля, иэлектрический сигнал становится отрицательным.Отметим, что паровая полость слабо влияет на динамикуразделения зарядов в ограничивающих ее слоях жидкости.

Потоки209ионов, проходящие через паровую полость, обеспечивают темпразделения зарядов, соответствующий диффузионному разделению приотсутствии паровой полости. На рис. 8 (кривая 2) приводитсязависимость от времени величины ( 2 E (t ))* z  H (t ) , где ( 2 E (t ))* zexpзначение функции  2 E (t ) в точкеz  zexp ,-expвычисленное при условии, чтовзрывное вскипание не происходит и паровая полость не образуется.Как видно из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 8,( 2 E (t ))*zexpвеличина H (t ) хорошо описывает положения и значения экстремумовсигнала  (t ) , заметно отклоняясь от него только при t  10 мкс.Таким образом, после взрывного вскипания и образования паровойполости основной вклад в полный электрический сигнал  (t ) вноситэлектрическое поле в паровой полости.На рис.

9 приводятся зависимости амплитуд электрическихсигналов от интенсивности лазерного импульсаI0 :кривая 1 -максимальное положительное значение  (t ) (см. рис. 5) в интервалеинтенсивностей ниже порога взрывного вскипанияI 0  Ith  1.19МВт/см2; кривая 2 – минимальное отрицательное значение  (t ) (см.рис. 8) в интервале интенсивностей выше порога взрывного вскипанияIth  I 0  1.4МВт/см2 (интервал ограничен интенсивностьюI 0  1.4МВт/см2 , поскольку при дальнейшем увеличении интенсивностимаксимальная температура воды начинает превосходить критическуютемпературу Tc и рассматриваемая модель становится, вообще говоря, неприменимой).

Вертикальной штриховой линией показана пороговаяинтенсивность I th .210Рис.9.Зависимостиамплитудинтенсивности лазерного импульсаположительное значение  (t ) приэлектрическихсигналовотI 0 : кривая 1 - максимальное2I 0  Ith  1.19 МВт/см ; кривая 2 –минимальное отрицательное значение  (t ) при Ith  I 0  1.4 МВт/см2;кривая 3 - минимальное отрицательное значение сигнала  (t ) от I 0 вслучае вскипания воды на бинодали.Из рис. 9 видно, что зависимости 1 и 2 являются линейнымифункциями от I 0 , несмотря на нелинейность процессов, приводящих квозникновению разности потенциалов  (t ) .Обратим внимание, при превышении интенсивности лазерногоимпульсапорогавзрывноговскипанияминимальнаявеличинаотрицательного сигнала  (t ) скачком изменяется от нуля до величины– 316 мВ.

Подобный скачокэлектрического сигнала связан саналогичным поведением зависимости максимальной ширины паровой211полости от интенсивностиI 0 : при интенсивности I 0  I th пароваяполость не возникает, а приI 0  I th максимальная ширина паровойполости составляет 4.4 мкм. Поскольку взрывное вскипание происходитпри достижении температурыTth ,жидкость оказывается сильноперегретой относительно бинодали Ts ( P) (температуры, при которойвозможно формирование паровой полости в условиях квазистатическогонагрева), при этом тепловая энергия, запасенная в перегретой жидкости,обеспечивает расширение паровой полости.Кривая 3 на рис.

9описывает минимальное отрицательноезначение сигнала  (t ) от I 0 в случае вскипания воды при достижениитемпературы Ts ( P) . Поскольку температура Ts ( P) зависит от давления вжидкости, вскипание воды происходит на заднем фронте лазерногоимпульса, когда давление в воде, обусловленное ее тепловымрасширением, начинает снижаться (в первом приближении, импульсдавления на границе «кварц-вода» пропорционален форме лазерногоимпульса I (t ) ; точные формулы для импульса давления, используемые врасчете Ts ( P) , приводятся в работе [19]).

При интенсивностях I 0  Ith , гдеI th  0.31МВт/см2- пороговая интенсивность достижения бинодали,вскипания воды не происходит, поскольку температура воды в этомдиапазоне интенсивностей не превышает температуру кипения воды 373К. ПриI 0  I thминимальное отрицательное значение сигнала  (t )плавно увеличивается от нуля до величины -487 мВ при I 0  1.4 МВт/см2.Как видно из рис.

9, кривые 2 и 3 на интервале Ith  I 0  1.4 МВт/см2практически совпадают.Таким образом, по форме зависимости амплитуды электрическогосигнала от интенсивности лазерного импульса можно судить о степениперегрева жидкости относительно бинодали в момент ее взрывноговскипания.2124.2.6 ВыводыСуществующие в процессе лазерного нагрева воды резкиеперепады температуры, градиенты концентраций и диффузионныепотоки ионов H+ и ОH- приводят к разделению зарядов, появлению вжидкостиэлектрическогополяигенерированиюэлектрическихимпульсов в воде. При возникновении паровой полости в результатевзрывного вскипания перегретого поверхностного слоя воды основнойвклад в электрический сигнал дает разность потенциалов на границахполости, поскольку электрическое поле в полости в десятки разпревышает электрическое поле в окружающей жидкости.Вдиапазонеинтенсивностейлазерногоизлучения,непревышающих порога взрывного вскипания, электрический сигналоказывается знакопостоянным и имеет монополярную форму, при этомего амплитуда не превышает десяти милливольт.Электрическийсигналприинтенсивностяхвышепорогавзрывного вскипания - знакопеременный, имеет биполярную форму, аего максимальная величина достигает сотен милливольт.При превышении порога взрывного вскипания форма и амплитудаэлектрического сигнала изменяются скачком.

Поэтому резкое изменениеэтих характеристик в ходе эксперимента может являться признакомдостижения порога взрывного вскипания.213Временная4.3структураэлектрическогосигналапривзаимодействии излучения HF лазера с донной поверхностью столбаводы4.3.1. Результаты эксперимента по генерированию электрическихимпульсов в воде при облучении HF лазером донной поверхностиводного столбаСхема экспериментальной установки приведена на рис.10 (а).Кювета для воды представляла собой вертикально ориентированныйотрезок кварцевой трубки (плавленый кварц) с внутренним диаметром35 мм и длиной l=3080 мм, к нижнему торцу которого было привареноокно из плавленого кварца толщиной 9 мм. Высота водного столба dварьировалась в пределах d=1080 мм.He-Ne лазерzКварцеваятрубкаЭСЭСФотодиодЭлектродыВодаВодаПар0КварцевоеокноКварцевоеокноHF-лазерHF-лазера)б)Рис.

10. Схема экспериментальной установки: а) – схема облученияводы; б) – схема контроля перемещения свободной поверхности воды.Излучение нецепного электроразрядного HF лазера вводилось вкювету снизу через кварцевое окно, верхняя граница водного столба, вотличие от условий экспериментов в [26, 27], оставалась свободной.214Распределение плотности энергии излучения лазера W по радиусупятна фокусировки r на поверхности исследуемого объекта с хорошейточностью аппроксимировалось гауссовой кривой W(r)=W0exp(-r2/a2) свеличиной параметра а=8.5 мм. Длительность лазерного импульса пополувысоте p и максимальная энергия излучения Е на поверхностиводы за кварцевым окном составляли, соответственно p=140 нс и Е=1.3Дж. Спектральной селекции излучения HF лазера не проводилось.Электрический сигнал снимался с кольцевых электродов, огибающихкварцевую трубку по линии ее сварки с окном внизу и по верхнемукраю, и подавался на осциллограф через повторитель напряжения,аналогично [26].В ряде экспериментов контролировалось перемещение свободнойповерхности воды, вызываемое лазерным воздействием.