Автореферат (1149203), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для импульсовс энергией в 3.5 мДж удалось получить результат в 0.9+/-0.4 мДж энергиивложенной в ударно-волновые структуры.Таким образом было показано что применение пикосекундных лазеровдля инициации СВЧ разряда может быть довольно перспективно, так какнапряженности поля, необходимые для образования лазерной искрыдостигаются при меньших (по сравнению с наносекундными лазерами)энергиях лазерного импульса.
А образование тепловой ямы плотностипроисходитсбольшейэффективностью,чемприиспользованиинаносекундных лазеров.Однако постановка задачи о сильном точечном взрыве малоприменимак вкладам энергии порядка единиц-десятков миллиджоулей: такоевложение энергии соответствует условиям модели сильного точечноговзрыва только в первые микросекунды. Регистрация же изображений в этовремя затруднено засветкой от лазерной плазмы.
Несмотря на то, чтоудается получить разумное согласование расчетной зависимости радиусаударной волны от времени после пробоя с экспериментом, расчетнаякартина распределения плотностей внутри ударной волны кардинальнорасходится с экспериментальными фотографиями.8Все последующие результаты работы были получены на установкелаборатории газодинамики математико механического факультета СПбГУ.Экспериментальная установка схематично изображена на Рисунок 1и состоит из: аэродинамической сверхзвуковой трубы эжэкторного типа,СВЧгенераторасфокусирующейсистемой,рабочейкамеры,двухимпульсного лазера, системы синхронизации.Аэродинамическая труба позволяет получить сверхзвуковую струюдиаметром30мм с числомМаха 1,5;2;3 при статическом давлении20..140Торр.
СВЧ генератор набаземагнетронаМи-505генерирует импульсы с несущейчастотой 9,6 ГГц и мощностью вимпульседо200кВт,длительность импульса от 0,5 дочастота3мкс,повторенияимпульсов от 1 до 10Гц.ФокусирующаяРисунок 1 Схема экспериментальнойустановки. 1 — поворотная призма, 2—фокусирующаясистемаСВЧ(условно), 3 — фокусирующаялинза лазера, 4 — двухимпульсныйлазер,5—соплоаэродинамическойтрубы,6—диффузор аэродинамической трубы,7 — рупор для подводаСВЧизлучения, 8 –область фокусалазерного излучения, 9 – апертуратеневой схемы Теплера.СВЧсистемаквазиоптическая,представляетсобойцилиндрическийизготовленыйпараболоидизплоскихламелей таким образом, что впоперечномнаправленииявляетсяпрактическипрозрачной и не препятствуетоптическимканаламдиагностики.
Область фокусапредставляет собой вытянутый вдоль оси сверхзвукового потока эллипсоидвращения.Измеренноенамалыхсигналах(черезослабитель)9распределение СВЧ поля в области главного фокуса представлено наРисунок 2. Максимальная напряженность СВЧ поля в области фокуса4,5кВ/см,вектор ⃗ ориентирован вдоль потока воздуха, что позволяетполучать самоинициированные СВЧ разряды при давлениях до 100 Торр.Данная конфигурация фокуса СВЧ излучения способствует получениюпротяженных вдоль оси сверхзвукового потока плазмоидов, что наиболеевыгодно для аэродинамических приложений [24].Рисунок 2 Фокусирующая система для СВЧизлучения.
Особенности конструкции ираспределение поля вдоль оси главногомаксимума СВЧ поля(оно же вдоль осипотока).Двухканальный ND:Yag лазер (Qantel EverGreen 145) с раздельнымуправлением каналами излучает на второй гармонике (532нм) импульсыдлительностью 10нс и энергией до 145 мДж каждый. Лазерное излучениесфокусировано линзой с фокусным расстоянием 23 мм, электрическое полелазерного излучения в области фокуса, приближенно равно 7,3 * 10^6 В/см.Это позволяет устойчиво получать лазерный разряд в диапазонестатических давлений от 140 до 760 торр.Визуализация газодинамических процессов осуществляется теневойсхемой на базе прибора ИАБ 450, имеющим фокусное расстояние 2 метраПространственно – временная регистрация самосвечения разрядов, ихформы, картины ударно-волновых структур образованные в результатевзаимодействия разрядов с воздухом осуществляется высокоскоростной10камерой оснащенной ЭОП PCO Dicam.pro с разрешением 1024x1024 точкии минимальной выдержкой 5 нс.Система синхронизации и управления экспериментом реализовананабазеуниверсальнойплатыNationalInstrumentsNI-USB6343спрограммным обеспечением на LabView.С целью определения эффективности вложения энергии лазерногоимпульса в аэродинамические структуры для ряда давлений от 100 до 760торр был произведен ряд экспериментов в покоящемся воздухе придавлениях.
Для уточнения оценки вложения лазерной энергии в ударноволновые структуры была использована задача о точечном взрыве с учетомпротиводавления [25]. Это позволяет расширить область времени длякоторой хорошо рассчитываются ударно-волновые структуры от лазерноговложения энергии до 6..10 мкс после лазерного пробоя . Затем (привременах более 10мкс) интенсивность ударной волны падает и скорость еестановится приближенно равной скорости звука в среде. Так же как и впервыхэкспериментахнепредставлялосьвозможнымполучитькачественное теневое изображение ударной волны в начальные(1-2мкс)моменты времени ввиду засветки от лазерной плазмы.Поскольку на Шлирен-фотографии, полученные в результатеэксперимента, влияет в основном градиент плотности воздуха. Былопринято решение в численном моделировании вложения энергиипроизводить расчеты не только радиуса ударной волны, но и всю структуруплотности газа в области пробоя.Решалась обратная задача: параметры «взрыва», а именно областьввода энергии r0, начальная энергия E0 варьировались при неизменномначальном давлении P таким образом, чтобы результат вычислений какможно лучше совпадал с полученными фотографиями реальногоэксперимента в котором для пробоя использовался импульс с энергией145мДж.
Энергию E0, соответствующую наилучшему совпадению11принимализаэнерговкладлазерногоимпульсавударно-волновыеструктуры в газе. По результатам вычислений рассчитывался коэффициентпреобразования энергии a=E_0/E_laser. Все действия повторялись для ряданачальных давлений. Пример результата расчетов представлен на Рисунок3.Данный результат хорошо согласуется с увеличением лазерныхпробойных полей с понижением давления: чем позднее достигаютсяпробойные напряженности поля, тем больше лазерной энергии проходитсквозь область фокусировки без взаимодействия с веществом.Рисунок 3 Распределение плотности газа вдоль оси потока послелазерного разрядаДавление, ТоррE_0, мДжA760170,124006.50,051500.20,001Рисунок 4 Коэффициент вложения лазерной энергии приоптическом пробое в газодинамические структуры приразличных давленияхЛазерная инициация СВЧ разряда.Порог пробоя СВЧ разряда для концентраций воздуха характерных дляисследуемого диапазона давлений(50-150Торр) весьма высок.
Так жесложна задача локализации разряда – квазиоптические схемы фокусировки12будут давать множественные фокусы. Обе проблемы имеют решение, вчастности, с помощью лазерной инициации СВЧ разрядаРисунок 5 геометрия эксперимента по лазерной инициации СВЧразряда. 1 — сверхзвуковой поток, 2 — область максимума СВЧполя, 3 — лазерная искра, 4 — фокусирующая линза, 5—лазерный луч.. Используется несколько способов инициации лазерным импульсом:резонансное возбуждение [2], нерезонансное возбуждение (лазерное полене достигает пробойного [26]) и инициация лазерным пробоем [27]. Вданном случае мы использовали последний способ.
В результате лазерногопробоя возникает область повышенных температур, в которой создаютсявыгодные условия для СВЧ разряда (понижается концентрация частиц, чтосоответствует снижению давления при нормальной температуре). Такимобразом возможно произвести точечную (начальную) инициацию СВЧразряда.Из работы [28]известно, что эффект снижения порога пробоя дляСВЧ в области лазерной искры имеет два минимума: в области 6..10 и80..120 микросекунды после лазерного импульса.Рассмотрим геометрию эксперимента по лазерной инициации СВразряда на нашей экспериментальной установке на Рисунок 5.Очевидно, что в нашем случае СВЧ разряд будет инициирован вобласти пересечения максимума СВЧ поля и ударно-волновых структур,образованных лазерной искрой.
Благодаря протяженной форме областифокуса СВЧ антенны появляется возможность изменять положение13инициированного СВЧ разряда в пространствепростой перестройкойположения фокуса лазерной фокусирующей системы..Был проведен ряд экспериментов по инициации СВЧ излучениялазерной искрой в неподвижном воздухе при разных давлениях. Параметрылазера и СВЧ генератора(см. выше) позволяют получать лазерную искру вдиапазоне давлений от 100 до 760 Торр и самостоятельный СВЧ разряд вдиапазоне от 40 до 100торр.
Было показано что при лазерной инициацииудается устойчиво получить СВЧ разряд при давлениях от 40 до 760 Торр.При этом при давлениях ниже 100…110 Торр лазер не инициирует, но взначительной мере стабилизирует СВЧ разряд как по пространственнымтак и по временным характеристикам. Этот эффект объясняетсяобразованиемзатравочныхэлектроновпривзаимодействиисфокусированного лазерного излучения с воздухомДалее был поставлен эксперимент по лазерной инициации СВЧразряда в сверхзвуковом потоке. Поскольку за время длительности СВЧразряда (1.5-3мкс) газ в потоке с числом маха 1.5 смещается всего на 0.5мм, не ожидалось отличий в развитии разряда от разряда в неподвижномвоздухе.
Что и было показано на практике. Подтвердилось предположениео том, что нагретая область от лазерного пробоя смещается вместе спотоком воздуха, что позволяет позиционировать СВЧ разряд впространстве по оси фокуса СВЧ антенны и потока простой регулировкойзадержки между лазерным и СВЧ импульсамиНагретая разреженная область образованная первой лазерной искройполностью уходит из области каустики лазерного луча за 6 -10 мкс. Это даетвозможность реализовать вторую лазерную искру при условии задержкимежду лазерными импульсами более 6мкс. В тоже время эффект сниженияпорога пробоя для СВЧ в области лазерной искры наблюдается с 6..10 до80..120 микросекунды после лазерного импульса [28].
Эти два фактапозволяют реализовать инициацию СВЧ разряда двумя лазерными14импульсами с задержкой между импульсами в 10..120 мкс. На Рисунок 6представлены результаты экспериментов..Каквидноизрисунков,выборомвременныхпараметровэксперимента удается получить СВЧ импульс различной протяженности идаже два отдельных СВЧ плазмоида.В работе [29] СВЧ плазмоид рассматривался как наведенный дипольво внешнем переменном поле. Если расположить два плазмоида на однойосииприложитькнимвнешнееполе,томыполучимдваоднонаправленных наведенных диполя. Поле, наведенное диполями впромежуток между ними будет складываться с внешним СВЧ полем иусиливать его. Т.к. частота ионизации сильно зависит от электрическогополя, в данном промежутке может возникать «вторичная» волна ионизациии между плазмоидами и может «прорастать» вторичный стример.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
