Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕДЕМ. Начало интенсивных разработок и иссле
дований современных импульсных газоразрядных источников излучения
было связано по времени с успехами в технологии производства инер
тных газов и совершенствованием вакуумной_техники.:-Олределились
~д^ ооновнвд" направлеш со свободно"
расширяющимся каналом" разряда и лампы с разрядом, ограниченным стенкой сосуда (трубчатке).
Быстро возрастало применение этих источников излучения в ряде областей науки и техники, таких например, как массовая и высокоскоростная фотография, оптическая локация и связь, ночная аэросъемка и световая сигнализация, фотолиз и фотосинтез и др.
Начиная с 60-х годов особое значение приобрели трубчатыелампы, как источники накачки лазеров на твердом теле.
Возросшая необходимость в данных о физических и технических характеристиках этих источников излучения стимулировала появление соответствующих публикаций и монографий.
Вместе с тем, публикуемые данные, особенно в начальный период, были, зачастую, противоречивыми, имели отрывочный характер, так как были привязаны к определенным типам -исследуемых ламп и элементов разрядного контура. На степени их достоверности сказывалось также -отсутствие теоретических основ фотометрии импульсного излучения и измерительной аппаратуры.
Эти обстоятельства, в свою очередь, препятствовали созданию адекватных теоретических представлений о физических явлениях в частично-ионизованной плазме, возникающей при разряде электрического конденсатора на газовый промежуток. С другой стороны, в ряде работ по теории плазмы газового разряда подчеркивалось, что интерпретация физических, в том числе оптических, явлений в частично-ионизованной, слабонеидеальной плазме связана со специфическими трудностями; в двух предельных случаях - в слабоионизованном газе и полностью ионизованной плазме эти явления легче подаются теоретическому толкованию.
В известных работах Бибермана-Нормана, Шготера и др. исследуется непрерывный спектр идеальной плазмы слабоионизованного газа. С ростом плотности плазмы расчеты излучения по предлагаемым там формулам приводят к систематическому отклонению от результатов эксперимента.
Норманом, Кобзевым, Куриленковым и другими авторами был предложен механизм процессов излучения в.плотной плазме, предполагаю-
2.
ящй наличие "провалов" в электронном спектре и "окон лроэрачносги"
в оптическом спектре. Однако эти положения не получили, пока, на
дежного подтверждения на опыте. ;
Таким образом, в силу недостаточной разработанности теории . плазмы.умеренной плотности и расхождения между собой имеющихся экспериментальных; данных, представляется весьма актуальной про- — ' "б'лёма, 'являющаяся предмёгоЪ~дй6сертацаонной"работы -"всестороннее-~" "исследование физических явлений в слабонеадеальной недебаевской плазме импульсных газоразрядных источников света.
Следует, при этом иметь ввиду, что прикладные задачи, связан ные с применением импульсных источников света, в особенности при наличии жестких энергетических и габаритных ограничений, приводят к необходимости совместного использования источника света и оптического прибора с целью рационального перераспределения потока излучения. Возникащие при этом геометрические аспекты дополштельнс усложняют возможность оптимизации импульсной оптической системы. Создание подобных оптимизированных систем должно естественным об-разом опираться на результаты исследований физических процессов в плазме канала разряда.
Основную цель данной работы можно, в итоге, представить двумя направлениями. С одной стороны - это получение углубленной и более адекватной картины физических процессов в умеренно-плотноі слабонеидеальной плазме импульсного разряда, и, на этой основе, -с другой стороны - создание эффективных оптических излучающих систем с импульсными источниками света.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Можно выделить следущие результаты, впервые полученные автором:
-
Экспериментально установлена непрозрачность канала разряда мощной воздушной искры для оптического излучения при температуре плазмы 20000-25000 К.
-
Получена уточненная температурная зависимость для куло-новского сечения "электрон-ион" в слабонеидеальной плазме импульсного разряда ( ?й(Т)), которая в интервале температур _ 10000-20000 К удовлетворительно согласуется с формулой для Q(Т) следующей из теории соударения Кюсары, свободной от расходимостей связанных с кулоновским взаимодействием.
-
Построено новое аналитическое выражение для суммарной электропроводности часгично-ионизованной плазмы 6^ (Г)ja основе "правила смеси", в котором используется формула для фд (Т)
3.
и экспериментальные данные о Qf/,(T) для инертных газов. Полученное выражение для . 6" g (Т) вполне удовлетворительно согласуется с опытом.
4. Представлена аналитическая зависимость мгновенной темпе
ратуры плазмы от плотности тока типа ^ = cij^ в импульсных труб- _..
чатых лампах с инертными газами (-^, AV , Xt ), в которой число
вые коэффициенты <* и /Ъ несколько варьируются для"разных газов
и начального давления. Рассчитанные по данной формуле значения температуры и измеренные рядом авторов различаются не более чем на 5-10$.
-
Получены новые экспериментальные данные о спектральном показателе поглощения в импульсной плазме Лi- , Xf- и Хе в области спектра 300-700 нм в широком диапазоне температуры и концентрации электронов в плазме.. В результате анализа зависимостей показателя и сечения поглощения атома и иона от определяющих их физических величин (начальная плотность газа, температура' плазмы, концентрация зарядов) сделаны выводы о преимущественной роли тормозного поглощения в плазме средней плотности (Ilz ^ 10 см~3).
-
Впервые получены спектрально-временные характеристики 'импульсного разряда ограниченного стенкой - экспериментальные -дан- ные об изменении в течение вспышки спектра. Хе , а также А А и
/\> трубчатых импульсных ламп.
-
Установлено, что относительное спектральное распределение излучения плазмы импульсного разряда, бграниченного стенкой, в его квазистационарной стадии, остается практически неизменным у разных инертных газов в широком интервале значений /?е и Т и подобным спектру планковского излучателя. Это привело к заключению о том, что в этих условиях трубчатая импульсная лампа с инертным газом представляет собой, как излучатель, "серое тело".
-
Показана и подтверждена экспериментально возможность расчета мгновенного спектра излучения импульсных трубчатых ламп по значениям плотности тока в разряде, которая основана на предложенной
в настоящей работе оптической модели полупрозрачного объемного цилиндрического излучателя,
9. Предложена схема синтеза импульсной трубчатой лампы, явля
ющаяся заключительным этапом решения обратной оптической задачи
для импульсной оптической системы и дакщая возможность осуществить
замкнутый расчет геометрии лампы и параметров разрядного контура
с результатами оптимальными для данной задачи.
4.
10. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность оптимизации некоторых процессов специального фотографирования -ночной аэрофотографии и высокоскоростной фотографии, и создания соответствующих оптических систем и устройств "импульсная лампа - оптический прибор".
:—г' — -—'-IIv-Показана возможность последовательного аналитического --расчета и энергетической оптимизации оптических цилиндрических -систем накачки твердотельньк лазеров при задании некоторой предел: ной энергии вспышки импульсного источника накачки. Разработанные теоретические предпосылки подтверждены экспериментом.
12. Заложены первичные основы импульсной фотометрии - новой области оптических измерений. Исследованы вопросы прохождения све тового импульса через измерительный тракт импульсного фотометра, разработаны методы и проведаны экспериментальные исследования и измерения импульсов излучения длительностью 10 -10 сек., временных и спектральных характеристик приемников излучения. Экспериментально показана правомерность использования в "физической" импульсной фотометрии методов и средств визуальной фотометрии; разработаны методы абсолютной градуировки импульсных ' " фотометров ."Создан . комплекс измерительных приборов для Есследова ния импульсных ламп, осветительных систем и импульсных лазеров. , Совокупность результатов представленных в диссертации, и развитых здесь представлений и методов, дают основания для заключения, что в данной работе осуществлено решение научной проблемы, состоящей в необходимости углубления непротиворечивой картины физических явлений в плазме пространственно-ограниченного імпульсне го разряда высокого давления и в построении на этой основе физических предпосылок создания оптических излучающих устройств с імпульсними источниками света, предназначенных для решения важных научно-технических задач для народного хозяйства и в специальных целях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работ, включенных в диссертацию состоит в возможности использования полученных экспериментальных , данных в исследованиях и разработках в области импульсного разряд Представленные в диссертации теоретические соотношения позволяют проводить расчеты и прогнозирование физических характеристик ела-бонеидеальной термической плазмы пространственног-ограниченного. импульсного разряда в инертных газах. К ним относятся зависимост. электропроводности от температуры плазмы, формулы,связывающие температуру с плотностью тока,-последние дают возможность опреде
5.
лить мгновенную температуру плазмы путем проведения простых экспериментальных измерений.
Благодаря предложенной оптической модели трубчатой лампы, как объемного цилиндрического излучателя, в которой используется полученные в работе экспериментальные данные о поглощательной способности- плазмы разряда и рассчитанные по плотности тока значения . температуры, .доказана-возможность" расчета спектральной, плотности"Т ...потока излучения источника, без проведення сложных оптических экспериментов.
Материалы диссертации подтверждают вполне удовлетворительное совпадение результатов всех предложенных методов расчета и данных экспериментов.
При проведении соответствующих исследований и разработок могут оказаться полезными для специалистов развитые в диссертации методы оптимизации оптических излучающих систем, опиращиеся на . решение "обратной проблемы источника света". Построенная на этой основе схема синтеза трубчатой лампы позволяет осуществлять замкнутый расчет геометрических параметров источника и элементов разрядного контура и монет быть использована для целенаправленной разработки импульсных ламп.
Конкретным,практическим.выходом результатов.проведенных.и.с- . следований и разработок являются специальные импульсные осветительные установки для научных исследований (освещение кшлеры Вильсона, фотографическая регистрация быстропрогекащих процессов), специальные импульсные оптические системы для ночного воздушного фотографирования ( НВФ ) и оптической накачки лазеров на твердом теле. Они были внедрены в техническом исполнении на разном уровне -.от серийного промышленного выпуска (установки НВФ), опытных образцов (генераторы световых импульсов для высокоскоростной фотографии) - до действующих макетов (освещение камеры Вильсона, оптическая накачка). Созданные импульсные оптические системы использовались в НИИ при проведении исследований, серийные установки НВФ применялись заказчиками для специальных целей.
Большую помощь НИИ, предприятиям и организациям, занятым разработкой и применением импульсных ламп и импульсных лазеров, оказали созданные автором и под его руководством приборы для измерения оптического импульсного излучения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Доклады и сообщения автора об исследованиях, проводимых им по теме диссертации были заслушаны на некото-
6.
рых мевдународных конгрессах и многих Всесоюзных конференциях, семинарах и совещаниях по физике и оптике плазмы, в том -числе, на X Совещании по соскгроскошш .(Львов, 1956 г.), I Всесоюзный конференции по спектроскопии низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1973); на 9 Мевдународном конгрессе по высокоскоростной фотографии (Денвер, _США., I97Q-); -на_Всесоюзных конференциях и семинарах по физике низкотемпературной плазмы, генераторах низкотемпературной ' плазмы и плазмохимии, (Новосибирск, 1972 г., Фрунзе, 1974 г., Москва 1977, Киев, 1979, Москва 1987), на Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы (ИВТАН, Москва, 1988,1993] на I Всесоюзном Симпозиуме по радиационной плазмодинамике (РПД-89 Москва, 1989), на Семинарах теоретического отдела ИОФАН (Москва, 1991) иИЖС Ш России 1993 г.) на Всесоюзной конференции по физик< электронных и атомных столкновений (Тбилиси, 1975 г.), на Совещаниях по квантовой электронике, в том числе, на заседании секции 0] Межведомственного Совета по квантовой электронике (Москва, 1964 г на Первом Мекведоственном совещании по квантовой элекгроние (Москва, 1965 г.), на Совещаниях секций Совета по квантовой электронике (Ленинград, Москва, 1963, 1968, 1969), на Совещании школы-семинара по лазерному, оптическому и спектральному приборостроению (Минск, 1986-г.) на конференциях-и совещаниях по газоразрядным и полупроводниковым источникам света, в том числе, на Объединенном Семинаре ГОИ, НйКФИ (Москва, 1965 г.), на П Научно-технической конференции "Состояние и перспективы разработки и производства газоразрядных источников излучения для накачки квантовых генераторов" (Москва, 1977), Всесоюзной конференции по рекомбинационном излучению и полупроводниковым источникам света (Баку, 1971); на конференциях и совещаниях по высокоскоростной Фотографии и кинема тографин, в том числе, на XI Международном Конгрессе по высокоско ростной фотографии (Лондон, 1974), на Совещаниях по высокоскоррст ной фотографии и кинематографии (Ленинград, 1957, Львов, 1959., Лє нинград, 1962, Москва, 1965, на Семинаре "Техника киносъемок, их применение в научных исследованиях и промышленности" (Москва, 196 на Всесоюзных научно-технических конференциях "Современное состоя ние и перспективы высокоскоростной фотографии и кинематографии и метрологии быстропротекащих процессов". ВНИИОФИ, г.Москва - 197« 1975, 1978, 1981, 1993 г.), на Конференциях и Семинарах по импул] сной фотометрии (измерение некогерентного и лазерного излучения) в том числе, на Мевдународном Светотехническом конгрессе С/В ХУЛ (Барселона, 1971), Светотехнической конференции (Москва,
7.
1964), Всесоюзных семинарах "Импульсная фотометрия" - первом (Ленинград, 1966), втором (Ленинград, 1968), третьем (Ленинград, 1970), четвертом (Ленинград, 1972), шестом (Ленинград, 1974), седьмом (Ленинград, 1978), двенадцатом (Ленинград, 1988); на П -Всесоюзной научно-технической конференций по'метрологии и"технике "
"точных'измерений" (Тбялисси;-1971)-; на 17 Всесоюзной--конференции-г _.__
по ЭЛЛ и ФЭП (Ленинград, 1971 ); на Всесоюзных-научно-технических- — .
конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" -ВНИИОФИ, Москва. - 1974, 1976, 1979, 1986 г.
Основные материалы диссертации опубликованы в 34' работах, получено 8 авторских свидетельств.
СТРУКТУРА И'ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 375 наименований. Она содержит 347 страниц, включая IC4 рисунков, 9 таблиц и список литературы, а также 3 приложения.
