Содержание к диссертации
Введение
1 Введение 5
1.1. Анализ работ по получению и исследованию ионизованного газа в различных средах. 19
1.2. О механизмах аккумуляции энергии. 36
1.3. Генераторы низкотемпературной плазмы и импульсные накопители энергии. 41
2 Методика и аппаратура проведения исследований.
2.1. Комплекс устройств для получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. Устройства электропитания. 46
2.2. Устройства коммутации комплекса. 60
2.3. Генераторы электрических импульсов. 71
2.4. Генераторы автономных долгоживущих плазменных образований (плазменные пушки) 75
2.5. Аппаратура проведения измерений и оценка их погрешности. 85
3 Разработка методики получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере
3.1. Определение статистических закономерностей, влияющих на процессы самоорганизации долгоживущих плазменных образований. 107
3.2. Энергетические характеристики разряда при формировании долгоживущих плазменных образований. 120
3.3. Влияние энергетических характеристик на время жизни долгоживущих плазменных образований. 139
3.4. Методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. 148
4 Возможности аккумуляции электромагнитной энергии в объёме долгоживущего плазменного образования
4.1. Определение длительности излучения частиц конденсированной дисперсной фазы. 153
4.2. Рефракционный механизм аккумуляции электромагнитной энергии в объёме автономного долгоживущего плазменного образования. 158
4.3. Определение диапазона длин волн, для которых возможна рефракция световых лучей в объёме долгоживущего плазменного образования. 170
4.4. Экспериментальные результаты, подтверждающие факт накопления электромагнитной энергии в объёме долгоживущего плазменного образования. 183
4.5. Рефракция на границе: долгоживущее плазменное образование -атмосфера. 193
5 Анализ излучения автономного долгоживущего плазменного образования
5.1. Регистрация излучения автономного долгоживущего плазменного образования. 196
5.2. Исследование внутренней структуры автономного долгоживущего плазменного образования. 202
5.3. Определение формы излучающей поверхности автономного долгоживущего плазменного образования. 206
5.4. Воздействие теплового излучения долгоживущего плазменного образования на поверхность. 209
5.5. Генерация электромагнитного излучения автономного долгоживущего плазменного образования. 213
5.6. Автономные долгоживущие плазменные образования и среднестатистическая шаровая молния. 215
Результаты и выводы. 219
- О механизмах аккумуляции энергии.
- Генераторы электрических импульсов.
- Энергетические характеристики разряда при формировании долгоживущих плазменных образований.
- Определение диапазона длин волн, для которых возможна рефракция световых лучей в объёме долгоживущего плазменного образования.
Введение к работе
Исследования многих научных коллективов направлены на разработку физических принципов построения источников энергии, способных аккумулировать электромагнитную энергию. Материалом, способным аккумулировать энергию электромагнитного поля может служить плазма. При атмосферном давлении преобладают потери энергии электронами при упругих соударениях. С дальнейшим ростом давления по мере разогрева газа увеличивается доля нерезонансного излучения, в силу этого разряды при высоких давлениях являются интенсивными источниками света.
В предлагаемой работе ставится и решается проблема по созданию и изучению свойств мощного источника оптического излучения открытого типа, способного излучать после прекращения подвода энергии извне длительное (секунды) время. Кроме этого решается проблема выяснения условий аккумуляции электромагнитной энергии, хранения её и транспортировки в нужном направлении на необходимые расстояния.
В качестве объекта исследований были выбраны автономные долгоживущие образования получаемые в свободной атмосфере и способные существовать без подвода энергии извне значительное время (секунды). Получение долгоживущих плазменных образований, как в установках, так и в свободной атмосфере представляет собой большой научный и прикладной интерес для многих исследований. Такие свойства термической электродуговой плазмы, как большая концентрация энергии в единице объёма, высокая температура, определяющая большие скорости теплового воздействия на тела, помещённые в плазму, обеспечивающая высокие скорости химических реакций между компонентами плазмы, позволяют создать принципиально новые эффективные технологические процессы и оборудование, характеризующееся экономичностью с точки зрения материалоёмкости и энергоёмкости, а также экологической чистотой.
Плазменная техника и технология - это одна из тех отраслей промышленности, где интересы производства и прикладных исследований наиболее тесным образом переплетаются с фундаментальной наукой. Без понимания и достоверного описания физических процессов, происходящих в термической низкотемпературной плазме, определяемых как многообразием взаимодействий компонент плазмы, так и многофакторностью внешних воздействий, невозможны ни создание эффективно работающих плазмотронов, ни их рациональное использование. Это фундаментальные исследования плазмы; холодного ядерного синтеза; задачи плазмохимии; исследования каналов молниевых разрядов и управления атмосферными явлениями. Результаты теоретических и натурных исследований, кинетики образования и развития плазменных образований в натурных условиях с плотностями энергии сопоставимыми со среднестатистическими плотностями энергии, характерными для природных молниевых разрядов, имеют фундаментальное и прикладное значение для следующих областей знаний: физика плазмы, плазмохимия и в новых технологиях получения порошков с заданной дисперсностью из тугоплавких материалов, в разработке методов создания беззеркальных накопителей энергии для сверхмощных лазеров.
Известно, что тороидальные вихри являются единственной конфигурацией, обеспечивающей устойчивость низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении. Тороидальные вихри обладают целым рядом специфических свойств. В частности, это вихревое движение, замкнутое само на себя и, поэтому, обладающее высокой степенью обособленности от окружающей среды, что позволяет добиться высокой адиабатичности плазменного образования после прекращения подвода электрической энергии.
Работа является экспериментальной. Эксперименты проводились на научно-исследовательском полигоне кафедры общей и прикладной физики
7 Владимирского государственного университета на уникальной установке с рекордными для натурных исследований плотностями энергии, которая не имеет аналогов.
Для решения указанной проблемы ставилось несколько задач. Это прямое получение в сильноточных разрядах самоорганизующихся сгустков неидеальной плазмы с большим временем жизни и высоким произведением концентрации частиц на температуру, проведение экспериментальных исследований физики процессов в этих сгустках, а также синтезирование их теоретических моделей.
Поставленная задача решается при экспериментальном получении автономных долгоживущих образований в виде тороидальных плазменных вихрей при сильноточном разряде на металлической подложке в свободной атмосфере, которые затем самоорганизуются в сгусток, по форме близкой к шару с временем жизни в несколько секунд. Такие устойчивые образования из пылевой плазмы обладают целым рядом своеобразных, специфических свойств, исследование которых позволит в дальнейшем решить ряд как фундаментальных, так и прикладных проблем.
Цель работы состояла в разработке методики получения при сильноточном разряде самоорганизующихся плазменных образований, способных длительное время (секунды) существовать в свободной атмосфере без подвода электрической энергии и исследовании их свойств.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие экспериментальные задачи:
- определения статистических закономерностей оптического
излучения, влияющих, на процессы высвечивания электроразрядной
плазмы;
определения энергетических характеристик разряда необходимы^) для формирования автономных ДПО;
исследования влияния энергетических параметров на время жизни автономных ДПО;
- отработки методики получения автономных ДПО в свободной
атмосфере;
- исследования механизма аккумуляции электромагнитной энергии в
объёме автономного ДПО;
экспериментального доказательства факт^а накопления электромагнитной энергии;
проведения экспериментальных наблюдений рефракции оптического излучения;
проведения регистрации оптического излучения автономного ДПО;
определения формы излучающей поверхности в разных диапазонах длин волн;
- исследования внутренней структуры автономного ДПО.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
- определены пороговые параметры электрического импульса для
формирования ДПО при сильноточном разряде;
определены оптимальные характеристики электрического импульса, при которых возможна гарантированная генерация долгоживущего плазменного образования;
экспериментально исследованы функциональные зависимости таких электрических и временных параметров плазменного образования, как количество электричества, прошедшего через разрядный промежуток плазменной пушки; подводимая электрическая энергия; максимальный ток в цепи разряда; наличие паузы тока; длительность переднего фронта импульса тока; глубина паузы тока; крутизна переднего фронта импульса тока; максимальное напряжение в опыте; напряжение потухания (напряжение на момент окончания импульса тока); крутизна заднего фронта напряжения; длительность до напряжения потухания; длительность импульса тока; длительность послесвечения ДПО по фотометру №1; время, в течении которого фотометр №1 находился в состоянии насыщения; длительность послесвечения ДПО по фотометру №2; время, в течении
9 которого фотометр №2 находился в состоянии насыщения; длительность послесвечения по спектрографу; время, в течении которого спектрограф находился в состоянии насыщения; наличие увеличения ("всплеска") светимости; промежуток времени от окончания импульса тока до увеличения светимости; длительность увеличения светимости зарегистрированного фотометром №1; длительность увеличения светимости, зарегистрированного фотометром №2; относительная интенсивность излучения ДПО первого «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №1; относительная интенсивность излучения ДПО второго «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №1; относительная интенсивность излучения ДПО первого «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №2; относительная интенсивность излучения ДПО второго «всплеска» светимости, зарегистрированная фотометром №2;
- на основе экспериментальных данных разработана методика
получения при сильноточном разряде самоорганизующихся плазменных
образований в свободной атмосфере;
развит рефракционный механизм аккумуляции энергии в объёме плазменного образования;
экспериментально подтверждён факт накопления электромагнитной энергии в объёме плазменного образования.
впервые выявлена и исследована внутренняя структура автономного плазменного образования.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные экспериментальные результаты существенно расширяют фундаментальные представления о физических процессах в сильноточных разрядах существенные для концентрации электромагнитной энергии в объёме долгоживущего плазменного образования и её транспортировки в свободной атмосфере.
На защиту выносятся:
- методика получения автономных долгоживущих плазменных
образований в свободной атмосфере;
- экспериментальная реализация автономных долгоживущих
плазменных образований в свободной атмосфере;
- экспериментальный анализ закономерностей увеличения времени
жизни автономного плазменного образования, по сравнению с
неорганизованной плазмой газового разряда;
- экспериментальное исследование параметров автономного
плазменного образования;
экспериментальное доказательство факта накопления электромагнитной энергии в объёме плазменного образования;
- исследование внутренней структуры автономного долгоживущего
плазменного образования.
Содержание работы.
В первой главе проведён анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию импульсных разрядов. В первом параграфе проводится обзор работ по получению и исследованию ионизованного газа в различных средах (инертные газы, водород, вода, воздух и др.). Определены физические параметры этих разрядов: температура, концентрация электронов, степень неидеальности, а также электрические параметры: максимальная сила тока и вкладываемая электрическая энергия.
Из этих разрядов выделен класс импульсных разрядов, которые приводят к формированию долгоживущих светящихся образований. Время жизни таких образований превышает время рекомбинации электронов с ионами. Действительно, многие теоретические и экспериментальные работы доказывают возможность физической реализации плазменного образования, способного существовать в свободной атмосфере длительное время (до 1 - 1,5 с) без подвода энергии извне. На основе литературных источников и данных других исследователей представлены зависимости
удельной энергии и времени жизни от диаметра, радиусы и времена жизни искусственных сферических светящихся образований, полученные различными экспериментальными методами. На основании рассмотренных литературных данных определено направление исследований по получению самоорганизующихся плазменных образований и выявлено, что результаты опубликованных работ не позволяют выявить основные факторы, влияющие на процессы самоорганизации и время жизни.
Bo-втором параграфе рассмотрены механизмы, с помощью которых возможна аккумуляция энергии в ограниченном объёме. Определено, что наиболее перспективным механизмом накопления энергии является энергия электромагнитного поля. Однако, следует отметить, что процессы запаса энергии в объёме плазменного образования могут осуществляться несколькими способами, которые взаимно дополняют друг друга. Причём один из способов накопления, на данном этапе формирования, является основным.
В третьем параграфе рассмотрены описанные в литературе генераторы низкотемпературной плазмы, способные сформировать долгоживущее плазменное образование. Отмечено, что при генерации плазменного образования оно принимает вполне определённую квазисферическую форму. Источником питания в подавляющем числе экспериментов являлись конденсаторные батареи. Однако модельные эксперименты по получению тороидальных вихрей с помощью ящика Вуда показали, что длительность импульса электрической энергии должна составлять примерно 70 мс. Поэтому наиболее перспективными являются накопители энергии, способные генерировать электрические импульсы большой длительности (70 - 100 мс). К ним можно отнести взрывомагнитные генераторы и индуктивные накопители энергии.
Во второй главе рассматривается методика и аппаратура проведения исследований по получению сильноионизованного газа содержащего полидисперсный аэрозоль в виде автономного долгоживущего плазменного
12 образования. Первый парафаф посвящен рассмотрению работы комплекса устройств для получения и исследования плазменных образований. Он состоит из четырёх основных частей: устройств электропитания, коммутации, генерации и регистрации параметров получаемых образований. Приведена схема установки, схема электропитания комплекса, а также фотографии устройств электропитания и их технические характеристики.
Во втором параграфе рассмотрены устройства коммутации силовых и измерительных цепей комплекса. Рассмотрение этих устройств связано с тем, что накапливаемая электрическая энергия составляет порядка 500 кДж при токе питания 30 000 А. Это накладывает определённые требования к эксплуатации коммутирующих устройств. Следует отметить, что некоторые из них являются оригинальными. В содержании параграфа отражены технические данные этих устройств: токи коммутации, временные и скоростные параметры включения и отключения. Это связано с тем, что при больших электрических и тепловых нагрузках возможен их выход из строя. Они определяют в целом работу установки, её термическую стойкость и возможность получения электрических импульсов большой мощности с требуемой формой и длительностью.
В третьем параграфе рассматриваются принципы работы генераторов электрических импульсов, которые использовались ранее и используются в настоящее время. На основе большого количества экспериментов был сделан вывод, что наилучшим образом для генерации электрических импульсов подходит индуктивный накопитель энергии. Приводится принцип работы и его конструкция.
В четвёртом параграфе рассматриваются генераторы автономных долгоживущих плазменных образований (плазменные пушки), которые использовались ранее и используются в настоящее время. Рассматриваются физические принципы построения плазменных пушек, с помощью которых были достигнуты наилучшие результаты. При экспериментальной
13 отработке конструкции плазменной пушки было определено, что она должна, во-первых, быть выполнена из немагнитных материалов, а, во-вторых, расположение токоподводов к рабочему промежутку быть таким, чтобы обеспечить конфигурацию магнитного поля, способствующего формированию плазменного образования. Конструкции плазменных пушек представлены на схемах и фотографиях.
В пятом параграфе рассмотрена аппаратура, которая использовалась при проведении исследований, её технические характеристики, а также приведены данные по погрешностям измерений. В качестве примера приведена отсканированная копия характерной осциллограммы одного из опытов. На ней приведены реализации физических процессов происходящих при формировании автономного долгоживущего плазменного образования. Рассмотрены приборы и устройства, с помощью которых исследовались параметры плазменных образований, их описание и расположение во время проведения экспериментов.
В третьей главе рассматривается методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере.
Содержанием первого параграфа является определение физических величин, влияющих на процессы самоорганизации и длительность существования плазменного образования. В результате обработки массива экспериментальных данных с помощью корреляционного анализа был выявлен ряд параметров, которые существенно влияют на время жизни плазменного образования. Причём они могут быть взаимосвязаны между собой определённым образом. Результаты проведённого анализа показали, что с длительностью послесвечения наилучшим образом коррелируют следующие электрические параметры разряда: длительность импульса тока, длительность переднего фронта импульса, максимальное значение падения напряжения и некоторые другие.
Во втором параграфе рассматриваются электрические характеристики разряда, влияющие на время жизни ДПО. Определено, что
14 форма импульса тока качественно должна соответствовать импульсу тока линейной молнии. Приведены сравнительные (время послесвечения в одном опыте 1,95 с, а в другом - 0,29 с) зависимости силы тока, падения напряжения на разрядном промежутке, мгновенной электрической мощности и электропроводности от времени.
В третьем параграфе определено влияние энергетических характеристик разряда на время жизни ДПО. Приведены сравнительные кинетические вольтамперные характеристики разряда в опытах с различными временами жизни. Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость времени послесвечения от максимальной силы тока, подводимой электрической энергии и электрической мощности являются нелинейными. На этом основании можно сделать вывод, что физические процессы, проходящие при формировании автономного плазменного образования, носят пороговый характер. Анализ зависимостей скоростей изменения падения напряжения и силы тока от времени различен для опытов с разной длительностью послесвечения. Показано, что для получения плазменного образования с большим временем послесвечения необходимо согласование скоростей и силы тока и падения напряжения.
В четвёртом параграфе приведена методика получения автономных долгоживущих плазменных образований в атмосфере. Указаны условия при которых происходит гарантированное получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере с временем жизни до 2 с.
В четвёртой главе рассматривается возможность аккумуляции электромагнитной энергии в объёме ДПО.
В первом параграфе приводится оценка времени жизни ДПО в предположении, что длительное послесвечение есть результат теплового излучения частиц конденсированной фазы (КДФ). Показано, что действительно, аномальное время жизни можно объяснить тепловым излучением частиц КДФ, если предположить, что их диаметр больше 10
15 мкм. Однако в опытах по осаждению частиц КДФ на стекло обнаружено, что большая часть вещества представлена частицами с размером 0,1 мкм, т.е. налицо расхождение модели остывающего ансамбля частиц КДФ с экспериментом. Поэтому необходим поиск иных механизмов, объясняющих аномальное послесвечение ДПО.
Во втором параграфе рассматривается рефракционный механизм аккумуляции электромагнитной энергии в объёме ДПО. На основании того, что плазменное образование можно представить в виде элемента осесимметричной затопленной струи, распределение температур которой по радиусу является колоколообразным. Вследствие термической ионизации при таком распределении температуры в ДПО относительно тора возникает радиальный градиент концентрации свободных электронов, направленный к его центру. Электромагнитные волны в результате рефракции отклоняются в сторону центра тора и перенос энергии происходит по замкнутым траекториям (световым кольцам). Совокупность световых колец будет образовывать замкнутую область, в том числе и шарообразной формы, аккумулирующую энергию электромагнитного поля. Приведены расчётные зависимости распределения концентрации свободных электронов по радиусу для однократно и двукратно ионизованных атомов азота, кислорода, алюминия, калия и т.д. Данная многокомпонентная система представляет полидисперсный аэрозоль, способный аккумулировать электромагнитную энергию.
В третьем параграфе определён диапазон длин волн, которые могут испытывать рефракцию в объёме ДПО. Приведены результаты лазерного зондирования плазменного образования. Опыты по зондированию показали, что отклонение луча в объёме ДПО может происходить в разных направлениях. Поэтому плазменное образование можно разделить на слои в зависимости от знака градиента.
В четвёртом параграфе приводятся экспериментальные результаты, подтверждающие факт накопления электромагнитной энергии. Приведены
расчёты и эксперименты по наблюдению поляризации излучения ДПО. Приводится видеокадры регистрации видеокамерой параллельного отрезка луча диаметром 8,5 мм. Этот экспериментальный факт можно рассматривать в качестве доказательства высвечивания накопленной энергии при распаде.
В пятом параграфе предлагаются результаты наблюдения рефракции на границе: ДПО - атмосфера. Опыты показывают, что в результате рефракции наблюдается искажение линий сетки. Величина отклонения составляет около 5 см и позволяет оценить градиент концентрации электронов.
В пятой главе приведён анализ излучения ДПО в разных диапазонах длин волн. В первом параграфе рассмотрена регистрация оптического излучения на разных этапах формирования и развития, а также физические процессы происходящие в эти моменты времени: во время подвода электрической энергии к диафрагме; при выходе из области плазменной пушки и сформировавшийся объект. Приведены как фотографии, так и кадры видеосъёмки.
Во втором параграфе проведён компьютерный анализ сформировавшегося ДПО в одном из опытов, в результате которого получена его внутренняя структура. На ней можно выделить три основные области-структуры: выраженная центральная - «ядро», внешняя -«оболочка». Замыкает обе области более развитая длинноволновая жёлтая область, характерным свойством которой является наличие резких внешних границ, организующих сферическую область ДПО. Выделенные области-структуры, исходя из постоянства цвета, имеют одинаковую температуру.
В третьем параграфе на основе фотоизображения ДПО решается задача определения формы поверхностей ДПО в разных диапазонах длин волн видимого излучения. Представлены результаты компьютерного анализа изображения излучающей поверхности в красной, зелёной и синей
17 области спектра. На изображениях видно, что форма излучающей поверхности изменяется в зависимости от диапазона длин волн.
В четвёртом и пятом параграфах рассматриваются некоторые результаты теплового удара и генерации электромагнитного излучения автономным ДПО. Например, при воздействии на поверхность тугоплавких материалов (ситалл и т.п.) в результате теплового удара происходит разрушение и оплавление поверхности материала. Степень оплавления является функцией радиуса подложки. Приведены параметры, и результат воздействия теплового удара на поверхность стекла, отражённый на фотографии.
В шестом параграфе приводятся результаты сравнения параметров
долгоживущих плазменных образований с параметрами
среднестатистической шаровой молнии. Показано, что параметры полученных плазменных образований укладываются в диапазон разброса параметров естественных шаровых молний. Приведены результаты сравнения. Сделан вывод о том, что полученные автономные ДПО можно рассматривать как лабораторный аналог шаровой молнии.
Часть результатов получена при выполнении технических заданий по федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» («Интеграция») следующим научно-исследовательским работам учебно-научного центра ВлГУ «Физика нестационарных процессов», проведённых совместно с Институтом общей физики им. A.M. Прохорова в 1997-2004 годах: проект №144 в части 2.1. «Учебно-научный центр на основе интеграции ВлГУ и ИОФ РАН с целью углубления фундаментального образования и уровня полигонных исследований глобальных явлений в атмосфере с участием студентов и аспирантов» и в части 5.1. «Развитие фундаментальных исследований глобальных явлений в атмосфере на основе интеграции научно-исследовательского полигона кафедры общей и прикладной физики Владимирского государственного университета и
18
теоретического отдела Института общей физики РАН»; проект №Б0001 по
направлению 1.1. «Осуществление совместных фундаментальных,
поисковых и прикладных исследований на основе комплексного
использования материально-технических и кадровых возможностей
научных организаций и вузов Российской Федерации» в части
«Совместных фундаментальных исследований по экспериментальному
выявлению условий самоорганизации в тороидальных плазменных вихрях
в свободной атмосфере» и по направлению 1.1. «Совместные
фундаментальные исследования связей нестационарных
высокоэнергетических глобальных природных процессов и локальных явлений со сверхвысокими плотностями энергии с электромагнитным полем на основе комплексного использования уникального полигона ВлГУ, кадровых возможностей теоретического отдела ИОФ РАН и преподавательского состава ВлГУ».
На различных этапах исследования, в постановке некоторых конкретных задач, проведении экспериментов и обсуждении результатов принимали участие Кунин В.Н., Кондаков В.П., Галкин А.Ф., Дорожков В.В., Кузнецов А.А., Плешивцев B.C. При обработке результатов экспериментов, проведении расчётов и обсуждении результатов принимали участие Мельникова Т.В.(параграф 3.1. и 4.2.), Галкин А.Ф. (параграф 4.1.и 4.3), Кондаков В.П. (параграф 4.4.). На решение некоторых вопросов и объяснения физических процессов оказали влияние сотрудники теоретического отдела Института общей физики РАН им. A.M. Прохорова Рухадзе А.А. и Игнатов A.M.
Особую благодарность автор выражает профессору Кунину В.Н., активное участие которого при выборе общего направления исследований, монтаже установки, подготовки и проведении экспериментов сделало возможным выполнение настоящей работы.
О механизмах аккумуляции энергии.
Одна из важнейших проблем исследования долгоживущих образований является проблема физического механизма запаса и хранения энергии в объёме образования. Особенно это относится к экспериментам, в которых отсутствует подпитка энергией извне, например, электромагнитным полем ВЧ-разряда. Для поиска механизмов, которые бы удовлетворительно объясняли аномальную длительность долгоживущих образований направлены усилия многих учёных. В работе [86] была дана градация механизмов, с помощью которых возможна аккумуляция энергии в объёме долгоживущего образования. Это: 1. Запас химической энергии. 2. Энергия от рекомбинации заряженных частиц (плазменная модель). 3. Энергия, запасённая при возбуждённых состояниях атомов и молекул. 4. Энергия, запасённая в постоянном электрическом поле. 5. Энергия, запасённая в постоянном магнитном поле. 6. Энергия, собранная электромагнитным полем. 7. Внутренняя тепловая энергия. 8. Ядерная энергия. 9. Комбинации энергозапасающих механизмов. К классическим работам следует отнести модель, в которой запас энергии происходит гидратированными ионами, предложенную Стахановым И.П. [103-106], которая в последствии стала называться кластерной. В работах Смирнова Б.М. [107- 109] получила развитие модель, которая основана на химической энергии, запасаемой во фрактальных кластерах. Следует отметить, что в 1969 году в работе [110] обсуждалась возможность существования долгоживущих образований в виде неидеальной плазмы в метастабильном состоянии. Как видно из таблицы 2 форма образований, способных аккумулировать энергию, в зависимости от условий эксперимента, были или шар, или тор. В ряде случаев одна форма трансформировалась в другую. Следует отметить, что шар обладает минимальной излучающей поверхностью с точки зрения других поверхностей. Известно, что тороидальные вихри являются единственной конфигурацией, обеспечивающей устойчивость низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении [111]. Тороидальные вихри обладают целым рядом специфических свойств. В частности, это вихревое движение, замкнутое само на себя и, поэтому, обладающее высокой степенью обособленности от окружающей среды, что позволяет добиться высокой адиабатичности плазменного образования после прекращения подвода электрической энергии.
В связи с этим, многие исследователи связывают аккумуляцию энергии с формированием образований в виде шара или тора, или с трансформацией шара в тор [112-114]. Например, в работе [115] рассматриваются вопросы образования и развития вихрей в различных средах. Рассмотрим некоторые теоретические работы за последние 10 лет, в которых предлагается, например, хранение энергии в виде самолокализованного вихря [28] за счёт частичного разделения зарядов: во внешней области вихря - избыток электронов, а во внутренней -положительных зарядов. Наличие некомпенсированных зарядов увеличивает энергосодержание вихря и не приводит к дополнительной диссипации энергии высокочастотного поля в плазме. При этом возможно существенное увеличение времени жизни вихря. В соответствии с предлагаемой теорией расчётное время жизни составляет 10 с. При рассмотрении физики поведения вихрей в атмосфере в работе Браже Р.А. [116] вихрь рассматривается в виде уединённой волны - солитона [117]. Идея состоит в том, что солитон отрывается от заторможенного ступенчатого лидера в виде тороидального или сфероидального электронного сгустка. При размерах солитона 10 1 м и заряде 10 4 - 10"3 Кл концентрация, вытолкнутых кулоновскими силами на поверхность сгустка, составляет 1016 - 1017 м"2, а среднее расстояние между ними 10"8 м. Электроны образуют квазижидкую моноэлектронную плёнку, поверхностное натяжение которой формирует из солитона ШМ. Давление в ШМ обусловлено поверхностным натяжением образующей её электронной плёнки и составляет величину др 106 - 107 Па. Это давление нарастает адиабатически в момент формирования ШМ при атмосферный условиях, близких к нормальным. Пусть Т0 300 К, Р„ 10s Па. Тогда из уравнения адиабатического процесса следует, что температура внутри ШМ Т=Тл. (Рл/ДР) , где у = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха. Подставляя численные значения, получаем Т= 578 - 1115 К или соответственно 305-842 С. Свободная энергия электронов на поверхности составляет от 10 кДж до 1 МДж. Интересна гипотеза аккумуляции энергии электромагнитным полем. В работе Игнатовича В.К. [31] рассматривается возможность образования потенциальной ямы для фотонов. В этом случае образование представляется в виде застывшей ударной волны точечного взрыва, оставленной лазерным разрядом вдоль её фронта. При высокой плотности фотонов пондермоторные силы поверхностного натяжения преодолевают давление газа. Время жизни фотонной оболочки возникшего шара определяется вероятностью туннельного перехода фотонов через потенциальный барьер, образованный совместным действием электрострикции и орбитальных сил.
Энергия молнии состоит из тепловой энергии захваченного газа, энергии фотонов, заключённых в сферическом слое, и электрической энергии сферического конденсатора, заряд которого возникает в момент взрыва. Разряду конденсатора препятствует фотонный слой. Если принять энергию шара 10 кДж, и она вся сосредоточена в фотонах, то при энергии одного фотона около 1 эВ молния должна содержать 10 фотонов. Плотность фотонов в указанном слое составляет Nr 1027 м"3. При такой плотности поверхностное натяжение равно a = {x\2-\)hcoNrd 10 Дж/м и позволяет преодолеть избыточное давление всего лишь около 20 % от атмосферного. Таким образом, температура газа внутри шара всего лишь на 60 градусов превышает внешнюю. Если частота фотонов близка к резонансной, то п2 - 1 может стать на порядок выше, и, соответственно, при той же плотности фотонов поверхностное натяжение и температура заключённого газа тоже оказываются на порядок выше. Примерно на два порядка возрастает и время жизни молнии. С целью объяснения длительного существования плазменных образований в работах [118 - 119] делается оценка их времени жизни. При вложении достаточно большой энергии в плазму, по прошествии нескольких миллисекунд после окончания действия источника энергии могут образовываться достаточно устойчивые образования. Эти образования представляют собой слабоионизованную плазму со степенью ионизации а 10 5 и температурой Т 0,5 - 1 эВ, которые могут несколько различаться в зависимости от используемой среды. Время жизни таких образований определяется процессами теплопроводности. Для радиуса образований R = 20 см оно составляет величину порядка 1 с. Исходя из описанных в литературе экспериментов и гипотез, можно сделать следующие выводы: 1. Форма светящихся образований шар или тор. 2. Аккумуляция энергии, например, в виде полидисперсного аэрозоля, может происходить при комбинации нескольких механизмов. 3. Существует некоторое критическое значение энергии (более 10 кДж), при котором полученное образование может существовать длительное время.
Генераторы электрических импульсов.
Для формирования электрического импульса необходимой энергии и длительности было разработано несколько накопителей электрической энергии. Это копровый (инерционный) накопитель энергии [149]. В нём происходит преобразование потенциальной механической энергии в энергию электрических импульсов. Он представляет собой систему, состоящую из электромагнита постоянного тока с броневым магнитопроводом (сталь 20; диаметр 930 мм; масса 1 200 кг), в рабочем зазоре которого создаётся магнитное поле, и приёмной катушки. При движении электромагнита относительно катушки и пересечении её витками магнитных силовых линий поля возникает электродвижущая сила индукции. Выходы с приёмной катушки подключаются непосредственно к электродам плазменной пушки. Опыты показали, что с ростом высоты подъёма катушки электромагнита происходит линейное увеличение генерируемых импульсов. При намагничивающем токе рабочей катушки 500 А и и высоте подъёма до 9 м амплитуда импульса тока на нагрузке достигает 7 кА при напряжении 120 В. Однако невысокая выделяемая энергия на нагрузке (до 10 кДж) показала бесперспективность его дальнейшего использования для получения долгоживущих плазменных образований. Поэтому был разработан и в основном построен взрывомагнитный генератор [150]. Принцип действия следующий. Рабочая катушка массой 400 кг выстреливается пороховым зарядом из магнитного поля намагничивающей катушки. Масса генератора около 5 000 кг. Расчётная энергия генерируемых электрических импульсов до 100 кДж. Возможно регулирование мощности генератора в широких пределах изменением массы порохового заряда и величины потокосцепления рабочей и намагничивающей катушки. В настоящее время производится доводка генератора до рабочего состояния. В результате многолетних экспериментальных и теоретических исследований по подбору и постройке различных накопителей энергии был создан индукционный накопитель электрической энергии. В его основе лежит принцип запаса энергии в магнитном поле катушки. Общий вид накопителя показан на рис.2.3.1. На структурной схеме электрических соединений комплекса (рис.2.1.2.) он представлен как накопительная индуктивность L0. Принцип его построения следующий [148, 152]. а представляет собой индуктивность на основе U - образного разомкнутого сердечника сечением 0,8 х 0,75 м собранного из трансформаторной стали ЭЗЮ толщиной 0,35 мм и весом 22 000 кг. На сердечник намотано 15 витков из параллельных медных проводов с сечением 3 х 95 мм2, имеющих суммарное сечение около 4 103 мм2.
На фотографии рис. 2.3.1. показаны: сердечник 1, обмотка проводов 2, включённых параллельно, и вводы в лабораторию 4. С целью увеличения коэффициента заполнения и исключения электрического пробоя изоляции, укладку провода вели сначала от центра к периферии, а затем от периферии к центру [153]. Витки провода накопительной индуктивности располагаются на помосте 3. С помощью трёхметровой габаритной геодезической линейки 5 можно определить размеры индуктивного накопителя. Они составляют: длина - 4,5 м, ширина - 3,0 м, высота - 2,2 м. Общий вес накопителя около 40 000 кг, а запасаемая энергия при токе питания 30 000 А около 500 кДж. Длительность импульса тока, в зависимости от условий эксперимента, может варьироваться от 70 до 120 мс [154, 155]. Накопление энергии и её передача в нагрузку осуществляется следующим образом. В соответствии с рис.2.1.2. установка работает следующим образом. При замыкании выключателя 2, типа МТТ-10-45-4000-УЗ, накопительная индуктивность L0 подключается к блоку выпрямителей 1. После накопления в индуктивности магнитной энергии, срабатывает выключатель 3, типа ВМГ-10, который соединяет накопитель с нагрузкой 4 (плазменной пушкой). Через 0,07 с. размыкается выключатель 2, и экстраток размыкания используется как рабочий ток для взрыва диафрагмы, установленной в плазменной пушке. Промежуток времени в 0,07 с выбран так, что, с одной стороны, диафрагма еще не успевает сгореть при напряжении питания 4 В, а с другой - в выключателе 3 образуется достаточно надежный контакт. Управление выключателями, выпрямителями и измерительно-регистрирующей аппаратурой 6 осуществляется программным механизмом 5. Шунт 7 предназначен для измерения силы тока в цепи разряда. получению автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере «узким местом» являлась плазменная пушка. В зависимости от типа используемого накопителя энергии (см. параграф 2.3.), условий проведения опыта, поставленной задачи опыта использовался та или иная конструкция плазменной пушки. В результате многолетних экспериментальных и теоретических исследований по подбору и постройке различных генераторов сильноионизованного газа в виде автономного долгоживущего плазменного образования было отработано несколько конструкций плазменной пушки. В основе их работы лежат принципы магнитогидродинамики. Как показали эксперименты, расположение центрального токоподвода (снизу диафрагмы или сверху) существенно (в десятки раз) влияет на скорость движения полученных плазменных образований. Длительное время использовалась плазменная пушка, конструктивной особенностью которой являлся откидывающийся во время подвода энергии к нагрузке центральный электрод [156, 157].
На рис.2.4.1. показана плазменная пушка с устройством вывода центрального токоподвода из области разрядного промежутка. Принцип действия устройства следующий. Центральный токоподвод (1) зажимается в держателе (2), который крепится на рычаге (3). При протекании импульса тока по токоподводам (4) и (5) срабатывает спусковой электромагнитный механизм (6), который под действием пружин (7) ( 50 мс) быстро выводит центральный токоподвод (1) из области разрядного промежутка. С целью увеличения времени выхода центрального токоподвода в опытах использовался пороховой ускоритель. В этом случае на момент окончания импульса тока центральный электрод в течении 5 мс выстреливается из области разрядного промежутка. Данное устройство обладает следующими недостатками. Во-первых, магнитное поле, создаваемое держателем при протекании по нему импульса тока влияет на форму ДПО. Во-вторых, не всегда удаётся согласовать эффективную передачу энергии к рабочей среде (центральный токоподвод выходит из области разрядного промежутка раньше, чем энергия электрического импульса перейдёт к рабочей среде). В _ - третьих, плазменное образование догоняло /\ /\ откидывающийся рычаг и разрушалось при / N. / \ взаимодействии с ним. W 7 / В связи с вышеизложенным были ]\/ \/ проведены модельные эксперименты для 1 " " 2 определения влияния центрального токоподвода на формирование ДПО и при каких размерах Рис. 2.4.2. Схематическое расположение проволочек, игрального электрода происходит его 1 - проволочки; 2 - вы- разрушение. Для этой цели использовался ходное отверстие ящика _ _ в ящик Вуда. Схема экспериментов следующая. На пути вихря из сажевых частиц, образованного с помощью ящика Вуда, располагались проволочки диаметра 2 мм в количестве 2, 4 и 8 штук и определялось качество вихря после прохождения через проволочки по пятибалльной шкале. Диаметр выходного отверстия ящика Вуда 100 мм и 150 мм. На рис.2.4.2. схематически показано расположение 8 проволочек, устанавливаемых на пути движения вихря. Как показали модельные эксперименты, проволочки практически не влияли на распространение вихря. Он проходил через них, не разрушаясь. На основании модельных экспериментов была разработана плазменная пушка, в которой центральный токоподвод выполнен из нескольких (2 - 8) проводящих проволочек, которые располагаются на пути следования плазменного образования. Эксперименты также показали, что в случае выполнения токоведущих элементов плазменной пушки из магнитных материалов при протекании по ним импульса тока наблюдается разрушение плазменного образования. Поэтому в последних все элементы конструкции плазменных пушек выполнялись полностью из немагнитных материалов.
Энергетические характеристики разряда при формировании долгоживущих плазменных образований.
Модельные эксперименты по отработке методики получения автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере на кафедре общей и прикладной физики Владимирского государственного университета начались в 1972 году. Это получение с помощью ящика Вуда тороидальных вихрей из смеси воздуха с пропаном и последующего их поджига искровым разрядом. Однако эти опыты не дали положительного результата, так как при поджиге вихрь мгновенно разрушался со взрывом. Затем была проведена серия модельных экспериментов, в которых рабочей средой выступали тороидальные вихри из сажистых частиц. Целью этих экспериментов было определение длительности импульса, диаметра диафрагмы и т.п. Эти результаты были опубликованы в 1978 году в межвузовском сборнике научных трудов [148]. Дальнейшие исследования научной группы под руководством проф. Кунина В.Н. были направлены на создание импульсных накопителей энергии различных типов. Эта задача была поставлена в связи с тем, что плазменное образование должно создаваться при параметрах разряда, сравнимых хотя-бы со слабым молниевым разрядом [169, 170]. Причём импульс тока должен иметь треугольную форму, подобную форме импульса тока природной линейной молнии. Аппроксимация импульса может быть описана двумя экспонентами: / ftj =/0 [ехр(-а/)-ехр (-#)] В результате работы был построен индуктивный накопитель энергии, генерируемые импульсы которого наиболее полно отражали форму импульса природной линейной молнии. За период с 1986 года по настоящее время было проведено 253 опыта с использованием индуктивного накопителя. Последовательный список опытов приведён в таблице 3.2.1. Целью экспериментов было как дальнейшая отработка методики получения плазменных образований в атмосфере, так и исследование их свойств. Для анализа параметров электрического разряда при формировании автономного долгоживущего образования из 253 опытов проведённых в таблице мы выберем только два опыта.
Так как время жизни ДПО является определяющим, то первый опыт с большим временем послесвечения, а другой - с относительно малым (в 6, 7 раза). В первом опыте время послесвечения составило tn = 1,95 с при максимальной силе тока / = (12,0 ± 1,2) кА и подводимой электрической энергии W = (52,7 ± 7,4) кДж. Во втором опыте - время послесвечения tn = 0,29 с при максимальной силе тока /= (11,4 ± 1,1) кА и подводимой электрической энергии W = (40,8 ± 5,7) кДж [165]. Для них были построены сравнительные экспериментальные зависимости от времени (обозначено: м - время послесвечения 1.95 с; А - время послесвечения 0.29 с): силы тока - рис. 3.2.3.; падения напряжения -рис. 3.2.4.; мгновенной электрической мощности - рис. 3.2.5.; электропроводность на разрядном промежутке - рис.3.2.6. и интеграл действия тока - рис.3.2.7. Омическая электропроводность на разрядном промежутке определялась опосредованно по известным значения силы тока и падения напряжения, а интеграл действия тока рассчитывался по формуле: Здесь необходимо сделать следующие пояснения. Так как в большинстве экспериментов других исследователей используются установки, в которых длительность электрического импульса составляет микросекунды. Это приводит к тому, что за такой короткий промежуток времени подвода электрической энергии к разрядному промежутку долгоживущее плазменное образование (ДПО) не успевает самоорганизоваться в устойчивую структуру и распадается, не сформировавшись окончательно [166]. Так как получение таких образований в свободной атмосфере сопряжено с необходимостью формирования устойчивой структуры, способной существовать в свободной атмосфере относительно длительное время (секунды), то необходимо индуцировать мощный электрический импульс определённой формы с длительностью несколько десятков миллисекунд. Поэтому наиболее приемлемым с этой точки зрения оказался индуктивный накопитель электрической энергии. В результате работы индукционного накопителя генерируется электрический моноимпульс треугольной формы длительностью 100 мс (рис.3.1.3) и значительным запасом электрической энергии. Индуктивность накопителя, равная 6.5 10"4 Гн, выбрана с учётом сопротивления нагрузки (ДПО) такой, чтобы получить оптимальную постоянную времени разряда для газодинамического формирования ДПО. Обработка экспериментальных данных показала, что существуют некоторые пороговые значения параметров и условия эксперимента, начиная с которых происходит самоорганизация ДПО, и оно существует в свободной атмосфере значительное время [164]. Время послесвечения ДПО является многокритериальным фактором (см. параграф З.1.). Например, для опыта с малой длительностью послесвечения присутствует пауза тока. Глубина паузы тока, рассчитанная по формуле K=J—И 00%, равна 61%. Следует отметит, что скорость нарастания переднего фронта импульса тока определяется коммутатором и составляет в среднем 500 А/мс. В опыте с большой длительностью послесвечения - имеет место «скачок» электропроводности на третьей миллисекунде после начала разряда, а в опыте с малой длительностью он отсутствует.
Можно предположить, что это влияет на длительность послесвечения ДПО. На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Индукционный накопитель энергии генерирует электрические моноимпульсы треугольной формы подобные имульсу молниевого разряда. 2. Наличие паузы тока и «скачка» электропроводности на разрядном промежутке влияют на время послесвечения долгоживущих плазменных образований. 3. Время послесвечения ДПО определяется сложной комбинацией параметров. Эксперименты показывают, что существуют некоторые пороговые значения параметров или условий эксперимента, начиная с которых происходит самоорганизация ДПО и оно живет в свободной атмосфере значительное время. На рисунке 3.3.1. приведены характерные качественные зависимости силы тока /, падения напряжения U и потока излучения Р от времени г для ДПО. Следует отметить, что приблизительно в 10 % опытов на осциллограммах наблюдается регистрируемое фотометром увеличение потока излучения «бугорок светимости» (б). Для анализа влияние энергетических характеристик на время жизни ДПО рассмотрим условия проведения двух опытов. Они следующие. 1. Опыт 2.09.88.05. Время послесвечения 0,29 с. Электрическая энергия 40,8 кДж. Максимальный ток по вольтметрам при разряде 11,4 кА. 7 фольг на стекле. Центральный сварочный электрод диаметром 8 мм. Диаметр кольцевого токоподвода 60 мм. Длина центрального электрода со вставкой 240 мм. 2. Опыт 11.03.89.02. Время послесвечения 1,95 с. Электрическая энергия 52,7 кДж. Максимальный ток по вольтметрам при разряде 12 кА. 7 фольг на стекле. Центральный сварочный электрод диаметром 8 мм. Диаметр кольцевого токоподвода 60 мм. Длина центрального электрода со вставкой 260 мм. Установлен новый токоподвод к оправке диаметром 0,5 м с 8 проводами сечением 2 10"4 м2 каждый. На рис.3.3.2. и рис.3.3.3. представлены кинетические вольтамперные характеристики разряда (ВАХ), т.е. зависимость напряжения от силы тока в различные моменты времени. Из рисунков видно, что имеются различия в этих опытах. Рассмотрим ход обратной ветви ВАХ. В опыте с малым временем послесвечения обратная ветвь практически совпадает с прямой ветвью, а в опыте с большим временем послесвечения имеет существенный отрыв в 6 - 7 раз. Следует предположить, что должны быть и другие энергетические критерии, которые влияют на время послесвечения ДПО.
Определение диапазона длин волн, для которых возможна рефракция световых лучей в объёме долгоживущего плазменного образования.
Известно, что вклад электронов в рефракцию световых лучей в объёме плазменного образования можно найти из соотношения [189]: Некоторые результаты расчётов градиентов электронной концентрации представлены на рис.4.3.1. и рис.4.3.3. В таблице 4.3.8. приведены результаты расчёта радиуса кривизны луча г для калиевой плазмы при различных длинах волн "к. Расчёты проводились для радиуса, соответствующего максимальному градиенту показателя преломления. В этом случае траектория луча проходила в продольном (в плоскости тора) направлении [242]. Приведённые расчёты качественно подтверждают возможность полного внутреннего отражения лучистой энергии и, как следствие, всплеск светимости на последних стадиях существования ДПО. Если результаты расчётов, приведённых в таблицах 1-7 представить в виде зависимости радиуса кривизны траектории луча от длины волны (рис.4.3.2.), то можно сказать, что начиная с X 15 мкм возможно выполнение условия полного внутреннего отражения (если принять большой радиус вихря около 15 см). Следует отметить, что расчёты не вполне адекватны результатам экспериментов, так как излучение регистрировалось с помощью вакуумного фотоэлемента Ф-9 с сурмяно-калиево-натриево-цезиевым фотокатодом, имеющего красную границу в области 800 нм. Расхождение расчёта с опытом может быть связано с неудачным выбором профиля температур. Действительно, в [186] рассматривается низкотемпературная струя, когда теплообмен осуществляется лишь в результате столкновительных процессов. В условиях опыта дополнительный (и, видимо, основной) процесс теплообмена - лучистый. Такой теплообмен должен привести к более крутому профилю колокола температур на периферии и, следовательно, к увеличению градиента температуры. Трудности в экспериментальном определении профиля температур в настоящее время кажутся непреодолимыми, тем более что имеются определённые основания считать сомнительной адекватность максвелловского распределения. Если учесть, что ДПО является многокомпонентной системой, то за счёт увеличения концентрации свободных электронов длина закольцованного излучения сместится в экспериментах к видимой части спектра. Поэтому, мы и наблюдаем в экспериментах послесвечение длительностью до 2 с в видимой части спектра. Поскольку плазменный тор геометрически далёк от совершенства, условие полного внутреннего отражения не может выполняться строго. Кроме того, плазменный тор содержит частицы КДФ в виде окисного твердофазного и жидкофазного тумана, существенно влияющие на условия распространения излучения.
Однако наличие частиц КДФ не затрудняет, а, наоборот, в соответствии с теорией Ми, способствует распространению излучения, т.к. количество световой энергии, рассеянной по направлению падающей волны становится больше, чем в обратном направлении, т.е. индикатриса рассеяния направлена вперёд (рис.4.3.4) [193]. Этот момент может иметь важное значение при транспортировке излучения в объёме ДПО. Характерная индикатрисса рассеяния на частице КДФ. температур профилю скоростей в вихре действительно может возникнуть рефракция красных и близких инфракрасных лучей для полученных в экспериментах размеров ДПО (30 - 35 см). Таким образом, внутри ДПО закольцованы лучи с длиной волны Я, большей некоторого предельного значения Я Япред. Величина Япрел есть функция градиента электронной плотности и радиуса тора. Чем больше радиус, тем меньше Я прел- Поэтому, чем меньше радиус, тем краснее должно быть ДПО, и, наоборот, большие молнии имеют цвет, сдвинутый в сторону зелёных и синих лучей. На последних стадиях существования плазменного образования может быть инфракрасной, т.е. невидимой для глаза (тёмной), что подтверждается результатами видеозаписей экспериментов. После вишнёво-красного шар становится тёмным. Для различных температур в центре вихря в интервале 20 000 - 700 000 К результаты расчёта оказались малочувствительными к выбору максимальной температуры в центре вихря [185]. Следует отметить, что слоистая структура была также экспериментально подтверждена экспериментами по лазерному зондированию натурного объекта [194]. Рассмотрим сначала теоретический аспект этой задачи. Известно, что при прохождении через оптически не однородную среду луч света отклоняется. При этом угол отклонения светового луча в среде с градиентом показателя преломления определяется формулой [190, 195, 198] 1Лдп, где п - показатель преломления; / - длина пути луча в плазме; первоначальное направление луча совпадает с осью Z; ось X направлена по градиенту концентрации электронов; угол ср лежит в плоскости XZ. Эту задачу можно решить двумя способами: регистрацией лазерного излучения с помощью спектрографа и регистрацией с помощью кинокамеры. Рассмотрим первый способ. На рис. 4.3.5. приведена схема установки по регистрации излучения ДПО на длине He-Ne лазера (632,8 нм). На входную щель 3 призменного спектрографа ИСП-28, удалённого на расстоянии примерно двух метров попадает луч He-Ne лазера 1, прошедший через ДПО 2. Далее излучение попадает на систему зеркал и призму спектрографа 4, а затем на входную щель фотоэлектронного умножителя 5. Затем, сигнал с ФЭУ-93, настроенного на длину волны 632,8 нм подаётся на вход усилителя 6 и регистрируется на светолучевом осциллографе 7. Для ФЭУ-93 область спектральной чувствительности лежит в 330-650 нм, а длины волн, соответствующие максимуму спектральной чувствительности находится в интервале 380-490 нм. Суть выделения сигнала состоит в следующем. 1. Призма спектрографа разлагает излучение ДПО в спектр, и на участок, соответствующий длине волны Не - Ne лазера должна приходиться весьма небольшая доля энергии излучения ДПО. 2. Входная щель спектрографа (ширина щели 0,46 мм) и ФЭУ (1 мм) достаточно узкие, и поэтому выделяют малую часть излучения ДПО. 3. При удалении от ДПО интенсивность его излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния, в то время как уменьшение интенсивности излучения лазера обусловлено расходимостью луча и является на данных расстояниях незначительным.
Как показали пробные эксперименты интенсивность излучения ДПО на длине волны 632,8 нм сравнима с интенсивностью излучения Не - Ne лазера, т.е. имеет место сложение двух сигналов: излучение лазера и излучение плазменного образования. Чёткое разделение сигналов требует проведения дополнительных экспериментов. В связи с этим установка была использована для регистрации интенсивности излучения ДПО (ширина входной щели спектрографа 2 мм) на длине волны 632,8 нм. На рис.4.3.7. приведены кадры с распределением интенсивности света по сечению лазерного луча до и во время прохождения ДПО через зондирующий луч. Фотографии по сравнению с негативом увеличены в 8 раз. Видно, что при зондировании ДПО лазерный луч смещается от реперной линии, во-вторых, деформируется, в-третьих, ослабляется. Указанные эффекты варьируются в пределах указанной площади зондирующего луча до миллиметров, что свидетельствует о сильной неоднородности ДПО. По такой же схеме были проведены эксперименты, в которых зондирование плазмы осуществлялось полосой лазерного излучения, развёрнутого цилиндрической линзой. Высота полосы в области ДПО порядка 10 мм. Смещение полосы на краю фотоснимка (ДХ 5 мм) 0,5 мм. Согласно расчёту, с корректировкой на расстояние от ДПО до плёнки 1,6 м, (по сравнению с 3 м в расчёте) для АПе = 1017 см 3 на ДХ 5 мм отклонение AY 0,6 мм, что по порядку согласуется с экспериментом. Таким образом, по отклонению лазерного луча, зондирующего ПТВ, можно определить градиент концентрации электронов. Его значение в месте зондирования равно «10 см . Несмотря на весьма приближённый характер оценок, получено согласие по порядку величины измеренного отклонения лазерного луча с рассчитанным. Кроме того, из рис.4.3.7. видно, что можно оценить не только градиент концентрации, но и структуру плазменного образования при прохождении через луч его различных частей. Эксперименты показали, что отклонение луча в объёме ДПО может происходить в разных направлениях. Отсюда, условно, плазменное образование можно разделить на слои в зависимости от знака градиента. Эти слои могут быть достаточно тонкими. Можно сделать вывод о слоистой структуре плазменного образования [199].
