Динамика электрического разряда, инициированного мощным фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе атмосферного давления в допробойных полях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Проведено численное моделирование динамики разряда, инициированного мощным фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе, атмосферного давления в допробойных полях. Расчеты проводились в рамках 1D-осесимметричной модели, описывающей эволюцию радиальных профилей основных параметров исследуемого разряда. Модель включает в себя систему реакций, определяющих нагрев газа, и подробное описание кинетических процессов в данном разряде, а также систему газодинамических уравнений для описания расширения нагретого канала. Результаты расчетов времени пробоя разрядного промежутка согласуются с данными измерений во всем исследованном диапазоне напряженностей электрического поля, E = 9–17 кВ/см. Показано, что одним из ключевых факторов, определяющих эволюцию параметров данного разряда, является темп нагрева газа.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. А. Попов

Московский государственный университет им М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына

Автор, ответственный за переписку.
Email: NPopov@mics.msu.su
Россия, Москва

Н. А. Богатов

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова

Email: NPopov@mics.msu.su
Россия, Нижний Новгород

А. Н. Бочаров

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: NPopov@mics.msu.su
Россия, Москва

Е. А. Мареев

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова

Email: NPopov@mics.msu.su
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Zhao X.M., Diels J.-C., Wang C.Y., Elizondo J.M. // IEEE J. Quantum Electron. 1995. V. 31. P. 599.
  2. Braun A., Korn G., Liu X., Du D., Squier J., Mourou G. // Opt. Lett. 1995. V. 20(1). P. 73.
  3. Koopman D.W., Wilkerson T.D. // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. P. 1883.
  4. Greig J.R., Koopman D.W., Fernsler R.F., Pechacek R.E., Vitkovitsky I.M., Ali A.W. // Phys. Rev. Lett. 1978. V. 41. P. 174.
  5. Fujiwara E., Izawa Y., Kawasaki Z., Matsuura K., Yamanaka C. // The Review of Laser Engineering. 1991. V. 19(6). P. 528–537.
  6. Miki M., Aihara Y., Shindo T. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1993. V. 26. P. 1244–1252.
  7. Shindo T., Aihara Y., Miki M., Suzuki T. // IEEE Tran. on Power Delivery. 1993. V. 8. P. 1.
  8. Aihara Y., Shindo T., Miki M., Suzuki T. // Electrical Engineering in Japan. 1993. V. 113(4). P. 66
  9. Honda C., Takuma T., Muraoka K., Akasaki M., Kinoskita F., Katakira O. // Electrical Engineering in Japan. 1994. V. 114(7). doi: 10.1002/EEJ.4391140704
  10. Wang D., Kawasaki Z.-I., Matsuura K., Shimada Y., Uchida S., Yamanaka C., Fujiwara E., Izawa Y., Simokura N., Sonoi Y. // J. Gheophys. Res. D. 1994. V. 99. P. 16907–16912.
  11. Shimada Y., Uchida S., Yasuda H., Motokoshi S., Yamanaka C., Kawasaki Z.-I., Yamanaka T., Ishikubo Y., Adachi M. // Proc. SPIE 3423, Second GR-I International Conference on New Laser Technologies and Applications, (14 July 1998). https://doi.org/10.1117/12.316594
  12. Uchida S., Shimada Y., Yasuda H., Motokoshi S., Yamanaka C., Yamanaka T., Kawasaki Z.-I., Tsubakimoto K. // J. Opt. Technol. 1999. V. 66(3). P. 199.
  13. Bodrov S., Bukin V., Tsarev M., Murzanev A., Garnov S., Aleksandrov N., Stepanov A. // Optics Express. 2011. V. 19. P. 6829–6835.
  14. Bodrov S., Aleksandrov N., Tsarev M., Murzanev A., Kochetov I., Stepanov A. // Phys. Rev. 2013. V. 87. P. 053101.
  15. Comtois D., Chien C.Y., Desparois A., Ge´nin F., Jarry G., Johнсton T.W., Kieffer J.-C., La Fontaine B., Martin F., Mawassi R., Pépin H., Rizk F.A.M., Vidal F. // Appl. Phys. Lett., 2000. V. 76. P. 819–821.
  16. Pépin H., Comtois D., Vidal F., Chien C.Y., Desparois A., Johнсton T.W., Kieffer J.C., La Fontaine B., Martin F., Rizk F.A.M. // Phys. Plasmas 2001. V. 8. P. 2532–2539.
  17. Rodriguez M., Sauerbrey R., Wille H., Wöste L., Fujii T., André Y.-B., Mysyrowicz A., Klingbeil L., Rethmeier K., Kalkner W., Kasparian J., Salmon E., Yu J., Wolf J.-P. // Opt. Lett. 2002. V. 27. P. 772.
  18. Gordon D.F., Ting A., Hubbard R.F., Briscoe E., Manka C., Slinker S.P., Baronavski A.P., Ladouceur H.D., Grounds P.W., Girardi P.G. // Physics of Plasmas. 2003. V. 10. P. 4530.
  19. Kasparian J., Rodriguez M., Meґjean G., Yu J., Salmon E., Wille H., Bourayou R., Frey S., Andreґ Y.-B., Mysyrowicz A., Sauerbrey R., Wolf J.-P., WoЕste L. // Science. 2003. V. 301. P. 61.
  20. Ackermann R., Stelmaszczyk K., Rohwetter P., Méjean G., Salmon E., Yu J., Kaspariana J., Méchain G., Bergmann V., Schaper S., Weise B., Kumm T., Rethmeier K., Kalkner W., Wolf J. P. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 23.
  21. Ackermann R., Mechain G., Mejean G., Bourayou R., Rodriguez M., Stelmaszczyk K., Kasparian J., Yu J., Salmon E., Tzortzakis S., Andre Y.-B., Bourrillon J.-F., Tamin L., Cascelli J.-P., Campo C., Davoise C., Mysyrowicz A., Sauerbrey R., Woste L., Wolf J.-P. // Appl. Phys. B. 2006. V. 82. P. 561–566.
  22. Méjean G., Ackermann R., Kasparian J., Salmon E., Yu J., and Wolf J.-P. Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 021101.
  23. Fujii T., Miki M., Goto N., Zhidkov A., Fukuchi T., Oishi Y., Nemoto K. // Physics of Plasmas. 2008. V. 15. P. 013107.
  24. Zhang Z., Lu X., Liang W.-X., Hao Z.-Q., Zhou M.-L., Wang Z.-H., Liu X. and Zhang J. // Optics Express. 2009. V. 17. P. 3461–3468.
  25. Leonov S.B., Firsov A.A., Shurupov M.A., Michael J.B., Shneider M.N., Miles R.B., Popov N.A. // Physics of Plasmas 2012. V. 19. P. 123502.
  26. Daigle J.-F., Theberge F., Lassonde P., Kieffer J.-C., Fujii T., Fortin J., Chateauneuf M., Dubois J. // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 184101.
  27. Arantchouk L., Point G., Brelet Y., Prade B., Carbonnel J., Andre Y.-B., Mysyrowicz A., Houard A. // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. P. 013303.
  28. Schmitt-Sody A., Lucero A., French Da., Latham W.P., White W., Roach W.P. // Optical Engineering 2014. V. 53. P. 051504.
  29. Théberge F., Daigle J.-F., Kieffer J.-C., Vidal F., Châteauneuf M. // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 40063.
  30. Produit T., Walch P., Schimmel G., Mahieu B., Herkommer C., Jung R., Metzger T., Michel K., Andre Y.-B., Mysyrowicz A., Houard A., Kasparian J., Wolf J.-P. // Optics Express. 2019. V. 27. P. 11339.
  31. Vidal F., Comtois D., Ching-Yuan Chien, Desparois A., La Fontaine B., Johнсton T.W., Kieffer J.-C., Mercure H.P., Pépin H., Rizk F.A. // IEEE Traнс. Plasma Science. 2000. V. 28. P. 418.
  32. Tzortzakis S., Prade S.B., Franco M., Mysyrowicz A. // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. P. 57401.
  33. Cheng Y.-H., Wahlstrand J.K., Jhajj N., Milchberg H.M. // Opt. Express. 2013. V. 21. P. 4740.
  34. Lahav O., Levi L., Orr I., Nemirovsky R.A., Nemirovsky J., Kaminer I., Segev M., Cohen O. // Phys. Rev. A. 2014. V. 90. P. 021801(R).
  35. Point G., Milian C., Couairon A., Mysyrowicz A., Houard A. // J. Phys. B. 2015. V. 48. P. 094009.
  36. Богатов Н.А., Степанов А.Н. // Физика плазмы. 2023. Т. 49. С. 198.
  37. Александров Н.Л., Базелян Э.М., Богатов Н.А., Киселев М.А., Степанов А.Н. // Физика плазмы. 2008. Т. 34. С. 1142.
  38. Petrova Tz.B., Ladouceur H.D., Baronavski A.P. // Physics of Plasmas. 2008. V. 15. P. 053501.
  39. Hagelaar G.J., Pitchford L.C. // Plasma Sources Sci. Technol. 2005. V. 14. P. 722.
  40. Phelps A.V., Pitchford L.C. // Phys Rev A. 1985. V. 31. P. 2932–2949.
  41. Bragiнсkiy O.V., Vasilieva A.N., Klopovskiy K.S., Kovalev A.S., Lopaev D.V., Proshina O.V., Rakhimova T.V., Rakhimov A.T. // J. Phys. D Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 3609.
  42. Kovalev A.S., Lopaev D.V., Mankelevich Y.A., Popov N.A., Rakhimova T.V., Poroykov A.Y., Carroll D.L. // J. Phys. D Appl. Phys. 2005. V. 38. № 14. P. 2360.
  43. Александров Н.Л., Кочетов И.В. // ТВТ. 1987. Т. 25. С. 766–771.
  44. Kossyi I.A., Kostiнсky A.Y., Matveev A.A., Silakov V.P. // Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V. 1. P. 207–227.
  45. Popov N. A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 285201.
  46. Popov N. A. // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. P. 044003.
  47. Biberman L.M., Vorob’ev V.S., Yakubov I.T. Kinetics of non-equilibrium low-temperature plasmas. Plenum, New York. 1987.
  48. Da Silva C.L., Pasko V.P. // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 13561–13590.
  49. Акишев Ю.С., Демьянов А.В., Кочетов И.В., Напартович А.П., Пашкин С.В., Пономаренко В.В., Певгов В.Г., Подобедов В.Б. // ТВТ. 1982. Т. 20. С. 818–827.
  50. Florescu A.I., Mitchell J.B.A. Physics Reports. 2006. V. 430. P. 277.
  51. Benilov M.S., Naidis G.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 1834.
  52. Herron J.T. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1999. V. 28(5). P. 1453.
  53. Popov N.A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. P. 355204.
  54. Shkurenkov I., Burnette D.D., Lempert W.R., Adamovich I.V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2014. V. 23. P. 065003.
  55. Capitelli M., Ferreira C.M., Gordiets B.F., Osipov A.I. Plasma Kinetics in Atmospheric Gases. Berlin: Springer. 2000.
  56. Степанов А.Н., Бабин А.А., Киселев А.М., Сергеев А.М. // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. С. 623.
  57. Демьянов А.В., Жданок С.А., Кочетов И.В., Напартович А.П., Певгов В.Г., Старостин А.Н. // ПМТФ. 1981. № 3. С. 5–10.
  58. Petrova Tz.B., Ladouceur H.D., Baronavski A.P. // Phys. Rev. 2007. V. 76. P. 066405.
  59. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: МФТИ, 1997.
  60. Guo B., Li X., Ebert U., Teunissen J. // Plasma Sources Sci. Technol. 2022. V. 31. P. 095011.
  61. Laux C.O., Spence T.G., Kruger C.H., Zare R.N. // Plasma Sources Sci. Technol. 2003. V. 12.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Временна́я динамика плотности электронов, положительных ионов O2+, молекул N2(A) и атомов кислорода на оси разрядного канала в воздухе

Скачать (94KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Временна́я динамика температуры и плотности газа на оси разрядного канала в воздухе: R0 = 50 мкм, E = 10 кВ/см, P = 760 Торр, T0 = 300 K

Скачать (89KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Временна́я динамика среднего запаса колебательных квантов на молекулу N2, qv = εv /ħω и числа Тринора νTr на оси разряда для условий рис. 1

Скачать (72KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость от времени интенсивности нагрева газа на оси канала WT в процессах (эВ/мол · с–1) в процессах: 1 – e + O2+ → O(3P) + O(3P,1D) + ΔE1; 2 – O(1D) + N2 → O(3P) + N2 + DE2; 3 – N2(B, C, a) + O2 → O(3P) + O(3P,1D) + ΔE3, 4 – в процессах VV-обмена

Скачать (81KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость времени пробоя от величины приложенного поля в воздухе, возбужденном фемтосекундным лазерным импульсом. P = 760 Торр, T0 = 300 K. Точки — экспериментальные данные [36], штриховая кривая 1 — расчет [37], сплошная кривая 2 – расчет данной работы

Скачать (75KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Временна́я динамика температуры газа при E = 10 кВ/см, P = 760 Торр, T0 = 300 K. Кривая 1 – результаты расчетов [38], кривая 2 – расчеты данной работы

Скачать (77KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Временна́я динамика приведенного электрического поля E/N и объемных скоростей наработки молекул N2(C) на оси канала в реакциях: (Q1) e + N2 → e + N2(C); (Q2) N2(A) + N2(A) → N2(C) + N2

Скачать (77KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024