Анализ кейса: в лаборатории говорят, что при пропускании импульса высоковольтного лазера через газовую смесь образуется плазменный канал, который затем самоподдерживается — какие физические процессы (и их временные шкалы) обеспечивают образование, горение и распад такого канала
Анализ кейса: в лаборатории говорят, что при пропускании импульса высоковольтного лазера через газовую смесь образуется плазменный канал, который затем самоподдерживается — какие физические процессы (и их временные шкалы) обеспечивают образование, горение и распад такого канала
Похожие вопросы
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
1) Моментальное образование плазмы (инициация)
- Процессы: многофотонная и туннельная ионизация атомов/молекул под действием интенсивного поля лазера; в ходе импульса свободные электроны ускоряются в поле и вызывают ударную (аваланчную) ионизацию.
- Времена: фото/туннельная ионизация ∼10−15−10−13 s\sim 10^{-15}-10^{-13}\,\text{s}∼10−15−10−13s; нарастание ударной ионизации во время и сразу после импульса ∼10−14−10−9 s\sim 10^{-14}-10^{-9}\,\text{s}∼10−14−10−9s.
- Типичные параметры: электронная плотность в лазерном разряде ne∼1014−1020 cm−3\,n_e\sim 10^{14}-10^{20}\,\text{cm}^{-3}ne ∼1014−1020cm−3, электронная температура сразу после ионизации Te∼1−10 eV\,T_e\sim 1-10\,\text{eV}Te ∼1−10eV.
2) Ранняя электронная кинетика и нагрев
- Процессы: обратное тормозное поглощение (inverse Bremsstrahlung), электрон-электрон термализация, электрон-ионное выравнивание энергий; возбуждение колебательных/вращательных уровней молекул.
- Времена: e–e термализация ∼10−15−10−12 s\sim 10^{-15}-10^{-12}\,\text{s}∼10−15−10−12s; e–i перенос энергии ∼10−12−10−9 s\sim 10^{-12}-10^{-9}\,\text{s}∼10−12−10−9s; возбуждение молекул и перестройка распределений ∼10−12−10−7 s\sim 10^{-12}-10^{-7}\,\text{s}∼10−12−10−7s.
3) Переход к самоподдерживающемуся разряду (если есть внешнее высокое напряжение)
- Процессы: электрон-ударная ионизация под действием внешнего поля (Таунсендовская лавина), формирование и движение стримеров; фотоионизация впереди фронта (особенно в воздухе) обеспечивает предвозбуждение и источники вторичных электронов.
- Времена: развитие лавины и формирование стримера на расстояниях мм–см ∼10−9−10−5 s\sim 10^{-9}-10^{-5}\,\text{s}∼10−9−10−5s (скорости стримеров ∼105−107 m/s\sim 10^{5}-10^{7}\,\text{m/s}∼105−107m/s); переход в тепловой (дуговой) разряд при достаточном токе ∼10−6−10−3 s\sim 10^{-6}-10^{-3}\,\text{s}∼10−6−10−3s.
4) "Горение" плазменного канала (квазистационарная фаза)
- Процессы: Джоульев нагрев электронов и через перенос энергии — нагрев газа, образование высокотемпературного канала, возможное формирование ударной волны и разреженного канала; устойчивое поддержание за счёт внешнего тока и последовательной ионизации/обновления электронов.
- Времена: нагрев газа и гидродинамическая экспансия/ударная волна ∼10−9−10−5 s\sim 10^{-9}-10^{-5}\,\text{s}∼10−9−10−5s (начальная), развитие теплового канала и расширение ∼10−6−10−3 s\sim 10^{-6}-10^{-3}\,\text{s}∼10−6−10−3s; если ток поддерживается — стадия ms и дольше.
5) Распад и после́глей (afterglow)
- Процессы: радиативная и трёхтелая рекомбинация, электронная захват/прилипа́ние на электроотрицательные молекулы (в воздухе — кислород), диффузия и конвективный вынос ионов, химические преобразования (отрицательные ионы, возбужденные радикалы).
- Времена: быстрая рекомбинация при высокой плотности ∼10−9−10−6 s\sim 10^{-9}-10^{-6}\,\text{s}∼10−9−10−6s; при более низкой плотности и в присутствии захвата электронов — затухание ∼10−6−10−3 s\sim 10^{-6}-10^{-3}\,\text{s}∼10−6−10−3s; диффузионное рассеяние остаточных ионов/радикалов ∼10−4−1 s\sim 10^{-4}-1\,\text{s}∼10−4−1s (в зависимости от давления и геометрии).
- В сильно электрофильных смесях (много O2_22 ) — attachment сокращает время существования свободных электронов до ∼10−9−10−6 s\sim 10^{-9}-10^{-6}\,\text{s}∼10−9−10−6s.
Замечания по влияющим факторам (коротко)
- Давление и состав газа сильно меняют скорости: при пониженном давлении времена удлиняются (меньше столкновений), при атмосферном — ускоряются процессы термализации и рекомбинации.
- Наличие внешнего напряжения/тока — решающее для перехода к самоподдерживаемому (дуговому) состоянию: без внешнего источника канал быстро затухает (электроны теряются на рекомбинацию/прилипание).
- Характер импульса лазера (длина, энергия, фокусировка) определяет начальную плотность и профиль канала, а значит и последующую динамику.
Если нужно, могу привести пример расчёта типичных времен рекомбинации или скорости стримера для заданных nen_ene , давления и поля.