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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».