几乎所有关于激光引雷的研究只限于用激光触发长间隙放电,以此来检验激光等离子体通道对放电的影响。这一节以大功率CO2激光器诱导的长间隙放电为中心,介绍激光诱导放电的最新研究成果。
(1)激光诱导的长间隙放电
图8-4是用CO2激光器诱发长间隙放电的示意图(Wang等,1994)。首先将脉冲高压发生器产生的高电压加在图示的高电压电极上,然后将CO2激光器发出的光束聚焦于两电极
之间,就会诱导一长间隙放电。图8-5是一张有代表性的激光诱导放电的照片(见彩色插页)。照片中两电极之间的距离是6 m。这次放电中加在高电压电极上的电压是一700 kV。若是没有激光的诱导,-700 kV的高电压只能产生1 m左右的长间隙放电。根据王道洪等人实验的结果,同样在-700 kV的情况下,更长的等离子体通道似乎能够诱导更长的放电。这些结果表明激光等离子体通道可以大大促进长间隙放电的发展。为了检验弯曲的等离子通道对放电也有诱导作用,如图8-6所示,王道洪等人用多个聚光镜进行组合,在两电极之间形成一曲折形的等离子体通道。如图8-7所示的结果表明,放电会沿着弯曲的等离子体通道发展(见彩色插页)。从这个结果可以看出,即使将一段段较短的等离子体通道接起来形成一较长的等离子体通道,这一较长的通道对放电同样有诱导效应。
用紫外激光器产生的弱电离通道同样可以诱导放电(Nakamura等,1993;Zhao等,1993)。但文献报告的弱电离通道诱导的放电一般较短。只是最近才有人报告用此类电离通道在加有700 kV的电极之间成功地诱导了2.8 m长的间隙放电(Mercure 等,2000)。
(2)激光诱导放电的发展过程
为了搞清楚激光诱导放电的发展过程,一般采用高速摄像的方法。图8-8是一张在平板之间用CO2激光器触发的超高速摄像照片(Wang等,1994b)。从这张照片上可以看出,放电几乎同时从多处被触发,然后向两边发展。当所有这些放电连接到一起时,就会产生主放电。放电的起始点可能对应于等离子体通道中的被强电离的区域。这就像在加有高电压的平板之间突然注入由金属屑构成的通道,放电将会同时从众多金属屑处发生。
当在棒与棒电极之间触发放电时,由于棒附近的电场强度最大,放电将最先从这一区域中的被强电离的点处发生,然后以先导的形式向低电场区域传输。图8-9是一张高电压棒加负极性电压时所触发的放电的高速摄像照片。可以看到电负先导以梯级先导的形式向接地棒传输。当在高压棒上加正极性电压时,如图8-10所示,其高速摄像照片将有明显不同之处。虽然从图8-10可以看到从下往上发展的负极性先导,但不能明显看到从上往下发展的正先导。估计这是由于正先导发光太弱所造成的。
王道洪等人利用上述的高速摄像照片介绍的方法,测量了先导在激光离子体通道中的传输速度(Wang等,1995b)。结果表明这些速度一般为105 m/s,比一般长间隙放电的先导速度要快很多。
紫外激光器产生的等离子体通道连续性好,所触发的放电一般起始于等离子通道的一端(高电压端)。这与刚才所述的结果不太一样。先导在这些弱电离通道中的传输速度也可达到105 m/s(Mercure等,2000)。
(3)激光触发放电及引导放电所需的电场强度
利用激光诱导放电实际上涉及本质上不同的两个过程。其一是触发放电,其二是引导放电。触发放电与引导放电所需要的电场强度应有所不同。王道洪等人(1995a)做了一系列实验分别测量了这两个过程所需要的电场强度。在这些实验中,CO2激光器发出的激光被聚焦于加有高电压的平板与平板之间,从而诱导板对板之间的放电。他们的结果表明,在等离子体通道中注入的能量越大,产生放电所需要的临界电场强度越低。一般来讲,引导放电要比触发放电容易,所以这类实验得到的电场强度应是触发所需的电场强度。为了找到引导放电的条件,如图8-11所示,将一个辅助电极加在上述主平板电极侧面,用一个单独的高电压发生器在辅助电极与主平板电极之间产生大于主平板之间的电场,致使激光在此区域触发放电。此放电被引入主平板之间后,将继续受离子体通道的引导,最终导致主平板之间的放电。这时主平板之间电场强度应对应于激光等离子体通道引导放电所需要的电场强度。王道洪等人的结果表明,CO2激光器触发放电所需要的电场强度为230 kV/m。当然若能产生导电性更好的等离子体通道,这些所需的电场强度可能会相应地变得更低一点,但由于CO2激光器产生的等离子体通道的不连续性,这些电场强度不会低很多。
紫外激光器产生的等离子体通道是连续的,此类电离通道触发放电的机理与CO2激光器等离子体通道触发放电的机理应有所不同,所以上述的触发放电及引导放电的条件也应有所不同。可是目前还没有见到这方面的结果。