Численное моделирование нелинейных явлений в газоразрядной плазме и взаимодействия лазерного излучения со средой

• Автор: Петрушевич, Юрий Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 215 с. : ил

Содержание
Введение
Глава 1. Моделирование газоразрядной плазмы
1.1. Плазма объемного разряда высокого давления в газах
1.2. Исследование динамики катодного слоя несамостоятельного разряда повышенного давления
1.3 Свойства плазмы тлеющего разряда в газах с отрицательной дифференциальной проводимостью
1.4. Динамика слоистых структур в несамостоятельном разряде в смесях I Ьфз) - Аг
Глава 2. В Моделирование взаимодействия излучения с веществом
2.1. Взаимодействие лазерного излучения с резонансными средами
2.2. Моделирование электроионизационного СО2 - лазера атмосферного давления на смесях СО2 - N2 - Н2О
2.3. Исследование импульсного лазера на молекуле СР.^
2.4. Многочастотная генерация лазера на аммиаке с оптической накачкой
2.5. Влияние вращательной релаксации в ССЬ -усилителе на форму усиленного короткого импульса
2.6. Переходные оптические нутации в СО2 - усилителе
2.7. Функция распределения молекул в многокомпонентной газовой среде при воздействии лазерным излучением
Глава 3. Нелинейные аффекты взаимодействия лазерного излучения с резонансно поглощающей средой
3.1. Исследование вынужденного комбинационного рассеяния с учетом нелинейных эффектов
3.2. Рассеяние мощного лазерного излучения в парах натрия
3.3. Когерентное взаимодействие резонансной среды и лазерного излучения
3.4.11рохождение узких лазерных пучков в резонансно поглощающей среде
Заключение
Приложение. Численные схемы моделирования взаимодействия резонансного излучения со средой
Литература
Введение
В течение последних трех десятилетий численное моделирование физических явлений стало одним из важнейших методов научных исследований. Более того, проведение серии численных расчетов в настоящее время является обязательным этапом при осуществлении работ, связанных с созданием крупных физических установок. Такие расчеты позволяют оптимизировать параметры создаваемых установок, что является одной из главных проблем, решаемых при проведении численных исследований. Кроме того, в результате проведения численного моделирования могут быть предсказаны и изучены явления, которые не учитывались и не могли быть учтены при предварительном теоретическом рассмотрении задачи. Это прежде всего различные нелинейные явления, которые с трудом поддаются аналитическому исследованию.
В диссертации рассмотрены задачи, связанные главным образом с исследованиями в области лазерной техники. В материалах диссертации представлены результаты численного моделирования явлений, наблюдаемых в электрическом разряде в газах, а также при прохождении лазерного излучения в различных средах. Это обусловлено тем, что электрический разряд в смесях газов является одним из наиболее популярных способов возбуждения среды и получения инверсной заселенности в различных схемах газовых лазеров.
В то же время, и в электроразрядной плазме и при взаимодействии лазерного излучения с веществом могут наблюдаться явления, которые нарушают стационарность и пространственную однородность протекающих процессов. В этом случае говорят о развитии неустойчивости процесса, причем природа этих явлений может быть самая разнообразная. В эксперименте наблюдается, как правило, нелинейная стадия развития этих неустойчивостей, которые могут проявляться, например, в виде локализованных в пространстве структур. Однако причину, нарушившую пространственную однородность среды, а иногда

и динамику образовавшихся пространственных структур, установить при имеющейся экспериментальной технике невозможно.
Одной из проблем, которая, как правило, рассматривается при проведении экспериментальных исследований нестационарных процессов в этих областях физики, является наличие нескольких механизмов неустойчивостей, имеющих примерно равные скорости развития. Экспериментально разделить их часто бывает невозможно. В этом случае численное моделирование бывает довольно удобным, а часто и единственным способом окончательно прояснить картину и связать экспериментально наблюдаемую неустойчивость с определенным механизмом.
Численные исследования различных неустойчивостей, в том числе и нелинейной стадии их развития предпринимаются уже достаточно продолжительное время. Причем на нелинейной стадии в подавляющем большинстве случаев теоретические исследования могут быть проведены только методами численного моделирования. Каждое такое решение задачи является уникальным, т.е. не позволяет производить обобщение при значительном изменении начальных условий и параметров задачи. Динамика процессов становится еще более сложной при решении задач, в которых изучается одновременное проявление различных неустойчивостей и их взаимодействие. В экспериментальных исследованиях такие явления встречаются достаточно часто. В газоразрядной плазме известны многочисленные механизмы, вызывающие неустойчивость разных видов. Например, прилипательная неустойчивость и ганновская неустойчивость, связанная с немонотонной зависимостью дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля. В газовых смесях, в которых существуют оба механизма развития неустойчивостей, в определенных условиях возможно развитие того или иного ее вида. Следует о тметить, что возможно также одновременное развитие различного вида неустойчивостей или развитие одной на фоне нелинейной стадии другой неустойчивости. Пример исследования такого явления представлен в

наводки при запуске генератора напряжения. Интенсивность прианодного свечения на порядок слабее прикатодного.
рис.2. Осциллограмма интенсивности свечения в прикатодной области. Развертка 0,5 мкс/дел., катод - сплошной диск.
На рис.2 видно, что интенсивность свечения газа в прикатодном слое осциллирует со временем с периодом -400 не. Известно, что свечение газа в разряде обусловлено возбуждением электронных состояний молекул, поэтому можно предположить, что напряженность электрического поля имеет осциллирующий характер. В этом случае степень колебательного возбуждения молекул, которая определяется параметром EIN, также переменна во времени. Эта гипотеза может объяснить осциллирующее свечение разряда в прикатодной области.
Колебания напряженности электрического поля на катоде были отмечены в работе [28]. Однако в этой работе проводилось численное моделирование разрядной области вблизи катода, ток и напряженность поля в столбе задавались, как граничные условия, и были фиксированы. Кроме того, не учитывалось влияние колебательного возбуждения на константу скорости ионизации. В работе [29] проведены численные исследования нагрева газа в разряде в азоте с учетом сильной колебательной неравновесности, а также учитывалось влияние колебательного возбуждения молекул на процессы ионизации в плазме. Моделирование разряда в этой работе проведено в предположении его электронейтральности.