Модель Келдыша – Файсала – Риса

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Реферат

Выпускная квалификационная работа 75 с., 24 рис., 18 источников,7 прил.

Пробой диэлектрических жидкостей, лазерное излучение, механизмы ионизации, расчет, модель келдыша, электроэрозия.

В данной работе проведено комплексное изучение возможности создания, и использования устойчивого проводящего канала в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения.

Была установлена закономерность пробоя. Рассмотрена зависимость вида пробоя от плотности мощности излучения и частоты. Проведен расчет основных параметров пробоя, таких как температура пробоя, расчет значений F(интенсивности) и E(напряженности) излучения, размеры области фокусировки лазерного излучения для реализации цели работы.

Описано создание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

Проведена серия экспериментов для реализации цели работы.

Полученные результаты в виде графиков и схем приведены в данной работе.

Содержание

Введение

1 Цель и задачи работы

2 Аналитический обзор литературы

2.1 Взаимодействие лазерного излучения с атомами

2.2 Структура жидкостей

2.2.1 Пробой жидкостей под действием лазерного излучения

2.3 Создание зоны проводимости путем лазерной фотохимией

2.4 Туннельный эффект в лазерном поле

2.4.1 Применение модели Келдыша-Файсала-Риса в качестве теоретического метода описания туннельного механизма пробоя

3 Физико-математическая модель процессов ионизации вещества под воздействием лазерного излучения

3.1 Набор энергии электроном в осциллирующем поле

Модель Келдыша – Файсала – Риса

3.2.1 Туннельный предел

3.3 Механизм ионизации

3.4 Пробой нашего разрядного промежутка механизмом размножения лавин

4 Материал и методики исследования

4.1 Конструкция экспериментальной установки

4.2 Выбор типа исследуемой жидкости

4.3 Методика экспериментальных исследований

4.4 Методика расчета погрешностей измерений

4.5 Выводы по главе 4

5 Результаты исследований их обсуждение

Общие выводы

Список используемой литературы

Приложения

Введение

В стремительном развитии современной науки и техники одно из первых мест, несомненно, принадлежит разработке и применению оптических квантовых генераторов (ОКГ) – лазеров.

Создание мощных источников когерентного монохроматического излучения - лазеров послужило толчком к изучению физических явлений, возникающих при взаимодействии мощного светового пучка с атомами. В том числе и изучение физической природы явления пробоя жидкости в поле очень интенсивного светового излучения. Понятие фундаментальных механизмов взаимодействия электронов в жидкости с внешним электрическим полем.

Понимание этих механизмов открывает новые перспективные области применения лазерного излучения в науке и технике. В том числе и замена традиционных методов обработки материалов.

Цели и задачи работы

Целью работы является изучение возможности, и создание устойчивого проводящего канала в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения. И изучением возможности использования этого канала в области электроэрозионной обработки материалов.

Анализ физических процессов в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения и постоянного внешнего электрического поля, а также исследование литературных источников предопределили необходимость решения следующих задач:

1. Анализ литературы по данной проблеме.

2. Разработка математических моделей физических процессов, имеющих место в диэлектрической жидкости под воздействием лазерного излучения.

3. Разработка экспериментальной установки и методики проведение эксперимента для влияния излучения СО₂-лазера с выходной мощностью до 100 Вт на изучаемое вещество.

4. Экспериментальное исследование закономерностей лазерного излучения (ЛИ) на физические процессы в диэлектрической жидкости в указанном диапазоне мощности лазерного излучения.

5. Обработка полученных результатов эксперимента.

Структура жидкостей

До применения рентгеновского анализа теория жидкого состояния веществ основывалось на концепции, вытекающей из уравнения Ван-дер-Ваальса, по которому устанавливалась определенная постепенность перехода от газообразного состояния к жидкому. При сильном сжатии межмолекулярные силы сцепления между частицами газа становятся настолько значительными, что вещество уже само сохранять свой объем, независимо от внешнего давления. Происходит изменение агрегатного состояния и образуется жидкость, которую, по этим представлениям, можно рассматривать как сильно сжатый газ.

Однако рентгеновский анализ показал, что сконденсированные частицы газа образуют небольшие группы с упорядоченной структурой. Из концепции о сжатом газе это непосредственно не вытекало.

Если электроны отдельных атомов имели с последними сравнительно слабую связь, то при сближении до расстояний, сравнимых с размерами электронных орбит, должно происходить “обобществление” этих электронов. Такое состояние будет характерно для металлов. В случае же сильной связи электронов с отдельными атомами подобного рода сближение не вызовет “обобществления” электронов, у которых связь со своими атомами в какой-то мере сохранится. Вещество тогда будет диэлектриком. Следовательно, последний должен состоять из отдельных атомов, силовые поля которых удерживают свои электроны. При поглощении квантов энергии, например при облучении, электроны могут выйти из сферы действия своих атомов и образовывать ток проводимости[8].

При подобного рода облучении может оказаться, что поглощенного кванта энергии будет недостаточно для полного отрыва электрона от своего атома. Электрон придет в возбужденное состояние, т.е. будет вращаться вокруг своего атома по большей орбите. При столкновениях атомов возбужденное состояние может передаваться другим атомам, т.е. будут образовываться экситоны, но проводимости не возникнет. Такое явление наблюдается на опыте и легко объяснимо с точки зрения классической концепции заключающейся в представлении о диэлектрике как о сжатом газе. С зоной точки зрения указанное явление объяснить трудно [8].

В настоящее время принято считать, что жидкость при температурах, близких к тем, при которых происходит кристаллизация, имеет много общих черт с кристаллами, чем с газами, а при температурах или давлениях, близких к “критическим”, жидкость больше похожа на газ. Таким образом, жидкое состояние является промежуточным. Черты и различия выступают особенно наглядно в характере тепловых движений. В газах молекулы быстро и беспорядочно движутся, и взаимодействие частиц наступает главным образом только при столкновениях, которые сообщают газам некоторые характерные черты (диффузия, теплопроводность и вязкость).

В твердых телах атомы длительно совершают тепловые колебания в одном и том же окружении, но это окружение не является постоянным: атомы из одного положения равновесия переходят в другое (узлы и междоузлия), и таким образом, хотя и медленно, но также как и в газах, происходит непрерывное перемешивание атомов. В этом отношении уже имеются некоторые черты сходства газа и твёрдого тела [6].

Для движения частиц в жидкости имеется значительно больший простор, чем в твёрдом теле, поскольку, например. При плавлении кристаллов их объём увеличивается на3-10%.Однако частицы жидкостей, также как и частицы кристаллического тела, совершают колебания около временного положения равновесия. При достаточной энергии частица жидкости покидает это положение и переходит в новое окружение .Такие переходы случаются весьма часто, и в этом жидкости существенно отличаются от твёрдых тел. При переходах, вследствии теплового движения, в жидкостях могут самопроизвольно образовываться микрополости за счёт расширения частиц в стороны( процессы кавитации).Эти полости, как можно предполагать, играют некоторую роль в явлении разброса при определении величин пробивных напряжений, что обычно приписывается влиянию примесей и некоторым случайным факторам.

Длительность колебаний частиц жидкостей около одного равновесного положения зависит от температуры. При увеличении последней это число колебаний уменьшается.

При изучении закономерностей рассеяния рентгеновских лучей жидкостями были найдены, хотя и размытые, но определённые максимумы рассеянного излучения. На основании этого можно было предполагать наличие некоторой упорядоченности в структуре жидких тел[8].

Таким образом, можно считать установленным существование в жидкостях микрообъёмов с упорядоченной структурой. В этом отношении жидкость также имеет определённое сходство с твёрдым телом. Оказывается, что на фоне общего беспорядка жидкостей всё же имеют определённый порядок в расположении на малых расстояниях (ближний порядок).

Рентгеновский анализ, однако, не даёт возможности определить природу таких квазикристаллитных групп в той же степени, как это можно сделать для кристаллов. В настоящее время о природе этих преобразований можно высказать два предположения.

По первому из них, в микрообластях с размерами 10-20 А имеется определённая порядочная структура рассеивающих центров, очень близко напоминающая кристаллическое строение. На основании этого представления жидкость можно рассматривать состоящей из очень большого количества мелких кристалликов (кристаллитов), разделённых аморфными прослойками[8].

По второму предложению, молекулярная упорядоченность жидкостей соответствует так называемому сиботактическому состоянию. В определённый момент времени жидкость можно представить тоже состоящей их небольших упорядоченных групп. Но молекулы в этих сиботактических группах прочно не закреплены, а постоянно смещаются. Да и сами группы не существуют продолжительное время, а распадаются и создаются вновь. Этим сиботактические группы отличаются от кристаллитов твёрдого вещества. При изменении температуры структура сиботактических групп может тоже изменяться. С приближением к точке кристаллизации, вследствие действия сил, обусловливающих кристаллическое строение, структура этих групп может приблизиться к кристаллической. Это подтверждается и данными рентгеновского анализа. Кривые интенсивности рассеянных лучей в жидкостях при температуре, близкой к точке кристаллизации, делаются схожими с такими же кривыми для твердого кристаллического состояния. По-видимому, и среднее расположение рассеивающих центров в жидкостях при этом делается таким же, как и у кристалла.

Из приведённых данных следует, что пробивная напряжённость жидкостей зависит от их структуры и что заранее предсказать характер изменения Е при переходе веществ из газообразного состояния в жидкое пока невозможно. Основные электрические свойства жидкостей, по-видимому, определяются «ближним порядком», т.е. характером взаимодействия молекул с ближайшими соседями, как это имеет место у полупроводников [8].

Выводы по главе 2

1. Анализ литературных источников показал, что существующие работы, посвященные пробою жидкостей, не имеют полной теории пробоя жидкостей. Основные электрические свойства жидкостей, по-видимому, определяются «ближним порядком», т.е. характером взаимодействия молекул с ближайшими соседями, как это имеет место у полупроводников.

2. Несмотря на трудности связанные с отсутствием полной теории пробоя жидкостей, были установлены закономерности пробоя. Основными процессами электрического пробоя жидкости в начальной стадии являются многофотонная ионизация каскадная, или лавинная ионизация. Первые электроны появляются благодаря зависящему от частоты туннельному эффекту, на высоких частотах туннельный механизм эквивалентен многофотонной ионизации.

3. Установлено, что пробой с помощью лазерного излучения можно получить, используя фотохимические вещества либо за счет нелинейной ионизации вещества.

4. Основными параметрами, влияющими на характер взаимодействия лазерного излучения с веществом, являются:

· потенциал ионизации вещества;

· интенсивность лазерного излучения.

Туннельный предел

Туннельный режим соответствует низкочастотному пределу, когда параметр адиабатичности много меньше единицы, точнее, . В этом пределе зависимость вероятности ионизации от частоты поля исчезает, а сама вероятность ионизации в единицу времени (15) приобретает ту же форму, что и для ионизации атома медленно меняющимся со временем электрическим полем , усредненную по периоду поля:

, (17)

Основной вклад в эту вероятность дают слагаемые в сумме (15) с очень большими числами N поглощенных фотонов порядка . Эти числа велики по сравнению с минимальным числом поглощенных фотонов, допустимым законом сохранения энергии. Сумма по числам поглощенных фотонов в окрестности этого значения заменяется непрерывным интегрированием. Так выглядит надпороговое поглощение фотонов электромагнитного излучения в туннельном режиме ионизации [1].

Однако точное решение указанной задачи для ионизации основного состояния атома водорода постоянным электрическим полем с учетом усреднения вероятности по периоду медленно меняющегося поля линейной поляризации дает результат с другой предэкспонентой:

; (18)

Необходимо отметить, что выражение (18) показывает вероятность ионизации одного атома в единицу времени [2].

Механизм ионизации

Важнейшим механизмом рождения зарядов в разрядах является ионизация невозбужденных молекул ударами электронов. Скорость ионизации, т.е. число актов в 1см³ за 1с равно

, (19)

где - сечение ионизации электронами с энергией , - функция их распределения по энергиям, I- потенциал ионизации, - частота ионизации - постоянная, N- число молекул.

Частота ионизации является главной характеристикой процесса. Скорость ионизации целесообразно характеризовать ионизационным коэффициентом - число актов ионизации совершаемых электроном на 1см пути вдоль поля Е.

В нашем случае постоянного поля (20), а электронная лавина нарастает вдоль направления движения Х по закону ;

Выводы по главе 3

1. Проведен анализ физических процессов в области воздействия лазерного излучения на вещество, который выявил последовательность этих процессов и показал возможность получения пробоя воздействием лазерного излучения на вещество.

2. Разработаны методика расчета параметров пробоя в канале проводимости и математическая модель для расчета необходимых условий для возникновения пробоя в зоне воздействия лазерного излучения.

3. Рассмотрена вероятность туннельного механизма ионизации когда параметр адиабатичности много меньше единицы, точнее, и получена вероятность ионизации вещества при заданных параметрах лазерного излучения: интенсивность излучения, напряженность поля, потенциал ионизации вещества.

4. Проведен расчет параметров пробоя: напряженность поля (Е), размеры области фокусировки лазерного излучения (V), расчет плотности мощности излучения и т. д.

Выводы по главе 4

1. Разработана и сконструирована экспериментальная установка для проведения экспериментов по исследованию влияния лазерного излучения на электропроводность диэлектрических жидкостей.

2. Разработана система электропитания данной установки, которая обеспечивает заданные требования по напряжению и силе тока (т.е. величин влияющих на характер эрозионных процессов).

4. Определен тип исследуемых диэлектрических жидкостей, которые будут использованы в эксперименте. Основным критерием выбора типа жидкости было: использование в традиционных методах электроэрозионной обработки материалов, возможность использования исследуемой жидкости в нашей установке.

3. Создана методика эксперимента для исследования влияния следующих параметров на электропроводность диэлектрических жидкостей:

· Расстоянием между электродами;

· Падением напряжения на электродах;

· Мощностью ЛИ.

Выводы по главе.5

1. Экспериментально исследовано влияние энергетических параметров лазерного излучения (интенсивность излучения) на физические параметры (электропроводность) исследуемых диэлектрических веществ: минеральных масел, бидистиллированной воды.

2. Проведены исследования влияния параметров ячейки (межэлектродный зазор, приложенное к электродам напряжение) на электропроводность минеральных масел и бидистиллированной воды, установлено, что изменение этих параметров существенно влияет на электропроводность вещества.

3. Результаты анализа полученных графиков выявили нецелесообразность использования данного типа излучения (CO₂-лазер мощность до 100 Вт, энергия кванта излучения-hn=0,117 эВ, ) для реализации фотоэффекта в данных средах. Поэтому для решения основной задачи работы целесообразнее использование: излучения с более короткой длиной волны менее 500 нм., применение фотохимических сред, лазерное излучение сверхкороткими импульсами (пикосекунды), диаметр фокусировки излучения 10

Рисунок.21. Зависимость вольт – амперной характеристики трансформаторного масла от приложенного напряжения к электродам.

1 – без воздействия ЛИ, 2 – с воздействием ЛИ.

Рисунок.22. Зависимость вольт – амперной характеристики бидистиллированной воды от приложенного напряжения к электродам.

1 – без воздействия ЛИ, 2 – с воздействием ЛИ.

Рисунок.23. Зависимость вольт – амперной характеристики бидистиллированной воды от мощности ЛИ

Рисунок.24. Зависимость вольт – амперной характеристики индустриального масла (ИД-20) от приложенного напряжения к электродам. 1 – без воздействия ЛИ, 2 – с воздействием ЛИ.

Общие выводы

4. Установлено, что основными параметрами, влияющими на характер взаимодействия лазерного излучения с веществом, являются:

· потенциал ионизации вещества;

· интенсивность лазерного излучения.

5. Проведен анализ физических процессов в области воздействия лазерного излучения на вещество, который выявил последовательность этих процессов и показал возможность получения пробоя воздействием лазерного излучения на вещество.

6. Разработана методика расчета параметров пробоя: напряженность поля (Е), размеры области фокусировки лазерного излучения (V), расчет плотности мощности излучения и т.д. и математическая модель для расчета необходимых условий для возникновения пробоя в зоне воздействия лазерного излучения.

7. Рассмотрена вероятность туннельного механизма ионизации когда параметр адиабатичности много меньше единицы, точнее, и получена вероятность ионизации вещества при заданных параметрах лазерного излучения: интенсивность излучения, напряженность поля, потенциал ионизации вещества.

8. Проведен расчет параметров пробоя: напряженность поля (Е), размеры области фокусировки лазерного излучения (V), расчет плотности мощности излучения и т. д.

9. Разработана и сконструирована экспериментальная установка для проведения экспериментов по исследованию влияния лазерного излучения на электропроводность диэлектрических жидкостей.

10. Разработана система электропитания данной установки, которая обеспечивает заданные требования по напряжению и силе тока (т.е. величин влияющих на характер эрозионных процессов).

11. Определен тип исследуемых диэлектрических жидкостей, которые будут использованы в эксперименте. Основным критерием выбора типа жидкости было: использование в традиционных методах электроэрозионной обработки материалов, возможность использования исследуемой жидкости в нашей установке.

12. Создана методика эксперимента для исследования влияния следующих параметров на электропроводность диэлектрических жидкостей:

· Расстоянием между электродами;

· Падением напряжения на электродах;

· Мощностью лазерного излучения.

13. Экспериментально исследовано влияние энергетических параметров лазерного излучения (интенсивность излучения) на физические параметры (электропроводность) исследуемых диэлектрических веществ: минеральных масел, бидистиллированной воды.

14. Проведены исследования влияния параметров ячейки (межэлектродный зазор, приложенное к электродам напряжение) на электропроводность минеральных масел и бидистиллированной воды, установлено, что изменение этих параметров существенно влияет на электропроводность вещества.

15. Результаты анализа полученных графиков выявили нецелесообразность использования данного типа излучения (CO₂-лазер мощность до 100 Вт, энергия кванта излучения-hn=0,117 эВ,) для реализации фотоэффекта в данных средах. Поэтому для решения основной задачи работы целесообразнее использование: излучения с более короткой длиной волны менее 500 нм., применение фотохимических сред, лазерное излучение сверхкороткими импульсами (пикосекунды), диаметр фокусировки излучения 10 .

Список используемой литературы

1. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М: Наука, 1989.-373 c.

2. Делоне Н.Б. Крайнов В.П. Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением – М: Физматлит, 2001.-421 c.

3. Бломберг Н. Электрический пробой под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. 1974.- № 4.-С.786-805.

4. Райзер Ю.П. Пробой газов под действием лазерного излучения // Соросовский образовательный журнал. 1998.- № 1.-С.89-94.

5. Бункин Н.Ф., Лобеев А.В. Бабстонно-кластерная структура при оптическом пробое жидкости // Квантовая электроника.1994.-T.21.- № 4.-С.319-323.

6. Бункин Ф.В., Трибельский М.И. Нерезонансное взаимодействие мощного оптического излучения с жидкостью//Успехи физических наук.-1980.- Т.130.-№2.-С.193-239.

7. Зон Б.А. Взаимодействие лазерного излучения с атомами // Соросовский образовательный журнал. 1998.- № 1.-С.84-88.

8. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. М., ”Энергия”, 1964.-228 c.

9. Репеев Ю.А. Двухфотонное поглощение в плавленом кварце и воде на длине волны 212.8 нм. // Квантовая электроника.1994.- T.21.- № 4.- С.962-964.

10. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. – М.: Машиностроение, 1989.-304 c.

11. Козлов Г.И., Кузнецов В.А. Многолучевой непрерывный газоразрядный СО₂- лазер «Иглан-3» //Квантовая электроника.-1986.-Т.12.-№3.- С. 553-558.

12. Абильсиитов Г.А., Велихов Е.П., Голубев В.С. и др. Мощные газоразрядные лазеры и их применение в тёхнологии. - М.: Наука, 1984.-106 c.

13. Антюхов В.В., Бондаренко А.И., Глова А.Ф.и др. Мощный многолучевой СО₂ - лазер, возбуждаемый разрядом переменного тока//Квантовая электроника.-1981.-Т.8.-№10.- С. 2234-2237.

14. Базелян Э.М. Райзер Ю.П. Искровой разряд. - МФТИ, 1997.- 475 c.

15. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1973.-832 c.

16. П.П. Напартович Справочник по лазерной технике. – М.: Наука, 1992.- 573 c.

17. Трибельский М.И. О форме поверхности жидкой фазы при плавлении сильнопоглощающих сред лазерным излучением//Квантовая электроника.-1978.-Т.5.-№4.-С. 804-812.

18. Гайдуков А.Н. Процессы лазерной обработки анизотропных гетерогенных материалов: Дис. …к-та тех. наук./ ТулГУ. Тула, 2002 .-132 с.

Приложения

Приложение А

Схема лавинного размножения электронов во времени

Приложение Б

Приложение В

Механизм пробоя жидких диэлектриков включает 3 основных процесса

1. электронная эмиссия катода;

2. ударную ионизацию;

3. взаимодействие электронов с частицами среды.

где А и В - постоянные

Приложение Г

Показан механизм образования бабстоных (бабстон-устойчивый микропузырек газа) кластеров.

Приложение Д.

Профиль интенсивности света (1) и плотности плазмы (2) в световой нити (3-виртуальное изменение диаметра). Плотность электронов в плазме очень резко зависит от радиуса нити.

Приложение Е

Схема образования потенциального барьера в постоянном внешнем поле Е_const ; U(r) – потенциал квантовой системы в отсутствие внешнего поля.

Приложение Ж

Возможные механизмы ионизации, зависимость их от интенсивности излучения(F), потенциала ионизации и частоты.