СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РАЗРЯДОВ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2014 года по МПК H01T19/00 

Область техники

Изобретение относится к области физики и энергетики, в частности к способам инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере, которые могут использоваться, например, для молниезащиты, в том числе для управления молниевыми разрядами, а также к способам передачи электрической мощности и импульсов тока через проводящий канал.

Предшествующий уровень техники

Существует несколько важных прикладных задач, в которых требуется создание протяженных электропроводящих плазменных каналов в атмосферном воздухе. Среди них инициирование протяженных высоковольтных разрядов, в том числе для управления молниевыми разрядами, передача электрической мощности и импульсов тока через проводящий канал, а также передача электромагнитного излучения СВЧ и радиочастотного диапазонов с помощью плазменных антенн или по искусственному плазменному волноводу для уменьшения их естественной расходимости при транспортировке к удаленным объектам.

Известно, что молния является мощным электрическим разрядом, возникающим в атмосфере между телами, находящимися под противоположными электростатическими потенциалами, которыми могут быть, например: пара грозовых облаков; грозовое облако и земля. При разряде в канале молнии протекает очень сильный и быстро изменяющийся во времени ток, создающий мощное переменное во времени магнитное поле.

Известно, что возможно осуществлять инициирование молниевого разряда с созданием в атмосферном воздухе электропроводящих плазменных ионизированных каналов, например, воздействием лазерного излучения: лазерное излучение, проходя через воздух, ионизует его, то есть отрывает электроны от молекул газа, электроны на некоторое время становятся свободными, и за счет этого воздух вдоль лазерного луча приобретает проводимость (Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов М.: Наука, 1974). При этом канал должен быть длинным, по возможности, однородным и иметь как можно большую концентрацию свободных электронов. При этом эффективность ионизации воздуха зависит от параметров лазерного импульса - энергии лазерного импульса, его длительности, длины волны, способа фокусировки луча, и от параметров атмосферы - напряженности поля в заряженном промежутке и других параметров, влияющих на интенсивность ионизации.

В настоящее время главным направлением в лазерном инициировании пробоя является создание максимальной концентрации электронов на максимальной длине с помощью использования различных режимов облучения различными лазерными импульсами.

Наибольшая достигнутая к настоящему времени в экспериментах с титан-сапфировым лазером (центральная длина волны λ=790 нм, пиковая мощность ультракороткого излучения 200 ТВт, длительность 150 фс) длина управляемого электрического разряда в воздухе составляла около 4 м при напряжении на разрядном промежутке U~2,0 MB и ограничивалась малым временем жизни свободных электронов в плазме τ_е~10 нс. (La Fontaine В., Vidal F., Comtois D,, et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 1999, 27, 688; Vidal F., Comtois D., Chien C.Y., et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 2000, 28, 418; Desparois A., La Fontaine В., Bondiou-Clergerie A., et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 2000, 28, 1755; Comtois D., Chien C.Y., Desparois A., et al. Appl. Phys. Lett., 2000, 76, 819; Pepin H., Comtois D., Vidal F., et al. Phys. Plasmas, 2001, 8, 5, 2532; Rodriguez М., Saurbrey R., Wille H., et al. Opt. Letts., 2002, 27, 772; Comtois D., Pepin H., Vidal F., et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 2003, 31, 377; Comtois D., Pepin H., Vidal F., et al. IEEE Trans. Plasma Sci., 2003, 31, 387; Gordon D.F., Ting A., Hubbard R.F., et al. Phys. Plasmas, 2003, 10, 4530; Ackerman R., Mechain G., Mejean G., et al. Appl. Phys. B, 2006, 82, 561; Houard A., D'Amico C., Liu Y., et al. Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 171501; Александров Н.Л., Базелян Э.М., Богатов Н.А. и др. Физика плазмы, 2008, 34, 1142; Fujii Т., Miki М., Goto N., et al. Phys. Plasmas, 2008, 15, 013107).

Известно устройство для защиты объекта от ударов молнии, включающее средства для обнаружения приближения грозового разряда к объекту, громоотвод, средства для формирования ионизированного канала в районе объекта для направления разряда молнии на громоотвод, средства для контроля средств обнаружения, с помощью которого формируют ионизированный канал с плотностью ионизации не менее плотности ионизации электризации (US 6072684 В). При этом формирование ионизированного канала запускают при наличии электрического поля с напряженностью около 20 кВ/м и изменения значения поля около 1 кВ/м/мс, а средство для формирования ионизированного канала содержит импульсный лазер с длиной волны от 200 до 400 нм и мощностью от 1 до 2 МВт.

Известны способ и устройство для осуществления электрического разряда или инициирования молнии в атмосфере, что позволяет предотвращать образование объемных зарядов и приводит к уменьшению напряженности электрического поля (US 5175664 В), при этом способ включает шаги:

а) передачу через атмосферу по некоторому направлению одного или нескольких импульсов первого лазера с длиной волны в ультрафиолетовом диапазоне и длительностью, достаточной для создания электропроводящего ионизированного канала в атмосфере по этому направлению, и

б) передачу по указанному направлению одновременно с указанными одним или несколькими импульсами ультрафиолетового диапазона одного или нескольких лазерных импульсов второго лазера на длине волны, большей, чем вышеупомянутые ультрафиолетовые импульсы, например на длине волны в области видимого диапазона, для поддержания проводимости канала в течение времени, достаточного для возникновения молнии в вышеупомянутом направлении.

При этом используют частоту повторения вышеуказанных импульсов, по крайней мере, около 10 Гц, а каждый ультрафиолетовый импульс частотно модулируют таким образом, чтобы импульс сжимался при прохождении через атмосферу. Например, длина волны каждого из ультрафиолетовых лазерных импульсов может составлять около 248 нм при длительности не больше 500 фемтосекунд.

Кроме того, указанный выше способ может предусматривать:

а) передачу по некоторому направлению в атмосфере одного или нескольких лазерных импульсов с длиной волны, существенно большей, чем видимый диапазон, и достаточной силы и продолжительности, чтобы испарить существенную долю капель воды по указанному пути, например импульсов инфракрасного диапазона,

б) передачу по указанному пути совмещенных по времени или непосредственно после передачи импульсов в шаге а) одного или нескольких лазерных импульсов, в основном, ультрафиолетового диапазона и длительностью, достаточной для создания электропроводящего ионизированного канала в атмосфере, и

в) передачу по указанному направлению одновременно с указанными одним или несколькими импульсами ультрафиолетового диапазона одного или нескольких лазерных импульсов большей длины волны, чем вышеупомянутые ультрафиолетовые импульсы, для поддержания проводимости вышеупомянутого канала, например, импульсов видимого диапазона.

Известны способ и устройство для создания множественных протяженных каналов проводимости в атмосфере (US 5726855 В), в которых осуществляют: генерацию лазерного импульса высокой пиковой мощности, например, с использованием лазерной системы с чирпипрованным усилением импульсов с частотой повторения 10 Гц; передачу через атмосферу упомянутых лазерных импульсов с неровным пространственным профилем и с энергией, достаточной для создания множественных протяженных электропроводящих ионизированных каналов в атмосфере, например импульса с энергией не менее 20 мДж и длительностью меньше чем 1 пикосекунда. При этом лазерная система включает в себя задающий генератор, стретчер для растягивания импульсов задающего генератора во времени, усилитель для усиления растянутых импульсов и компрессор для сжатия усиленных импульсов. Также усиленный импульс может пропускаться через устройство, формирующее неровный пространственный профиль пучка, который способствует формированию множественных филаментов.

При этом устройство для управления разрядом молний также включает заземленные средства для направления ударов молнии, расположенные вдали от упомянутого лазера, и средства управления лазерным импульсом для создания упомянутых нескольких электропроводящих ионизированных каналов, расположенных вблизи средств заземления, позволяющих направлять удары молнии через электропроводящие ионизированные каналы к средствам заземления.

Известен способ защиты от молний с помощью инициирования разряда молнии и направления разряда молнии в заданном направлении, включающий формирование последовательности фемтосекундных лазерных импульсов с частотой повторения импульсов не менее 0,5 МГц и продолжительностью последовательности не менее 100 мкс, при этом каждый импульс обладает энергией, превышающей порог энергии, необходимой для генерации плазменного канала (филамента) в атмосфере, передачу этой последовательности фемтосекундных лазерных импульсов в атмосферу при наличии грозового облака (ЕР 2184826 В). При этом в устройстве для защиты от молний осуществляют детектирование условий, необходимых для зарождения и развития молнии, и запускают генерацию последовательности импульсов по результатам этого детектирования. Устройство включает датчик определения состояния атмосферы и наличия условий возникновения молний, выход которого соединен с импульсным источником лазерного излучения, который настроен на генерацию последовательности фемтосекундных лазерных импульсов и подачу их на лазерный усилитель, работающий только во время прохождения последовательности и не более чем одну миллисекунду, и при этом, по крайней мере, часть импульсов может быть вызвана сигналом запуска от датчика определения состояния атмосферы. Устройство содержит аттенюатор света, расположенный между источником лазерного излучения и усилителем, который позволяет управлять энергией импульса в зависимости от его положения в последовательности импульсов. Источник лазерного излучения включает в себя лазер (задающий генератор), комбинированный световой затвор, расположенный между задающим генератором и лазерным усилителем, и цепи управления, настроенные так, чтобы световой затвор селектировал импульсы от задающего генератора на указанной частоте повторения.

Однако все описанные выше способы лазерного инициирования молнии на практике не применяются, вероятность инициирования молнии этими способами крайне низка. Создание и поддержание достаточной для развития пробоя концентрации электронов на значительной длине является сложной задачей.

Так, известно, что даже самые мощные лазеры при самой эффективной фокусировке создают небольшую концентрацию электронов на больших длинах, и соответствующая проводимость такого канала очень мала - на много порядков меньше, чем проводимость металла (V.D.Zvorykin, А.О.Levchenko, A.G.Molchanov, I.V.Smetanin, and N.N.Ustinovskii "Microwave Energy Channeling in Plasma Waveguides Created by a High-Power UV Laser in the Atmosphere", Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2010, Vol.37, No.2, pp.60-64. Allerton Press, Inc., 2010).

Кроме того, время жизни свободного электрона в воздухе τ_е составляет около 7 нс в слабых электрических полях и около 70 нс в сильных полях (Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. М.: Физматлит, 2001; Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974), и это время определяется только свойствами атмосферного воздуха и не зависит от параметров облучения. По прошествии этого времени электрон «прилипает» к молекуле кислорода, и образуется отрицательный ион O₂ ^-. Так, при распространении импульсов ультракороткого излучения, длительность которых много меньше времени жизни электронов, электронная проводимость сохраняется в ограниченной области l=сτ_е=3 м (с - скорость света). Для увеличения длины разряда требуется поддержание ионизации в течение времени развития электрического пробоя, которое может достигать 10 мс в зависимости от приложенного напряжения и длины промежутка (Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. М.: Физматлит, 2001).

При использовании даже мощных лазеров с длительностью импульса около 100 нс свободные электроны существуют в канале около 100÷200 нс. Однако даже этого времени недостаточно для развития разряда - необходимо поддерживать ионизацию в канале в течение времени не менее 10 мс (Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. М.: Физматлит, 2001), то ест, в 100000 раз больше, чем время жизни свободного электрона.

Раскрытие изобретения

При создании изобретения была поставлена задача создания способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосферном воздухе между двумя объектами, имеющими разные электрические потенциалы, и поддержания в течение времени, необходимого для развития электрического разряда, ионизированного канала с относительно высокой стабильной концентрацией ионов О₂ ^-, обеспечивающих преимущественные условия для развития электрического разряда между указанными объектами вдоль указанного ионизированного канала, и снижение порога пробоя как при инициировании электрического разряда, так и при передаче электрического тока между объектами.

Поставленная задача была решена разработкой способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере, в котором обеспечивают формирование канала электрического разряда между объектами, имеющими разные электрические потенциалы, напряженность поля между которыми близка к пороговой напряженности, при которой возникает электрический пробой, отличающегося тем, что указанный канал формируют путем создания в области его предполагаемого размещения отрицательных ионов О₂ ^- и накопления их до достижения стационарной концентрации, поддерживают указанную концентрацию указанных ионов в течение времени, необходимого для развития разряда, и при этом создание и накопление ионов О₂ ^- осуществляют с помощью воздействия на атмосферу в области предполагаемого размещения указанного канала импульсным лазерным излучением, обеспечивающим ионизацию молекул кислорода, с подачей излучения цугом импульсов с периодом следования импульсов в цуге, меньшим времени жизни отрицательных ионов O₂ ^- в атмосферном воздухе, с длительностью каждого импульса в цуге от 1 пс до 10 нс, и подачу цугов импульсов осуществляют в течение времени, превышающего время жизни иона O₂ ^- в атмосферном воздухе.

При этом, согласно изобретению, целесообразно использовать указанное излучение, преобразованное в параллельный пучок диаметром от 3 до 10 мм.

При этом, согласно изобретению, целесообразно подачу излучения осуществлять цугом импульсов с периодом следования импульсов в цуге от 2 мкс до 1 мс.

При этом, согласно изобретению, целесообразно подачу цугов импульсов воздействия осуществлять в течение времени от 10 до 30 мс.

При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве указанного лазерного излучения использовать оптическое излучение лазера на неодимовом стекле с диодной накачкой, оборудованного генератором третьей гармоники, с длиной волны ≈355 нм, с длительностью импульсов 15 пс, с периодом следования импульсов 5 мкс и с энергией в каждом импульсе 40 мДж.

При этом, согласно изобретению, возможно, чтобы указанными объектами были грозовое облако и заземленный электрод.

Кроме того, согласно изобретению, возможно, чтобы указанными объектами были источник и приемник электрической мощности.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению, примерами его осуществления, не выходящими за рамки патентных притязаний и не ограничивающими возможности осуществления изобретения, и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - схема устройства для осуществления способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению;

Фиг.2 - схема проведения исследований инициирования высоковольтного разряда в атмосфере;

Фиг.3, а,с - фотографии высоковольтного разряда в атмосфере самостоятельного (Фиг.3а) и инициированного (Фиг 3с) лазерным излучением;

Фиг.4 - задержки тока разряда относительно лазерного импульса в зависимости от энергии лазерного импульса.

Наилучший вариант осуществления изобретения

Для осуществления способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению может быть использовано устройство А, схема которого приведена на Фиг.1. Устройство А (Фиг.1) содержит:

- лазерный генератор 1, обеспечивающий генерацию последовательности ультракоротких импульсов в виде цуга, в качестве которого был использован лазер Talisker Ultra 1064-16 с длительностью импульса до 15 пс и с длиной волны 1064 нм при частоте повторения импульсов до 200 кГц, то есть периоде от 5 мкс до однократных импульсов;

- двухпроходовый стретчер 2 импульсов на дифракционных решетках, обеспечивающий обратимое растяжение импульсов во времени до 500 пс для снижения их интенсивности с внесением частотного чирпа, который является желательным, но не обязательным;

- многопроходовые усилители 3а, 3b, 3c, разделенные развязками 4а и 4b в виде пространственных фильтров и обеспечивающие на выходе среднюю мощность излучения в постоянном режиме до 20 кВт, что соответствует усилению каждого импульса в цуге до энергии 100 мДж, в качестве которых были использованы лазерные усилители на Nd:YAG с диодной накачкой и с водяным охлаждением;

- двухпроходовый компрессор 5 импульсов на дифракционных решетках, обеспечивающий сжатие предварительно растянутых стретчером 2 импульсов во времени до исходных 15 пс, который является желательным, но не обязательным;

- генератор 6 гармоник, обеспечивающий преобразование фундаментальной исходно генерируемой длины волны лазерного генератора 1 в 3-ю гармонику с длиной волны 355 нм, в качестве которого был использован нелинейный кристалл ВВО (β-barium borate или β-ВаВ₂O₄);

- систему 7 формирования пучка, обеспечивающую преобразование сечения лазерного пучка в узкий квазипараллельный пучок с малой расходимостью и с диаметром 5 мм, в качестве которого был использован телескоп из двух тонких линз;

- защитный заземленный электрод 8, препятствующий замыканию тока разряда на остальные элементы устройства А.

Исследования инициирования высоковольтного разряда в атмосфере были проведены на установке С, схема которой показана на Фиг.2.

При этом установка С (Фиг.2) содержала металлический кольцевой защитный заземленный электрод 8, через который с помощью линзы 9 с фокусным расстоянием 8 м сфокусировано излучение 10 УФ эксимерного лазера 11. На расстоянии 80 см от защитного заземленного электрода 8 на пути распространения излучения 10 установлен металлический электрод 12, выполненный в виде полусферы, подключенный к конденсатору 13 емкостью 0,03 мкФ, заряженному до напряжения 400 кВ.

Исследования были проведены в условиях, когда энергия импульса лазерного излучения варьировалась от 20 мДж до 25 Дж, его длительность составляла 100 нс, а длина волны 248 нм. Расходимость лазерного излучения 10 составляла 10^-4 рад, таким образом, диаметр перетяжки составлял около 1 мм.

На Фиг.3а и Фиг.3с приведены фотографии высоковольтного разряда в атмосфере, самостоятельного (Фиг.3а) и инициированного лазерным излучением (Фиг.3с), полученные на установке С (Фиг.2). Фотография Фиг.3с была выполнена при облучении межэлектродного промежутка лазерным импульсом с длительностью 100 нс и энергией 40 мДж, что соответствует интенсивности лазерного излучения I=7*10⁷ Вт/см² и концентрации N свободных электронов, и, следовательно, концентрации N ионов O₂ ^-N~8*10⁹ см^-3. (V.D.Zvorykin, А.О.Levchenko, A.G.Molchanov, I.V.Smetanin, and N.N.Ustinovskii "Microwave Energy Channeling in Plasma Waveguides Created by a High-Power UV Laser in the Atmosphere", Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2010, Vol.37, No.2, pp.60-64. Allerton Press, Inc., 2010)

На фотографии Фиг.3с разряда видно, что канал электрического разряда, инициированного лазером, прямой, расположен строго по оси лазерного пучка и совпадает с ней. Таким образом, специалистам в области физики атмосферы и лазерной техники понятно, что по пути распространения лазерного пучка создаются преимущественные условия для развития разряда.

На Фиг.4 приведены значения задержек Т тока разряда относительно лазерного импульса, инициирующего разряд, для различных значений энергии Е лазерного импульса, где «+» - положительная полярность, а «» - отрицательная полярность.

Из Фиг.4 видно, что задержка Т между инициирующим лазерным импульсом и началом тока разряда составляет до 7,5 мкс. Время жизни свободных электронов в таком канале не превышает 100 нс, а ионов O₂ ^- - 1-2 мс (Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. М.: Физматлит, 2001; Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974). Таким образом, для специалиста в области физики атмосферы и лазерной техники понятно, что задержка Т между лазерным импульсом и началом тока разряда обусловлена наличием в канале ионов O₂ ^-, которые облегчают развитие разряда пробоя за счет малой энергии связи электрона (потенциала ионизации) Е~0,5 эВ (Burch D.S., Smith S.J., Branscomb L.M. Phys. Rev., 1958, 112, 171) и создают преимущественные условия для развития разряда по пути распространения лазерного пучка.

На основании анализа результатов экспериментов было установлено, что главным фактором при развитии инициированного лазером разряда являются не свободные электроны, а отрицательно заряженные ионы O₂ ^-. Время жизни иона О₂ ^- составляет τ~0,5-1 мс, что сопоставимо с временем развития разряда молнии - 10 мс.

В проведенных экспериментах инициирование разряда одиночным лазерным импульсом с энергией 40 мДж происходило при концентрации ионов О₂ ^-N_один~8*10⁹ см^-3. Поэтому можно заключить, что при воздействии на воздух цуга УФ лазерных импульсов с энергией G=40 мДж в каждом, с аналогичной фокусировкой, и с периодом следования импульсов Т≈2 мкс, за времена порядка времени τ жизни иона O₂ ^- этот цуг импульсов создает по пути своего распространения канал с концентрацией ионов O₂ ^- не меньше чем N_цуг≈N_один·(τ/Т)≈4·10¹² cм^-3, что заведомо достаточно для инициирования разряда. Из-за нелинейного характера ионизации при использовании цуга более коротких импульсов с такой же энергией концентрация ионов О₂ ^- увеличится за счет большей интенсивности.

Так как потенциал ионизации молекулы кислорода составляет I_i=12,08 эВ, а азота I_i=15,58 эВ (Рабинович. В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп. - Л: Химия, 1978, с.27), то под действием оптического излучения УФ или видимого диапазона возможна лишь многоквантовая или ступенчатая ионизация (Зворыкин В.Д., Левченко А.О., Молчанов А.Г., и др. Краткие сообщения по физике, ФИАН, 2010, №2, 49).

Например, под действием излучения KrF лазера с длиной волны 248 нм и энергией кванта 5 эВ возможна трехфотонная ионизация молекул кислорода или четырехфотонная ионизация азота. Поэтому определяющим процессом при ионизации воздуха излучением такого лазера является ионизация кислорода.

Авторы установили, что также возможна ступенчатая ионизация, при которой происходит двухфотонное возбуждение промежуточного уровня молекулы кислорода (или трехфотонное возбуждение для азота), а затем однофотонная ионизация. При этом вероятность фотоионизации зависит от интенсивности лазерного излучения степенным образом. Например, для KrF лазера зависимость имеет квадратичный или кубический характер (Зворыкин В.Д., Левченко А.О., Молчанов А.Г., и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2010, №2, 49).

Таким образом, для специалистов в области физики должно быть понятно, что для более эффективной ионизации воздуха необходимо использовать излучение УФ диапазона, обладающее большой энергией кванта, а также короткие лазерные импульсы, обладающие большей интенсивностью.

При создании ионизованных каналов длиной десятков и сотен метров необходимо использовать параллельный (квазипараллельный) лазерный пучок с диаметром от 3 до 10 мм. При использовании ультракоротких импульсов возможно применить такую фокусировку, чтобы обеспечивать также образование филаментов (пучков проводимости), которые способствуют повышению эффективности ионизации и однородности канала по длине. При этом для специалистов должно быть понятно, что воздействие последовательности (цуга) лазерных импульсов с периодом следования импульсов, меньшим времени жизни иона O₂ ^-, позволяет накапливать эти ионы в канале до достижения через время τ их стационарной концентрации.

При этом «лишний» электрон слабо связан с молекулой О₂ ^-: энергия связи ~0,5 эВ, в то время как энергия, необходимая для ионизации нейтральной молекулы кислорода, - около 12 эВ. Следовательно, если, например, весь кислород в канале превратить в ионы О₂ ^-, то пороговая напряженность, необходимая для возникновения пробоя, снизится в ~24 раза, что более чем достаточно для решения задачи по инициированию высоковольтного разряда.

Таким образом, на основании проведенных экспериментов можно сделать заключение, что для эффективного инициирования высоковольтных разрядов необходимо применять цуги лазерных импульсов со следующими параметрами:

- период следования импульсов в цуге от 2 мкс до 1 мс;

- длительность каждого импульса в цуге от 1 пс до 10 нс;

- длительность всего цуга от 10 до 30 мс;

- энергия в каждом импульсе более 1 мДж.

Таким образом, реализация способа инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению показала его высокую эффективность. При этом вероятность инициирования разряда согласно изобретению и его предельная длина зависят от напряженности электрического поля вдоль инициируемого разряда. При напряженности электрического поля, близкой к пороговой напряженности, при которой происходит пробой, вероятность инициирования разряда близка к единице, а разряд развивается по прямолинейной траектории вдоль лазерного пучка. При этом максимальная длина инициируемого разряда ограничивается пробегом лазерного излучения в атмосфере, который для УФ излучения составляет несколько сотен метров.

Специалистам в области физики атмосферы и лазерной техники понятно, что способ инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению может быть осуществлен как в условиях инициирования молниевого разряда, так и инициирования передачи электрического тока с одного электрода-источника на другой электрод-приемник.

Промышленная применимость

Способ инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере согласно изобретению может быть осуществлен с использованием известных устройств и оборудования и применен для решения различных задач в различных отраслях науки и техники.

Изобретение относится к способам формирования разрядов в атмосфере.

Технический результат - повышение времени поддержания состояния разряда.

Для этого предложен способ инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере, в котором обеспечивают формирование канала электрического разряда между объектами, имеющими разные электрические потенциалы, напряженность поля между которыми близка к пороговой напряженности, при которой возникает электрический пробой, путем создания в области его предполагаемого размещения отрицательных ионов О₂ ^- и накопления их до достижения стационарной концентрации, и поддерживают указанную концентрацию указанных ионов в течение времени, необходимого для развития разряда, и при этом создание и накопление ионов O₂ ^- осуществляют с помощью воздействия на атмосферу в области предполагаемого размещения указанного канала импульсным лазерным излучением, обеспечивающим ионизацию молекул кислорода, с подачей излучения цугом импульсов с периодом следования импульсов в цуге, меньшим времени жизни отрицательных ионов O₂ ^- в атмосферном воздухе, с длительностью каждого импульса в цуге от 1 пс до 10 нс, и подачу цугов импульсов осуществляют в течение времени, превышающего время жизни иона O₂ ^- в атмосферном воздухе. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ инициирования высоковольтных разрядов в атмосфере, в котором обеспечивают формирование канала электрического разряда между объектами, имеющими разные электрические потенциалы, напряженность поля между которыми близка к пороговой напряженности, при которой возникает электрический пробой, отличающийся тем, что указанный канал формируют путем создания в области его предполагаемого размещения отрицательных ионов O₂ ^- и накопления их до достижения стационарной концентрации, и поддерживают указанную концентрацию указанных ионов в течение времени, необходимого для развития разряда, и при этом создание и накопление ионов O₂ ^- осуществляют с помощью воздействия на атмосферу в области предполагаемого размещения указанного канала импульсным лазерным излучением, обеспечивающим ионизацию молекул кислорода, с подачей излучения цугом импульсов с периодом следования импульсов в цуге, меньшим времени жизни отрицательных ионов O₂ ^- в атмосферном воздухе, с длительностью каждого импульса в цуге от 1 пс до 10 нс, и подачу цугов импульсов осуществляют в течение времени, превышающего время жизни иона О₂ ^- в атмосферном воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют указанное излучение, преобразованное в параллельный пучок диаметром от 3 до 10 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют подачу излучения цугом импульсов с периодом следования импульсов в цуге от 2 мкс до 1 мс.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу цугов импульсов осуществляют в течение времени от 10 до 30 мс.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанного лазерного излучения используют оптическое излучение лазера на неодимовом стекле с диодной накачкой, оборудованного генератором третьей гармоники, с длиной волны ≈355 нм, с длительностью импульсов 15 пс, с периодом следования импульсов 5 мкс и с энергией в каждом импульсе 40 мДж.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что объектами являются грозовое облако и заземленный электрод.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что объектами являются источник и приемник электрической мощности.