Нелинейные эффекты при распространении интенсивных лазерных импульсов в аэродисперсных средах. : Экспериментальные исследования

2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
1. Взаимодействие мощного лазерного излучения с отдельными водными
частицами 23
1.1. Термодинамические процессы в капле при ударном нагреве лазерными
импульсами. 25
1.1.1. Кинетика температурных полей в метастабильных жидкостях 29
1.2. Характерные особенности поверхностного и объемного испарения
водных капель в импульсных оптических полях 35
1.3. Нстепловые эффекты при разрушении прозрачных капель 40
1.4. Экспериментальная техника и методики эксперимента 43
1.4.1. Методики исследований разрушения подвешенных на нитях капель
жидкости 45
1.4.2. Методика исследований взаимодействия свободно падающей капли
жидкости с излучением ОКГ 47
1.4.3. Методика исследований взрыва капель в поле излучения импульсного
С02-лазера 49
1.4.4. Методика голографического метода для исследований взрывного
разрушения водных капель с разрешением ^ 10 8 с 51
1.5. Результаты экспериментальных исследований разрушения капли в
импульсных оптических нолях 54
1.5.1. Взрыв-фрагментация 55
1.5.2. Газодинамический взрыв 66
1.6. Движение частицы в радиационном поле 70
1.6.1. Результаты экспериментов 74
1.7. Механизмы оптического пробоя, индуцированного взрывом водной
капли 78
1.8. Сверхкоротковолновое излучение лазерной плазмы водного аэрозоля 84
2. Оптические характеристики аэрозольных частиц в интенсивных
оптических полях 87
2.1. Рассеяние оптического излучения взрывающимися частицами водного
тумана в поле излучения С02-лазера 87
2.2. Изменения оптических характеристик крупнодисисрсного водного
аэрозоля при взаимодействии с интенсивными световыми импульсами наносекундной длительности 91
2.3. Ослабление оптического излучения при взрывс-фрагмснтации
круиноканельного аэрозоля 93
2.4. Нелинейное поглощение импульсного излучения С02-лазера воздухом и
водяным паром 96
3. 3 Эффекты лучевого просветления микрообъемов искусственного тумана
при регулярных и взрывных режимах испарения водного аэрозоля 99
3.1. Просветление искусственного тумана излучением СОг-лазера при
регулярном режиме испарения с малыми тепловыми потерями 101
3.2. Просветление искусственного водного аэрозоля излучением СОг-лазсра
микросекундной длительности 106
3.3. Фазовые искажения лазерного излучения при импульсном просветлении
искусственного тумана 112
3.4. Ослабление и фазовые искажения зондирующих пучков взрывающимися
крупными каплями под действием импульсов СОг и Ш-УАв-лазеров 116
4. Проявление нелинейных эффектов при распространении интенсивных
импульсов СОг-лазера на приземных трассах 122
4.1. Описание схемы экспериментов, аппаратуры и методик обработки
данных 123
4.1.1. Описание системы автоматизированной обработки экспериментов 125
4.1.2. Расчет акустического отклика при распространении лазерного излучения
в атмосфере 128
4.1.3. Сравнение оптико-акустических и стандартных методов для определения
параметров пучка и канала распространения 134
4.1.4. Томографическое восстановление пространственно-энергетического
профиля оптических импульсов 139
4.2. Свечение аэрозольных часгиц и плазменных образований в световом
пучке 145
4.3. Нелинейное аэрозольное рассеяние при импульсном зондировании
атмосферы 154
4.4. Проявления эффекта просветления атмосферы в условиях атмосферной
дымки 158
5. Дистанционная диагностика параметров возмущенной атмосферы с
использованием нелинейных эффектов 164
5.1. Метод нелинейной ИК-локации микроструктуры водного аэрозоля 164
5.2. Использование лазерного пробоя для диагностики химического сос тава
аэрозолей 169
5.2.1. Создание лазерного пробоя в атмосфере 169
5.2.2. Селекция эмиссионных спектров радиоактивных элементов 171
5.2.3. Описание и результаты лабораторного эксперимента 172
5.3. Аэрозольное рассеяние лазерного излучения в процессе выброса
гексафторида урана (1^) в условиях, моделирующих атмосферные 177
5.3.1. Оптико-физичсские и химические свойства продуктов гидролиза иРбИ
механизмы образования из них аэрозольной компоненты 177
4
5.3.2. Оптические характеристики продуктов гидролиза ЬТ6 181
5.3.3. Экспериментальная установка и методика исследования образования аэрозолей при гидролизе и?б 183
5.3.4. Методика измерений рассеяния лазерного излучения продуктами гидролиза 186
5.3.5. Результаты экспериментов 189
5.4. Диагностика излучения атомарного водорода образующегося при
радиационном возбуждении водяного пара в радиоактивном
атмосферном шлейфе индустриальных выбросов 196
5.4.1. Источники образования и фоновая концентрация атомарного водорода в атмосфере 198
5.4.2. Фоновое излучение атомарного водорода в атмосфере 199
5.4.3. Компьютерная система прогноза распространения примеси в атмосфере 201
5.4.4. Оценки излучения атомарного водорода в радиоактивном шлейфе 218
5.4.5. Измерительная установка и методика эксперимента 219
5.4.6. Результаты экспериментальных измерений микроволнового излучения в
полосе излучения атомарного водорода 224
Заключение 231
Литература 234
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований
Уникальные свойства лазерного излучения стимулировали использование лазерных источников в качестве инструмента для научных исследований и различных технических приложений. При работе в атмосфере широкое применение нашли лазерные системы наведения, связи, навигации, дальнометрии, зондирования. Было предложено также использовать мощное лазерное излучение для передачи энергии на значительные расстояния, дистанционного контроля элементного состава аэрозолей, создания протяженных ионизированных каналов, а также для активных воздействий на метеорологические процессы. В настоящее время обсуждаются вопросы создания лазерных систем для коррекции орбит искусственных спутников Земли, лазерно-плазменных двигателей, уничтожения космического мусора, очистки водных поверхностей от нефтяных пленок.
При работе мощных лазерных систем в атмосфере высокая концентрация энергии в пучке вызывает процессы, изменяющие начальные оптические характеристики среды, что, в свою очередь, ведет к дополнительным искажениям структуры лазерного пучка При этом характер, масштабы искажений и физические механизмы их формирования зависят как от параметров излучения, так и от характеристик среды: термодинамических параметров газов, их концентрации, микроструктуры аэродисперсных частиц, турбулентности и т.п. Изучение подобных эффектов и процессов осуществляется в разделе атмосферной оптики - нелинейная оптика атмосферы.
Исследования распространения мощного лазерного излучения в атмосфере представляют кроме прикладного и общефизический интерес. Изучение взаимодействия излучения с аэродисперсными средами в условиях плавления, испарения и взрывного разрушения частиц, плазмообразования важно для решения проблем физики конденсированного состояния вещества.
При использовании лазеров, работающих в окнах прозрачности атмосферы, определяющее влияние на характеристики лазерных пучков оказывают аэродисперсные среды: облака, туманы, дымки.
Одной из центральных задач по изучению распространения интенсивного лазерного излучения в аэродисперсных средах является задача создания в облаках и туманах оптических каналов повышенной прозрачности. Данные исследования проводились в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, в Институте радиотехники и электроники РАН, в Институте оптики атмосферы СО РАН, НПО «Тайфун» Росгидромета, Институте физики Белорусской АН и др. За рубежом такие исследования интенсивно развивались в США и во Франции.
В НПО «Тайфун» были организованы крупномасштабные экспериментальные исследования по прохождению интенсивного лазерного излучения через модельные аэродисперсные среды с большой длиной трассы и большой оптической толщей в аэрозольных камерах с контролируемыми параметрами.
6
Необходимо отметить теоретические исследования по проблеме просветления мутных сред лазерным лучом. В основополагающих работах под руководством Сухорукова А.П., Хмелевцова С.С., Кузиковского A.B., Стрелкова Г. М., Волковицкого О. А., Семенова Л.П. были показаны принципиальные возможности радиационного просветления облаков и туманов при регулярных режимах испарения капель. Теоретический анализ взрывных режимов был проведен в коллективах под руководством Пришивалко А.П., Кандидова В.П. , Алмаева Р,Х.,. Землянова A.A.
В рамках указанного направления представляли несомненный интерес исследования поведения малых объемов дисперсной среды в поле мощных лазерных импульсов. Здесь становилось возможным осуществлять эксперименты с широким диапазоном энергетических условий облучения. Такие работы проводились в Институте оптики атмосферы СО РАН при значительном участии автора диссертации. Важным достижением данных исследований явилось обнаружение взрывного режима испарения капель (Хмелевцов С.С., Погодаев Н А, Чистякова Л.К.), которые положили начало новому направлению в лучевом просветлении -исследованию быстрых режимов просветления, когда ветровое замывание и переконденсация слабо влияют на характеристики канала просветления
Наряду с исследованиями автора диссертации эксперименты по изучению взрывного разрушения водных капель проводились Бариновым В.В (1973), Kafalas Р. (1973), Бисяриным В.П. (1974), Коровиным В.Я. (1975), Мамоновым В.К. (1975), Скрипкиным А.М. (1975), Кабановым А.М. (1985), Толстиковым Ю В.(1987), Chang R.K. (1987), Armstrong R.L. (1990) и др.
Следует отметить, что работы, проводимые в разных коллективах, взаимно дополняют знания о поведении частиц под действием излучения различной интенсивности, длительности и спектрального диапазона и позволяют глубже понять природу эффектов, сопровождающих распространение лазерных пучков. Данные исследования находятся в постоянном развитии, в том числе и в связи с расширением энергетического и спектрального диапазона лазерных источников.
Наряду с исследованиями взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с отдельными каплями, малыми объемами дисперсной среды в модельных экспериментах необходимы были исследования широкого ряда нелинейных эффектов при распространении излучения в натурных условиях.
Появление лазерных систем, работающих в атмосфере, потребовало создания методов и средств определения параметров пучков, распространяющихся в атмосфере и параметров канала распространения. Работы сотрудников Института оптики атмосферы, НПО «Тайфун», Института радиотехники и электроники показали принципиальные возможности использования оптического пробоя, акустических волн для определения энергии излучения, её распределения по сечению, (Высоцкий Ю.В., Волковицкий O.A., Копытин Ю.Д., Погодаев В.А., Покасов Вл.В., Иванов Е В , и др.). В конце 70-х годов были начаты разработки макетов для определения параметров пучка и канала распространения. Перед автором диссертации была поставлена задача проведения натурных экспериментов,
7
имеющих целью как проверку разрабатываемых методов и аппаратуры, а также сравнения различных методов, направленных на регистрацию отдельных оптических параметров, так и выявление новых совокупных явлений, проявляющихся при распространении мощных лазерных пучков в атмосфере.
Следует отметить, что явления, наблюдаемые в атмосфере при прохождении интенсивных лазерных импульсов, могут проявляться в ней и при возбуждении излучением другой природы, в том числе в результате радиоактивных воздействий.
Знания о механизмах нелинейных явлений, сопровождающих распространение в атмосфере интенсивных лазерных импульсов, позволили автору исследовать возможности их использования для решения проблемы экологического контроля радиоактивных загрязнений в атмосфере.
Предметом исследований является использование лазерной искры для обнаружения содержания урана по эмиссионным спектрам, излучения атомарного водорода, образующегося в шлейфе выброса под воздействием радиации на водяной пар, для обнаружения радиоактивного загрязнения, а также исследования кинетики образования частиц при гидролизе гексафторида урана (Ш^). Эти исследования являются приоритетными и дают физическую основу для использования оптических методов, позволяющих осуществлять контроль радиоактивных загрязнений в реальном масштабе времени и на больших расстояниях.
На основе вышеизложенного были сформулированы следующие цель и задачи диссертации.
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы явились экспериментальные исследования физических эффектов взаимодействия интенсивных лазерных импульсов с аэрозолем, их влияния на распространение лазерных импульсов в атмосфере и разработка на их основе методов дистанционной диагностики оптических характеристик канала распространения и аэрозольной составляющей возмущенной атмосферы.
В диссертации решались следующие задачи:
1. Экспериментальные исследования физических процессов, развивающихся при взаимодействии лазерных импульсов с одиночными частицами водного аэрозоля и микрообъемами аэрозолей.
2. Разработка методов, методик и аппаратуры для дистанционной диагностики атмосферного канала распространения и параметров лазерных пучков при наличии нелинейных эффектов и их проверка в натурных условиях: проведение исследований нелинейных эффектов при распространении мощных лазерных импульсов с длиной волны 10,6 мкм на горизонтальных атмосферных трассах.
3. Разработка методов дистанционного контроля экологически опасных загрязнений атмосферы на основе использования полученных в работе знаний об отклике атмосферы на воздействие интенсивных оптических излучений.
8
Методы исследований
Решение поставленных задач осуществлялось на основе лабораторных и натурных экспериментов, математических оценок и численных расчетов.
В связи с тем, что процесс разрушения водных капель зависит от длины волны, интенсивности и длительности импульса, для ударного нагрева частицы в работе использовались промышленные лазеры типа ГОР-02, и ГОР-100 (с длиной волны 0,69 мкм) и имевшиеся в то время опытно-конструкторские разработки. В частности был использован лазер на флюорите кальция, активированного диспрозием, с импульсно-периодическим излучением (с длиной волны 2,36 мкм), разработанный в Институте общей физики АН СССР, а также ССЬ-лазср микросскундной длительности (с длиной волны 10,6 мкм), разработанный в Институте сильноточной электроники СО РАН и изготовленный в Институте оптики атмосферы СО РАН при участии автора диссертации. Такой подход позволял реализовывать различные величину и скорость энерговклада в каплю.
Кинетика разрушения отдельных частиц под действием лазерных импульсов изучалась методами фотосъемки с использованием фотоаппарата и кинокамер с различным временным разрешением. Использовались кинокамера типа 16-СП (24 кадра/с), скоростная кинокамера СКС-1М с временным разрешением до 10_3 с, фоторегистратор типа СФР с разрешением до
л
10 с. Фотосъемка проводилась при подсветке разными способами, в том числе с использованием теневых методов Широкий диапазон временных интервалов протекания процессов (10"2 + 10~9с) обусловил также поиск нестандартных методов регистрации. Для исследований разрушения капель под действием наносекундных импульсов использовался голографический метод, развитый в Томском государственном университете (канд. физ.-мат. наук Демин В.В.) для исследований ансамблей микрочастиц. Рассеяние излучения взрывающимися частицами, а также образование аэрозольных частиц при гидролизе гексафторида урана изучались методами лазерного зондирования, фазовые искажения зондирующих пучков изучались с использованием интерференционного метода, а именно, двухлучевого интерферометра Маха-Цендера. Нелинейное поглощение водяного пара исследовалось с помощью оптоакустического спектрометра, разработанного в Институте оптики атмосферы СО РАН (доктор физ.-мат. наук Пономарев Ю Н). Для проведения натурных экспериментов по изучению распространения мощного лазерного излучения на горизонтальных трассах был создан совместно с НПО «Радуга» (канд. физ.-мат.наук Покасов Вл.В.) исследовательский макет «ИВА», использующий болометрические и акустические измерители, лазерное зондирование, рассеяние воздействующих лазерных пучков атмосферным аэрозолем, пробой и свечение частиц в канале. Для изучения возникновения радиоактивных излучений при взрыве частиц и оптическом пробое использовался промышленный приемник излучения типа счетчика Гейгера. Для изучения возможности оптических методов при исследованиях кинетики гидролиза гексафторида урана в контролируемых условиях совместно с кафедрой 43 Томского политехнического университета (канд. физ.-мат. наук Жерин И.И.) был разработан специальный стенд, включающий блок создания и контроля процесса гидролиза и оптическую часть. Для
9
регистрации излучения атомарного водорода в шлейфе выбросов ядерно-перерабатывающего предприятия совместно с Сибирским физико-техническим институтом (канд. физ.-мат. наук Тарабрин Ю.К.) и кафедрой распространения радиоволн Томского государсгвенного университета (доктор физ.-мат. наук, проф. Якубов В.И.) был разработан и создан макет СВЧ-радиометра.
Метрологическое обеспечение приборов, используемых в экспериментах, осуществлялось метрологической службой ИОЛ СО РАН.
Научные положения, выносимые на защиту
1. При воздействии лазерных импульсов на крупные поглощающие капли при достижении
у
скорости нагрева, превышающей 10 град/с и величины энерговклада, соотвегствующей теплоте испарения частицы, фрагментация капель сменяется газодинамическим расширением продуктов взрыва и инициацией в воздухе ударной волны.
2. Наличие двух максимумов светового поля внутри крупной слабопоглощающей капли, облучаемой лазерным излучением, предопределяет процессы ее взрывного разрушения при воздействии мощного лазерного импульса: возникновение в них больших градиентов температуры и паровых пузырьков, которые при больших интенсивностях падающего поля являются центрами кипения жидкости капли, оптического пробоя и обуславливают несимметричность диаграммы направленности продуктов взрыва.
3. Режим переконденсации пара, ограничивающий эффективность лазерного просветления не является доминирующим в условиях испарения капель тумана в режиме малых тепловых потерь и газодинамического взрыва под действием импульсов СОг лазера. При этом энергетический порог просветления ниже порога оптического пробоя, эффективность просветления выше при поверхностном испарении капель, чем при взрывном.
4. Интенсивность рассеяния лазерного излучения аэрозольной фракцией, образующейся при гидролизе гексафторида урана (иРб) при атмосферном давлении, достаточна для регистрации кинетики формирования частиц до уровней предельно допустимых концентраций (ПДК) ИРб. При этом энергия зондирующего пучка не достигает уровней, при которых проявляются нелинейные эффекты.
5. Индустриальные выбросы в атмосферу, содержащие радиоактивные компоненты, детектируются дистанционно на расстояниях нескольких десятков километров по излучению линии сверхтонкого расщепления основного уровня атома водорода (1420,5 МГц), образующегося в шлейфе за счет диссоциации водяного пара под воздействием рентгеновского излучения с длиной волны < 20 нм.
Достоверность результатов подтверждается
- физической непротиворечивостью экспериментальных данных и воспроизводимостью результатов;
- соответствием полученных результатов с экспериментальными данными других научных групп при близких условиях, в том числе, по взрывному разрушению частиц (Баринов В В. (1973), Ка1а1аз Р. (1973)); по просветлению аэрозольной среды
10
(Небольсин М.Ф. (1974), Волковицкий O.A. (1985) и др.); по распространению импульсного излучения на натурных трассах (Высоцкий Ю. Г1. (1983) и др), по рассеянию излучения взрывающимися частицами (Донченко В.А. (1987) и др), по динамике пробоя при взрыве частиц (Скрипкин А.М. (1990), ПогодаевВ.А. (1988), Копмтин Ю.Д. (1985), Шишигин С.А. (1990) и др.); по кинетике гидролиза гексафторида урана (Ishiba J. (1997), Bostic V.D. (1993) и др.);
-согласием экспериментальных данных с теоретическими оценками и расчетами, например, по взрыву отдельных частиц (Кузиковский A.B. (1970), Землянов A.A. (1976), Свиркунов П.Н. (1973) и др.), по просветлению тумана и образованию при этом эффекта фокусирующей линзы (Кузиковский A.B., Колосов В.В. (1987));
-совпадением экспериментальных результатов, полученных различными методами при одинаковых условиях, например, при определении микроструктуры аэрозоля методами забора проб и голографии или зондирования, оптоакустики и свечения, при определении параметров пучка с помощью оптоакусгики и болометрических измерений, при определении коэффициента ослабления методом оптоакустики и стандартным методом и др.;
- подтверждением ряда выводов и результатов исследованиями, проводимыми позднее другими авторами, в том числе, по взрывному испарению: (Chang J. (1997), Armstrong R. (1990) в части экспериментов, Землянов A.A., ГейнцЮ.Э. (1997) в части теоретического и численного моделирования).
Научная новизна результатов
- впервые определены микрофизические и оптические характеристики фрагментов, при разрушении водных капель под действием интенсивных лазерных импульсов;
- в модельных и натурных экспериментах показана возможность дистанционной диагностики параметров каналов распространения мощного лазерного излучения методами оптоакустики, нелинейной ИК-локации;
- в спектре излучения плазмы, возникающей при взрыве частиц обнаружено существование, коротковолнового излучения с Я < 20 нм;
- показана возможность полного просветления мелкокапельного тумана излучением СОг-лазера микросекундной длительности за счет отсутствия переконденсации на продуктах взрыва; обоснованы критерии выбора параметров импульсного изучения СОг-лазера для оптимальной передачи энергии через мелкокапельный туман, показана высокая термодинамическая эффективность просветления тумана при поверхностном испарении капель при энергиях, близких к порогу взрыва, когда диссипативные тепловые потери пренебрежимо малы по сравнению с энергией, затраченной непосредственно на испарение;
- предложена и разработана методика оптического контроля содержания продуктов гидролиза UFr, в контролируемых условиях, а также в воздухе производственных помещений при аварийных ситуациях;
-экспериментально реализован пассивный дистанционный метод регистрации радиоактивного загрязнения в шлейфе выбросов ядерно-перерабатывающих предприятий по вторичному излучению атомарного водорода на расстоянии 25 км от источника.
11
Научная значимость
- полученные экспериментальные данные о кинетике взрыва водных капель под действием лазерных импульсов различной длительности в широком диапазоне длин волн воздействующего излучения являются базой для теоретического исследования процесса;
-обоснованы принципы выбора параметров импульсного изучения СОг-лазера для оптимальной передачи энергии через туман;
- разработанные методы и аппаратура открывают возможность развивать дистанционные методы, сопоставляя результаты, получаемые разными методами, определять границы их применимости, адекватно интерпретировать физические механизмы взаимодействия излучения с атмосферой;
- идентификация излучения атомарного водорода на частоте 1420 МГц, обусловленного воздействием радионуклидов на водяной пар при радиоактивном загрязнении атмосферы на расстоянии 25 км, показывает обнадеживающие перспективы исследований вторичных проявлений радиоактивности по излучениям других компонентов атмосферы.
Практическая значимость работы
- впервые разработан, создан и эксплуатировался в течение трех лет в полевых условиях автоматизированный комплекс аппаратуры «Ива», обеспечивающий использование новых методов диагностики каналов распространения и параметров лазерного пучка; который в 1988 году был отмечен Дипломом на конкурсе прикладных МИР, выполняемых для отраслевых министерств СССР,
- развиты методы, использующие эффекты оптоакустики, нелинейного рассеяния, оптического пробоя для диагностики каналов распространения и параметров лазерных пучков;
- результаты исследования образования аэрозолей при гидролизе иРб открывают возможность использования оптических методов для исследований кинетики аэрозольной фракции при химических реакциях молекул типа МРб-
Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для широкого круга задач нелинейной оптики атмосферы, охраны окружающей среды, активного воздействия на метеорологические процессы, в том числе:
- при проведении натурных экспериментов, включающих одновременно прямые методы измерений параметров пучков и дистанционные методы, использующие различные физические принципы, а также сопутствующие измерения метеорологической ситуации, микроструктуры и концентрации аэрозоля;
- при разработке оптических систем различного назначения, предназначенных для работы в атмосфере и прогнозировании параметров излучения лазерных пучков, распространяющихся на неоднородных атмосферных трассах;
- при разработке новых технологий, в том числе для решения проблем экологического контроля окружающей среды, в частности, контроля содержания продуктов гидролиза ЦНб в атмосфере и в воздухе производственных помещений для предотвращения аварийных
12
ситуаций, контроля радиоактивности в шлейфе выбросов предприятий ядерного цикла по вторичным излучениям компонент атмосферы под действием радиоактивности.
Внедрение результатов исследований
-результаты работы внедрены в ИОА СО РАН, Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете, Томском политехническом университете, НПО «Астрофизика», НПО «Радуга», НИИ «Альтаир», СПП при Президиуме РАН;
- результаты работы могут быть рекомендованы к использованию в Институте оптики атмосферы СО РАН, Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете, НПО «Тайфун», Томском политехническом университете, лаборатории распространения волн Государственного Университета штата Нью-Мексико (США).
Публикации и апробация работы
По материалам работы опубликовано 115 научных работ, в том числе, 2 монографии в соавторстве, 59 статей в научных журналах и сборниках, 2 авторских свидетельства об изобретении.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и Российских конференциях и симпозиумах:
-Всесоюзные и Международные симпозиумы по лазерному зондированию атмосферы и распространению лазерного излучения в атмосфере, ИОА СО РАН, Томск, 1973, 1975, 1977, 1979, 1981, 1983, 1986, 1987, 1988, 1989, 1990, 1991, 1995, 1996, 1998, 1999;
- X Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Горький, 1972;
-Сибирский симпозиум по лазерной спектроскопии, Томск, 1973, 1982;
-Всесоюзное совещание по атмосферной оптике, Томск 1976, 1980;
- VIII Всесоюзная конференция по нелинейной оптике, Тбилиси, 1976;
- IX Conference on Quantum Electronics and Non-Iinear Optics, Poznan, 1980;
-VI Всесоюзный симпозиум по спектроскопии, Томск, 1982;
- XIII Международная конференция по динамике разреженных газов, Новосибирск, 1982;
- XIV Всесоюзная конференция «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем», Одесса, 1986;
- XIII Всесоюзная научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология» г. Москва, 1987;
- IX Всесоюзная Вавиловская Конференции по Нелинейной оптике, Новосибирск, 1987;
- Всесоюзный научно-технический семинар «Дистанционный мониторинг загрязнений окружающей среды и аномальных явлений», г. Томск, 1991;
-Семинар«Физические методы исследований прозрачных неоднородностей», Москва, 1991;
-Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1991;
-1 Всесоюзная конференция «Оптические методы исследования потоков», Новосибирск, 1991;
13
-The International Aerospace Sensing Conference, USA, Orlando, 1994;
-The European Symposium on Satellite Remote Sensing, Italy, Rome, 1994;
-The 15th Annual Conference AAA’s, Orlando Hyatt, Florida, 1996;
- The Second Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, «KORUS’98», Russia, Tomsk, 1998;
-The European Symposium on Aerospace Remote Sensing, United Kingdom, London, 1997;
-Заседания Рабочей группы проекта «Аэрозоли Сибири», Томск, 1996, 1997, 1998, 1999 ;
-IV и УМеждународный Симпозиум «Оптика атмосферы и океана», Томск, 1997,1998,1999;
- Специализированный семинар по обмену опытом между общественно-научными институтами США и России по проблеме «Радиоактивная ситуация и здоровье населения в Урало-Сибирском регионе: прошедшие десятилетия и взгляд в будущее», Новосибирск, 1998;
X Симпозиум по химии неорганических фторидов, Москва, 1998,
- The European Symposium on Remote Sensing, Spain, Barcelona, 1998, 2000, Florence, Italy, 1999;
- На научных семинарах Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (кафедра общей физики и волновых процессов. Москва, 2000), Научно-производственного объединения «Тайфун» (Обнинск, 2000), Института физики атмосферы РАН (Москва, 2000).
Личный вклад автора
Диссертация является обобщением работ автора по данной проблеме с 1969 по 2000 годы. Ввиду комплексного характера исследований решение ряда задач проводилось в кооперации с учеными, специализирующимися в различных научных направлениях. Первые эксперименты по изучению взрыва капель под действием источников излучения, имеющих длину волны 0,69 мкм и 2,36 мкм, автор проводила и анализировала результаты совместно с Погодаевым В. А. (ныне доктором физ.-мат. наук) и под научным руководством заведующего лабораторией, доктора физ.-мат. наук, профессора Хмелевцова С.С.
Для решении задачи по исследованию взрыва крупных капель под действием микросекундных импульсов СОг-лазера, механизма пробоя, эффектов просветления искусственных туманов автором был изготовлен в экспериментальном цехе Института импульсный СОг-лазер, созданы экспериментальные установки на которых проведены исследования. Методики и результаты экспериментов обсуждались с канд. физ.-мат. наук Кузиковским A.B., возглавлявшим лабораторию с 1977 по 1981 годы.
При исследованиях нелинейного поглощения водяного пара автор диссертации принимала участие в разработке методики, проведении измерений и анализе данных совместно с доктором физ.-мат. наук Пономаревым Ю.Н. и канд. физ.-мат. наук Агеевым Б.Г.
При решении задачи распространения лазерных импульсов в натурных условиях и разработке методов дистанционной диагностики каналов распространения автор в качестве заместителя научного руководителя НИР и одновременно технического руководителя и начальника экспедиций внесла определяющий вклад при формировании научных программ
14
экспедиционных исследований, в создание макетов аппаразуры и проведение экспериментов в полевых условиях. В части анализа оптико-акустических измерений коэффициента ослабления, размеров и расходимости лазерного пучка автор использовала методы обработки данных, развитые канд. физ.-мат. наук Кузиковским A.B., канд. физ.-мат. наук
Колосовым В В., канд. физ.-мат. наук Шаманаевой Л.Г., доктором физ.-мат. наук
Воробьевым В.В.
В исследованиях рентгеновского излучения при взрыве и пробое водных капель под действием импульсов СОг-лазера, эмиссионного спектра лазерной искры на урансодержащих аэрозолях, излучения атомарного водорода в шлейфе выбросов в атмосферу от ядерно-перерабатывающих предприятий, автору принадлежит постановка задачи, участие в разработке методик измерений, организация работ, участие в проведении и анализе результатов экспериментов. Исследования образования и кинетики аэрозольной фракции при гидролизе гсксафторида урана оптическим методом поставлены автором работы, при этом методика реализации процесса гидролиза при контролируемых параметрах исходных веществ разработана зав. кафедрой № 43 Томского политехнического университета, канд. физ.-мат наук Жериным ИИ.
Объем и струюура работы
Представляемая диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 253 страницы основного текста,
содержащего 139 рисунков и _26_ таблиц. Список литературы составляет 316
наименований.
Содержание работы
В главе 1 представлены результаты экспериментальных исследований автора по взаимодействию мощного лазерного излучения с отдельными водными частицами. В п. 1.1 рассмотрены термодинамические процессы в аэрозолях при ударном нагреве лазерными импульсами. Экспериментально подтверждена предсказанная Бункиным Ф.В. возможность перевода макроскопических систем из одного фазового состояния в другое по заданному пути термодинамического перехода при ударном нагреве лазерным излучением.
Приведены результаты экспериментальных исследований, косвенным путем определяющие структуру оптическою и температурного полей в капле по пузырькам пара, возникающим в местах перегрева, так как существование пузырьков в капле в течение некоторого времени дает возможность наблюдать изменение температурных полей за счет движения пузырьков, обусловленного температурными градиентами. Полученные экспериментальные данные показывают, что наличие максимумов электрического поля внутри однородной слабопоглощающей сферы подтверждается в эксперименте. Неравномерности поля внутри капли обуславливают неравномерный теплообмен свободной поверхности и конвективные движения жидкости в частице в течение процесса ее испарения. При больших интенсивностях падающего поля области локальных максимумов являются центрами кипения жидкости капли и, следовательно, ее разрушения.
15
В п. 1.2, 1.3 рассматриваются физические и математические модели и характерные особенности поверхностного и объемного испарения водных капель в импульсных оптических полях. Из приведенного анализа следует, что при энерговкладах, существенно меньших энергии испарения, взрыв слабопоглощающей капли возможен лишь в условиях оптического пробоя вещества. Приводятся оценки энергии, необходимой для разрушения частиц за счет перегрева вещества частицы и нетепловых эффектов: стрикции,
вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), оптического пробоя. Показано, что при уровнях мощности, недостаточных для реализации пробоя, только энерговклады, необходимые для перегрева всего объема капли, могут привести ее к разрушению.
В п. 1.4 описаны экспериментальные установки и методики проведения экспериментов по изучению взрывного разрушения частиц.
Пункт 1.5 посвящен обсуждению результатов исследований взрывного разрушения капель под действием импульсов оптического излучения с различными параметрами (длиной волны, длительностью, энергией в импульсе). Экспериментально показано, что среди возможных механизмов воздействия оптического излучения на водные капли определяющим для ее разрушения является тепловой эффект. Определены энергетические пороги взрывного режима испарения для капель с различным коэффициентом поглощения. Показано, что разрушение капли тепловым механизмом возможно при величине поглощенной энергии порядка энергии испарения. Экспериментально обоснована возможность использования результатов теории взрывного разрушения, построенной в предположении однородности внутренних тепловых источников в капле, для выбора оптимальных энергетических параметров воздействующего излучения при планировании экспериментов по воздействию на водные аэрозоли.
В п. 1.6 приводятся обзор теоретических моделей и результаты экспериментальных исследований движения капель под действием лазерных импульсов. Экспериментально показано, что в интенсивных оптических полях (длина волны X. = 0,69 мкм, длительность импульса -10 ^ с, показатель поглощения капли к - 1СГ3 - 10“4) капли радиусом 50 - 200 мкм под действием реактивных сил могут двигаться с достаточно большими скоростями (до 1,5 м/с).
Средние скорости движения частиц составляют несколько десятков сантиметров в секунду. Направление и скорость движения частицы определяются величиной поглощенной энергии и ее распределением в объеме частицы. В случае больших частиц для оценки реактивной силы и, соответственно, скорости движения частицы достаточно пользоваться теорией, построенной в приближении геометрической оптики.
Малые частицы под действием градиентных сил поля могут двигаться в направлении, перпендикулярном направлению воздействующего излучения. Определены скорости их движения и проведено сравнение с аналитическими выражениями для градиентной силы.
Роль радиометрических сил и сил светового давления при интенсивностях воздействующего излучения, близких к порогам взрыва частицы, незначительна.
16
Пункт 1.7 посвящен экспериментальному исследованию механизмов оптического пробоя, индуцированного взрывом водной капли под действием импульса СОг-лазера Показано, что первичная ионизация не вызвана непосредственно излучением, а является результатом взрыва частицы. Роль излучения сводится к поддержанию разряда в режиме светодетонационной волны.
В п. 1.8 рассматривается вопрос о существовании в спектре излучения плазмы, возникающей при взрыве частиц, коротковолнового излучения с А < 20 нм. Приводятся результаты регистрации сверхкоротковолнового излучения плазмы оптического пробоя, инициированного излучением импульсного СОг-лазера в водной капле. Показано, что основной вклад в рентгеновское излучение вносят вещества, содержащиеся в воде в виде различных солей.
В главе 2 рассмотрены оптические характеристики продуктов взрывающихся частиц при различных режимах взрыва. В п. 2.1 приведены результаты измерений рассеяния тумана (мелких капель) в поле лазерных импульсов микросекундной длительности с длиной волны Х= 10,6 мкм, определена динамика формирования канала распространения в течение длительности воздействующего импульса при различных плотностях падающей энергии, установлены характерные времена существования замутнения и просветления канала, размеры продуктов взрыва и степень их испарения “хвостом” импульса. Получены количественные данные о скорости испарения мелких капель радиусом г < 0,1 мкм при интенсивностях 4 -17 МВт/см2. Обнаружено существенное рассеяние зондирующего излучения видимого диапазона ударными волнами, возникающими при газодинамическом взрыве капель тумана.
В п. 2.2 проанализированы изменения оптических характеристик модельной среды, содержащей водный аэрозоль, в результате разрушения частиц под действием интенсивных световых импульсов с длиной волны 0,69 мкм и длительностью импульса ~ 10 8 с.
Показано, что продуктами взрыва крупных слабопоглощающих капель являются также крупные частицы. Вследствие этого динамика коэффициента ослабления видимого зондирующего излучения должна определяться изменениями рассеянного сигнала в углах, отличных от 0~ 0°. Для углов 0° рассеяние, в основном, обусловлено дифракцией, и его диаграмма имеет лепестковую структуру, в первом лепестке которой (направление вперед) сосредоточено до 84% рассеянной энергии. Проведенные расчеты показали, что уменьшение размеров частиц при взрыве в данном случае приводит к угловому увеличению первого лепестка от ~ 0,5° до ~ 2°, что важно учитывать при работе с приемными системами, имеющими малую угловую апертуру.
В п. 2.3 приведены результаты изучения ослабления видимого зондирующего излучения продуктами взрыва дождевых капель с начальным радиусом 50-200 мкм (к ~ 5-10 3) под действием миллисекундных импульсов с X = 0,69 мкм. Показано, что объем, занятый продуктами взрыва сильно зависит от коэффициента поглощения вещества капли, с увеличением которого наблюдается более симметричная форма объема, содержащего продукты взрыва. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что гидрометеоры
17
(средний радиус капель > 50 мкм, концентрация 1 - 2 см-3) при воздействии импульсного излучения, обеспечивающего взрыв водных капель, трансформируются в туман средней плотности (радиус частиц 5 -10 мкм, 103 - 104 см"3). Условия распространения зондирующего излучения в этом случае резко ухудшаю тся. Основной причиной модуляции его интенсивности является изменение концентрации частиц в среде.
В п. 2.4 изложены результаты экспериментальных исследований нелинейности поглощения водяного пара, образующегося при взрыве капель, под действием импульсного излучения СОг-лазера, генерирующего на нескольких колебательно-вращательных переходах и используемого для изучения взрывного разрушения водных частиц. Показано, что нелинейность поглощательной способности водяного пара при больших интенсивностях лазерного излучения, обусловленная влиянием поля на потенциал межмолекулярного взаимодействия, приводит к уменьшению коэффициента поглощения на 30 % при
л
интенсивности излучения, превышающей 0,5 МВт/см .
Глава 3 посвящена экспериментальному изучению оптимальных условий просветления микрообъемов искусственного тумана мощными лазерными импульсами миллисекундной и микросекундной длительности с длиной волны 10,6 мкм и влияния поверхностного и взрывного испарения капель на амплитуду и фазу зондирующего пучка.
В п. 3.1 приведены результаты экспериментальных исследований просветления микрообъема тумана при испарении частиц в режиме малых тепловых потерь при интенсивностях излучения, близких к порогу взрыва. Выводы об эффективности воздействия делаются по результатам измерений нелинейного пропускания в спектральных участках 10,6 мкм и 0,63 мкм и фотоакустического сигнала, непосредственно характеризующего диссипативные процессы в канале просветления. Показана высокая эффективности данного режима просветления за счет малости тепловых потерь и отсутствия перскондснсации.
В п. 3.2 экспериментально изучается возможность просветления водного аэрозоля с модальным радиусом 0,5 - 2,0 мкм при взрывном испарении под действием излучения СОг-лазера микросекундной длительности. Показана возможность полного просветления, которое устойчиво сохраняется в течение времени, определяемого ветровым замыванием зоны воздействия. Требуемый для этого уровень плотности энергии (30 Дж/см2) указывает на низкую локальную эффективность использования падающей энергии, что, в свою очередь, обусловлено просветлением воды как нелинейного материала. Энергетический порог полного просветления оказывается ниже порога оптического пробоя. При неполном просветлении гетерогенная перскондснсация на каплях, образовавшихся при взрыве приводит к замутнению. Пересыщение в зоне воздействия возникает в результате диффузионной и тепловой релаксации конечных сфер. Эффективность данного режима значительно ниже, чем при испарении в режиме малых тепловых потерь.
В п. 3.3. представлены результаты исследований фазовых искажений лазерного излучения при импульсном просветлении искусственного тумана. Обнаружено предсказанное теоретически увеличение локальной плотности газа при взрывном испарении
18
капель тумана, приводящем к фокусировке излучения. Определено время существования этого эффекта. Получены экспериментальные данные о динамике показателя преломления при просветлении и показано, что тепловые потери при взрывном испарении капель в условиях полного просветления тумана значительно меньше теплоты испарения.
В п. 3.4 приводятся результаты экспериментов, в которых исследовались оптические характеристики среды при взрыве крупных водных капель иод действием коротких импульсов излучения СО2- и М-УАв лазеров, когда скорости нагрева вещества частиц могут достигать 1011 градус/с, и взрыв происходит с интенсивными паровыми потоками и разлетающимися частицами.
В главе 4 обсуждаются результаты натурных экспериментов по распространению мощных лазерных импульсов с длиной волны 10,6 мкм на приземных трассах.
В п. 4.1. описаны аппаратура, блок-схема, методики и данные натурных экспериментов. В пп. 4.1.1 приведены технические данные разработанного в рамках данной работы измерительного комплекса «ИВА», включающего болометрические, оптические и акустические датчики. В пп. 4.1.2. обсуждаются оптико-акустические методы диагностики параметров атмосферы и канала распространения. Проведены численные расчеты величины и формы звуковых импульсов для гауссовых пучков в случае трех наиболее характерных типов амплитудной модуляции излучения во времени: ступенчатой, короткого импульса и гармонической модуляции, которые дают полное представление об акустических полях, возникающих при распространении модулированных лазерных пучков при отсутствии эффекта кинетического охлаждения среды. Совмещение эксперимента с численным расчетом для выбранного режима лазерного излучения позволяет определить мощность излучения или коэффициент поглощения воздуха, так как отличие расчетного безразмерного значения звукового давления от измеренного определяется коэффициентом, который представляет постоянную величину для каждого случая модуляции и содержит искомые параметры.
В пп. 4.1.3 рассматриваются результаты экспериментальных оптико-акустических исследований в реальной приземной атмосфере и методы их практического применения в задачах дистанционного зондирования. Показано, что геометрические и энсргегичсскис характеристики пучка, измеренные оптико-акустическими методами, хорошо согласуются с результатами контактных болометрических измерений, что подтверждает перспективность этих методов. Также подтверждена перспективность оптико-акустического метода для измерений полей коэффициента поглощения вследствие его локальности и пассивности. Приведены результаты измерений коэффициента ослабления лазерного излучения по предложенному методу для различных значений плотности энергии и данные контактных оптических измерений, выполненных с помощью двух болометрических измерителей, которые устанавливались в начале и в конце трассы. Результаты сравнения показывают, что относительное отклонение не превышает 15% для плотности энергии и> < 13 Дж/см2. При и'>13Дж/см2 наблюдается систематическое расхождение результатов. Возможно, это объясняется тем, что указанные значения энергии выходят за пределы линейности
19
болометрических приемников. Рассматриваемый метод измерения нелинейного коэффициента ослабления в области оптического возбуждения среды без привлечения дополнительной априорной информации показал работоспособность в реальных условиях.
В пп. 4.1.4 приводятся результаты использования метода томографии при восстановлении пространственно-энергетического профиля оптических импульсов при измерениях энергии болометрическими приемниками излучения проволочного типа. Показано, что предложенный алгоритм позволяет наиболее быстро с помощью оптимального сочетания числа исходных проекций и количества отсчетов для каждой из них восстанавливать пространственно-энергетическую структуру оптического импульса. .Алгоритм является работоспособным для восстановления структуры оптического излучения при уровне шумов до 20 %, и может бьггь рекомендован к применению в оптических информационно-измерительных системах.
Пункт 4.2 посвящен обсуждению результатов по исследованию свечения атмосферных аэрозольных частиц и плазменных образований в световом пучке. Показано, что свечение в канале начинается на 0,2- 1,0 мке позднее прихода переднего фронта лазерного импульса. Флуктуации интенсивности в пучке в начале импульса не приводят к флуктуациям свечения, которые возникают только к концу импульса. Максимумы интенсивности свечения в разных участках спектра совпадают во времени, хотя и наступают позднее максимума воздействующего импульса, что характерно для теплового механизма развития равновесной плазмы. Флуктуации свечения к концу лазерного импульса свидетельствуют о существенной роли энергии линейчатого спектра излучения очагов, т.е., о не слишком высоких температурах (/’> 103 К) и давлениях, достигаемых при поглощении энергии инициирующего импульса. Хотя природа свечения в экспериментах может быть тепловой, характер процессов в канале пучка не сводится к простому нагреву и остыванию аэрозольной частицы. Так как температура аэрозольной частицы достигает значений ~ (2-8)103 К и выше, вполне возможны ее сильные структурные изменения вследствие уплотнения частиц с рыхлой структурой при плавлении и испарении, а также другие процессы, связанные с изменением химического состава и соответственно объема аэрозольной частицы в результате разложения или горения.
Натурные исследования показывают, что под действием излучения ССЬ-лазера возможно возникновение оптического пробоя и теплового свечения аэрозольных частиц. Это определяется значениями интенсивности в пике импульса и крутизной переднего фронта, так как процесс нагрева аэрозольных частиц до температуры развитого испарения еще не гарантирует появления очага пробоя, способного эволюционировать в режиме световой детонации.
В п. 4.3 приводятся экспериментальные результаты изучения нелинейного аэрозольного рассеяния при распространении мощных микросскундных импульсов на горизонтальных трассах. Измеренный коэффициент рассеяния на длине волны 10,6 мкм оказался выше рассчитанного линейного коэффициента рассеяния на порядок. Линейный коэффициент рассеяния рассчитывался с использованием измерений микроструктуры аэрозоля в
20
атмосфере в период экспериментов. Анализ осциллограмм показывает, что форма рассеянных сигналов для 0=30° и 0=150° во всех измерениях подобна оптическому импульсу, но более гладкая, интенсивность рассеянного при 0= 30° сиг нала почти в 10 раз больше интенсивности рассеянного при 0= 150°, что свидетельствует о вытянутости вперед индикатрисы рассеяния, т.е. о наличии крупных рассеивающих неоднородностей. Максимальное значение рассеянного сигнала наблюдается после прохождения наиболее интенсивной части импульса и коррелирует с интенсивностью светящихся образований. Приводятся анализ и оценки влияния теплового излучения светящихся рассеивателей, тепловых ореолов, псрскондснсации, наличия сульфатных и кварцевых частиц, которые имеют большие значения вещественной и мнимой частей показателя преломления на характер рассеянного сигнала.
Показано, что эффект переконденсации в определенных метеорологических ситуациях также может приводить к значительному увеличению рассеянного излучения. Тепловые ореолы являются новыми рассеивателями с размерами, превышающими размеры аэрозольных частиц на два порядка, что приводит к увеличению сигнала рассеяния в 104 раз. При этом значительная доля рассеянной на этих ореолах энергии так же, как и на ударных волнах, будет сосредоточена в узком угле около направления вперед, так как их диэлектрическая проницаемость меньше, чем у частицы аэрозоля. Таким образом, согласно проведенным экспериментам и их анализу, при использовании нелинейного коэффициента аэрозольного рассеяния в задачах зондирования и распространения лазерного излучения в дисперсных средах необходимо учитывать рассмотренные выше особенности при различных плотностях энергии излучения, приводящих к взрыву водных капель, тепловому свечению и высокотемпературному оптическому пробою на твердых аэрозолях.
В п. 4.4 представлены результаты натурных исследований нелинейного коэффициента ослабления атмосферы на длине волны 10,6 мкм. Показано, что динамическая прозрачность для моноимпульсов имеет резко выраженный спад до значений 0,2 - 0,4 в течение 5-10-7 — 8 10'с, затем выходит на определенный стационарный уровень. С ростом метеорологической дальности видимости (МДВ) в зимне-весенний период наблюдается слабый рост прозрачности трассы от 0,65 до 0,86. Большой разброс экспериментальных точек обусловлен изменениями относительной влажности (наряду с погрешностями измерений) от 32 до 87 %, что позволяет оценить ее вклад в функцию пропускания и подтверждает сделанные ранее выводы. При распространении сдвоенных импульсов важным является выбор времени задержки между импульсами, например, когда аэрозоли уже испарились, а вторичная конденсация еще не началась. При сдвоенных импульсах для первого импульса в течение 0,2 - 0,5 мке наблюдается резкое ослабление зондирующего излучения, которое затем выходит на некий стационарный уровень. Второй импульс проходит практически без искажений и с малыми потерями энергии, не выходящими за пределы рассчитываемых. Увеличение длительности воздействующего импульса до ~410_5с не приводит к принципиальным изменениям динамики его распространения по сравнению с импульсами микросекундной длительности. Здесь также наблюдается ярко
21
выраженный “провал” в начальный момент времени, кроме того, в конце импульса наблюдается уменьшение прозрачности из-за возникающих пересыщений, когда рост вторичных капель приводит к их оптической активности. Приведенные результаты дают количественные характеристики зависимости нелинейной функции пропускания от состава и концентрации аэрозольной компоненты и влажности и могут быть использованы для определения параметров этих компонент.
Глава 5 представляет результаты разработки дистанционных методов диагностики возмущенной атмосферы.
В п. 5.1 рассматривается метод нелинейной ИК-локации микроструктуры аэрозоля, который заключается в том, что при неизменной длине волны зондирующего излучения с помощью воздействующего импульса “деформируется” во времени по известному закону функция распределения частиц по размерам и затем на основе измерения временной зависимости коэффициентов рассеяния решается обратная задача и восстанавливается начальный вид функции распределения. Показано, что ошибка восстановления по наивероятнейшему радиусу составила -14%, по полуширине -3%. Точность восстановления падает с уменьшением размеров частиц.
В п. 5.2 представлены результаты экспериментов по изучению возможности обнаружения элемента урана по эмиссионному спектру оптической плазмы, возбужденной микросекундными импульсами СОг-лазсра на жидких и твердых частицах, содержащих уранилфторид. Выделены спектральные линии ионов урана, и показана возможность использования оптического пробоя для дистанционного обнаружения урана в выбросах перерабатывающих предприятий атомной промышленности. Полученная в экспериментах чувствительность вдвое превышает предельную чувствительность, полученную ранее, что позволит уверенно принимать сигнал на трассах 150-200 метров при энергии воздействующего микросекундного импульса - 3 кДж. При этом ослабление сигнала атмосферой будет незначительным, поскольку коэффициент ослабления излучения аэрозольной атмосферой на длинах волн 0,4 мкм составляет 0,1 км.
Пункт 5.3 посвящен исследованиям образования частиц при гидролизе ЦГг, в контролируемых условиях, имитирующих атмосферные, по рассеянию зондирующего излучения. В связи с этим рассматриваются механизмы и особенности образования радиоактивных аэрозолей в воздухе при утечках гсксафторида урана, их основные оптикофизические свойства, возможности оптических методов, методики экспериментов, аналитические методики и программы обработки результатов измерений, описание экспериментальной установки и результаты экспериментальных исследований для различных концентраций исходных компонентов реакции. На основе полученных в экспериментах результатов показано, что размеры аэрозольной фракции продуктов гидролиза составляют 0,05 -0,08 мкм и их концентрации N/1^= 2,4-1020 м~3 и N(,0^ = 0,7-10 м . Это позволяет использовать оптические методы для контроля кинетики
гидролиза до уровней концентраций гексафторида урана ниже ПДК. Гидролиз в объеме с образованием аэрозольной фракции идет даже при концентрациях гексафторида урана,
22
близких к уровню ПДК (иг6~ 10"5- 10~6 мм рт. ст.). При всех исследуемых концентрациях и стехиометрических соотношениях исходных компонентов в процессе активного гидролиза (первой стадии) остается свободный иБб, который продолжает реагировать как с продуктами гидролиза, так и с водяным паром в течение длительного времени.
В п. 5.4 обсуждается проблема контроля радиоактивных загрязнений по вторичным проявлениям радиоактивности. Приведены оценки для реализации обнаружения радиации по излучению атомарного водорода на частоте 1420,405 МГц, оценено влияние атмосферы на распространение шлейфа и объемную концентрацию атомов водорода. Получены соотношения, позволяющие определять оптимальные условия приема излучений для различных метеорологических условий. Описан спектрорадиометр, разработанный для измерений слабых излучений на частотах до 1,6 ГГц и представлены результаты натурных измерений излучения атомарного водорода в шлейфе радиохимического завода на расстоянии ~ 25 км. Обнаружена чёткая локализация излучения по направлению и частоте. Полученные в экспериментах результаты хорошо укладываются в рамки разработанной модели. Существенное различие по сравнению с расчётами наблюдается только в интенсивности излучения: в экспериментах интенсивность оказалась значительно выше расчётной, что может быть связано с большими концентрациями радиоактивных загрязнений, чем приняты в модели. Форма и ширина излучения согласуется с оценками линии водорода, однако, максимум интенсивности линии водорода изменялся по частоте от реализации к реализации в полосе ±10 кГц относительно значения 1420,405 МГц, что может быть вызвано неравномерным распределением источников излучения в шлейфе и наличием мелкомасштабных турбулентных вихрей, движущихся как целое в пределах шлейфа. Обнаружено также, что в случае прохождения трассы измерений над городом и промышленными предприятиями наблюдается более медленный спад интенсивности излучения, чем на трассах, проходящих над лесом и полем. Возможными причинами этого эффекта могут быть фотохимический смог и переотражение излучения от высотных зданий.
В заключении перечислены наиболее важные результаты, полученные автором работы, и приведены основные выводы.
23
1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ОТДЕЛЬНЫМИ
ВОДНЫМИ ЧАСТИЦАМИ
Изучение закономерностей взаимодействия оптической радиации с отдельными частицами жидко-капельной и кристаллической фракции атмосферного аэрозоля позволяет получить надежную микрофизическую основу для решения задач распространения оптического излучения в аэродисперсных средах.
Для создания каналов повышенной прозрачности наиболее простым способом уменьшения оптических сечений капель является их поверхностное испарение в результате нагрева оптическим излучением. Поэтому первые работы в этой области были направлены на исследование поверхностных режимов испарения капель, нагретых лазерным излучением [1-24]. Теоретические исследования поверхностного испарения проводились с использованием довольно широкого набора различных методов и приближений. Для небольших плотностей мощности воздействующего излучения (~ 10 Вт/см2) эта задача решалась при учете только диффузионного выноса массы и тепла от поверхности испаряющейся капли [15-16]. Границы применимости полученных результатов по энергетике пучков несколько расширились при учеге нелинейной зависимости концентрации насыщенного пара от температуры, что было сделано в работах [4-10].
Кроме того следует отмстить, что большинство расчетов было выполнено в квазистационарном приближении, которое хорошо описывает процесс для капель радиусом ~ 10-3 — 10"2 см при эффективной плотности мощности воздействующего излучения до
л
200 Вт/см , что подтвердили экспериментальные работы [17-19].
Исследования нестационарного процесса испарения, а также оценки влияния кинетических эффектов, термодиффузии и других показали, что эти эффекты практически не меняют физическую картину поверхностного испарения капель с точки зрения интересующей нас проблемы. Учет гидродинамических эффектов в работах [13, 20] привел к результатам, близким к результатам, полученным в квазистационарном приближении [24].
Дальнейшим развитием работ по изучению теплового действия лазерного излучения на дисперсные среды являлось изучение взрывных режимов испарения. В Институте оптики атмосферы в экспериментах по лазерному испарению водных капель под действием лазерных импульсов автором данной работы совместно с Букатым В.И., Погодаевым В.А. и Хмелевцовым С.С. было обнаружено их взрывное разрушение [25]. Появились первые математические модели взрывного испарения капли (Кузиковский A.B. [9], Свиркунов П.Н. [26], Стрелков Г.М. [27]), которые были сделаны в предположении однородности оптического ноля внутри частицы. Эти модели, несмотря на свою простоту, позволяли определить величину энергии, необходимой для достижения в капле пороговой температуры, близкой к температуре фаницы абсолютной термодинамической неустойчивости воды при атмосферном давлении, а также - время достижения этой температуры при известных параметрах излучения. В работах Кузиковского A.B. и Зсмлянова A.A. [28, 29] был предсказан и теоретически исследован закритический (однофазный) режим взрыва капель. Пришивалко А.П. [30] впервые численными методами нашел условия взрывного разрушения капель при неоднородном энерговыделении для излучения с длиной волны 10,6 мкм.