HAL Id: jpa-00206531
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Submitted on 1 Jan 1967
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Théorie du claquage de l’argon sous l’effet du rayonnement d’un laser
F. Cernuschi, A. Rachman, H. Girotti, L. Bassani
To cite this version:
F. Cernuschi, A. Rachman, H. Girotti, L. Bassani. Théorie du claquage de l’argon sous l’effet du
rayonnement d’un laser. Journal de Physique, 1967, 28 (5-6), pp.401-405. �10.1051/jphys:01967002805-
6040100�. �jpa-00206531�
THÉORIE
DUCLAQUAÇE
DEL’ARGON
SOUS
L’EFFET DURAYONNEMENT
D’UNLASER
Par F.
CERNUSCHI,
A. RACHMAN(1),
H. GIROTTI et L.BASSANI,
Département de Physique, Faculté d’Ingénieurs, Université de Buenos Aires, Argentine.Résumé. - On
développe
une théoriephénoménologique
de l’étincellequi
seproduit lorsqu’un
faisceau laser est concentré sur un volume depetites
dimensions dans une cellulequi
contient del’argon
à unepression
Pa. Diverses théories essayentd’expliquer
lephénomène
de
rupture,
en se basant sur les différents mécanismesmicroscopiques
de l’ionisation.On essaye de donner une
explication théorique
des résultats obtenus par Minck [1] pourl’argon, qui
donnent lespuissances
de seuil ou limite du laser nécessaires pourproduire
larupture,
en fonction de lapression
Pa.L’hypothèse
fondamentale de ce travail consiste à admettre quelorsqu’un
faisceau de lumière cohérente et intense est concentré sur un volume depetites
dimensions, afin d’obtenir degrands champs électriques,
les résultats de l’interaction de la radiation avec le gazpeuvent
être décrits
macroscopiquement,
moyennant un modèleanalogue
à celui utilisé pour l’étude des étoiles enéquilibre thermodynamique
local. Comme l’étincelle s’allume au bout de 9 nsaprès
avoir concentré le laser[7],
la durée del’impulsion
étant de 30 ns, nous supposons que toutel’énergie
du laser est, au bout de 9 ns, totalement désordonnée, et que parconséquent
l’étincelle rayonne comme un corps presque noir. Partant de ces
suppositions,
et utilisant leséquations d’équilibre
pour une étoile gazeuse, danslesquelles
on ne tient pascompte
des effetsde
gravitation,
nous trouvons la distribution de latempérature
à l’intérieur de l’étincelle.En établissant une
hypothèse complémentaire
pour la condition derupture,
on déterminequelle
est lapuissance
limite du laser en fonction de lapression.
Lacomparaison
des résultatsthéoriques
avec ceux obtenusexpérimentalement
par Minck[1] (tableau I)
montre que ces résultats s’accordent avec uneapproximation
suffisante.Abstract. 2014 A
theory
of thespark
which isproduced
when a laser beam is concentrated in a small volume, in a cellcontaining
argon at a pressure Pa, isdeveloped.
There are severaltheories which
attempt
toexplain
thephenomenon
of breakdown, based upon the differentmicroscopical
mechanisms of ionization.We
attempt
togive
a theoreticalexplanation
of the results obtainedby
Minck[1]
forargon, which
give
the threshold power of the laser necessary toproduce
breakdown, as a function of the pressure Pa.The fundamental
hypothesis
of this work consists inadmitting
that when a beam of intense coherentlight
is concentrated in a small volume, the results of the interaction of the radiation with the gas can bemacroscopically
describedby
means of a modelanalogous
to that usedfor the
study
of stars in localthermodynamical equilibrium.
As thespark
starts after 9 nsafter
focusing
of the laser[7],
while the life of the latterbeing
of 30 ns, we suppose that the energy of the laser concentrated in thespark,
iscompletely
disordered after 9 ns, and thatconsequently
thespark
radiates as anearly
blackbody.
From theseassumptions,
andusing
the
equilibrium equations
for a gaseous star,withdrawing
termscorresponding
togravitational
effects, we find the distribution oftemperatures
within thespark. By establishing
acomple-
mentaryhypothesis
for the breakdown condition, we détermine the threshold laser power asa function of pressure.
By
comparing
theoretical results with those obtainedexperimentally by
Minck[1] (Table 1),
we find that our
theory explains
theexpérimental
data with anacceptable approximation.
I. Introduction. - Le
phenomene
de rupture du gaz argon,moyennant
l’action de faisceauxoptiques monochromatiques
intenses(longueur
d’ondeÀ = 6 934
A)
a ete 6tudi6expérimentalement
par Minck[1]
et parMeyerand
etHaught [2].
Dans ces(1) Corps
de RechercheScientifique
du Conseil Na-tional de la Recherche
Scientifique
etTechnique
de1’Argentine.
exp6riences,
les faisceaux defrequence optique
sortantde lasers de
rubis, 6quip6s
enimpulsions g6antes,
6taient concentr6s sur une
petite
cellule depression
dans
laquelle
se trouvait le gaz argon. Une fois fixes lapression
initiale du gaz et le volume de concentra-tion du
faisceau,
la rupture du gaz estproduite
pourune valeur d6termin6e de la
puissance (puissance limite)
du laser.Le
phenomene
derupture
se manifeste par1’appa-
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002805-6040100
402
rition d’une 6tincelle tr6s
lumineuse,
dequelques
millimetres de rayon, autour du
foyer
de concentra-tion
[1].
Ceciindique
laproduction
d’unplasma
avecun important degr6
d’ionisation. La relationqui
existeentre la
puissance
limite du laser et lapression
de1’argon
a ete 6tudi6e entre0,3
et 100atmospheres.
Il est evident que la rupture du gaz ne
peut
etreproduite
parsimple photo-ionisation : 1’energie
duphoton correspondant
a lalongueur
d’onde de 6934 A
est de
1,8 eV,
tandis que1’energie
d’ionisation de1’argon
est de15,8
eV. Il y a diverses theoriesqui
tentent
d’expliquer
lephenomene
derupture,
fond6essur differents m6canismes
microscopiques
d’ionisation.D. D.
Ryutov [3]
assimile le processus derupture
dans la zone defréquences optiques
auclassique
processus derupture
par 1’effet dechamps 6lectriques
de radio-fréquences
ou de micro-ondes[4].
D’autres theories consid6rent des m6canismes quan-
tiques
pourexpliquer
l’ionisation :a) l’absorption
dephotons
par des electrons libres(bremsstrahlung
in-verse) [5] ; b) l’absorption multiple
dephotons [6].
Dans ce
travail,
nous essayons dejustifier
theori-quement les résultats obtenus
expérimentalement
par R. W. Minck[1], qui
donnent lespuissances
limitesdu laser n6cessaires pour
produire
uned6charge
lumi-nescente, sous differentes
pressions,
dans le gaz argon.L’hypoth6se
fondamentale de notre travail consiste a admettre quelorsqu’un
faisceau de lumiere cohe-rente et intense est concentr6 sur un volume de dimensions reduites afin d’obtenir de
grands champs 6lectriques,
les résultats de l’interaction de la radiationavec le gaz
peuvent
etre decritsmacroscopiquement
en utilisant un mod6le semblable a celui utilise pour 1’etude d’6toiles en
6quilibre thermodynamique
local.Pour que ces
hypotheses
soient valables dans notre cas, il est n6cessaire que le «temps
de vie » de lapulsation g6ante
soit d’un ordre degrandeur sup6rieur
au
temps
n6cessaire au gaz pours’ioniser,
seul casou nous pouvons supposer que le
syst6me gaz-radiation
atteint un 6tat voisin de
l’équilibre.
Cette
supposition
se voitapproximativement justi-
fi6e par 1’etude
exp6rimentale
duplasma
r6alis6e parMeyerand
etHaught [7], lesquels
ont trouve que letemps
n6cessaire a 1’etincelle pour s’allumer apartir
de l’instant ou le laser est concentr6 sur le gaz, est
de 9 ns, tandis que le
temps
de vie du laser est de l’ordre de 30 ns, et la vie de 1’etincelle est d’envi-ron 150 ns
[1], [2].
11 r6sulte de ce travail
[7]
que l’intensit6 pour le rouge transmis diminuerapidement
apartir
de 9 ns,tandis
qu’on
observe au contraire uneaugmentation
des intensités
correspondantes
a d’autreslongueurs
d’onde. Les résultats
exp6rimentaux [7]
corroborent donc notrehypothese
de base 6nonc6eplus
haut.Ceci
permet
de supposerqu’au
bout de ces 9 nsle
plasma r6g6n6r6
et la radiation arrivent a un 6tat deregime
stationnaireanalogue
a celuiqu’on
trouvedans la
photosphère
des 6toiles gazeuses. Nous insistonssur le fait que nos relations sont valables une fois que
le
syst6me gaz-radiation
a atteint1’equilibre
thermo-dynamique
local.Nous devons remarquer que l’onde de choc
[11], [12], qui
est un des diff6rents m6canismesind6pen-
dants
qui expliquent
1’existence d’une onded’absorp-
tion et
chauffage (10,
p.664)
est lapartie
transitoire duphénomène.
La duree de cettepartie
transitoirepeut
etre estim6e a peupres
a 9 ns selon les mesuresd’absorption [7].
D’autre part, la velocite de l’onde de choc selon
[11]
est 107
cm/s.
Nous pouvonsadopter
cette valeur dansnotre mod6le de
sym6trie sph6rique.
Le front de l’onde de choc se trouveradonc,
9 nsapres
le d6but de sapropagation,
a peupres
a 1 mm du centre de latache focale. Cette valeur est a peu
pres
4 foissup6-
rieure a celle du rayon de la couche dont la concen- tration des atomes une fois ionises est maximum.
Donc,
9 nsapres
le d6but de lapropagation
de l’onded’absorption
et dechauffage,
nous pouvons admettre raisonnablement que la couche dont la concentration des atomes une fois ionises est maximum et les couches voisines sont en6quilibre thermodynamique
local.Nous ne faisons donc ici aucune
hypothèse
sur lesm6canismes d’ionisation
(absorption multiple
depho-
tons,
rupture
parmicro-ondes,
interactionphoton- photon, etc.),
mais au contraire nous admettons que c’est l’action d’ensemble de tous, ou dequelques-uns, qui
am6nent le gaz a un 6tat depremiere
ionisationpresque totale
[1]
dans un intervalle detemps
suffi-samment
petit
parrapport
a la duree de vie du laser.II.
Équations
fondamentales. - Avec leshypo-
th6ses
deja cit6es,
nous pouvons maintenantappliquer
les
equations d’6quilibre [8],
pour une 6toile en6quilibre
deradiation,
avec lasimplification supple-
mentaire
qu’implique
le fait de supposer que la distribution de matiere est desym6trie sph6rique
etque le terme de
gravitation
est nul.Dans ce cas, nous pouvons admettre
l’hypoth8se
de
1’equilibre m6canique
sansgravitation, puisqu’elle
est
comprise
dansl’hypothèse
de1’equilibre
thermo-dynamique
local[8,
p.205].
ou pg : pression
dugaz; Pr : pression
deradiation;
Fr :
fluxd’6nergie rayonnante;
c : vitesse de lalumiere; x :
coefficientd’absorption
moyen de Rosse- land ou coefficientd’opacite;
p :densite; a :
constantede
Stefan;
T :temperature absolue; e :
chaleurd6gag6e
par unite de masse et detemps.
Dans le cas d’une
étoile, 1’energie d6gag6e
par unite de masse et detemps, e,
estproduite
comme onle sait par des reactions
nucl6aires,
tandis que dansnotre cas
1’energie
totale par unite detemps
au centre de 1’etincelle est6gale
a lapuissance
du laser.III. Distribution des
tempdratures
a l’intérieur de 1 ’étincelle. - Lepremier
pas de notre travail consiste a trouver la distribution destemperatures
à l’intérieur de 1’etincelle dans des zones6loign6es
du volume de concentration du laser ou, pour etreplus precis,
dansces zones de 1’etincelle
qui jouent
le role dephoto- sph6re
de notre 6toilehypoth6tique.
Si nous
d6signons
par re le rayon du volume surlequel le
laser a 6t6concentré,
nous voyons que pour tout r > rP on obtient :ou
Pz
est lapuissance
du laser.Nous admettons de
plus
que, dans la zone danslaquelle
nous avons intérêt a connaitre la distribution destemperatures, l’opacit6
est constante.D’autre
part,
de(1)
on deduit que :La valeur de la constante
peut
etre facilementd6duite,
vu que pour r
>> re
la radiation estd6jh
tr6s dilueeet par
consequent
les valeursde pg
etpr
pour cettezone sont :
Pg == Pal pression
du gaz avantl’allumage
dulaser;
pr
==1/3. a. T.4,
ouTa,
est latemperature
du gaz avant1’allumage
du laser.La valeur de la constante est donnee par :
Comme
Ta ~
300 OK etpa
>0,1 atmosphere
pour tous les cas[1],
il est evident que :Nous pouvons alors écrire
l’équation (6) :
Si maintenant nous
remplaçons (5)
dans(2),
nouspouvons obtenir la valeur de
dT/dr,
cequi
donne :ou il faut tenir
compte
du fait que p aussi bien que Tsont des fonctions de r.
De
(8)
nous d6duisons :Si nous admettons la validite de
1’6quation
d’6tatdes gaz
parfaits,
nous obtenons :ou H : masse du
proton,
p- :
poids
mol6culaire moyen du gazionis6,
k : constante de Boltzmann.
En
remplaçant (11)
dans(9)
nous obtenons :Comme le
poids
mol6culaire moyen est une fonction dudegr6 d’ionisation,
et que ce dernierdepend
dela
temperature
et de lapression, 1’equation (12)
estinsoluble,
a moinsqu’on
ne connaissea priori u
=u(r).
Nous avons
d6jh
dit que nous désirons connaitre la distribution destemperatures
dans la «photosphere »
de
l’étincelle, ou,
selon les donn6esexpérimentales,
legaz est
simple
et presque totalement ionis6.Avec cette
approximation,
onpeut
poser :ou
Az : poids atomique
de 1’element dont le nombreatomique
est Z.En d6finissant les constantes :
1’6quation (12)
se r6duit a :Il est evident dans ce mod6le que la
temperature
doit diminuer
depuis
le centrejusqu’a
lap6riph6rie
de
1’etincelle,
et parconsequent
pour tout r > re, il faut quePour que cette
6galit6
soitsatisfaite,
d’accord avec(15)
il faut que :B1/T4> B2,
et parcons6quent :
En tenant
compte
de(14 a)
et(14 b) :
Donc,
pour la zone ext6rieure au volume de concentra- tion(r
>re),
nous pouvons dire en maniere d’6nonc6 :une fois fixee la
pression Pa,
latemperature apres
l’ionisation ne
peut
etre en aucunpoint sup6rieure
àla valeur donnee par
(17).
En d’autres mots, si l’onmodifie la
pression
du gaz avant que celui-ci n’entreen interaction avec la
radiation,
latemperature
maxi-mum
qu’on
peut atteindreapres
l’interaction varieproportionnellement
a la racinequatri6me
de laditepression.
Nous
appelons temperature limite, TL,
la valeurdonnee par le membre de droite de
(17),
c’est-a-dire : Nous pouvons maintenant écrire(15) :
404
et en
s6parant
les variables :Nous verrons que dans les zones de 1’etincelle 6tudi6es la
temperature
estplus
basse queTL.
Parconsequent,
pour cescouches, 1’6quation (18)
peut etreremplacee
par1’expression approch6e :
et en
integrant
les deuxmembres,
nous obtenons :Comme
Ta
estbeaucoup plus petit
que latemp6ra-
ture de
n’importe quelle
couche ext6rieure de l’étin-celle, (19) peut
s’ecrire : T =[5B2 Ttlr]1/5,
en rem-plaqant B2
de(14 b)
et en utilisant(14 b) :
L’expression (21)
nous donne la distribution detemperature
dans les couches ext6rieures de 1’etincelle pour unepuissance
donnee dulaser,
une valeurdonnee
de pa = aTLj3
et un gaz donne(x).
L’exp6rience
montre[1]
que, pour un gaz donneet une
pression
donnee du meme gaz, l’ionisation seproduit
apartir
d’une certaine valeur de lapuissance
du
laser;
nos calculs sont valables seulement pour les valeurs deP, qui d6passent
cettelimite,
et notreobjectif
est de calculer la valeur limite(ou
deseuil)
de
PL
pourF argon
a differentespressions.
IV. La condition de
rupture
du gaz. - L’6tablis-sement de la condition de
rupture requiert
unehypo-
th6se
complémentaire.
Minck[1]
dit dans son travailque les
lignes spectrales
observ6esexpérimentalement correspondent
fondamentalement a lapremiere
ionisa-tion,
et iln’y
apratiquement
pas delignes qui
indi-quent
lapresence
d’unequantite significative
de ionsa double
charge.
Cette observation se
justifie
dans notre modèle enanalysant
la variation de p et de T en fonction de r.Dans les zones interieures de
1’etincelle,
latemperature
atteint des centaines de milliers de
degres;
deplus,
dansces zones, la
pression
du gaz estbasse,
vu que lapression
est presque totalement due a la
pression
deradiation;
par
consequent,
la densite du gaz estpetite, compar6e
avec celle des couches ext6rieures
(p
=[1.HPg/kT).
Dans ces
couches,
lesph6nom6nes
sontinverses,
lapression
du gaz est presque6gale
apa,
latemperature
est d’un ordre inferieur a celle
qui correspond
auxzones interieures et la densite de gaz est
beaucoup plus grande qu’a
l’int6rieur de 1’etincelle. Dans les couchesext6rieures,
a cause de leurtempérature,
l’ordre d’ionisation est
plus important
que lepremier;
dans les couches
interieures,
lespourcentages
d’ionisa- tion lesplus importants
sont ceux d’ordresup6rieur
aupremier, mais,
vu que la densite de gaz dans les couches ext6rieures estplus grande
que dans lesinterieures,
laquantite
totale d’ions acharge unique
d6passe largement
laquantite
d’ions d’ordresup6rieur.
En
conclusion,
pour 6tablir la condition limite(de seuil)
dans notre cas, onpeut
fixer le rayon ri de lazone
qui joue
le role dephotosphère,
danslaquelle
lepourcentage de
premiers
ions est maximum.La m6thode
d’analyse
utilis6e nous a conduits à6tablir la condition de
claquage
d’une couche ext6- rieure a la tache focale. Celasignifie
que lapuissance
laser
qui produit
leclaquage
de la tache focale d’un volume donneproduit
en memetemps
une concen-tration maximale d’atomes une fois ionises dans la couche
mentionnee;
enconsequence,
si l’onchange
levolume de la tache
focale,
le rayon de la couche danslaquelle
la concentration des atomes une fois ionisesest maximum doit
changer
en memetemps.
C’est decette mani6re
quelque
peu indirecte que notre th6orie considère la variation de lapuissance
de seuil avecla tache focale.
V. Le coefficient
d’absorption
moyen de Rosseland.- La valeur du coefficient
d’opacit6 qui
convientpour notre cas est difficile a determiner.
L’expression
du coefficient
d’opacit6
en fonction de latemperature
et de la densite est
[8] :
où
Nous utilisons une valeur de x
qui
est la valeurmoyenne obtenue en faisant la moyenne dans
(22)
entre
TL
etTL/n,
ouTL/n
est latemperature qui correspond approximativement
a la couche de gaz dont le pourcentage depremiers
ions est maximum.En
remplaqant
la valeur p de(11)
en(22),
et encalculant la moyenne pour 1’etendue des
temperatures correspondantes,
on obtient :pour des valeurs de n >
10,
et tenantcompte
du fait que lapression
laplus
basse utilis6e dans le travail de Minck[1]
estplus grande
que0,1 atmosphere, 1’expression (23) peut
se reduire a la forme :C’est la valeur
de x
que nous utiliserons dans notretravail.
VI. Rdsultats. - En
remplaqant
la valeurde x
donnee par
(24)
en(21),
et choisissant n = 10 etdonnant a la constante les valeurs
num6riques
corres-pondantes,
onobtient,
pour la loi de distribution detemperatures
dans les couches de l’étincelle autourde la couche de
premiere
ionisationmaximale,
1’expression :
Les
grandeurs qui
interviennent dans(25)
sontdonn6es avec les unites suivantes :
T
[OK] ; PL [watts];
r[cm] ; pa [atmospheres].
K. S.
Drellishak,
C. F.Knopp
et Ali Bulent Cam- bel[9]
ont tabul6 lacomposition
duplasma d’argon
en
6quilibre thermodynamique
en fonction de latemperature
et de lapression.
Par
consequent,
nous pouvons, apartir
des ditestables
[9],
determiner pourchaque pression
latemp6-
rature du
plasma d’argon
en6quilibre thermodyna- mique
pourlaquelle
lepourcentage
depremiers
ionsest maximum. Nous
appelons Ti
cettetemperature.
Comme 1’etendue de
pressions
couvertes par les ta- bleaux[9]
estcomprise
entre0,1
et 5atmospheres,
etque nous avons besoin de
Ti jusqu’a
despressions
de 100
atmospheres,
nousacceptons,
enpremiere approximation, d’extrapoler
lin6airement les donn6es des tableaux[9],
en utilisant1’expression approxima-
tive
suivante,
obtenue par la m6thode des moindres carrés :ou
Ti : temperature
duplasma
en OK pourlaquelle
le
pourcentage
depremiers
ions est maxi-mum,
quand
lapression
estPa;
p : pression
duplasma
enatmospheres.
La valeur
de ri
est choisie defaçon
a obtenir la meilleure concordance entre les valeursth6oriques
etexpérimentales
de la courbeP, == f(Pa).
En
adoptant
pour ri une valeur de0,228
mm, eten
remplaçant
les valeurs deTi,
pourchaque pression,
dans
(25)
l’on obtient les valeurs limites(de seuil)
de la
puissance
laserqui provoquent
larupture
dugaz en fonction de la
pression :
P,
est mesure en watts,Ti
en OKet pa
enatmosphères.
Les valeurs
th6oriques
obtenues par notre th6orieet les valeurs
expérimentales correspondantes
obtenuespar Minck
[1]
pour differentespressions
du gaz argon sontindiqu6es
dans le tableau I.TABLEAU I
FIG. 1. - Puissance limite
(seuil)
en fonction de la
pression
initiale du gaz argon.Sur la
figure 1,
on arepresente graphiquement
lesvaleurs
expérimentales
et la courbeth6orique
obtenue.Manuscrit reçu le 26 aout 1966.
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