Молния и молниезащита - Использование лазерной искры для обеспечения молниезащиты объектов

Стержневые молниеотводы обеспечивают любую необходимую степень надежности молниезащиты как одиночных объектов, так и объектов, занимающих значительную площадь. Для обеспечения надежной молниезащиты необходимо лишь выбрать достаточное превышение высоты молниеотвода над высотой защищаемого объекта и соответствующее расстояние до молниеотвода. Однако высокий молниеотвод служит при этом целеуказанием на место расположения защищаемого объекта, что не всегда целесообразно или даже допустимо. Поэтому целесообразно рассмотреть возможность создания молниеотвода на основе лазерного излучения. При этом ставится задача создания и поддержания лазерного искрового канала на время развития разряда молнии, отмеченного, например, по факту нарастания напряженности электрического поля вблизи защищаемого объекта или непосредственно вблизи его верхней поверхности. Лазерная искра должна играть роль молниеотвода и изменить направление развития разряда в сторону от защищаемого объекта. Возможность такого использования лазерной искры доказана прямыми экспериментами на наружном испытательном стенде СПбГПУ (см. рис. 2.30). Высокоионизованный канал создавался при фокусировке излучения лазерной установки длиннофокусной линзой. Эта лазерная установка включала в себя задающий генератор и усилитель, которые были выполнены на базе серийного оптического квантового генератора ОКГ ГОС-1001, выпускаемого отечественной промышленностью. 

Рис. 2.41. Фотография длинной лазерной искры

Средняя мощность в импульсе на выходе задающего генератора составила 2 ГВт (длительность импульса 50 нс, энергия 100 Дж). При этих значениях входной энергии оптический усилитель имел коэффициент усиления 1,5...2. Максимальная энергия импульса излучения всей установки была 160 Дж, средняя мощность в импульсе была приблизительно 5 ГВт. Угловая расходимость излучения не превышала Г. С помощью лазерной установки была создана искра оптического пробоя длиной 60 м, состоящая из большого числа отдельных яркосветящихся областей длиной в несколько сантиметров [38] (рис. 2.41).
В соответствии с расположением лазерной установки эта искра была направлена параллельно поверхности земли и не могла использоваться для молниезащиты. Для поворота лазерного излучения в направлении расположения объектов молниезащиты и затем в вертикальном направлении использовались две призмы полного внутреннего отражения (рис. 2.42), в которых поглощалась значительная часть энергии создаваемого импульса. В результате удалось создать вертикальную искру оптического пробоя длиной 1 м, длительность существования высокоионизованной плазмы в которой составляла около 25 мкс [39, 40].

Рис. 2.42. Схема экспериментальной установки для исследования эффективности использования лазерной искры в качестве молниеотвода [39]:
1 - высоковольтный сферический электрод; 2 - защищаемый объект, 3 - лазерная искра, 4 - концевая система вывода лазерного луча; 5 - линза; 6 - призма полного внутреннего отражения, 7 - фотоэлектронный умножитель; 8 - осциллограф; 9 - пульт управления каскадом трансформаторов, 10 - схема задержки; 11 - схема запуска оптического квантового генератора, 12 - оптический квантовый генератор; 13 - блок управления его затвором: 14 - схема задержки

При соответствующей синхронизации лазерной установки с источником импульсного напряжения этого времени достаточно для накопления в объеме газа избыточного заряда, знак которого противоположен полярности импульса напряжения, как это происходит в металлическом стержне тех же размеров.
Напряжение от каскада испытательных трансформаторов заданной формы (длина фронта 3500 мкс, максимальное напряжение положительной полярности 2700 кВ) подавалось на решетчатую сферу диаметром 2 м, расположенную на высоте 10 м над поверхностью земли. Исследования проводились в два этапа.

Рис. 2.43. Схема расположения электродов модели молниезащиты без лазерной установки

На первом этапе были подобраны размеры моделей защищаемого объекта и молниеотвода, обеспечивающие наибольший эффект при изменении высоты молниеотвода на 1 м (рис. 2.43).

Высота модели защищаемого объекта была принята 2,4 м; высоты молниеотводов, располагавшихся на различных расстояниях до объекта S и X, были 3,8 и 4,8 м. Высота молниеотводов определилась конструктивными размерами экспериментальной установки, так как моделью молниеотвода служила концевая система вывода лазерного луча, используемого на второй стадии исследований. Исследования показали, что при S=1,3 м и X=1,7 м условия выполнения эксперимента оптимальны, поскольку при изменении высоты молниеотвода на 1 м (максимальная длина вертикальной оптической искры) изменение вероятности поражения молнией объекта выходит за пределы доверительных интервалов для измеренных значений вероятности при ограниченном числе опытов (табл. 2.1).
На втором этапе исследований высота молниеотвода увеличивалась с 3,8 до 4,8 м за счет лазерной искры. При этом также измерялась вероятность поражения объекта и молниеотводов. Фаза развития лидера и момент появления лазерной искры определялись по осциллограммам заряда на объекте и импульса фотодиода, соответствующего моменту прохождения лазерного импульса.  Таблица 2.1

Таблица 2.2

Возникновение непрерывной фазы развития лидера характеризуется резким увеличением заряда на объекте, наводимого зарядом лидера. Синхронизация момента запуска лазерной установки с фазой развития лидера искрового разряда проводилась при использовании измеряемой зависимости заряда на объекте от времени: сигнал на срабатывание затвора квантового генератора подавался в момент достижения определенного заряда, наводимого на объекте развивающимся лидером.
Была принята следующая методика исследований защитного действия лазерной искры. Вначале проводились опыты без лазерной искры над молниеотводом (высота молниеотвода 3,8 м), затем - опыты с лазерной искрой, увеличивающей высоту молниеотвода до 4,8 м. После этого опять проводились опыты без лазерной искры, но с увеличением высоты молниеотвода до 4,8 м металлическим стержнем. Результаты этих исследований приведены в табл. 2.2.
Результаты экспериментов показали, что при наличии лазерной искры над молниеотводом высотой 3,8 м вероятность поражения объекта снизилась с 0,26 до 0,08. Оценка доверительных интервалов с надежностью 0,95 показала, что это различие не случайно. С другой стороны, сравнение результатов опытов с надстройкой молниеотвода высотой 3,8 м лазерной искрой и металлическим стержнем одинакового размера привела практически к одинаковому снижению вероятности поражения объекта (расхождение находится в пределах доверительных интервалов). Это обстоятельство подтверждает аналогию эффекта влияния на ориентировку искрового разряда лазерной искры и металлического стержня. Следовательно, под влиянием электрического поля лидера при положительном напряжении электроны перемещаются вдоль канала оптического пробоя в его верхнюю часть, образуя примерно такой избыточный отрицательный заряд, как и заряд на металлическом стержне.
Приведенные результаты экспериментов подтверждают возможность создания частично или полностью лазерных молниеотводов, когда над поверхностью земли будет возвышаться металлическая конструкция, высота которой составляет только часть необходимой высоты молниеотвода, либо лазерный луч полностью заменит молниеотвод. Во время грозы лазерная установка должна находиться в ждущем режиме, и сигнал для срабатывания затвора квантового генератора должен подаваться при достижении зарядом на защищаемом объекте заранее определенного критического значения.