8.1 引言
从前面可以知道火箭引雷的成功给雷电研究提供了一种很方便的实验手段。借助于火箭引雷，近些年来人们积累了大量的关于雷电的知识。加之，比起实验室产生的高电压火箭引雷更能真实地模拟自然雷电，所以现在火箭引雷已被用作检验和改进各种防雷设施的重要手段。然而，火箭引雷也存在明显的缺点，如火箭及其拖带的导线落下时显然会威助到附近的人畜及设施的安全，所以火箭引雷不能不受场地的限制。另一方面，火箭的速度至多只能达到每秒数百米，这就决定了火箭引雷不可能用来拦截地闪中的以每秒上百公里传输的下行先导。与此相比，激光引雷不存在这些问题，因而它被认为是最有前途的防雷手段之一。本节具体介绍激光引雷的最新成果。 8.2 激光引雷的历史背景及引雷的基本设想
早在激光问世不久的20世纪60年代，人们就发现了光辐射对放电的效应（Keldish，1965，Vadimirov，1968）。此后许多研究小组做了一系列激光引发放电的实验（Koopman，
1971，1973；Parvenov，1976；Greig，1978）。这些实验表明激光不仅有较强的引导放电的效应，同时，可降低间隙的临界放电电压。也差不多在这一时期，Newman等人（1967）成功地进行了首次火箭引雷试验。在这样的历史背景下，Ball（1974）最早提出激光引雷这一概念。可是在他当时的论文中，他既没有谈到具体怎么引雷，也没有谈到激光引雷的可行性。1978年美国空军的一个研究小组使用一大型CO2激光器进行了首次激光触发雷电试验，结果以失败而告终。之后相当一段时间再没有人提激光引雷之事。到了20世纪80年代末期至90年代初期，日本几个大的电力公司认识到日本冬季雷对输电系统所造成危害的严重性，投入了大量的人力及物力进行日本冬季雷的研究及防护。这个时期，日本科学家重新提出激光引雷，有十几个研究小组从事激光引雷的研究（Aihara等，1992；Kawasaki等1990；Shindo等，1993；Nakamra等，1993；Honda，1993）。当时的研究主要还是限于用激光触发室内长间隙放电能及研究激光产生的等离子体通道的特性。后来中国的王道洪等人提出利用铁塔尖端附近的强电场进行激光引雷，从而使激光引雷变得很现实（Wang等，1994a，b，1995a，b）。图8-1是王道洪等人提出的激光引雷示意图。在雷暴云电场环境下，由于静电感应作用，塔顶附近可望存在强电场，此时将激光聚焦于塔顶附近的上空时，激光可在此区域触发一上行先导。根据王道洪与郭昌明提出的先导持
续发展的条件（Wang等，1989），该上行先导将在上述强电场区域转变成持续上行先导，从而最终触发闪电。
鉴于激光的快速反应能力，王道洪等人同时也提出了如图8-2所示的用激光防护以下行先导开始的自然雷电的方案（Wang等，1995b）。在探测到下行梯级先导时，用激光在塔顶附近触发上行先导。通过上行先导与下行先导的相互吸引作用，将下行梯级先导引至铁塔，从而将雷电击到预先设置的安全地点。
根据激光的功率及其波长的不同，被实际用于激光引雷基础试验的主要有两种类型的激光器。一种是红外CO2激光器（波长λ=10.6 mm）为代表的大功率激光器（Koopman至1971，1973；Greig等，1978；Aihara等，1992；Kawasaki等，1992；Shindo等，1993；Miki等，1993；Honda等，1993；Wang等，1994a，b，1994a，b，c）。另一种是以紫外激光器（Nakamura等，1993；Zhao等，1993；Miki等，1996；Rambo等，199
9；Mercue等，2000；Fontaine等，1999）为代表的小功率激光器。两种激光器产生的等离子体通道具有相当大的差异，以下分别进行介绍。
（1）CO2激光器产生的电离通道
若用CO2激光器产生的激光使空气电离，一般需要相当大的功率。据实验研究表明，使干净空气达到强电离所需要的功率为1010~1011 W/cm2。若空气中存在一些尘埃，达到强电离所需要的功率可降到108 W/cm2。现在用于激光引雷研究的CO2激光器单脉冲消耗的能量都超过几十焦耳（Aihara等，1992；Kawasaki等，1992），有的甚至达到上千焦耳（Uchida，1996）。激光造成空气电离的机理主要有两种，一种叫做多光子吸收，另一种叫做雪崩诱导电离。多光子吸收指的是原子直接吸收多数光子的能量而被其电离。雪崩诱导电离指的是自由电子先吸收激光的辐射能量，然后碰撞原子而使其电离。当空气中存在一些尘埃时，这些尘埃将首先吸收大量的激光辐射，尘埃的表面将被汽化、升温从而形成热电离区域。图8-3（见彩插页）是将CO2激光器发生的激光用f=10m的聚光镜聚焦于空气中形成的等离子体通道的照片（Wang等，1995b）。从照片上可以看出，该通道是由一点一点被电离的亮点组成。从导电的角度讲，CO2激光器产生的电离通道是不连接的，形
成这样不连续通道的主要原因是：一旦在某处形成被电离的区域，该区域将吸收掉所有试图通过该区域将吸收掉所有试图通过该区域的激光，结果在此区域背后不可能有激光，因而也就不可能被电离。当用CO2激光器进行引雷时，通道不连续是其最大的缺点。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议