激光对空气中高压击穿电压的影响(增加X射线试验)
虎哥 2019-10-14原创 正能量研究
中文摘要
通过实验观察了激光对空气中直流高压击穿电压的影响,结论是小功率激光下,击穿电压没有变化。
关键词
击穿电压放电距离紫外激光

其实我当年在某世界最大电厂划水的时候,早就照过500kv,但是介于十年前网友讨论留下了这个悬念,这儿抽空定量的给大家展示一下。结论想都想得到:

小功率可见光激光对高压放电电压没有明显影响。

推论:对某个电压的放电距离也没有影响

请注意本实验是可见光或近紫外光小功率连续波照射,不能证明大功率脉冲激光或者远紫外激光(大约需要50nm以下)没有影响。

实验设备:

1、标称300mW,实际200mW左右的激光笔,535nm(约2.5eV)和405nm(约3eV)。这两支激光笔都可以很轻松的把纸张烧冒烟或者点燃火柴。

2、实验高压电源,0-130kV。

3、自制绝缘实验台。

4、高压探头,炮灰表等。

实验过程:

这是实验场景,直流高压电源连接两个电极,电极上钻有小孔,激光从小孔中通过第一个电极(左),照射到第二个电极上。第二个电极也有小孔,通过调整激光入射角度,可以使光线通过或不通过小孔。

20191014_215433.jpg

另一个角度,可以看到实验电压,单位是kV。

20191014_215514.jpg

紫光(405nm近紫外)照射时的场景

20191014_215656.jpg

535nm绿光照射时的场景。由于紫光都不行,也就没有必要试验红光了。不论是目视还是相机拍摄,紫光都要暗淡得多(相机要稍好些),但是功率其实是差不多的。

20191014_215923.jpg

空白试验,在没有激光时,经常放电电压大约是42kV。

开启绿色激光

20191014_220004.jpg

在40kV时只有电晕放电,没有击穿

20191014_220014.jpg

与空白试验的放电频次差不多时,放电电压依然为42kV左右

替换为紫色激光器

20191014_220334.jpg

另一角度。

20191014_220346.jpg

与空白试验的放电频次相仿时,电压仍为42kV左右。

把间隙调大到12㎝,放电电压提高到接近80kV,依然没观察到可见的影响。

最后,再次对电压进行校验(方法比较简陋)

20191015_011004.jpg

对电压进行校验(测试结果,探头量程内每10KV都是准的,中间过程略过)

20191015_011048[1].jpg

20191015_011141[1].jpg

小结:

大概由于低质量科普的缘故,过去曾有很多网友畅想用激光来引导放电,并在KC上YY了许多帖子的。本实验告诉大家,小功率激光完全没戏。事实上空气中放电的原理已经研究得十分透彻,要想增加放电距离或者减小放电电压,抑或让电弧更直一些,通常可以利用的原理主要是加热电极局部使电子发射增多,加热空气使离子寿命变长,或者干脆直接电离空气产生足够的载流子。对于小功率激光来说,这些都无法办到。激光引雷并不是一件简单的事情,具体做法可以参考相关论文。

[修改于 9 个月前 - 2019-10-24 22:36:37]

来自:聊天生活广场 / 科创茶话高压与强磁 / 高电压技术
2
2019-10-14 23:27:00
1楼

虎哥真是个夜猫233333😂

实验设备相当不错

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2019-10-15 11:45:08
2楼

我觉得激光引导放电距离的效果应该是电离的空气,但是这些激光完全达不到那个要求。

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3楼

当年讨论的结果,最后得出两个可能的方案,一个是用波长195nm或者更小、功率大于50毫瓦的短波紫外激光器直接电离空气,还一个是用超大功率(5000瓦以上)的10640nm二氧化碳激光器加热空气来产生离子通路,所以可见光以及近紫外的小功率激光器是不可行的。

[修改于 9 个月前 - 2019-10-15 13:26:59]

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4楼

用那种除静电的软X射线效果会不会好点

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虎哥(作者)
5楼
引用radio发表于4楼的内容
用那种除静电的软X射线效果会不会好点

这个简单,实测一下,结论是:没有任何可以观察到的影响

20191015_182632.jpg

不论采用50kV(指X光管阳极电压)软X射线,还是90kV稍硬,不论小电流还是大电流,均无可以察觉的变化。

1571135878404.png

41.5kV(指电极电压)是击穿的临界点,在这里偶尔会击穿,大多数时候只有电晕放电。开启射线后,击穿的频率并无明显增加。


[修改于 9 个月前 - 2019-10-15 18:43:38]

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2019-10-16 16:24:51
6楼

之前在实验室用飞秒激光,大概只有1mW,聚焦的话,可以在焦点附近电离空气,产生电弧;按理说是无法形成通路的;

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2019-10-17 19:22:12
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虎哥(作者)
7楼
引用cxg222发表于6楼的内容
之前在实验室用飞秒激光,大概只有1mW,聚焦的话,可以在焦点附近电离空气,产生电弧;按理说是无法形成...

要想把空气直接打成等离子体,确实得很大的功率密度。按说X射线光子如果真的打到了空气分子,是可以电离的,但是碰撞概率太小。有一种X射线探测器就是电离室的原理,尽管电路可以检测到离子,然而距离放电还很远。

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2019-10-21 18:59:58
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8楼

应该用CPA的激光,800nm左右怼空气,会有自聚焦的现象,压力调的好还会产生GeV级别的电子束,Wakefield加速器,什么子都打一坨。。当然这个在业余条件下很难做到。。

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2019-10-23 15:47:40
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9楼

这个电离空气必须持续化,才能继续击穿实验,所以才用大功率的激光,如果是太空中的话又是一回事了!!

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2019-10-24 20:34:03
2019-10-24 20:34:03
10楼
引用zgchen发表于9楼的内容
这个电离空气必须持续化,才能继续击穿实验,所以才用大功率的激光,如果是太空中的话又是一回事了!!

不要意淫和误导别人....

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2019-10-25 10:30:03
11楼

设备好全

[修改于 9 个月前 - 2019-10-25 10:30:53]

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2019-12-16 13:52:47
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12楼

小功率连续激光无法电离空气,要放电前提是介质发生电离。对于闪光光解来说,工作物质很重要,合适的介质甚至不需要激光,例如闪光光解激发的碘离子激光器,C3F7I是工作物质,只要用紫外线高透(石英管壁)的氙灯激发即可,实际有效激发光谱的波长小于260纳米。C3F7I被闪光光解后可作为激光工作物质,也可导电。对于空气来说这种闪光光解无疑需要更短波长的辐射,或者纯粹是靠聚焦来提高能量密度,靠高温来电离空气。

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13楼

关于紫外电离空气的相关佐证:


QQ图片20191216163547.png


通过这段介绍我们可以发现,在工质恰当(低压汞蒸气)的情况下,并不需要非常短波以及非常高强度的紫外线就可以显著降低击穿电压:从20kv降低至5kv,由此可以推断,该方案在原理上是可行的,只是电离空气所需的能量及功率密度要更高。


那么,如果有条件,楼主可以再进行更深入的实验,使用紫外汞灯(高压汞灯)配合旋转椭圆面反光杯将高强度的短波紫外汇聚于电极间,再测试放电电压是否有变化。高压汞灯的放电间距非常小,辐射强度超过1G坎德拉每平方厘米,配合适当的反射光学结构可以获得远超便携式激光器的辐射强度。


相关光源推荐https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.117.5be061eaa2oEZM&id=44570128012&ns=1&abbucket=15#detail


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14楼
引用power_rdx发表于13楼的内容
关于紫外电离空气的相关佐证:通过这段介绍我们可以发现,在工质恰当(低压汞蒸气)的情况下,并不需要非常...

汞蒸汽和空气的uv电离没什么可比性。

常压空气的uv电离实验应该是100年前做的,不好检索。只找到几kv的实验,看起来数据有希望,但是对于长距离的百kv放电不一定有参考价值,需要找一个调q 266激光或者脉冲紫外灯亲自试一试。。。

attachment icon ID66.pdf 288.28KB PDF 40次下载 预览

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其实用Particle in cell仿真,比如FBPIC已经可以很好的描述放电建立的runaway过程,这在直线加速器设计的限制击穿预测中很常用。

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2019-12-17 11:23:23
15楼

使用紫外灯管照射会引起空气电离,所以用紫外消毒灯管照射光路看看,或者用短波紫外激光

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16楼
引用music发表于15楼的内容
使用紫外灯管照射会引起空气电离,所以用紫外消毒灯管照射光路看看,或者用短波紫外激光

紫外消毒灯的功率密度太低了,无法提供足够多的离子,以产生肉眼可见的击穿电压变化

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17楼
引用RodTech发表于8楼的内容
应该用CPA的激光,800nm左右怼空气,会有自聚焦的现象,压力调的好还会产生GeV级别的电子束,W...

之前念研究生时候用800nm激光怼过空气,因为相对来说平均功率很小,所以只能在聚焦后产生空气电离,印象很深就是产生的不规则电弧和刺耳的beep声;设备这块附了篇文章供参考;

attachment icon reichardt2009.pdf 2.40MB PDF 43次下载 预览


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