Orientador: Carlos Alberto da Silva Lima

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Nesta Tese, abordamos alguns aspectos do fenômeno da descarga óptica num gás, especificamente relacionados com o estabelecimento da ruptura dielétrica no mesmo. Nosso trabalho usa um tratamento do processo de ruptura que incorpora efeitos que, ate então, não o haviam sido, em trabalhos...

Resumo: Nesta Tese, abordamos alguns aspectos do fenômeno da descarga óptica num gás, especificamente relacionados com o estabelecimento da ruptura dielétrica no mesmo. Nosso trabalho usa um tratamento do processo de ruptura que incorpora efeitos que, ate então, não o haviam sido, em trabalhos desenvolvidos sobre o tema. Assim, ao desenvolvermos a equação de balanço energético, a partir da qual pudemos determinar o fluxo de energia eletromagnética crítico (intensidade crítica do feixe de laser Jcr) capaz de iniciar o processo de ruptura, introduzimos os efeitos que a presença do campo intenso acarreta nos parâmetros relevantes para o estabelecimento do processo, tais como efeitos sobre a energia de ionização atômica e efeitos sobre a freqüência efetiva de colisões eletron-caroço positivo, no gás, que levam a absorção de energia do campo pelos elétrons através do processo de bremsstrahlung inverso.
A incorporação destes efeitos, que são explicitamente abordados na Tese, levou a predição de Jcr, em função da pressão p, usando uma estimativa da densidade eletrônica ne, no volume de ruptura que, embora tenha resultado em Jcr(p) qualitativamente correta, exigiu revisão para se obter melhor ajuste quantitativo com os dados experimentais disponíveis. Isto nos levou ao levantamento fenomenológico de ne(p) = a(p) n{p), onde n(p) é a densidade atômica (atomos/cm3) no gás, a uma pressão p. A relação a(p) é determinada pelo balanço, dentro do volume focal, entre ganho (produção pelo processo de ionização multifotônica + avalanche (ionização por impacto+bremsstrahlung inverso através de sucessivas gerações)) e perda eletrônica (governada pela ação de diversos mecanismos de perda, seja de energia - impactos não-ionizantes - seja, mesmo, de elétrons - fugas da região focal, recombinação, etc.). Compreende-se, assim, a enorme complexidade do problema de tentar obter a(p) a partir de primeiros princípios, o que levou-nos a buscar sua determinação com base nas medidas experimentais existentes para Jcr. Com tais valores de a(pi), gerou-se, por ajuste de curva, com auxilio de um computador, a função a(p). Pudemos, assim, estabelecer a predição teórica da potência crítica de laser necessária para induzir a ruptura, em função da pressão do gás, levando em conta os efeitos do laser sobre os parâmetros do gás atômico

Abstract: Gas breakdown, steady-state maintenance and continuous generation of low-temperature plasma and propagation of the plasma fronts are important subjects of past and current research on laser induced gas discharges. This Thesis is concerned with some aspects of the laser induced dielectric...

Abstract: Gas breakdown, steady-state maintenance and continuous generation of low-temperature plasma and propagation of the plasma fronts are important subjects of past and current research on laser induced gas discharges. This Thesis is concerned with some aspects of the laser induced dielectric breakdown in a gas. We have specifically addressed the question of the onset of the breakdown process. In dealing with the equation describing the energy balance between the laser delivered energy and the energy consumption to establish the avalanche produced discharge plasma, we have introduced new features that had not been considered previously. We refer to accounting for thellaser induced effects upon the atomic ionization threshold and upon the effective rate of collisions leading to inverse bremsstrahlung. Their influence upon the threshold laser intensity Jcr needed to produce the gas breakdown is fully explored. This led to a Jcr vs. gas pressure p prediction that qualitatively described the experimental data available for atomic hydrogen breakdown under rubi laser irradiation. However, for a better description, it turned out that an assumed estimate of the electronic density within the breakdown volume had to be revised. In fact, we had to resort to a phenomenological estimate of ne(p) = a(p) n(p), where n(p) is the gas atomic density (atoms/cm3) at pressure p. The pressure dependence of a(p) depends upon the balance, within the focal volume, between electronic gain (electronic production by multiphoton ionization initiated avalanche - impact ionization+inverse bremsstrahlung through many generations) and electronic loss, (due to various loss mechanisms both of electronic energy - non-ionizing impacts - and of electrons themselves - recombination, electronic runaway, etc.). The formidable task of trying to produce a(p) on first principles treatment of such processes, including laser effects upon them, was for the moment out of question so we decided to calculate a(pi) values based on the experimental data available for threshold fluxes. These a(Pi) values were computer fitted to obtain the function a(p) which was then used to establish the theoretical prediction of the critical laser power needed to induce the gas breakdown, as a function of the gas pressure, with due account taken of the laser effects upon the relevant atomic gas parameters