Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
Учреждение Российской академии наукИнститут электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН)
На правах рукописи
ЯМЩИКОВ Владимир Александрович РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОВЫХ СРЕД МОЛЕКУЛЯРНЫХ СО2-, N2- и F2-ЛАЗЕРОВ.
(специальность 01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Санкт-Петербург - 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте электрофизики и электроэнергетики РАН.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН Хомич Владислав Юрьевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Баранов Геннадий Алексеевич;
доктор технических наук, профессор Борейшо Анатолий Сергеевич;
доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН Месяц Геннадий Андреевич.
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург)
Защита состоится 3 марта 2011 г. в 1500 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.131.01 при Институте электрофизики и электроэнергетики РАН по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб. д. 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики и электроэнергетики РАН Автореферат разослан л __ _______ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Киселев Александр Александрович I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы по разработке и созданию электрофизических установок, предназначенных для эффективной накачки объемным самостоятельным разрядом газовой среды лазеров на молекулах СО2, N2 и F2.
В течение нескольких последних десятилетий был достигнут большой прогресс в создании мощных элетрофизических установок, работа которых основана на использовании самостоятельного электрического разряда в газе [1-11]. Во многом этому способствовало развитие электроразрядных технологий, однако более значительное влияние на разработки высоковольтной импульсной техники и исследования в области физики газоразрядных процессов оказало появление новых источников света Цлазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом.
Среди газовых лазеров CO2Цлазер является самым мощным источником когерентного излучения, способным генерировать импульсы инфракрасного диапазона (9,310,6 мкм) с энергией в несколько кДж.
Азотный лазер (N2Цлазер), излучающий в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны 337,1 нм характеризуется такими достоинствами, как высокий квантовый КПД (~ 19 %), отсутствие деградации и не токсичность рабочей среды, а также простота конструкции.
Мощным источником когерентного вакуумного ультрафиолетового излучения с экстремально короткой диной волны 157 нм служит F2Цлазер. Благодаря уникальным свойствам и достаточно высокой мощности излучения, указанные лазеры получили достаточно широкое применение в промышленности, медицине, микроэлектронике, научных исследованиях, средствах вооружений и информационных средствах.
Быстрый прогресс в области твердотельных лазеров с накачкой от полупроводниковых лазеров привел к развитию компактных лазерных систем с повышенной выходной мощностью, эффективностью и надежностью. Поэтому газоразрядные лазеры, работающие в видимом и близком инфракрасном диапазоне, все чаще заменяются твердотельными лазерами с накачкой от полупроводниковых лазеров зачастую и в комбинации со схемами нелинейного преобразования частоты излучения. Однако в области спектра около 10 мкм и в вакуумном ультрафиолете газовые лазеры не имеют конкурентов со стороны твердотельных лазерных систем из-за недопустимости высокой тепловой нагрузки для лазерных кристаллов и кристаллов для преобразования частоты излучения при высоких мощностях выходного излучения.
Недостаток материалов, пропускающих в вакуумном ультрафиолете, ограничивает длину волны излучения твердотельных лазеров до величины не менее 180 нм. Единственным мощным лазером, работающим в вакуумном ультрафиолете на длине волны 157 нм, является F2-лазер.
Основу мощных СО2-, N2- и F2-лазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом (ОСР) составляет их система возбуждения. Она представляет собой электрофизическую установку, в которой создается объемный самостоятельный разряд с определенными энергетическими, временными, пространственными и частотными характеристиками. Данная система включает в себя устройство возбуждения - технический комплекс высоковольтных средств и элементов конструкции, которые обеспечивают получение и питание ОСР в среде молекулярных газов заданного состава и давления.
Система возбуждения определяет характеристики активной среды, в которой образуется и усиливается лазерное излучение такие, как энергия накачки (или энерговклад), импульсная и средняя мощность накачки, апертура выходного пучка излучения, длина усиливающей среды. В конечном счете, эффективность работы системы возбуждения определяет и многие выходные характеристики лазеров.
Таким образом, одной из важнейших научно-технических проблем, которая остается актуальной и на сегодняшний день, является разработка, создание и исследование высокоэффективных систем электроразрядного возбуждения газовых сред молекулярных СО2-, N2- и F2- лазеров.
Степень разработанности научной проблемы и постановка задач В большинстве монографий и обзоров по газовым лазерам и газовому разряду [1-6, 10,11] основное внимание уделяется процессам, происходящим в разрядном промежутке и активной среде лазеров, таким как формирование разряда, протекание тока через плазму, плазмохимические реакции, развитие неустойчивостей, создание инверсии и усиления оптического излучения в активной среде.
Вопросы, относящиеся к системам возбуждения, ограничиваются кратким обсуждением принципиальных элементов конструкции этих систем - электродных структур, средств создания начальной концентрации электронов, генераторов высоковольтных импульсов, либо приводится описание конструкции и технических характеристик отдельных лазерных установок [1, 7-9]. Сведений, приводимых в этих работах, явно не достаточно для разработки и создания новых электроразрядных систем возбуждения с улучшенными параметрами и техническими характеристиками.
Работы по лазерам с накачкой объемным самостоятельным разрядом велись очень интенсивно, тем не менее, многие задачи связанные с электрофизическими явлениями при формировании и горении ОСР, переходными процессами в электрических цепях с нелинейной нагрузкой, которой является разрядная плазма, а также процессами передачи электрической энергии из емкостного накопителя в разрядную плазму и связи этих процессов и явлений с эффективным возбуждением активной среды лазеров оставались не до конца решенными.
Одна из серьезных задач, которую необходимо было решить, связана с довольно низким техническим КПД N2Цлазера (менее 0,1 %), большим разбросом его значений (от 0,02 % до более 1 %), приводимых в различных публикациях, а также поиском возможных путей повышения КПД. Поэтому необходимо было выявить причины этих трудно объяснимых фактов и на этой основе предложить и исследовать новые физико-технические подходы к созданию эффективных УФ азотных лазеров.
Усилия большинства исследователей и разработчиков F2Цлазеров были направлены на создание систем возбуждения, работающих при высоких давлениях газовой смеси до 10 бар. По ряду технических причин такие системы сложны, громоздки, недостаточно надежны и имеют высокую стоимость, что делает невыгодным коммерческое производство подобных лазеров. Поэтому необходимо было найти пути создания электроразрядных систем возбуждения F2Цлазеров, эффективно работающих при давлениях газовой смесей He/Ne/F2 до 3,5 бар и разрядных напряжениях характерных для работы обычных эксимерных лазеров [9].
Из-за значительных технических трудностей в России отсутствовал опыт создания технологических F2Цлазеров. Поэтому для того, чтобы конкурировать с мировыми фирмами - производителями этих лазеров из США, Японии и ФРГ, необходимо было создать отечественные разработки, не уступающие, а по ряду технических характеристик превышающие мировые аналоги.
Низкие пороги оптического разрушения материалов прозрачных в области 10,мкм ограничивают плотность энергии в пучке CO2Цлазеров. Набор апертуры пучка параллельным включением отдельных лазерных модулей нецелесообразен, поскольку требует их фазировки и приводит к неоправданному увеличению габаритов и веса установки в целом. Поэтому достижение энергии ИК-излучения в несколько кДж возможно лишь за счет наращивания апертуры пучка и объема активной среды в едином газоразрядном модуле. Для этого необходимо было решить задачу получения ОСР в газоразрядных промежутках с активным объемом в десятки литров и расстоянием между электродами в десятки сантиметров.
Другое препятствие было связано с локальными плазменными неоднородностями, образующимися в объемном самостоятельном разряде. Рост этих неоднородностей приводит к явлению контракции разряда [2, 4, 6, 10, 11], что ограничивает длительность устойчивого горения и энергетику ОСР. В связи с этим, необходимо было решить задачу эффективного подавления развития плазменных неоднородностей во всем разрядном объеме и получения предельно-однородного ОСР, в котором они полностью отсутствуют.
С задачей улучшения однородности и повышения устойчивости горения самостоятельного разряда напрямую связана возможность увеличения выходных характеристик излучения. Поэтому необходимо было провести детальное исследование этой взаимосвязи, а также показать, что при накачке предельнооднородным самостоятельным разрядом может быть достигнута рекордная для электроразрядных систем возбуждения величина эффективности генерации CO2Ц лазеров ~ 25%.
Метод решения поставленных задач заключался в:
разработке и использовании электроразрядных устройств с оригинальными схемными и техническими решениями и различными вариантами конструкций;
регистрации осциллограмм высоковольтных и сильноточных импульсов в разрядном промежутке и электрических цепях;
измерении параметров лазерного пучка и регистрации осциллограмм импульсов излучения;
наблюдении однородности ОСР путем фотографирования разрядной зоны;
управлении переходными процессами в электрических цепях, характером поведения самостоятельного разряда путем изменения в широких пределах таких параметров, как напряжение на емкостном накопителе энергии, напряжение на разрядном промежутке, энергия, вводимая в разряд, давление и состав газовой смеси;
разработке теоретических моделей электрофизических процессов происходящих в системах возбуждения, расчете характерных параметров этих процессов;
анализе полученных экспериментальных данных и сопоставлении их с результатами теоретических расчетов;
оптимизации работы системы возбуждения по максимальной величине лазерного КПД - отношения энергии выходного излучения к энергии накачки (под которой подразумевается энергия, запасенная в емкостном накопителе).
Цель работы состоит в разработке, создании и исследовании систем электроразрядного возбуждения газовых сред молекулярных СО2-, N2- и F2-лазеров, изучении электрофизических явлений, механизмов и закономерностей, происходящих в объемном самостоятельном разряде в указанных средах, оптимизации режимов работы этих систем, а также создании на их основе эффективных СО2-, N2- и F2лазеров, генерирующих в диапазоне ИК-, УФ- и ВУФ-излучений - соответственно.
Более подробно цель работы формулируется следующим образом:
провести исследование зависимости КПД азотного лазера от базовых параметров существующей схемы возбуждения и характеристик самостоятельного разряда, а также определить оптимальные условия накачки, при которых достигаются максимальная энергия и КПД лазера;
предложить и исследовать новые подходы, которые позволяют значительно увеличить энергию электронов, осуществляющих возбуждение высоколежащих уровней азота C3Пu, и на этой основе разработать систему возбуждения N2-лазера;
изучить факторы, влияющие на эффективность работы F2Цлазеров, и решить задачу получения достаточно высокого КПД лазерной генерации (более 0,1 %) при давлениях газовой смеси менее 3,5 бар;
создать эффективные системы возбуждения F2-лазеров с выходными параметрами, не уступающими лучшим мировым образцам (т.е. с энергией излучения 25 и 2,5 мДж и частотой следования импульсов от 100 до 1 кГц соответственно), но работающих при пониженных (до ~ 3,5 бар) давлениях газовой смеси;
найти и исследовать эффективный метод получения объемного самостоятельного разряда в промежутках с активным объемом в десятки литров и межэлектродным расстоянием в десятки сантиметров.
изучить развитие плазменных неоднородностей и найти возможность их эффективного подавления в ОСР в газовых смесях СО2/N2/He атмосферного давления и реализовать в них предельно-однородный объемный самостоятельный разряд, в котором отсутствуют локальные плазменные неоднородности во всей разрядной зоне;
создать систему возбуждения СО2Цлазера, позволяющую получить выходную энергию более 2 кДж с КПД около 25 %.
Научная новизна работы состоит в приоритетном характере перечисленных ниже в разделе III основных результатов данной диссертации, позволивших расширить знания о проблеме создания высокоэффективных систем возбуждения газовых сред лазеров на молекулах СО2, N2 и F2. Выводы, содержащихся в защищаемых положениях, получены впервые. Разработанные и созданные автором системы возбуждения не уступают мировым аналогам, а по ряду технических характеристик превосходят их.
Научная и практическая ценность Ведущими мировыми производителями газовых лазеров являются фирмы:
Coherent и GSI Lumonics - Laser Group (США); Kimmon Electric (Япония);
TRUMPF и Rofin-sinar (ФРГ); Оптосистемы (РФ) и д.р. При создании электроразрядных систем возбуждения ими обычно используются базовые модели, разработанные ранее и прошедшие ряд усовершенствований. Переход же к новому модельному ряду, направленный на кардинальное повышение выходных энергетических характеристик, связан с поиском оригинальных технических решений, проведением достаточно длительной исследовательской работы и новых конструкторских проработок. Поэтому необходим такой научный подход, который позволял бы использовать готовые разработки электрических схем, технических решений и конструкций при создании новых электроразрядных систем возбуждения с возможностью масштабирования их технических характеристик.
Большая практическая польза выбранного в настоящей диссертации подхода состоит в том, что при создании новых систем возбуждения наряду с оригинальными разработками возможно использование готовых разработок электрических схем, технических решений и конструкций, которые доказали эффективность применения в традиционных устройствах возбуждения.
Научная и практическая ценность полученных результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов состоит также в том, что в диссертации:
разработаны научные основы создания систем возбуждения для ряда широко применяемых лазерных источников;
проведен поиск и разработка новых методов эффективного возбуждения УФ азотного лазера, основанных на явлении генерации убегающих электронов в газе;
получены новые знания о механизмах, влияющих на процессы формирования и устойчивого горения объемного самостоятельного разряда в газовых средах;
выявлены основные факторы, влияющие на эффективность работы электроразрядных систем возбуждения лазеров на молекулах СО2, N2 и F2.
созданы уникальные лазерные источники света, по ряду технических характеристик превышающие мировые аналоги.
Полученные автором результаты исследований и созданные при его непосредственном участии разработки были использованы или внедрены при создании лазерных установок, как на отечественных институтах и предприятиях:
ИОФ РАН им. А.М. Прохорова, г. Москва; ИЭЭ РАН, г. Санкт Петербург; ЦФП, г.
Троицк моск. обл.; НПО Алмаз, г. Москва; НПО Астрофизика г. Москва; ФГУП ПО Баррикады, г. Волгоград; ТПУ, г. Томск; ОКБ "Радуга" имени И.С. Косьминова, г.
Радужный, Владимирская обл.; компания Алекслаб г. Москва; компания Гленик г. Москва, так и за рубежом: Лаборатория White Sands Missile Range, Нью Мексико, США; IRPHE- Laboratoire (СNRS), Марсель, Франция; Институт физики твердого тела и оптики (RISSPO), Будапешт, Венгрия.
ичный вклад автора диссертации.
Все результаты диссертации получены лично автором или при его непосредственном участии.
ичный вклад автора диссертации заключался в выборе направления работ и постановке конкретных задач исследований, разработке методик измерений, построении математических моделей, анализе и интерпретации экспериментальных данных на их основе.
Автор диссертации принимал личное участие в разработке и создании лазерных установок, проведении научных экспериментальных исследований и технических испытаний.
Защищаемые положения:
1. Энергия УФ излучения лазера на молекулярном азоте пропорциональна мощности накачки, выделяемой в момент максимума импульса разрядного напряжения. Максимальная энергия излучения достигается при таком давлении азота, когда одновременно с максимумом разрядного напряжения осуществляется согласованный режим ввода энергии в объемный самостоятельный разряд. В этих условиях максимальная мощность накачки вводится при максимальной температуре электронов в плазме, необходимой для эффективного возбуждения высоко лежащих уровней азота C3Пu.
2. Новый метод получения пучков убегающих электронов, при котором пучок с энергией T >> Tmax (где Tmax - энергия электронов с максимальным значением энергетических потерь) сначала формируется в узком промежутке (~ 1 мм) между катодом и сеткой, а затем ускоряется внешним полем основного промежутка, образованного сеткой и анодом, позволяет получать в молекулярном азоте пучки электронов с энергией ~ 10 кэВ, плотностью тока 103 A/см2 и длительностью импульса пучка ~ 10-9-10-8 сек при больших значениях параметра pd ~ 100 смТорр >> pdmin ~ 6 смТорр (pdmin - значение, соответствующие минимуму кривой Пашена).
3. Эффективность разработанного метода накачки активной среды молекулярного азота мощным пучком убегающих электронов для получения генерации лазерного УФ излучения.
4. Используя реакцию диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора F2+e-F-+F можно менять разрядные условия в газовых смесях He/Ne/F2 путем варьирования концентрации фтора и тем самым эффективно управлять процессом энерговклада в активную среду F2-лазера (длина волны излучения 157 нм).
5. Для F2-лазеров с объемным самостоятельным разрядом оптимальным является такой состав смеси He/F2, при котором в условиях предельных значений напряжения на разрядном промежутке и рабочего давления смеси (определяемых заданной системой возбуждения) реализуется согласованный режим накачки активной среды.
6. В случае небольших добавок в рабочую смесь He/F2 неона ( 100 мбар) энергия излучения уменьшается незначительно (на 15 %), но при этом существенно улучшается однородность самостоятельного разряда в F2-лазере.
7. Оптимизация процесса ввода энергии в объемный самостоятельный разряд, обеспечивает достаточно высокую мощность накачки F2-лазеров при пониженном до 3,5 бар давлении газовой смеси He/F2, за счет чего достигается энергия лазерной ВУФ генерации более 25 мДж и коэффициент полезного действия более 0,2 %, а также существенно улучшаются однородность разряда и ресурс работы системы возбуждения.
8. При создании в разрядном промежутке достаточно высокой начальной концентрации плазмы, величина которой зависит от напряженности поля, давления и состава смеси CO2/N2/He, возможно получение предельнооднородного объемного самостоятельного разряда. В таком разряде полностью отсутствуют наиболее характерные плазменные неоднородности: нитевидная структура разряда, неравномерное поперечное распределение концентрации плазмы, катодные пятна, искровые каналы.
9. При накачке СО2Цлазера предельно-однородным объемным самостоятельным разрядом достигается рекордный, для систем с подобной накачкой, коэффициент полезного действия лазера 25 %.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях:
Международной конференции по лазерам, Lake Tahoe, USA, 1993 г.; Международной конференции по лазерам, Quebec. Canada, 1994 г.; Международном форуме по мощным лазерам и применениям, Osaka, Japan. 1999 г.; Международной конференции по лазерам, Quebec, Canada, 1999 г.; Международном форуме по мощным лазерам и применениям, Osaka, Japan, 2000 г.; III международной конф. Физика плазмы и плазменные технологии ФППТ-3, Минск, 2000 г.; XI Международной конференции по лазерной оптике, Санкт-Петербург, 2003 г.; Международной конференции по фоточувствительности оптоволокна Monterey, California, USA, 2003 г.; XII Международной конференции по лазерной оптике, Санкт-Петербург, 2006 г.; Международной конференции по современным лазерам и технологиям, Antalya, Turkey, 2009 г.; X Международной конференции по лазерам и лазерноинформационным технологиям, Smolyan, Bulgaria, 2009 г.; 18 Международной конференции по современным лазерам и технологиям, Amsterdam, Netherlands, 2010 г.
29 Международный конгресс по применениям лазеров и электрооптики, 2010.
Anaheim, USA.
Также результаты работы докладывались на научных семинарах ИЭЭ РАН, ИОФ РАН, ЦФП ИОФ РАН, семинарах университета Экс-Марсель-2, (Франция).
Основные результаты диссертации изложены в 16 статьях и 15 материалах международных конференций, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Её полный объем - 262 страницы, включая 81 рисунок, 3 таблицы и списков литературы, насчитывающих в общей сложности 267 наименований.
II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении описан объект исследования - системы электроразрядного возбуждения мощных СО2-, N2- и F2-лазеров. Обоснована актуальность темы диссертации, указывается степень разработанности научной проблемы, формулируется цель работы и ставятся задачи исследования. Отмечена её новизна, дается оценка практической ценности полученных в работе результатов, приводится краткая аннотация содержания работы по главам. В конце перечислены основные научные положения диссертации.
В Главе 1 содержится обзор и анализ литературы по решаемой проблеме за период с начала семидесятых годов 20 столетия до 2010 года.
Во Ведении (з 1.1) кратко описаны области использования объемного самостоятельного разряда в газоразрядных технологиях, а также для накачки импульсных и импульсно-периодических газовых лазеров, в частности, лазеров на переходах молекул CO2, N2 и F2, которые нашли широкое практическое применение.
Проводится сопоставление двух способов возбуждения газовых лазеров - возбуждение электронным пучком и объемным самостоятельным разрядом.
Обосновывается необходимость выработки общего научно-методологического подхода к разработке исследованию и созданию электроразрядных систем возбуждения СО2-, N2- и F2-лазеров.
Для более четкого понимания проблемы в з 1.2 дается определение системы возбуждения лазеров с накачкой ОСР. Исходя из этого определения, формулируются принципы получения ОСР и основные требования к системам электроразрядного возбуждения лазеров. Описаны основные свойства самостоятельного разряда - квазистационарная стадия горения, передача электрической энергии от емкостного накопителя к разряду и рассмотрено влияние неоднородности распределения поля в разрядном промежутке на ОСР. Также обсуждается устройство возбуждения с входящим в него комплексом технических средств и элементов конструкций и приводится обзор источников предыонизации, схем электродных конструкций и электрических схем генераторов накачки. Особое внимание уделено нестабильностям в ОСР, их роли в развитии разряда и влиянии на лазерную генерацию.
На основании представленного обзора в з 1.3 сформулированы общий подход и методы, используемые при разработках систем возбуждения CO2-, N2- и F2-лазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом. Хотя разработать универсальную систему для возбуждения всех типов лазеров практически невозможно, решение задачи создания высокоэффективных систем возбуждения можно существенно упростить, если при проведении оптимизации ограничить набор параметров управляющих работой этих систем.
Система возбуждения представляет собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из устройства возбуждения и нагрузки, которой служит объемный самостоятельный разряд, являющийся нелинейным элементом. Проводить оптимизацию системы возбуждения путем изменения базовых элементов конструкций и характеристик устройства нецелесообразно по техническим причинам, а также из-за того, что при этом непредсказуемо изменяются электрофизические свойства нагрузки. Поэтому в данной диссертации был выбран иной подход, основанный на оптимизации характеристик нагрузки. В этом случае за счет изменения таких параметров, как разрядное напряжение, энерговклад, давление и состав газовой смеси можно в широких пределах управлять нелинейным характером поведения нагрузки, согласуя ее с переходными процессами в электрической схеме, учитывая при этом конструктивные и схемные особенности устройства возбуждения.
Критерием, характеризующим эффективность работы систем возбуждения, выбрана величина КПД лазера - отношения энергии выходного излучения к энергии накачки (под которой подразумевается энергия, запасенная в генераторе накачки).
Поэтому исследования, направленные на оптимизацию работы систем возбуждения, проводились совместно с измерением характеристик лазерного излучения при оптимальных условиях настройки оптического резонатора. Такой выбор позволяет определить и минимизировать основные каналы энергетических потерь во всей системе и при этом учесть индивидуальные особенности каждого типа лазеров.
Далее предложенный нами общий подход использовался на примере оптимизации конкретных систем возбуждения.
В последнем параграфе приведены основные результаты, полученные в главе.
В Главе 2 выполнен поиск условий эффективного возбуждения активной среды электроразрядного лазера, генерирующего УФ излучение на переходах молекул азота [12-14].
Во Введении (з 2.1) указано на необъяснимо большой разброс значений КПД азотного лазера, приводимых в разных работах (от 0,02 % до 1 %). Для решения этой проблемы, а также поиска условий повышения КПД и создания N2-лазеров с планируемыми характеристиками, предложено провести прямое исследование зависимости эффективности азотного лазера от базовых характеристик разряда, параметров схемы накачки и газовой смеси.
В з 2.2 отмечено, что для возбуждения верхнего лазерного уровня C3Пu требуется высокая (~ 12 эВ) средняя энергия электронов. В самостоятельном разряде электроны с такой энергией образуются при достаточно высоких значениях отношения напряженности электрического поля в плазменном столбе к давлению азота Е/р. Исходя из этих особенностей был обоснован выбор электрической схемы возбуждения, основу которой составляет LC-генератор Фитча и однозвенная схема магнитного сжатия высоковольтных импульсов (Рис. 1а,б). Приводится описание экспериментальной лазерной установки.
В з 2.3 даны результаты исследований эффективности возбуждения N2-лазера.
Приводятся осциллограммы импульсов: напряжения U(t) на разрядном промежутке, тока I(t) через обостряющую емкость и импульса генерации N2-лазера J(t). Построены экспериментальные зависимости: максимального разрядного напряжения UМ, соответствующего моменту объемного пробоя разрядного промежутка (Рис. 2), энергии генерации лазера W (Рис. 3) и отношения ЕМ/р = UМ/рd, характеризующего температуру электронов в разряде, от давления азота pN2.
На основании экспериментов было впервые указано на то, что ионизация и накачка активной среды начинаются раньше максимума напряжения на плазме самостоятельного разряда, а наиболее эффективные для возбуждения верхнего лазерного уровня C3Пu электроны образуются в момент максимума напряжения.
Поэтому важную роль играет электрическая мощность, выделяемая в момент максимума разрядного напряжения РM.
Чтобы установить связь между W и РM предложено воспользоваться известным из электротехники методом приведения электрической схемы к более простой схеме, состоящей из эквивалентного генератора с напряжением U0, эквивалентного сопротивления электрической схемы Z и плазмы самостоятельного разряда с сопротивлением R(t) (см. Рис. 1б). Такой прием позволил построить графики зависимостей W от величины РM. Было показано, что РM зависит от соотношения величин Z и R(t). Максимальные значения мощности накачки РM = PMAX и энергии генерации W = WМ достигаются в условиях согласованного режима накачки, при котором R(tM) = Z, а UM = U0/2.
Из полученных результатов выведена формула для КПД лазера Р:
PMIN WMAX K Р = 100% = - 100% (2.1) W0 2ZC W0 где K1 = 710-11 сек, P1 MIN = 33 МВт - для азота, и K2 = 410-10 сек, P2 MIN = 60 МВт - для смеси N2 + SF6, W0 = CU02/2 - энергия запасенная в эквивалентной ёмкости С высоковольтного генератора.
Из неё следует, что Р1 ~ (ZC)-1. Параметр ZC характеризует длительность разряда схемы возбуждения. Делается вывод, что наиболее эффективное возбуждение азотного лазера происходит в условиях максимально высокой электронной температуры в разряде, существующей в течение нескольких наносекунд вблизи максимума напряжения на плазме. Приводится оценка параметра ZC для увеличения Р до уровня ~ 0,5 %.
Показано, что для увеличения мощности, выделяемой на фронте разрядного напряжения, принципиальное значение имеет минимизация величины суммарной индуктивности схемы возбуждения L = LG + LD (LG - индуктивность генератора накачки, включая индуктивность разрядника, а LD -индуктивность в контуре разряда обостряющей ёмкости через разрядный промежуток). При этом величина индуктивности L должна быть меньше 1,5 нГн. Предлагается вариант одного из возможных решений этой сложной технической задачи.
В з 2.4 проведена проверка результатов работы Hirofumi Seki, Satoshi Takemori, Tadashi Sato. IEEE J Sel. Top. in Quant. El. 1 825 (1995), в которой был описан N2-лазер с магнитной схемой сжатия импульса накачки и, как утверждается авторами, получена энергия УФ излучения 20 мДж при Р = 0,43 %. Эти выходные значения не согласуются с результатами наших расчетов по формуле (2.1). Как показали результаты экспериментов, несмотря на то, что условия возбуждения в нашей работе и в упомянутой работе были близки (длительность фронта разрядного напряжения не превышала 20 нс, величина Е/р в разряде достигала 170 В/смТорр, pN= 50 Торр), проверяемые результаты в наших экспериментах не подтвердились. По нашему мнению значения 20 мДж при Р = 0,43 % являются завышенными и требуют дополнительного анализа.
В з 2.5 перечислены выводы к данной главе В Главе 3 продолжен поиск путей эффективного возбуждения газовых сред с высоко лежащими лазерными уровнями (N2Ц и H2Цлазеры). Во Введении (з 3.1) впервые предложено использовать явление убегания электронов для повышения энергии электронов в газоразрядной плазме подобных лазеров [15-21].
В з 3.2 кратко рассмотрен механизм образования убегающих электронов (УЭ), и описан метод получения электронного пучка в ускоряющем промежутке (УП) с использованием открытого разряда (ОР). Приведены схема экспериментальной установки для исследования пучка убегающих электронов, получаемых методом ОР а также методика экспериментов. Исследованы характеристики импульсного пучка УЭ в гелии и азоте. Приводятся экспериментальные зависимости высоты плазменного столба h, образующегося при ионизации газа пучком УЭ, от начального напряжения U0 на ускоряющем промежутке и давления газа p.
Длительное время проблемным оставался вопрос о том, что является основным механизмом образования начальных электронов на катоде - фотоэмиссия за счет подсветки катода фотонами из дрейфового пространства или электрон-ионная эмиссия под действием бомбардировки катода положительными ионами из катодного слоя разряда. Для уточнения этого вопроса была привлечена теория катодного слоя тлеющего аномального разряда (АР) в газе [2]. Из неё была получена аналитическая зависимость катодного падения потенциала АР от плотности тока разряда:
U j = 0.(3.1) Un jn , где Un, jn - величины катодного потенциала и плотности тока, соответствующие нормальному режиму горения разряда. Сравнение показало, что эта зависимость удовлетворительно согласуется с экспериментальными зависимостями напряжения Um на УП от плотности тока jm в момент максимума разрядного тока.
Глубина области, ионизованной электронным пучком, обычно характеризуется величиной пробега быстрого электрона в газе Re. Для оценки Re использовалась следующая формула:
A T Re = 0,274 2.110-3T, (3.2) Z e где - плотность газа, A/Z 2 - отношение атомного веса к заряду ядра тормозящего пучок газа, e - энергия покоя электрона, T - начальная энергия электронов.
Сравнение экспериментальных зависимостей h от величины еUm (е заряд электрона) также удовлетворительно совпало с расчетами. Результаты исследований показали, что независимо от сорта газа катодный слой аномального разряда является источником убегающих электронов с энергией близкой к еUm.
В азоте максимальное значение параметра ph, при котором возникал пучок УЭ, составляло ~ 0,5 Торрсм, что соответствует левой ветви кривой Пашена [2]. Из-за резкого затухания электронного пучка при увеличении p получить лазерную генерацию в азоте, используя метод возбуждения с открытым разрядом, не удалось.
Автором диссертации был разработан новый метод, в котором для расширения диапазонов изменения h, p и U0 было предложено сначала разгонять пучок в УП выше описанным способом, а затем компенсировать потери энергии убегающих электронов путем их дополнительного ускорения во внешнем электрическом поле плазменного столба аномального самостоятельного разряда.
В з 3.3 подробно исследуется метод дополнительного ускорения убегающих электронов в поле аномального разряда. В этом методе электронный пучок с энергией T = T1 >> Tmax (Tmax - энергия электронов при максимальной величине энергетических потерь Lmaqx) сначала формируется в узком промежутке (~ 1 мм) между катодом и сеткой, а затем ускоряется полем плазменного столба аномального самостоятельного разряда в основном промежутке, образованным сеткой и анодом (межэлектродное расстояние при этом составляет d = 10-20 мм). Исходя из критериев образования УЭ, оцениваются условия, при которых катодный слой АР может служить источником электронов с начальной энергией T > T1, а поле плазменного столба в основном промежутке способно поддерживать режим убегания электронов вдоль остальной зоны разряда. Дается описание экспериментальной установки и электрическая схема (см. Рис. 4) для получения пучка УЭ с предложенным принципом ускорения электронов.
В экспериментальной части приводятся типичные осциллограммы (см. Рис. 5) высоковольтных импульсов напряжений на катоде (Uc), на сетке (Ug), на УП (Ue) = (Uc - Ug), а также тока (Iс) через емкость C2, подключенную к газоразрядному промежутку с азотом ( р = 45 Торр). Из анализа осциллограмм следует, что действие схемы возбуждения можно условно разделить на три последовательных этапа.
Этап 1. На фронте импульса напряжения генератора накачки в УП образуются электроны с энергией T eUe = 15 кэВ. Они осуществляют предыонизацию за время t 210-10 c и, тем самым, инициируют объемный пробой во всем межэлектродном промежутке.
Этап 2 начинается с момента пробоя, которому соответствует максимум напряжения на катоде. Зажигается ОСР с амплитудой импульса тока IСmax = 30 кА и максимальной плотностью тока jmax 1,3 кА/см2. Согласно вольт-амперной зависимости для катодного потенциала, полученной в з 3.2, при такой величине jmax разряд является аномальным, и в его катодном слое должны образовываться убегающие электроны с T 2 кэВ. Далее эти электроны принудительно разгоняются в УП до T 10 кэВ, а затем инжектируются в основной промежуток. В момент максимума тока пучка величина E1/p в поле плазменного столба основного промежутка составляет 75 В(смТорр)-1. Она заведомо выше величины E1/p В(смТорр)-1 необходимой для продолжения ускоренного движения электронов с T 10 кэВ в этом поле.
Третий этап начинается с момента повторного нарастания импульса разрядного тока. Амплитуда тока во втором импульсе примерно в 2 раза меньше первого и по времени она совпадает с моментом, когда Ue = 0, т.е. пучок прекращается. Поэтому второй максимум тока обусловлен развитием процессов ударной ионизации в разрядном промежутке.
Для сравнения дается оценка коэффициента ионизации газа под действием электронного пучка Lmax/ 51 см-1 (где = 35 эВ - средняя энергия образования электрон-ионной пары в азоте [1, 5]), который значительно превышает значение коэффициента ударной ионизации в газе max 9 см-1 [2] в момент максимума тока пучка УЭ. Оценка эффективности преобразования электрической энергии, запасенной в накопительной емкости С1 в энергию пучка, получается достаточно высокой ~ 60 %.
Таким образом, предложенный метод позволяет обеспечить импульсный режим убегания электронов в газоразрядном промежутке с азотом при много больших значениях pd ~ 100 смТорр >> pdmin ~ 0,6 смТорр (где pdmin - значение, соответствующие минимуму кривой Пашена), чем метод с открытым разрядом (pd ~ 0,5 смТорр). Энергия электронов составляла более 10 кэВ, длительность импульсов электронного пучка несколько нс, а ток пучка десятки килоампер.
В конце з 3.3 кратко рассмотрены другие известные работы по получению убегающих электронов, в частности, с использованием трёх электродной газоразрядной системы, а также в режиме генерации сверхкоротких лавинных электронных пучков. Дан критический анализ и сопоставление основных результатов этих работ с нашими результатами.
В з 3.4 исследована возможность использования разработанного автором метода получения пучков убегающих электронов для накачки УФ азотного лазера с системой возбуждения на базе соответствующей экспериментальной установки. На ней была получена генерация мощного лазерного УФ излучения в азоте.
Доказательствами служат осциллограммы напряжения на разрядном промежутке и лазерного УФ излучения (см. Рис. 6), а также экспериментально полученное распределение интенсивности лазерного излучения J(x) вдоль центральной оси РП (см. Рис. 7). В распределении J(x) наблюдаются явно выделенные зоны темного пространства у катода и отрицательного свечения характерные для разрядов с ионизацией быстрыми электронами.
Построены экспериментальные зависимости энергии выходного УФ излучения Wg, а также напряжения на катоде Uc и на сетке Ug от давления азота p, приведенные к относительным единицам. Из них следует, что максимальная Wg ~ 1 мДж достигается при pm 45 Торр. Это давление значительно меньше порогового давления pth ~ 1Торр, при котором прекращается образование УЭ в УП. Поэтому явление убегания электронов может быть использовано для достаточно эффективного возбуждения активной среды N2-лазера.
В з 3.5 перечислены выводы к третьей главе.
Глава 4 посвящена работам, направленным на создание первых в нашей стране технологических F2-лазеров [22-35]. Во Введении (з 4.1) отмечается уникальность F2-лазера, состоящая в том, что он генерирует достаточно мощное ВУФ излучение с самой короткой по сравнению с другими лазерами длиной волны - 157 нм [9]. Названы также сферы применения этого лазера. Рассматриваются основные проблемы, связанные с созданием этого лазера, формулируется цель исследовательских работ.
В з 4.2 обсуждаются различные аспекты электроазрядного F2-лазера необходимые при изучении его работы. В частности, говорится об особенностях требований к мощной накачке активной среды, обусловленных короткой длиной волны. Даются сведения, касающиеся лазерных переходов возбужденных молекул фтора D1(32g)A1(32u), ширины линии спонтанного излучения и линиях генерации ВУФ излучения. Описаны кинетические процессы, происходящие в активной среде F2-лазера с накачкой объемным самостоятельным разрядом.
В конце з 4.2 анализируется традиционный путь увеличения выходных характеристик F2-лазера, основанный на экстремально высокой удельной мощности накачки, достигаемой в разрядах высокого давления до 10 бар. На основании критического анализа такого подхода дается постановка задачи исследования. Для получения высокой мощности разряда при более низких давлениях газа предложен метод, основанный на оптимизации процесса энерговклада в газовый разряд.
В з 4.3 рассмотрен принцип действия указанного метода на примере схемы возбуждения с высоковольтным С1-С2 генератором накачки. Сформулированы условия, необходимые для реализации этого метода:
Осуществить зажигание ОСР при предельном (для данной схемы накачки) напряжении Ulim на разрядном промежутке:
UC 2 = Ulim (4.1) 2U0Cгде UC 2 =, C1 - емкость накопительного конденсатора, C2 - обостряющая C1 + Cемкость и U0 - зарядное напряжение.
Обеспечить условие согласованного режима накачки:
Elim Eqs U = 2U или = (4.2) lim qs p p где Uqs - напряжение квазистационарного горения, соответствующее максимуму тока самостоятельного разряда, Eqs/p = Uqs/dp - отношение напряженности поля к давлению газа в квазистационарном режиме Elim/p = Ulim/dp - отношение напряженности поля к давлению газа в момент предельного напряжения на разрядном промежутке. При соблюдении этих двух условий осуществляется максимальная передача энергии и мощности, от генератора накачки в активную среду.
В з 4.4 исследуются условия эффективного возбуждения мощного электроразрядного F2-лазера. Описаны экспериментальная установка и методика регистрации излучения 157 нм, которое сильно поглощается в полосах ШуманаРанджа молекулярного кислорода, а также парами воды и другими примесями, содержащимися в окружающем воздухе. Отмечается, что эксперименты проводились на базе эксимерного лазера серии CL-7000, разработанного в ЦФП ИОФРАН. Даются его схема и основные параметры конструкции (см. Рис. 8).
Подробно описаны эксперименты по оптимизации выходных характеристик F2-лазера и по улучшению однородности горения разряда в газовых смесях F2/He/Ne.
Приводятся следующие экспериментальные данные: синхронизованные осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке и лазерного излучения; зависимости энергии генерации ВУФ излучения Wg от процентного содержания фтора в смеси F2/He при определенных значениях зарядного напряжения схемы возбуждения U0 и давления буферного газа гелия pHe; зависимости Wg от pHe при постоянном давлении фтора pF2 = 5 мбар и различных значениях U0 (см. Рис. 9);
зависимости максимального напряжения Um на разрядном промежутке (соответствующего моменту пробоя РП) от pHe и U0 (pF2 = 5 мбар).
Также представлены зависимости полной эффективности лазера 1 (КПД), рассчитанной относительно энергии запасенной в накопительной емкости C1 (1 = Wg/WC1, WC1 = C1U02/2) и зависимости внутренней эффективности лазера, рассчитанной относительно энергии, аккумулированной в обостряющей емкости Cпри напряжении пробоя разрядного промежутка (2 = Wg/WC2, WC2 = C2Um2/2) от pHe и U0 (pF2 = 5 мбар). Из этих данных рассчитывался фактический КПД лазера f относительно энергии, вложенной в разряд.
Экспериментально показано, что в соответствии с разработанным автором диссертации методом оптимизации процесса энерговклада, максимальные значения выходной энергии 28 мДж и КПД 0,14 % были получены на смеси F2/He = 6/33мбар (см. рис. 9) при условиях, когда напряжение на разрядном промежутке повышалось до предельной для данной схемы возбуждения величины Um = 33,5 кВ Ulim (U0 = 30 кВ). При этом обеспечивался согласованный режим ввода энергии в разрядную плазму (Um 2Uqs 34 кВ, 1).
Было исследовано влияние разбавления буферного газа гелия неоном на выходную энергию и однородность разряда. Представлены экспериментальные зависимости отношения максимальной энергии генерации WHe/Ne в F2/He/Ne смеси к максимальной энергии WHe в F2/He смеси, а также оптимальной концентрации F2 в %, от относительного парциального давления неона рNe/(рHe+рNe) при полном давлении буферного газа рHe+рNe = 3000 мбар и U0 = 30 кВ. В случае разбавления гелия неоном энергия ВУФ излучения падает. При полной замене He на Ne энергия F2-лазера падала почти в 2 раза. Обсуждаются причины такого поведения WHe/Ne.
Было экспериментально установлено, что при небольшом добавлении Ne ( 100 мбар) в газовую смесь F2/He, значительно улучшается однородность разряда. Это проявлялось в полном исчезновении искровых каналов, а также в равномерном свечении разряда по всему промежутку. Энергия генерации в этом случае снижалась не более, чем на 15 %. Такое значительное улучшение разряда, вероятно, объясняется влиянием эффекта Пенинга [2], в результате которого в He/Ne смесях, помимо ионизации газа электронным ударом, действует дополнительный механизм ионизации атомов Ne через возбужденные уровни 43D и 21Р атомов He. Благодаря улучшению разряда достигается достаточно высокое качество оптического излучения, о чем свидетельствует пространственный профиль излучения в смеси F2:He:Ne = 5:3000:100 мбар, изображенный на Рис. 10.
Далее проводится обсуждение полученных результатов. Некоторые параметры лазеров, работавших при давлениях смеси 8-10 бар, сравниваются с соответствующими параметрами лазера, исследуемого в диссертационной работе.
Делаются их сопоставление и краткий анализ. Подчеркивается, что, несмотря на, значительно более низкий уровень рабочих давлений нашего лазера (3,3 бар), его КПД не уступал значениям, которые реализуются при давлениях 8-10 бар.
В з 4.5 описан малогабаритный F2-лазер (активный объем ~ 9 см3), работающий при давлении смеси He/F2 до 3500 мбар с частотой следования импульсов до 1 кГц. Исследовано влияние системы предыонизации, импульсов напряжения накачки, состава и давления газовой смеси He/F2 на работу лазера.
Во Введении обращается внимание на ряд проблемных вопросов, связанных с механизмом влияния молекулярного фтора на газоразрядные характеристики и получение оптимальных условий накачки. В частности, на существующие расхождения между качественными и количественными объяснениями зависимости максимума энергии генерации Wg от концентрации фтора [F2] с имеющимися экспериментальными данными, что требует дополнительных исследований.
Формулируется цель работ.
Рассматриваются особенности работы и требования, предъявляемые к системе возбуждения импульсно-периодического F2-лазера. Исходя из них, выбираются схемы конструкций её основных элементов. Отдельно рассматривается электрическая схема генератора накачки (см. Рис. 11). Она содержит LC генератор Фитча в комбинации с двумя магнитными звеньями сжатия высоковольтных импульсов.
Коммутатором служил тиратрон с холодным катодом типа ТПИ1-1к/20. Вместо искровой системы предыонизации использовалась предыонизация протяженным барьерным разрядом через диэлектрик, которая обеспечивала более равномерную засветку рабочего объема и необходимый уровень начальных электронов в нем.
Основой для создания F2-лазера служил малогабаритный эксимерный лазер серии CL 5000, выпускаемый ЦФП ИОФ РАН. При работе в импульснопериодическом режиме важно, чтобы самостоятельный разряд был без катодных пятен, которые вызывают эрозию электродов и ухудшают ресурс работы лазера. Для выполнения этого требования в процессе конструирования лазера принимались меры к тому, чтобы свести к минимуму длительность фронта генератора накачки и индуктивность в цепи разряда обостряющей емкости.
Дано описание экспериментальной установки, методики измерений и результатов экспериментов. Приводятся осциллограммы импульсов в характерных точках схемы накачки из которых видно, что магнитный генератор обеспечивал четырнадцатикратное сжатие импульсов напряжения и формировал на электродах лазера импульсы с фронтом до ~ 70 нс и амплитудой до 21 кВ.
Представлены зависимости энергии генерации F2-лазера Wg от полного давления газовой смеси р при разных зарядных напряжениях генератора U0 для смесей He/F2 с концентрацией фтора [F2] = 0,1%; 0,14% и 0,19% соответственно (см.
Рис. 12). Соответствующие этим условиям, зависимости величины максимального напряжения на разрядном промежутке UM от р насыщаются, достигая предельных значений Ulim, определяемых величиной U0.
Визуальные наблюдения разрядной зоны продемонстрировали, что благодаря улучшенной предыонизации и достаточно коротким длительностям фронта напряжения и импульса тока накачки самостоятельный разряд был совершенно однородным - без катодных пятен, искр и зон с повышенной яркостью свечения.
При обсуждении и анализе результатов экспериментов, автором диссертации было показано, что понять эволюцию зависимостей Wg = f(р) позволяет ход зависимостей UM(p) и учет процесса согласования сопротивления плазмы с волновым сопротивлением разрядного контура. Также учитывалось существенное влияние реакции диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора F2 + e- F + F, которая контролирует электронную температуру плазмы, и величину отношения напряженности поля к давлению смеси E/p в разряде.
Делается расчет зависимости Eqs/p в квазистационарной фазе разряда от концентрации фтора (см. Рис. 13). Из нее следует, что изменяя [F2] можно варьировать величину Eqs/p и тем самым подбирать условия согласования разряда и управлять процессом энерговклада в активную среду. Для данных экспериментальных условий [F2] = 0,1%; 0,14% и 0,19% получаем, что Eqs/p = 2,В(сммбар)-1; 3 В(сммбар)-1 и 3,5В(сммбар)-1 соответственно. По точкам пересечения экспериментальных графиков EM/p = UM/dp = f(p) с расчетными значениями 2Eqs/p = 5,2 В(сммбар)-1; 6 В(сммбар)-1; 7 В(сммбар)-1 определялись условия согласованного режима накачки при разрядах в исследуемых смесях He/F2.
Из результатов исследований следует, что для получения максимальной энергии генерации Wgm электроразрядного F2-лазера требуется такой состав смеси He/F2, при котором согласованный режим накачки активной среды реализуется в условиях предельного (для данной схемы возбуждения) напряжения на разрядном промежутке Ulim и предельного рабочего давления plim. В конце параграфа отмечено, что по сравнению с мировыми аналогами, которые имели энергию 2 мДж при рабочем давлении смеси 6 бар и 7 бар, описанный в данной работе лазер, генерировал энергию до 2,5 мДж при значительно меньшем давлении смеси 3,5 бар, чем в указанных аналогах.
В параграфе 4.6 перечислены выводы к данной главе.
В Главе 5 рассмотрена система возбуждения мощного СО2Цлазера с инициированием самостоятельного разряда слаботочным пучком ускоренных электронов [36-41].
Во Введении (з 5.1) приводятся краткие сведения о технических характеристиках и областях применениях этих лазеров. Перечислены основные проблемы при создании электроразрядных систем для возбуждения CO2Цлазеров, связанные с: получением ОСР в активном объеме в десятки литров и межэлектродным расстоянием в десятки сантиметров; разработкой систем предыонизации с высокой ионизирующей и проникающей способностью; ростом разрядного напряжения при увеличении межэлектродного расстояния;
необходимостью поиска эффективных способов подавления локальных плазменных неоднородностей, которые образуются в ОСР и приводят к контракции самостоятельного разряда.
Для решения указанных проблем в диссертации предложено рассмотреть возможность использования для инициирования ОСР пучка быстрых электронов с энергией более 100 кэВ.
В з 5.2 исследуется объемный самостоятельный разряд при его инициировании слаботочным пучком электронов в газовых смесях CO2/N2/He. Во Введении дан обзор предыдущих работ, в которых пучок быстрых электронов применялся для инициирования режима ионизационного размножения электронов или самостоятельного разряда. Показана перспективность использования объемного самостоятельного разряда с предыонизацией электронным пучком для повышения эффективности работы мощных систем возбуждения. Сформулирована цель работы - исследование особенностей получения самостоятельного разряда при его инициировании электронным пучком в больших объемах газовых смесей CO2/N2/He при длительности тока пучка значительно меньшей, чем длительность тока основного разряда, а также возможности подавления плазменных неоднородностей и получения предельно-однородного ОСР, в котором эти неоднородности отсутствуют.
Дано краткое описание экспериментальной установки на базе электроионизационного CO2Цлазера (см. Рис. 14), в которой специально был существенно ослаблен тока пучка и сокращена его длительность по сравнению с электроионизационным режимом. Длительность тока пучка, инжектируемого в газоразрядную камеру e, не превышала 1 мкс. При напряжении на электронной пушке Ue = 160230 кВ плотность тока пучка составляла je = 220 мА/см2. Поэтому такой пучок можно называть слаботочным электронным пучком (СЭП).
Газоразрядная камера заполнялась смесями CO2/N2/He атмосферного давления.
Максимальный разрядный объем достигал V ~ 60 л, а межэлектродное расстояние d ~ 19 см - соответственно.
Для анализа процессов, протекающих в объемном самостоятельном разряде, необходимо знать характеристики начальной плазмы созданной СЭП. По осциллограммам тока I(t) несамостоятельного разряда, при разных значения постоянного напряжения U0 на разрядном промежутке, были определены экспериментальные зависимости максимальной концентрации плазмы созданной СЭП n0max от Ue и характерного времени жизни этой плазмы P от E/p (E = U0/d). Из этих зависимостей следует, что, регулируя в интервале нескольких микросекунд время задержки tЗ между началом тока СЭП и моментом подачи напряжения накачки, можно в широких пределах изменять концентрацию начальной плазмы n0 в разрядном промежутке и моделировать условия инициирования ОСР практически при любых значениях n0 в диапазоне 01013 см-3.
Описаны особенности ОСР, инициируемого СЭП при разных значениях n0.
Экспериментально показано (см. Рис. 15), что при малых n0 = 51078109 см-осциллограммы токов и напряжений ОСР имеют вид характерный для режима с коротким фронтом напряжения накачки (~ 100 нс).
При больших величинах n0 = 5101121012 см-3, осциллограммы значительно изменяются. На фронте импульса напряжения накачки наблюдалось появление короткой стадии объемного несамостоятельного разряда (ОНР), которая предшествует стадии самостоятельного разряда.
Делается заключение, что процессы зажигания ОСР при малых и больших значениях n0 существенно отличаются. При малых n0 развитие самостоятельного разряда, начинается с формирования плазменного столба за счет ударной ионизации, а затем образуется катодный слой с катодным падением потенциала [10]. В диссертационной работе впервые экспериментально установлено, что в случае больших n0 стадия формирования плазменного столба исчезает, а катодный слой, образуется раньше, чем происходит ионизационное размножение электронов в плазменном столбе ОСР.
В з 5.3 решается проблема получения предельно-однородного объемного самостоятельного разряда с использованием слаботочного пучка ускоренных электронов. Во Введении говорится, что в объемном самостоятельном разряде, обычно, образуются локальные неоднородности в виде плазменных нитей, искровых каналов или катодных пятен. Развитие подобных неоднородностей приводит к контракции разряда [2], что ограничивает энергетические характеристики ОСР и ухудшает выходные характеристики лазеров. В связи с этим, ставятся задачи о поиске эффективных способов подавления локальных неоднородностей и получении особой формы ОСР в смесях газов CO2/N2/He, при которой неоднородности отсутствуют во всем разрядном объеме. Такой разряд можно назвать предельно-однородным объемным самостоятельным разрядом.
Делается аналитический обзор образования и развития основных видов неоднородностей самостоятельного разряда в смесях газов CO2/N2/He. На стадии формирования разряда: 1) из-за ухода начальных электронов из прикатодной области способны зарождаться стримеры из не успевших перекрыться, вторичных лавин; 2) ионизационные волны приводят к образованию крупномасштабных неоднородностей в поперечном к внешнему полю направлении, создавая более плотную плазму в центре разряда; 3) поскольку размножение электронов происходит в виде цепочек лавин, идущих по следу друг друга, плазменный столб состоит из плазменных, микро нитей, вытянутых в направлении поля; 4) в результате расслоения разряда и влияния автоэлектронной эмиссии, на катоде появляются локальные места с повышенными напряженностью электрического поля и эмиссией электронов, в которых образуются катодные пятна.
На стадии горения разряда неоднородности, возникшие на стадии формирования ОСР, быстро растут в результате последующего увеличения энерговклада. Описывается динамика развития искровых каналов из катодных пятен в смесях молекулярных газов. Обсуждается возможность развития объемных неустойчивостей таких, как: ионизационно-перегревная (тепловая) неустойчивость, ионизационная неустойчивость, неустойчивость, обусловленная ступенчатой ионизацией частиц, и т.д.
По результатам анализа делается вывод о том, что в условиях характерных для накачки CO2-лазеров, основные виды плазменных неоднородностей возникают на стадии формирования разряда. Поэтому, если стадию формирования исключить из процесса развития разряда, то можно устранить возникновение, рассмотренных выше неоднородностей и осуществить зажигание предельно-однородного ОСР.
Предложен механизм и сформулированы критические условия зажигания ОСР, при которых разряд начинается сразу со стадии горения, минуя стадию его формирования. Для этого рассмотрена теоретическая модель процесса развития разряда в плоском разрядном промежутке, к которому приложено поле E и заполненном начальной плазмой с одинаковой концентрацией электронов n0.
Критерием получения предельно-однородного ОСР принято условие, что образование катодного слоя и соответствующего ему катодного падения потенциала происходит раньше начала процессов ударной ионизации в плазменном столбе. Для выполнения этого критерия необходимо, чтобы был ограничен максимальный размер катодного слоя :
-(5.4) < где = (Е) - коэффициент ударной ионизации в плазменном столбе, зависящий от Е.
Механизмом, обеспечивающим образование катодного потенциала, должен служить таунсендовский пробой в этом слое. Условие возникновения таунсендовского пробоя в катодном слое имеет вид [2]:
1 C(Ex )dx = ln +1 (5.5) Из этого находим связь между n0 и E.
-Bp 1 CEE n0 > pAe (5.6) 4e (Bp - CE) где p - давление газа, A и B - константы в формуле для коэффициента ударной 1 ионизации = рАe-Bp/E [3], C = lnln +1 - коэффициент вторичной эмиссии электронов с катода.
Приводится график зависимости (по формуле 5.6) граничной концентрации начальных электронов n0 от напряженности поля E в разрядном промежутке, требуемой для получения предельно-однородного ОСР. Даются расчетные оценки величины n0 для зажигания предельно-однородного разряда в смесях CO2-лазеров.
Полагая, E = Eqs найдем, что n0 > 7108 см-3. Для согласованного режима ввода энергии из емкостного накопителя в газ E 2Eqs формула (7) дает значение n0 > 3,41011 см-3. Столь высокие n0 возможно реализовать только с помощью мощных систем предыонизации, таких как рентгеновские источники, электронный пучок, системы с инициированием предварительного разряда в активном объеме и т.д.
Далее описаны экспериментальные исследования условий инициирования слаботочным электронным пучком предельно-однородного ОСР в газовых смесях CO2/N2/He. На рис. 16 показаны фотографии свечения ОСР (энерговклад ~ 3Дж/литр, длительность тока разряда по основанию ~ 4 мкс) в смеси CO2:N2:He = 1:2:(с добавкой ~ 0,1 % триэтиламина) атмосферного давления при разных значениях концентрации плазмы n0, создаваемой СЭП.
Обсуждается влияние величины n0 на характер изменения однородности ОСР.
На рис. 16 (а) наблюдаются неоднородности в виде искровых каналов. При увеличении n0 до 21010 см-3 на катоде видны яркие катодные пятна (Рис. 16 б). Только при n0 = 51011 см-3 разряд принимает форму совершенно однородного плазменного столба с ровно светящимся узким катодным слоем (Рис. 16 в), что согласуется с результатами расчетов.
Был проведен эксперимент по определению длительности устойчивого горения предельно-однородного ОСР. Приведены осциллограммы напряжения и тока ОСР в смеси CO2:N2:He = 1:2:3 (с добавкой ~ 0,1 % триэтиламина) атмосферного давления при энерговкладе ~ 170 Дж/л. Они показывают, что полная длительность разрядного тока достигает рекордных для такой смеси значений tp ~ 10 мкс.
Отмечается, что при этих условиях в разрядной зоне образование локальных плазменных неоднородностей - не наблюдалось. Однако, на краю поверхности анода прорастал искровой канал, что приводило к перекрытию электродов лазера. При tp больше 10 мкс причиной пробоя была краевая неоднородность поля на аноде (коэффициент неоднородности поля - 1,4).
В параграфе 5.4 исследуется влияние n0 на выходные характеристики СО2лазеров. Представлены экспериментальные зависимости коэффициента усиления слабого сигнала g от удельного энерговклада w/p для смеси CO2:N2 = 1:1 (р = 0,5 атм) с добавкой триэтиламина (р = 1 Торр) при разных способах создания начальной концентрации электронов в разрядном промежутке. Из них следует, что в условиях предельно-однородного разряда, получаемого с помощью СЭП (n0 ~ 1012 см-3), реализуется наибольшее по сравнению с другими способами значение g 8 м-1.
Для предельно-однородного разряда характерными свойствами являются равномерное распределение коэффициента усиления в активной среде и линейный рост зависимости Wg от энергии накачки Wp, графики которых приводятся.
Экспериментальные зависимости энергии генерации Wg от величины начальной концентрации электронов n0, полученные на СО2-лазере с накачкой объемным разрядом, инициируемым СЭП, приведены на рис. 17. Видно, что Wg увеличивается почти вдвое с ростом n0 от 108 до 1012 см-3. При этом КПД по энергии накачки достигал рекордной для электроразрядных СО2-лазеров величины 25%. Указаны вероятные причины такого значительного повышения g и КПД.
В параграфе 5.5 приведены выводы к данной главе.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.
III ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Впервые экспериментально установлено, что энергия УФ излучения лазера на молекулярном азоте пропорциональна мощности накачки, выделяемой в момент максимума импульса разрядного напряжения, при котором обеспечивается максимальная температура электронов в плазме самостоятельного разряда, необходимая для эффективного возбуждения высоко лежащих уровней азота C3Пu.
Получена аналитическая зависимость КПД лазера от параметров схемы возбуждения и показано, что для его повышения следует минимизировать параметр, характеризующий длительность импульса генератора накачки. Установлено, что максимальная энергия УФ излучения достигается при таком давлении азота, когда одновременно с максимумом разрядного напряжения осуществляется согласованный режим ввода энергии в плазму, при котором максимальная мощность накачки вводится при максимальной температуре электронов в плазме.
2. Для создания систем возбуждения N2-лазера впервые предложено использовать явление убегания электронов, которое позволило значительно увеличить энергию электронов, осуществляющих накачку лазерной среды.
Разработан новый метод получения пучков убегающих электронов в газовом разряде, при котором пучок с энергией T >> Tmax (где Tmax - энергия электронов с максимальным значением энергетических потерь) сначала формируется в узком промежутке (~ 1 мм) между катодом и сеткой, а затем ускоряется внешним полем в основном промежутке, образованным сеткой и анодом. Этот метод позволяет получать импульсные пучки электронов при больших значениях параметра pd ~ 1смТорр >> pdmin ~ 6 смТорр (pdmin - значение, соответствующие минимуму кривой Пашена). Экспериментально получены убегающие электроны с энергией ~ 10 кэВ, плотностью тока 103 A/см2 и длительностью импульса пучка ~ 10-9-10-8 сек при давлении азота ~ 45 Торр.
3. Впервые осуществлена лазерная генерация УФ излучения с энергией ~ мДж при накачке молекулярного азота мощным пучком убегающих электронов.
4. Впервые экспериментально показано, что существенное влияние на процессы накачки F2-лазера оказывает реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора F2+e-F-+F, которая контролирует электронную температуру плазмы самостоятельного разряда. Благодаря этой реакции возможно изменять величину отношения электрического поля к давлению газа E/p и, подбирая условия согласования сопротивления плазмы с волновым сопротивлением разрядного контура, управлять процессом энерговклада в активную среду, путем варьирования концентрации фтора в газовой смеси.
5. На основании данных экспериментов и теоретических расчетов, проанализирован характер зависимостей энергии ВУФ излучения от основных параметров возбуждения F2-лазера - величины разрядного напряжения, значения напряженности поля квазистационарного горения разряда, состава и давления газовой смеси. Найдено, что оптимальным является такой состав смеси He/F2, при котором в условиях предельных значений (для заданной системы возбуждения) напряжения на разрядном промежутке и рабочего давления смеси реализуется согласованный режим накачки активной среды. В этих условиях мощность и энергия, подводимые к разрядному промежутку, а также эффективность возбуждения лазера максимальны.
6. Экспериментально установлено, что при полной замене буферного газа He на Ne энергия генерации F2-лазера падает в 2 раза. В случае небольших добавок в рабочую смесь неона ( 100 мбар) энергия излучения уменьшается незначительно (на 15 %), но при этом существенно улучшается однородность разряда, что важно для повышения таких характеристик, как качество оптического пучка, ресурс и средняя мощность лазера.
7. Предложен новый подход, основанный на оптимизации процесса ввода энергии в газоразрядную среду, за счет чего обеспечиваются высокая мощность накачки и достигается КПД лазерной ВУФ генерации более 0,2 % при пониженном до 3,5 бар давлении газовой смеси He/F2, а также существенно улучшается однородность самостоятельного разряда и ресурс работы системы возбуждения F2-лазеров. Созданы и исследованы системы электроразрядного возбуждения F2-лазеров с энергией излучения более 25 и 2,5 мДж и частой следования импульсов от 100 Гц до 1 кГц соответственно, превосходящие по ряду характеристик мировые аналоги.
8. Впервые получен и исследован предельно-однородный объемный самостоятельный разряд в газовых смесях CO2/N2/He атмосферного давления, в котором отсутствуют локальные плазменные неоднородности, приводящие к контракции разряда. Экспериментально и теоретически определены начальные концентрации электронов n0, необходимые для получения предельно-однородного ОСР. Показано, что при наиболее эффективных условиях накачки СО2Цлазеров величина n0 составляет ~ 1012 см-3, что намного выше величины n0 ~ 107 см-3, требуемой при формировании обычного самостоятельного разряда.
9. Разработана и создана система возбуждения СО2Цлазеров с накачкой предельно-однородным самостоятельным разрядом, благодаря которой были получены энергия генерации ИК излучения более 2 кДж и рекордная для аналогичных систем эффективность 25 %.
CПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Г.А. Месяц, В.В. Осипов, В.Ф. Тарасенко. Импульсные газовые лазеры. Москва:
Наука, 1991. 272 с.
2. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. 2-е изд. Москва: Наука, 1991. 536 c.
3. Е.П. Велихов, А.С. Ковалев, А.Т. Рахимов. Физические явления в газоразрядной плазме. Москва: Наука, 1987. 160 с.
4. Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц. Физика импульсного пробоя газов. Москва: Наука, 1991. 223 с.
5. Газовые лазеры / Под ред. И. Мак-Даниэля, У. Нигэна. Москва: Мир, 1986. 552 с.
6. Г.А. Баранов, А.В. Астахов, А.К. Зинченко. Мощные технологические СО2лазерные комплексы на основе поперечного самостоятельного разряда. СанктПетербург: Издательство политехнического университета, 2005. 236 с.
7. D. Basting (editor). Excimer Laser Technology: Laser Sources, Optics, Systems, and Applications. Guttngen: Lambda Physik Publishing AG, 2001. 292 p.
8. В.В Осипов. Объемный самостоятельный разряд. Успехи Физических Наук Том.170, №3, C. 225-245 (2000).
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ДИССЕРТАЦИИ.
9. В.В.Аполлонов, В.А. Ямщиков. К вопросу об эффективности электроразрядного N2-лазера. Квантовая электроника. 1997. Том 24. № 6. C. 483-486.
10. V.V. Apollonov, V.A.Yamschikov. УEfficiency of Electrodischarge N2-laserФ.
Proceedings of the International Conference on Lasers'96 Portland, Oregon, USA.
1997. P. 427- 436.
11. В.В.Аполлонов, В.А. Ямщиков. Еще раз об эффективности азотного лазера.
Квантовая Электроника. 2002. Том 32. № 2. C.183-184.
12. V.V. Apollonov, V.A. Yamschikov. УRunaway electron beams for pumping of UV range gas lasersФ. Technical digest of International forum on УAdvanced High Power Lasers and ApplicationФ, Osaka, Japan. 1999. P. 3889-102.
13. V.V. Apollonov, V.A. Yamschikov. УHigh power UV nitrogen laser with runaway electron beams pumpingФ. Technical digest of International conf. on LasersТ99, Quebec, Canada. 1999. P.3.
14. V.V. Apollonov, V.A. Yamschikov. УHigh power UV nitrogen laser with runaway electron beams pumpingФ. Proceedings of the International Conference on Lasers - Society for Optical and Quantum Electronics. 1999. P. 94-101.
15. V.V. Apollonov, V.A. Yamschikov. УRunaway electron beams for pumping UV-range gas lasersФ. Advanced High-Power Lasers Proc. SPIE. 2000. V. 3889. P. 739-748.
16. V.V. Apollonov, V.A. Yamschikov. УPowerful beams of runaway electrons for gas lasers pumpingФ. Proc. of III International Conf. on Plasma Physics and Plasma Technologies PPPT-3, Minsk, Belarussia. 2000. V. 2, P. 672-675.
17. В.А. Ямщиков. Получение наносекундных пучков убегающих электронов для накачки газовых лазеров, генерирующих ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучения. Препринт ИЭЭ РАН.- М., 2009. -37 с 18. В.Ю. Хомич, В.А. Ямщиков. Развитие методов получения пучков убегающих электронов для накачки газовых лазеров, генерирующих УФ излучение.
Прикладная физика. 2010. № 6. C. 84-95.
19. V.A. Yamshchikov УNew method of obtaining of runaway electron beams for a gas lasers pumpingФ. Book of abstracts, 18th International conference on advanced laser technologies, Amsterdam, Netherlands. 2010. P.121.
20. В.В. Атежев, С.К. Вартапетов, А.Н. Жуков, М.А. Курзанов, А.З.Обидин, В.А.
Ямщиков. Условия эффективного возбуждения электроразрядного F2-лазера.
Квантовая электроника. 2003. Том 33. №. 8. C. 677-683.
21. V.V. Atejev, S. K. V.V. Atejev, S. K. Vartapetov, A.N. Zhukov, M.A. Kurzanov, A.Z.
Obidin, V.A. Yamschikov. УEfficient 2 W average power F2ЦlaserФ. Proceedings of SPIE Laser Optics 2003: High-Power Gas Lasers. 2004. V. 5479. P. 123-134.
22. Yu.V. Larionov, A.A. Rybaltovsky, S.L. Semjonov, M.M.Bubnov, E.M. Dianov, S.K.
Vartapetov, M.A. Kurzanov, A.Z. Obidin, A.N Guryanov, A.A.Umnikov, V.A.
Yamschikov. УHigh photosensitivity of Al2O3-doped fibers to 193 nm and 157 nm excimer laser irradiationФ Photosensitivity and poling in Glass Waveguides (BGPPТ2003), Monterey, California, USA, Technical Digest, MC4, P. 46-23. С.К. Вартапетов, А.А. Жигалкин, К.Э. Лапшин, А.З.Обидин, В.Ю. Хомич, В.А.
Ямщиков. Исследование электроразрядного ВУФ лазера на молекулярном фторе.
Квантовая Электроника. 2006. Том 36. № 5. C. 393Ц398.
24. V.Yu. Khomich, E.A. Shershunova, V.A. Yamschikov. Effective Excitation of F2-laser (157 nm) at Active Medium Reduced to 3 Bar Pressure. XII International Conference on Laser Optics St. Petersburg, Russia Technical Program. 2006. P. 45.
25. В.Ю.Хомич, В.А. Ямщиков. Влияние концентрации молекулярного фтора на выходные характеристики электроразрядного F2-лазера. Электронный журнал "Исследовано в России", 152/060403. 2006. C. 1414-1422.
26. К.Э. Лапшин, А.З. Обидин, В.Н. Токарев, В.Ю. Хомич, В.А. Шмаков, В.А.
Ямщиков. Прямое лазерное наноструктурирование поверхности алмазных пленок и керамики нитрида кремния наносекундными импульсами излучения F2лазера. Российские нанотехнологии. 2007. Том 2. № 11,12. C.59-66.
27. В.Н. Токарев, В.Ю. Хомич, В.А. Шмаков, В.А. Ямщиков. Формирование наноструктур при лазерном плавлении поверхности твёрдых тел. Доклады Академии наук. 2008. Том 419. № 6. C. 754-758.
28. К.Э. Лапшин, А.З. Обидин, В.Н. Токарев, В.Ю. Хомич, В.А. Шмаков, В.А.
Ямщиков. Формирование наноструктур на поверхности нитрида кремния под воздействием излучения F2-лазера. Физика и химия обработки материалов. 2008.
№ 1, C. 43-29. Токарев, В.Ю. Хомич, В.А. Шмаков, В.А. Ямщиков. Возможность прямого лазерного наноструктурирования поверхности без оплавления материала Физика и химия обработки материалов. 2008. № 4, C. 18-30. С.К. Вартапетов, О.В. Грязнов, М.В. Малашин, С.И. Мошкунов, С.В.
Небогаткин, Р.Р. Хасая, В.Ю. Хомич, В.А. Ямщиков. Электроразрядный ВУФ лазер с твердотельным генератором накачки. Квантовая электроника. 2009. Том 39. № 8. C. 714 - 731. R. R. Khasaya, V. Yu. Khomich, M. V. Malashin, V. A. Yamschikov УPossibility of increasing of the excimer lasers emission time durationФ Proceedings of X International Conference on Laser and Laser-information Technologies: Fundamental problems and Applications, Smolyan, Bulgaria 2009. P. 205-232. V.N. Tokarev, V.A. Shmakov, V.A. Yamschikov, R.R. Khasaya, S.I. Mikolutsky, S.V.
Nebogatkin, and V.Yu. Khomich, УReview of methods of direct laser nanostructuring technological materialsФ, Proceedings of the 29th Intern. Congress on Applications of Lasers and Electrooptics, 2010. Anaheim, USA, pp. 1257-1233. В.В. Аполлонов, И.Г. Кононов, А.М. Прохоров, К.Н. Фирсов, В.А. Ямщиков.
Мощный СО2-лазер с накачкой объемным самостоятельным разрядом, инициируемый пучком электронов. Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. № 7, С. 401-405.
34. В.В. Аполлонов, И.Г. Кононов, А.М. Прохоров, К.Н. Фирсов, В.А. Ямщиков.
Объемный самостоятельный разряд в смесях СО2/N2/Не с добавками легко ионизуемых веществ, инициируемый слаботочным пучком электронов.
Материалы III Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Киев. 1986.
Часть 3. C. 284-286.
35. В.В. Аполлонов, Г.Г. Байцур, И.Г. Кононов, К.Н. Фирсов, В.А. Ямщиков.
Коэффициент усиления слабого сигнала в СО2-лазерах при накачке самостоятельным разрядом. Квантовая электроника. 1988. Т. 15. №3. C. 506-508.
36. V.V. Apollonov, I.G. Kononov, K.N. Firsov, V.A. Yamschikov. УTransformation of electron-Beam Sustained Discharge CO2-lasers to a Volume Self-Sustained DischargeФ. Technical digest of Intern. Conf. LasersТ94 Quebec, Canada. 1994. P.18.
37. В.А. Ямщиков. Получение предельно однородного объемного самостоятельного разряда с использованием слаботочного пучка ускоренных электронов. Препринт ИЭЭ РАН.-М., 2008. -27 с.
38. В.Ю. Хомич, В.А. Ямщиков. Образование плазменных неоднородностей и поиск возможностей их полного подавления в объемном самостоятельном разряде. Прикладная физика. 2011. № 6.
39. V.A. Yamshchikov. УObtaining of extremely homogeneous volume self-sustained discharge for powerful CO2-lasers pumpingФ. Book of abstracts, 17th International conference on advanced laser technologies, Antalya, Turkey. 2009. P. 60.
Рисунки к автореферату.
а) б) Рис. 1. а) Электрическая схема возбуждения азотного лазера; б) эквивалентная схема Рис. 2. Зависимости максимального напряжения на разрядном промежутке UM от pN2 в N2 (1) и смеси N2 + SF6 (2).
Рис. 3. Зависимость энергии излучения лазеров W на в N2 (1) и смеси N2 + SF6 (2) от pN2 (pSF6 = 20 мм рт.ст.).
CURP CRx Рис. 4. Схема экспериментальной установки для возбуждения азотного лазера при помощи пучка убегающих электронов. U0 - Зарядное напряжение, C1 - накопительный конденсатор; C2Ц обостряющий конденсатор; R1, R2 - резисторы; Р - разрядник; 1 - газоразрядная камера; 2 - ускоряющий промежуток; 3 - изолятор; 4 - катод, 5 Цсетка; 6 - пучок убегающих электронов; 7 - анод.
UC,U (3.3кВ / дел.) UC,(3.3кВ / дел.) UC -Ug (3.3кВ / дел.) g IC,(10кА/ дел.) U g UC UC IC t,(10нс / дел.) t, (10нс / дел.) t,(10нс / дел.) а) б) в) Рис. 5. Типичные осциллограммы импульсов: а) напряжений на катоде UС, сетке - Ug (точечная линия); б) Uc и тока IС2 через емкость C2 (штриховая линия);
в) напряжения на УП Ue = Uc -Ug при р = 45 Торр (N2), d = 15 мм.
J, отн.ед.
x, мм.
0 5 10 15 20 катод сетка анод Рис. 6. Осциллограммы импульсов Рис. 7. Распределение интенсивности напряжений на катоде Uc (верхняя лазерного излучения J вдоль оси x от катода к аноду (d = кривая) и лазерного УФ излучения мм, pN2 = 20 Торр).
J (нижняя кривая).
К осцил.
Высоковольтный Запуск Источник (U ) тиратрон N L L 2 L L C C R 8 R C C 4 Откачка Контроллер Напуск, откачка газов Рис. 8. Схема экспериментальной установки: 1 - F2-лазер, 2 - измерительная камера, -сильфон, 4 - разрядная камера. 5 - генератор накачки, 6 - диаметральный вентилятор, 7 -измеритель энергии, 8 - глухое зеркало, 9 - полупрозрачное зеркало (R 10%); C1 = 44 нФ, C2 = 29 нФ, L1 150 нГн, L2 = 45 мГн, R1 = 30Ом, R2 = 4,7 Ом U0=30 кВ U0=28 кВ U0=26 кВ U0=24 кВ 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 34Рис. 9. Зависимости энергии излучения Wg от pHe, при pF2 = 5 мбар и различных зарядных напряжениях UРис. 10. Двумерный пространственный профиль излучения F2-лазера.
HV +Uт.Ток подмагничивания (2А) т.т.L1 20 мкГн 1СL2 L6 нФ 1,6 мкГн 0,4 мкГн trig.
0.С3 СС3 нФ 3,5 нФ 1k 6 нФ 1Лазерная камера Рис. 11. Электрическая схема генератора накачки малогабаритного F2-лазера.
Дроссель Дроссель 3,а) [F2]=0,1% U0=11kV 2,U0=12kV U0=13kV 2,U0=14kV 1,1,0,0,2300,00 2800,00 3300,, мБар p б) [F2]=0,14% 1,1,1,U0=11kV 1,00 U0=12kV 0,80 U0=13kV A U0=14kV 0,0,0,0,2100,00 2600,00 3100,00 3600,p, мБар 1,20 в) [F2]=0,19% 1,0,0,U0=11kV U0=12kV 0,U0=13kV 0,20 U0=14kV 0,2000,00 2500,00 3000,00 3500,00 4000,p, мБар Рис. 12 (а, б, в). Зависимости энергии генерации Wg от полного давления смеси p He/F2 при разных значениях зарядного напряжения U0 и концентрациях фтора [F2] Te (эВ), E/p (В/см*мБар) 4,3,Te=Te([F2]) 2,E/p=E/p([F2]) 1,0,0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,[F2],% Рис. 13. Расчетные зависимости электронной температуры Te и отношения напряженности поля к давлению газа E/p от содержания молекулярного фтора [F2] в плазме F2-лазера, мДж g W g W, мД ж g W, мДж I, кА.
Н 1,а ПР ГИНА t, мкс.
1 2 3 4 ДРК U, кВ.
Н К БС 100 Ф ВД б ДЭ ГИН1 t, мкс.
1 2 3 4 Рис. 15. Осциллограммы: токов (а) и напряжений Рис. 14. Схема возбуждения (б) ОСР в РП при фиксированном СO2-лазера с накачкой напряжении генератора накачки (ГИН2) - ОСР инициируемым 125 кВ и разных концентрациях n0: n0 = слаботочным 5107 см-3 (1), n0=8109 см-3 (2), n0 = 51011 смэлектронным пучком.
(3), n0 = 21012 см-3 (4).
а) б) в) Рис. 16. Фотографии свечения ОСР в смеси CO2:N2:He=1:2:3 (с добавкой ~0,1% триэтиламина) при разных n0: а) n0 = 5107 см-3; б) n0 = 21010 см-3; в) n0 = 510см-3.
1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10 1,00E+11 1,00E+Концентрация n1/см .
, Рис. 17. Зависимость энергии генерации CO2Цлазера Wg от начальной концентрации электронов n0, при инициировании ОСР пучком электронов.
Энергия Wg, кДж.