Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Основные представления по физике и технике возбуждения активных сред эксимерных лазеров самостоятельным разрядом (литературный обзор) 13
физика скользящего разряда применительно к фотоионизации газовых сред лазеров 13
Формирование объемного разряда и его использование в газовых лазерах 18
Электроразрядные системы эксимерных лазеров 25
3. Техника эксперимента 29
Постановка экспериментальных исследований. . 29
Методика эксперимента 34
Приготовление газовых смесей ... 45
Обработка экспериментальных данных 48
4. Исследование скользящего разряда применительно к
использованию в газовых лазерах 49
- г.
Многоканальный скользящий разряд 49
Исследование условий формирования однородного скользящего разряда ..... 54
Динамика протекания однородного сильноточного скользящего разряда .... 63
Исследование световых характеристик скользящего разряда применительно к задачам импульсного фотолиза. Эксимерные импульсные лампы на скользящем разряде .... 72
Концентрация фотоэлектронов, создаваемых излучением скользящего разряда ........ 85
4.6. Выводы _
5. Объемный разряд в инертных газах и их трехкомпо-нентных смесях с галогеносодержащими молекулами
Основные закономерности получения объемного разряда в инертных газах
Основные процессы, определяющие характеристики разряда в инертных газах
Расчет объемного разряда в гелии и ксеноне. Сравнение с экспериментом
Объемный разряд в трехкомпонентных смесях инертных газов с галогеносодержащими молекулами
Закономерности флуоресценции эксимерных молекул КгЗ?* Хе*в объемном разряде
Причины ограничения энергии флуоресценции эксимерных молекул КгЗ?х, ХеР* в объемном разряде
Выводы .....
6. Лазерные электроразрядные системы со скользящим
разрядом в смесях инертных газов с галогеносодер-
жащими молекулами
Особенности использования скользящего разряда для предыонизации в эксимерных лазерах
Повышение устойчивости лазерного разряда с плазменным электродом
Эксимерный лазер с плазменными электродами
HF-лазер, инициируемый скользящим разрядом
Выводы
7. Заключение
Литература
Введение к работе
Процессы взаимодействия мощных импульсных потоков оптического излучения с веществом относятся к наименее изученным фундаментальным проблемам физики. Их внедрение в народное хозяйство обеспечивает качественное изменение промышленной технологии. Этим обусловлен бурный прогресс лазерной техники, наблюдающийся в настоящее время. Возрастающий интерес исследователей к импульсным газовым лазерам вызван, в первую очередь, получением в них большой импульсной мощности излучения в широком диапазоне длин волн, включающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасные области.
В первом С0-лазере, предложенном С. Пателом /I, 2/ для накачки активной среды использовался тлеющий разряд низкого давления. Вопросы увеличения удельного энергосъема лазерного излучения потребовали принципиально новых подходов к методам возбуждения активной среды* Первый эксперимент, в котором для увеличения эффективности работы СС^-лазера низкого давления использовалась ионизация газа пучком заряженных частиц (прото-нов), был выполнен A.M. Прохоровым, Е.П. Велиховым, В.Д. Письменным с сотрудниками лаборатории физики плазмы НШЯФ МГУ /3/. Способ возбуждения объемного разряда в плотных газах, основанный на применении пучка ускоренных электронов, был предложен в 1969 г. Г.А. Месяцем с сотрудниками /4/. В этих работах впервые осуществлен объемный разряд в азоте давлением до 15 атм. В 1971 г. в работе Н.Г. Басова, Э.М. Беленова, В.А. Данилыче-ва, СМ. Керимова, Н.Б. Ковша, А.Ф. Сучкова /5/ впервые сообщено о создании Є0-лазера с использованием пучка электронов при давлениях 40 * 50 атм. Этой же группой в 1970 г. впервые
осуществлен механизм инверсной заселенности на эксимерных молекулах Хв при накачке пучком электронов /б/. В 1975 г. было показано /7/, что эксимерные молекулы инертных газов могут эффективно создаваться при тушении ыетастабильных атомов инертных газов галогеносодержащими молекулами.
Эксимерные лазеры на моногалоидах инертных газов в настоящее время являются наиболее мощными источниками излучения в УФ-диапазоне спектра. Интенсивное развитие и исследование этих лазеров вызвано возможностью их широкого применения в фотохимии при разделении изотопов, лазерной очистке веществ, в нелинейной спектроскопии, в программах по ЛІС, для расширения частот когерентного излучения с помощью лазеров на красителях и вынужденного комбинационного рассеяния, и др.
Энергетические параметры лазера определяются выбором источника накачки, в качестве которых находят применение электронные пучки, несамостоятельные и самостоятельные объемные разряды. Эксимерные лазеры, возбуждаемые самостоятельным объемным разрядом, конструктивно проще, более надежны в эксплуатации, обеспечивают возможность получения высоких средних мощностей в импульсно-периодическом режиме. Однако условия формирования однородного самостоятельного разряда и физические процессы, приводящие к возбуждению активной среды недостаточно изучены. Энергия генерации эксимерных электроразрядных лазеров в большой степени зависит от уровня и однородности предварительной ионизации объема. В связи с этим представляется перспективным использовать излучение скользящего разряда, оптический выход которого выше, чем у обычно используемых искровых источников УФ-предыонизации.
Все это определяет важность и актуальность проблем, затронутых в диссертации, целью которой являлось изучение физичес-
ких процессов в скользящем и самостоятельном объемном разрядах в инертных газах и их смесях с галогеносодержащими молекулами, создание на их основе и исследование высокоэнергетич-ных эффективных электроразрядных эксимерных лазеров.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
исследование условий формирования, динамики протекания, излучательных и фотоионизационных характеристик однородного скользящего разряда в инертных газах и их смесях с галогеносодержащими молекулами;
исследование возможности осуществления импульсно-пери-одического режима его работы;
разработка и исследование электроразрядных систем формирования объемного разряда с использованием скользящего разряда в качестве источника УФ-предыонизации и плазменного элек-трода;
исследование физических процессов при протекании тока самостоятельного объемного разряда в инертных газах и их смесях с галогеносодержащими молекулами;
изучение закономерностей ограничения мощности и энергии флуоресценции галогенидов инертных газов в объемном разряде;
исследование энергетических характеристик f(rf-, Xef- , ХеСС -лазеров с применением разработанных систем возбуждения.
Одной из задач диссертационной работы является также создание химического цепного HP-лазера, инициируемого излучением сильноточного скользящего разряда большой площади.
В качестве метода исследования в диссертации принят физический эксперимент с привлечением оценочных расчетов и математического моделирования на ЭВМ.
Работа состоит из семи глав, включая введение и заключе-
-. 7 -
ниє, содержит мо страниц машинописного текста, 68 рисунков, 7 таблиц и список литературы из /бО наименований.
Во второй главе дан краткий обзор работ, посвященных исследованию механизма генерации эксимерных лазеров, возбуждаемых самостоятельным разрядом, условий их работы, систем возбуждения и предыонизации. Рассмотрены результаты работ по исследованию характеристик скользящего разряда с точки зрения возможности его использования в качестве источника УФ предыонизации и плазменного электрода в эксимерных лазерах, а также в качестве источника инициирующего излучения в химическом НР-ла-зере. В заключение представлен круг вопросов, получивших недостаточное развитие в исследованиях лазеров рассматриваемого типа, и обоснован выбор направлений исследования.
В третьей главе описаны аппаратура и методики, использованные в эксперименте, газовые системы и способы приготовления газовых смесей. Рассмотрена обработка результатов измерений и их погрешности.
В четвертой главе приведены результаты исследований условий развития и динамики формирования многоканального скользящего разряда, импульсно-периодического режима его работы, из-лучательных и фотоионизационных характеристик.
Экспериментально получены количественные характеристики однородности СР от ряда определяющих параметров, таких как амплитуда и скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке, время протекания разряда, диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика, его размеры, давление и род газа.
На основании проведенных исследований показано, что сильноточный многоканальный СР реализуется при перенапряжении разрядного промежутка, причем минимальная необходимая амплитуда напряжения уменьшается с повышением скорости его нарастания,
с увеличением емкости диэлектрика на единицу площади и при понижении давления газа. Найдено, что полное однородное заполнение поверхности диэлектрика плазмой такого разряда в инертных газах и газовых смесях лазеров на галогенидах инертных газов достигается при уменьшении толщины диэлектрика.
Показано, что однородность скользящего разряда сохраняется при частоте следования импульсов до 10 Гц без продува газа.
Проведено исследование динамики формирования завершенного многоканального скользящего разряда. Установлено, что по мере продвижения по диэлектрику скорость нарастания dll/dt и скорость распространения 1? импульса напряжения увеличиваются в несколько раз. На фронте волны ионизации продольная составляющая электрического поля пропорциональна давлению газа, что согласуется с результатами расчета.
Исследованы излучательные характеристики многоканального СР, в том числе в полосе фотоинициирования химического НР-ла-зера 240-340 нм.
Для определения зависимости энергии генерации эксимерных лазеров от уровня предыонизации по результатам зондовых измерений проведены оценки концентрации фотоэлектронов /leo , создаваемых излучением скользящего разряда.
Определены условия увеличения доли УФ-излучения в оптиче-ском выходе СР за счет образования в плазме эксимерных молекул.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований физических процессов, определяющих развитие объемного разряда в инертных газах и их трехкомпонент-ных смесях с галогеносодержащими молекулами. Исследовано влияние ряда определяющих факторов, таких как величина перенапряжения, геометрия межэлектродного промежутка, уровень УФ-пред-ыонизации, давление и род газа, режим ввода энергии на харак-
теристики (в частности, однородность) объемного разряда. Про-веден анализ основных элементарных процессов, на основании которого качественно интерпретированы наблюдаемые закономерности развития самостоятельного разряда в зависимости от атомного номера инертного газа. Получено количественное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей тока, напряжения и размеров разряда в гелии и газовых смесях с его большим содержанием при использовании расчетной модели, учитывающей кинетические процессы в плазме без рассмотрения приэлектродных явлений и объемных эффектов лавинного размножения электронов. Проведен расчет временных диаграмм ионизационных процессов и моделирование развития неоднородностей в разряде путем выделения токового шнура с флуктуацией Пео или "/// .
Исследованы физические закономерности ограничения удельной интенсивности и энергии флуоресценции эксимерных молекул KrF*\
АЛ.
XeF при увеличении плотности мощности и энергии накачки.
В газовых смесях KrF-% ХеР-лазеров зарегистрирована и выделена стадия допробойного ионизационного размножения с концентрацией электронов Ю12 - I01, см"\ Исследованы характеристики разряда с допробойным ионизационным размножением.
На основе сравнения результатов расчета с количественными характеристиками разряда в широком диапазоне реализованных режимов ввода энергии, проведен обоснованный выбор констант скоростей основных процессов в газовой смеси KrF -лазера.
В шестой главе описаны предложенные электроразрядные системы для формирования объемного разряда с использованием скользящего разряда в качестве источника УФ-предыонизации и плазменного электрода.
Исследованы зависимости энергии генерации эксиыерного лазера от энерговклада в СР, создаваемого им уровня предыониза-
ции и от времени задержки между импульсом УФ-излучения СР и накачкой активной среды. Показано, что для достижения высокой эффективности лазера энергия, вводимая в СР, должна иметь определенное оптимальное значение, а накачка осуществляться в момент действия источника предионизации.
Проведено сравнительное исследование лазерных электроразрядных систем с металлическими и плазменными электродами. По -казано, что использование однородного СР в качестве электродов обеспечивает, в отличие от лазеров с металлическими электродами, однородное распределение плотности энергии генерации по межэлектродному промежутку за счет повышения устойчивости и, соответственно, однородности объемного разряда в приэлектродных областях.
Исследованы энергетические характеристики KrF,XeF,XeC-jib,-зеров с применением разработанных систем возбуждения. В пред -ложенном лазере с двумя плазменными электродами получена энергия генерации 2,1; 1,7; I Дж на молекулах KrF^XeC^ XeF. Максимальный удельный энергосъем составил б Дж/л. Использование плазменных электродов позволило осуществить при умеренных зарядных напряжениях, ^ 50 кВ, разряд с большой апертурой 5 х 4,5 см^ в газовых смесях эксимерных лазеров.
Представлены результаты измерения энергетических и временных характеристик разработанного химического //^-лазера, ини -циируемого излучением скользящего разряда в газовой среде лазера, распределенного по большой ( ~ 0,2 »г) площади.
В заключении кратко перечислены основные результаты работы.
На защиту выносятся;
I. Предложение и разработанные электроразрядные системы
- II -
возбуждения газовых лазеров объемным разрядом между плазменными электродами в виде завершенного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.
Результаты исследования условий развития, динамики формирования однородного скользящего разряда, его излучательных и фотоионизационных характеристик в инертных газах и их смесях с га-логеносодержащими молекулами.
Результаты исследования ограничения энергии флуоресценции эксимерных молекул KrF с увеличением вкладываемой мощности и длительности ввода энергии в импульсный объемный разряд.
Результаты исследования разработанных эксимерных электроразрядных лазеров с плазменными электродами и химического HF -лазера, инициируемого излучением скользящего разряда.
Научная новизна.
Предложены и исследованы электроразрядные системы для возбуждения объемного разряда с плазменным анодом и катодом в виде завершенного скользящего разряда по поверхности диэлектрика, в которых за счет высокого однородного уровня УФ предыонизации и повышенной устойчивости объемного разряда достигается увеличение его апертуры и длительности.
Получено полное и однородное заполнение диэлектрика плазмой завершенного скользящего разряда, используемого в различных электроразрядных устройствах в качестве источника Ш излучения и плазменного электрода.
Определены режимы ввода энергии в однородный скользящий разряд оптимальные для его использования в качестве источников Ш предыонизации и фотоинициирования в газовых лазерах. Установлены условия увеличения доли Ш излучения за счет образования в плазме СР эксимерных молекул.
4. Показано, что скользящий разряд, в отличие от объемного, со -
храняет однородность без продува газа при высокой ( — Ю'Тц) частоте следования импульсов.
5. В газовых смесях XeF-^KrF - лазеров выделена стадия самосто-
Т2 ятельного объемного разряда с концентрацией электронов ґіе 10 -
то о
- 10 см длительностью -I мкс и эффективностью флуоресценции эксимерных молекул до 9% для KnF*. Определен уровень плотности вкладываемой мощности, И4<л~7 МВт/ем (#е ~ 10і см ), выше которого прекращается рост интенсивности флуоресценции эксимерных молекул
6. Созданы эксимерные электроразрядные лазеры с плазменными эле
ктродами, на которых получены энергия генерации 2 Дж и достиг
нут рекордный, для данного типа лазеров, удельный энергосъем
б Дж/л на молекуле KrF*.
7. Разработан компактный HF - лазер, инициируемый излучением ци
линдрического скользящего разряда с энергией генерации 140 Дж и
удельным энергосъемом 28 Дж/л.
Практическая значимость.
Предложенные электроразрядные системы и разработанные эксимерные электроразрядные лазеры с энергией генерации ІДж в УФ области спектра 250-350 нм нашли применение в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Институте химической физики, Институте сильноточной электроники СО АН СССР и др.
Результаты экспериментальных и расчетных исследований объемного и скользящего разрядов могут быть использованы при проектировании новых мощных электроразрядных лазеров и малоиндиктивных коммутаторов.
Найдены условия получения на основе СР излучающих плаз -менных поверхностей площадью ~ I м^. Определены различные оп -тимальные режимы ввода энергии в СР при которых, как продемон -
- їз-
стрировано в работе, такие поверхности могут использоваться в качестве эксимерных ламп с частотой следования импульсов до ІСР Гц со средней мощностью УФ-излучения —500 Вт/м2, и в качестве эффективных источников УФ-предыонизации и фотоинициирования газовых лазеров больших объемов.
Результата исследования динамики развития СР показывают возможность его использования при повышенных давлениях газа, > I атм, и длинных разрядных промежутках, >0,1 м, для формирования импульсов с высокой скоростью нарастания напряжения, > 10 с Вс х; позволяют оценивать коммутационные характеристики разрядников на СР.
Работа выполнена по плановой теме НАЭ им. И.В. Курчатова "Разработка импульсно-периодических эксимерных лазеров", номер гос. регистрации $99060.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях "Лазе-ры-81", США, и "Явления в ионизированных газах", Минск, 1981; всесоюзных совещаниях по эксимерным лазерам, Лохусалу, 1980 и по физике электрического пробоя газов, Тарту, 1984; всесоюзной школе-совещании по лазерному разделению изотопов, Бакуриани, 1979; на конференциях молодых ученых "физика процессов в газоразрядной плазме", Ленинград, 1982, 1984 и "Проблемы преобразования энергии", Москва, 1983; на семинарах ИАЭ им. И.В. Кур-чатова.
2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПО ФИЗИКЕ И ТЕХНИКЕ ВОЗБЩЦЕНИЯ АКТИВНЫХ СРВД ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ (литературный обзор)
