Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Экспериментальные и теоретические исследования импульсно-периодических разрядов, развивающихся в режиме распространения высокоскоростных волн ионизаций (ВВИ) 15
1.1.Волны ионизации в ограниченной плазме 15
1.2. Генерация высокоэнергетичных электронов в газовых разрядах 19
1.3. Нестационарное оптическое излучение высокоскоростных волн ионизации в ограниченном газовом разряде 25
ГЛАВА 2. Методика и техника комплексного экспериментального исследования высокоскоростных волн ионизации в плазменных волноводах 28
2.1.Экспериментальная установка для исследования кинетических процессов в
высокоскоростных волнах ионизации в инертных газах 28
2.2. Методика и техника исследования структуры фронта ВВИ 32
2.3. Методика и техника исследования процессов взаимодействия фронта ВВИ с диэлектрическими стенками разрядной трубки 35
2.4. Методика и техника исследования спектрального состава оптического излучения и процессов наработки метастабильных атомов инертных газов в высокоскоростных волнах ионизации 38
2.5. Анализ погрешностей измерений 46
ГЛАВА 3. Комплексное экспериментальное исследование кинетических процессов в высокоскоростных волнах ионизации в плазменных волноводах 49
3.1. Формирование и распространение высокоскоростных волн ионизации в коаксиальном плазменном волноводе с полыми цилиндрическими электродами 50
3.2. Экспериментальное исследование структуры фронта высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми цилиндрическими электродами
3.3. Исследование физических процессов на границе диэлектрической стенки разрядной трубки и фронта высокоскоростной волны ионизации 69
3.4. Исследование процессов формирования возбужденных и метастабильных атомов в высокоскоростных волнах ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми цилиндрическими электродами 76
3.4.1. Особенности распространения электромагнитных волн оптического диапазона в плазменных волноводах вблизи узких резонансов 85
ГЛАВА 4. Кинетические процессы с участием метастабильных атомов в коаксиальных плазменных волноводах с цилиндрическими полыми электродами 91
4.1. Формирование высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации и режимы их энергетической релаксации 93
4.2. Наработка метастабильных атомов на фронте высокоскоростной волны ионизации и их роль в формировании пространственной структуры волны ионизации 100
4.3. Особенности распространения электромагнитных волн оптического диапазона в плазменных волноводах в частотной области вблизи узких резонансов 110
Заключение 129
Список использованной литературы 132
- Генерация высокоэнергетичных электронов в газовых разрядах
- Методика и техника исследования процессов взаимодействия фронта ВВИ с диэлектрическими стенками разрядной трубки
- Экспериментальное исследование структуры фронта высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми цилиндрическими электродами
- Наработка метастабильных атомов на фронте высокоскоростной волны ионизации и их роль в формировании пространственной структуры волны ионизации
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Наносекундные электрические разряды являются эффективными источниками высокоэнергетичных электронов, формируемых в газовой среде в процессе электрического пробоя. Неравновесная плазма, создаваемая в таких устройствах, является аналогом плазменно-пучковых разрядов, перспективных с точки зрения практического применения в различных технологических устройствах, в частности, для накачки газовых лазеров, обработки поверхностей, в электронно-лучевых технологиях и др. В этой связи, актуальной фундаментальной проблемой газовой электроники является создание высокоэффективных газоразрядных систем, в которых пучки ускоренных электронов формируются непосредственно в самом газе в процессе электрического пробоя газа без использования внешних ускорителей электронов и громоздких систем дифференциальной откачки и ввода внешнего электронного пучка в газовую среду. К настоящему времени такие газоразрядные системы созданы и изучаются в целом ряде работ, посвященных генерации электронных пучков в разрядах с полым катодом, разрядах в коротких межэлектродных промежутках с использованием сетчатого анода, а также в протяженных разрядных промежутках на фронте волны ионизации.
К настоящему времени в циклах работ А.Н.Лагарькова, И.М.Руткевича,
Э.И.Асиновского с сотрудниками, Л.М.Василяка с сотрудниками,
А.Ю.Стариковского с сотрудниками и др. детально изучены модели и механизмы формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) в коаксиальных экранированных разрядных трубках, определены скорости распространения волн ионизации, на фронте волны ионизации обнаружены высокоэнергетичные электроны и связанное с ними рентгеновское излучение, исследованы процессы распространения фронтов свечения.
Вместе с тем следует отметить, что одной из особенностей таких разрядов в инертных газах является возможность получения в них метастабильных атомов с концентрацией, сопоставимой с концентрацией свободных электронов в разряде. В таких условиях метастабильные атомы выступают не только в качестве одного из каналов накопления энергии в среде, но и могут играть существенную роль в физических процессах на фронте ВВИ, оказать влияние на структуру фронтов волны ионизации и механизмы ее распространения.
Несмотря на значительное число исследований электрических характеристик таких систем, в литературе практически отсутствуют работы по изучению роли кинетических процессов с участием метастабильных атомов в формировании и распространении ВВИ.
Самостоятельный интерес представляет возможность получения протяженной среды с высокой плотностью метастабильных атомов при использовании коаксиальных плазменных волноводов в условиях формирования ВВИ. Здесь интерес, прежде всего, связан с возможностью создания плотных поглощающих сред с узкими резонансами, в которых свойства поглощающей среды
можно управляемо изменять путем изменения характеристик ВВИ. В отличие от традиционных режимов формирования разряда и газоразрядной плазмы, в плазменных волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ возникают особые условия в плазме, а именно, значительные концентрации метастабильных атомов локализованы в области фронта ВВИ, распространяющейся в направлении от высоковольтного электрода к заземленному со скоростью 108-109 см/с.
Настоящая диссертация посвящена исследованию кинетических процессов с участием метастабильных атомов в плазменных волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия высокоскоростных волн ионизации.
Объектом исследования являлись продольные высоковольтные наносе-кундные электрические разряды в длинных экранированных трубках (плазменных волноводах), в режиме формирования, распространения и взаимодействия высокоскоростных волн ионизации. Исследования проводились в инертных газах (гелий, аргон, неон) в диапазоне давлений рабочего газа 1–100 Тор и амплитудах высоковольтных импульсов напряжения в диапазоне 20-50 кВ.
Целью диссертационной работы являлось выполнение комплексных исследований роли кинетических эффектов с участием метастабильных атомов инертных газов в формировании и распространении ВВИ в условиях генерации высокоэнергетичных электронов на фронте волны ионизации.
Задачи, решаемые в данной работе:
-
развитие методики комплексного исследования структуры фронта ВВИ и процессов наработки метастабильных атомов в высоковольтных на-носекундных разрядах в плазменных волноводах, наполненных инертными газами при средних давлениях;
-
исследование общих закономерностей формирования структуры фронта ВВИ в коаксиальных плазменных волноводах с цилиндрическими полыми электродами при средних давлениях инертных газов;
-
исследование режимов формирования и энергетической релаксации группы высокоэнергетичных электронов на фронте ВВИ; изучение роли физических процессов на границе диэлектрических стенок разрядной трубки в формировании и распространении ВВИ;
-
исследование кинетических эффектов с участием метастабильных атомов инертных газов в высокоскоростных волнах ионизации в плазменных волноводах;
-
построение кинетических моделей процессов с участием метаста-бильных атомов в плазменных волноводах, наполненных инертными газами.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследований:
- Для определения электрических и оптических характеристик и скоростей перемещения фронтов ВВИ использовались методы емкостных и оптических зондов с наносекундным временным разрешением;
Для исследования пространственно-временной структуры фронта ВВИ использовался метод скоростной фоторегистрации в покадровом режиме с на-носекундным временным разрешением с использованием комплекса высокоскоростной
Для исследования динамики заселения метастабильных состояний атомов в ВВИ использовался метод лазерной абсорбционной спектроскопии с наносе-кундным временным разрешением;
- Для теоретического анализа кинетических эффектов в высокоскоростных
волнах ионизации использовались численные методы исследования.
Научная новизна. В работе впервые выполнено комплексное систематическое исследование режимов формирования структуры фронта ВВИ в плазменных волноводах, снабженных полыми электродами и наполненных инертными газами в широком диапазоне изменения условий в разряде, амплитуд и длительностей высоковольтных импульсов напряжения. Установлено, что при давлениях газа выше 5 Тор фронт ВВИ имеет цилиндрическую форму с локализацией области интенсивной ионизации газа вдоль внутренней поверхности разрядной трубки, при этом вдоль центра плазменного волновода степень ионизации газа минимальна. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано формирование значительных концентраций метастабильных атомов вдоль центральных областей фронта ВВИ, в то время как оптическое излучение из этих областей практически не наблюдается. Показано, что механизм наработки ме-тастабильных атомов в этой области связан с процессами фото- и электронного возбуждения атомов в результате выноса резонансного излучения и высоко-энергетичных электронов из области фронта ВВИ к центру плазменного волновода.
Показано, что при частотно-периодическом режиме формирования и распространения ВВИ остаточный заряд на стенках трубки влияет на процесс формирования и распространения ВВИ, в частности, с увеличением частоты следования ВВИ уменьшает поперечные неоднородности структуры фронта волны ионизации.
Впервые установлено, что при распространении широкополосного лазерного излучения в плазменном волноводе под углом к его оси нестационарный оптический спектр пропускания вблизи узких спектральных линий поглощения в неоне приобретает дисперсионный вид при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1012 см-3.
Положения, выносимые на защиту:
1. Фронт высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми электродами имеет цилиндрическую форму с локализацией области ионизации газа вблизи внутренней поверхности разрядной трубки и минимумом степени ионизации газа вдоль центра волновода. В процессе роста степени ионизации газа толщина ионизованной области фронта ВВИ в поперечном направлении практически не растет.
-
Вдоль центра плазменного волновода нарабатываются значительные концентрации метастабильных атомов инертных газов, в то время как оптическое излучение из этой области практически не наблюдается. Механизм наработки метастабильных атомов в этой области связан с процессом фотовозбуждения и электронного возбуждения атомов в результате выноса резонансного излучения и высокоэнергетичных электронов из фронта ВВИ в сторону центра плазменного волновода.
-
При частотно-периодическом режиме формирования и распространения ВВИ остаточный заряд на стенках трубки влияет на процесс формирования и распространения ВВИ, в частности, с увеличением частоты следования ВВИ уменьшаются поперечные неоднородности структуры фронта волны ионизации.
-
При распространении внешнего широкополосного лазерного излучения в плазменном волноводе под углом к его оси нестационарный оптический спектр пропускания вблизи узких спектральных линий поглощения в неоне приобретает дисперсионный вид при плотностях метастабильных атомов, превышающих 1012 см-3.
Научная и практическая ценность работы. Результаты работы важны для понимания физики процессов, протекающих в наносекундных разрядах плазменно-пучкового типа с генерацией быстрых электронов на фронте волны ионизации. Результаты комплексного исследования данного типа разряда могут быть использованы для оптимизации параметров плазменных лазеров, при разработке плазменных реакторов и различных устройств плазменной электроники.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-11, г. Екатеринбург, 2005 г., ВНКСФ-12, г. Новосибирск, 2006 г.); Международная конференция «Наука и технологии: Шаг в будущее-2006» (Киев, 2006); V International Conference “Plasma Physics and Plasma Technology” (Minsk, Belarus, 2006.); IV, V, VI и VII Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала, 2006, 2008, 2010 и 2012); Международная конференция «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2010); XXXVIII и XXXIX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011 и 2012).
Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП «Аналитическая спектроскопия» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы» и Грантов РФФИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 работ. Из них статей в журналах, входящих в Перечень ВАК – 9, тезисов докладов в материалах конференций – 27.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объем диссертации - 145 страниц, 31 рис., 3 табл. Список цитируемой литературы содержит 132 наименований.
Генерация высокоэнергетичных электронов в газовых разрядах
Разряды в инертных газах имеют много различий по сравнению с разрядами в других атомных и молекулярных смесях. Высокие энергии возбужденных состояний в инертных газах имеют большое число важных применений. Например, метастабильные состояния могут продлить эффективное время жизни разряда через пеннинговскую ионизацию, ассоциативную ионизацию и повышение вторичной электронной эмиссии. По этой причине, метастабильные состояния инертных газов играют большую роль в динамике разрядов в инертных газах.
Экспериментальные и теоретические исследования, посвящнные определению концентрации атомов, возбужднных до определенного уровня, и влиянию метастабильных атомов на различные излучательные процессы, протекающие в плазме наносекундного импульсно-периодического газового разряда, представляют значительный интерес. Распределение концентраций атомов по энергетическим уровням определяет излучательные и спектральные характеристики плазмы, знание которых необходимо при создании определенных кинетических плазменных моделей. Для построении теоретических моделей и при анализе экспериментальных результатов необходимо исследовать влияние различных факторов, определяющих характер заселения и расселения энергетических уровней, определяющих концентрацию атомов, возбужднных до определнного уровня. Методом измерения коэффициентов поглощения и абсолютных интенсивностей спектральных линий определяются концентрации возбужденных атомов в плазме газового разряда.
В работе [84] измеряется динамика концентрации для метастабильного состояния 23S в импульсно-периодическом разряде в гелии. Измерения проводились с помощью лазерной абсорбционной спектроскопии. Разрядный промежуток был изготовлен по коаксиальной геометрии подобно описанной в работе [4]. В качестве газа использовался высокочистый гелий, при давлениях от 1 до 8 Тор. Источник высоковольтного напряжения имел постоянную ширину импульса 25 нс, регулируемую амплитуду и частоту повторений. В качестве источника лазерного излучения, использовался лазерный диод LD-1083-0070 DFB-1. Прошедшее сквозь трубку излучение фиксировалось фотодиодом (Thorlabs DET410 InGaAs) со временем нарастания фронта 5 нс. Был исследован переход 23S1-23P0 (1082,909 нм). Приведены графики зависимостей концентрации метастабильных атомов, полученные экспериментально и выведенные из численных моделей, приводится сравнение их между собой. Измеренная плотность метастабильных атомов использовалась для вывода динамики образования плазмы при импульсно-периодическом разряде. Разработана общая модель плазмы в гелии, которая предсказывает изменение характеристик плазмы в ответ на изменение электрического поля. Приведено сравнение численных расчетов концентрации метастабильных атомов с экспериментальными данными.
Авторы в работе [13] изучают два режима свечения ВЧ разряда в неоне, возбуждаемого высоковольтным импульсным напряжением и развивающимся в режиме формирования высокоскоростных волн ионизации. Получены пространственно-временные картины различных фаз горения разряда с помощью ICCD. Показано, что остаточный ( 200 нс) и отраженный импульсы напряжения ( 350 нс) дают дополнительные пики излучения. Предложены механизмы формирования излучения в различных фазах разряда, в фазе «вспышки» и в «темной» фазе. Концентрация возбужденных атомов определяется многими характеристиками газового разряда и свойствами рассматриваемого атома в данном энергетическом состоянии: температурой и давлением газа, концентрацией и функцией распределения электронов по энергиям, размерами разрядного промежутка, эффективным временем жизни атома на рассматриваемом энергетическом уровне, эффективным сечением возбуждения данного уровня и др. Обычно в положительном столбе газового разряда концентрация возбужденных атомов бывает больше на уровнях, близко расположенных от основного состояния, особенно на резонансных и метастабильных.
Авторы [25] исследовали динамику волн ионизации в волноводе прямоугольного сечения. Приводятся картины свечения c экспозицией 4 нс, полученные с помощью ICCD, показывающие, что разряд, распространяющийся в режиме формирования ВВИ имеет вид диффузного, заполняющего весь объем, тогда как разряд в азоте распространяется вдоль стенок разрядного канала.
Авторы в работе [85] исследовали возбуждение уровня 63P1 атома ртути импульсно-периодическим наносекундным разрядом, который происходит в режиме распространения высокоскоростной волны ионизации. Разряд происходил в смеси ртути и аргона. Разрядная трубка включалась в разрыв коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом. При этом волновое сопротивление разрядной трубки предполагалось равным 60,5 Ом. Импульсно-периодический разряд возбуждался импульсами различной полярности, при положительной полярности - амплитуда 15,9 кВ, фронт 28 нс, полуширина 82 нс; при отрицательной полярности - амплитуда 18,5 кВ, фронт 12 нс, полуширина 61 нс. Измерения проводились при частоте 330 Гц. Исследовалась динамика интенсивности линии 254 нм с временным разрешением 3 нс. Была восстановлена по осциллограммам пиковая мощность излучения, которая была равно 800 Вт. Сделан вывод, что при переходе от стационарного режима к импульсному разряду, удается повысить заселенность резонансного состояния атома.
Методика и техника исследования процессов взаимодействия фронта ВВИ с диэлектрическими стенками разрядной трубки
С целью изучения процессов осаждения заряженных частиц на поверхности диэлектрических стенок разрядной трубки были выполнены экспериментальные исследования взаимодействия как наносекундного плазменно-пучкового разряда, так и специально формированных в испытательной вакуумной камере электронных потоков с диэлектрической стенкой, ограничивающей разряд. Экспериментально установлено, что после взаимодействия с электронными потоками в диэлектрике остаются необратимые изменения диэлектрических свойств.
Были выполнены экспериментальные исследования диэлектрических свойств различных материалов стенки разрядной камеры (стекла, кварца, стеклотекстолита, композитного материала из эпоксидных смол) до и после взаимодействия с наносекундным плазменно-пучковым разрядом и электронными потоками. С этой целью исследуемые образцы помещались в описанную выше вакуумную камеру полезным объемом 50 литров. Для изучения изменения диэлектрических свойств после взаимодействия с плазменно-пучковым разрядом, исследуемые диэлектрические образцы помещались между двумя обкладками конденсатора в качестве диэлектрика и изучались частотные зависимости диэлектрической проницаемости и tg – диэлектрических потерь до и после взаимодействия с электронными потоками и разрядом. Поскольку разряд происходил в одной камере, а диэлектрические свойства измерялись в других условиях после соприкосновения облученного материала с атмосферным воздухом, то для исключения возможных систематических ошибок были поставлены и дополнительные эксперименты по взаимодействию внешних электронных потоков с диэлектриком. С этой целью изготавливались специальные обкладки конденсатора из медных пластинок, причем одна из обкладок, установленная со стороны облучения, имела множество отверстий диаметрами 5 мм и с расстояниями между центрами отверстий 10 мм. Эти отверстия предназначались для проникновения электронов в диэлектрик. Таким образом, не вынимая диэлектрик в атмосферу измерялись диэлектрические свойства материала сразу после облучения электронными потоками от специальной электронной пушки. К обкладкам, изготовленного таким образом конденсатора, припаяны провода, которые выводятся из камеры через вакуумный электрический разъем и подключается к цифровому измерителю электрической емкости и tg - диэлектрических потерь. Проводились указанные измерения, как на фиксированной частоте, так и при сканировании этой частоты в широком диапазоне.
В работе измерялись электрическая емкости конденсатора С и tg -диэлектрических потерь в зависимости от времени нахождения образца в вакууме, от температуры, дозы электронного потока. Кроме того, одновременно с измерением электрических параметров образцов контролировалось газовыделение из них под воздействием указанных факторов при помощи масс-спектрометра.
Измерения показали, что в вакууме диэлектрическая проницаемость є изучаемого конденсатора с образцом в качестве диэлектрика и tg уменьшаются. За первые 20 часов нахождения в вакууме диэлектрическая проницаемость и tg-диэлектрических потерь уменьшаются до 20%. В последующем скорость изменения этих параметров уменьшается, а начиная, примерно со 100 часов є и tg практически не меняются. Этот результат использовался нами при проведении экспериментов по ограничению области плазменно-пучкового разряда диэлектрическими стенками, а именно, все электрические и оптические измерения в разрядной камере проводились только по истечении нескольких сот часов нахождения материала в откачанной разрядной камере.
Для композитных материалов, к которым относится стеклотекстолит, определяется электронной, резонансной и дипольной ориентационной поляризациями. Соответственно диэлектрическая проницаемость может быть записана в виде є = п2+Аєрез+Аєдип
Любые изменения в структуре полимера, приводят к изменению . В частности, в вакууме из образца выделяются связанные газы (в основном, компоненты воздуха), возможно испарение связанной воды, выделение неотверженных компонентов самого полимера. Все это в простейшем случае приводит к уменьшению плотности образца, а значит и . Уменьшение диэлектрических потерь возможно связано с очисткой полимера и испарением поглощенных в образце паров воды.
Для исследования влияния нагрева на диэлектрические свойства полимера конденсатор с образцами в качестве диэлектрика подвергался многократным циклам нагревания и остывания. При этом образец все время находился в вакууме. Температура образца поднималась от комнатной до 120С примерно по линейному закону с помощью регулятора температуры ВРТ - 3 за время равное 60 мин. Остывание образца до комнатной температуры происходит за большее время, и последнее определялось скоростью теплообмена образца с частями установки.
Температура образцов контролировалась с помощью термопарных датчиков, установленных в непосредственном контакте с образцами. Исследование показало, что с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость є возрастает, а tg - диэлектрических потерь имеет экстремальный характер, а именно, с увеличением температуры от комнатной до 90С, tg уменьшается, а от 90С до 120С - растет. Выяснение конкретного механизма влияния температуры на диэлектрическую проницаемость и tg - диэлектрических потерь требует проведения дополнительных исследований.
Экспериментальное исследование структуры фронта высокоскоростной волны ионизации в коаксиальных плазменных волноводах с полыми цилиндрическими электродами
Этот вывод подтверждается еще и экспериментальным фактом, связанным с наличием короткого выброса на зависимостях концентраций возбужденных атомов от времени при давлениях газа порядка 1 Тор, когда идет эффективное формирование высокоэнергетичных электронов на фронте ВВИ. На начальных стадиях наносекундного разряда происходит интенсивное заселение низколежащих возбужденных, в том числе и метастабильных, состояний вследствие того, что скорость их возбуждения значительно превосходит скорость прямой ионизации. Низколежащие возбужденные состояния атомов инертных газов являются долгоживущими: два из них (например, He(21S, 23S), Ne(33P0, З1 S0) являются метастабильными, а два других ведут себя аналогичным образом за счет эффекта пленения резонансного излучения. Поскольку при волновом пробое в ФРЭЭ присутствуют две группы электронов с сильно различающимися энергиями, то быстрая часть электронов эффективно заселяет резонансные уровни атомов, а медленная часть электронов эффективно перемешивает заселенности уровней с одним и тем же главным квантовым числом, накапливая тем самым атомы в метастабильных состояниях. С другой стороны, в результате тех же процессов перемешивания заселенностей метастабильные состояния подвержены радиационному разрушению через резонансные уровни. Эффективная вероятность этого процесса для гелия и неона при давлениях газа р 10 Тор с учетом пленения излучения составляет A -loV1, то есть резонансный уровень ведет себя аналогично метастабильному состоянию с постоянной времени т 10 4 с. Низколежащие возбужденные состояния могут также разрушаться в результате парных столкновений или электронного девозбуждения [97]. При плотности метастабильных атомов 1013 cм-3 характерные времена этих процессов составляют также величину 10-4 с. Следовательно, на низколежащих возбужденных состояниях в плазме накапливаются возбужденные атомы и они играют роль эффективных резервуаров энергии. Потенциалы возбуждения метастабильных состояний атомов составляют соответственно 16,5 эВ для неона и 21 эВ для гелия, поэтому их эффективное заселение в разряде в плазменном волноводе происходит за счет столкновений с быстрыми электронами на фронте волны ионизации. Приведенные выше результаты измерений концентраций возбужденных атомов методами лазерной абсорбционной спектроскопии с наносекундным временным разрешением показывают, что скачок заселенностей метастабильных состояний в начальных стадиях наносекундного пробоя газа может на порядок превосходить квазистационарные значения. Таким образом, в разрядах в гелии и неоне в плазменном волноводе благодаря формированию группы высокоэнергетичных электронов удается получить концентрации метастабильных атомов, по плотности сопоставимых с плотностью свободных электронов разряда.
В рассматриваемом в работе типе разряда в плазменном волноводе возбуждение рабочего газа происходит при высоких средних энергиях электронов, ускоренных на фронте ВВИ. Высокие энергии свободных электронов обусловлены главным образом локализацией высокого значения электрического поля на фронте волны ионизации, а также схемой генератора высоковольтных импульсов напряжения, позволяющего осуществлять пробой газа при высоких значениях напряженности электрического поля за счет коротких фронтов импульсов напряжения. Другой особенностью такого разряда является наличие диэлектрических стенок разрядной камеры вблизи области возбуждения, т.е. практически разряд протекает по поверхности диэлектрика. Последнее обстоятельство приводит к уменьшению времени релаксации энергии свободных электронов за счет существенной роли свободной диффузии быстрой части электронов из области разряда.
Ранее выполненные исследования начальных стадий пробоя инертных газов показали, что ионизационная релаксация протекает через накопление значительного количества электронов на низколежащих возбужденных состояниях атомов с последующей ступенчатой ионизацией с этих уровней. Измерения концентраций возбужденных атомов методами лазерной спектроскопии с наносекундным временным разрешением показали, что скачок заселенностей метастабильных состояний может на порядок превосходить квазистационарные значения. При этом баланс заселенностей низколежащих возбужденных состояний атомов в чистых инертных газах определяется конкуренцией процессов электронного возбуждения из основного состояния и ступенчатой ионизацией с этих уровней. Для высоковозбужденных состояний атомов с данным главным квантовым числом электронное перемешивание не всегда формирует блок уровней и при анализе формирования заселенностей возникает необходимость учета и этих процессов.
Рассмотрим роль перечисленных процессов на заднем фронте импульса тока и раннем послесвечении в исследуемом типе разряда на примере гелия. Основные механизмы заселения возбужденных состояний атомов гелия и неона с различными главными квантовыми числами могут отличаться друг от друга, поэтому раздельно рассмотрим две группы уровней.
Механизм заселения низколежащих энергетических уровней атомов инертных газов можно представить через баланс процессов прямого электронного возбуждения, ступенчатой ионизации и возбуждения с указанных уровней. Для конкретности можно рассмотреть следующие процессы для ВВИ в гелии: 1) Прямое электронное возбуждение из основного состояния: Не(п=1)+ ё- Не(п=2)+е. Здесь е и е быстрый и медленный электрон соответственно.
Наработка метастабильных атомов на фронте высокоскоростной волны ионизации и их роль в формировании пространственной структуры волны ионизации
Резонансная самофокусировка, вызванная насыщением дисперсии в среде с однородно уширенными переходами была теоретически предсказана и изучена в работах [120-123]. Экспериментально резонансная самофокусировка была обнаружена в работах [124-125] для условий резонансного поглощения лазерного излучения парами калия.
В экспериментах, проводимых в [126] с парами натрия, помимо резонансной сомофокусировки, было также обнаружено появление кольцевой пространственной структуры пучка. В [126] предлагается физическая модель для описания эффектов резонансного увеличения интенсивности на оси пучка и появления пространственных колец. Следуя этой, так называемой «апертурной» модели, среда разделяется на две области: первая - область с бездифракционным амплитудным диафрагмированием, вторая - область свободной дифракции. Отмечается, что осцилляции интенсивности на оси пучка, наблюдаемые в эксперименте, довольно хорошо воспроизводятся внесением отверстия подходящего диаметра и подбором его местоположения.
Наиболее часто резонансная самофокусировка наблюдалась в парах щелочных металлов [127,128], для которых удовлетворительно «работает» модель двухуровневого атома, наиболее наглядная и простая для объяснения. В двухуровневой системе, насыщаемой одной модой, основное действие поля на коэффициент поглощения и, следовательно, на показатель преломления, состоит в понижении разности заселенностей (эффективного числа частиц). Похожая ситуация наблюдалась в экспериментах, где поперечное распределение атомов формировало фокусирующую или дефокусирующую наведенную линзу в зависимости от частоты пучка.
Как отмечалось выше, резонансные эффекты самовоздействия пучков приводят к частотно-зависимому перераспределению интенсивности по сечению и, следовательно, проявляются в спектре излучения, прошедшего через среду. При слабой нелинейности изменения в спектре пропускания являются небольшими, поэтому естественно, что подобные эффекты привлекли внимание как практически значимые, в первую очередь, в прецизионной субдопплеровской спектроскопии газов и в лазерах, стабилизируемых по узким субдопплеровским резонансам насыщенного поглощения.
Один из основных механизмов возникновения асимметрии и сдвига резонансов насыщенного поглощения, впервые теоретически описанный [129], – насыщение показателя преломления, приводящее к формированию индуцированной линзы с асимметричной частотной характеристикой. Экспериментально установлено, что величина и знак асимметрии резонанса определяются условиями фоторегистрации (степенью фокусировки излучения на примную площадку фотоприемника, продольным и поперечным смещением фотоприемника относительно оси выходного пучка, диафрагмированием приемника) и положением пробного пучка [130]. Таким образом, пучок света с неоднородным профилем интенсивности, проходящий через нелинейно-поглощающую резонансную среду, наводит в ней протяженную «газовую линзу», которая будет изменять параметры исходного пучка. Это воздействие будет зависеть от частоты поля, в результате чего изменяются условия фоторегистрации, а следовательно, и асимметрия резонанса.
Наряду с экспериментальными наблюдениями этого эффекта существуют исследования, где проводилось его численное моделирование, результаты которого находятся в хорошем качественном согласии с экспериментальными данными и теорией [131].
При резонансном самовоздействии световых пучков механизм возникновения и динамика процесса в пространстве имеют ряд существенных особенностей.
Таким образом, насыщение поглощения и показателя преломления может привести к нелинейности поляризации среды в электромагнитном поле внешнего лазерного излучения. Теория таких эффектов разработана и реализована численными методами в ряде работах, в частности в [131].
Рассмотрим такую модель применительно к распространению широкополосного лазерного пучка в цилиндрическом волноводе вблизи узких спектральных линий поглощения. Поскольку в выделенный спектральный диапазон генерации лазера на красителе попадает только одна спектральная линия атомов неона, то теоретически данную задачу можно рассматривать как резонансное взаимодействие электромагнитной волны с двухуровневым ансамблем атомов с плотностью N. Физика процессов взаимодействия электромагнитной волны с такой средой заключается в следующем: в электрическом поле лазерного излучение E(r,t) ансамбль атомов приобретает нелинейную поляризацию P(r,t) из-за насыщения поглощения и рефракции среды. В результате этого вторичные электромагнитные волны меняют полное электромагнитное поле, которое далее снова поляризует среду. Таким образом, получается самосогласованное взаимодействие электромагнитного излучения и нелинейной среды, результатом которого будет определенное изменение спектра пропускания плазменного столба. Здесь следует подчеркнуть наличие эффекта самовоздействия световых пучков, поскольку нелинейность поляризации возникает за счет индуцированной самим же лазерным пучков нелинейности коэффициента поглощения и показателя преломления из-за насыщения спектрального перехода в атомах.
