Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ (литературный обзор)
§1.1.Современное состояние проблемы. Формирование импульсного разряда высокоскоростными волнами ионизации
§1.2. Спектроскопические методы исследования плазмы волн ионизации
§1.3. Механизмы генерации электронных пучков в газовых разрядах
Механизм энергетической релаксации быстрых электронов 62
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 68
ГЛАВА И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
§2.1. Методика и техника исследования электрических характеристик при запаздывающем возбуждении газов
§2.2. Анализ погрешностей измерений 82
§2.3. Методика и техника исследования оптических характеристик при запаздывающем возбуждении газов Исследование поляризационных профилей
ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ВВИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Электрические и электрокинетические характеристики продольного наносекундного разряда в гелии
§3.1. Электродинамика уединенных волн ионизации 100
§3.2 Электрические характеристики наносекундного разряда в режиме формирования встречных ВВИ
§3.3 Исследование поверхностных явлений на границе плазма диэлектрическая трубка при формировании и распространении ВВИ
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА В ГЕЛИИ
§4.1. Экспериментальное исследование релаксации возбуждения гелия при его запаздывающем возбуждении
§4.2 Оптические свойства наносекундного разряда в режиме формирования двух встречных волн ионизации
ГЛАВА V. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СОСТОЯНИЙ АТОМОВ ГЕЛИЯ ПРИ ВОЛНОВОМ МЕХАНИЗМЕ ПРОБОЯ
§5.1 Поляризационные характеристики оптического излучения плазмы гелия, полученной при запаздывающем возбуждении
§5.2 Механизм поляризации состояний атомов гелия в продольном наносекундном разряде
ГЛАВА VI. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ЗАПАЗДЫВАЮЩЕМ ВОЗБУЖДЕНИИ ГАЗА
§6.1. Особенности формирования импульса оптического излучения при запаздывающем возбуждении газа
§6.2. Режимы формирования высокоэнергетичных электронов на фронте ВВИ
§6.3. Механизмы релаксационных процессов за фронтом ВВИ 206
§6.4.Релаксационные процессы в области взаимодействия встречных ВВИ
220 §6.5.Численное моделирование кинетических процессов в случайно-неоднородных средах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 241
ЛИТЕРАТУРА 2
Введение к работе
Неравновесная и нестационарная плазма высоковольтных наносекундных газовых разрядов находит широкое применение в плазменных реакторах для накачки газовых лазеров, в источниках излучения, скоростных коммутаторах и в других устройствах сильноточной электроники [1-3]. Наибольший интерес представляют наносекундные газовые разряды в условиях формирования высокоскоростных волн ионизации (ВВИ) [4-6]. Такие системы являются эффективными источниками оптического излучения, как на атомных, так и на молекулярных переходах. Из-за высоких значений электрического поля фронт ВВИ служит источником высокоэнергетичных электронов. Поэтому, такой разряд обладает свойствами, близкими к пучковым разрядам, что может быть использовано для накачки целого ряда газовых лазеров. Одно из решающих преимуществ таких разрядов состоит в возможности генерации электронных потоков в самом газе в процессе электрического пробоя.
Исследования в области сильноточной электроники занимают особое место в связи с многочисленными их применениями в плазменных реакторах, мощных лазерах и источниках оптического и рентгеновского излучения. Пробой газа под действием высоковольтных импульсов напряжения наносекундной длительности изучается в течение нескольких десятилетий. В многочисленных исследованиях различных коллективов и, прежде всего, в школах Г.А.Месяца и С.И.Андреева с сотрудниками получена обширная информация по физике наносекундных газовых разрядов [7,38]. В этих работах исследовались, в основном, миллиметровые и субмиллиметровые газовые промежутки.
В работах ряда зарубежных авторов и Э.И.Асиновского с сотрудниками, Л.М.Василяка, А.Н.Лагарькова, И.М.Руткевича, О.А.Синкевича, С.М.Стариковской [1-7] исследована динамика наносекундных разрядов в длинных трубках и длинных разрядах, развивающихся в виде ионизирующих волн градиента потенциала.
Пространственно-временная диагностика таких разрядов с наносекундным временным разрешением является весьма сложной задачей, поэтому в большинстве работ регистрировались в основном электрические параметры разряда и оптическое свечение. В последние годы открылась возможность диагностики параметров высокоэнергетичных электронов, генерируемых в таких разрядах, с использованием спектроскопических методов. В основе этих методов лежит явление поляризации атомных состояний при их возбуждении электронными пучками. Продольные наносекундные разряды имеют и целый ряд других особенностей, обусловленных механизмом пробоя в таких системах. Это в первую очередь относится к пространственно-временной структуре разряда, сложный характер которой объясняется неодновременностью и неоднородностью ионизации газа вдоль разрядной трубки. К настоящему времени достаточно хорошо изучены основные параметры волн ионизации в таких разрядах. Выявлены основные закономерности, которым подчиняются скорости волн ионизации, разобраны механизмы и времена их формирования, установлено, что при высоких амплитудах напряжений на фронте волны ионизации формируются электронные пучки и связанное с ними рентгеновское излучение.
Несмотря на значительное число исследований электрических характеристик таких разрядов, в литературе практически отсутствуют работы по изучению общих закономерностей релаксационных процессов на фронте, за фронтом и в области взаимодействия ВВИ. Между тем при разработке приложений, например, эффективных активных сред газовых лазеров, источников излучения и наносекундных коммутаторов весьма важными являются механизмы релаксации энергии быстрых электронов и выявление основных факторов, влияющих на релаксацию заселенностей возбужденных состояний атомов в условиях запаздывающего возбуждения. Форма и длительность импульсов излучения в таких системах также определяется механизмами релаксации электронов по энергиям и скоростям.
Наличие в функции распределения электронов по энергиям анизотропной части, связанной с пучковой составляющей, может привести к поляризации атомных состояний и наведению когерентности в процессах электронного возбуждения атомов. К моменту начала наших работ в литературе практически отсутствовали работы, посвященные таким исследованиям в наносекундных разрядах и, в частности, при формировании, распространении и взаимодействии нескольких ВВИ. Теоретические исследования в подобных условиях затруднительны как из-за нестационарности и неравновесности плазмы, так и из-за большого числа учитываемых элементарных процессов. Поэтому первоочередной задачей становятся экспериментальные исследования основных параметров разряда в условиях волнового пробоя.
Настоящая диссертация посвящена изучению релаксационных процессов при формировании, распространении и взаимодействии высокоскоростных волн ионизации в цилиндрических экранированных трубках (волноводах), построению физических моделей процессов релаксации оптического излучения, заселенностей возбужденных состояний атомов и высокоэнергетичных электронов в условиях распространения и взаимодействия уединенных волн ионизации.
Цель работы: развитие методов комплексного экспериментального исследования релаксационных процессов в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ в цилиндрических волноводах, заполненных инертными газами; разработка и создание автоматизированных систем
регистрации быстропротекающих электрических и оптических процессов в устройствах сильноточной электроники; экспериментальное исследование и анализ механизмов и динамики релаксации и взаимодействия встречных ВВИ в цилиндрических волноводах, заполненных инертными газами при средних давлениях; исследование роли поверхностных явлений на диэлектрических стенках цилиндрического волновода в механизмах релаксационных процессов в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ; исследование процесса формирования и релаксации импульсов спонтанного и вынужденного излучения в плазменных цилиндрических волноводах при распространении и взаимодействии ВВИ; анализ релаксационных процессов за фронтом высокоскоростной волны ионизации;
исследование анизотропии процессов электронного возбуждения и эффектов поляризации состояний атомов при распространении и взаимодействии ВВИ в цилиндрических волноводах;
Объектами исследования явились наносекундные электрические разряды в цилиндрических волноводах в диапазоне давлений газа 1-100 Торр при амплитудах импульсов напряжения до 40 кВ.
Экспериментальные методы исследования.
В соответствии с целями данной работы были использованы следующие независимые экспериментальные методы комплексного исследования ВВИ и релаксационных процессов в плазме ВВИ в цилиндрических волноводах:
концентрация электронов измерялась спектроскопическим методом по штарковскому уширению спектральных линий водорода и оценивалась по проводимости на основе вольт-амперных характеристик, измеренных методом осциллографирования; скорость ВВИ, коэффициенты затухания и структура фронтов ВВИ изучались методом емкостных зондов;
концентрации возбужденных, в том числе и метастабильных атомов, измерялись методами реабсорбции оптического излучения и лазерной абсорбционной спектроскопии;
характеристики оптического излучения плазмы исследовались методами лучеиспускания и поляризационной спектроскопии;
поверхностные явления на стенках разрядной камеры исследовались путем измерения 1б-диэлектрических потерь материала стенки трубки при их взаимодействии с электронными потоками.
Научная новизна. В работе впервые: развита и применена комплексная методика исследования релаксационных процессов в цилиндрических волноводах в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ, включающая в себя методы емкостных зондов, осциллографирования разряда, оптической, в том числе лазерной и поляризационной спектроскопии; разработана техника формирования и методика исследования встречных ВВИ в цилиндрических волноводах, заполненных инертными газами при средних давлениях газа; развит метод автоматической регистрации параметров ВВИ с наносекундным временным разрешением; проведено детальное экспериментальное и теоретическое исследование процессов запаздывающего возбуждения гелия в диапазоне давлений газа 1-100 Торр. Показано, что при больших коэффициентах затухания ВВИ спонтанное излучение разряда обладает асимметрией по отношению к различным концам разрядной трубки. Прослежена динамика процессов формирования заселенностей метастабильных уровней атомов при запаздывающем возбуждении газа; экспериментально исследовано взаимодействие встречных ВВИ в экранированных трубках и установлены режимы релаксации оптического излучения и плотности электронов в области их взаимодействия в зависимости от полярности напряжения в волнах ионизации; установлена роль пристеночных процессов в режимах формирования релаксационных процессов за фронтом ВВИ. Показана возможность смены локального режима на нелокальный при энергетической релаксации высокоэнергетичных электронов, ускоренных на фронте ВВИ; установлено, что высокоэнергетичные электроны, ускоренные во фронте ВВИ, наводят когерентность в процессах электронного возбуждения атомов и, вследствие чего импульсное спонтанное излучение разряда на начальных стадиях имеет частичную линейную поляризацию. Обнаружены и проанализированы особенности формирования группы быстрых электронов и поляризационных характеристик оптического излучения разряда в центральных и периферийных областях разрядной трубки; Построена кинетическая модель релаксационных процессов в области взаимодействия встречных ВВИ. Практическая значимость работы. Развитую в работе методику комплексного исследования процессов запаздывающего возбуждения газа можно использовать для диагностики распределенных наносекундных разрядов в широком диапазоне изменения условий.
Полученные в работе новые сведения о динамике и механизмах формирования оптического излучения разряда в гелии можно использовать при разработке ионизационных и рекомбинационных газовых лазеров, в которых используются плазменно-пучковые разряды, при создании коммутаторов, в плазмодинамических устройствах, а также при создании других газоразрядных технических устройств. Защищаемые положения:
• Разработанные методики и автоматизированная система генерации встречных высокоскоростных волн ионизации и регистрации их оптических и электрических характеристик с наносекундным временным разрешением;
• Результаты комплексного исследования электрическими, оптическими и спектроскопическими методами высокоскоростных волн ионизации в плазменных волноводах;
• Роль поверхностных эффектов на диэлектрических стенках цилиндрического плазменного волновода в процессе формирования и распространения ВВИ; Динамика релаксационных процессов за фронтом и в области взаимодействия встречных ВВИ;
• Динамика формирования импульсов спонтанного излучения при запаздывающем возбуждении газа высокоскоростными волнами ионизации. Эффект асимметрии спонтанного излучения по отношению к различным концам плазменного волновода.
• Результаты исследования релаксационных процессов за фронтом ВВИ; обнаруженный эффект, связанный с наличием нескольких характерных времен релаксации спонтанного излучения и двух режимов релаксации ФРЭ по энергиям;
• Анизотропия процессов электронного возбуждения и поляризация атомных состояний на фронте ВВИ.
Во введении рассмотрена актуальность проблемы, дано обоснование выбора темы диссертации, перечислены решаемые в работе задачи и кратко излагаются основные результаты. Первая глава представляет собой краткий литературный обзор работ, посвященных исследованию высокоскоростных волн ионизации в длинных трубках и релаксационных процессов в плазменно-пучковых разрядах. Кратко описаны основные свойства и отличительные особенности высокоскоростных волн ионизации. Рассмотрены различные теоретические модели, описывающие процессы формирования и распространения ВВИ. Приведены экспериментальные и теоретические закономерности, которым подчиняются скорости распространения ВВИ и формирование ее фронта. Отмечается, что волновой пробой имеет общие черты с пучковыми разрядами. В этой же главе описаны основные модели энергетической релаксации группы быстрых электронов в плазме, и рассмотрены особенности процессов возбуждения в условиях анизотропии функции распределения электронов по энергиям, обусловленной наличием группы быстрых электронов. В частности, кратко рассмотрены процессы поляризации атомных состояний, вызванные как процессами анизотропной накачки, так и наличием электрических полей.
Проведенный анализ имеющихся в литературе работ показывает, что если электрические характеристики ВВИ изучены достаточно хорошо как теоретически, так и экспериментально, то имеется чрезвычайно мало работ, где проводились бы детальные экспериментальные исследования механизмов и режимов релаксации оптического излучения, заселенностей возбужденных состояний атомов и энергетической релаксации высокоэнергетичных электронов в условиях формирования, распространения и взаимодействия ВВИ, в том числе встречных уединенных волн ионизации. К началу данных исследований в литературе отсутствовали работы, в которых изучались бы поляризационные характеристики оптического излучения в условиях распространения и взаимодействия ВВИ.
Во второй главе дается описание экспериментального оборудования и методов исследования. Для проведения экспериментальных исследований был использован коаксиальный алюминиевый волновод диаметром 2 см, в который помещалась стеклянная газоразрядная трубка длиной около 50 см с внутренним диаметром 2-8 мм, снабженная внутренними электродами в виде полых цилиндров. Между коаксиальным экраном и заземленным электродом включался омический токовый шунт из сопротивления типа ТВО величиной 50 Ом.
Для исследования волн ионизации использовался метод емкостных зондов. Для этих целей вдоль трубки устанавливались несколько емкостных датчиков, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. С целью исключения влияния краевых эффектов крайние датчики устанавливались от границ экрана на расстоянии, превышающем двойной диаметр металлического экрана. Сигналы с емкостных датчиков регистрировались с помощью автоматизированной системы на основе скоростного двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подключенного к персональному компьютеру или осциллографа типа Tektronix TDS 3032В. Для связи АЦП с компьютером использовался расширенный паралельный Порт (ЕРР).
Регистрирующая система на основе АЦП позволяла производить измерения сигнала в частотном режиме с использованием двух независимых каналов с разрешением 8 бит, чувствительностью от 10 мВ/дел. до 5 В/дел и временной разверткой от 10 нс/дел. до 20 мс/дел. Частота оцифровки для случая повторяющихся сигналов составляла величину до 5 ГГц. Погрешность измерений регистрирующей системы по амплитуде не превышала ±2,5%, по времени - не более ±0,01%.
Плотность электронов оценивалась по штарковскому уширению спектральных линий водорода, плотности тока и затуханию ВВИ.
Для возбуждения волн ионизации использовались генераторы высоковольтных импульсов напряжения трех типов. Один из них вырабатывал импульсы напряжения в виде отрицательной ступеньки с регулируемой амплитудой 4 -г 20 кВ с длительностью переднего фронта около 10 не. В качестве коммутирующего устройства в этом ГИН использовался тиратрон типа ТГИ 2500/35. Второй генератор был собран по трансформаторной схеме с импульсным трансформатором с ферритовым сердечником, собранным по коаксиальной схеме. В качестве коммутирующего устройства в этом ГИН использовался керамический тиратрон типа ТГИ1-1000/25. Третий генератор формировал два синхронизованных высоковольтных импульса напряжения с амплитудой до 40 кВ, которые подавались на разные концы волновода с целью генерации встречных ВВИ.
Для измерения концентрации метастабильных атомов были использованы метод лазерной абсорбционной спектроскопии, и модифицированный метод реабсорбции излучения. Эти методы в своих традиционных формах неприменимы к условиям запаздывающего возбуждения. При волновом пробое длина поглощающего слоя в начальный момент времени не совпадает с геометрической длиной разрядной трубки. Поскольку волна ионизации формируется вблизи высоковольтного электрода и распространяется со скоростью и в сторону заземленного электрода, то толщина столба плазмы растет со временем по закону l = vt до момента перекрытия волной ионизации разрядного промежутка. Это обстоятельство учитывалось при измерении концентрации возбужденных атомов. В методе лазерной абсорбционной спектроскопии в качестве источника зондирующего излучения использовался лазер на красителе, накачка которого в различных областях спектра производилась газоразрядным азотным или эксимерным лазером по поперечной схеме накачки. Система регистрации состояла из спектрографа типа ДФС 452 со специально установленной на выходе щелью с микрометрическим винтом с дифракционной решеткой 1200 штр/мм, ФЭУ, осциллографа типа Tektronix TDS 3032В и системы цифровой регистрации. При исследовании состояния поляризации оптического излучения на входе спектрографа устанавливались поляроид и система из различных диафрагм. Эти диафрагмы позволяли регистрировать излучение как из центральных областей трубки, так из периферии вблизи диэлектрических стенок. Градуировка поляроида осуществлялась по неполяризованному излучению от лампы накаливания.
Для измерения оптического излучения поперек трубки рядом с емкостными датчиками устанавливались оптические датчики в виде отрезков световодов.
Третья глава посвящена исследованию электродинамических характеристик разряда. Выполнены детальные исследования параметров ВВИ в инертных газах с использованием указанных выше трех типов ГИН в диапазоне давления газа 1-г 100 Торр и амплитудах напряжения до 40 кВ. Использование импульсов напряжения в виде ступеньки без осцилляции, характерных для трансформаторных схем, позволило исключить наложение повторных импульсов возбуждения на импульсы, отраженные от концов трубки в волноводе.
В процессе распространения длительность фронта ВВИ уменьшалась. Так, при давлении гелия 15 Торр на расстоянии 30 см длительность фронта уменьшилась с 10 не до 3 не. При некоторых условиях за фронтом волны ионизации наблюдались осцилляции, частота и амплитуда которых были различны на разных расстояниях от высоковольтного электрода. Характерная частота этих осцилляции составляла величину около 5-Ю7 Гц. В исследованных условиях скорость ВВИ в зависимости от давления газа и амплитуды напряжения менялась в диапазоне (і О8 2-109 )см/с. При фиксированном напряжении ГИН зависимость скорости ВВИ от давления газа проходила через максимум в области давлений 10-12 Тор. Зависимости скорости ВВИ от амплитуды напряжения при фиксированном давлении газа были близки к линейному закону. Как правило, при минимальных коэффициентах затухания ВВИ можно было наблюдать до трех импульсов, отраженных от электродов. Величина коэффициента отражения от заземленного электрода регулировалась изменением сопротивления нагрузки, включенной на конце длинной линии в виде цилиндрического волновода, образованного плазмой в разрядной трубке и экраном.
Были выполнены детальные экспериментальные исследования динамики формирования, распространения и взаимодействия встречных ВВИ. Исследовался характер релаксации потенциала во встречных ВВИ при одинаковых и противоположных полярностях градиентов их потенциала. Экспериментально обнаружен эффект гашения потенциала в области взаимодействия встречных ВВИ в плазменном волноводе.
Оценки плотности электронов за фронтом волны ионизации дали величину порядка 10 см" для импульсов напряжения в виде ступеньки и 1013-10 см для трансформаторной схемы ГИН. Более детальные исследования концентраций электронов были выполнены спектроскопическим методом. Для этих целей в разряд добавлялся водород с парциальным содержанием около 0.01 % и изучались контуры спектральных линий Нр на фоне сплошного спектра генерации широкополосного лазера на красителе. Этим методом были измерены зависимости концентраций электронов от давления газа и амплитуды напряжения в максимуме импульса тока для различных режимов формирования ВВИ.
Для установления роли пристеночных процессов в формировании и распространении ВВИ были выполнены исследования по взаимодействию высокоэнергетичных электронов с диэлектрической стенкой разрядной трубки и экспериментально определены общие закономерности релаксационных процессов с участием электронов на поверхности диэлектрика. Эти исследования проводились в вакуумной камере, снабженной монопольным масс-спектрометром и источником высокоэнергетичных электронов. После взаимодействия поверхности стеклянной трубки с электронными потоками одновременно исследовались процессы выделение адсорбированных газов и динамика изменения tg5 -диэлектрических потерь материала стенки трубки. Проведенные исследования показали, что при облучении электронным пучком и нагревании стеклянной трубки в основном выделяются три компонента с массовыми числами ЩН20), 28(ЛУ и 44(С02). При этом изменение tg5-диэлектрических потерь существенно зависело от степени обезгаживания диэлектрика. Следует отметить, что после облучения диэлектрика электронным потоком, релаксационные процессы с участием электронов на поверхности диэлектрика имеют характерные времена порядка несколько десятков минут. По известным соотношениям между tg8-диэлeктpичecкиx потерь материала и его проводимостью в области низких частот были выполнены оценки плотности электронов, осажденных на стенках разрядной трубки, и она составила величину порядка 10-10 см".
Четвертая глава посвящена описанию результатов экспериментального исследования оптических характеристик разряда при формировании, распространении и взаимодействии ВВИ в плазменном коаксиальном волноводе.
Концентрация метастабильных атомов измерялась методом лазерной абсорбционной спектроскопии и модификацией метода реабсорбции излучения. В этом методе для определения толщины поглощающего слоя с помощью емкостных датчиков измерялась скорость ВВИ по времени задержания сигналов с двух разных емкостных датчиков. При больших скоростях ВВИ, когда время перекрытия волной ионизации разрядного промежутка было менее 10 -f 15 не, возникали технические трудности, связанные с синхронизацией разряда с зондирующим лазером. В этих условиях измерения проводились по методу одного плоского зеркала за трубкой путем измерения полного поглощения по контуру спектральной линии излучения, отраженной от зеркала, установленного за трубкой.
Экспериментально установлено, что характерное время релаксации заселенностей метастабильных состояний атомов на фронте ВВИ составляет величину порядка 50 не. Показано, что механизм релаксации метастабильных состояний атомов преимущественно связан с процессами ступенчатой ионизации при распространении отраженных вторичных волн ионизации. Установлено, что на фронте ВВИ наблюдается кратковременное (длительностью порядка 60 не) перезаселение метастабильных состояний атомов по отношению к квазистационарным значениям, вызванное генерацией высокоэнергетичных электронов на фронте ВВИ и их последующей энергетической релаксацией.
В этой же главе представлены результаты экспериментального исследования динамики релаксации оптического излучения разряда в процессе распространения и взаимодействия ВВИ в плазменных цилиндрических волноводах. Поскольку оптическое излучение, регистрируемое вдоль плазменного волновода, является интегральным по длине трубки, то наряду с такими исследованиями изучалось оптическое излучение поперек трубки на различных расстояниях от высоковольтного электрода.
Выполнен комплекс оптических исследований при формировании и распространении одной ВВИ, двух встречных ВВИ с одинаковыми и разными полярностями потенциалов, нескольких ВВИ, отраженных от концов волновода.
Экспериментально установлено, что при больших коэффициентах затухания ВВИ (при больших давлениях газа) спонтанное излучение на длине волны Неї 388,9 нм имеет асимметрию по отношению к различным концам коаксиального плазменного волновода. Излучение, выходящее со стороны высоковольтного электрода, было более интенсивным, чем излучение, выходящее со стороны заземленного электрода. Исследование излучения поперек трубки показало, что длительность импульсов излучения вдоль трубки больше, чем поперек трубки. При больших коэффициентах затухания ВВИ формы импульсов излучения на различных расстояниях от высоковольтного электрода отличались друг от друга. Исследование зависимости степени асимметрии излучения от времени показало, что величина асимметрии растет за фронтом ВВИ.
Детальное исследование процессов релаксации оптического излучения показало, что при некоторых условиях наблюдаются эффект, связанный с наличием двух характерные времени релаксации. При формировании и распространении одной ВВИ примерно через 50-60 не после начала импульса оптического излучения относительно медленный спад интенсивности сопровождается почти скачкообразным ее уменьшением.
Показано, что в условиях формирования и распространения двух встречных ВВИ характер релаксации оптического излучения существенно зависит от полярности потенциалов во фронте ВВИ. Систематизация и анализ общих закономерностей релаксации оптического излучения в плазме ВВИ показывает, что:
• При распространении встречных ВВИ амплитудные профили спонтанного излучения вдоль трубки качественно отличаются от соответствующих амплитудных профилей поперек трубки;
• В области взаимодействия двух ВВИ могут реализоваться условия для формирования нескольких максимумов оптического излучения;
• Длительность фронта импульса излучения в случае распространения встречных ВВИ больше чем при распространении одиночной прямой волны ионизации;
• Амплитудные профили спонтанного излучения существенно зависят от режима согласования плазменного волновода с ГИН; • При формировании, распространении и взаимодействии двух встречных ВВИ с потенциалами положительной полярности наблюдаются несколько характерных времен релаксации оптического излучения.
Далее в этой главе приведены результаты экспериментального исследования релаксационных процессов при формировании и распространении ВВИ в плазменных волноводах, заполненных смесями инертных газов с легкоионизующими компонентами. Исследованы особенности формирования и релаксации импульсов УФ-излучения во фронте ВВИ. Показано, что вслед за фронтом ВВИ в волноводе распространяется фронт УФ-излучения со сплошным спектром и длительностью несколько наносекунд. Исследована зависимость интенсивности УФ излучения во фронте ВВИ от амплитуды импульсов напряжения, подаваемых на вход плазменного волновода. Установлено, что с уменьшением диаметра разрядной трубки интенсивность УФ-излучения во фронте ВВИ растет.
В пятой главе приведены результаты исследования анизотропии процессов электронного возбуждения атомов во фронте и в области взаимодействия встречных ВВИ в плазменных коаксиальных волноводах. В наносекундных разрядах при амплитудах напряжений сотни киловольт формирование электронных пучков сопровождается рентгеновским излучением. Такое излучение рентгеновского диапазона регистрировалось многими авторами. При относительно невысоких амплитудах напряжений, использованных в данной работе, значительную информацию об анизотропных свойствах функции распределения электронов можно получить путем исследования поляризационных свойств спонтанного излучения разряда. В данной работе выполнены такие исследования для различных спектральных линий атомов и ионов. Наиболее подробные исследования выполнены для спектральных линий Неї с длинами волн /1=471.3 нм, 429.5 нм, 388.8 нм при различных режимах формирования в плазменном волноводе одной и двух встречных ВВИ.
Исследования показали, что импульсное спонтанное излучение на всех исследованных спектральных линиях имеет частичную линейную поляризовано, причем степень поляризации излучения на разных спектральных линиях различна как по величине, так и по знаку. При фиксированных значениях давления газа и амплитудах напряжения ГИН степень поляризации максимальна во фронте ВВИ и уменьшается за ее фронтом.
Как известно, в длинных трубках в зависимости от давления газа пробой может протекать как по объему, так и по внутренней поверхности разрядной трубки. Кроме того, уход высокоэнергетичных электронов, формируемых на фронте ВВИ, на стенки разрядной трубки создает отрицательный пристеночный потенциал. Вследствие этого поперечное распределение оптического излучения в плазменном волноводе может быть вызвано процессами электронного возбуждения различными группами электронов. С целью анализа этих особенностей были исследованы поляризационные характеристики излучения, выходящего из центральных и периферийных областей трубки с использованием специальных диафрагм размерами диаметрами около 1 мм.
Экспериментально было установлено, что в области малых давлений газа степень поляризации вблизи границы разрядной трубки выше, чем из центральных областей. В то же время при больших давлениях газа степень поляризации из центральных и периферийных областей разрядной трубки практически выравнивается. Кроме того, было обнаружено, что степень поляризации излучения в направлении, перпендикулярном оси разрядной трубки, отличается от степени поляризации излучения вдоль трубки, как по величине, так и по знаку. В этой же главе приведены основные закономерности поляризации атомных состояний в зависимости от давления газа, амплитуды импульсов напряжения при различных режимах формирования и распространения ВВИ. Выполнены сравнительные исследования степени линейной поляризации в плазме одиночных ВВИ и в области взаимодействия двух встречных ВВИ.
Следует отметить, что в процессе формирования и распространения ВВИ во фронте волны ионизации формируется группа высокоэнергетичных электронов. В результате этого функция распределения электронов по скоростям становится анизотропной. Другой важной особенностью возбуждения атомных состояний в рассматриваемых типах разрядов является наличие сильного электрического поля на фронте волны ионизации. Известно, что в сильных электрических полях заметно меняется амплитуда рассеяния в припороговой области энергий налетающего электрона. Важно также отметить, что электрическое поле меняет сам характер спонтанного излучения. Экспериментальные данные по интенсивности излучения отдельных спектральных линий позволяют получить важную информацию о динамике процессов заселения возбужденных состояний атомов. Однако интенсивные профили спектральных линий не характеризуют анизотропные свойства плазмы, обусловленные наличием пучковой составляющей электронной компоненты и электрического поля.
Вся информация о процессах анизотропной накачки и релаксации содержится в интенсивностях фотонов определенной поляризации, испущенных ансамблем атомов.
Известно, что возбуждение атомов монохроматическим пучком электронов приводит к выстраиванию атомных состояний. Величина степени поляризации Р0 оптического излучения ансамбля таких атомов и ее знак определяется отношением импульсов рассеянного и налетающего электронов. При возбуждении пороговыми электронами Ро 0, а быстрыми -наоборот PQ 0 . Выполнен анализ механизмов поляризации спонтанного излучения в исследованных условиях. Показано, что вклад электрического поля в поляризацию излучения разрешенной спектральной линии Л=396.4 нм составляет величину меньше 1%. Значит, наблюдаемая в эксперименте поляризация излучения данной спектральной линии свидетельствует о наличии анизотропной составляющей электронной компоненты.
Таким образом, в исследованных условиях действительно в разряде присутствуют высокоэнергетичные электроны, которые вызывают анизотропию процессов электронного возбуждения атомов. Поскольку при волновом пробое газа высокоэнергетичные электроны образуются наиболее эффективно в области максимума скорости ВВИ и минимума ее затухания, то в этой области максимальной должна быть и степень линейной поляризации излучения для синглетных переходов.
В шестой главе анализированы процессы формирования импульсов спонтанного излучения и механизмы релаксационных процессов при формировании, распространении и взаимодействии ВВИ в плазменных волноводах.
Теоретически проанализирован процесс формирования оптического излучения спектральных линий при запаздывающем возбуждении газа высокоскоростными волнами ионизации. Учитывались как затухание волны ионизации в процессе распространения, так и неоднородности реабсорбции излучения вдоль трубки.
Затухание ВВИ в процессе распространения приводит к появлению существенных продольных неоднородностей разряда. При этом с торцов разрядной трубки регистрируется интегральное по длине трубки излучение с неоднородным распределением, как яркости излучения, так и поглощательной способности. В общем случае показано, что при однородности светящегося столба плазмы излучательная способность с различных концов волновода одинакова.
Проанализируем полученные соотношения:
1. Неоднородность функции первичной яркости потока совпадает с неоднородностью коэффициента поглощения: f(x,t)=(p(x,t). В этом случае можно показать, что KB(v,t) = KH(v,t), т.е спонтанное излучение симметрично по отношению к различным концам плазменного волновода. 2. Функции распределения первичной яркости потока и коэффициента поглощения по длине трубки не совпадают. В этом случае можно показать, что для монотонно убывающих по х функций (p(x,t) и f(x,t) наблюдается асимметрия излучения. Для определения конкретного соотношения между KB(v,t) и KH(v,t) можно использовать конкретный вид функций (p(x,t) и f(x,t). Заметим, что распределение f(x,t) поддается экспериментальному определению путем измерения потока излучения поперек разрядной трубки при различных значениях х с помощью световых датчиков, как это выполнено в данной работе.
Неоднородности первичной яркости потока связаны с неоднородным распределением заселенности верхнего уровня спектрального перехода атомов вдоль трубки, а неоднородности коэффициента поглощения - с неоднородным распределением заселенностей низколежащих возбужденных состояний. В частности, для спектральной линии Не1(Х,-388,9 нм) распределение коэффициента поглощения определяется распределением метастабильных атомов HeI(23S) по длине трубки. Для таких ситуаций обычно KB(v) KH(v), что и наблюдается в эксперименте.
По мере релаксации средней энергии электронов роль процессов ступенчатого возбуждения снижается. В этих условиях, соответствующих условиям заднего фронта импульса тока, электроны накапливаются на метастабильных уровнях и функции распределения коэффициента поглощения и яркости излучения вдоль трубки наиболее сильно отличаются друг от друга и в соответствии с приведенными выше рассуждениями асимметрия должна расти. Эксперименты действительно показывают, что в конце импульса излучения отношение интенсивности излучения с высоковольтного конца к интенсивности излучения с заземленного конца трубки растет.
Таким образом, неоднородности распределения яркости потока и коэффициента поглощения вдоль разрядной трубки, обусловленные формированием и распространением ВВИ, могут привести к асимметрии спонтанного излучения, регистрируемого с разных концов плазменного волновода. Поскольку коэффициент затухания ВВИ обратно пропорционален диаметру разрядной трубки, то этот эффект особенно существенен в тонких капиллярных трубках. Заметим также, что излучение, распространяющееся в одном и том же направлении с ВВИ, может испытывать дополнительное ослабление за счет прохождения через неоднородности границы раздела (фронт ВВИ - нейтральный газ перед ВВИ). Эти неоднородности особенно велики вблизи линии поглощения.
Далее в этой главе анализируются механизмы релаксационных процессов при распространении и взаимодействии ВВИ.
Характер релаксации оптического излучения за фронтом ВВИ в значительной степени определяется энергетической релаксацией функции распределения электронов. Поскольку фронт ВВИ является источником быстрых электронов, то ФРЭ состоит из двух частей - быстрой, с граничной энергией 8s mvo /2, где v0- скорость ВВИ, и медленной, состоящей в основном из вторичных электронов плазмы. Режим формирования ФРЭЭ согласно можно анализировать путем введения параметра релаксации
При из приведенных соотношений следует, что Л»А,Є . Это означает, что в релаксации ФРЭ объемные столкновительные процессы превалируют над диффузионными и режим формирования ФРЭ является локальным. В этом случае электроны образуют сплошной электронный спектр в области от средних энергий є до энергий их образования Єб.
При К«\ существенную роль в формировании быстрой части функции распределения электронов играет их взаимодействие со стенками плазменного объема и пристеночными слоями потенциала. Поскольку поперечная диффузия в этих условиях происходит быстрее, чем изменение их энергии за счет столкновений, то энергетическое распределение электронов в данной точке определяется параметрами плазмы не только в этой области, но и во всем объеме.
Детально проанализированы особенности влияния пристеночных процессов на релаксацию ФРЭ с учетом группы быстрых электронов, формируемых во фронте ВВИ.
Из этой формулы видно, что значение параметра диффузии принимает максимальное значение сразу за фронтом ВВИ и в дальнейшем падает, поскольку с течением времени уменьшается как средняя энергия электронов Єб, так и относительная доля быстрых электронов NesfNi. В работе показано, что при К«\ за фронтом ВВИ с течением времени условие р 1 может сменится условием р 1 , что может привести к скачкообразному уменьшению величины пристеночного потенциала. Так, при скорости ВВИ щ 5 108 см/с граничная энергия быстрых электронов -70 эВ. В этих
условиях при доле быстрых электронов 0,2% и выше от общего числа ионов параметр диффузии р 1. Такое условие может иметь место непосредственно за фронтом ВВИ. В дальнейшем по мере релаксации быстрой части ФРЭ условие р 1 может смениться обратным соотношением р 1. Это приведет к скачкообразному уменьшению пристеночного потенциала с величины — до
—. При этом быстрые электроны будут уходить на стенки разрядной трубки в режиме свободной диффузии, и тем самым прекращается нагрев основной компоненты электронов запертыми в объеме быстрыми электронами. По-видимому, этим и объясняется наблюдаемое в эксперименте скачкообразное уменьшение интенсивности оптического излучения, связанное с быстрым диффузным остыванием электронного газа после снижения пристеночного потенциала.
Далее проанализированы процессы релаксации заселенностей метастабильных состояний атомов. Быстрая релаксация средней энергии электронов после скачкообразного снижения пристеночного потенциала приводит к существенному уменьшению потока заселения метастабильных состояний, поскольку пороговая энергия для этих процессов АЕ12 = 20,5эЯ значительно выше порога ступенчатых процессов ДЕСЛ 2эВ. Повторные или отраженные от электродов вторичные ВВИ хотя и подогревают электронный газ, но из-за относительно малой их амплитуды, а также потерь энергии электронов в неупругих соударениях плотность метастабильных атомов снижается. При длине разрядной трубки 50 см и скорости ВВИ 5 10 см полное время распространения волны ионизации от одного электрода до другого т 100 не. Эксперимент показывает, что релаксация заселенностей метастабильных атомов начинается примерно через такое же время. Таким образом, ступенчатое возбуждение и ионизация непосредственно за фронтом волны ионизации являются факторами, ограничивающими максимальную плотность метастабильных атомов.
Далее в данной главе анализируются релаксационные процессы при формировании и распространении ВВИ в плазменных волноводах, заполненных смесями инертных газов с легкоионизующими компонентами. В смесях Ne-H2 и Ne-H2-02 наблюдалась оптическая генерация на переходе Nel 2pi-ls2 (длина волны 585.2 нм) в области взаимодействия ВВИ. Детальное исследование зависимости мощности генерации от амплитуды импульсов напряжения показало, что как в смеси Ne-H2, так и в смеси Ne-H2-02 существовало оптимальное значение амплитуды напряжения ГИН, при котором мощность генерации максимальна.
Форма импульсов оптической генерации зависела от режимов формирования, распространения и взаимодействия ВВИ. При некоторых давлениях газа в смеси Ne-H2 наблюдались два импульса генерации, следующие друг за другом с интервалом примерно 100 не. Первый из этих импульсов имел длительность около 5 не, и наблюдался в области взаимодействия двух ВВИ, а второй импульс наблюдался за фронтом примерно через 130 не. В начале второго импульса генерации наблюдался короткий всплеск, величина которого зависела от суммарного давления в смеси. С повышением суммарного давления газа, а также при добавлении кислорода в смесь Ne-H2 величина этого всплеска уменьшалась.
Выполнен детальный анализ особенностей электронного возбуждения различных компонент смеси газа во фронте ВВИ. Показано, что плазменный волновод в условиях формирования и распространения ВВИ может служит эффективной активной средой не только лазеров на самоограниченных переходах, но и пеннинговских рекомбинационных газовых лазеров.
Разработана численная модель кинетики релаксации плотности электронов, возбужденных, в том числе метастабильных, атомов и оптического излучения в цилиндрических плазменных волноводах в режиме генерации в них встречных ВВИ.
