Введение к работе
Актуальность теки. Создание эффективных конструктивно простых и надежных электроразрядшх лазеров <ЭЛ) для радения широкого круга задач в различных областях науки и техники - одна из актуальных проблем квантової"! электроники. Накачка активной среди в 31 осуществляется в объемном разряде, формируемым в предварительно ионизованном газе. Величина начальной концентрации электронов ( л.% ), однородность их распределения в активном объеме, а также способ создания й-t во многом определяют конструктивные особенности лазерной установка.
Высокие параметры начальной плазма достаточно простым образом реализуются в разрабатываемых с 1974 года во Всесоюзном НИИ экспериментальной физики под руководством А.И.Павловского- электроразрядных лазерах на основе трех-е электродных, систем формирования разряда (ТЁСФ) /I/. Пред-нонизапия газовой среды в таких лазерах осуществляется кратковременным диффузным разрядом, формируемым сначала во вспомогательном промежутке, а затем непосредственно в активном объеме. Достигаемые при этом.высокие значения я-г>-10 * см , а также малая длительность предразряда (100 не) позволяют осуществлять возбуждение объемного разряда не только в едэбоэлектроотряпательных средах ^-ла-зеров, но и в активных смесях химических лазеров со значительным содержанием енльноэлектроотрлпательных компонент, таких как 3 F& , ^ , л//Ть и т.д. Это делает ТЭСФ
привлекательными для - создания высокоэффективных лазеров на основе лепных .химических реакций, интерес к которым стимулируется возможностью получения энергии лазерного излучения большей, чем анергия, затраченная на инициирование реакции.
Эффективность работы лазера определяется выбором условий при которпх энергия, введенная в разряд накачки, непосредственным или косвенным образом (через образование промежуточных частий) идет на возбуждение верхних лазерных уровней рабочего вещества. Для Сь -лазеров такие условия, подробно-изучены. Что же касается химических Эй, то в литературе нет лот единого мнения ни о пропессах инициирования, ни, соответствеї об оптимальных условиях протекания этих процессов /2/. Это обусловлено слоаностьв определения концентраций атомов галогенов, нарабатываемых при инициировании реакций. Разработка методах, позволяющих внести ясность в эти вопроси, представлю несомненный интерес.
В настоящее время на основе ТЭСФ создан ряд лазеров, ген« рнрующих излучение в УФ и ИК диапазонах' спектра, в том числе крупнейший электроразрядный ^ -лазер с объемом активной среды 280 л, химические HF- и ## -лазеры, а также ^ -зксимернне лазеры, обладающие рялом рекордных параметров. К достоинствам ЭЯ на основе ТЭСФ следует отнести малые затраї на предаонизашпо (менее I % от энергии накачки) конструктивнз простоту и компактность. Это делает такие лазеры.весьма привлекательными для разработки высокоэнергетичных установок. В связи с этим исследование процессов инициирования разряда в ТЭСФ, обусловливающих высокие значения я-е и однородность начальной плазмы, представляются весьма вакными.
Цель и задачи работы. Настоящая диссерташш посвящена разработке и исследованию мощных лазеров с наносекундным электроразрядным инициированием на основе трехэлектродных систем. Основное внимание в диссерташш уделено вопросам создания начальной плазмы с высокой концентрацией электронов в больших объемах плотных газов и исследованию возможности повышения эффективности электрораэрядных химических лазеров.
Б соответствии с поставленной пелью работа проводилась по следующим направлениям.
-
Экспериментальное исследование динамики формирования структуры наносекундного диффузного разряда во вспомогательном промежутке ТЭСФ.
-
Исследование закономерностей генерации потоков ионизирующих излучений в высоковольтном диффузном разряде в трехэлектродных системах.
-
Исследование возможности создания в ТЭСФ начальной плазмы с высокими концентрацией электронов и однородностью их распределения в большом объеме (до 0,28 м ) газов атмосферного давления. Изучение электрических и оптических характеристик разряда предионизаігии в трехэлектродных системах. Определение вклада ра з личшх. механизмов ионизации газа в создание начальной плазмы.
-
Разработка методики измерения концентрации атомов галогенов и определение энергетических затрат на образование атомарного фтора при диссопиаиии р^ и ^1 в корот-коимпульсном диффузном разряде.
::>. Создание и исследование электрорззрядных химических HF - я НС - лазеров на цепных реакциях Фторирования и
хлорирования водорода.
6. Исследование возможности разработки на основе ТЭСФ Mi -лазера, генерирующего в УФ диапазоне спектра (вторая положительная система Л ). .
Научная новизна и научная значимость диссертационной работы. Большинство исследований, результаты которых вошли в диссертацию, выполнены впервые и имеют важное значение для понимания физики процессов, протекащих в высоковольтных нано-секундных диффузных разрядах в плотных газах, в том числе содержащих сильноэлектроотрипательные галогеяоносители. ' Впервые обнаружена и исследована пространственная микроструктура токовых каналов диффузных разрядов. Изучены закономерности генерации потоков ионизирующих излучений, сопро- . воздающих разряды в трехэлектродных системах.' Показана высокая эффективность наносекундного диффузного разряда во вспомогательном промежутке ТЭСФ как источника рентгеновской предионизапии газолазерных сред, большого объема. Это позволяет реализовать новые подходы к физике-и технике организашщ широкоапертурных газовых разрядов. Предложена физическая модель ускорения электронов в диффузных разрядах в плотных газах.
Реализованы сильноточные объемные разряды в средах со значительным содержанием силъноэлектроотринательных компонент. Показана возможность создания на основе трехэлектродных систем высокоэффективных, високоенергетичних химических лазеров.
- Разработана новая методика измерения концентрации атомов галогенов. Определены затраты на образование атомов фтора в
корогкоимпульсном диффузном разряде в S(~с и /И/jj Показано, что энергия, необходимая для диссоциации гало-геноносителя в электрическом разряде может быть близкой к своему термодинамическому значению.
Практическая ценность диссертационной работы обусловлена широким применением объемннх форм самостоятельного разряда в газолазерной технике.
В работе показана перспективность короткоимпульсного диффузного разряда в трехэлектродных системах как источника предварительной ионизации для крупногабаритных лазерных установок. Реализована пространственно-однородная начальная плазма с концентрацией электронов, превышающей 10 см в больших объемах газолазерных сред. Это позволило создать ряд (Х^-лазеров, в том числе крупнейший электроразрядный С02-ла-зер с активным объемом 0,28 м н выходной энергией 8,4 кДк. Затраты на предионизанию активной среды составили менее І ^ от энергии накачки. Предложены пути дальнейшего повышения однородности начальной плазмы и экономичности работы пред-ионизатора на основе трехэлектродных систем.
Разработаны и исследованы высокоэффективные химические ИР - и ИСС -лазеры, а танде ^ -лазер, обладающие рядом рекордных параметров.
Создана простая и надежная методика определения энергетических затрат на образование свободных атомов галогенов в электрическом разряде, что позволяет осуществлять выбор оптимальных составов активных сред химических лазероЕ и прогнозировать выход продуктов ряда-, плазмохимическпх .реакций.
Результаты диссертационной работы используются при
разработке мощных электроразрядных лазеров УФ и ИК диапазона. Основные положенияt представляемые к защите.
-
Результаты экспериментальных исследований динамики формирования многоканальной структуры разряда в электродной системе проволочка-плоскость.
-
Обнаружение микроструктуры токовых каналов диффузных разрядов. .
-
Результаты исследований закономерностей генерации потоков ионизирующих излучений в высоковольтных наносекундных раз] дах.
-
Результаты экспериментальных исследований электрически? характеристик, а также параметров оптического и рентгеновскогс излучений предварительного разряда в ТЗСФ в ^-A^-Jfe среда? Выявление'определяющей роли рентгеновского излучения разряда, развивающегося во вспомогательном промежутке ТЭСФ, в создании начальной плазмы в основном промежутке.
-
Методика измерения концентрации свободных атомов галогенов и результаты экспериментального определения энергетических затрат на образование атомарного фтора в самостоятельном диффузном разряде в )F{ і Л/3 .
-
Результаты экспериментальных исследований электро--разрядных ffF- и УХ. * химических лазеров на
ОСНОЕЄ ТЭСФ.
7. Результаты экспериментальных исследований Мх -лазе
ра с добавками в смесь гелия и элегаза.
Нубликании. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в тем числе 7 статей и 8 докладов. Список работ приведен в конпе автореферата. Личный вклад автора в
работы, вошедине в диссертацию, является определяющим.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на П Всесоюзном совещании "Физика электрического пробоя газов", Тарту, 1984 г., на 1У Всесоюзном симпозиуме по лазерной химии, Звенигород, 1985 г., на Ш и-У Всесоюзных конференциях по физике газового разряда, Киев, 1986 г. и ОМСК, 1990 г., на У и 71 Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров",Ленинград, 1987 г. и 1990 г., на Всесоюзном семинаре "Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров", Лохусалу, 1988 г., на семинарах ВНИИЭФ и ШШЇЇШ АН СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, включая 55 рисунков, 3 таблипы и список литературы из 140 наименований.
