Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Методы формирования объемного разряда при высоком давлении 10
1.2. Методы предыонизации 13
1.3. Анализ конструкций разрядных камер и высоковольтных источников накачки. 19
Выводы 26
Постановка задач исследования 27
Глава 2. Численное моделирование процесса усиления при прохождении лазерного импульса через активную зону разряда импульсного TE-COj-лазерного усилителя 28
2. 1. Выбор теоретической модели 28
2 .2. Анализ усиления коротких импульсов 39
Выводы 49
Глава 3. Поиск и оптимизация конструктивных вариантов шнрокоапертурного импульсного ТЕ-С02-лазерного усилителя 50
3.1. Анализ конструктивных вариантов и обоснование конструкции усилителя 50
3.2. Оптимизация контура основного разряда 64
3.3. Моделирование процессов рентгеновской предыонизации 74
Выводы 86
Глапа 4. Исследование широкоапсртурного импульсного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления 87
4.1. Описание широкоапертурного импульсного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления 87
4.2. Исследование рентгеновской предыонизации 91
4.3. Исследование условий формирования разряда 101
4.4. Исследование коэффициента усиления 109
Выводы 115
Заключение 116
Список литературы
- Анализ конструкций разрядных камер и высоковольтных источников накачки. 19
- Анализ усиления коротких импульсов
- Оптимизация контура основного разряда
- Исследование рентгеновской предыонизации
Введение к работе
Интерес к созданию и использованию пикосекундных тераваттных СОг-лазерных систем обусловлен новыми возможностями в решении ряда фундаментальных и прикладных задач, связанных с применением излучения десятимикронного диапазона, таких как лазерное ускорение заряженных частиц, исследование процессов туннельной ионизации атомарного газа, использование в мод-селективной лазерохимии, когда резонансное возбуждение моды в ИК-иоле тераваттных импульсов происходит в условиях сильного нарушения внутримолекулярного равновесия, что стимулирует химическую активность молекулы, и ряде других. Причем эффективность воздействия лазерного импульса проявляется по достижению некоего значения мощности. Так, фокусирование тераваттного лазерного пучка в ЗОмкм пятно дает интенсивность 1017Вт/см2 , что соответствует напряженности электрического поля ЮГВт/см, что в четыре раза превышает напряженность электрического поля, получаемую в традиционных ускорителях заряженных частиц [63].
Формирование широкого спектра усиления, позволяющего без искажений усиливать пикосекундный импульс в активной среде СОг усилителя, происходит за счет перекрытия линий соседних колебательно-вращательных переходов при столкновительном уширении. Полное перекрытие линий достигается при давлении порядка Юатм. При более низких давлениях спектр усиления является модулированным либо распадается на отдельные линии. Выходная энергия импульсного лазера с заданным объемом рабочей области зависит от числа возбужденных молекул, находящихся в этом объеме, а следовательно, от давления газа. Длительность импульса определяется главным образом временами релаксации возбужденных молекул. Поскольку эти времена уменьшаются с ростом давления, длительность импульса также оказывается зависящей от давления газа. В результате пиковая мощность возрастает пропорционально квадрату давления. Таким образом, при более высоких давлениях в лазерах одинаковых объемов удается получать
импульсы большей энергии при более высокой импульсной мощности и меньшей длительности.
Большинство работ в области С02-лазеров высокого давления (р>7 атм) выполнено на усилительных модулях с возбуждением активной среды объемным самостоятельным разрядом и предварительной ионизацией среды в объеме разрядного промежутка. Параметры лазеров, достигаемые с помощью такого метода возбуждения, близки к соответствующим параметрам лазеров с несамостоятельным разрядом. В то же время лазеры с объемным самостоятельным разрядом проще по конструкции и отличаются рядом преимуществ в эксплуатации.
Электроразрядные ТЕ-С02-лазеры высокого давления принципиально практически ие отличаются по конструкции от ТЕА-СОг-лазеров. Однако, при переходе к высоким давлениям возникают особенности, состоящие в следующем:
1.С ростом давления растет пробойное напряжение и напряжение, необходимое для поддержания Е/р на оптимальном уровне (~ 20-60 кВ/сматм). Здесь Е -напряженность электрического поля в рабочем промежутке, р - давление рабочей газовой смеси. При этом возрастают требования к однородности поля в промежутке.
2.При повышении давления возникает проблема обеспечения равномерной предыонизации разрядного промежутка вследствие сильного поглощения УФ-излучения в активной среде. Поэтому использование УФ источников, таких как открытая искра и скользящий поверхностный разряд, находит применение только в случаях малых апертур ~ 10x10мм, Предыонизация рентгеновским излучением позволяет формировать объемный разряд в системах с большими апертурами.
З.Повышение давления приводит к сокращению времени формирования локализации разряда тл. Для формирования однородного разряда длительность стадии основного ввода энергии должна быть меньше тл. Радикальным методом борьбы с контрагированием разряда в лазерах с самостоятельным разрядом является ограничение времени энерговклада.
Создание широкоапертурного (-ЧОхЮхЮОсм) ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления (<10атм), кроме вышеперечисленных особенностей, имеет также и особенности, связанные с конструктивным решением разрядной камеры большого
объема, в которой рабочая газовая смесь находится под высоким давлением, в связи с чем при разработке конструкции необходимо учитывать требования, предъявляемые к сосудам и аппаратам, работающим при избыточном внутреннем давлении. Необходимость повышения рабочего напряжения так же накладывает дополнительные требования к обеспечению электрической прочности изоляционных промежутков и элементов разрядной камеры.
Целью настоящей работы является исследование условий для получения объемного самостоятельного разряда и оптимизация элементов широкоапертурпого ТЕ-СОг-лазерного усилителя с рабочим объемом 10x10x100см при давлении рабочей смеси до Юатм. Создание эффективного предыопизатора. Создание и исследование нового широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления.
Научная новизна:
Впервые разработан и создан образец широкоапертурного (100x100мм) ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления (до 10 атм) с рентгеновской предыонизацией.
Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований эффективности рентгеновской предыонизации разрядного объе.ча широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления. Продемонстрирована возможность получения начальной концентрации электронов ~109-см"3 в разрядном промежутке большой апертуры при высоком давлении рабочей газовой смеси с использованием рентгеновской предыонизации.
Экспериментально исследован коэффициент усиления слабого сигнала в широкоапертурном ТЕ-СОг-лазерном усилителе высокого давления с рентгеновской предыонизацией в зависимости от давления и состава рабочей газовой смеси.
Практическая значимость. Работа по созданию и исследованию широкоапертурного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления проводилась в рамках «Программы по реализации альтернативных методов ускорения заряженных частиц» для ООО «НИФ ОПТОЭЛ». Акт о внедрении результатов диссертационной работы прилагается.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке широкоапертурных ТЕ-СОг и эксимерных лазерных усилителей высокого давления с рентгеновской предыонизацией.
Основные результаты, выносимые на защиту:
новое схемное решение разрядной камеры широкоапертурного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого (йЮатм) давления с рентгеновской предыонизацией, при котором камера вакуумного диода размещается внутри оболочки корпуса разрядной камеры, что позволяет оптимизировать расстояние от выводного окна вакуумного диода до разрядного промежутка, а также использовать оболочку корпуса разрядной камеры в качестве дополнительной защиты в случае разрушения разделительной фольги выводного окна вакуумного диода;
система формирования коротких высоковольтных (-1MB) импульсов основного разряда широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления с рентгеновской предыонизацией, включающая в себя перестраиваемую водяную формирующую линию, обеспечивающая возможность эффективного согласования импедансов разрядного контура с разрядным объемом;
результаты численного моделирования эффективности рентгеновской предыонизации при давлении газовой смеси в рабочем объеме усилителя до Юатм;
- анализ особенностей расчета профиля высоковольтного электрода в контуре
основного разряда широкоапертуриой лазерной системы, предполагающий
использование результатов расчета распределения напряженности
электростатического поля с учетом влияния металлического корпуса разрядной
камеры, в дополнение к традиционной методике;
- результаты экспериментальных исследований работы рентгеновского предыонизатора, продемонстрировавшие возможность получения начальной концентрации электронов ~109-см"3 в разрядном промежутке большой апертуры при высоком давлении рабочей газовой смеси с использованием рентгеновской предыонизации;
- результаты оптимизации электрических параметров системы формирования
высоковольтных импульсов, позволившие впервые получить устойчивый объемный
самостоятельный разряд в диапазоне давлений газовой смеси 5-Юатм при разрядном объеме 10х10х100см3=10л;
- исследования коэффициента усиления слабого сигнала широкоапертурпого ТЕ-СО2-лазерного усилителя высокого (йЮатм) давления с рентгеновской прсдыонизацией, составивший 0,019см"1 для давления газовой смеси Юатм.
000 "Научно-инновационная Sa'entific&lnnovation company
фирма "Оптоэп" Optoel Ltd.
197101, Санкт-Петербург, Россия, ул. Саблинская, 14 14, Sablinskaya str., Si Petersburg, 197101, Russia tei/fax: (812) 233-6388
АКТ
о внедрении результатов диссертационной работы Дюблова АА «Широкоапертурный ТЕ-СОг - лазерный усилитель высокого давления»
Разработанный в рамках диссертации Дюблова А.А. лазерный усилитель с апертурой 10x10x1 ООсмЗ и давлением рабочей газовой смеси до Юатм установпен и сдан 8 эксплуатацию в Брукхэвенской национальной лаборатории, США. Упомянутый усилитель используется в международных программах по исследованию взаимодействия электронов с электромагнитным излучением оптического диапазона.
Зам. Ген 000 «Н
Кушнаренко А. В.
Анализ конструкций разрядных камер и высоковольтных источников накачки. 19
Разрядная камера является основным элементом лазерного усилителя. Правильный выбор варианта конструкции разрядной камеры позволяет обеспечить условия для получения объемного самостоятельного разряда. Механическая прочность конструкции разрядной камеры должна обеспечивать безопасные условия работы при давлении газовой смеси Юатм. В зависимости от типа используемой предыонизации, от параметров системы формирования высоковольтных импульсов конструкция разрядной камеры может существенно отличаться.
В [10] приведена конструкция плавно перестраиваемого по частоте СОг-лазера высокого давления с плазменным катодом. Изображение этой конструкции приведено на рисунке 1.3.1. Корпус разрядной камеры этого лазера, работающего при давлении газовой смеси 8атм, выполнен из сте клоп ластиковой трубы, которая герметизируется с торцов пластинами из NaCl толщиной 1 Омм, расположенных под углом Бргостсра. Зазор между плазменным катодом и профилированным металлическим анодом Л составляет 6мм, размер плоской части анода 250x8мм, рабочий объем 12см3. Контур основного разряда состоит из накопительной емкости С2=3,ЗнФ, обостряющей емкости С3=0,6иФ и неуправляемого разрядника Рз с напряжением самопробоя ЮОкВ.
Использование диэлектрика в качестве материала для изготовления корпуса лазера позволило обеспечить индуктивность контура порядка 100 нГн. Применение же самопробойного разрядника не позволяет осуществлять точную синхронизацию срабатывания при использовании такого схемного решения при работе в качестве лазерного усилителя. Напряжение разряда ограничивается параметрами накопительной емкости и самопробойного разрядника, что ограничивает возможности повышения разрядного напряжения при увеличении межэлектродного промежутка.
Использование стеклопластиновой трубы в качестве корпуса для разрядной камеры СОг-лазера [25], работающего при давлении газовой смеси Юатм, позволяет уменьшить индуктивность разрядного контура. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.3.2, Основной разряд осуществлялся в объеме 1,2x1,7x38 см между алюминиевыми электродами с профилем Роговского, Питание разряда осуществлялось пятиступенчатым генератором импульсных напряжений, собранным по схеме Маркса (С„ = 20нФ). Параллельно разрядному промежутку устанавливался малоиндуктивный емкостной накопитель (Со=ЗООпФ), роль которого сводилась к получению на короткое время дополнительного перенапряжения и осуществлению быстрого развития разряда.
Использование генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Маркса, позволяет варьировать напряжение на разрядном промежутке в широких пределах. Возможность управления временем срабатывания генератора импульсного напряжения дает возможность осуществлять подстройку времени срабатывания генератора при использовании такого схемного решения в качестве лазерного усилителя. Использование диэлектрического корпуса позволяет расположить обостряющую емкость внутри разрядной камеры, максимально уменьшив индуктивность подсоединения, не опасаясь возможности пробоя на стенку разрядной камеры.
В работе [58] описан СОг-лазер, возбуждаемый поперечным разрядом с предварительной ионизацией всего рабочего объема вспомогательным разрядом через диэлектрик. Схема лазера приведена на рисунке 1.3.3. В этой работе авторы сообщают о получении генерации излучения при давлении смеси до ІЗатм. Конструкция разрядной камеры, при использовании такого метода предыонизации, является достаточно простой в исполнении и эксплуатации. Однако, увеличение апертуры разряда вызовет сложности в исполнении и изготовлении разрядной камеры для работы при давлении газовой смеси порядка Юатм. Авторы сообщают о необходимости медленной прокачки газовой смеси в процессе работы лазера. Это, по-видимому, связано с тем, что весь газовый объем является рабочим и, при пробое по поверхности диэлектрика, происходит развал смеси. Кроме того, при увеличении апертуры существенно растет вероятность неоднородного распределения вспомогательного разряда, что скажется на неоднородности предварительной предыонизации.
Конструкция ТЕ-СОг-лазера с рентгеновской предыонизацией, описанная в [12], приведена на рисунке 1.2.3. Для изготовления разрядной камеры в этой конструкции использована нержавеющая сталь. Этот материал имеет хорошую химическую инертность, высокую механическую прочность и технологичность. Найденное авторами решение об использовании лексановой плиты толщиной 20мм для исключения воздействия высокого давления рабочей газовой смеси на выводное окно вакуумного диода рентгеновского предыонизатора, является действенным только для ограниченного размера окна. При увеличении ширины выводного окна вакуумного диода встанет вопрос об изменении толщины пластины из лексана, что увеличит поглощение рентгеновского излучения материалом, а это, в свою очередь, приведет к снижению эффективности предыонизации. Использование шин, соединяющих высоковольтный электрод с токоведущим стержнем проходного изолятора и земляной электрод с заземленным корпусом разрядной камеры, позволяет создать мало индуктивный разрядный контур. Однако, при увеличении апертуры разряда, такое схемное решение приведет к неоправданному увеличению размеров корпуса разрядной камеры во избежание перекрытия с высоковольтного электрода на стенку корпуса. Увеличение же габаритов приведет к усложнению конструкции и увеличению веса разрядной камеры в силу выполнения требований по обеспечению достаточной механической прочности при работе на высоких давлениях. Использование пятиступенчатого генератора импульсного напряжения, собранного по схеме Маркса, с напряжением заряда в диапазоне 15-100кВ позволяет изменять напряжение на межэлектродном промежутке в широких пределах.
В работе [59] авторы исследовали работу СОг-лазера с использованием мягкого рентгеновского излучения в качестве предварительной ионизации рабочего объема. Для исследования различных режимов накачки в экспериментах использовались две схемы питания. В первом варианте источником накачки служил четырехступенчатый генератор Маркса. Фронт импульса напряжения определялся паразитными емкостями, подключаемыми параллельно импульсному генератору в момент его запуска, и изменялся в пределах 0,2-1,5мкс в зависимости от состава активной среды и зарядного напряжения.
Анализ усиления коротких импульсов
На рис.2.1.4 представлены результаты решения системы уравнений (1). Анализ результатов, с учетом Ne/Nco2 и NeTp, приводит к следующему заключению. Если концентрация электронов увеличивается внутри разрядного промежутка, соответственно должно увеличиваться давление смеси и длительность импульса накачки будет уменьшаться впоследствии. Время достижения ct(t) максимального значения уменьшается во столько же раз, как и сокращается длительность импульса накачки.
Это соответствует, если сравнивать представленные выше результаты с результатами, приведенными на рис.2.1,5, где представлены временные взаимосвязи a(t) и (C02+N2)(t) для различных концентраций Ne при постоянной длительности импульса возбуждения.
Очевидно, что значение a(t) слегка растет с величиной Ne, затем следует снижение. Это следствие значительной занятости нижних уровней 100 и 02с0 молекулы СОг при возрастании значения Ne. Одновременно, запасенная энергия значительно возрастает с увеличением Ne, поэтому предпочтительно большее значение Ne при Р іатм.
Условие роста значения Ne определяется стабильностью диффузного разряда при высоком давлении.
Надо подчеркнуть здесь необходимость высокой плотности Ne при уменьшении длительности импульса возбуждения. Используя алгоритм вычислений для первого шага работы усилителя, коэффициент поглощения aabs (L 1) для смеси, не возбужденной электрическим разрядом, может быть определен как: -, _ /хт 004 хт 100ч «abs-(,NC02 "Nc02 У п где сгп- сечение поглощения, которое равно сечению вынужденного перехода (7Н. Так, для выбранной смеси (1:1:3) при давлении Ри= Іатм, значение ааьг= S.3-10 4 или 0.08%-см 1. Величина cxabs, так же, как и коэффициент усиления, будет очень слабо меняться с изменением давления активной среды по тем же причинам, что и в случае слабой зависимости величины О. от давления.
Однако, наблюдалось некоторое уменьшение алЪ$ на давлении Юатм по сравнению с а & при 1 атм.
Тогда как тенденции в получении инверсии и накоплении энергии в С02 и N2 модах понятны и требуемые условия обеспечения максимальной эффективности сказанного выше могут быть порекомендованы с несомненностью, процесс усиления лазерного импульса суб наносекунд ного и пикосекундного диапазона требует более детального анализа.
Концепция, представленная ниже, является только предварительным наброском анализа, который необходимо будет детализировать в будущем. Постановка задачи 1. Объект анализа: молекулярный усилитель, в котором первый шаг операции завершен, т.е. импульс накачки и энергия запасена на нижних колебательно вращательных уровнях молекулы СО . 2. Входной лазерный импульс прикладывается к усилителю в момент достижения максимального значения инверсии. Диапазон длительности импульса дан в пункте 3 условий задачи в начале раздела 2.2. Режим работы усилителя- режим одиночных импульсов. Что должно быть определено: 1. Энергетическая эффективность усилителя, т.е. определение условий, при которых энергия, запасенная в активной среде, максимально трансформируется в энергию усиливаемого импульса. 2. Влияние связанных и нелинейных эффектов на частотно-временную структуру усиливаемого импульса. Решение проблемы В выбранном диапазоне длительности импульса действительно следующее соотношение: 1/Т4» І/Т10, І/Ти, 143/Тзо- [14] (5) Поэтому, только процессы межмодовой релаксации Tvv и вращательной релаксации TR остаются решающими для процесса усиления.
Межмодовый процесс обмена между уровнями 100 и 020 в молекуле С02, связанными Ферми-резонансом, едва ли будет оказывать влияние на усиление наносекундных импульсов и не окажет влияние на усиление пикосекундных импульсов.
Оптимизация контура основного разряда
Формирующая линия служит для коррекции формы импульса, подаваемого от ГИН, и обеспечивает формирование однородного объемного разряда в активной зоне усилителя. Формирующая линия состоит из двух водяных импульсных конденсаторов, размещаемых в едином металлическом баке. Конструкция формирующей линии представлена на рисунке 3.1.5.
На рисунке изображена формирующая линия с разрядной камерой. Для снижения индуктивности разрядного контура соединение формирующей линии с разрядной камерой осуществляется посредством фланцевого соединения.
Внутренний объем формирующей линии заполняется деионизованной водой с =81. Для заполнения требуется -2м3 деионизованной воды.
Промежуточный конденсатор является накопительной емкостью с перестраиваемыми параметрами, которая служит для оптимизации амплитуды и длительности разрядного импульса. Возможность изменения величины этой емкости позволяет согласовать генератор Маркса с разрядным контуром. Промежуточный конденсатор образуется металлическим плоским электродом и стенкой бака формирующей линии. Металлический плоский электрод крепится внутри бака на капролоновых изоляторах.
Другой металлический электрод, соединенный с проходными изоляторами, является высоковольтной обкладкой обостряющего конденсатора. Обостряющий конденсатор служит для укорочения фронта импульса на разрядном промежутке. Его величина 14нФ приблизительно в три раза меньше емкости промежуточного конденсатора. Капролоновые изоляторы являются дополнительной поддержкой для высоковольтного электрода обостряющего конденсатора. Для регулировки емкости обостряющего конденсатора без вскрытия бака формирующей линии использовалась конструкция из капролоновых плит. Капролои имеет значение =4,5, в отличие от воды, которая имеет =81 [47]. Подъемный механизм обеспечивает возможность перемещать капролоновые плиты относительно друг друга, вдвигая их в промежуток между высоковольтным электродом обостряющего конденсатора и стенкой бака, изменяя тем самым значение емкости в меньшую сторону. Капролоновые болты, скрепляющим плиты через пазы, исключают возможность поперечного смещения плит. Подъем и опускание капролоповых плит осуществляется с помощью нейлоновых канатов, проходящих сквозь крышку бака формирующей линии на вал подъемного механизма. Использование ступенчатой конструкции позволяет увеличить длину и исключить возможность пробоя по поверхности диэлектрика. Как показано в [48], напряжение перекрытия изоляторов простейших форм составляет 70% от напряжения пробоя воды. Учитывая наличие краев высоковольтного электрода обостряющего конденсатора, увеличение длины по поверхности изоляторов является необходимым условием.
Самопробойный водяной разрядник регулируется так, чтобы обеспечить срабатывание в момент достижения максимума напряжения на промежуточном конденсаторе, Межэлектродиый зазор можно устанавливать в диапазоне 0-20мм. Материал электродов самопробойного водяного разрядника - нержавеющая сталь 12X181II ОТ. Использование сварной конструкции электродов нежелательно из-за появления трещин в местах сварки вследствие мощных гидроударов в момент срабатывания разрядника.
Внутренняя зеркальная оптическая система служит для организации оптимального пути следования усиливаемого сигнала через усиливающую среду. На рисунке 3.1.6 приведено изображение расположения узлов оптической системы на плите держателя земляного электрода.
Расстояние между зеркалами равно 1718мм. Эта величина выбиралась с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточное удаление зеркал от краев высоковольтного электрода, чтобы исключить возможность электрического пробоя.
Конструкции узлов крепления зеркал позволяют осуществлять юстировку зеркал в трех плоскостях. Имеется возможность грубой и тонкой юстировки. Тонкая юстировка осуществляется при помощи держателей зеркал, имеющих «сэндвичевую» структуру. Эта структура состоит из трех пластин, средняя из которых соединяется с соседними пластинами с помощью двух ребер. Эти ребра ориентированы взаимно перпендикулярно, что позволяет тонко юстировать зеркало в двух плоскостях с помощью винтов, имеющих малый шаг резьбы.
Зеркала для оптической системы изготавливаются из бескислородной меди методом алмазного точения. Для обеспечения возможности подьюстировки зеркал в процессе работы усилителя юстировочные винты через переходные муфты присоединяются к шарнирным устройствам, передающим вращение от рукояток, расположенных с наружной стороны торцов разрядной камеры. Использование защитных покрытий для зеркал в мощных лазерных системах не допускается ввиду малой лучевой прочности покрытий.
Из-за недостаточной лучевой прочности не используются также и просветляющие покрытия на окнах, изготовленных из ZnSe.
Предложенная концепция широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления позволила создать конструкцию, позволяющую варьировать параметры основных компонентов усилителя в процессе наладки и зксперимеїггального исследования. Так, возможность изменения площади электродов формирующей линии позволяет оптимизировать электрические параметры разрядного контура усилителя. Система крепления предыопизатора позволяет максимально приближать выводное окно к разрядному промежутку при изменении межэлектродного расстояния. Использование рельсовых путей и колесных тележек дает возможность осуществлять обслуживание усилителя без использования дополнительных погрузочно-транспортных машин и механизмов.
Исследование рентгеновской предыонизации
График зависимости дозы рентгеновского излучения от расстояния до выводного окна вакуумного диода для различных условий среды внутри разрядной камеры приведен на рисунке 4.2.46. Излом на графике соответствует переходу сквозь сетку земляного электрода.
Если исходить из того, что процессы ионизации в рабочей газовой смеси аналогичны процессам ионизации в воздухе, можно сделать оценку плотности электронов в рабочем промежутке. Как следует из [64], при дозе в 1 Рентген в 1г воздуха поглощается энергия в 88 эрг, и при этом в одном кубическом сантиметре воздуха при стандартных условиях образуется столько ионов, что они несут одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака (2,08-10 пар ионов). Основываясь на вышеприведенном значении, плотность электронов в рабочем промежутке может составлять величину порядка от 10я до 109 электронов в см3 в зависимости от расстояния до выводного окна вакуумного диода предыонизатора.
Из таблицы 4.2 видно, что сетка земляного электрода, имеющая прозрачность -0,5, снижает примерно в два раза дозу рентгеновского излучения. Силовые ребра вакуумной камеры, являющиеся опорой для перфорированной опорной плиты, приводят к уменьшению дозы рентгеновского излучения, но при удалении от поверхности выводного окна этот эффект сглаживается за счет дифракции рентгеновского излучения. Проведенные исследования рентгеновского предыонизатора показали, что существенное влияние на однородность излучения оказывает точность позиционирования плоскости взрывоэмиссионного катода относительно сеточного анода. При этом необходимо выравнивать плоскость острий (концов углеродных нитей, образующих взрывоэмиссионный катод) с точностью в пределах 0,5мм. Использование специального шаблона для подрезки углеродных нитей позволяет обеспечить такую точность. После подрезки углеродных нитей необходимо провести тренировку катода в количестве 50-100 импульсов, в течение которой выгорают отдельные ворсины, выступающие за пределы плоскости взрывоэмиссионного катода. В процессе этой процедуры также происходит и тренировка поверхностей катододержателя.
Объектом исследования явилась система формирования высоковольтных электрических импульсов основного разряда. В задачу исследования входили подбор и оптимизация электрических параметров системы формирования.
Эквивалентная электрическая схема системы формирования импульсов основного разряда представлена на рисунке 4,3.1а. В этой схеме С1=18нФ - емкость генератора импульсного напряжения основного разряда (ГИН OP). С2 -накопительная емкость водяной формирующей линии. СЗ - обостряющая емкость водяной формирующей линии. LI - собственная индуктивность ГИН ОР и индуктивность транспортирующей линии. L2 - индуктивность цепи разряда накопительной емкости на обостряющую. L3 — индуктивность цепи разряда обостряющей емкости, в основном определяется величиной индуктивности проходных изоляторов разрядной камеры. Rl = 140 Ом - сопротивление деионизованной воды формирующей линии. RL - нелинейное сопротивление газового разряда.
Определение величины суммарной индуктивности L1 было сделано по периоду колебаний контура в режиме короткого замыкания. Для этого отсоединялась накопительная емкость водяной формирующей линии, а высоковольтный ввод в бак формирующей линии закорачивался на землю.
Период колебания контура в режиме короткого замыкания определяется по формуле: Т = 2WL1.C1 (1.1), отсюда L1 =Т2/4я2С 1 (1.2).
Период колебаний контура в режиме короткого замыкания составил 1.55мкс. Осциллограмма, иллюстрирующая поведение токового сигнала (кривая 2) и сигнала напряжения (кривая I) при проведении измерений, приведена на рисунке 4.3.2а. Подставляя значение периода колебаний в формулу 1.2, и зная величину емкости ГИН ОР в ударе С1=18нФ, получаем величину суммарной индуктивности Ы=3,38мкГн.
После определения величины суммарной индуктивности L1 появилась возможность определить величину накопительной емкости С2 по полупериоду перезаряда ударной емкости ГИН OP С1 на накопительную емкость водяной формирующей линии С2. Для проведения этих измерений электроды водяного разрядника раздвигались на расстояние, не позволяющее осуществить пробой водяного разрядника. Принципиальная электрическая схема для проведения измерения полупериода перезаряда емкостей приведена на рисунке 4.3.16. Осциллограмма, иллюстрирующая процессы в измерительной цепи при проведении измерений, приведена на рисунке 4.3.26, На этой осциллограмме кривая 1 — сигнал напряжения, кривая 2 -токовый сигнал. 772 = я-VZC (1.3), где С =——— = -тт 0-4) - приведенная емкость. Измеренная в процессе эксперимента величина полупериода Т/2 составила 0,64мкс. Подставляя это значение в формулу 1.4, получаем С =12нФ. Зная величину приведенной емкости, можно определить значение емкости С2 С-С\ по формуле С2 = (1-5). Подставив значение приведенной емкости С = 12иФ в формулу 1.5, получаем С2=35нФ.
Оптимизация величины обостряющей емкости СЗ и зазора водяного искрового разрядника осуществлялась по получению максимальной энергии во вкладе в разряд. Величина обостряющей емкости определялась подбором конструкции емкости и варьировалась от ЗнФ до 15нФ.
