Экспериментальное и теоретическое исследование условий формирования активной среды в сверхзвуковом потоке сильноионизованной плазмы Макарычев, Сергей Владимирович

Введение к работе

" '' і

\ '' Л

Зтдєл _ 'Актуальность темы. В настоящее время наиболее мощными

ЛСЖзерами непрерывного действия (мощность генерации 10-10 Вт), применяемыми в промышленности и научных исследованиях, являются газодинамические лазеры (ГДЛ). Генерация в них осуществляется на оптических переходах между уровнями колебательной энергии молекул СОг,, а активная среда образуется в процессе охлаждения рабочего газа при течении через сверхзвуковое сопло. Возможность обеспечения при этом больших расходов газа способствует увеличению мощности ГДЛ. Сверхзвуковая прокачка активной среда используется и в мощных химических лазерах (ХЛ).

ГДЛ и ХЛ генерируют излучение инфракрасного диапазона (длины волн от -1.0 до 30 мкм). Актуальной задачей газодинамики и квантовой электроники является поиск путей создания мощных лазеров в болев коротковолновой области спектра. Генерация излучения g длинами волн от 2-3 мкм до 1-Ю нм возможна при использовании в качестве активной среды сильноионизованной рекомбиниругащей плазмы. Лазеры, в которых рекомбинационно неравновесная плазма создается, в процессе газодинамического охлаждения при сверхзвуковом расширении, получили назвонив плазмодинамических лазеров (ПДЛ)- По существу они являются аналогами ГДЛ в коротковолновой области спектра. Однако в настоящее время ЦДЛ, аналогичный СО^-ГДД по выходным характеристикам и технической отработке, еще не создан.

Основная часть работ данного направления била посвящена изучению струй плазмы элвктродуговых источников (плазмотронов).Получаемая в них плазма являлась в большинстве случаев слабоионизованной. Сильноионизованнвя плазма с начальной температурой (2-5) 10. содержащая ионы кратности 2-4, доступна импульсным газодинамическим источникам. Однако экспериментального исследования лазерно активных сред данного типа практически нэ проводилось. Вопрос о приводящих к инверсии механизмах нэравновесности в потоке сильноионизованной плазмы через сверхзвуковое сопло теоретически недостаточно проработан.Численные расчеты течений плазмы в соплах ограничены, в основном, случаем малой степени ионизации. Выяснение условий получения усиления на

ионных переходах в сильноионизованных струях плазмы газодинамических источников является в настоящее время актуальной задачей.

Цвль5_рабдты являлось теоретическое и экспериментальное исследование условий формирования активных сред видимого и ультрафиолетового диапазона в потоке рекомбинирущвй плазмы через сверхзвуковое сопло. В качестве объекта экспериментального изучения использовались сильноионизованные струи плазмы ксенона импульсного газодинамического источника, содержащие ионы кратности от I до 3.

Научная_новизна. Теоретически обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность создания мощного импульсного шшзмодинамичвского лазера видимого и ближнего УФ диапазона с временем квазистациокарного действия 10 - 10 с на электронных переходах ионов различной кратности.

Г. Впервые разработан метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы в сверхзвуковом сопле, допускающий аналитическое исследование основных видов неравновесности: температурной, рекомбинационной и неравновесности распределения по возбужденным уровням. Основу метода составляет определение положения в сопле "точки замораживания", разделяющей ионизационно равновесный и замороженный участка течения плазмы.

2. Этим методом в области параметров плазмы, получаемой в
импульсных газодинамических источниках ( T_Q=3000-50000 К,
Р=10-ІСг Мїїа ) определены условия возникновения инверсной
заселенности возбужденных уровней, найдены области существования
инверсии и выполнены . расчеты, энергетических характеристик
активных сред. Изучена их зависимость от параметров плазмы и
конфигурации сопла.

3. Предложен новый метод измерения коэффициента усиления
излучения в импульсной плазменной струе, позволящий одновременно
(в одном импульсе) измерить опорный сигнал на заданной длине волны
и измерительный сигнал, прошедший через активнуш зону. Изучена
зависимость коэффициентов усиления и поглощения от начальных
параметров плазмы и выбора рабочего перехода в спектре
исследуемого вещества.

4. Впервые получено усиление излучения видимого диапазона в струе сильноионизованной плазмы импульсного газодинамического источника типа "ударная труба с соплом". Усиление получено в сине-зеленой области спектра на переходах ⁶Р^1/2~^бв^^рг/2 * ^{х =} = 0.5419 мкм) и 6p"²P_3/2-5d²D_5/2 ( х = 0.4973 мкм) иона ХеІІ.

Научная и практическая' ценность.

1. Полученные результаты позволяют утверздать, что при
создании в предсошювой камере плазмы с указанными в работе
параметрами торможения на выходе из сопла формируется активная
среда, способная генерировать лазерное излучение в широком
диапазоне длин волн от ближней Ж до ультрафиолетовой области
спектра. На оптимальных переходах инертных газов возможно
достижение следующих запасов мощности и коэффициентов усиления:

Р=870 Вт/см³, к=0.074 см^-1 на переходе х. = 0.3365 мкм Aril при параметрах торможения плазмы Т = 44000 К, Р =0.61 МПа;

Р=130 Вт/аг, к=0.006 см^-1 на переходе х = 0.2142 мкм Aril при Т₀= 38000 К, Р₀= 0.052 МПа;

Р=15 Вт/см^ , к = 1.2 см на переходе х = 0.6694 мкм ХеІІ при Т₀= 20000 К, Р₀= 0.028 МПа.

1. Предложенный метод измерения коэффициента усиления может использоваться для исследования усилительных свойств непрерывных и импульсных плазменных потоков с необходимой для практических целей точностью ( 0.005-0.012 см в зависимости от амплитуды сигнала).

2. Измеренная в эксперименте величина коэффициента усиления к = 0.04610.012 см на длине волны 0.5419 мкм и к = 0.028+0.010 см на длине волны 0.4973 мкм достаточна для получения квазинепрерывной лазерной генерации.

4. Разработанный метод расчета неравновесного течения сильноионизованной плазмы в серхзвуковом сопле может применяться для анализа и приближенного расчета параметров активных сред плазмодинамических лазеров, а также для обоснованного планирования экспериментальных и более детальных численных исследований данного направления.

Апробацияработы. Материалы диссертации докладывались и были одобрены на Всесоюзной конференций молодых ученых "Математическое

модвлирование задач газодинамики и пути повышения эффективности энергетических установок" (Новосибирск, апрель 1986г.), на Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, сентябрь 1986г.). на УТ Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, сентябрь 1986г.), на X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, октябрь 1988г.), на III Всесоюзном совещании "Физика и газодинамика ударных волн" (Владивосток, октябрь 1989г.), а также на заседаниях подсекции совета Института механики МГУ по физико-химической газодинамике.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структу_ра_и_дбъвм_работы. Диссертация состоит из введения и четырех основных глав разделенных на 16 параграфов. В заключении сформулированы теоретические и экспериментальные выводы работы. Диссертация содержит 165 страниц машинописного текста, в том числе 54 рисунка на 54 страницах и список литературы на 9 страницах, включающий 103 наименования. Приложение ('II страниц)

СОДерЖИТ СХвМЫ ЭНВрГеТИЧеСКИХ уровней аТОМОВ И ИОНОВ Call, Mgll, Aril, АгІІІ, ХеІІ, ХеІІІ, Arl, Xel, Неї, Mgl, Cal, на которых показаны переходы, исследованные в данной работе.. Общий объем диссертации 176 страниц.