Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления развития электроразрядных ЭУФ лазеров 12
1.1. Коротковолновый спектр электромагнитного излучения и основные подходы к созданию лазеров ЭУФ диапазона 12
1.2. ЭУФ лазеры на плазме многократно ионизованных ионов, получаемых в капиллярных разрядах 19
1.3. Импульсные системы питания ЭУФ лазеров и их согласование с параметрами капиллярных разрядов 23
1.3.1 Импульсные источники на основе конденсаторов 23
1.3.2 Импульсные источники на основе длинных линий 35
1.3.3 Импульсные источники на основе плазменных размыкателей 51
1.3.4. Импульсные источники на основе магнитных ключей 53
1.4. Постановка цели и задач диссертационной работы 55
Глава 2. Разработка и исследование высоковольтных импульсных генераторов 58
2.1. Наносекундные генераторы высоковольтных импульсов на линиях с жидким диэлектриком 60
2.2. Наносекундные генераторы на магнитных ключах 65
2.3. Многоканальный генератор высоковольтных импульсов на базе ДФЛ с бумаго-масляной изоляцией 69
2.4. Численное исследование процессов формирования высоковольтных импульсов 79
2.5. Коаксиальный обостритель импульсов на основе скользящего разряда.88
2.6. Выводы 93
Глава 3. Разработка и численное моделирование полномасштабного источника коротковолнового излучения 95
3.1. Полномасштабный ЭУФ источник 96
3.2. Численное моделирование генератора с длинной транспортирующей линией на постоянную нагрузку 109
3.3. Численное моделирование капиллярного разряда на основе «снежного плуга» с учетом импульсной системы питания 116
3.4. Выводы 120
Глава 4. Модельный электроразрядный источник излучения. Скользящий разряд 121
4.1. Экспериментальное исследование зависимости времени пробега волны скользящего разряда от давления газа и зарядного напряжения генератора 122
4.1.1 Экспериментальное моделирование капиллярных разрядов на атмосферном воздухе 122
4.1.2 Экспериментальное моделирование капиллярных разрядов в аргоне при пониженных давлениях 129
4.2. Аналитическое исследование распространения бегущей волны скользящего разряда, сравнение с экспериментом ; 134
4.3. Численное моделирование работы капиллярной трубки со схемой замещения в виде искусственной коммутируемой линии с обостряющей и без обостряющей емкости на постоянную нагрузку... 137
4.4 Выводы 146
Глава 5. Электроразрядные источники излучения. Основной разряд 148
.5.1. Оптические исследования разряда на модельном источнике в видимом диапазоне спектра 148
5.2. Исследование жесткого рентгеновского излучения методом фолы...161
5.3. Исследование мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового излучения 167
5.4. Испытание полномасштабного источника ЭУФ излучения 172
5.5. Выводы 178
Заключение 179
Литература
- ЭУФ лазеры на плазме многократно ионизованных ионов, получаемых в капиллярных разрядах
- Многоканальный генератор высоковольтных импульсов на базе ДФЛ с бумаго-масляной изоляцией
- Экспериментальное моделирование капиллярных разрядов в аргоне при пониженных давлениях
- Испытание полномасштабного источника ЭУФ излучения
Введение к работе
Использование быстрых электрических капиллярных разрядов для получения неравновесной плазмы многозарядных ионов является одним из основных путей создания компактных и недорогих источников когерентного, частично когерентного и некогерентного экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения [1]. Под термином компактный источник понимается прибор, размещаемый на оптическом столе {tableop). Необходимая для различных применений степень когерентности определяется соотношением длины капилляра и расстоянием, на котором происходит насыщение интенсивности волны излучения.
Импульсно-периодический источник некогерентного ЭУФ излучения на коротком капилляре (/ 1см) успешно развивается в Японии для целей проекционной литографии на длине волны 13.5 нм в качестве альтернативы лазерно-создаваемому источнику [2]. Настоящая диссертационная работа связана с развитием компактных частично когерентных и полностью когерентных источников ЭУФ излучения (лазеров) на основе длинных капилляров, что является значительно более трудной задачей. Впервые возникновение лазерной генерации на переходе 3p-3s Ne-подобного аргона (X = 46.9 нм) в источнике на капиллярных разрядах было зарегистрировано исследовательской группой под руководством J. Rocca в 1994 г. в Колорадском Государственном Университете (КГУ), США [3]. В процессе исследования и развития этого лазера энергия генерации была доведена до рекордной в мире величины 0,88 мДж, а средняя мощность до 3,5 мВт при частоте повторения импульсов до 4 Гц [4-6]. Причем было детально исследованы лазерные свойства излучения (расходимость, пространственная когерентность, поляризованность) [7]. На более компактном лазере была достигнута рекордная частота повторения импульсов 14 Гц при выходной энергии 30 мкДж [8].
Усилия американских ученых по развитию ЭУФ лазеров на капиллярных разрядах были подхвачены в Италии, в Университете Л Акуила [9], Японии, в Токийском Технологическом Институте [10], Чехии, в Институте Физики Плазмы Чешской Академии Наук [11] и других странах. Наибольшие успехи были достигнуты итальянскими учеными, которые на неоно-подобных ионах аргона получили лазерную энергию в импульсе до 300 иДж при хорошем качестве излучения, используя умеренные разрядные токи.
Проведенные исследования лазерных характеристик показали, что подобные устройства позволяют получать ЭУФ излучение с расходимостью менее 5 мрад, с круговой поляризацией и полной пространственной поперечной когерентностью в пределах луча. Это дало возможность успешно продемонстрировать их применимость во многих областях науки, в том числе для интерферометрической диагностики плотной плазмы в термоядерных и прикладных исследованиях при фокусировке лазерного луча на мишени [12, 13]. Доказана применимость ЭУФ лазеров для интерференционной литографии в наноэлектронике [14], для измерения оптических констант [15], для абляции различных материалов [16], для определения характеристик мягкой рентгеновской оптики [17] и т.д.
В то же время эффективность подобных лазеров оказывается чрезвычайно низкой {rj 10"5), что приводит к энергетической перегрузке и, соответственно, к малому времени жизни капиллярных трубок, недопустимому для практических применений. Эта проблема усугубляется при продвижении в сторону более коротких длин волн, требующих еще более высоких удельных мощностей накачки. При создании импульсных систем питания капиллярных разрядов обычно используются генераторы наносекундных высоковольтных импульсов, в разработке которых накоплен богатый опыт в области сильноточной электроники рядом научных центров, в том числе НИИЭФА. В некоторых экспериментах по ЭУФ лазерам этот опыт использовался буквально напрямую, когда сильноточные электронные ускорители модернизировались путем замены вакуумных диодов на капиллярные нагрузки, что не принесло больших успехов. Целесообразнее, используя этот опыт, создавать компактные импульсные системы питания согласованно с капиллярными нагрузками с тем, чтобы минимизировать неиспользованную в процессе накачки активной среды часть первоначально запасенной энергии и увеличить таким образом эффективность источников излучений и срок службы трубок. На решение этой проблемы направлена данная диссертационная работа, что подтверждает ее актуальность.
Актуальность работы подтверждается также тем, что она выполнялась по Проекту Международного Научного Технологического Центра МНТЦ 0991 «Физика и техника формирования рисунка нанометрового масштаба больших интегральных схем на основе взаимодействия интенсивного ЭУФ излучения с веществом», поддержанного японской стороной.
Цель работы
Основной целью работы является создание компактного импульсного источника ЭУФ излучения на основе малогабаритного многоканального генератора высоковольтных импульсов, длинной транспортирующей кабельной линии и малоиндуктивной капиллярной нагрузки, а также проведение модельных численных и экспериментальных исследований, подтверждающих работоспособность общей концепции источника излучений.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
• разработать и промоделировать компактный многоканальный генератор наносекундных высоковольтных импульсов на основе двойной накопительно-формирующей искусственной линии с бумаго-масляным диэлектриком, коммутирующего рельсового газового разрядника с искажением электрического поля и обостряющего газового коммутатора;
• разработать и испытать малоиндуктивную конструкцию подсоединения транспортирующих кабелей к капиллярной нагрузке с тесным расположением обратного коаксиального токопровода, оставляющей свободными оба торца трубки для диагностических и технологических целей; • исследовать на модельном однокабельном источнике эффективность предварительной ионизации газа в капилляре с помощью бегущей волны скользящего разряда;
• исследовать на модельном источнике электрофизические и излучательные характеристики основного разряда, возникающего при достижении бегущей волной скользящего разряда выходного электрода;
• провести испытания полномасштабного источника ЭУФ излучения, доказывающего его работоспособность и правильность выбранного направления.
Научная новизна
1. Впервые разработан и создан компактный электроразрядный источник ЭУФ излучения на базе генератора высоковольтных импульсов, в котором использована малогабаритная двойная накопительно-формирующая искусственная линия с бумаго-масляным диэлектриком, допускающая зарядку непосредственно от выпрямителя умеренно высокого напряжения ( 100 кВ). 2. Впервые в системе импульсного питания источника во избежание влияния отраженных волн на процесс накачки активной среды кроме ДФЛ использована длинная транспортирующая линия с длительностью двойного пробега волны напряжения, превышающей длительность высоковольтного импульса (ти =100 не). 3. Впервые разработан токосборный узел источника с восемью кабельными высоковольтными разъемами, выдерживающими импульсное напряжение до 200 кВ и оставляющий свободными оба торца капиллярной трубки для диагностических и технологических целей. 4. Впервые для импульсных ЭУФ источников реализована рабочая схема, в которой предварительная ионизация активной среды производится бегущей волной скользящего лавинного разряда при напряжении, примерно равном двойному напряжению падающей волны (режим разомкнутой линии), а основной разряд накачки осуществляется при токе, стремящемся к двойному току падающей волны (режим короткого замыкания).
5. Впервые разработана модель малоиндуктивной капиллярной нагрузки в виде искусственной линии, звенья которой соответствуют усредненной глубине проникновения электрического поля в капилляр вдоль его оси. В звенья включены коммутаторы, запускаемые последовательно в соответствии с движением волны лавинного разряда вдоль капилляра. 6. Экспериментально и численно показано влияние фазы скользящего разряда на обострение тока основного разряда. 7. Впервые получен лазерный эффект на полномасштабном малоиндуктивном источнике на неоно-подобном аргоне (длина капилляра 10 см). При этом использовались бегущая волна скользящего разряда для предварительной ионизации газа в пристеночной области трубки и основной z-разряд для столкновительной ионизационной накачки активной среды.
Практическая значимость работы
1. Исследования основного разряда в модельном источнике излучения при изменении давления газа на шесть порядков показали, что малоиндуктивный капиллярный разряд представляет универсальный источник коллимированного излучения, от мягкого рентгеновского до видимого красно-оранжевого диапазонов, включая ЭУФ. Перестройка источника на нужный диапазон спектра достигается простым изменением начального давления газа. Этот результат может быть использован при создании много-диапазонного источника коллимированного излучения для биофизики, бактериологии и других областей науки.
2. Использование созданного компактного полномасштабного источника когерентного излучения на неоно-подобном аргоне с длиной волны генерации 46.9 нм предусмотрено для проведения демонстрационных экспериментов совместно с ФИ АН по ЭУФ проекционной микроскопии биологических и наноэлектронных объектов с субмикронным разрешением.
3. Становится возможной разработка более коротковолнового, 13.4 нм ЭУФ лазера на водородо-подобном азоте с использованием опыта разработки малоиндуктивного капилляра, запитываемого от импульсного генератора, содержащего искусственную накопительно-формирующую линию с бумаго-масляным диэлектриком.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты разработки компактного источника коротковолнового излучения на основе высоковольтного наносекундного генератора, содержащего компактную двойную накопительно-формирующую искусственную линию с бумаго-масляным диэлектриком, длинной транспортирующей линии и малоиндуктивной капиллярной нагрузки с радиально расположенными кабельными разъемами. 2. Методика моделирования и оптимизации переходных процессов, происходящих при запитывании малоиндуктивной капиллярной нагрузки от импульсного генератора через длинную транспортирующую линию с учетом параметров капиллярной нагрузки, представленной в виде искусственной коммутируемой специальным образом линии. 3. Результаты экспериментального исследования зависимости времени распространения бегущей волны скользящего лавинного разряда вдоль капилляра от начального давления газа при изменении его от 0.001 до 1000 Торр. 4. Результаты оптических исследований основного разряда в модельном однокабелъном источнике от давления газа и напряжения в падающей волне. 5. Результаты испытания полномасштабного источника ЭУФ излучения на неоно-подобном аргоне.
Апробация работы и публикации
Основные положения работы докладывались и обсуждались на восьми международных научных конференциях:
Pulsed Power Plasma Science Conference PPPS-2001 (June 17-22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA); 25h Intern. Power Modulator Symposium and 2002 High-Voltage Workshop (2002, Hollywood, California, USA); 9h Intern. Conference on x-ray lasers ICXRL-2004 (23 - 28 May 2004, Beijing, China); 15h Intern. Conf. on high power particle beams BEAMs-2004 (18-24 July, 2004, St.-Petersburg, Russia); XX Международная конференция «Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом» (28 февраля - 6 марта 2005 г., п. Эльбрус, Россия); Pulsed Power Conf., РРС-2005 (July 13-18, 2005, Monterey, USA); International Conferences "Micro- and nanoelectronics - 2003 and 2005" (October 6-10, 2003; October 3-7,2005, Zvenigorod, Moscow region, Russia), а также опубликованы в 14 работах.
Структура и объём работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём работы - 198 страниц.
Во введении показана актуальность темы работы, сформулированы ее основная цель, научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.
В первой главе представлен обзор известных и возможных применений электроразрядных источников коротковолнового ЭУФ излучения, основных направлений развития ЭУФ лазеров. Проанализированы преимущества и недостатки используемых схем высоковольтного импульсного питания электроразрядных источников коротковолнового излучения. Этот анализ позволил сформулировать основную цель работы, задачи разработки и наметить основной подход к ее выполнению.
Во второй главе представлены результаты разработки и исследования многоканального генератора высоковольтных импульсов на основе искусственной ДФЛ с бумаго-масляной изоляцией, разработанной и изготовленной в Санкт-Петербургском Техническом Университете на кафедре ТВН. По результатам численного моделирования переходных процессов в эквивалентной схеме генератора в согласованном режиме и режиме холостого хода проведена оптимизация элементов газовых разрядников и ошиновки генератора.
В третьей главе дано описание основных технических и конструкторских решений, принятых при разработке полномасштабного источника коротковолнового излучения. Приведены результаты численного моделирования при работе импульсной системы питания, как на постоянную капиллярную нагрузку, так и на капиллярный разряд, описываемый моделью «снежного плуга».
В четвертой главе содержатся сведения о разработке и исследованиях одноканального модельного электроразрядного источника, на котором проводились эксперименты по исследованию процессов формирования и распространения скользящего разряда в капилляре при различных давлениях рабочего газа и зарядного напряжения наносекундного генератора. Приведены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных времени распространения лавинного разряда, а также численного исследования вопросов согласования капиллярной нагрузки с передающей линией.
В пятой главе представлены результаты исследований излучательных характеристик плазмы модельного капиллярного разряда в широком диапазоне изменения давления аргона, а также результаты испытания полномасштабного источника излучений.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
ЭУФ лазеры на плазме многократно ионизованных ионов, получаемых в капиллярных разрядах
Современное состояние разработок и исследований ЭУФ лазеров капиллярного типа отражено в таблице 1.1. Как можно видеть, лидирующее положение продолжает занимать Колорадский государственный университет. Созданные там компактный настольный {tableop) лазер на неоно-подобных ионах аргона с рекордной выходной энергией 0.88 мДж на длине волны 46.9 нм [6] и сверхкомпактный лазер, размещающийся буквально на доске {deskop), с рекордной частотой повторения импульсов 14 Гц [8] остаются пока недосягаемыми для исследователей из других научных центров. Это говорит о том, что подобные лазеры остаются скорее предметом искусства, чем научно-технологическим объектом для повторения.
Группа Дж Рока продолжает развивать ионизационный режим накачки, сопровождающийся электронно-столкновительным возбуждением верхних лазерных уровней в процессе z-пинча. Их попытки продвинуться в сторону более коротких длин волн привели лишь к демонстрации того, что данный механизм способен к созданию более высокоионизованных ионов. Так, потребовались 200 кА разрядные токи, чтобы получить пятнадцатикратно ионизованные ионы аргона Аг+15 [25]. Дело в том, что с уменьшением длины волны генерации необходимая удельная мощность накачки резко возрастает, а эффективность преобразования запасаемой в генераторах электрической энергии в тепловую и потенциальную энергию инвертируемой среды падает. Это приводит к необходимости увеличения запасаемой энергии, что сокращает срок службы капиллярных трубок и усложняет эксплуатацию подобных источников.
В мире ведутся интенсивные экспериментальные и теоретические поиски новых квантовых переходов в многозарядных ионах, которые были бы более эффективными для генерации коротковолнового излучения. В КГУ создана электроразрядная установка с трехступенчатым обострением мощности, которая позволила поднять ее величину на два порядка по сравнению с рассмотренными выше установками и получать в 200 кА разрядах с 1 нарастанием тока (1 - 4)-10 А/с плазму на ионах аргона с кратностью ионизации до 15 включительно [25].
Началось практическое изучение изоэлектронного ряда никеле-подобных ионов, который лучше масштабируется в сторону меньших длин волн, чем неоно-подобные ионы. Успешно проведены спектральные исследования плазмы на никеле-подобном кадмии Cd20+ (13.2 nm) [20], рассматриваются ионы Ni-like Ag19+ (13.9 nm) и Ni-like Pd18+ (14.65nm), но, к сожалению, они требуют интенсивных источников паров металлов. Эта работа открыла также те проблемы, которые придется решать в ближайшем будущем при развитии коротковолновых лазеров на никеле-подобных ионах, и в первую очередь, низкая эффективность использования первично запасаемой энергии и отсюда низкая стойкость довольно индуктивных капиллярных трубок в сверхсильноточных разрядах.
В этих условиях чрезвычайно важно рациональное использование вводимой мощности для достижения более высокой эффективности лазеров. К сожалению, до сих пор нет работ по целенаправленному регулированию вводимой мощности или, хотя бы по теоретическому исследованию таких возможностей.
В области создания рекомбинационных ЭУФ лазеров, основанных на получении инверсии населенностей активной среды путем трехчастичной столкновительной рекомбинации и радиационного опустошения нижних уровней, после достаточно успешных опытов с водородо-подобными ионами углерода, прогресса нет. Хотя в них и получен высокий коэффициент усиления g = 2.8 см"1, но фактор gL 5 недостаточен для эффективной работы лазеров. То, что коэффициент усиления не сохраняется в длинных капиллярах, говорит о неоднородности разряда по длине с теплопроводностным охлаждением.
Возникла ситуация, когда необходимы новые свежие идеи по сверхбыстрому охлаждению электронов в высокотемпературной электроразрядной плазме для реализации этого механизма.
Своеобразием требований к импульсным системам питания ЭУФ лазеров является необходимость получения токов до 200 кА при времени нарастания от десяти до нескольких десятков не в довольно индуктивных капиллярных нагрузках. Последнее вытекало из того, что для проникновения статического поля вглубь капилляра и электрического пробоя длинного промежутка для формирования предварительной плазмы, диаметр обратного токопровода существенно превышал внутренний диаметр изоляционной трубки. Эта проблема решалась различными путями в зависимости от целей и параметров лазеров.
Университет, США, опубликованы результаты пионерских исследований капиллярного разряда для генерации излучений в диапазоне мягкого рентгена [26]. В качестве импульсного источника объемного разряда использовался конденсатор радиального исполнения емкостью 3 нФ с жидким диэлектриком (этиленгликоль) (Рис. 1.5а). Для зарядки конденсатора использовался многокаскадный генератор Маркса с выходным напряжением 700 кВ. Напряжение импульсного конденсатора коммутировалось газонаполненным (SFe) разрядником, установленным между высоковольтным электродом линии и капилляром. Разрядная цепь импульсного источника имеет достаточно низкую индуктивность. Максимальная амплитуда тока первого полупериода в капилляре (Рис.1.5Ь) составляет 60 кА при фронте 13 не и длительности на полувысоте 28 не. Тем не менее, как видно из рисунка, ток имеет синусоидальную форму.
Для предварительной ионизации газа использовался импульсный генератор, который формировал в капилляре ток с амплитудой 20 - 40 А и длительностью 2 мке непосредственно перед основным разрядом. Эксперименты проводились с капиллярами длиной 1 или 5 см и диаметром 1.5 или 2.5 мм из полиацетала (СН20)п и тефлона. Внутренний объем капилляра предварительно откачивался до 2-Ю 5 Торр и затем заполнялся аргоном.
Ток контролировался поясом Роговского, установленным в обратном токопроводе разрядной цепи на выходе капилляра. В диапазоне токов между 20 и 60 кА были зарегистрированы наиболее интересные линии ArX - ArXIV с длинами волн в диапазоне (150 - 193)А, что соответствует диапазону мягкого рентгеновского излучения (15.0 - 19.3) нм. Давление аргона в капилляре составляло 100 Па (0.75 Торр).
В последующем на этом источнике проводились эксперименты с капиллярами, имеющими увеличенные размеры: длина до 12 см, диаметр 4 мм [4]. В связи с увеличением размеров капилляра увеличилась индуктивность разрядного контура и амплитуда разрядного тока составляла 40 кА, при длительности на полувысоте 60 не и фронте 20 не. Для предыонизации также использовался импульсный источник напряжения с амплитудой тока 10 А и длительностью несколько микросекунд. Капилляр заполнялся аргоном или его смесью с водородом, при давлении 0.2 - 0.32 Торр. В процессе экспериментов было зарегистрировано насыщение в линии с Я = 46,9 нм Ne - подобного аргона. Усиление составило 0.6 см"1 для длины 120 мм (gl = 7.2). Следует отметить, что авторами достигнуты пионерские результаты по генерации излучения с длиной волны Я = 46,9 нм.
Развитие этого лазера привело к созданию еще более компактного и транспортабельного неоно-подобного аргонового лазера (Рис. 1.6) (так называемый deskop) [8].
Многоканальный генератор высоковольтных импульсов на базе ДФЛ с бумаго-масляной изоляцией
Что касается более компактных ЭУФ источников излучений, то наиболее перспективными генераторами высоковольтных импульсов для них являются генераторы, в которых используются искусственные накопительно-формирующие линии высокого напряжения, выполненные по технологии, применяемой при изготовлении секций импульсных малоиндуктивных конденсаторов. Впервые такие линии, разработанные совместно кафедрой ТВН СПбГТУ и НИИЭФА, были использованы для питания крупно-апертурных эксимерных лазеров с электронно-пучковой накачкой [60]. В качестве изоляции в секциях линий используется полипропиленовая пленка {є = 2.25єо, tg8= 2Л0Ґ) или ее сочетание с конденсаторной бумагой (є= 2.9Єо, tgS= 2-Ю"2), а также бумажная изоляция на основе конденсаторной бумаги (є=5.5єо, igS = 4-Ю") с пропиткой маловязким жидким диэлектриком (конденсаторное или касторовое масло) [61].
Разработки таких линий, но более компактных, на меньшие запасаемые энергии и более короткие длительности импульсов ( 100 не) на кафедре ТВН продолжались [62]. В связи с высокими удельными энергетическими свойствами используемой изоляции, искусственные накопительно-формирующие линии обладают высокими массо-габаритными характеристиками. Такие линии позволяют формировать импульсы напряжений с достаточно коротким фронтом и плоской частью вершины. Существующая технология позволяет обеспечить необходимую прочность изоляции при формировании импульсов напряжения с амплитудами 100 кВ и длительностью десятки и сотни наносекунд при волновом сопротивлении линий единицы Ом. На основе таких линий был разработан многоканальный генератор высоковольтных импульсов, исследованы его характеристики [63]. Используемая в генераторе ДФЛ достаточно компактная, ее размеры: 290x120x232 мм.
В процессе разработки многоканального генератора широко использовалось численное моделирование электростатических полей в наиболее напряженных высоковольтных узлах конструкции генератора. Расчеты проводились по программе "ELCUT" алгоритм которой построен на моделировании краевых задач методом конечных элементов. Интерактивный графический процессор программы позволяет в режиме графического редактирования задать геометрию расчетной области и автоматически триангулирует области произвольной формы. Программа позволяет решать плоские и осесимметричные задачи. По расчетам электростатических полей выполнена оптимизация электродной системы газовых разрядников генератора.
В результате численного моделирования переходных процессов в схеме формирования высоковольтных импульсов генератора при разных нагрузках определены требования к индуктивности элементов ошиновки разрядников. Численным моделированием определено влияние дополнительной емкости, установленной на выходе генератора, на амплитуду импульса формируемого напряжения. Для дополнительного обострения фронта высоковольтного импульса напряжения разработана конструкция макета кабельного обострителя на основе скользящего разряда.
На рисунке 2.8. представлена схема искуственной формирующей линии, для упрощения рисунка изображена только одна линия. ДФЛ состоит из двух таких линий, каждая из которых содержит в себе четыре симметричных LC Рис. 2.8. Схема расположения формирующей линии с использованием индуктивности соединительных шин в качестве основной: 1 - секции; 2 - выводы секции; 3 - соединительные шины; 4 - выводы линии; 5 - сопротивление нагрузки; 6 - малоиндуктивный коммутатор. секции с параметрами: L0 = 50 нГ, Со = 3.12 нФ, р0 = 4 Ом и рассчитана на зарядное напряжение до 100 кВ. При работе на коротко замкнутую нагрузку допускается смена полярности напряжения на выходе линии без значительного снижения ее ресурса. Секции линии выполнены по технологии изготовления импульсных конденсаторов путем намотки двух фольговых обкладок и двух слоев изоляции, пропитанной касторовым маслом [61]. Линия состоит из нескольких ячеек, каждая из которых представляет собой пакет соединенных последовательно секций. Ячейки помещены между двумя плоскими шинами, индуктивность которых используется в качестве основной формирующей индуктивности. У каждой ячейки имеется активное сопротивление, состоящее из активного сопротивления фольги и сопротивления, эквивалентного потерям в диэлектрике при воздействии импульсного напряжения. Электрические параметры линии: емкость Сл и индуктивность Ьл определяются тр ебованиями к длительности формируемого импульса Ти и сопротивлению нагрузки RH: Сл= - и 4=—. (2-9) л 2RH л 2
Диэлектрическая проницаемость изоляции є находится в пределах 3 ч- 5. Известно, что длина секции связана с длительностью формируемого импульса и скоростью распространения волны соотношением г = 21 Jи, где v = cl sjl.
Рабочая напряженность в диэлектрике линии составляет 80 -f 100 кВ/см. При оптимальной толщине диэлектрика секций dc = 50 -г 60 мкм и рабочей напряженности Ераб =100 кВ/см напряжение на секции достигает 5 кВ.
Процессам формирования импульсов напряжения с применением искусственных формирующих линий уделено большое внимание. Так в работе [64] представлены результаты исследования переходных процессов в импульсных модуляторах, в которых для формирования импульса на нагрузке используется искусственная линия. Даны основные соотношения для расчета длительностей фронта импульса //ф, спада вершины импульса Au/U и спада напряжения tic при работе линии на различную нагрузку.
Экспериментальное моделирование капиллярных разрядов в аргоне при пониженных давлениях
При исследовании процессов формирования импульсов использовалась схема замещения генератора с сосредоточенными параметрами (Рис. 2.10). Численное моделирование переходных процессов в электрических схемах замещения проводилось с использованием графического редактора "PSpice Schematics Version 9.2" входящего в программный комплекс "OrCAD v. 9.2" 2000 г., который предназначен для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналогово-цифровых устройств.
В состав расчетной схемы были включены следующие элементы: разрядник S1 с межэлектродными емкостями С1, индуктивность ошиновки L1, двойная формирующая линия, индуктивность ошиновки L2, разрядник S2 с межэлектродными емкостями С2, зарядное сопротивление Rch и обостряющая емкость СЗ, включенная на выходе генератора перед разрядником S2. В процессе численных исследований определялось влияние индуктивностей ошиновки и обостряющей емкости на фронт формируемого импульса напряжения при работе генератора в режиме холостого хода и работе на согласованное сопротивление. Проведена оценка индуктивностей ошиновки Ы, L2 и разрядников SI, S2, а также времени коммутации разрядников. Для уменьшения индуктивности соединения выводов формирующей линии с разрядниками выполнены плоскими шинами (Рис. 2.11) с изоляцией из полиэтиленовой пленки (120 мкм) с общей толщиной 1 мм.
В связи с тем, что соединения имеют сложную конфигурацию, для приближенного расчета индуктивностей была использована схемы замещения разрядных цепей в виде треугольных контуров 1 и 2, расчет которых проводился по формуле [67]:
Плоская медная ошиновка заменялась с учетом скин-слоя проводниками радиусом г 0.15-10"3 м, число которых для пускового разрядника S7 определялось количеством пазов на управляющем электроде, а для разрядника S2 - количеством кабелей нагрузки. Визуальный контроль числа разрядных каналов проводился по следам эрозионных пятен после нескольких срабатываний генератора, количество каналов изменялось в пределах 8 -=- 12. Индуктивность Ы и L2 составила 16 -г- 30 и 28 -f 40 нГн, соответственно. В индуктивность L2 входит индуктивность кабельных разделок. Следует отметить, что для более точного расчета площади и периметра сложного разрядного контура целесообразно использовать графический метод с использованием компьютерной программы «AUTOCAD».
В качестве аналогов разрядников S1 и S2 в расчетной схеме используются "открытые ключи" с сопротивлением в открытом состоянии порядка МО6 Ом и в закрытом состоянии порядка 4-Ю" Ом. Как известно, время включения газового разрядника (ключа) состоит из статистического времени запаздывания, определяемого как время между моментом приложения напряжения, достаточного для пробоя промежутка, и появлением «эффективного» электрона, и времени формирования искрового разряда. Выражение для статистического времени запаздывания ton, в общем случае, имеет вид [68]: К"о -=-zrr С2-18) где W - вероятность того, что каждый из щ электронов создаст лавину, способную вызвать разряд. При стримерном характере пробоя время статистического запаздывания зависит также и от вероятности Шш: t =—I—. (2.19)
Статистическое время запаздывания находится в прямой зависимости от интенсивности ионизации газового промежутка или интенсивности его облучения. В нашем случае разряд инициируется электронами, создаваемыми катодом разрядника в результате автоэлектронной эмиссии. При напряженностях поля близких к 105 В/см и более автоэлектронная эмиссия является основным источником первичных электронов [50]. С ростом напряженности электрического поля время формирования разряда сокращается. В статическом режиме максимальная напряженность электрического поля на основных электродах разрядника S1 составляет 57 кВ/см.
При подаче управляющего напряжения напряженность на среднем электроде достигает 715 кВ/см. После срабатывания пускового разрядника на выходе двойной формирующей линии возникает напряжение с амплитудой до 200 кВ, при этом напряженность электрического поля на основных электродах разрядника достигает 130 кВ/см. Как правило, при расчетах переходных процессов ten, не учитывается.
При многоканальной коммутации время спада напряжения в разряднике S1 можно определить как сумму двух составляющих: TZ = VL+TR, где тьи тя индуктивная и резистивная компоненты спада [69]. Такая оценка времени коммутации применяется для многоканального разрядника с резко неоднородным полем. Индуктивная составляющая определяется по формуле TL = LINR, где L -индуктивность одного канала, Гн, N- количество каналов, R - импеданс генератора, Ом. Индуктивность канала для случая проводника длиной d и радиусом г, присоединенного к диску радиусом Ь, находится из выражения L = 2-\0 9d\n(b/r). Радиус канала искры г много меньше радиуса электрода Ь и поэтому мало влияет на величину логарифма и, соответственно, на точность определения индуктивности канала.
Резистивную компоненту TR можно рассчитать по формуле: где d -длина зазора, см, р/ро -отношение плотности газа к плотности воздуха при нормальной температуре и давлении, Ео - пробивная напряженность электрического поля в единицах 10 кВ/см. В расчетах принято давление азота в разряднике 4 кг/см . Расчетное время коммутации разрядника S1 составляет примерно 2 -f 3 не. Для разрядника S2 расчетное время коммутации составляет около 4 не. В расчетах использовались измеренные величины емкостей С1 и С2 разрядников, составляющие порядка 9.6-10"12 Ф.
На рисунке 2.16.а представлена расчетная зависимость длительности фронта tr выходного напряжения генератора при работе в режиме холостого хода (R = Rch = 2.4 кОм) и на согласованную нагрузку (8 Ом) от значения индуктивности ошиновки Ы (20 -f 60 нГн). Индуктивность L2 при этих расчетах не учитывалась. Следует отметить, что длительность фронта напряжения практически не зависит от длительности времени срабатывания {ttran - 2 -г 10 не) разрядника S1 для каждого фиксированного значения индуктивности.
Испытание полномасштабного источника ЭУФ излучения
Разработан полномасштабный источник ЭУФ излучения для проведения поисковых исследований, связанных с созданием эффективного электроразрядного источника капиллярного исполнения. Первичным накопителем энергии в источнике является 8-ми канальный наносекундный генератор на основе искусственной двойной накопительно-формирующей линии с бумаго-масляной изоляцией [60]. По сравнению с генераторами, основанными на использовании двойной формирующей линии с распределенными параметрами и очищенной водой в качестве диэлектрика, он отличается компактностью (отсутствует импульсная зарядка, сокращается линейный размер линии) и технологической простотой (нет необходимости в устройстве для очистки воды).
При максимальном зарядном напряжении 100 кВ в искусственной двойной накопительно-формирующей линии запасается до 120 Дж. Генератор обеспечивает на согласованной нагрузке (8 Ом) импульс напряжения с амплитудой до 100 кВ при длительности на полувысоте 100 не и длительности фронта 8 не. Принципиальная схема наносекундного генератора представлена на рисунке 2.10. Для запуска коммутирующего разрядника ДФЛ используется одноканальный тиратронный генератор. Оборудование генератора смонтировано в виде подвески на съемной крышке корпуса (Рис. З.1.). Такое размещение оборудования позволяет проводить ремонтно-профилактические работы с неполным сливом трансформаторного масла. Основные узлы генератора: 1 - ДФЛ; 2 - пусковой разрядник; 3 -обостряющий разрядник; 4 - импульсный трансформатор; 5 - разделительный конденсатор; 6 - высоковольтный омический делитель; 7 - зарядный резистор.
Структурная схема капиллярного источника ЭУФ излучения представлена на рисунке 3.2.
Многоканальный наносекундный генератор соединен с электроразрядным источником передающими кабельными линиями длиной Юме волновыми сопротивлениями 50 Ом. Это позволяет избавиться от влияния отраженных волн на плазменные процессы, происходящие в капилляре, а также разместить многоканальный и одноканальныи генераторы вдали от оптического стола, на котором находится источник излучения с диагностической аппаратурой, а также в дальнейшем объектом, подвергающимся воздействию излучения.
Кабельные линии 1 (Рис.3.2.) с помощью низкоиндуктивных вводов 2 соединены с дисковым токосборным коллектором (Рис. 3.3.) источника излучения.
Кабельные вводы расположены радиально относительно диска 4, что обеспечивает симметричный ввод энергии в коллектор. Следует отметить, что исполнение диска выполнено по аналогии с конструкцией, используемой в работе [73]. Внешний диаметр диска 145 мм, внутренний - 100 мм, толщина 30 мм. Оплетки кабелей соединены с внешним заземленным диском (электродом) 4, а жилы - с высоковольтным токосборным дисковым электродом 3 диаметром 70 мм и толщиной 30 мм. Изоляция между электродами выполнена также в виде диска из фторопласта 5. Высоковольтный электрод с двух сторон экранирован заземленными фланцами толщиной по 15 мм, между электродом и фланцами проложена пленочная изоляция из полиэтилена 6. По оси высоковольтного электрода установлен катод 7 и керамический капилляр 8 длиной 100 мм и диаметрами 5.5/10.5 мм. Анод 9 соединен с заземленным электродом обратным токопроводом 10 в виде цилиндра с внутренним диаметром 11 мм.
Катодный электрод капилляра имеет острую кромку в виде внутреннего конуса и отверстия, анодный электрод выполнен в виде трубки со скругленной кромкой, обращенной в сторону разряда. С другой стороны высоковольтного электрода установлена диагностическая изоляционная трубка 11 длиной 60 мм из вакуумной резины и индия. Для "сращивания" изоляционных элементов токосборника применяется также вакуумная резина. Отверстия в катоде и аноде используются для вакуумирования и заполнения внутреннего объема газом, а также регистрации излучения.
Для контроля разрядного тока капилляра используются пояса Роговского 13 и малоиндуктивные шунты, установленные в обратном токопроводе. Заполнение капилляра газом и создание необходимого вакуума (от 10 до 10 Торр) производится через камеру 14. Внешний диаметр камеры 75 мм, длина 60 мм. Эта же камера была смонтирована в модельном однокабельном источнике излучении, в котором проводилась регистрация излучения с использованием кварцевого стекла, различных фильтров и фотоэлектронных умножителей.
Разделительная диафрагма 15 выполнена из трех сменных дисков с различными диаметрами центральных отверстий и переменными расстояниями между ними. Она отделяет рабочий объем капилляра от диагностической камеры длиной 100 мм, в которой обеспечивается остаточное давление (10"4 -10"5) Торр. Для юстировки капилляра и измерительной аппаратуры параметров излучения используется сквозной канал по оси источника, образованный самим капилляром 8 и диагностической трубкой 11. Этот же канал предполагается использовать для прокачки рабочего газа при последующем выводе источника на работу в частотном режиме.
Токосборный коллектор с помощью регулируемой стойки и рейтера фиксируется на оптическом рельсе. Расстояние между рельсом и осью коллектора составляет 250 мм. Внешний образующий диаметр коллектора вместе с кабельными вводами - 320 мм. Длина источника излучения без вакуумной камеры составляет 200 мм, вместе с камерой - 230 мм.
