Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработка и исследование первого промышленного отпаянного саморазогревного лазерного АЭ на парах меди «кристалл-1» (ГЛ-201) с мощностью излучения более 10 ВТ 15
1.1. Основа конструкции отпаянного саморазогревного АЭ * 15
1.2. Конструкция, параметры и недостатки первого ЛПМ "Криостат- " с отпаянным саморазогревным АЭ ТЛГ-5 " 17
1.3. Конструкция, параметры и недостатки отпаянного саморазогревного АЭ УЛ-101 22
1.4. Выбор направлений развития промышленных отпаянныхсаморазо-гревных АЭ 23
1.5. Конструкция промышленного отпаянного саморазогревного АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) 24
1.5.1. Основные конструкционные узлы АЭ ГЛ-201 26
1.5.2. Выбор материала и конструкции разрядного канала 26
1.5.3. Генераторы паровмеди 31
1.5.3.1. Выбор материала подложки генератора 31
1.5.3.2.Выбор конструкции генератора 34
1.5.4. Конденсоры паров меди 38
1.5.5. Электродные узлы 40
1.5. б. Теплоизолятор 43
1.5.7. Вакуумная оболочка 47
1.5.8. Концевые секции 48
1.5.9. Технология тренировки АЭ 48
1.6. Основные параметры АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) 49
1.6.1. Зависимость выходных параметров от условий возбуждения и давления буферного газа 49
1.6.2.Долговечность АЭ 56
1.6.3. Сохраняемость АЭ 66
1.6.4. Конструкция АЭ «Кристалл-1» (ГЛ-201) — основа для создания нового поколения высокоэффективных и долговечных АЭ серии «Кристалл» (ГЛ-205А,Б,ВиГ) 67
Результаты и выводы 67
ГЛАВА 2. Влияние условий накачки, давления буферного газа и конструкции генераторов паров меди на кпд и мощность излучения ЛПМ 72
2.1.Сравнительный анализ эффективности накачки высоковольтного импульсного модулятора с разными электрическими схемами исполнения 72
2.2. Исследование характеристик ЛПМ с танталовыми генераторами паров меди отусловий накачки и давления буферного газа 81
2.3. Исследование характеристики ЛПМ со свободным расположением меди и с эльканатами состава W-Cu и Мо-Си в качестве генераторов паров меди с эффективной накачкой от давления буферного газа 88
2.4. Исследование характеристик ЛПМ с генераторами паров меди на молибденовой подложке от условий накачки и давления буферного газа... 93
2.4.1. Конструкция генератора меди, влияние водорода на эффективность его работы 93
2.4.2. Результаты исследований с прямой схемой накачки 94
2.4.3. Результаты исследований со схемой емкостного удвоения напряжения и звеном магнитного сжатия импульсов накачки 98
Результаты и выводы 105
ГЛАВА 3. Структура выходного излучения лпм и его пространственные, временные и энергетические харак теристики 108
3.1. Особенности формирования излучения ЛПМи цель исследований 108
3.2. Экспериментальные установки, методики и средства измерений 109
3.3. Структура и характеристики излучения ЛПМ в режиме сверхсветимости - без зеркал и с одним зеркалом 112
3.4. Структура и характеристики излучения ЛПМ с плоским и плоскосферическим резонаторами 114
3.5. Структура и характеристики излучения ЛПМ с HP телескопического типа 119
3.5.1. Многопучковость структуры излучения, распределение интенсив
ности в ближней и дальней зонах. Динамика формирования пучков излу
чения 120
3.5.2. Зависимость пространственных, временных и энергетических
характеристик от увеличения телескопического HP и условий возбужде
ния 126
3.5.3. Структура и характеристики излучения ЛПМ с телескопическим
резонатором с отверстием в центре «глухого» зеркала 132
3.6. Структура и характеристики излучения ЛПМ с одним выпуклым
зеркалом 133
3.6.1. Структура излучения. Распределение интенсивности в ближней и дальней зонах 134
3.6.2. Зависимость характеристик пучков излучения от радиуса кривизны выпуклого зеркала иусловий возбуждения 136
Результаты и выводы 145
ГЛАВА 4. Новое поколение высокоэффективных промышленных отпаян-ных саморазогревных аэ на парах меди «кристалл» с мощностью излучения 30-55 ВТ 148
4.1. Параметры, габаритные и присоединительные размеры, масса, внешний вид, и конструктивные особенности отпаянных АЭ серии «Кристалл» и «Кулон» 148
4.2 Конструкция АЭ «Кристалл» 154
4.3. Влияние водорода на эффективность работы отпаянных АЭ серии «Кристалл» 159
4.4. Зависимость мощности излучения АЭ «Кристалл» от давления буферно-го газа и ЧПИ 164
4.5. КПД отпаянных АЭ «Кристалл» 166
4.6. Отпаянные АЭ на парах золота. 168
4.7. Сравнительный анализ эффективности отпаянных лазеров с зарубежными аналогами 169
4.8. Годовой выпуск отпаянных АЭ и основные области применения 171
Результаты и выводы 173
ГЛАВА 5. ЛПМ с отпаянными аэ и их применение в медицинских и техно-логических установках 177
5.1. Одноканальный ЛПМ «Курс» (ЛГИ-202) с мощностью излучения 20-25 Вт 177
5.2. Двухканальный ЛПМ «Карелия» с мощностью излучения качественного пучка 20-40 Вт 182
5.3. Медицинские установки «Янтаръ-2Ф» и «Яхрома-2» 188
5.3.1. Медицинская установка «Янтарь-2Ф» 189
5.3.2. Медицинская установка «Яхрома-2» 194
5.4. Возможности излучения ЛПМдля прецизионной [микро]обработки и макет АЛТУ "Каравелла " 199
5.4.1. Возможности излучения ЛПМ для прецизионной [микро]обработки материалов 199
5.4.2. Исследования по прецизионной обработке на экспериментальном образце ЛПМ «Карелия» 202
5.4.3 АЛТУ «Каравелла» 206
5.4.3.1. Состав и основные параметры АЛТУ "Каравелла" 206
5.4.3.2. Влияние пространственно-временной и энергетической структуры излучения на параметры прецизионной обработки 211
5.4.3.3. Основные результаты по прецизионной обработке материалов на АЛТУ «Каравелла» 214
5.4.4. Основные направления и области технологического применения ЛПМ. 218
Результаты и выводы 221
Общие выводы и результаты работы 225
Литература
- Конструкция, параметры и недостатки отпаянного саморазогревного АЭ УЛ-101
- Исследование характеристик ЛПМ с танталовыми генераторами паров меди отусловий накачки и давления буферного газа
- Экспериментальные установки, методики и средства измерений
- Зависимость мощности излучения АЭ «Кристалл» от давления буферно-го газа и ЧПИ
Введение к работе
Лазер на парах меди (ЛПМ) с длинами волн излучения 510.6 и 578.2 нм относится к одному из наиболее привлекательных и развивающихся классов газовых лазеров - к лазерам на самоограниченных переходах атомов металлов (ЛПМет). Они работают в импульсном режиме и генерируют на переходах с резонансных на метастабильные уровни. Поэтому их называют еще r-m лазерами или лазерами с r-m переходами. С момента получения первой генерации в ЛПМет прошло уже 36 лет [1]. За это время усилиями целого ряда научных коллективов, прежде всего России (СССР) и США, были установлены основные физические принципы работы и принципы конструирования этих лазеров и основные области их применения. Результаты исследований по ЛПМет опубликованы более чем в 2000 работ и обобщены в [2-10]. В [8,9,10], изданных соответственно в 1996, 1998 и 1999г.г., дан всеобъемлющий материал по ЛПМет. Среди них ЛПМ является самым эффективным источником когерентного излучения. К ЛПМ, из-за широких возможностей применения его в науке, технике и медицине, поддерживается постоянный интерес.
В работах [8-10] основная доля материала посвящена "чистому" ЛПМ и его разновидностям: лазерам на галогенидах меди (CuCl, CuBr и Cul), "гибридным" (с прокачкой смеси НВг, НС1, Вг2 или СЬ и Ne) и кинетически "усиленным" (с добавкой Иг и его соединений). ЛПМ обладает уникальным сочетанием выходных параметров. Уникальность ЛПМ состоит в сочетании высокой частоты повторения импульсов излучения (ЧПИ) (5-30 кГц) с широким диапазоном средней мощности (1-750Вт) при КПД 0.5-2% на относительно коротких волнах (510.6 и 578.2 нм). Его отличает короткая длительность импульсов излучения (10-50 не) и большие усиления активной среды (десятки и сотни Дб/м), относительно низкая импульсная энергия (0.1-100 мДж) и, наоборот, высокая пиковая мощность (10-1000 кВт). При расходимости пучка излучения близкой к дифракционному пределу и дифракционной, в пятне фокусировки достигаются предельно высокие плотности пиковой мощности - до 109 — 1014 Вт/см2. Использование ЛПМ для накачки нелинейных кристаллов с коэффициентом преобразования 10-25%, кристаллов сапфира титана и лазера на растворах органических красителей (ЛРК) с КПД 20-30% позволяет полностью перекрыть диапазон длин волн от ближней УФ до ближней РЖ-области спектра и, соответственно, расширить функциональные возможности ЛПМ. Таким сочетанием параметров, как у ЛПМ, сегодня не обладает ни один коммерческий лазер [8-10].
ЛПМ широко применяются для накачки перестраиваемых по длинам волн ЛРК в мощных системах по разделению изотопов (AVLIS технология) и получения особо чистых веществ, в спектроскопии, для прецизионной обработки как металлических, так и неметаллических тонколистовых материалов, с удваивающими частоту нелинейными кристаллами для микрообработки материалов УФ-излучением и УФ- фотолитографии, для отжига имплантированных полупроводниковых структур, осаждения и травления пленок, для подводной обработки материалов и высокоскоростной фотографии, в голографии и криминалистике, в активных системах для усиления яркости изображения, в лидарных установках для зондирования атмосферы и морских глубин, в навигационных системах для проводки морских и посадки воздушных судов в условиях ограниченной видимости, для создания цветной телевизионной проекционной системы на больших экранах, для анализа состава воды, создания искусственных опорных звезд, в шоу-индустрии и т.д. [8-26] и медицине - в дерматологии и косметологии, онкологии, в ангиопластике для разрушения атеросклеротических поражений магистральных артерий и т.д. [27-34].
КПД промышленных ЛПМ обычно составляет 0.5-1%, что на порядок больше известного в видимой области спектра непрерывного аргонового лазера (Аг ) с близкой по уровню мощностью. ЛПМ на этот же порядок уступает по КПД мощным инфракрасным СОг-лазерам (А, = 10600 нм), но из-за более коротких длин волн его энергия может быть сфокусирована на площади два порядка меньшей. Поэтому для ряда применений, например, прецизионной обработки материалов, плотности мощности достигаются при относительно небольших по сравнению с СОг-лазерами средних мощностях. Такие металлы как Си, At, Аи, Ag обрабатывать излучением СОг-лазера практически невозможно (коэффициент отражения 95%).
Расходимость близкого по спектру, мощности и КПД распространенного твердотельного лазера (ТТЛ) на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (Nd: ИАГ) и удвоением частоты (к = 1060нм:2=530нм) из-за тепловых искажений в несколько раз больше дифракционного предела. И часто, для достижения эффекта прецизионной обработки,излучение Nd: ИАГ модулируется до частоты повторения импульсов ЛПМ. Эксимерные лазеры имеют более короткие длины волн излучения (X =193; 248; 308; 351нм). Это есть их преимущество для применения в микролитографии, обработки полупроводников, офтальмалогии и т.д. Но ЧПИ обычно не более 0.5 кГц, что снижает производительность технологического процесса. Диодные (полупроводниковые) лазеры имеют небольшие размеры и могут выпускаться большими партиями при относительно низких затратах. Большинство диодных лазеров генерирует в ближней ИК-области. Они надежны и долговечны, но выходная мощность излучения ограничена предельными возможностями по теплоотводу. Излучение имеет большую ширину линии. Диодные лазеры бурно развиваются и находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности (львиная доля в секторе телекоммуникаций). В 1999 году общемировой объем доходов от продаж всех типов лазеров составил 4.9 млрд.долл., из них на диодные лазеры пришлось 64%, на недиодные - 36% [35]. В 2000 году уже - 8.8 млрд.долл. и соответственно 75% и 25% [36]. Рекламируемые отечественные диодные лазеры, например, типа "Кристалл" имеют мощность 0.01-25 Вт в диапазоне длин волн 632-1 ОбОнм.
Поэтому разработка коммерческих ЛПМ с высокой надежностью и качеством излучения считается сегодня крайне актуальной проблемой. Решение этой проблемы на высоком научно-техническом уровне связано с созданием долговечных эффективных АЭ с рабочими температурами 1500-1700°С, необходимыми для обеспечения концентраций паров металлов 1015-1016 VCM3, надежных высоковольтных импульсных источников питания для формирования в АЭ импульсов тока с амплитудой сотни Ампер и выше при длительностях 50-200 не и оптических систем для формирования пучков излучения с высоким качеством.
Исследованию и разработке промышленных отпаянных саморазогревных АЭ на парах меди среднего уровня мощности (10-50 Вт) с высокой эффективностью, долговечностью и воспроизводимыми параметрами, исследованию пространственно-временной структуры излучения и оптических систем для формирования пучков с высоким качеством излучения и созданию на их основе излучателей, лазеров и медицинских и технологических установок посвящена данная работа.
Научная новизна заключается в следующих положениях:
• Генераторы паров меди (марки MB или Моб) на молибденовой подложке (марки МЧВП) в ЛПМ обеспечивают максимальные КПД и мощность излучения после восстановления поверхности расплавленной меди и молибдена водородом при рабочей температуре разрядного канала 1600°С (после цикла обезгаживания АЭ), когда происходит полное смачивание молибдена медью (увеличивается площадь и скорость испарения).
• Структура выходного излучения ЛПМ в режиме с одним зеркалом -двухпучковая (пучки сверхсветимости), с резонатором - многопучковая: два (всегда присутствующих) пучка сверхсветимости и несколько резонаторных пучков, количество которых (обычно 2 или 3) ограничено временем существования инверсии (20-40 не). Каждый пучок обладает своими пространственными, временными и энергетическими характеристиками
• В режиме работы ЛПМ с одним выпуклым зеркалом, при радиусах зеркала на 2 порядка меньших расстояния от зеркала до выходной апертуры расходимость становится близкой к дифракционной (0=2-30 ). При этом в пятне фокусировки достигаются плотности пиковой мощности до 10п-1012 Вт/см , что на порядок больше, чем с плоским резонатором и на один-два порядка меньше, чем с неустойчивым резонатором (HP) телескопического типа. Нестабильности оси диаграммы направленности (ОДН) и импульсной энергии по сравнению с HP минимальны, что обеспечивает высокую точность реза при прецизионной обработке.
• Применение в ЛПМ системы генератор-усилитель с пространственной селекцией излучения и системой наносекундной синхронизации каналов позволяет формировать выходной пучок с максимальной концентрацией энергии в пятне фокусировки (до 1012 -1014 Вт/см2). При этом достигаются . максимальные скорости [микро]обработки (при =0.1-0.2 мм, Vo6P=3-3.5мм/с), минимальные размеры отверстия и реза ((1 =5-30 мкм с коэффициентом формы до 40), минимальная шероховатость поверхности реза (3-5 мкм).
Результаты работы были использованы при исследовании и разработке многих промышленных приборов:
- Отпаянных саморазогревных АЭ "Кристалл-1" (ГЛ-201), "Квант" (УЛ-102) и "Кулон" (ГЛ-204);
- Излучателя "Карелия-Г (ИЛГИ-201) и на его основе двухканального синхронизированного ЛПМ "Карелия";
- АЛ ТУ "ЭМ-5029" с ЛПМ "Карелия" для скоростного изготовления фотошаблонов;
- АЛТУ "Каравелла" с ЛПМ "Карелия" для прецизионной обработки материалов ИЭТ (1987 г.);
- Излучателя "Клен" (ИЛГИ-202) с АЭ ГЛ-201 и на его основе ЛПМ "Курс" (ЛГИ-202,1990 г.);
- Медицинских установок "Янтарь-2Ф" (1991 г.) и "Яхрома-2"(1993 г.) на базе ЛПМ "Курс" и "Яхрома-Мед" (2001 г.),
- Нового поколения отпаянных саморазогревных АЭ малой мощности (1-15 Вт) серии «Кулон» (ГЛ-206 А-Ж.) и средней (30-55 Вт) «Кристалл» (ГЛ-205 А-Г) (2000 г.).
- В мощных лазерных системах типа ЗГ-УМ в РНЦ «Курчатовский институт» (Москва), ЗАО «Алтек» (Москва), ИФП (г.Новосибирск), НФП «Лад» (г.Химки) для разделения изотопов и получения особо чистых веществ.
Общий объем продаж АЭ серии "Кристалл" и "Кулон" с 1982 по 2002 годы (за 20 лет) составил около 1000 шт, а на их основе излучателей, лазеров и установок для разных применений около 100 шт.
Основные материалы и результаты опубликованы в И печатных работах, в том числе одном авторском свидетельстве, одном свидетельстве на
А) полезную модель, одном патенте и одном решении о выдаче патента. Материалы работы составили также содержание соответствующих глав 6 научно-технических отчетов по НИР и ОКР.
Результаты работы докладывались на:
• II отраслевой научно-технической конференции «Газовые лазеры-перспективы разработки, производства и применения», г.Рязань, 28-29 октября 1986 г.
• Семинаре «Лазеры на парах металлов и их применение», Новороссийск, п.Агой Туапсинского района, 27-30 сентября 1993 г.
• Симпозиуме «Лазеры на парах металлов и их применение», Новороссийск, Абрау-Дюрсо, 22-25сентября 1996 г.
• Международной конференции «Физпром-96», п.Голицыно (М.о.), 22-26
сентября 1996 г.
• YIII Международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине», п. Пушкинские Горы, 9-12 сентября 1997 г.
• 3-ей Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», г.Томск, 22-26 сентября 1997 г.
• 2-ой Всероссийской научной конференции «Физико-химические процессы при
селекции атомов и молекул», г.Звенигород, 29 сентября-3октября 1997 г.
• Симпозиуме «Лазеры на парах металлов и их применение», Новороссийск, Абрау-Дюрсо, 22-26сентября 1998 г.
• Научно-техническом семинаре ЛАС "Лазерные технологии и технологическое
оборудование", Москва, 1 апреля 1999 г.
• The 4h International conference «Atomic and molecular pulsed lasers», Tomsk,
September 13-17,1999.
• III Международной конференции "Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и положения", Владимир-Суздаль-Шатура, 23-25 июня 2001 г.
• XII Международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине», Сочи, 17-21 сентября 2001 г.
Конструкция, параметры и недостатки отпаянного саморазогревного АЭ УЛ-101
Несмотря на относительно низкую эффективность и гарантированную наработку первых промышленных отпаянных ЛПМ, связанных с «неудачными» конструктивными решениями, применением низкоэффективного теплоизолятора, отсутствием электрических схем для эффективной накачки активной среды и низким качеством выходных окон, недостаточным объемом исследований выходных характеристик от ЧПИ и давления буферного газа, вопрос о дальнейшем развитии ЛПМ уже назревал и стал актуальным.
К этому времени наметилось расширение областей применения ЛПМ в науке, технике и медицине и определились основные перспективные области, в которых наибольшая эффективность достигается с помощью ЛПМ [8, 10, 40]. К таким основным областям применения ЛПМ относятся накачка перестраиваемых по длинам волн ЛРК, разделение изотопов различных атомов и получение особо чистых веществ (например, обогащение урана U), лазерная проекционная микроскопия и прецизионная технология. Расширение и определение основных областей применения ЛПМ явились стимулом для проведения обширных исследовательских работ, направленных на улучшение их характеристик. В 1974-1975 годах группой Петраша Г.Г. с HP телескопического типа с увеличениями сотни крат в ЛПМ получены пучки с дифракционной расходимостью [46-50]. В 1977 г. сотрудники ФИАН в работе [51] сообщили о достижение средней мощности излучения 43.5 Вт с практическим КПД 1% при ЧПИ до 20 кГц. К 1979 году была создана лазерная система «ЗГ-УМ» в ЛНЛЛ (в рамках программы AVLIS) из 21 ЛПМ общей выходной мощностью 260 Вт [10].
В связи с такой назревшей ситуацией, в НПО «Исток», с целью улучшения параметров отпаянных саморазогревных АЭ, была поставлена НИР «Кристалл» (1979-1980 г.г.) [44]. В этой работе заново были проанализированы и исследованы основные конструкционные материалы и функциональные узлы АЭ, ответственные за эффективность и воспроизводимость параметров в процессе длительной наработки. В рамках данной работы были созданы три типа АЭ -«Квант», «Кулон» и «Кристалл». Внешний вид АЭ «Кулон», «Квант» и «Кристалл» представлены на рис. 1.3. Они и определили основные направления по разработке промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ.
Прибор «Квант» явился основой для разработки эффективного АЭ УЛ-102 (взамен УЛ-101), предназначенного в качестве усилителя яркости изображения и визуального контроля изделий микроэлектроники [51, 52]. Минимальная наработка и КПД УЛ-102 в сравнении с УЛ-101 в 2 раза больше - 500 часов и 0.4.
АЭ «Кулон» с малой мощностью 2 Вт [44, 53] явился основой для развития направления по разработке серии эффективных отпаянных АЭ ЛПМ и ЛПЗ с воздушным охлаждением для применения в медицинских, локационных и навигационных установках и шоу-индустрии. Сегодня разработаны и выпускаются АЭ «Кулон» на парах меди со средней мощностью излучения от 1 до 20 Вт и минимальной наработкой 1000 часов и на парах золота - 1-2 Вт и 500 часов, соответственно [25, 26, 54]. Третье направление, которое получило успешное развитие, эта разработка относительно мощного класса отпаянных промышленных АЭ серии «Кристалл» со средней мощностью излучения до 50Вт и более для технологических применений, в частности, для прецизионной обработки тонколистовых материалов электронной техники, разделения изотопов и получения особо чистых веществ. Это направление является основной темой настоящей диссертационной работы.
«Кристалл-1» (ГЛ-201) АЭ ГЛ-201 на парах меди явился первой ступенью по созданию в России (и в мире в целом) серии отпаянных саморазогревных АЭ «Кристалл» с относительно высокой средней мощностью излучения - до 50 Вт и выше и минимальной наработкой не менее 1000 часов [25, 26, 44, 55, 56]. АЭ ГЛ-201 разработан на основе комплексных исследований и испытаний на долговечность, проведенных в основном в НИР "Кристалл" и ОКР "Кристалл-1" [44, 55]. ГЛ-201 это обозначение АЭ "Кристалл-1" по ТУ.
Основные конструкционные узлы АЭ ГЛ-201 Внешний вид АЭ ГЛ-201 представлен на рис. 1.4, конструкция - на рис. 1.5. К электродному узлу со знаком "-" (рис. 1.4), являющийся катодом, подключается импульсное высоковольтное напряжение для питания АЭ, со знаком "+" (анод) -"земля", обычно, через обратный токопровод для уменьшения индуктивности разрядной цепи. Основными узлами конструкции АЭ (рис. 1.5) являются разрядный канал 1, включающий генераторы 2 и конденсоры меди 3, электродные узлы 4 и 5, теплоизолятор 6 и 7, вакуумная оболочка 8, втулки 9 для соединения канала с электродными узлами, концевые стеклянные секции 10, и два стеклянных штенгеля 11 для откачки и тренировки АЭ и окна для выхода лазерного излучения. После окончания тренировки АЭ штенгеля отпаиваются.
Выбор материала и конструкции разрядного канала Материала, который удовлетворял бы всем требованиям к разрядному каналу АЭ, нет, но наиболее полно этим требованиям отвечают керамики из чистых окислов, имеющих температуру плавления 2000С (и выше), в частности, плотная керамика из А2Оз марки А-995.
Керамика из АгОз широко применяется в вакуумной технике, в том числе и при высоких температурах [57]. И тем не менее, даже в настоящее время, трудно дать полный ответ о ее поведении в процессе длительного срока службы при воздействии различных факторов (температуры, среды, нагрузок и т.д.). В работе [58] показано, что наиболее сильное влияние на свойства керамики оказывает высокая температура. При длительном нагреве изменяется микроструктура керамики - происходит так называемое термическое старение.
Исследование характеристик ЛПМ с танталовыми генераторами паров меди отусловий накачки и давления буферного газа
На рис.2.2, 2.3, 2.5 и 2.6 представлены характеристики ЛПМ с АЭ ГЛ-201 с генераторами паров меди в танталовой оболочке (см.рис.1.6, е) с прямой схемой исполнения модулятора накачки (рис.2.1, а) и со схемой трансформаторного удвоения напряжения и магнитным звеном сжатия импульсов (рис.2.1, б) от давления буферного газа неона. В танталовой оболочке 16 отверстий диаметром 0.6 мм (для выхода паров меди), достаточных с избытком для обеспечения насыщенной концентрации атомов меди в разрядном объеме. ЧПИ составляла 9 кГц, емкость накопительного (рабочего) конденсатора - Сн=2200 пФ, рабочего в схеме «б» - Сн/4=500 пФ, обострительного в схеме «а» - 470 пФ, в «б» — 160 пФ, нелинейный насыщающийся дроссель Li (в «б») собран из ферритовых колец М1000НМ К20х12х6 в количестве 150 шт. Температура стенки разрядного канала измерялась оптическим прибором «Проминь», внешней оболочки АЭ — термопарами. Потери мощности в тиратроне и нелинейных элементах оценивались калометрически.
При изменении давления неона от 40 до 760 мм рт.ст. (до атмосферы) с прямой схемой суммарная средняя мощность излучения (кривая 1 на рис.2.2, а) до 250 мм рт.ст. возросла с 10 до 15 Вт (на .=0.51 мкм с 4.5 до 7.8 Вт (2)), практический КПД - с 0.4 до 0.6 (кривая 1 на рис.2.2, б), а от 250 до 760 мм рт.ст. снизилась до 10 Вт (на Х,=0.51 мкм до 4Вт), КПД - до 0.4%. Т.е. при pNe=40 и 760 мм рт.ст. эффективность АЭ в 1.5 раза ниже, чем при pNe=250-350 мм рт.ст.. Низкая эффективность АЭ при низких давлениях неона обусловлена тем, что происходило рассогласование между элементами модулятора накачки и АЭ. Потери мощности при этом на тиратроне из-за высокой степени перезарядки накопительной емкости Сн возрастали (увеличивалось анодное напряжение, кривая 5 на рис.2.3, а) и вводимая в АЭ мощность уменьшалась. Последнее приводит к снижению температуры разрядного канала с оптимального значения 0 31 =1500 при рке=250 мм рт.ст.) до 1450С, т.е. к снижению концентрации атомов рабочего вещества (меди) с 1.5-1015 до 0.85-1015 1/см3 - в 1.76 раза (рис.2.4). Поднять температуру канала при давлении 40 мм рт.ст. до оптимального значения не удалось даже при потребляемой мощности от выпрямителя 3.5 кВт, так как основная часть дополнительно вводимой мощности терялась в тиратроне. При этом резко возрастали стартовые потери и анод тиратрона разогревался до красного свечения.
С ростом давления буферного газа сопротивление газоразрядного промежутка возрастает и степень перезарядки рабочей емкости уменьшается, что вызывало уменьшение потерь в тиратроне и, соответственно, увеличение вводимой мощности в АЭ. При увеличении давления от 40 до 250 мм рт.ст. температура разрядного канала возросла с 1450С до 1500С (кривая 1 на рис2.3, а), оболочки АЭ - с 250 до 300С (2). С увеличением давления неона до атмосферы вводимая в АЭ мощность практически не изменялась. Последнее подтверждается слабым изменением температуры канала (1) и оболочки (2) (рис.2.3, а). Тогда встает вопрос: если вводимая мощность и температура канала в диапазоне давлений 250-760 мм рт.ст. остаются практически постоянными, то какими процессами обусловлено столь существенной снижение КПД и мощности излучения (в 1.5 раза). Из кривой 2 на рис.2.2, а следует, что процентное содержание мощности на зеленой линии при повышении давления от 250 до 760 мм рт.ст. уменьшается от 52% до 40%. Поэтому такой спад мощности излучения при высоких давлениях может быть вызван уменьшением инверсии населенностей верхних рабочих (резонансных) уровней из-за снижения электронной температуры и, возможно, тепловым заселением нижних уровней и уменьшения объема активной среды из-за сжатия разряда. Как свидетельствуют экспериментальные данные в подавлении инверсии активной среды участвуют оба указанных фактора. О наличии второго фактора, сжатия (контрогирования) разряда, свидетельствует уменьшение фокусного расстояния рассеивающей тепловой газовой линзы. О действии первого фактора свидельствует ухудшение характеристик импульсов накачки разрядного тока, (рис.2.5, а, б, в). Если при рме=250 мм рт.ст. длительность переднего фронта импульсов тока (2) составляла 100 не при общей длительности 270 не, амплитуда - 270 А, крутизна нарастания тока - 2.14 А/нс, то при pNe=760 мм рт.ст. - 200 не при 400 не, 170А и 0.85 А/нс соответственно. Тот факт, что мощность на зеленой линии падает сильнее, чем на желтой, обусловлен как более высоким расположением ее резонансного уровня, так и более низким метастабильным уровнем. Из вышерассмотренного анализа следует, что для достижения высоких КПД и мощности излучения при давлениях близких к атмосферному необходимо улучшать характеристики импульсов накачки.
Со схемой трансформаторного удвоения напряжения (рис.2.1, б) при рмс=250 мм рт.ст. длительность переднего фронта импульсов тока составила около 50 не при общей длительности 150 не, амплитуда - 370А, крутизна нарастания тока -7.4 А/нс (при 7.4-109 А/нс пиковом напряжении на электродах АЭ 23.4 кВ, при Рме=760 мм рт.ст. - соответственно 50 не при 150 не, 210А и 4.2 А/нс (4.2-109 А/нс при 27.7 кВ (рис.2.5, г, д, е). По сравнению с прямой схемой, длительность импульсов тока при pNe=250 мм рт.ст. сократилась в 2 раза, при атмосферном давлении - в 3 раза при 4-х кратном увеличении скорости нарастания тока. Благодаря таким характеристикам разрядного тока увеличение давления неона от 250 мм рт.ст до атмосферы к заметному снижению мощности излучения не привело (27 и 26 Вт, кривая 3 на рис.2.2, а). Как следует из кривой 4 (рис.2.2, а) снижение суммарной мощности лишь на 1 Вт (с 27 до 26 Вт) обусловлено снижением мощности на 1 Вт на А,=0.51 мкм. Практический КПД при рме=250 мм рт.ст. составил 0.82%, рке-760 мм рт.ст. - 0.8% (КПД АЭ примерно в 2 раза больше - 1.6%), что больше соответствующих значений с прямой схемой в 1.4 и 2 раза. Мощность излучения увеличилась соответственно в 1.8 и 2.6 раза. Температура разрядного канала поднялась с 1500С до 1570С (кривая 3 на рис.2.3, а), что соответствует двухкратному увеличению концентрации паров меди - с 1.5-1015 1/см3 до 3-Ю15 1/см
Экспериментальные установки, методики и средства измерений
Особенности формирования излучения ЛПМ и цель исследований Главные отличия импульсного ЛПМ (как и других ЛПМет) от других типов лазеров - короткая длительность существования инверсии (т=10-40 не), соизмеримая со временем пробега светом длины резонатора (L=0.5-2.0 м) и большое усиление активной среды (десятки и сотни дБ). ЛПМ может работать в режиме сверхсветимости - без зеркал или с одним зеркалом, но расходимость при этом большая. В ЛПМ за время существования инверсии (т) излучение успевает пройти длину резонатора лишь несколько раз (п= т /(L/c), где с — скорость света) и моды в обычном их понимании, образующиеся в результате дифракции на зеркалах, формироваться не успевают. Для формирования пучков излучения с малой расходимостью в работах [46-49] был исследован неустойчивый резонатор телескопического типа. Но пространственная и временная структура излучения и их взаимосвязь с энергетическими параметрами не была расшифрована. Исследованию структуры выходного излучения ЛПМ и его пространственным, временным характеристикам и их взаимосвязи с энергетическими параметрами посвящена данная глава.
Экспериментальные установки, методики и средства измерений При проведении экспериментальных исследований накачка АЭ осуществлялась от импульсного высоковольтного ИП, принципиальные электрические схемы модуляторов, которого показаны на рис.2.1 (а, б и в). В «а» представлена прямая схема исполнения модулятора, «б» и «в» - схемы трансформаторного (б) и емкостного (в) удвоения напряжения со звеном магнитного сжатия импульсов. Со схемами «б» и «в» съем мощности излучения с АЭ увеличивается примерно в 2 раза. Но схема «в» более предпочтительнее, т.к. проще в конструктивном исполнении и потребляет меньше мощность ( 10% мощности теряется в трансформаторе).В этих трех схемах в качестве коммутатора использовался водородный тиратрон 11 И1 -2000/35, накопительные конденсоры с Сн =2200 пФ. Нелинейный насыщающийся дроссель магнитного звена сжатия Lj выполнен на ферритовых кольцах М1000НМ К20х16х6 в количестве 150 шт. ЧПИ составляла 8 кГц
Блок-схема экспериментальной установки для измерения пространственных, временных и энергетических характеристик излучения J111M представлена на рис.3.1 (а и б). В качестве основного испытываемого АЭ 1 использовали АЭ ГЛ-201. Часть ииследований проведена с АЭ ГЛ-201Д с длиной разрядного канала на 300 мм больше- 1230 мм. Характеристики выходного излучения с ГЛ-201 исследовались без зеркал, с одним зеркалом, плоским, плоскосферическим и неустойчивым телескопическим резонаторами. В плоском резонаторе в качестве глухого зеркала 3 использовалось зеркало с диэлектрическим покрытием, выходного — стеклянная плоскопараллельная пластина 4 без покрытия (коэффициенты отражения зеркал (р) 99% и 8% соответственно). Вогнутое диэлектрическое зеркало с радиусом кривизны R=3 м (р 99%) и стеклянная пластина образовывали плоскосферический резонатор. Диаметры зеркал - 35 мм, длина резонатора - 1.5 м. Зеркало с R=3M использовалось в качестве глухого зеркала и в телескопическом HP с коэффициентами увеличения М= 10-300 крат. В качестве выходных зеркал в HP резонаторе использовались выпуклые зеркала с диэлектрическим или алюминиевым покрытием диаметром 1-2.5 мм с R=10-300 мм. Эти зеркала приклеены на просветленную плоскопараллельную стеклянную подложку так, что оптическая ось зеркала образует с плоскостью подложки угол 94. Последнее необходимо для устранения обратной паразитной связи с активной средой АЭ. При увеличениях М= 15-60 в качестве выходных зеркал резонатора использовались и стеклянные мениски диаметром 35 мм. При М=5 глухое вогнутое зеркало имело R=3.5 м, а выходное выпуклое - 0.7 м. В режиме работы с одним зеркалом применялись выпуклые зеркала с R=0.6-10CM. Средняя мощность излучения измерялась милливольтметром М-136 (поз. 15), подключенного к преобразователю мощности лазерного излучения ТИ-3 (поз. 14) (рис.3.1, а). Импульсы излучения регистрировались с помощью коаксиального фотоэлемента ФЭК-14К (поз. 10) и осциллографа С1-75 или С7-10А (поз. 13). С помощью пространственного фильтра, образованного фокусирующим зеркалом 6 и диафрагмой 7, осуществлялось выделение качественного пучка из суммарного пучка излучения.
Схема установки для определения расходимости излучения изображена на рис.3.1, б. Пучок выходного излучения поворотными зеркалами 5 выводится на фокусирующее зеркало 6. Зеркалом 6 под минимальным углом пучок излучения фокусировался на вращающийся диск 9 с диаметром отверстия 50-100 мкм, расположенного на расстоянии 65 мм от центра вращения. За диском расположен фотоэлемент 10 с запоминающим осциллографом 13 для снятия распределения интенсивности в плоскости перетяжки. С устойчивым резонатором радиус фокусирующего зеркала составлял 2 м, неустойчивым - 15 м, в режиме с одним выпуклым зеркалом -5м
По распределению интенсивности излучения (а также с помощью измерительной линейки) в плоскости перетяжки и фокальной плоскости оценивается диаметр пучка. Отношение диаметра пучка в фокальной плоскости к фокусному расстоянию определяет геометрическую расходимость, т.е. угол распространения выходного излучения в пространстве. Геометрическую расходимость пучка можно уменьшить до определенного предельного значения, которое характеризует реальную расходимость излучения.
Зависимость мощности излучения АЭ «Кристалл» от давления буферно-го газа и ЧПИ
Одним из путей повышения мощности излучения (съема мощности с единицы объема) и КПД является добавление водорода (Н2) к буферному газу активного элемента ЛПМ [9, 10]. В работе [86] впервые было показано, что добавки Н2 в ЛПМ приводят к существенному повышению КПД излучения (до 3%). В разделе 3.6 [10] проанализированы основные экспериментальные и теоретические работы (17 работ) по влиянию водорода на выходные характеристики излучения ЛПМ и на его режим работы. В зависимости от геометрических размеров разрядного канала АЭ (Dk=1.8-10 см, Lk=70-350 см), его чистоты, давления буферного газа (неона) (рые=24.5-79.6 мм рт.ст.) и ЧПИ (3.9-9.2 кГц) оптимальное количество добавляемого Н2 составляет 0.5...3%. С добавкой Н2 в ЛПМ увеличение КПД больше, чем мощности излучения, так как улучшается согласование между АЭ и электрической схемой накачки. Температура разрядного канала увеличивается на 50-100С. Амплитуда импульса напряжения на разрядном промежутке АЭ возрастает до 30%, а импульса тока, наоборот, падает, длительность импульса излучения возрастает. Последнее приводит с неустойчивым резонатором к улучшению качества излучения - повышению процентного содержания и абсолютного значения мощности излучения в пучках с малой расходимостью. Оптимальная ЧПИ перемещается в область более высоких частот.
Положительные эффекты, возникающие в ЛПМ при добавках Н2, авторы объясняют интенсивным охлаждением электронов в период послесвечения из-за упругих и неупругих столкновений (п.3.6 в [10]). "Охлажденные" электроны убыстряют рекомбинации электронов-ионов, что сокращает предимпульсную концентрацию электронов (пе). При этом в междуимпульсный период происходит более быстрый и полный переход атомов меди (nCu) в основное состояние и увеличивается приложенное к АЭ напряжение.
В главе 2 настоящей работы рассмотрены экспериментальные исследования по влиянию водорода на эффективность работы АЭ ГЛ-201. Установлено, что добавление Н2 с давлением до 10 мм рт.ст. к буферному газу Ne с давлением 50...250 мм рт.ст. приводит к увеличению мощности излучения в 1.2-1.5 раза. В данном случае рассматривается влияние добавки водорода на работу новых моделей отпаянных саморазогревных АЭ «Кристалл» при рабочих давлениях буферного газа [25, 26, 54, 56].
Рабочее давление неона в АЭ "Кристалл LT-30Cu" составляет 250 мм рт.ст., "Кристалл LT-40Cu" - 180 мм рт.ст., "Кристалл LT-50Cu" - 150 мм рт.ст. Неон применяется высокой чистоты. Чистота добавляемого к неону водорода составляет 96.9% (0.5%(О2+Аг) + 0.5%N2 + 0.2%СН4 + 0.2%СО + 0.2%СО2 + 1%Н20) Напуск водорода в АЭ "Кристалл" для исследований осуществлялся после окончания тренировки по его обезгаживанию и восстановлению водородом, и наполнения чистым неоном до рабочего давления и его разогрева до рабочей температуры ( 1600С).
На рис.4.4 представлена зависимость средней мощности излучения от давления добавок водорода АЭ "Кристалл LT-40Cu" с тиратронным ИП (схема с емкостным удвоением напряжения и магнитным звеном сжатия) (рис.2.1, в) и ЧПИ 10.5 кГц. Выходные окна АЭ без просветляющего покрытия. При этом амплитуда импульсов напряжения в максимуме излучения составляла 28.5 кВ, а его длительность по основанию - 70 не, тока — 0.4 кА и 140 не, соответственно. Водород с помощью входного стеклянного крана напускался обычно со стороны катода АЭ, количество которого контролировалось U-образным масляным манометром. Чтобы ускорить процесс перемешивания Н2 с неоном, открывали выходной кран со стороны анода и откачивали форвакуумным насосом неон из АЭ до выравнивания давления в коленах U-образного манометра. В другом случае систему оставляли на 8-16 часов (практически на ночь) и при этом происходило полное перемешивание Н2 с неоном. И в первом и во втором случае результаты по мощности излучения были практически одинаковы. Без Н2 средняя мощность излучения АЭ обычно составляет около 27 Вт при оптимальной потребляемой мощности от выпрямителя ИП РВыпр 3.6 кВт (КПД=0.75%). Максимальные мощности излучения достигаются при давлениях Н2 6-12 мм рт.ст. 3-6%) и составляют 37.5-38.5 Вт при потребляемой мощности 3.4 кВт (КПД=1.12%). При этом температура разрядного канала увеличилась примерно с 1550С до 1600С. Таким образом, 5% добавки Нг к 180 мм рт.ст. неона в АЭ «Кристалл LT-40Cu" привели к увеличению мощности излучения в 1.4 раза (с 27 до 38 Вт), практического КПД - в 1.5 раза, температуры разрядного канала на 50С. Увеличение КПД больше, чем мощности излучения, что объясняется уменьшением потребляемой мощности с 3.6 до 3.4 кВт. Т.е. добавки Н2 приводят к улучшению согласования АЭ с элементами схемы накачки (в первую очередь уменьшаются потери в тиратроне). Примерно так же изменяются характеристики ЛПМ при добавках водорода к АЭ "Кристалл LT-30Cu" и "Кристалл LT-50Cu" с этой же тиратронной схемой возбуждения. Мощность излучения АЭ "Кристалл LT-30Cu" повышается с 25 до 31 Вт, т.е. в 1.24 раза, практический КПД — с 0.75 до 1%, т.е. в 1.3 раза, АЭ "Кристалл LT-50Cu" - с 34 до 52 Вт (1.53 раза) и с 0.7 до 1.13 % (в 1.6 раза) соответственно (окна АЭ без просветления). Отсюда можно сделать вывод, что с увеличением длины и диаметра разрядного канала АЭ эффективность воздействия Нг возрастает. Дополнительно следует отметить, что Нг приводит к увеличению оптимальной ЧПИ, абсолютного и процентного содержания мощности излучения на зеленой линии и длительности импульсов излучения. Например, с АЭ "Кристалл LT-40Cu" без Н2 процентное содержание мощности излучения на зеленой и желтой линиях примерно одинаковы, при оптимальном 5% содержании Н2 мощность на зеленой линии составляет 62%, на желтой соответственно 38%) с ламповым ИП. При изменении ЧПИ от 10 до 17 кГц максимальное значение мощности достигалось на 15 кГц — 37 Вт, что на 20% больше, чем при 10 кГц.
