Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазерные системы, диагностические комплексы и методы экспериментальных исследований 25
1.1. Электроионизационная система накачки с использованием слаботочных импульсно-периодичееких электронных пучков 25
1.2. Фотоионизационная система накачки с использованием коротковолнового УФ излучения 31
1.3. Диагностический комплекс для исследования пространственной структуры электронного пучка с широким полем облучения 36
1.4. Измерительно-вычислительный комплекс для импульсно-периодических лазеров 40
1.5. Применение лазера на парах меди в системах диагностики газодинамических и плазменных объектов 43
1.6. Спектроскопический метод определения пространственно-временного распределения электронной температуры в плазме импульсного разряда 48
1.7. Выводы 53
Глава 2. Исследование физических свойств проточных С02-лазерных сред, возбуждаемых квазистационарными импульсами несамостоятельного разряда 55
2.1. Оптические свойства объемного разряда и характер развития неустойчивостей в плазме активной среды импульс но-п ер иод ичес кого электроионизационного С02-лазера 55
2.2. Влияние магнитного поля на характеристики электроионизационного СОг-лазера. Предельные размеры объемного разряда и лазерных систем 66
2.3. Фотоионизационные разряды в С02(СО) - лазерных средах с присадками, имеющими низкую температуру кипения 71
2.4. Влияние прикатодных процессов на оптическую однородность активной среды при фотоионизационном и электроионизационном способах накачки 88
2.5. Комбинированный фотоионизационный разряд 91
2.6. Выводы 95
Глава 3. Внешние источники фотоионизации для поддержания несамостоятельных разрядов в проточных лазерных системах 97
3.1. Электронные ускорители для импульсно-периодических электроионизационных С02-лазеров с кваз и стационарным импульсом генерации 97
3.2. Излучающие микрошнуры плазмы как основа линейных и широкоапертурных источников УФ излучения 102
3.3. Эффект разделения газовых сред УФ ионизатора и рабочей среды С02 - лазера. Теоретический расчет излучения La (X = 121,6 нм) водородной плазмы для фотоионизации СОг-лазерных сред 113
3.4. Перспективные источники коротковолнового УФ на основе различных схем газового разряда 116
3.5. Использование лазерных и некогерентных источников УФ излучения для технологических и научных целей в электронике, экологии и медицине 127
3.6. Выводы 133
Глава 4. Им пульс но-пери одический С02 - лазер с несамостоятельным разрядом, управляемым электронным пучком 135
4.1. Расчетно-теоретические исследование генерационных характеристик С02-лазерных сред, возбуждаемых квазистационарными импульсами электроионизационного разряда 135
4.2. Разработка и исследование способов повышения энергетической эффективности быстропроточного СОг-лазера, возбуждаемого импульсно-периодическим электроионизационным разрядом 143
4.3. Выводы 160
Глава 5. С02(СО) -лазеры, возбуждаемые фотоионизационным разрядом 161
5.1. Фото ионизационные СОг - лазеры, использующие смеси С02: N2: He:NO и СО2: N2: Не: NH3. Квазинепрерывный режим генерации С02-лазера 161
5.2. Криогенный СО-лазер, возбуждаемый фотоионизационным разрядом 172
5.3. Выводы 179
Заключение 181
Список литературы
- Фотоионизационная система накачки с использованием коротковолнового УФ излучения
- Влияние магнитного поля на характеристики электроионизационного СОг-лазера. Предельные размеры объемного разряда и лазерных систем
- Излучающие микрошнуры плазмы как основа линейных и широкоапертурных источников УФ излучения
- Разработка и исследование способов повышения энергетической эффективности быстропроточного СОг-лазера, возбуждаемого импульсно-периодическим электроионизационным разрядом
Введение к работе
Настоящая работа посвящена экспериментальным и расчетно-теоретическим исследованиям физических процессов и явлений в плазме активной среды проточных С02(СО)-лазеров атмосферного давления, возбуждаемых несамостоятельными разрядами, управляемыми импульсно-периодичее кими электронными и фотонными пучками с большими полями облучения, получению новых экспериментальных результатов по импульсно-периодическому возбуждению больших объемов газа атмосферного давления в таких разрядах и последующей разработке на этой основе физических и технических принципов создания мощных С02 (СО)-лазеров для технологических целей.
С02(СО)-лазеры в настоящее время занимают ведущее место среди мощных лазерных систем непрерывного действия благодаря высокому КПД, доступности рабочей смеси газов, слабому поглощению когерентного ИК излучения в окружающей атмосфере [1-3]. Мощные С02(СО)-лазеры непрерывного и импульсно-периодического действия представляют несомненный интерес для научного и практического использования, поэтому постоянно привлекают внимание исследователей. Благодаря исключительно высокому темпу исследований и разработок был достигнут значительный прогресс в понимании физики объемных разрядов высокого давления, широко применяемых в газовых лазерах. С небольшим разбросом по времени сразу в нескольких научных центрах [4-17] открыли, исследовали и обосновали возможность возбуждения несамостоятельного разряда в плотных С02-лазерных средах с использованием внешнего достаточно интенсивного ионизирующего излучения (пучки быстрых электронов, УФ излучение, а-частицы, продукты ядерных реакций). Принципиальным преимуществом нового способа накачки являлся тот факт, что функции создания электронов в газоразрядной плазме перешли от электрического поля к внешнему источнику ионизации. Достижение оптимальной электронной температуры, при которой эффектов- но возбуждались колебательные уровни молекул N2 и ССЬ, осуществлялось наложением однородного электрического поля, которое могло регулироваться в широких пределах и ограничивалось сверху самостоятельным пробоем разрядного промежутка.
Из теоретического анализа следовало, что несамостоятельный разряд открывает широкие возможности по созданию пространственно- однородных объемных разрядов в газах высокого давления, допускающих масштабирование до практически любых объемов разрядной среды [11].
При возбуждении лазеров на колебательных переходах ожидалось, что развитие неустойчивостей в плазме газового разряда будет ослаблено, т.к. оптимальное значение приведенного электрического поля в разряде Е/р (здесь Е - напряженность электрического поля, р - давление газа) существенно ниже того значения, при котором зажигался самостоятельный разряд.
Благодаря наличию мощных электронных ускорителей с высоким КПД порядка 50%, претерпевших незначительные конструктивные доработки для лазерных целей, удалось достаточно быстро создать импульсные высокоэнергетические СОг-лазеры [13] и подтвердить перспективность использования электроионизационного разряда (несамостоятельного разряда, управляемого электронным пучком).
Вопрос о возможности создания непрерывных СОг-лазеров высокого давления, возбуждаемых несамостоятельными разрядами, впервые был рассмотрен и детально изучен в диссертации [б] и последующих работах [7,8] . Наряду с развитием физики несамостоятельного разряда в работе [6] были разработаны принципы применения импульсно-периодического электроионизационного разряда для возбуждения быстропроточных СОг-лазеров атмосферного давления. Для этого потребовалось определить и согласовать минимально допустимый уровень ионизации, который обеспечивал достаточно эффективное возбуждение и генерацию ССЬ-лазерных сред, с возможностями слаботочных электронных ускорителей работать в импульсно-периодическом режиме. Дело в том, что наличие тонкой фольги, через которую осуществля-
7 ется инжекция быстрых электронов в лазерную смесь, приводит к ограничению интенсивности ионизации и, соответственно, мощности накачки. Было показано, что при использовании электронных пучков средних энергий со значением ускоряющего напряжения Uc>100 кэВ и плотностью тока je < 50 мкА/см возможно перевести несамостоятельный разряд в дозвуковом потоке плотного газа в непрерывный (импульсно-периодический) режим работы. Кроме того, изучение динамического поведения газовых потоков, возмущаемых периодическими импульсами несамостоятельного разряда, позволило сориентировать экспериментальные исследования и осуществить выбор таких параметров, как скорость прокачки газовой среды, частоту и длительность импульсов накачки, геометрию разрядного промежутка [6]. В целом, эти результаты открыли путь к созданию мощных С02-лазеров длительного действия с повышенным давлением рабочей среды.
Настоящая работа продолжает цикл исследований [6-8], направленных на разработку физико-технических основ по созданию мощных лазерных систем длительного действия.
Целью диссертации является экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование физических процессов и явлений, определяющих эффективность лазерных систем на основе несамостоятельных разрядов. Наряду с изучением электроионизационных способов накачки проточных лазерных сред атмосферного давления, допускающих охлаждение, в диссертации предложена и исследована альтернативная возможность создания эффективной системы накачки мощных СОг(СО) - лазеров с использованием коротковолнового УФ излучения, воздействующего на неорганические газовые присадки с низкой температурой кипения. Это, в свою очередь, потребовало проведения поисковых исследований и создания интенсивных источников УФ импульс но-периодического действия, а также выбора присадок среди молекулярных и атомарных газов с потенциалом фотоионизации U; = 9,25 - 15 эВ, анализа элементарных процессов в плазме активной среды фотоионизационных С02(СО)-лазеров. Для получения новой и более деталь-
8 ной экспериментальной информации о физических процессах, связанных с ионизацией, возбуждением и генерацией газовых лазеров с несамостоятельным разрядом, возникла необходимость в создании ряда диагностических методов. Те из разработок, которые носят приоритетный характер, и потребовали оригинальных физико-технических решений, нашли отражение в диссертации.
Основу диссертационной работы составляют исследования, состоящие из двух этапов. Первый цикл [18-43] исследований связан с решением научно-технической программы по созданию мощных быстропроточных СОо-лазеров длительного действия для технологических целей. Возбуждение проточных С02-лазерных сред осуществлялось с использованием несамостоятельного разряда, управляемого слаботочным импульсно-периодическим электронным пучком с широким полем облучения (электроионизационная схема накачки). Эти разработки инициировали поиск альтернативных схем накачки с использованием другого вида источника внешней ионизации, каким являлось коротковолновое УФ излучение с энергией фотонов, превышающей потенциал фотоионизации газовых присадок с низкой температурой кипения (фотоионизационная схема накачки). В значительной мере перспективы фотоионизационной схемы накачки зависели от наличия эффективных источников УФ, поэтому были проведены достаточно широкие поисковые исследования в этом направлении. Решение проблемы создания фотоионизационной системы накачки для возбуждения проточных лазерных сред составило второй цикл исследований [44-94]. В итоге, создано новое направление в фотоионизационном способе возбуждения СОг (СО) -лазерных сред с использованием молекулярных и атомарных газовых присадок с низкой температурой кипения.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации — 205 страниц, список литературы содержит 199 наименований. Специальная обзорная статья отсутствует, ссылки и анализ работ по исследуемой проблеме содержатся в тексте диссертации.
Первая глава посвящена краткому описанию лазерных систем, методов экспериментальных исследований и оригинальных диагностических систем для исследования динамики, структуры и оптических свойств активной среды лазеров. Для экспериментальных исследований были созданы опытные образцы С02(СО)-лазеров с несамостоятельным разрядом. Для исследования пространственной структуры электронного пучка с большим полем облучения и энергией электронов 150 - 400 кэВ был подобран полимерный дозиметр винипроз, исследованы его характеристики и разработаны способы визуализации структуры электронного пучка на экране осциллографа [19,22,26,27].
Предложена и разработана информационно-измерительная и управляющая система на основе аналоговой вычислительной техники [20,28,29,48] для исследования электрических, оптических и энергетических характеристик лазера, работающего как в режиме моноимпульса длительностью 1 - 100 мкс, так и в режиме повторяющихся импульсов с частотой следования до 1 кГц. Обработка информации велась в реальном масштабе времени с разрешением 10~6 с. Лазер на парах меди (ЛПМ), как наиболее яркий и кратковременный импульсный источник света, был использован для разработки диагностических систем [66]. Активная среда ЛПМ имеет чрезвычайно большой коэффициент усиления, благодаря чему можно получить сильно увеличенное и усиленное по яркости изображение микрообъектов на большом экране. С помощью оптических диагностик с использованием ЛПМ были исследованы структура и динамика расширения микрошнуров плазмы в УФ ионизаторе, изучена динамика восстановления оптической однородности активной среды после импульсов фотоионизации и накачки, продемонстрирована возможность исследования динамики процессов на поверхности, закрытой слоем плазмы. При исследовании известного эффекта Т-слоя в плазме [44,178], что представляло интерес в связи с разработкой высокоинтенсивных источников УФ, был разработан спектроскопичекий метод определения пространственно - временного распределения электронной темпе-
10 ратуры Те в дуговой плазме с использованием двойных электроннооптиче-ских преобразователей [45-47].
Вторая глава посвящена исследованию физических процессов и явлений, определяющих оптическую однородность, устойчивость и стабильность импульсно-периодического несамостоятельного разряда [23-25,32,33,50-56,61-70,71]. Впервые с помощью лупы времени были получены картины свечения разрядного промежутка под воздействием электронного пучка и электроионизационного разряда, что позволило проанализировать влияние параметров электронного пучка и разряда на динамику развития неустойчи-востей в плазме несамостоятельного разряда. Эта информация в совокупности с измерениями коэффициента усиления по сечению лазера позволила выявить динамику нарушения пространственной и временной оптической однородности активной среды СОг-лазера. Изучены особенности процессов ионизации при использовании электронных ускорителей различной конструкции, что позволило осуществить необходимую коррекцию для целей более однородного облучения разрядного промежутка. Исследование предельных по Е/р и удельному энерговкладу W параметров импульсно-периодического разряда наряду с изучением релаксационных процессов в газовом потоке проводилось с целью достижения оптимальных режимов возбуждения как за счет усовершенствования элементов лазерной установки, так и за счет управления процессами ионизации и накачки.
Исследованы особенности фотоионизационного разряда (ФИР) в плотной смеси молекулярных и атомарных газов. ФИР инициировался в плотной лазерной среде при давлении р = 0,5-1 атм микросекундными вспышками коротковолнового УФ излучения при значении приведенного электрического поля Е/р = 0-8 кВ/см-атм. Определен оптимальный химический состав лазерных сред. В условиях эксперимента ФИР горит без пробоев до значений Е/Р = 8 кВ/см-атм. Повышенную устойчивость ФИР можно связать со стабилизирующим влиянием фотоэффекта на катоде. Отметим, что небольшой сдвиг УФ-излучения в короткую область спектра (Еф=7 —> 12 эВ) увеличива- ет эффективность фотоэффекта примерно в 103 раз. В связи с этим в течение импульса фотоионизации прикатодное падение потенциала отсутствовало, а затем формировалось в процессе распада плазмы. Исследован разряд в смеси инертных газов АпХе. Подтверждена возможность получения мощных вспышек УФ в спектральной полосе фотоионизации Хе (А. < 102 нм) при работе источника в среде Аг. Предложен новый способ организации комбинированного газового разряда. Положительный эффект, когда удается снизить частоту следования ионизующих импульсов и повысить устойчивость разряда, достигается за счет введения в рабочую среду газовых присадок, молекулы или атомы которых имеют долгоживущие метастабильные состояния, и последующего облучения газоразрядного промежутка фотонами, энергия которых превышает энергию ионизации возбуждения молекул или атомов присадки.
Третья глава посвящена разработкам и исследованиям внешних источников ионизации для лазеров с несамостоятельным разрядом. Полученные результаты по исследованию физических особенностей лазеров с несамостоятельным разрядом (глава 2) инициировали модернизацию электронных ускорителей [24,40], а также проведение поисковых исследований, направленных на создание источников коротковолнового УФ излучения [49,52,63,93].
В процессе расчетно-теоретических и экспериментальных [78, 90-92] исследований изучен механизм генерации фотонов с энергией Еф >10 эВ и разработаны эффективные источники УФ на основе многозазорного разряда. Благодаря этому появилась возможность расширить выбор присадок из числа молекулярных и атомарных газов с низкой температурой кипения.
Проведены поисковые исследования, направленные на разработку новых перспективных источников УФ для лазерных целей. При использовании комбинированных способов организации сильноточного разряда и взаимодействии быстродвижущейся плазмы с магнитным полем обнаружена множественная генерация высокотемпературных излучающих Т-слоев плазмы
12 [45]. С целью повышения эффективности фотоионизационной системы накачки разработан и исследован способ разделения газовых сред УФ ионизатора и СО2 - лазера [49,87]. Проведен расчетно-теоретический анализ излуча-тельной способности УФ ионизатора при использовании водородосодержа-щей газовой среды [52]. Продемонстрирована перспективность использования источников коротковолнового УФ, разработанных для импульсно-периодических фотоионизационных лазеров, в микроэлектронике, нефтехимии, медицине и экологии [74,75,81-86].
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию быстропро-точного С02-лазера атмосферного давления, возбуждаемого несамостоятельным разрядом, управляемым импульс но-перио дичее ким слаботочным пучком электронов. Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования генерационных характеристик С02-лазера [30]. Предложен и экспериментально исследован ряд оригинальных физико-технических решений, направленных на повышение энергетической эффективности электроионизационных лазерных систем [34-43]. Основные разработки относятся к лазерам с поперечной схемой возбуждения несамостоятельного разряда, когда быстрые электроны инжектируются вдоль разрядного тока в поперечном направлении к газовому потоку и оптической оси лазера. К оригинальным разработкам относятся следующие: газоразрядная камера (ГРК) лазера с магнитным корректором электронного пучка [36,43]; катодная структура ГРК, позволяющая целенаправленно влиять на физические условия горения разряда в прикатодной области [34]; анодная структура ГРК с дискретными электродами для секционированного подвода питания к разряду в условиях возбуждения больших объемов газа [39]; лазер с кодирующим режимом посылки повторных импульсов накачки [38]; способы и устройства для подавления развития неустоичивостеи в плазме несамостоятельного разряда за счет использования электроотрицательных газов и быстродействующих схем шунтирования объемного разряда [37,42]; лазер с автоматизированной системой управления (АСУ) процессами возбуждения и генерации [41].
Пятая глава посвящена разработке и исследованию фотоионизацион ных С02(СО) - лазеров [56-73]. Впервые изучены плазмохимические процес сы в плазме фото ионизационного разряда при использовании таких приса док, как NO, NH3, О2, I2, С2Н4, CF3I, Хе, Кг, определен оптимальный химиче ский состав рабочей среды фотоионизационных СОг и СО-лазеров, выявле ны преимущества фотоионизационного разряда, инициируемого микросе кундными вспышками коротковолнового УФ, перед несамостоятельным раз рядом, управляемым слаботочным пучком электронов. На примере возбуж дения и генерации СОг и СО-лазеров показана перспективность использова ния предлагаемой системы накачки. Достигнуты оптимальные режимы возбуждения С02(СО)-лазерных сред (W = 0,3 - 0,6 Дж/см3-атм;
Е/р = 4-8 кВ/см-атм) при условии, что энергозатраты на фотоионизацию не превышали 10-50% от энерговклада в объемный разряд.
Было показано, что электрические и энергетические характеристики исследуемого разряда соответствуют оптимальным условиям накачки СОз-лазерных сред. Открытым оставался вопрос о влиянии газовых присадок на образвание инверсной населенности. Поэтому были проведены эксперименты по измерению коэффициента усиления (Ку) в лазерных средах, содержащих присадки NO или NH3, а также по наблюдению эффекта генерации. Поскольку экспериментально удалось повысить частоту следования импульсов накачки до 10-20 кГц при пониженном энерговкладе в УФ ионизатор, то представляет интерес теоретически проанализировать возможность создания непрерывного фотоионизационного С02-лазера с дозвуковой прокачкой газа и и мп улье но-периодическим возбуждением среды. С этой целью рассчитывался временной ход коэффициента усиления (Ку) СОг-лазерной среды. В результате расчетов и последующих экспериментов показано, что при f > 10 кГц можно получить квазинепрерывный режим генерации при использовании присадки NH3.
Получена генерация фотоионизационного СО-лазера, содержащего присадку 02:С2Н4, с КПД 10% и удельным энергосъемом 50 Дж/л-атм. Энер-
14 гозатраты на фотоионизацию составили примерно 30% от энерговклада в объемный разряд.
В заключении приведены выводы и основные результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований.
На защиту выносятся следующие основные положения:
В процессе экспериментальных исследований предложен и реализован ряд новых способов и устройств по диагностике ионизирующих излучений, плазмы и параметров лазерных установок импульсно-периодического действия.
Для исследования пространственной структуры электронного пучка с большим полем облучения использовались фотограммы пучка, полученные с помощью полимерного датчика - винипроза. Изучены дозиметрические свойства винипроза и разработана автоматическая просмотровая аппаратура /эквиденситометр/ для обработки отпечатков. С помощью этого метода получены новые экспериментальные данные о пространственной структуре электронного пучка при работе с различными ускорителями, проведена оценка степени неоднородности плотности тока быстрых электронов по сечению пучка на различной глубине распространения. Показано, что такие измерения необходимы как в процессе создания электронных ускорителей-ионизаторов, так и для проведения настройки ускорителя, входящего в состав лазерного комплекса.
Для исследования временного хода импульсов накачки, генерации и КПД лазера создан измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) на основе аналоговой вычислительной техники. С его помощью получена исчерпывающая информация об электрических и энергетических параметрах импульсно-периодического С02-лазера в реальном масштабе времени.
Спектроскопический метод для измерения пространственно-временного распределения электронной температуры плазмы с использованием двойных электронно-оптических преобразовате-
15 лей (ДЭОП), что позволило экспериментально обнаружить и исследовать динамику возникновения высокотемпературных излучающих Т-слоев в плазме; 1.3. Развиты оптические методы исследования плазменных и газодинамических объектов с использованием медного лазера в качестве источника света. Исследован УФ-ионизатор и получена серия теневых картин микрошнуров плазмы в процессе формирования и разлета при сильноточном разряде короткой длительности; получена серия интерферограмм фотоионизационного разряда; на примере наблюдения за процессом прожигания лучом СОч-лазера отверстия в кварце продемонстрирована возможность изучения динамики процессов на поверхности, закрытой слоем ярко светящегося газа или плазмы. Проведено экспериментальное исследование основных физических процессов и явлений, определяющих оптическую однородность и устойчивость объемного электроионизационного разряда, а также стабильность им пульс но-пери одического разряда в дозвуковом потоке газа.
С помощью лупы времени ЛВ-01 изучена динамика развития не-устойчивостей в плазме несамостоятельного разряда. Исследован временной ход коэффициента усиления в различных точках по сечению лазера в зависимости от состава газовых смесей на основе СОг, напряженности электрического поля в разряде и уровня мощности накачки. С помощью лазерной шлирен-системы изучена динамика восстановления оптической однородности газовой среды, возмущаемой импульсами накачки.
На основе теоретических и экспериментальных исследований оптических и генерационных характеристик проточного СО^-лазера импульсно-периодического действия определены оптимальные режимы и разработаны принципы построения автоматической системы управления (АСУ) для их поддержания.
Экспериментально обнаружен механизм развития прианодной неустойчивости в плазме несамостоятельного разряда, обусловленный немонохроматичностью электронного пучка в ускорителе с диодной электронно-оптической системой, а также неоднородной ионизации по высоте разрядного промежутка при пониженной энергии электронов. Обнаружено существование порогового значения параметра R^/h, ниже которого происходит срыв объемного разряда в дуговой режим, здесь R^-пробег быстрых электронов в газе, h-высота разрядного промежутка. Экспериментально установлена определяющая роль прикатод-ных процессов в развитии неустойчивостей в плазме несамостоятельного разряда и нарушение оптической однородности в при катодном слое газа толщиной порядка 1 см. Показано, что при оптимальном значении параметра Е/р в разряде и энерговкладе W=0,1 Дж/см3 *атм оптическая однородность разряда сохраняется по всему сечению лазера и начинает нарушаться в прика-тодном слое в заключительной стадии разряда. При переходе к импульсно-периодическому режиму с периодом, близким к пролетному времени газа T0=b/v устойчивость разряда ухудшается и пороговое значение параметра Е/р снижается на 30% при Т=1,5 Т0. Наличие многочисленных, локализованных на катоде дужек инициирует срыв объемного разряда в дуговой режим. Проявляется резко выраженный пороговый характер скорости прорастания дужек к аноду при увеличении параметра Е/р, зарегистрировано длительное существование прикатодных дужек в течение t = 10 с после отключения электронного пучка в условиях, когда электрическое поле не снижается в паузе между импульсами накачки.
В режиме моноимпульса достигнуты энергетические параметры, близкие к оптимальным. В режиме повторяющихся импульсов,
17 следующих с периодом Т = Т(), энерговклад в объемный разряд уменьшился в 1,5 раза, что привело к соответствующему снижению энергетических характеристик излучения. Проведен анализ влияния магнитного поля разряда на прохождение электронного пучка в разрядном промежутке и однородность ионизации. Получено соотношение, связывающее параметры электронного пучка и электрические характеристики разряда с предельными размерами однородной области накачки. Экспериментально исследовано влияние внешнего магнитного поля на пространственную структуру и однородность несамостоятельного разряда, контролируемого слаботочным пучком электронов. Показано, что при выполнении условия замагничен-ности быстрых электронов, аксиальное магнитное поле эффективно собирает рассеянный электронный пучок, благодаря чему однородность ионизации и концентрация вторичных электронов существенно возрастают по глубине распространения пучка. С помощью магнитной стенки удается локализовать электронный пучок и, соответственно, разряд в заданном объеме. Замагничи-вание электронов средних энергий Ес > 100 кэВ происходит в относительно слабом магнитном поле В а; 10 Гс, поэтому, наряду с применением магнитных систем в виде проводников с током, возможно применение постоянных магнитов, встроенных в электроды разрядной камеры. Показано, что при наложенном аксиальном магнитном поле энерговклад в разряд существенно возрастает за счет повышения однородности ионизации разрядного промежутка, снижаются потери пучка в фольговом узле ускорителя.
Для поддержания фотоионизационного разряда использованы молекулярные и атомарные газовые присадки с потенциалом ионизации Ui=9,25-14 эВ (NO, NH3, С2Н4, CF3I, J2,02 Хе), обеспечи-
18 вающие точную дозировку в потоке газа и имеющие низкую температуру кипения. Проведен анализ плазмохимических процессов в лазерных средах, содержащих исследуемые присадки и определен оптимальный химический состав ССЬ (СО) - лазерных сред.
Установлено, что облучение электродов разрядного промежутка фотонами с энергией Еф >10 эВ и интенсивностью I > 40 Вт/см -с приводит к исчезновению прикатодного скачка потенциала и повышению устойчивости разряда, что связано с интенсивным рождением электронов за счет фотоэффекта. Благодаря этому обеспечивается устойчивое возбуждение С02(СО) - лазерных сред при оптимальном значении приведенного поля в разряде Е/р.
Показано, что использование присадок NH3 и Хе при возбуждении фото ионизационного разряда обеспечивает рекомбинацион-ный распад плазмы, что существенно увеличивает длительность объемного разряда после отключения внешнего ионизатора. Эффект проявляется сильнее при повышенном значении Е/р, так как коэффициент рекомбинации при этом падает.
Получены оптимальные энергетические характеристики при исследовании ФИР в смесях инертных газов, а также кислородосо-держащих средах с добавкой Ь- Энергозатраты на фотоионизацию в режиме несамостоятельного разряда оказались выше, чем при возбуждении С02(СО)-лазеров. Однако использование комбинированных методов накачки с использованием коротких высоковольтных импульсов может существенно улучшить энергетические параметры данной системы накачки.
Экспериментально исследованы вольтамперные характеристики несамостоятельного разряда с устройством ионизации, имитирующим работу проточного УФ-источника с подачей азота.
19 Эффективность фотоионизации в этом случае возрастает, что подтверждает целесообразность разделения рабочей среды проточного УФ-источника от основной газовой смеси С02 -лазера. 2.13. Предложен новый способ организации комбинированного газового разряда, который позволяет снизить частоту следования ионизирующих импульсов и повысить энерговклад в разряд. Положительный эффект достигается за счет введения в рабочую среду газовых присадок, молекулы или атомы которых имеют долгоживущие метастабильные состояния, и последующего облучения газоразрядного промежутка фотонами, энергия которых превышает энергию ионизации возбужденных молекул или атомов присадки. Исследованы физические процессы в открытых источниках УФ излучения на основе многозазорного разряда, а также предложены и экспериментально изучены различные способы организации такого разряда для работы в газовой среде проточных СС>2(СО)-лазеров импульсно-периодического действия.
3.1. При плотности расположения искровых промежутков на излу- чающей поверхности 1 см и умеренных энерговкладах W" 0,01-1 Дж/см интенсивные вспышки коротковолнового УФ излучения (к <120 нм, Еф>10 эВ) получены за счет уменьшения искровых зазоров до величины d < 1 мм, оптимизации числа зазоров п > 20 и согласования RCL-контура, а также за счет быстрого подвода энергии к плазме микрошиуров с производной тока dl/dt > 109 А/с. При этих условиях зарегистрирован самосжимающийся разряд типа Z-пинча и эффективный нагрев квазиравновесных микрошнуров плазмы с радиусом г « 0,2 мм за время удержания плазмы в течение нескольких сотен наносекунд. Генерация УФ продолжалась в течение 1 мкс и прекращалась при последующем разлете плазмы.
20 Эффективность генерации УФ не снижалась при переходе от скользящего разряда к режиму свободных искр, оторванных от поверхности. В последнем случае возможен длительный режим повторения стабильных импульсов фотоионизации. Источник эффективно работал в лазерных средах, в которых буферными газами являлись N2, Аг, Не при давлении р=0,1-1 атм. При снижении энерговклада в искровой промежуток до W = 0,01 Дж достигнута частота следования УФ излучения f = 10 кГц. Предложен способ разделения газовых сред УФ-ионизатора и С02(СО)- лазера в условиях прокачки рабочей смеси газов. Экспериментально изучены спектральные характеристики скользящего разряда по поверхности пористой керамики, через которую продувались различные газы. Показано, что спектр излучения определяется, в основном, родом вдуваемого газа. Благодаря этому открывается возможность создания УФ-источника, излучение которого сконцентрировано в спектральной области, соответствующей окну прозрачности СОг (120+2,5 им). В этой части спектра интенсивно излучают возбужденные атомы и ионы азота, а также линия La(121,6 нм) водородной плазмы. Проведен теоретический расчет излучательной способности в линии Lu для шнура водородной плазмы при давлении 0,1-100 атм и температуре 1-3 эВ. Переход к более жесткому излучению по сравнению с длинноволновой границей пропускания СОг (165,5 нм) расширил выбор легко ионизируемых присадок с низкой температурой кипения.
Экспериментально исследован процесс взаимодействия быстро-движущейся водородной плазмы, создаваемой независимым источником (8-пинч), с тормозящим магнитным полем рельсотрона. Показано, что при определенных условиях инжекции плазмы, когда напряжение на рельсотроне превышает некоторое критиче-
21 ское значение, картина течения становится неоднородной, возни кает процесс последовательного образования квазипериодиче ской системы зон с повышенной температурой, приводящей к расслоению сгустка на отдельные токовые каналы (эффект Т- слоя в плазме). Достигнуты параметры водородной плазмы в Т- слоях, которые могут обеспечить интенсивную вспышку УФ. 3.5. Показана возможность использования разработанных открытых источников УФ излучения для научных и технологических це лей. На примере экспресс-стерилизаторов для медицины проде монстрирована более эффективная инактивация микроорганиз мов по сравнению с известными бактерицидными парортутными лампами. Предложен, экспериментально исследован и реализован ряд способов и устройств, направленных на повышение удельных энергетических ха рактеристик проточных СОг - лазеров импульсно-периодического дейст вия. Основные разработки относятся к лазерам с поперечной схемой воз буждения несамостоятельного разряда, когда быстрые электроны инжектируются вдоль разрядного тока в поперечном направлении к газовому потоку и оптической оси лазера. К оригинальным разработкам относятся следующие: газоразрядная камера (ГРК) лазера с магнитным корректором электронного пучка; катодная структура ГРК, позволяющая целенаправленно влиять на физические условия горения разряда в прикатодной области; анодная структура ГРК с дискретными электродами для секционированного подвода питания к разряду в условиях возбуждения больших объемов газа; лазер с кодирующим режимом посылки повторных импульсов накачки; способы и устройства для подавления развития неустоичивостей в плазме несамостоятельного разряда за счет использования электроотрицательных газов и быстродействующих схем шунтирования объемного разряда; лазер с автоматизированной системой управления (АСУ) процессами возбуждения и генерации.
22 Предложена, исследована и реализована альтернативная электроионизационному способу система накачки проточных газовых лазеров на основе использования коротковолнового УФ излучения, воздействующего на газовые присадки с низкой температурой кипения. На примере С02 и СО-лазеров продемонстрирована эффективность фотоионизацинной системы накачки, которая обладает технической простотой, компактностью, отсутствием у -излучения.
Показано, что благодаря окну прозрачности в спектре фотопоглощения молекул СО2 вблизи Х=120 нм возможно использование в качестве присадок NO или NH3. При изменении химического состава рабочей смеси газов получен управляемый по длительности импульс генерации от 1 до 100 мкс, а при повышении частоты следования импульсов фотоионизации f > 10 кГц зарегистрирован переход от импульсно-периодического к квазинепрерывному режиму генерации.
Достигнуты оптимальные по Е/р=5-7 кВ/см-атм. и удельному энерговкладу W = 0,3 Дж/см3-атм. режимы возбуждения С02 и СО-лазеров, при этом энергозатраты на фотоионизацию составили 6 < 30% от энерговклада в разряд.
При возбуждении СО-лазера выбор присадок ограничивался спектральным интервалом ДА, =100-135 нм, что обусловлено длинноволновой границей пропускания в спектрах фотопоглощения молекул СО и N2. Наиболее высокие энергетические характеристики получены в охлаждаемом до 110 К СО - лазере, содержащем присадку 02:С2Н4, импульс генерации регулировался в пределах t= 2-600 мкс.
5.4. Выявленные особенности предлагаемого способа организации разряда позволили резко понизить энергозатраты на фотоиони зацию до 5-20% от энерговклада в объемный разряд, а также обеспечить квазинепрерывный режим горения разряда при час-
23 тоте следования импульсов фотоионизации f >10 кГц. Достигнуты оптимальные режимы возбуждения СС>2(СО) - лазерных сред при условии, что концентрация СОг < 5%, а СО < 10% в рабочей смеси газов, включающей буферные газы N2:He.
Совокупность изложенных исследований и полученных результатов квалифицируется как новое крупное достижение в развитии перспективного направления в лазерной физике — создание физических принципов осуществления эффективного возбуждения проточных лазерных сред атмосферного давления с использованием электроионизационных и фотоионизационных схем накачки.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1976 г.); Всесоюзном совещании по автоматизации научных исследований в ядерной физике (Киев, 1976 г.); I, II и IV Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1977, 1982, 1984 г.г.); VII и VIII Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1977 г. и Новосибирск, 1980 г.); Всесоюзной конференции по физике плазмы "Современные методы нагрева и диагностики плазмы" (Харьков, 1977 г.); Ш Всесоюзном симпозиуме по сильноточной импульсной электронике (Томск, 1978 г.); V Всесоюзной конференциии по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979 г.); IXT Всесоюзном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1979 г.); I Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Душанбе, 1980 г.); XV Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск, 1981г.); II Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984 г.); I Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах (Томск, 1986 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях "Взаимодействие излучения плазменных
24 и электронных потоков с веществом" (Троицк, 1984, 1986 г.г.); VI-VIII-IX Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Оксфорд - Англия, 1982 г.; Грейфсвальд - ГДР, 1986 г.; Лиссабон -Португалия, 1988 г.); I Международной конференции "Лазер М2Р" (Лион-Франция, 1987 г.); IV и VII Международных симпозиумах по газопроточным и химическим лазерам (Стреса-Италия, 1982 г.; Вена-Австрия, 1988 г.); III Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989 г.), I Евразийском конгрессе «Медицинская физика», Москва, 2001 г., I Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)», Москва, 2001 г., Всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких энергий», Москва, 2004 г., а также докладывались на Ломоносовских чтениях МГУ и семинарах в Филиале института атомной энергии им. И.В. Курчатова, НПО "Алмаз", НИИЭФА им. Д.В. Ефремова. Опытные образцы новых плазменных устройств демонстрировались на Всероссийской научно-практической конференции и выставке "Высшая школа России и конверсия", Москва, 1993 г., выставке "Будущее России". Протвино., 1994. Полученные результаты отмечены при обсуждении последних достижений науки и техники (см. Наука и человечество. Международный ежегодник 1975. Знание. Москва, стр. 281 - 291. Наука и жизнь. № 1, 1995, стр. 130,Химия и жизнь. № 11,2004, стр.62.).
Фотоионизационная система накачки с использованием коротковолнового УФ излучения
Модели фотоионизационных С02-лазеров представлены на рис. 1.8 и 1.10. В камере из оргстекла с объемом 10 л устанавливались плоскопараллельные электроды с профилем Брюса. Плоская часть электродов имела размеры b х h = 2 х 50 см, межэлектродный зазор изменялся в пределах h = 2-5 см. Объемный разряд инициировался УФ-излучением многозазорного разряда.
Для создания искровых промежутков использовался, в основном, фоль-гированный медью стеклотекстолит толщиной 2 мм. На такой пластине формировалась цепочка электродов длиной 50 см, которая устанавливалась вдоль оси системы на расстоянии 2 см от края электродов. Цепочка электродов обратным проводом подключалась к емкости Ci = 2,5-100 нФ, заряжаемой до напряжения U] = 10-20 кВ через тиратрон ТГИ 1-1000/25, что позволило осуществить периодический режим ионизации с частотой до 20 кГц. Наряду со скользящим разрядом исследовался режим свободной искры, когда разрядные промежутки были приподняты над поверхностью диэлектрической подложки.
На первом этапе исследований нами была проведена оптимизация параметров скользящего разряда с целью получения достаточно интенсивного потока фотонов с энергией Еф = 10-15 эВ. Перераспределение энергии излучения разряда по спектральному диапазону осуществлялось за счет вариации параметров питающего LCR-контура и выбора геометрии разряда.
Основные электроды подключались к емкости Сг = 4 мкФ, U2 - 0 - 15 кВ, работающей в режиме частичного разряда. За время импульса объемного разряда спад напряжения на емкости С2 не превышал 10 %. После предвари-тельной откачки (Р = 10" Торр) камера заполнялась необходимыми смесями газов с регулируемым соотношением компонент. Давление рабочей смеси менялось в диапазоне Р = 0,1-1 атм.
Варьируя плотность присадки пх с сечением фотоионизации сти, можно добиться довольно значительной глубины проникновения фотонов, обеспечивающих однородную фотоионизацию в газовой среде повышенного давления. При двусторонней подсветке и типичных размерах лазера hxbxl=10xl0xl00 см можно принять длину пробега фотонов 1()) = 5 см, тогда пх = 1/1х= 10,6-1017 см"3, т.к. сечение фотоионизации большинства молекулярных и атомарных газов 10 -10 см . Это примерно 0,1-1 % от состава рабочей смеси газов. Как правило, УФ ионизатор, в спектре излучения которого должен содержаться достаточно интенсивный поток фотонов с энергией Еф 9,25 эВ, погружен в рабочую смесь газов. В большинстве лазерных сред используются такие буферные газы, как N2, Аг, Не, концентрация которых составляет 50-90% от состава рабочей смеси газов. Буферный газ существенно влиял на спектральный состав излучения, а но влиял на спектральный состав излучения, а также определял границы коротковолнового излучения, так N2 заметно поглощает УФ с длиной волны X 100 нм (Еф 12,5 эВ), Аг с X 70 нм (Еф 15,7 эВ), Не прозрачен вплоть до X = 50,4 нм(Еф = 24,6 эВ).
В основном, исследовалось горение ФИР в лазерных средах на основе С02 и СО. В качестве присадок изучались молекулярные (NO, NH3) С2Н4, О2, I2, CF3I) и атомарные (Аг и Кг) газы, буферными газами являлись N2 или Аг с добавлением Не. При использовании выбранных присадок наблюдалось нестационарное горение ФИР. За время импульса фотоионизации пиковая концентрация электронов в объемном разряде в зависимости от энерговклада в УФ ионизатор и рода присадки составляла величину Nc = 1012-1014 см"3, после чего плазма распадалась при Е/р = 6-8 кВ/см-атм в течение 2-100 мкс в зависимости от химического состава лазерной среды. При снижении энерговкла-да за импульс в УФ ионизатор до уровня 0,01 Дж/см осуществлен импульс-но-периодический режим фотоионизации с частотой F = 10 кГц.
Осциллографировались импульсы тока и напряжения, а также интенсивность УФ излучения в различных участках спектра. Свечение отдельных спектральных линий, например, La {X = 121,6 нм) исследовалось с помощью вакуумного монохроматора, заполненного азотом или гелием с небольшим избыточным давлением. Проводилось фотографирование излучающего и объемного разрядов. Динамика развития искрового канала и распада плазменного шнура исследовалась с помощью методов теневой фотографии. Для определения акустических возмущений вносимой искрой использовался интерферометр Маха-Цандера
Влияние магнитного поля на характеристики электроионизационного СОг-лазера. Предельные размеры объемного разряда и лазерных систем
Как видно из приведенной формулы, зависимость скорости от rk -сильная v l/r3, поэтому достаточно двукратное увеличение концентрации электронов в слое, чтобы получить заметное ослабление напряженности электрического поля и существенно снизить скорость продвижения квазистримера. Для того чтобы снизить коэффициент усиления поля Е на головке стримера целесообразно слой с повышенной проводимостью плазмы приблизить к поверхности катода, т.к. Ку 1/г. Понизить прикатодный скачок потенциала и, тем самым, замедлить время развития неустойчивости можно за счет повышения проводимости прикатодной плазмы при управляемом изменении ее химического состава или за счет дополнительного облучения прикатодного слоя ионизирующим излучением [33, 110].
Существует принципиальная возможность инжекций в прикатодную область разряда быстрых электронов с пониженной энергией, протонов, ионизирующая способность которых существенно выше, чем электронов, а длина пробега короче или, как было показано выше, фотонов с энергией Еф 10 - 20 эВ. При использовании электронных пучков подходит продольная схема разряда [40] с набором электронных ускорителей с двумя фиксированными значениями ускоряющего напряжения: для ионизации всего разрядного промежутка Ui и для дополнительной ионизации прикатодного слоя U2, при этом U2«U]. В поперечной схеме разряда целесообразно использовать встречные пучки, когда инжекция электронов осуществляется через прозрачные электроды, при этом пристыкованный к аноду ускоритель обеспечивает ионизацию всего разрядного промежутка (Ua), а противоположный ускоритель (Uk) используется для облучения прикатодного слоя, при этом Uk«Ua.
Рассмотрение механизмов распространения высоко проводящего канала в рамках предположения об электростатическом усилении поля на вершине канала показывает, что его развитие возможно лишь в случае, когда концентрация электронов растет с ростом поля, т.е. дпе/дЕ 0. Отсюда следует, что в чистом виде тепловой неустойчивости в электроотрицательных газах не существует, поскольку любое усиление поля или увеличение параметра E/N, в частности, вблизи вершины канала приведет к увеличению частоты диссоциативного прилипания, уменьшению проводимости в области усиления тока, а значит и к уменьшению тока собираемого на канал и последующему его распаду. (Следует, правда, отметить, что здесь возможны отлипательные механизмы распространения каналов). Таким образом, наличие электроотрицательных присадок в области вблизи катода может привести к некоторой стабилизации разряда. Добавки электроотрицательных газов в весь объем могут сказаться на падении проводимости всего разряда в целом, а также на лазерных характеристиках среды, поэтому наиболее эффективно добавлять 02 в приэлектродные области. Однако для того чтобы, не было искажения поля вдоль по зазору, необходимо наложить ограничение на концентрацию кислорода (n(h): где Кг и Kg- константы трехтельного и диссоциативного прилипания электродов, q - скорость рождения электронов за счет внешнего источника ионизации. При появлении квазистримера поле на его вершине увеличивается, что приведет к резкому увеличению Kg (из-за ехр зависимости E/N), в результате чего концентрация электронов падает и развитие квазистримера затрудняется. Однако условие (2.4) является довольно жестким, и оптимальный режим поддува воздуха необходимо искать экспериментально. Последующие эксперименты [37] позволили определить оптимальную концентрацию инжектируемого кислорода и подтвердить эффективность подавления развития квазистримеров.
При поддержании напряженности электрического поля в разряде вблизи оптимального значения (для СОг-лазера Е/р и 5 кВ/см атм) объемный разряд становился неустойчивым и срывался в дуговой режим. Одной из причин нарушения неустойчивости разряда, является пространственная неоднородность электронов проводимости, обусловленная рассеянием и торможением быстрых электронов в плотном газе [113-120]. Диффузия электронного пучка приводила к неоднородному распределению электрического поля на поверхности электродов и концентрации напряженности электрического поля на границе разряда. При возбуждении больших объемов газа неоднородность ионизации может возникнуть при пинчевании электронного пучка за счет фокусирующего влияния азимутального магнитного поля разряда [21,120]. В обоих случаях, когда наблюдается расхождение или фокусировка пучка, целесообразно применить аксиальное магнитное поле, создаваемое с помощью внешней магнитной системы [36,43,119]. Представляло интерес исследовать прохождение слаботочного электронного пучка в магнитном поле, образованном магнитной линзой, а также влияние характера транспортировки электронного пучка на горение несамостоятельного разряда. Схема эксперимента представлена на рис.2.7. Детальное изложение экспериментов представлено в работе [31].
Излучающие микрошнуры плазмы как основа линейных и широкоапертурных источников УФ излучения
В этом случае скорость рождения электронов проводимости в разряде определяется цугом импульсов электронного пучка с постоянной амплитудой. Период следования импульсов ионизации выбирается из условий: Т «f =\/-Jqj3, здесь Т-период следования импульсов ионизации, q - скорость рождения электронов, (3 - коэффициент диссоциативной рекомбинации электронов, tjCr - характерное время установления электронной концентрации. Для поддержания концентраций электронов в азотной плазме несамостоятельного разряда пе 1012 см"3 (р=10 7см3/с) необходимо иметь q=1017 е/см3, тогда tycr-lO"5 с и Т 10"6 с.
Электронный ускоритель с высокой частотой следования импульсов ионизации f = 1/Т 1МГц можно использовать в С02-лазерах с любым режимом генерации: импульсным, импульсно-пер и одическим и непрерывным.
Предлагаемая схема ускорителя обладает рядом преимуществ:
1. Существенно упрощается конструкция и повышается надежность выходного усилителя и развязывающего трансформатора. Примерно в 2ч-3 раза уменьшается мощность, рассеиваемая на анодах ламп модулятора.
2. Частота цугов, их длительность и скважность может изменяться в широких пределах. Длительность цуга может регулироваться по времени от 5 мкс до нескольких секунд.
3. Схема [169] обеспечивает достаточно точное воспроизведение заданного профиля импульса накачки, отклонение может не превышать 5%.
4. Предлагаемый режим работы электронного ускорителя позволяет расширить выбор эмитеров. Помимо нагревных катодов можно применить холодные катоды со "взрывной" эмиссией электронов. Такие катоды обеспечивают получение импульсных пучков с длительностью тока te-10" с при плотности тока до je= 1А/см2 . Отметим, что за счет бинарной схемы управления сеточным напряжением можно оптимизировать режим возбуждения С02-лазерной среды за счет значительного перепада интенсивности быстрых электронов в первом коротком и в последующем более длительном импульсе ионизации [169].
Известно, что скользящий по поверхности диэлектрика разряд является наиболее экономичным источником УФ-излучения и может работать в ре жиме повторяющихся импульсов с высокой частотой следования [134,60].
Такой разряд находит применение в качестве источника УФ излучения для предыонизации активной среды газоразрядных лазеров [131], плазменных электродов [152] и т.д. Представляло интерес исследовать характеристики скользящего разряда и провести оптимизацию его параметров с целью получения интенсивного потока фотонов с энергией Еф 9,5эВ (X 130 нм), превышающей потенциал фотоионизации молекулярных и атомарных газов с низкой температурой кипения. Эксперименты проводились на установке, представляющей собой модель фотоионизационного С02-лазера, рис. 1.8 (см. Глава 1).
Характеристики объемного фотоионизационного разряда использовались для диагностики параметров скользящего разряда. Основные эксперименты проведены при заполнении камеры смесью N2 :Х, где X - одна из дозируемых присадок со следующими потенциалами ионизации: NO (9,15 эВ), NH3 (10,15 эВ), 02 (12,1 эВ), Хе (12,1 эВ).
В процессе экспериментов осциллографировались токи излучающего I] и объемного Ь разрядов, а также интенсивность УФ излучения в спектральных интервалах 110-220 нм (ФЭК) и АХ=\10-365 нм(ФЭУ-142). Контролировалось напряжение зарядки емкостей Сі и С2, питающих оба разряда. По результатам измерений определялись энергозатраты на фотоионизацию по отношению к энерговкладу в объемный разряд 5 = CrUi2/ 2- J I2 -U2 -dt. По сорту присадки оценивалась интенсивность фотонов с различной энергией, по фронту тока 12 определялось время действия коротковолнового УФ. Кроме того, в видимом диапазоне света проводилось фотографирование излучающей ячейки через различные фильтры, снимался спектр скользящего разряда. Спектральное распределение энергии излучалось с помощью прибора ИМО-2 и набора фильтров. Исследовалась динамика высвечивания отдельных спектральных линий, принадлежащих возбужденным атомам и ионам подложки, электродов и газовой среды. Использовался вакуумный монохроматор, заполненный азотом или гелием с небольшим избыточным давле ниєм, проводилось фотографирование разряда. Динамика развития искрового канала и распада плазменного шнура исследовалась с помощью методов теневой фотографии. Для определения акустических возмущений вносимой искрой использовался интерферометр Маха-Цандера. Для наблюдений теневых и интерференционных картин в качестве источника света использовался лазер на парах меди [66]. Исследовалось влияние поддува газа в область скользящего разряда. Для этого электроды располагались на пористой керамике, через которую осуществлялась подача газа (N2, Хе, Аг) [49].
На основе полученных экспериментальных данных нами были предложены и испытаны различные способы организации излучающего разряда с целью получения однородного свечения большого количества искр, расположенных с погонной плотностью порядка 1 см" на длине L= 0,5-1 м или с плотностью порядка 1 см" на достаточно большой поверхности S 100 см [93],рис.3.2.
Разработка и исследование способов повышения энергетической эффективности быстропроточного СОг-лазера, возбуждаемого импульсно-периодическим электроионизационным разрядом
Теоретический анализ проведен для импульсного СС -лазера атмосферного давления, возбуждаемого несамостоятельным разрядом [18,23-25]. В таком лазере достаточно просто изменять удельную мощность накачки за счет изменения плотности тока ионизирующего пучка электронов и поддерживать электрическое поле в разряде, близкое к оптимальному.
Для получения импульсов излучения t„ 10" сек удельная мощность накачки выбиралась равной W = 2-3-4-6 кВт/см3. Параметр E/N (N = 2,7-Ю19 см"3) выбирался равным (1,25 - 1,6 - 2,0) 10 16 В-см2.
Состав газовой смеси изменялся и соответствовал C02:N2:He = 1:6:3; 0,5:4,5:5, а также C02:N2:H20 = 1:9:(0,2-2 % Н20). Начальная температура газовой смеси задавалась равной 0 = Т К/300 = 1-0,8-0,7.
Расчет проводился для устойчивого резонатора с длиной активной зоны L и коэффициентом отражения выходного зеркала г. Параметр 1/2Ып-1/г задавался равным (1,76 - 3,72 - 5,94 -1,14) 10 см"1, объемные потери = 0,04.
Исследуемый лазер работал в режиме квазистационарного импульса излучения, длительность которого существенно превышает время колебательно-поступательной релаксации уровня 010 молекул С02. При этом в процессе генерации происходил нагрев газа, приводящий в конечном итоге к срыву генерации, что и определяло тем самым длительность импульса излучения.
Для проведения численных расчетов энергетических и временных характеристик С02-лазера использовалась система уравнений, которая описывает динамику заселенности первого колебательного уровня N2, рабочих уровней С02, а также интенсивность поля излучения в резонаторе в зависимости от состава газовой смеси, ее температуры и мощности накачки.
В отличие от более ранней теоретической работы [6,189] в данной системе уравнений учтено распределение удельной мощности накачки, идущей на возбуждение колебательного уровня N2 и рабочих уровней С02, а также на нагрев среды, в зависимости от состава газовой смеси и электрического поля в разряде. Кроме этого, учтен колебательный обмен молекул N2 и уровнями 100 и 010 молекул С02. Общая методика и особенности проведения численных расчетов детально представлены в ра К боте [Ю)иоменту проведения экспериментальных исследований было опубликовано большое количество работ по расчетам в смесях C02:N2:He в различных комбинациях парциального состава, однако представляющих интерес смесей: 1:6:3; 0,5:4,5:5 и 1:9 в литературе не находилось.
В результате численного расчета получено временное поведение следующих параметров: - Интенсивность лазерного излучения - IreH(t)= 1/2 11п(1/г) - Плотности энергии генерации - Eu(t) = 1/2 ln(l/r) I(t)dt - КПД генерации - (t) = E(t)/LWt - Коэфициент усиления - Ky(t) - Энерговклада в разряд - W- Температуры газа - T(t). На рис.4.1 и рис.4.2 приведены результаты расчетов временного хода импульса генерации и КПД излучения для смеси C02:N2:He = 1:6:3 при различных значениях E/N, W, г и L. В конце импульса генерации, представленного на рисунках, указано значение плотности энергии генерации Е.
На рис.4.3 приведены результаты расчетов временного хода коэффициента усиления (Ку) активной среды, приведены значения температуры активной среды в конце импульса накачки.
Анализ формы импульса генерации в исследуемом диапазоне E/N и W показывает, что импульс излучения состоит из короткого мощного пика излучения длительностью порядка 1 мкс, после чего интенсивность уменьшается примерно в 3 раза и постепенно составляет примерно 5 % от энергии всего импульса лазерного излучения.
Длительность импульса генерации существенно зависит от мощности накачки и слабо зависит от параметра E/N (Рис.4.4.). При накачке 2 кВт/см3 в исследуемом диапазоне E/N длительность генерации составляет примерно 80 мкс и несколько возрастает при увеличении электрического поля. При накачке 4 кВт/см3 длительность импульса генерации сокращается до примерно 55 мкс.
Длительность генерации, при которой достигается максимальное значение КПД излучения t, составляет примерно 0,5 tu и зависит только от мощности накачки. К этому моменту времени температура газа увеличивается примерно до 350 К (E/N = 1,25; W = 4), после чего дальнейший нагрев газа приводит к уменьшению инверсии и срыву генерации. К концу импульса генерации температура газа увеличивается примерно в 1,8 раза и энерговклад в разряд достигает 0,2-0,25 Дж/см3. При этом КПД излучения находится на уровне 15 % (E/N 1016 = 1,6; W = 4 кВт/см3).
Из расчетов следует, что энерговклад в разряд за время tu, КПД излучения и, соответственно, плотность энергии излучения возрастают, как при увеличении мощности накачки (W = 2-6 кВт/см3), так и при увеличении напряженности электрического поля в разряде (E/N 1016 В-см2 = 1,25-2,0), рис.4.5. за Ъмкс to го so. 40 so Рис. 4.2. Временной ход КПД генерации.
