Содержание к диссертации
Введение
1 Глава. Об источниках спонтанного излучения, возбуждаемых сильноточным импульсным разрядом 18
1.1 Газовые разряды, как источники оптического излучения 18
1.2 Импульсные лампы 20
1.3 Основы расчета импульсных ламп 25
1.4 Мощные импульсные лампы при форсированных режимах 30
1.5 Источники оптического излучения на основе наносекундного разряда при больших перенапряжениях 35
2 Глава. Методики эксперимента и экспериментальные установки 43
2.1 Импульсные источники питания 43
2.1.1 Генератор с индуктивным накопителем энергии и с полупроводниковым прерывателем тока 43
2.1.2 Генератор РАДАН-220 46
2.2 Объекты исследований 46
2.3 Аппаратура и методики, применяемые для измерений и расчетов 51
2.3.1 Определение токов разряда и пучка электронов, а также напряжения на газоразрядном промежутке 51
2.3.2 Определение спектральных, временных и энергетических характеристик излучения 56
2.3.3 Расчет мощности и энергии излучения в случае широкополосного спектра излучения 58
2.4 Обработка результатов измерений 60
3 Глава. Искровые источники УФ излучения с большой плотностью мощности на основе сильноточного разряда в ксеноне 63
3.1 Режим свободного расширения разряда 63
3.1.1 Зависимость излучательных характеристик от межэлектродного зазора 64
3.1.2 Зависимость излучательных характеристик от давления 64
3.1.3 Типичные характеристики искрового разряда в ксеноне 68
3.1.4. Зависимость излучательных характеристик лампы от режима ввода и величины энергии возбуждения 76
3.1.5. Зависимость излучательных характеристик лампы от режима работы генератора 81
3.2 Режим разряда, ограниченного стенками колбы лампы 88
3.3 Оценки 94
3.3.1. Температура и зарядовый состав 95
3.3.2. О спектре излучения 99
3.4 Искровой режим при наносекундном возбуждении 106
3.5 Выводы 112
4 Глава. Источники мощного ВУФ излучения на основе диффузного разряда в инертных газах, формируемого в неоднородном электрическом поле 115
4.1 О возможности формирования диффузных разрядов при высоких давлениях 115
4.1.1 Внешний вид разряда и характеристики электронного пучка в зависимости от давления в газонаполненном диоде 116
4.1.2 Параметры плазмы диффузных разрядов 130
4.1.3 Об энергетических характеристиках диффузных разрядов 132
4.1.4 О формировании диффузных разрядов и убегающих электронов субнаносекундной длительности в газовых диодах 136
4.1.5 О перспективности создания источников излучения на основе наносекундного разряда при больших перенапряжениях 139
4.2 Характеристики излучения наносекундных разрядов с высокой напряженностью электрического поля на катоде в инертных газах при больших перенапряжениях 140
4.2.1 Параметры излучения при повышенных давлениях (до 1 атм) в газоразрядной камере 141
4.2.2 О возможности применения диффузных разрядов для создания электроразрядных лазеров ВУФ диапазона 147
4.2.3 Параметры излучения при высоких давлениях (свыше 1 атм) в газоразрядной камере 154
Заключение 160
Приложения 162
Литература 163
- Мощные импульсные лампы при форсированных режимах
- Генератор с индуктивным накопителем энергии и с полупроводниковым прерывателем тока
- Зависимость излучательных характеристик от давления
- Внешний вид разряда и характеристики электронного пучка в зависимости от давления в газонаполненном диоде
Введение к работе
Актуальность работы. Импульсные газоразрядные источники спонтанного излучения находят широкое применение в современных технологических процессах. Их неоспоримым преимуществом является возможность варьирования режимов возбуждения рабочей среды в широких пределах. Параметры оптического импульса напрямую зависят от способов создания плазмы газового разряда: тепловое излучение формируется в плазме искровых или дуговых разрядов [1 ], люминесценция - в не-равновесной плазме тлеющего или объемного разряда [2 ].
Тепловое излучение используется в импульсных лампах: трубчатых, шаровых и т.д., с различным газовым и парогазовым наполнением. Наибольшее распространение получили импульсные лампы с наполнением инертными газами (ксенон, криптон и аргон), применяемыми для нужд внутриполостной медицинской фотографии, в качестве портативных электронных фотовспышек и оптической накачки лазеров (твер-дотельных, фото диссоциативных, химических, на красителях и эксимерных) [1 ,3 ].
Механизмом формирования теплового излучения является джоулев нагрев, при котором энергия электрического поля вкладывается в электронную компоненту плазмы, а затем в результате столкновений передается тяжелым частицам. Образующаяся плазма излучает в видимой и ультрафиолетовой (УФ) области спектра как черное тело с соответствующей ей температурой. Так, яркостная температура излучения источников на основе разряда с ограничением расширения токового канала кварцевой колбой в номинальных режимах составляет Тярк -5-10 килокельви-нов (кК), и они являются эффективными источниками излучения видимого диапазона спектра. Источники на основе свободно расширяющегося разряда характеризуются наличием большей доли УФ излучения. Их яр костные температуры достигают значений десятки кК, а доля энергии в УФ области может достигать 50 % от энергии из-лучения в диапазоне 200-1000 нм [4 ].
Формирование излучения в нужном диапазоне спектра с необходимыми характеристиками в искровом/дуговом разряде в инертных газах определяется практическими приложениями. Например, исходя их задач светотехники, интенсивно проводились исследования и оптимизация параметров излучения в видимой области спектра. Успехи в этой области позволили в 60-х годах создать первые квантовые генера-торы с оптической (ламповой) накачкой [5,6]. Для возбуждения лазеров на красителях потребовалось создание источников накачки, излучающих в длинноволновом
Ф Ф Ф
УФ диапазоне [3,7,8]. При этом внимание исследователей уделялось таким характеристикам излучения, как мощность, энергия и длительность светового импульса в определенном спектральном интервале.
С развитием оптоэлектроники актуальными стали исследования в области взаимодействия излучения с веществом. При этом отклик облучаемого объекта главным образом зависит от удельных характеристик светового импульса. В частности, для изучения импульсной фотопроводимости кристаллов алмаза потребовалось создание источника излучения в диапазоне длин волн короче 300 нм микросекундной дли-тельности с большой плотностью мощности излучения [9 - 11 ]. В подобных приложениях требуется решение задачи вывода мощных потоков коротковолнового УФ излучения через кварцевую оболочку лампы, поглощаемого вследствие эффекта «обратимой непрозрачности» кварца [12 ], заключающегося в сдвиге синей границы пропускания кварца вплоть до -350 нм под действием тепловой и радиационной нагрузки.
Большой интерес проявляется не только к источникам мощного УФ излучения, но и к источникам спонтанного излучения в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра. Например, формирование ВУФ излучения в плазме барьерного разряда, основанного на люминесценции экс им еров, стало основой научных исследований в области создания новых материалов для микроэлектроники [13 ]. Наиболее мощными и яркими некогерентными источниками в ВУФ диапазоне спектра на сегодняшний день являются эксимерные лампы на димерах инертных газов с возбуждением электронным пучком. Однако они имеют существенные недостатки: быстрое разрушение фольги, разделяющей вакуумную и газовую камеры, значительные потери при выводе излучения, а также наличие интенсивного рентгеновского излучения. Эти устройства могли бы найти более широкое практическое применение при получении эксимернои люминесценции в сильноточном тлеющем разряде в тяжелых инертных газах высокого давления. Для этого необходимо формирование объемного разряда [14 - 16 ], при создании которого одним из основных условий является предварительная ионизация газоразрядного промежутка, обеспечивающая много-электронное инициирование [2 ]. Схемы предыонизации УФ и ВУФ излучением от искрового или поверхностного разряда, обычно применяемые в газовых лазерах, не позволяют решить проблему формирования объемного разряда в тяжелых инертных газах высокого давления.
С конца 1960-х годов известен другой способ формирования объемных разрядов в плотных газах - при возбуждении газоразрядного промежутка наносекундными высоковольтными импульсами в условиях больших перенапряжений [17 ]. Объемный характер разряда в этом случае обеспечивается за счет предыонизации промежутка быстрыми электронами, которые генерируются у катода и в газоразрядном объеме. С появлением малогабаритных генераторов импульсов высокого напряжения
с субнаносекундным фронтом [18 , 19 ], реализация этого способа формирования объемного разряда существенно упростилась. Однако до начала наших исследований не было работ, в которых этот способ был использован для создания источника излучения на дим ерах инертных газов.
Источники мощного спонтанного ВУФ излучения, основанные на формировании объемного разряда при возбуждении высоковольтными импульсами с высокой напряженностью электрического поля на катоде, могут представлять интерес, в частности, для фотолитической накачки лазеров, ориентированных на получение мощных фемтосекундных импульсов [20 ,21 ].
В настоящее время оптические источники на основе теплового излучения и люминесценции востребованы во многих современных технологических процессах. Но в силу растущих потребностей в различных областях науки и техники возникают задачи и практические применения, требующие новых свойств и модификации известных, широко используемых источников излучения, или создания новых, что определяет актуальность данной работы.
Целью настоящей работы, начатой в 2001 г., является формирование коротковолнового УФ излучения с высокой плотностью мощности на кварцевой оболочке лампы до начала теплового запирания кварца с минимальными потерями и получение мощного спонтанного излучения ВУФ диапазона спектра в тяжелых инертных газах высокого давления при газоразрядном возбуждении.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выявление процессов, определяющих спектральный состав спонтанного излучения в коротковолновой УФ области в микросекундных искровых разрядах в ксеноне высокого давления и достижение предельных излучательных характеристик.
Поиск и реализация условий снижения тепловой и радиационной нагрузки на границе кварц - плазма при форсированных режимах энерговвода в искровых разрядах в тяжелых инертных газах.
Определение условий формирования диффузного самостоятельного разряда в тяжелых инертных газах атмосферного давления при возбуждении наносекундными высоковольтными импульсами.
Исследование спектральных, временных и энергетических характеристик излучения плазмы диффузных разрядов в тяжелых инертных газах до давлений ~12 атм при возбуждении высоковольтными наносекундными импульсами с высокой напряженностью электрического поля на катоде.
Методы исследования. Основным методом исследования в работе является физический эксперимент, в ходе которого проводилось измерение энергетических, вре-
менных и спектральных характеристик оптического излучения, а также параметров импульса возбуждения. На основе этих измерений по стандартным и оригинальным методикам, созданным в процессе работы, определялись мощность и КПД излучения в УФ и ВУФ областях спектра. Кроме того, результаты экспериментальных исследований сравнивались с результатами теоретического моделирования. Научные положения, выносимые на защиту:
В источнике оптического излучения УФ - диапазона, возбуждаемого сильноточным искровым разрядом с ограничением расширения токового канала стенками кварцевой колбы, при возбуждении импульсом тока с длительностью фронта менее 1 мкс и экспоненциальным спадом, обеспечивается вывод излуче-ния с плотностью мощности порядка ~ 400 кВт/см до начала интенсивного поглощения УФ излучения в парах кварцевой оболочки. В этих условиях возбуждения основной вклад в излучение вносят фоторекомбинационные переходы из квазиконтинуальных состояний ксенона.
При возбуждении тяжелых инертных газов атмосферного давления высоковольтными наносекундными импульсами с субнаносекундным фронтом (межэлектродный зазор до 16 мм, напряжение ~ 200 кВ, длительность фронта импульса напряжения ~0.5 не, длительность импульса ~ 5 не) с высокой напряженностью электрического поля на катоде формируется диффузный разряд, являющийся источником мощного излучения в ВУФ области спектра. Диффузный характер разряда обеспечивается предыонизацией газа пучком электронов длительностью не более 100 пс, который генерируется непосредственно в промежутке на начальной стадии формирования разряда.
В эмиссионном спектре тяжелых инертных газов атмосферного давления, возбуждаемых высоковольтными наносекундными разрядами с высокой напряженностью электрического поля на катоде, в диапазоне 120-850 нм более 90 процентов энергии излучается в ВУФ области на переходах вторых континуумов димеров инертных газов с шириной полосы излучения на полувысоте не более ~ 20 нм. При этом реализуются удельные мощности излучения в полный телесный угол ~ 100, ~ 350 и ~ 500 кВт/см в аргоне, криптоне и ксеноне, соот-ветственно, при удельных энерговкладах ~ 1 Дж/см .
Увеличение давления ксенона (до 12 атм) при возбуждении высоковольтным наносекундным разрядом с высокой напряженностью электрического поля на катоде приводит к росту мощности ВУФ излучения димеров ксенона (к ~ 172 нм) в полный телесный угол (до ~ 1 МВт/см ) и сокращает длительность импульса излучения на полувысоте до 8 не.
Достоверность результатов, отраженных в научных положениях и выводах обеспечивается:
получением равноценных данных в пределах доверительного интервала (18 %) при использовании различных методик для измерения энергии широкополосного излучения [9];
воспроизводимостью результатов измерений амплитудных величин тока и напряжения, а также временной формы импульсов: погрешность калибровки делителей напряжения и токовых шунтов не превышала ~ 10 %, время нарастания переходной характеристики делителей напряжения не хуже 150 пс, токовых шунтов ~ 200 пс, коллекторных узлов для измерения тока субнаносекундных пучков электронов ~ 50 пс;
согласием экспериментальных данных с результатами работ других авторов [1 , 3 , 17 , 32 ];
согласием полученных экспериментальных данных с результатами численного моделирования исследуемых явлений:
спектрального состава и мощности излучения искровых источников;
совпадением мощности излучения на дим ерах криптона в плазме диффузных разрядов атмосферного давления.
Новизна полученных результатов:
Определены условия исключения эффекта обратимой непрозрачности кварца при высоких тепловых и радиационных нагрузках на кварцевую оболочку ксе-ноновой искровой лампы (2005 - 2006 гг.).
Определены процессы, вносящие основной вклад в формирование широкополосного излучения (континуум) микросекундного искрового разряда в ксеноне (2007 г.).
Получена интенсивная люминесценция на переходах вторых континуумов ди-меров тяжелых инертных газов атмосферного давления в режиме диффузного разряда (2006-2007 гг.).
Установлена зависимость мощности и длительности импульса излучения в ВУФ области спектра от давления при возбуждении ксенона высоковольтным наносекундным разрядом с высокой напряженностью электрического поля на катоде (2007 г.).
Предложено использовать наносекундный диффузный разряд, формируемый в условиях больших перенапряжений в электрических полях с высокой напряженностью на катоде в качестве активной среды для генерации лазерного излучения
на димерах тяжелых инертных газов, что подтверждено эвристической моделью (2007 г.).
Показано, что в условиях свободного расширения плазмы искрового разряда в инертных газах существует ограничение на максимальную плотность мощности излучения в УФ области спектра с поверхности разрядной плазмы (2006 г.).
Предложен способ увеличения плотности тока и амплитуды тока субнаносе-кундного электронного пучка, генерируемого в газовом диоде (Патент RU № 2321917, приоритет: 15.06.2006).
Предложен способ увеличения мощности излучения микросекундного искрового разряда в ксеноне (Патент РФ № 46402, приоритет 22.02.2005; патент US No. 7227100 В2, опубл.: 15.02.2007).
Научная ценность:
Предложенный для возбуждения искрового разряда импульс с фронтом тока менее микросекунды, используемый для формирования УФ излучения с высокой плотностью мощности на поверхности кварцевой оболочки, снижает эффект обратимой непрозрачности кварца.
Созданный источник оптического излучения на основе микросекундного искрового разряда в ксеноне обладает плотностью мощности в УФ области спектра поряд-ка ~ 400 кВт/см , что позволяет решать научно-исследовательские задачи в области оптоэлектроники (например, для изучения фотопроводимости алмазоподобных материалов).
Показано, что совокупность таких условий, как укорочение импульса возбуждения до единиц наносекунд, использование электрических полей с высокой напряженностью на катоде, рекомбинационных сред и высоких давлений, обеспечивает фор-мирование мощного (~ 1 МВт/см ) спонтанного ВУФ излучения в самостоятельных разрядах в тяжелых инертных газах.
Практическая значимость:
Указан способ увеличения мощности (на 30%) и сокращения длительности излучения импульсной искровой лампы, работающей в режиме свободно расширяющегося разряда (патент РФ № 46402, приоритет 22.02.2005; патент US No. 7227100 В2, опубл.: 15.02.2007.).
Созданный мощный источник спонтанного излучения на основе сильноточного импульсного искрового разряда в ксеноне обеспечивает плотность мощности УФ из-лучения на внешней поверхности колбы лампы ~ 400 кВт/см .
Созданный источник излучения на основе высоковольтного наносекундного разряда в ксеноне высокого давления (12 атм) обеспечивает импульсную мощность мегаваттного уровня в ВУФ области спектра.
Разработанная методика определения спектральных и энергетических параметров импульсов излучения в абсолютных величинах в случае полихроматического источника излучения адаптирована для использования с современными многоканальными спектрометрами и широкополосными фотоприёмниками.
Внедрение результатов и предложения по их использованию:
Импульсная искровая ксеноновая лампа была использована в институте теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН в лабораторных исследованиях процессов формирования наночастиц железа и углерода при комнатной температуре в результате фотолиза пентакарбонила железа Fe(CO)s и недокиси углерода С3О2 (акт внедрения прилагается).
Использование наносекундных разрядов при больших перенапряжениях перспективно для создания мощных источников спонтанного излучения в ВУФ области спектра.
Предложено использовать наносекундные разряды, формируемые при больших перенапряжениях с высокой напряженностью электрического поля на катоде для получения генерации в электроразрядных лазерах ВУФ диапазона на димерах инертных газов, для которых порог генерации может быть достигнут в послесвечении.
Предложено использовать разработанный источник УФ излучения, основанный на микросекундном искровом разряде в ксеноне, для изучения процессов фотопроводимости в высоковольтных коммутаторах на основе алмазоподобных материалов.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:
Atomic and Molecular Pulsed Lasers VI-IX, Tomsk, Russia, 2003, 2005, 2007, 2009;
13th - 15th International Symposium on High Current Electronics, Tomsk, Russia, 2004, 2006, 2008;
The 7th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies, Tomsk, Russia, 2004;
The XVI International Conference on Gas Discharges and their Applications, Xi'an, China, 2006;
131 International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials: 2nd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materi-
als, High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2006;
141 Symposium on High Current Electronics: 2n International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2006;
10 International Conference on Gas Discharge Plasma and Their Technological Applications, Tomsk, Russia, 2007;
The 351 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), Karlsruhe, Germany, 2008;
24th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG), 2008;
X Харитоновские чтения - международная конференция «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии», РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 2008;
Симпозиум «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ - 2008), Лоо, Россия, 2008;
International Conference on High - Power Laser Ablation VII, Taos, NM, USA, 2008.
Личный вклад:
Основные результаты диссертации получены лично автором, или совместно с соавторами при его непосредственном участии: постановка и проведение экспериментальных исследований, разработка и создание экспериментальных установок, интерпретация и анализ полученных результатов.
В проведении экспериментов и обсуждении результатов принимал участие Е.Х. Бакшт. Расчеты планковской, тормозной и фоторекомбинационной составляющих спектра импульсной ксеноновой искровой лампы (Гл. 3, п. 3.3) проводились в Отделе кинетики Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН СИ. Яковленко, A.M. Бойченко и А.Н. Ткачевым. Оценки коэффициента усиления в криптоне при возбуждении наносекундным разрядом при больших перенапряжениях (Гл. 4, п. 4.2.2) проводились в ГУП ВНЦ «Государственный оптический институт им. СИ. Вавилова» Г.Н. Зверевой. В разработке методики по измерению тока пучка убегающих электронов принимали участие А.И. Климов, Е.В. Балзовский и И.К. Куркан (Гл. 2, п. 2.3.1 и Гл. 4, п. 4.1.1). Идея конструкции шунта на линиях принадлежит И.В. Пегелю (Гл. 2 п. 2.3.1). Исследования по определению концентрации и температуры электронов плазмы диффузных разрядов (Гл. 4, п. 4.1.2) проводились при участии Д.А. Сорокина.
Постановка задачи и общее руководство работой осуществлялось с.н.с, к.ф.-м.н. (специальность 01.04.05 - оптика) М.И. Ломаевым при поддержке научного консультанта профессора, д.ф.-м.н. (специальность 01.04.03 - радиофизика) В.Ф. Тарасенко.
Экспериментальные исследования оптических характеристик излучения проводились в Институте сильноточной электроники СО РАН.
Структура и объем работы:
Мощные импульсные лампы при форсированных режимах
В 1960-х годах новый виток в развитии импульсных ламп дало создание квантовых генераторов с оптической накачкой [5, 6]. В последующих работах многочисленными научными группами проводились оптимизации различных параметров известных серийно выпускаемых ламп, создание новых с необходимыми характеристиками, вносились коррективы и уточнения в теоретические модели, описывающие как процессы в самих лампах накачки, так и в процессы взаимодействия возбуждающего излучения и сопутствующих ему явлений с активной лазерной средой [7, 29-32].
Для накачки твердотельных лазеров YAG:NdJ , рубиновых, стекло с неодимом применяются импульсные лампы с длительностью импульса излучения сотни микросекунд, что соответствует времени жизни возбужденного уровня. Полосы поглощения активных сред данных лазеров находятся в ИК и видимой области спектра, что и задает требования эмиссионному спектру ламп накачки. Следует отметить, что наличие заметной фиолетовой и УФ составляющей в излучении уменьшают долговечность активных сред, т.к. ускоряют разрушение активных центров и появление продуктов распада и центров окраски, поглощающих на длине волны генерации лазеров. Более короткими некогерентными оптическими импульсами (0.1 - 10 мкс) возбуждаются лазеры на красителях для ограничения заселения триплет-триплетных состояний, а так же химические и фотодиссоциативные лазеры. Лампы накачки в этих случаях работают в жестких режимах разряда, а спектральные распределения импульсов излучения смещены в УФ область длин волн.
Эффективность генерации импульсных лазеров во многом определяется спектрально-временными характеристиками источников оптической накачки. Оценка эффективности может производиться разными способами. Например, спектральный метод показывает, какая доля излучения ламп соответствует основным полосам поглощения активных сред. Данный метод привлекателен простотой и универсальностью, а к недостаткам можно отнести отсутствие учета временных и пространственных факторов накачки. На практике, как правило, оценка эффективности накачки осуществляется «генерационным методом», т.е. прямым измерением параметров генерации при варьировании параметров разрядного контура и ламп накачки. Критерием эффективного использования ламп в этом случае являются КПД и максимальная энергия генерации. При этом обобщение получаемых данных хотя и возможно, но не тривиально в силу сложного характера получаемых зависимостей.
В частности, вопросы оценки эффективности импульсной ламповой накачки для твердотельных лазеров рассмотрены в работе [33]. Для лазеров на неодимовом стекле предельно возможный лазерный КПД оценивается авторами на уровне 20%, для лазеров на неодимовом гранате 7-9%, для лазера на рубине 12%. Так же авторы отмечают, что существенное различие предельно возможных и экспериментально полученных лазерных КПД связано с тем, что на практике используются неоптимальные системы накачки, без тщательного подбора размеров ламп и активного тела, осветителя, коэффициент отражения которого должен иметь максимальное значение во всех участках спектра. Кроме того, нужно, чтобы лампа накачки эксплуатировалась в режиме с максимальным КПД, который с учетом тепловых потерь в оболочке лампы и на электродах и потерь в разрядном контуре в лучшем случае может достигать 70-74%.
Для оптической накачки лазеров на растворах органических соединений необходимо повышение интенсивности излучения импульсных ламп в УФ области спектра. С этой целью используются разряды микросекундной длительности при больших удельных мощностях. Разрядные контура таких устройств должны обладать малой индуктивностью, в том числе и собственной индуктивностью ламп, для чего используются специальные конструкции.
В [34] для накачки красителей предложено использовать коаксиальную лампу с поперечным разрядом, электроды в которой расположены параллельно друг другу вдоль осевой линии устройства (Рис. 1.4.1). При source IM2Q kY
Схематическое изображение импульсной коаксиальной лампы с поперечным разрядом [8] переходе от продольной схемы разряда к поперечной можно в несколько раз увеличить мощность и существенно уменьшить длительность фронта импульса накачки. В [8] достигнута длительность импульса излучения в УФ области спектра 100 не при энергии разряда 110 Дж, что позволило повысить КПД лазера на растворах ряда красителей.
В [3] подробно представлены характеристики и приведены конструкции импульсных ламп накачки различных типов с длительностью импульса несколько микросекунд. Рассмотрено современное состояние исследований и разработок источников широкополосного оптического излучения. Изложены вопросы равновесности плазмы, спектрального состава излучения, эксплуатационные свойства трубчатых ламп, в том числе в предельных режимах. В частности показано, что в ксеноновой плазме разрядов микросекундной длительности устанавливается ЛТР, которого нет только на начальной стадии разряда [35]. Время выравнивания давления 1-7 мкс. Время установления равновесия между электронами и нейтральными частицами 10" с. Отрыв температур 1%. Время заселения уровней в соответствие с формулой Больцмана для ксенона 10"8 с. Показано, что физические процессы в микросекундном разряде определяются балансом мощностей, поэтому при систематизации спектральных характеристик предложено использовать в качестве основного параметра среднюю за время разряда удельную электрическую мощность РУд [36]. Этим параметром можно пользоваться в практических оценках спектрального распределения КПД ламп. Для этого необходимо иметь набор данных при различных РУд. Для ксеноновых ламп с разрядом длительностью более ЗООмкс информация представлена в работе [37], для микросекундных разрядов обобщение экспериментальных результатов ограничивается работой [36].
Генератор с индуктивным накопителем энергии и с полупроводниковым прерывателем тока
Система регистрации оптических характеристик включала в себя:
калиброванный фотоприемник фирмы Ophir Optronics LTD, Inc. с фотоприемной головой РЕ50ВВ для измерения энергии излучения. Для исключения влияния поглощения воздухом излучения в ВУФ области спектра фотоприемная головка располагалась в откачиваемом объеме на расстоянии 10 см от продольной оси разрядного промежутка. При характерных размерах плазменного образования 1 см для расчета доли излучения, падающей на фотоприемник, была использована модель точечного источника.
CCD-камера «SensiCam» с минимальной экспозицией 100 не, либо цифровой фотоаппарат применялись для фотографирования свечения разряда.
спектрометр ЕРР2000С-25 (фирма StellarNet Inc.) с известной спектральной чувствительностью на основе многоканального фотоприемника (CCD линейка Sony ILX511). Спектрометр предназначался для регистрации интегрального по времени спектра излучения в диапазоне от 200 до 850 нм в относительных единицах. Спектральная полуширина аппаратной функции спектрометра не превышала 1.5 нм.
вакуумный монохроматор VM-502 (Acton Research Corp.) применялся для регистрации спектров излучения в области от 120 до 500 нм при работе установок в импульсно-периодическом режиме. Спектральная полуширина аппаратной функции монохроматора не превышала 0.1 нм. Спектральная чувствительность вакуумного монохроматора в диапазоне 120 - 200 нм оценивалась в относительных единицах исходя, во-первых, из известной для данного прибора кривой отражательной способности используемой дифракционной решетки в диапазоне 50 - 200 нм. Во-вторых, на входе используемого в монохроматоре фотоэлектронного умножителя (ФЭУ - ЕМІ 9781 В) было установлено окно, покрытое слоем салициловокислого натрия, квантовая эффективность которого в пределах 40-340 нм не менялась.
При построении спектров в области 120-850 нм исходные данные, полученные на спектрометре и монохроматоре, «сшивались» на спектральном участке вблизи 200 нм.
монохроматор МДР-23 и ФЭУ-100 использовались для регистрации временного хода импульса в отдельных спектральных областях. Кроме того, при импульсно-периодическом режиме работы лампы и вращении дифракционной решетки с неизменной скоростью был получен массив данных по временному ходу излучения в различных спектральных участках с дискретностью 0,07 нм. Это позволило при дальнейшей обработке получать спектральное распределение мощности для произвольно выбранного момента времени относительно начала импульса излучения, а также энергии излучения. Данные для спектрального распределения энергии были получены при интегрировании осциллограмм мощности излучения по времени и оказались аналогичны результатам, полученным на многоканальном регистраторе спектра.
фотоэлемент коаксиальный ФЭК-22СПУ, калиброванный в абсолютных единицах в диапазоне от 200 до 650 нм, применялся для регистрации временного хода мощности интегрального по спектру импульса излучения. Также, используя фильтры УФС 1 и ЖС 20, регистрировался ход импульса излучения в УФ области спектра. Паспортные данные по спектральной калибровке ФЭК-22СПУ (основная погрешность не более 15 %) были проверены при измерении мощности излучения группы линий ртутной лампы на выходе светосильного монохроматора. Показания данного фотоприемника сравнивались с показаниями калиброванной фотодиодной головки PD300-UV OPHIR (Ophir Optronics LTD, Inc.), спектральная чувствительность которой в диапазоне от 200 до 1100 нм известна в абсолютных единицах с точностью ± 5%.
для регистрации временного хода мощности импульса излучения в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра применялся коаксиальный фотоэлемент с медным или алюминиевым катодом, созданный на базе серийного прибора ФЭК-22. Излучение из плазмы разряда подавалось на фотокатод коаксиального элемента через пластинку из флюорита (CaF2) или кварца (марка КУ-1) по вакуумированному тракту. Временное разрешение данного фотоприемника было не хуже 1 не. алмазный детектор компании AASC (диапазон чувствительности А, 350 нм)
Совокупность данных, получаемых со спектрометра ЕРР2000С-25 и фотоэлектрического приемника с известной в абсолютных единицах кривой спектральной чувствительности, не выходящей за пределы границы регистрируемого спектра, ФЭК-22 СПУ обеспечивает возможность определения спектрального распределения энергии излучения в абсолютных единицах в соответствие с нижеприведенной методикой [58].
Расчет мощности и энергии излучения в случае широкополосного спектра излучения
Предположим, что имеется импульсный источник спонтанного излучения с немонохроматическим излучением. Спектральное распределение энергии излучения в относительных единицах л(л) [отн.ед./лі] в заданном диапазоне длин волн АЯс[м] = Л2 -At может быть получено с помощью спектрометра. Кроме того, известен временной ход импульса тока /(/) [А], вызываемого потоком излучения в пределах области спектральной чувствительности фотоприемника ДЛФ [м] = Л4 - Л3 падающим на приемную площадку фотоэлектрического приемника
Зависимость излучательных характеристик от давления
Как было показано в пп. 3.1.4, при использовании искровых разрядов в инертных газах со свободно расширяющимся каналом невозможно получать большие плотности мощности излучения на поверхности колбы ламп. Это в первую очередь связано с зависимостью скорости расширения канала от скорости ввода энергии в разряд. Как это ни удивительно, но чем больший уровень энергозапаса генератора, тем меньшая плотность мощности излучения, в конечном счете, реализуется на поверхности колбы лампы. Данное обстоятельство в значительной степени полезно в задачах вывода большой мощности излучения в лампах с энергозапасом в единицы - сотни килоджоулей, где в дальнейшем применяются оптические фокусирующие системы [39, 78].
Плотность мощности излучения искрового разряда непосредственно на поверхности колбы можно существенно повысить при использовании трубчатых ламп. Это достигается за счет ограничения теплового расширения нагреваемой плазмы, увеличения плотности тока разряда и, в конечном счете, увеличения удельной электрической мощности возбуждения. Тем не менее, предельные характеристики энерговклада в данных устройствах ограничены - существенное форсирование энерговвода приводит к растрескиванию (разрушению) колбы и выходу лампы из строя.
Номинальным режимам работы соответствуют плотности тока j (5 20)— см и удельные мощности возбуждения Р,} (о. 1- 60)— -. Еще одним см ограничивающим фактором при создании источников излучения в УФ области спектра является так называемый эффект «обратимой непрозрачности» кварца [12]. Он заключается в сдвиге синей границы пропускания кварца со 160 до 220-К350 нм, в зависимости от условий протекания разряда. Аномальное увеличение УФ поглощения наблюдается на контактной границе кварц - плазма и обусловлено нагревом тонкого поверхностного слоя кварца до температуры интенсивного кипения (Т 3 - 4 кК). Авторы [12] полагают, что рост поглощения связан с обратимым термохимическим распадом структуры кварца и образованием новых поглощающих частиц (SiO, Si). После окончания разряда оболочка лампы остывает, и спектральные свойства кварца полностью восстанавливаются.
Таким образом, можно говорить о двух основных сдерживающих факторах, препятствующих созданию УФ источников спонтанного излучения с высокой плотностью мощности: аномальное увеличение поглощения УФ излучения при форсировании режима энерговвода и прочностные параметры колбы лампы.
Преодоление первого ограничения может сводиться к уменьшению длительности светового импульса и, в первую очередь, к укорочению переднего фронта импульса излучения [79]. Если характерное время нагрева внутренней поверхности кварцевой оболочки до температур интенсивного кипения будет превышать длительность переднего фронта светового импульса, то тепловое запирание кварца не успеет проявиться, и будет возможен вывод мощных потоков УФ излучения за пределы кварцевой колбы без существенных потерь.
Проблема разрушения оболочки лампы при форсировании режима энерговвода требует дополнительного рассмотрения. Изучению причин, приводящих к взрыву кварцевой колбы, посвящено большое количество публикаций, которые обобщены в [1, 80]. Здесь имеет смысл ограничиться описанием лишь нескольких из них.
Экспериментально было показано, что взрыв оболочки обычно происходит в конце импульса тока. В работе [81] было измерено давление разряда при помощи пьезокерамического датчика. При небольших энергиях разряда форма импульса давления была близка к форме импульса тока, но отличалась от него затянутым во времени задним фронтом. Этот импульс соответствовал давлению нагретого ксенона. При увеличении энергии разряда на импульсе давления с некоторым запаздыванием появлялся второй максимум, связанный с испарением и поступлением в разряд материала оболочки. С дальнейшим увеличением энергозапаса давление во время второго максимума возрастало и в момент разрыва колбы превышало давление нагретого ксенона в несколько раз.
Так же было замечено, что на предельные энергии разряда влияет форма импульса тока [1, 80, 82]. При одинаковой длительности импульса предельная энергия разряда, характеризующегося крутым фронтом тока и экспоненциальным спадом, на 55-40% больше, чем для С-разряда, у которого форма импульса тока близка к синусоидальной, и на 60% выше, чем для импульса разряда прямоугольной формы.
Из выше сказанного можно предположить, что для увеличения нагрузочной характеристики импульсных ламп с разрядом, ограниченным стенками колбы, предпочтительно использовать импульс возбуждения, имеющий крутой передний фронт тока и экспоненциальный спад. Это позволяет вывести значительную долю энергии излучения из лампы до эффекта «обратимой непрозрачности» кварца, таким образом снизить тепловую нагрузку на кварцевую оболочку, и, за счет форсирования режима эиерговвода, добиться большей плотности излучения в УФ области спектра на поверхности искровой ксеноновой лампы. По нашему мнению, на роль такого источника питания идеально подходит генератор с индуктивным накопителем энергии с полупроводниковым прерывателем тока - режим 3 работы генератора (рис. 2.1.1).
На рис. 3.2.1 приведены результаты оценки максимальной плотности мощности излучения на внутренней поверхности колбы (диапазон длин волн Р 200 -т- 400 нм.). В качестве оценки использовалась величина —, где Р мощность излучения разряда в момент максимума плотности мощности излучения, S2 — площадь поверхности цилиндра с высотой, равной высоте плазменного столба разряда в момент максимума плотности мощности излучения и с диаметром, равным внутреннему диаметру колбы. Длительность переднего фронта импульса излучения была меньше 1 мкс (использовался генератор в режиме 3, см. пп. 3.1.5). Уменьшение плотности мощности после прохождения максимума обусловлено эффектом «обратимой непрозрачности» кварцевых стенок колбы (рис. 3.2.2). Максимальная плотность мощности на внешней поверхности колбы лампы составила 400 кВт/см2, что соответствует 700 кВт/см2 на внутренней поверхности колбы. Использовалась лампа, аналогичная изображенной на рис. 2.2.1.а с внутренним диаметром колбы 0 3 мм, межэлектродным расстоянием 4 мм, давление ксенона составляло 550 Торр.
Внешний вид разряда и характеристики электронного пучка в зависимости от давления в газонаполненном диоде
На осциллограмме хорошо видны три пика с общей длительностью 8 не, которые связаны с отражениями волны напряжения в газовом диоде и генераторе [106]. Первый пик соответствует длительности импульса напряжения генератора РАДАН-220. Т.к. при данных межэлектродных зазорах (12-16 мм), сопротивление диода много больше оптимального для вакуумного режима, волна напряжения, отражаясь от диода, и после - от противоположного конца формирующей линии генератора, вновь возвращается к диоду, что порождает второй и третий пики тока пучка. Распределение плотности тока пучка по поверхности фольги диода оценивалось по свечению люминесцентной пленки, помещенной сразу за А1Ве фольгой и плотно к ней прилегающей. В случае вакуумного диода засветка наблюдалась по всему диаметру фольги, но была неравномерна: в центре имелась область яркого свечения, из которой исходили «лучи» (рис. 4.1.6.а).
При давлении гелия 0.005 атм амплитуда тока пучка возросла на 25 %, а длительность импульса по основанию сократилась до 5 не из-за отсутствия третьего пика. При дальнейшем увеличении давления до 0.015 атм длительности импульса тока пучка уменьшилась до 1.5 не из-за среза заднего фронта (рис. 4.1.4 5, в), при этом длительность переднего фронта не изменилась (рис. 4.1.5.1). Мы считаем, что срыв генерации вакуумного пучка и уменьшение его длительности обусловлены замыканием промежутка образовавшейся разрядной плазмой.
Как было сказано выше, в диапазоне давлений гелия от 0.02 до 0.07 атм на фотографиях разряда отсутствуют катодные пятна, свидетельствующие о взрывной электронной эмиссии. Именно в этом диапазоне давлений происходит трансформация наносекундного пучка электронов в субнаносекундный, причем как за счет укорочения заднего, так и переднего фронта импульса тока (рис. 4.1.5 осциллограммы 2-5). Плотность тока пучка на поверхности фольги газового диода неоднородна (рис. 4.1.6.в), начинается формирование струй, хотя свечение разряда еще достаточно равномерно (рис. 4.1.3.3).
При дальнейшем увеличении давления гелия (выше 0.07 атм) отпечаток пучка электронов на люминесцентной пленке имеет более резкие границы (рис. 4.1 .б.г), состоит из нескольких частей, расположение которых меняется от импульса к импульсу, как и вновь появившиеся катодные пятна. Длительность импульса тока пучка на полувысоте уменьшилась до 100 пс, что соответствует предельному временному разрешению системы регистрации (рис. 4.1.5, осциллограмма 6). С дальнейшим увеличением числа катодных пятен (рис. 4.1.3 фотографии 5-9) происходит выравнивание плотности пучка электронов в плоскости фольги газового диода (рис. 4.1.6 фотографии д, е). Увеличение амплитуды тока пучка при давлении гелия 3-4 атм можно объяснить возможным увеличением пробойного напряжения на газовом диоде. Следует отметить, что в этом диапазоне давлений количество катодных пятен перестает увеличиваться, а диффузные струи разряда приобретают резкие границы, и при дальнейшем увеличении давления внешний вид разряда существенно не изменяется.
Таким образом, в гелии диффузный характер разряда сохраняется при давлениях вплоть до 12-15 атм. Переход диффузного разряда в стадию контракции исследовался нами в азоте, диапазон изменения давлений от 0.1 до 12 атм. Регистрировались спектры излучения разряда и временной ход импульса излучения.
В азоте до давлений 5-6 атм реализовывался диффузный разряд (рис. 4.1.7 1-3), на фоне которого мог появляться более яркий канал. В эмиссионном спектре в диапазоне длин волн 200-850 нм доминировало излучение второй положительной системы азота [46, 108], переходы С3Пи -В Пё (рис. 4.1.8.а). По мере увеличения давления мощность и энергия излучения разряда падали (рис. 4.1.9.а), а струи становились уже. При давлении в газоразрядной камере 5-6 атм разряд контрагировал, причем искровая стадия разряда могла формироваться с задержкой до 10 не относительно начала пробоя (рис. 4.1.9.6 — второй пик импульса излучения). Впрочем, с дальнейшим ростом давления до 7 атм, время запаздывания быстро уменьшалось. В спектре излучения появлялся широкополосный континуум, характерный для искровых пробоев, с интенсивным свечением в видимой и УФ области спектра, увеличивающийся по мере роста давления (рис. 4.1.8.6). В разряде могли присутствовать несколько каналов контракции.
Мы считаем, что по спектральному распределению импульса излучения можно судить о характере разряда, формирующегося в описываемых условиях в азоте: наличие излучения второй положительной системы непосредственно указывает на диффузную стадию разряда. В контрагированном разряде излучение второй положительной системы азота должно отсутствовать ввиду высокой проводимости газоразрядного промежутка и, следовательно, низких значениях приведенной напряженности электрического поля Е/р, ниже необходимых для возбуждения состояния С Пи (150 - 200 В см" Торр"), что так же подтверждается спектральными распределениями излучения искровых микросекундных разрядов в азоте. Таким образом, наличие в спектре полос второй положительной системы азота, сопоставимых по интенсивности с излучением, имеющим непрерывный спектр, характерный для искрового разряда, даже при давлениях 12 атм свидетельствует о существовании диффузной фазы на начальном этапе формирования разряда при возбуждении высоковольтными наносекундными импульсами при высоких перенапряжениях.
