Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Формирование объемных самостоятельных разрядов в газовых смесях высокого давления
1.1. Основные процессы в газоразрядной плазме 21
1.2. Системы накачки самостоятельным разрядом с емкостными накопителями энергии
1.3. Системы накачки на основе генераторов с индуктивными накопителями энергии
Глава II. Методики измерений и экспериментальная аппаратура
2.1. Измерение параметров излучения эксиламп и лазеров
2.2. Измерение импульсов тока и падения напряжения на разрядном промежутке
2.3. Приготовление газовых рабочих смесей 41
2.4. Погрешности измерений 42
2.5. Конструкции источников спонтанного излучения 43
2.5.1. Мощные эксилампы барьерного разряда. 43
2.5.2. Мощные эксилампы с возбуждением поперечным самостоятельным 43 разрядом
2.5.3. Мощные эксилампы тлеющего разряда 45
2.6. Конструкции лазеров с формированием объемного разряда генераторами с емкостными накопителями энергии
2.6.1. XeCl* - лазеры с промышленными коммутаторами 48
2.6.1.1. Мощные лазеры «ЛИДА-101» и «ЛИДА-КТ» 48
2.6.1.2. Лазер «ЛИДА-Д» с переменной длительностью импульса излучения
2.6.1.3. Длинноимпульсный XeCl* - лазер «ЛИДА-М» 49
2.6.2. Универсальные лазеры «ФОТОН» 53
2.6.3. Многоволновой лазер «ДИЛАН» 56
2.7. Конструкции лазеров на основе генераторов с индуктивными накопителями энергии и прерывателями тока различных типов
2.7.1. Лазер с накачкой от генератора с плазменно-эрозионным прерывателем тока
2.7.2. Лазеры с накачкой от генераторов с прерывателями тока на основе промышленных диодов типа СДЛ
2.7.3. Лазеры с накачкой от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока на основе SOS - диодов
2.7.3.1. Лазеры с искровой предыонизацией 61
2.7.3.2. Широкоапертурный азотный лазер с рентгеновской предыонизацией
2.7.3.4. Лазеры с возбуждением продольным разрядом 66
ГЛАВА III. Эффективные источники уф - спонтанного излучения на основе самостоятельных разрядов в смесях инертных газов и галогенов
3.1. эксилампы с накачкой нормальным тлеющим разрядом
3.1.1. Цилиндрические эксилампы на молекулах XeF*, XeCl*, KrCl* 69
3.1.2. Коаксиальные эксилампы на молекулах XeCl* и KrCl* 80 3.2. XеC1* И KrCl* - эксилампы с накачкой поднормальным тлеющим разрядом
3.3. Коаксиальные барьерные эксилампы с повышенной энергией излучения в импульсе 85
3.4. Мощные эксилампы с накачкой поперечным 91 самостоятельным разрядом
3.4.1. Спектральный состав излучения эксилампы 91
3.4.2. Вольтамперные и излучательные характеристики поперечного 94
объемного разряда
Выводы к главе III 99
ГЛАВА IV. Электроразрядные лазеры с емкостными генераторами накачки
4.1. Управление энергетическими, временными и пространственными характеристиками излучения xеcl* - лазеров
4.2. Эффективные режимы работы электроразрядного лазера на молекулах кrcl*
4.3. эффективные нецепные hf(df) - лазеры с накачкой объемным самостоятельным разрядом выводы к главе iv 154
ГЛАВА V. Эффективные лазеры уф и видимого диапазона с накачкой от генераторов с индуктивными накопителями энергии и прерывателями тока различных типов
5.1. Моделирование работы плазменно-эрозионного прерывателя тока
5.2. Электроразрядные лазеры с накачкой от генератора с плазменно-эрозионным прерывателем тока
5.3. лазеры с накачкой поперечным самостоятельным разрядом от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока (ГПТ)
5.3.1. Особенности работы полупроводниковых прерывателей тока в импульсных генераторах
5.3.2. Пеннинговский плазменный лазер на смеси неона с водородом 176
5.3.3. Лазер на атомарных переходах фтора (FI - лазер) 179
5.3.4. Эффективные лазеры на галогенидах инертных газов с большой длительностью импульса излучения
5.3.4.1. Расчетные модели электроразрядных XeCl* - и KrF* - лазеров с накачкой от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока
5.3.4.2. XeF* - лазер с накачкой от ГПТ 188
5.3.4.3. KrF* - лазер с накачкой двойным разрядом от генератора с ГПТ 195
5.3.4.4. XeCl* - лазер с накачкой двойным разрядом от ГПТ на основе SOS - диодов с длительностью импульса накачки 150 нс
5.3.4.5. Длинноимпульсные XeCl* - лазеры с накачкой двойным разрядом от ГПТ
5.3.4.6. Задающий генератор на основе длинноимпульсного XeCl* - лазера с накачкой от ГПТ
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ V 221
ГЛАВА VI. Эффективные азотные, со2 - и нецепные химические лазеры с накачкой от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока
6.1. Лазеры с продольным разрядом, возбуждаемые генераторами с полупроводниковымипрерывателями тока
6.2. мощные длинноимпульсные азотные лазеры с полупроводниковыми прерывателями тока
6.2.1. Расчетная модель лазера на смесях азота с электроотрицательными газами
6.2.2. Параметры генерации азотного лазера и характеристики объемного разряда в смесях азота с электроотрицательными газами
6.2.3. Режимы работы азотного лазера на смесях азота с SF6 и NF3
6.2.4. Широкоапертурный электроразрядный азотный лазер 259
6.3. Эффективные со2 - лазеры с накачкой от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока
6.4. Нецепные химические лазеры с накачкой от 270 генераторов полупроводниковыми прерывателями тока
Выводы к главе vi 277
Заключение 280
Приложение а 286
Список литературы 320
- Основные процессы в газоразрядной плазме
- Мощные эксилампы тлеющего разряда
- Коаксиальные барьерные эксилампы с повышенной энергией излучения в импульсе
- Пеннинговский плазменный лазер на смеси неона с водородом
Введение к работе
Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию физических процессов в рабочих средах источников спонтанного и вынужденного излучения (эксиламп и лазеров) на основе газовых смесей различного состава при накачке самостоятельными электрическими разрядами, формируемыми источниками импульсного и постоянного напряжения, а также определению энергетических, спектральных и временных характеристик излучения данных источников. Основное внимание в работе уделено исследованию параметров спонтанного излучения молекул галогенидов благородных газов в тлеющем и барьерном разрядах, а также характеристик лазерного излучения, генерируемого в плазме поперечных объемных самостоятельных разрядов, формируемых импульсными генераторами на основе емкостных LC - генераторов и генераторов с индуктивными накопителями энергии и прерывателями тока (ГПТ) различных типов.
Актуальность работы. В настоящее время источники спонтанного (эксилампы) и вынужденного (лазеры) излучения находят широкое применение при проведении исследований взаимодействия излучения с веществом, многочисленных технологических приложениях, медицине, биологии, при синтезе новых материалов и модификации их свойств, фотостимулирования различных химических процессов, в фотобио 1 2
логии, фотомедицине, т.д. . Поэтому создание источников излучения, улучшение их рабочих параметров, поиск новых эффективных режимов работы данных источников является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.
К началу настоящей работы было обнаружено излучение гетероядерных возбужденных молекул, состоящих из атома инертного газа и галогена или кислорода, которые были названы эксиплексами и положили начало развитию эксиплексных лазеров и эксиламп на молекулах галогенидов благородных газов (ГБГ) . Интенсивная флуоресценция молекул RX (R-атом инертного газа, X-атом галогена) впервые обнаружена при взаимодействии атома инертного газа в метастабильном состоянии 3P2 с га- логеносодержащими молекулами Первый экиплексный лазер был запущен на молекуле XeBr в 1975 г . Несколько позже была получена генерация и на молекулах С этого времени также начались исследования, направленные на получение спонтанного ультрафиолетового или вакуумного ультрафиолетового излучения эксип- лексных молекул. Было показано, что ряд эксимерных и эксиплексных сред, на которых не достигается порог лазерной генерации, пригодны для получения спонтанного излучения при различных условиях возбуждения. В ряде работ изучались излуча- тельные характеристики импульсного тлеющего и поперечного объемного разрядов в смесях инертных газов и галогенов высокого давления. Получена люминесценция молекул ArO , ArCl , XeCl , XeBr , XeF и XeI 9-12 Эффективность излучения в импульсных разрядах не превышала 1% из-за развития контракции объемного разряда. Существенное повышение излучательных характеристик эксиламп на молекулах ГБГ было достигнуто при накачке тлеющим разрядом постоянного тока . Максимальная эффективность свечения молекул XeCl и KrCl достигала 10% при мощности излучения около 10 Вт, однако исследования, направленные на дальнейшее увеличения кпд и мощности излучения эксиламп данного типа, не проводились. Сравнимые значения мощности и эффективности излучения имеют эксилампы барьерного разряда14 15. Для возбуждения эксиламп данного типа используются относительно короткие импульсы, следующие с большой частотой. При этом возможность повышения пиковой мощности эксиламп барьерного разряда практически на исследовалась. Объемный поперечный разряда также используется для получения мощного спонтанного УФ- и ВУФ- излучения 12 16. Однако приведенные в литературе параметры таких источников спонтанного излучения крайне низки. Тем не менее, повышение характеристик эксиламп, в которых активная излучающая среда формируется самостоятельными разрядами различных типов актуально в силу растущих потребностей в мощных и недорогих источниках УФ- и ВУФ- излучения в различных областях науки и техники, а улучшение параметров эксиламп требует дополнительных исследований.
Формирование и поддержание объемного поперечного самостоятельного разря
Однако, при использовании LC- генераторов для создании мощных эффективных лазеров приходится решать ряд сложных проблем, связанных с повышением мощности накачки, формированием однородного объемного разряда и эффективной передачей в создаваемую активную среду энергии, запасенной в генераторе накачки. При этом к электрической цепи генератора предъявляются жесткие и зачастую противоречивые требования: минимальная индуктивность разрядного контура; высокое напряжение на разрядном промежутке на стадии формирования разряда и значительно более низкое напряжение на стадии ввода основной энергии в разряд и т.п. Удовлетворение вышеприведенных требований, как правило, сопряжено с серьезными трудностями, которые приводят к заметному усложнению конструкции генератора с ЕНЭ. При этом накачка от генераторов с ЕНЭ не всегда позволяет реализовать эффективные режимы работы источников спонтанного и вынужденного излучения. Также для ряда активных сред не определены условия возбуждения генераторами с ЕНЭ и составы газовых смесей, позволяющие достичь предельных эффективностей работы источников вынужденного излучения.
Вместе с тем уже достаточно давно известны методы генерации импульсов высокого напряжения с помощью генераторов с прерывателямит тока (ГПТ) различных типов и индуктивных накопителей энергии (ИНЭ) . В этом случае определенная часть энергии из накопительной емкости передается в индуктивность цепи генератора, а затем при срабатывании прерывателя тока может быть использована для создания активной лазерной среды на основе объемного самостоятельного разряда. В генераторе накачки прерыватель выполняет (совместно с ИНЭ) функции усилителя мощности, умножителя напряжения, а также обострителя фронта импульсов тока и мощности накачки. Таким образом, применение прерывателя тока позволяет использовать все потенциальные возможности LC- генератора накачки, а перечисленные свойства делают ГПТ важным инструментом при решении проблем, связанных с формированием объемного разряда и эффективной передачей энергии в активную среду, что в свою очередь может обеспечить эффективную лазерную генерацию в различных рабочих газовых смесях. Несмотря на перечисленные достоинства ИНЭ, к началу выполнения настоящей работы подробные исследование характеристик объемного разряда и лазерных параметров в рабочих газовых смесях высокого давления при накачке от ГПТ практически не проводились. Основной причиной этого являлось отсутствие простых и надежных прерывателей тока, способных работать в импульсно-периодическом режиме. Ситуация изменилась после открытия эффекта нс обрыва тока в промышленных силовых диодах типа СДЛ и КЦ и создания на основе этого эффекта специального прерывателя тока - SOS-диода (от англ. Semiconductor Opening Switch). SOS- диоды компактны, способны выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению, имеют большой срок службы. Поэтому возможности, которые открывает применение SOS-диодов делают ГПТ весьма привлекательными для возбуждении импульсных газовых лазеров.
Таким образом, к началу выполнения настоящей работы актуальными оставались следующие направления исследований и создания газоразрядных источников спонтанного и вынужденного излучения. Во-первых, исследование физических процессов в плазме самостоятельных разрядов с целью получения максимальных эф- фективностей газоразрядных источников спонтанного излучения с рабочими средами на основе смесей инертных газов с галогенами при использовании различных режимов возбуждения. Во-вторых, исследование параметров объемного самостоятельного разряда и вынужденного излучения в различных рабочих газовых смесях при накачке от LC- генераторов и поиск режимов возбуждения, в которых реализуются максимальные эффективности работы электроразрядных лазеров. В-третьих, широкие исследования режимов работы электроразрядных газовых лазеров с накачкой ГПТ с прерывателями тока различных типов, включая ранее не использовавшиеся для этой цели. В связи с этим тематика настоящей диссертационной работы, связанная с исследованием протекающих в различных газовых рабочих средах физических процессов, обеспечивающих достижение максимальных выходных параметров источников спонтанного и вынужденного излучения является актуальной.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы было изучение физических процессов, протекающих в рабочих средах газоразрядных источников вынужденного и спонтанного излучения при их возбуждении самостоятельными разрядами различных типов для достижения максимальных эффективности, энергии, мощности и длительности импульсов генерируемого излучения. При этом основное внимание было уделено рабочим средам источников вынужденного излучения при формировании объемного самостоятельного разряда ГПТ и источников спонтанного на основе барьерного и тлеющих разрядов различных типов.
Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:
1. Исследование эксиламп на молекулах XeF , XeCl и KrCl , возбуждаемыми нормальным и поднормальным тлеющими разрядами, а также барьерным и поперечным разрядами, определение влияния частоты следования, формы и мощности импульсов возбуждения, а также состава рабочих газовых смесей на эффективность работы различных эксиламп.
2. Определение оптимальных условий возбуждения поперечным объемным разрядом с УФ- предыонизацией электроразрядных лазеров на молекулах KrCl и HF (DF), при которых достигаются максимальные эффективности генерации лазерного излучения.
3. Проведение исследований работы плазменного прерывателя тока и генератора с ИНЭ и плазменным прерывателем, исследование накачки XeCl , азотного лазеров и лазера на смеси, Ne-H2 данным ГПТ для определения возможности использования генераторов с ИНЭ для накачки импульсных газовых лазеров.
4. Определение параметров импульсов возбуждения, формируемых ГПТ с SOS- диодами, при которых достигается максимальная длительность существования объемной стадии разряда в рабочих газовых смесях эксиплексных XeF , KrF XeCP-лазеров и в смесях гелия с фтором и трифторидом азота.
5. Экспериментальное и теоретическое исследование характеристик объемного разряда и параметров вынужденного излучения на молекулах ГБГ и N2 при различных режимах накачки рабочих газовых смесей ГПТ с SOS-диодами.
6. Исследование возможности получения новых эффективных режимов работы лазеров на молекулах азота, СО2, HF (DF) при формировании объемного самостоятельного разряда ГПТ на основе SOS-диодов.
Методы исследований. Основным методом исследований является физический эксперимент. Для определения характеристик разряда использовались стандартные методики измерения и регистрации осциллограмм импульсов тока разряда, напряжения на плазме объемного самостоятельного разряда, свечения разряда и стандартные методики оценки ошибок эксперимента. Для интерпретации полученных экспериментальных данных использовалось математическое моделирование работы ряда источников излучения на основе кинетических моделей, разработанных в лаборатории газовых лазеров и лаборатории теоретической физики Института сильноточной электроники СО РАН и оценочные расчеты.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. В положительном столбе нормального и поднормального тлеющего разряда в
смесях Xe(Kr) :СІ2=(6-3):1 при давлении до р 10 мм рт.ст. при добавках легких инертных газов (гелия и (или) неона) при содержании рНе добавки ро Рне 3ро, где ро-парциальное давление хлора и возбуждении импульсами длительностью
5 2
10_J с 10 с достигается кпд излучения эксиплексных молекул KrCl и XeCl 18 3 1
до 20% за счет высокой (до 10 см -с ) скорости их образования в гарпунных
17 з 1
реакциях и низкой ( 10 см -с ) скорости их безызлучательной релаксации в активном объеме эксилампы.
2. При накачке смесей Xe(Kr):Cl2 =(150-100):1 при давлении 100-200 мм рт.ст. объемным барьерным разрядом максимальная эффективность 8-10% свечения молекул XeCl и KrCl достигается при удельной энергии накачки 0,1-0,2 мДж/см в течение импульса возбуждения длительностью не более 500 нс. Увеличение
3 3
энергии накачки с 0,2 мДж/см до 1 мДж/см приводит к уменьшению кпд экси- ламп барьерного разряда с 8-10% до 3%, связанному с падением скорости образования эксиплексных молекул в гарпунной реакции из-за роста потерь возбужденных атомов инертного газа в процессе ступенчатой ионизации и ростом скорости тушения эксиплексных молекул в столкновениях с электронами.
3. При накачке активной среды, состоящей из Ne, Kr и HCl с соотношением компонентов Kr:HCl=(200-100):3 мм рт. ст. при давлении Ne 3-5 атм, объемным самостоятельным разрядом длительностью 40-120 нс в квазистационарной стадии разряда реализуется генерация на молекулах KrCl с эффективностью 2-2,5% при удельных мощностях накачки Руд=2-7 МВт/см .
4. В смесях SF6 с водородом и дейтерием в соотношении SF6:H2(D2)=8:1 при давлениях смеси 20-50 мм рт.ст. достигаются предельные кпд генерации нецепных электроразрядных HF- и DF-лазеров до 7-10% при длительности импульса тока объемного самостоятельного разряда не более 100-150 нс и удельной энергии накачки 30-70 Дж/л, что связано с появлением каскадных переходов, увеличивающих количество лазерных линий в спектре выходного излучения лазера.
5. Использование высоковольтного предымпульса с временем нарастания Гф=10-20 нс, обеспечивающего приведенную напряженность поля на лазерном промежутке не менее E/p=5 кВ/(см-атм), скорость нарастания тока разряда dI/dt=2-3 кА/нс и удельную мощность накачки не менее 1 МВт/см , является условием формирования устойчивого объемного разряда в смесях Ne-Kr-F2, Ne-Xe-NF3 при соотношении компонент смеси Kr:F2=60:1,5 мм рт.ст, Xe:NF3=(6-3):1,5(0,5) мм рт.ст. и в смесях He-F2(NF3) при содержании F2(NF3) 1,5-3 мм рт.с.т. и давлении буферного газа неона или гелия до 3 атм с длительностью до 150 нс. В этих условиях достигается лазерная генерация на В-Х переходах молекул KrF , XeF с эффективностью до 3% и реализуются максимальные мощность (до 400 кВт) и
энергия (до 8 мДж) излучения на атомарных переходах фтора с длительностью импульса излучения до 150-200 нс.
6. В газовых смесях Ne-Xe-HCl при соотношении компонентов смеси Хе:НС1=(12-10):(1,2-1,0) мм рт.ст. и давлении буферного газа до 3 атм формируется устойчивый объемный разряд с полной длительностью до t=550 нс и реализуется эффективная генерация на молекулах XeCl c энергией до 6=1,5 Дж, кпд /7О=1,4% и длительностью лазерного импульса на полувысоте до t1/2=300 нс при использовании предымпульса, обеспечивающего на лазерном промежутке максимальное значение параметра не менее E/p=5 кВ/(см-атм), скорость нарастания тока разряда не менее 4 кА/нс и мощность накачки не менее 2 МВт/см .
7. При возбуждении объемным поперечным разрядом смесей азота с добавками NF3 и SF6 при давлении азота p(N2)=30-60 мм рт.ст. и содержании добавки (0,1- 0,25)p(N2), максимальном значении параметра Е/р на лазерном промежутке не менее 200 В/(см-мм рт.ст.) и активной длине лазера l не менее 70 см реализуется режим работы азотного лазера на Л=337,1 нм с двумя пиками излучения в течение одного импульса накачки из-за увеличения напряжения горения объемного разряда за счет прилипания к электоотрицательным молекулам. При увеличении l до 90 см и Е/р до 300 В/см-мм рт.ст. достигается режим генерации прямоугольных импульсов на Л=337,1 нм с длительностью 50 нс при максимальной энергии и эффективности генерации азотного лазера, а дополнительная разгрузка
3 3 +
уровня В3Пё вынужденными переходами на полосе В ng -A Du азота увеличивает длительность импульсов генерации на Л=337,1 нм до 100 нс.
8. При формировании объемного разряда в смесях Не:СО2 2=3:1:1 атмосферного давления предымпульсами, обеспечивающими максимальное значение параметра Е/р на лазерном промежутке не менее 35 кВ/(см-атм) и скорость нарастания тока разряда не менее 2 кА/нс, реализуется режим накачки при оптимальном для заселения верхнего лазерного уровня СО2-лазера значении параметра Е/р 15 В/(смхмм рт.ст.) и достигается мощная (до Q=6,2 Дж и Рлаз=45 МВт) эффективная (до nnt=20%) генерация на Л=10,6 мкм.
Достоверность результатов исследований обусловлена применением общепринятых методик измерения параметров электрических импульсов и характеристик лазерного и спонтанного излучения, использованием современной регистрационной аппаратуры и современных методик эксперимента, современных аналитических и численных методов; количественным совпадением экспериментальных данных с результатами модельных расчетов, согласованием полученных результатов с данными,
11 25
полученными другими авторами в подобных условиях эксперимента . Использованная в экспериментах аппаратура позволяла проводить измерения импульсов с временным разрешением не хуже 10 нс, максимальная относительная ошибка измерений энергии (мощности) излучения и кпд лазеров не превышала ±10% и ±15%, соответственно, относительная ошибка измерения мощности и кпд эксиламп составляла ±25%, спектральная полуширина аппаратной функции спектральных приборов не превышала 2,5 нм.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Предложены рабочие среды газоразрядных источников спонтанного излучения с накачкой тлеющим разрядам, состоящие из смесей Xe-Cl2 и Kr-Cl2 с добавками Не и (или) Ne, в которых достигается увеличение эффективности спонтанного излучения молекул XeCl и KrCl по сравнению с ранее использовавшимися смесями. (Патент РФ №2089962. Опубл. 09.10.1997 г.);
2. Определены оптимальные для достижения максимальной эффективности работы KrCl - и XeCl - эксиламп тлеющего разряда формы импульса возбуждения, частота их следования и плотность тока разряда. Измерена эффективность свечения молекул XeCl и KrCl в положительном столбе тлеющего разряда. (Патент РФ №2089971. Опубл. 9.10.1997 г., Патент РФ №2096863. Опубл. 20.11.1997 г., United States Patent 6376972. Publ. 23.04.2002.);
3. Измерена эффективность свечения эксиплексных молекул в поднормальном тлеющем разряде в смесях инертных газов с хлором. Сделаны предположения о причинах высокого кпд свечения эксиплексных молекул в разряде данного типа. Предложено использовать поднормальный тлеющий разряд для создания эффективных источников УФ-излучения.
4. Предложен механизм ограничения эффективности свечения молекул KrCl , XeCl в объемном барьерном разряде в смесях ксенона или криптона с хлором при повышении мощности возбуждения.
5. Определены условия возбуждения поперечным объемным разрядом смесей SF6 с водородосодержащими молекулами и дейтерием, обеспечивающие максимальные кпд работы нецепных HF- и DF- лазеров.
6. Определены условия, при которых достигаются максимальные скорости обрыва тока в эрозионной лазерной плазме, создаваемой импульсами XeCl -лазера. Предложено использовать плазменно-эрозионный прерыватель тока с лазерной плазмой в генераторе с индуктивным накопителем для накачки газовых лазеров.
7. Предложено использовать генераторы с прерывателями тока на основе полупроводниковых SOS- диодов для возбуждения двойным разрядом различных рабочих газовых смесей. Показано, что ГПТ повышает стабильность и длительность горения объемной стадии самостоятельного разряда в смесях инертных газов с НС1, NF3 и F2, в смесях N2-SF6 (NF3) и Не-СО2- и увеличивает энергию излучения и длительность импульса генерации на В-Х переходах молекул XeF ,
KrF , ХеС1 , на переходах первой и второй положительных системах молекулы азота и атомарных переходах фтора.
8. Показано, что при накачке в смесей N2-SF6 (NF3) объемным самостоятельным разрядом значение параметра Е/р на лазерном промежутке в квазистационарной стадии за счет прилипания электронов к электроотрицательным молекулам достигает значений, достаточных для увеличения времени существования инверсии
3 3
на переходе С Пи-В Пё молекулы азота.
9. Реализованы новые режимы генерации азотного лазера в смесях азота с SF6(NF3): -с двумя пиками излучения в течение одного импульса накачки;
-режим генерации прямоугольных импульсов с большой длительностью; -режим каскадной генерации, позволяющий увеличивать длительность лазерных
3 3 3
импульсов на полосе С Пи-В Пё за счет разгрузки уровня В Пё вынужденными
3 3 +
переходами на полосе В ng-A Su .
10. Найдены условия, при которых использование ГПТ расширяет диапазон длительностей импульса и удельной энергии накачки нецепных химических HF (DF)-лазеров, в котором реализуется эффективная генерация.
Научная ценность полученных в работе результатов состоит в том, что:
1. Сделано предположение о причине повышения кпд эксиламп тлеющего разряда в тройных смесях Не(№)-Хе(Кг)-НС1, связанное с увеличением коэффициента вторичной эмиссии для ионов Не+ и Ne+ по сравнению с ионами Xe+ и Kr+, что снижает катодное падение и увеличивает энерговклад в положительный столб тлеющего разряда.
2. Показано, что высокая скорость образованием эксиплексных молекул в гарпунных реакциях и низкая скорость их безызлучательной релаксации в плазме разряда является физической причиной высокой (до 15%) эффективности свечения эксиплексных молекул в положительном столбе нормального тлеющего разряда.
3. Определена оптимальная удельная энергия возбуждения барьерных эксиламп. Показано, что причиной падения эффективности эксиламп барьерного разряда при увеличении удельной энергии накачки является падение скорости образования эксиплексных молекул и рост скорости их в столкновительного тушения.
4. Измерены энергетические параметры излучения молекул ArCl , KrCl , XeCl в поперечном объемном самостоятельном разряде. На основе проведенных исследований и результатов других работ сделан вывод, что причиной низкой эффективности свечения молекул ArCl может служить их предиссоциация.
5. Установлены оптимальные условия накачки KrCl - лазера поперечным объемным разрядом и определен максимальный кпд генерации на молекулах KrCl . 6. Показана возможность разгрузки нижнего уровня перехода С Пи-В ng вынужде 3 3 +
нными переходами первой положительной системы азота В ng -A Su ,позволяю щая увеличить длительность излучения на Л,=337,1 нм до 100 нс при накачке смесей N2-SF6 объемным самостоятельным разрядом, формируемым ГПТ. 7. Определены условия и предложен механизм повышения устойчивости объемного разряда, формируемого ГПТ, в активных газовых смесях лазеров на эксип- лексных молекулах.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Созданы KrCl - и ХеС1 -эксилампы с мощностью излучения до 500 Вт и кпд до 15%.
2. Созданы импульсные источники ВУФ- и УФ- спонтанного излучения с повышенной плотностью мощности излучения:
а) импульсные барьерные XeCl - и KrCl - эксилампы с энергией излучения до 25 мДж, пиковой мощностью излучения до 150 кВт при удельной мощности УФ- излучения на поверхности эксилампы до «100 Вт/см и кпд «10%.
б) эксилампы на молекулах XeCl , KrCl , ArCl с накачкой поперечным объемным разрядом с плотностью мощности излучения до «2 кВт/см при энергии в импульсе до Q«3 мДж. Данные источники излучения были использованы в компании INVAP (Аргентина).
3. Разработаны образцы электроразрядных эксиплексных и азотных лазеров, «ЛИ- ДА-КТ», «ЛИДА-101», «ЛИДА-Т», «ФОТОН», «ДИЛАН» которые использовались для проведения исследований в различных научных учреждениях.
4. Созданы электроразрядные эксиплексные KrCl -лазеры (,=222 нм) с энергией излучения до Q=0,6 Дж и электрическим кпд до По=0,8%.
5. Созданы электроразрядные азотные лазеры на смесях N2-SF6(NF3) с максимальными пиковой мощностью и энергией излучения на первой положительной системе азота (А=869-1048 нм) и с макимальной длительностью импульса на Л,=337,1 нм.
6. Созданы нецепные электроразрядные HF(DF)-лазеры с предельной эффективностью и энергией излучения до Q=4 Дж.
7. Создан электроразрядный XeCl -лазер с длительностью импульса излучения на полувысоте до 300 нс при полной длительности импульса излучения 500 нс и плотности энергии излучения 150 мДж/см для использования в качестве задающего генератора в мощной лазерной системе, поставленной в Северно- западный институт ядерных технологий (СИЯТ, г. Сиань, КНР).
Сведения о внедрении результатов и предложения по их использованию. При участии автора созданы и внедрены лазеры «ЛИДА-КТ», «ЛИДА-101», «ЛИ- ДА-Т», «ФОТОН», «ДИЛАН», мощные импульсные эксилампы с возбуждением барьерным и поперечным разрядами, которые были переданы в научные и коммерческие организации, как в России, так и за рубежом. Лазеры серии «ЛИДА» были внедрены в Институте физики АН УССР, г. Киев (1986 г.), Институте физика АН
БССР, г. Минск (1986 г.), Институте общей физики АН СССР, г. Москва (1990 г.), Сибирском физико-техническом институте (СФТИ), г. Томск (1989 г.). Лазеры «ФОТОН» внедрены в Физико-энергетическом институте, г. Обнинск (1991 г.), Институте сильноточной электроники СО АН (1990 г.), НИИ полупроводниковых приборов (НИИ ПП), г. Томск (1990 г.), Научно-исследовательском кабельном институте (НИКИ), г. Томск (1990 г.). Мощные импульсные XeCl - и КгС1 -эксилампы были поставлены в компанию INVAP (Аргентина). Длинноимпульсный XeCl -лазер был поставлен в Китай как задающий генератор в мощной лазерной системе. Акты внедрения и копии контрактов включены в Приложение к диссертации.
Полученные результаты могут быть использованы при создании электроразрядных лазеров на различных переходах атомов и молекул, мощных эффективных эк- силамп непрерывного и импульсного действия, а также газоразрядных источников спонтанного излучения повышенной импульсной мощности, например, в СФТИ, Институте общей физики РАН, Томском государственном университете.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР, проводившихся в Лаборатории оптических излучений (ЛОИ) ИСЭ СО РАН в период 1985-2011 гг., а также в ходе проведения ряда работ в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных:
1. Проектами РФФИ: «Эффективное излучение эксиплексных молекул в электроразрядной плазме низкого давления», №96-02-16668-а (1996-1998 гг.); «Исследование и создание эффективных газоразрядных источников спонтанного излучения в ВУФ области спектра», №05-08-33621-а (2005-2007 гг.), №06-08- 01196-а «Комплексное исследование лазерной абляции твердых материалов при воздействии импульсами ИК и УФ излучения различной длительности: механизмы и пути управления» (2006-2008 гг.), №09-08-00880-а «Физико- химические механизмы формирования плазмы при импульсном лазерном пиролизе органических полимеров» (2008-2010 гг.), №10-08-00916-а «Поиск путей управления параметрами лазерного абляционного факела на жидкометалличе- ской мишени» (2010-2012 гг.), №11-08-00427-а «Формирование микроструктур на поверхности жидких металлов при лазерной абляции» (2011-2012 гг.).
2. Проектами МНТЦ (ISTC): № 1270 (2001-2003 гг.), № 2706 (2004-2006 гг.), № 3583р (2007-2010 гг.).
3. Средствами по контрактам с зарубежными компаниями: INVAP, Аргентина (два контракта, 2004 г.); Всекитайская компания «Синь Ши Дай», Северо-западный институт ядерных технологий, КНР (два контракта, 1999-2001 гг.); компания Ве- ams Inc., Япония (один контракт, 2003 г.).
Личный вклад автора. В исследованиях, представленных в настоящей диссертационной работе, автору принадлежит выбор направлений исследований в рамках общего направления и постановка задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты исследований получены автором лично или при его определяющем участии. На различных этапах в работе принимали участие сотрудники ЛОИ ИСЭ СО РАН: М.И. Ломаев, Э.А. Соснин - при исследовании эксиламп тлеющего разрядов; А.Е .Тельминов, Е.Х. Бакшт-при проведении исследований электо- разрядных лазеров с ГПТ. Моделирование эксиламп тлеющего разряда было выполнено А.М. Бойченко, С.И. Яковленко, А.Н. Ткачевым (Институт общей физики РАН, г.Москва). Разработка численных моделей экиплексных XeCl - и KrF - лазеров с накачкой от ГПТ и моделирование работы лазеров проведены А.Г. Ястремским, Ю.И. Бычковым и С. А. Ямпольской (лаборатория газовых лазеров ИСЭ СО РАН). Моделирование работы азотного лазера на смесях с электроотрицательными газами проведено А.И. Сусловым (лаборатория теоретической физики ИСЭ СО РАН). Часть экспериментов проводилось с использованием широкоапертурного лазера, разработанного И.Н. Коноваловым (лаборатория газовых лазеров ИСЭ СО РАН). Решающее влияние на выбор общего направления исследований и возможность проведения большинства исследований, представленных в настоящей диссертационной работе, было оказано Заведующим лабораторией оптических излучений ИСЭ СО РАН В.Ф. Тарасенко.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 работ, включая 55 публикаций в рецензируемых научных журналах из списка ВАК и 14 патентов, из них один международный.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 6 глав, заключение, Приложение, список литературы из 396 наименований, из них 74 - работы автора. Объем диссертации составляет 353 страницы, включая 164 рисунка и 12 таблиц.
Краткое содержание работы
Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна, научная значимость и практическая значимость работы, приведены структура диссертации и защищаемые положения. Приводятся сведения об апробации, внедрении и практической реализации работы, демонстрируется место и значимость работы в решении крупной научно-технической задачи - исследовании и создании газоразрядных источников спонтанного и вынужденного излучения с рабочими средами на основе газовых смесей различных газов с галогенами.
Первая глава диссертации носит обзорный характер. В этой главе описаны условия формирования объемных разрядов, систематизируются результаты использования различных импульсных генераторов для накачки электроразрядных газовых лазеров и возбуждения эксиламп, рассматриваются основные принципы работы ГПТ. Рассмотрены особенности накачки различных лазеров при использовании ГПТ и показаны преимущества данных генераторов при создании эффективных источников излучения.
Во второй главе описаны конструкции разработанных и использовавшихся при проведении экспериментов источников лазерного и спонтанного излучения с накачкой от генераторов с емкостными накопителями энергии и ГПТ, приведены методики измерения различных характеристик самостоятельных разрядов, спектральных, энергетических и амплитудно-временных параметров лазерного и спонтанного излучения, анализируются источники ошибок и оцениваются погрешности измерений различных величин.
В третьей главе изложены результаты исследований характеристик эксиламп тлеющего разряда, мощных импульсных эксиламп c возбуждением барьерным и поперечным объемным разрядом [1, 2, 6, 25-31].
Исследования излучения тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов низкого давления были начаты в 1994 г. в связи с перспективностью его использования в качестве эффективного источника спонтанного излучения в УФ- области. Изучались характеристики излучения в трубках цилиндрической и коаксиальной геометрии в широком диапазоне условий эксперимента. Типичные значения падения напряжения на цилиндрической разрядной трубке и тока разряда составляли 3-7 кВ и 10-100 мА при давлении смеси Xe(Kr)-Cl2 (NF3) до 30 мм рт.ст. Измерения показали, что падение напряжения в катодной области тлеющего разряда в рабочих смесях эксиламп составляет примерно половину полного напряжения на разрядной трубке, а интенсивность свечения эксиплексных молекул в данной области падает. Излучаемая мощность достигала 20 Вт при удельной мощности излучения Рсп = 1 Вт/см и кпд на уровне 5-10% [25].
Проведенные оценки параметров плазмы тлеющего разряда [26, 27] показали, что при токе разряда 7 =30-100 мА концентрация электронов составляет Ne 3-1010 11 3
10 см , а их температура Te 5 эВ. Как обычно, в тлеющем разряде электроны перегреты, т.е. температура электронов в плазме больше того значения, которое соответствует в термодинамическом равновесии фактически имеющейся плотности электронов. Возбуждаемые электронными ударами атомы ксенона
Хе С P2)
уходят в
гарпунную реакцию с галогеносодержащей молекулой X2 (RX):
Xe + X2 (RX) RX + X(R) (3.1)
Для того чтобы гарпунный канал образования молекул ГБГ был основным, надо, чтобы плотность галогена была достаточно большой:
qg N ] kcmNe. (3.2) 3
Здесь qg-10 см /с - констнанта скорости гарпунной реакции (3.1) с хлором или
7 3
трифторидом азота; [Ng] - плотность молекул галогена; kcm 10 см /с - константа
скорости ступенчатой ионизации Хе . Из приведенного условия следует, что для преобладания гарпунной реакции достаточно иметь сравнительно небольшую плот 15 -3
ность молекул: [Ng] 10 см . Эксперименты же показывают, что оптимальные плотности намного выше: [Ng] 3-1016 см-3. Это объясняется следующими двумя причинами. Во-первых, большая плотность молекул необходима для стабилизации разряда. Во-вторых, молекулы галогена разрушаются электронными ударами и лишь частично восстанавливаются в тройных столкновениях или столкновениях со стенкой. При этом концентрация молекул в разряде оказывается существенно меньше их начальной концентрации.
Основные процессы в газоразрядной плазме
Механизм достижения инверсии населенностей был впервые предложен в [28] на основе изучения процессов в плазме тлеющего разряда в смеси гелия с неоном. Первый гелий - неоновый лазер был запущен через два года [29]. После этого самостоятельный разряд стал широко использоваться для получения генерации на электронных и колебательных переходах различных атомов и молекул в газовых смесях различного состава при различных давлениях. Применение поперечной геометрии накачки и резистивная стабилизация разряда [30] дали возможность формировать самостоятельные разряды в газах высокого давления, что позволило значительно увеличить вкладываемую в активную среду энергию. Следующим значительным шагом в развитии электроразрядного способа возбуждения было использование предварительной ионизации рабочей среды УФ - излучением от дополнительного разряда, который привел к значительному увеличению энергии и пиковой мощности импульсных газовых лазеров. [31]. В настоящее время возбуждение самостоятельным разрядом является наиболее распространенным способом накачки мощных импульсных газовых лазеров, в том числе и лазеров на плотных газах, а также лазеров низкого давления, в том числе непрерывных [17 - 26].
В самостоятельном газовом разряде электроны теряют свою энергию на ионизацию, возбуждение электронных уровней, возбуждение колебательных и вращательных уровней молекулярных газов, а также в результате упругих столкновений. Электроны, образующиеся на катоде или в объеме, имеют малую энергию, а затем ускоряются в электрическом поле. Средняя энергия электронов определяется параметром E/р = U/(Nd), где U - напряжение на лазерном промежутке, d - длина межэлектродного зазора, N - концентрация частиц и составом газовой смеси.
Для зажигания самостоятельного разряда необходимо приложить к лазерному промежутку напряжение U, которое значительно превышает статическое пробивное напряжение Uст. Для накачки газовых лазеров необходимо формировать самостоятельные разряды с равномерным распределением плотности тока в лазерном промежутке, то есть, самостоятельный разряд должен быть объемным. Условия формирования самостоятельных разрядов были сформулированы в [32, 33]. В газовой смеси всегда присутствует некоторое количество электронов, например, из-за влияния естественного радиоактивного фона. Под действием электрического поля они ускоряются, возбуждая и ионизируя газ. После акта ионизации ускоряются уже два электрона, которые рождают еще два и так далее, и возникает электронная лавина. Число электронов в ней нарастает по экспоненциальному закону N = N0 exp (x), (1.1) где N0 - число начальных инициирующих электронов, - коэффициент ионизации, x -длина пути, пройденного головкой лавины. Так как масса ионов на несколько порядков больше массы электронов, то скорость их дрейфа в электрическом поле существенно меньше. Когда число электронов достигает определенного критического значения Nкр 108, поле объемного заряда электронов и ионов становится сравнимым с приложенным полем, и рост числа электронов замедляется. Критическая длина лавины при N0 = 1 определяется как xкр = (ln Nкр)/. (1.2)
Характер разряда в газе существенно зависит от того, сможет или нет лавина на длине промежутка d набрать число электронов Nкр, т.е. от соотношения xкр и d. Если xкр d, то для продолжения разряда необходимо участие вторичных и последующих лавин, которые создаются вторичными электронами. Разряд этого типа принято называть таунсендовским, он характерен для малых давлений рабочего газа и напряжений, превышающих статическое пробивное на несколько процентов. Поскольку вторичные лавины возникают произвольно на различных участках поверхности катода, данный механизм формирования в большинстве случаев приводит к объемному протеканию тока разряда. При низких давлениях рабочей газовой смеси (до р 10 мм рт.ст.) формируется стационарный тлеющий разряд, который находит широкое применение для накачки лазеров и эксиламп.
Если xкр d, то доминирующую роль в процессе развития самостоятельного разряда играет первичная лавина. Схема формирования пробоя приведена на рис.1.1. При этом пространственный заряд лавины становится достаточным, чтобы электрическое поле внутри нее стало сравнимым с внешним полем, а поле на головке и хвосте лавины усиливается. Лавина излучает достаточно фотонов для фотоионизации газа в области усиленного поля. В этих условиях из лавины начинают распространяться слабопроводящие образования, которые называют катодным и анодным стримером. В результате лазерный промежуток перемыкается узким каналом, выделение энергии в котором приводит к росту его проводимости и формированию искрового канала. Разряд этого типа называется стримерным, для него характерны более высокие перенапряжения (десятки процентов) и давления газа мм рт.ст. Для существования стримерного разряда необходимо также, чтобы лавина излучала достаточное количество фотонов, способных ионизовать молекулы газа вблизи ее головки. Отсюда следует, что при повышенных давлениях в газе должен формироваться самостоятельный разряд, состоящий из многочисленных высокопроводящих каналов, непригодный для накачки газовых лазеров из-за неоднородного энерговклада.
Мощные эксилампы тлеющего разряда
Эксилампы с возбуждением активной среды тлеющим разрядом при высокой средней мощности излучения и эффективности работы имеют простую конструкцию, включающую только разрядную трубку из кварцевого стекла и источник постоянного, пульсирующего или переменного тока. Конструкции эксиламп тлеющего разряда приведены на рис.2.5 – 2.6. Наиболее просты цилиндрические эксилампы, содержащие только источник накачки импульсным или постоянным током и кварцевую трубку, на торцах которой установлены патрубок для откачки и напуска рабочей смеси и электроды из нержавеющей стали или никеля [73]. Однако в цилиндрических эксилампах из-за перегрева рабочей среды существенно ограничена вводимая электрическая мощность.
Для увеличения излучаемой мощности без перегрева эксилампы в конструкцию было включена система охлаждения [74, 75]. Данная эксилампа содержит две коаксиально установленные цилиндрические трубки: внешнюю и внутреннюю. Обе трубки выполнены из оптически прозрачного материала. Пространство между трубками заполнено рабочим газом. Лампа также содержит два металлических коаксиально расположенных электрода: катод и анод, которые выполнены в виде соосных цилиндрических стаканов и расположены, соответственно, на концах внутренней и внешней трубок. При этом один торец катода вставлен во внутреннюю трубку, анод коаксиально охватывает внешнюю трубку, а внутренняя трубка продолжена за анод. Катод и анод подключены к источнику питания. Внутри лампы размещена металлическая труба, один из концов которой, с отверстиями по боковой поверхности, расположен в полости катода. Данная конструкция эксилампы позволяет отвести большую тепловую мощность за счет непосредственного охлаждения катода и внутренней трубки проточной водой и конвективного охлаждения воздухом за счет увеличения общих площадей электродов. Охлаждение эксилампы дает возможность увеличить мощность накачки и среднюю мощность излучения. Для питания эксиламп тлеющего разряда использовались сетевые повышающие трансформаторы с одно- и двухполупериодными выпрямителями, обеспечивающие переменный или пульсирующий ток или источники высокого постоянного напряжения.
Для проведения исследований параметров лазерного излучения в широком диапазоне условий накачки объемным самостоятельным разрядом была разработана серия лазеров с формированием разряда как традиционными генераторами с емкостными накопителями энергии, так и генераторами с индуктивными накопителями и различными прерывателями тока. Ниже описаны конструкции разработанных лазеров. Технические характеристики ряда созданных лазеров приведены в приложении.
Конструкция мощных лазеров «ЛИДА» для возбуждения галогенидов инертных газов приведена на рис. 2.7. [76, 77]. Лазерная камера представляла собой диэлектрическую трубу, внутри которой располагались сплошной и сетчатый электроды. Межэлектродный зазор составлял d = 3,6 см. Снаружи лазерной камеры устанавливалась обострительная емкость, набранная из керамических конденсаторов К15 – 4. Величина обострительной емкости составляла С1 = 18 или 23 нФ для лазеров с активной длиной l = 55 и 90 см, соответственно. Генератор накачки собирался по симметричной схеме Блюмлейна из керамических конденсаторов типа К 15 - 10, установленных в четыре ряда вдоль диэлектрической трубы. В каждом ряду было установлено четыре или шесть конденсаторов при активной длине лазера l = 60 см («ЛИДА - КТ») и 90 см («ЛИДА - 101»), соответственно. Общая величина емкостей С2 и С3 составляла 120 и 50 нФ для лазера «ЛИДА - 101» и 100 и 30 нФ для лазера «ЛИДА - КТ». В качестве коммутатора в лазерах «ЛИДА» использовались серийные разрядники РУ - 65. Для предыонизации в лазерах «ЛИДА - 101» использовалось излучение разряда, ограниченного емкостью диэлектрика (4 слоя лавсановой пленки толщиной 50 мкм). В лазерах «ЛИДА - КТ» также применялась более интенсивная [24] подсветка излучением скользящего по поверхности диэлектрика разряда. Для питания разряда предыонизации использовался дополнительный конденсатор Спр = 3,2 нФ. Данная компоновка имела индуктивность контура обострительных конденсаторов L1 4 – 8 нГн и индуктивность контура емкостного накопителя L0 10 нГн для лазера с активной длиной 90 см, что позволяло формировать мощные импульсы накачки с длительностью около 100 нс. Внутренний резонатор пристыковывался к торцам лазерной камеры.
В настоящем разделе описан простой компактный ХеС1 - лазер «ЛИДА - Д» с промышленными разрядниками низкого давления РУ – 75 и промежуточными накопителями энергии (ПНЭ) в генераторе накачки, позволяющий получать на = 308 нм энергию излучения Q 1 Дж при длительности импульса генерации по основанию, изменяемой в пределах от 100 до 300 нс [78, 79]. Конструкция лазера приведена на рис. 2.8. Внутри лазерной камеры из нержавеющей стали (1) располагались плоский перфорированный (2) и цилиндрический (3) электроды с зазором d = 3 - 4 см и длиной l = 40 или 60 см, а также обострительные конденсаторы. Размеры и взаимное расположение данных элементов для увеличения энергии излучения выбиралось согласно [80]. Предыонизация осуществлялась излучением коронного разряда, питаемого емкостью Спр и (или) излучением искровых промежутков в зазорах между обострительными конденсаторами. Основной накопитель энергии С0 состоял из трех конденсаторов ИКЧ–90–0,042 для лазера с l = 60 см общей емкостью 120 нФ или одного конденсатора ИКЧ–60–0,06 с емкостью 60 нФ для лазера с l = 40 см. Каждый конденсатор коммутировался отдельным промышленным разрядником низкого давления типа РУ–75 (SW). Параллельно разрядному промежутку устанавливался промежуточный емкостной накопитель энергии (ПНЭ), состоящий из трех-четырех LC - звеньев, емкость которого изменялась от нуля до 0,8С0. Рабочие смеси из Ne(He), Хе и НСl готовились в лазерной камере. Основные эксперименты проводились с плоскопараллельным резонатором, использовался также неустойчивый телескопический резонатор.
В экспериментах регистрировались ток разряда поясом Роговского, напряжение на емкости промежуточного накопителя энергии омическим делителем (7) и форма импульса и энергия лазерного излучения.
Коаксиальные барьерные эксилампы с повышенной энергией излучения в импульсе
В данном разделе приведены результаты исследования излучательных характеристик смесей инертных газов с хлором в барьерном разряде, возбуждаемым мощными высоковольтными импульсами. Конструкция эксилампы и импульсного генератора подробно описаны в 2.5. [67].
На рис.3.11 приведены характерные осциллограммы тока разряда, напряжения на эксилампе и мощности спонтанного излучения на 222 нм. После подачи импульса напряжения на эксилампу в течение 50 нс заряжаются емкости барьеров. Пробой разрядного промежутка происходит при напряжении на эксилампе 20 кВ, и формируется первый импульс возбуждения и излучения длительностью 150 нс. В течение этого времени происходит дальнейшая зарядка емкости барьеров эксилампы. Затем ток через промежуток прекращается, и импульс излучения заканчивается. Повторный рост тока через промежуток и, соответственно, импульс спонтанного излучения возникают через 200 нс после начала разрядки барьеров через вторичную обмотку импульсного трансформатора. Отличительной особенностью разряда, формируемого в двухбарьерной эксилампе при высоком напряжении на промежутке, является однородность разряда и заполнение разрядом всего пространства между электродами. Как известно [139], в традиционных коаксиальных эксилампах, работающих с частотами следования импульсов в сотни килогерц, разряд имеет другую форму. В оптимальных условиях возбуждения разряд состоит из множества конусообразных диффузных микроразрядов. Причем каждый микроразряд состоит из двух конусов с соединенными вершинами в центре промежутка, и основания микроразрядов заполняют практически всю поверхность кварцевых трубок между электродами. Генерация сдвоенных импульсов излучения обусловлена наличием плоской вершины на импульсе напряжения и реализуется как при высоких напряжениях на промежутке эксилампы, так и при традиционных режимах с напряжением в несколько киловольт. Отличие проявляется только в изменении времени задержки между началом импульса возбуждения и появлением УФ -излучения. При высоких напряжениях на промежутке, соответственно, и токах разряда в сотни ампер задержка уменьшается до нескольких наносекунд.
Проведенные эксперименты показали, что генератор возбуждения на основе импульсного трансформатора позволяет достаточно легко менять время задержки между пиками излучения и мощность второго пика. Для импульсного трансформатора максимально возможная амплитуда Uр и длительность tр генерируемых импульсов связана с площадью сердечника S и числом витков W простым соотношением [140]: Uptp = BSW , (3.11),
где B - перепад магнитной индукции в сердечнике трансформатора. Увеличивая Uр или tр можно в определенный момент времени вызвать насыщение сердечника. Это приводит к резкому уменьшению индуктивности цепи эксилампы, а мощность второго импульса возбуждения резко возрастает за счет увеличения тока разряда. Аналогичного результата можно достичь, уменьшая B за счет предварительного подмагничивания сердечника постоянным током или замыкая электроды эксилампы при помощи дополнительного разрядника, который замыкает вторичную обмотку на землю. Данный режим работы эксилампы показан на рис.3.11 (б). В этом режиме пики излучения накладываются друг на друга. Мощность второго пика возрастает примерно в 3 раза до Pсп = 150 кВт. Интересно, что соотношение энергии k = Q1/Q2, излучаемой в течение первого Q1 и второго Q2 пиков практически не зависят от режима возбуждения. Для условий рис.311 общая энергия спонтанного излучения составляет Q = 12,5 мДж, а Q1/Q2 = 1/1,6. КПД относительно вложенной энергии составил 7% при удельной вложенной энергии Qin 0,2 мДж/см3. Поскольку вложенная в активную среду энергия в каждом пике примерно одинакова и определяется напряжением, до которого возможно зарядить емкость барьера, эффективность преобразования электрической энергии в спонтанное излучения во втором пике возрастает. Меньшая эффективность свечения эксиплексных молекул в первом пике накачки связана с необходимостью создания проводимости в разрядном промежутке эксилампы за счет ионизации компонентов рабочей смеси. Как было показано в предыдущем разделе, в смесях с молекулярным хлором при накачке самостоятельным разрядом формирование эксиплексных молекул в основном происходит в гарпунной реакции (3.4) атомов инертного газа в метастабильных состояниях (Kr или Хе ) с молекулами Cl2. Вклад же реакции (3.6) рекомбинации ионов инертного газа Kr+(Хе+) и хлора Cl– в заселение В - состояния эксиплексных молекул достаточно мал. Поэтому энергия, затраченная на ионизацию при формировании разряда, теряется. Перед вторым пиком импульса тока прочность промежутка не успевает полностью восстановиться, и потери энергии на ионизацию рабочей среды эксилампы уменьшаются. Замена в смеси эксилампы хлора на хлористый водород приводила к падению энергии и мощности спонтанного излучения примерно в 5 раз при одинаковых условиях формирования разряда, что связано с низкой эффективностью гарпунной реакции (3.8) в смесях с HCl. По мере увеличения мощности накачки будет расти степень ионизации рабочей смеси и доля эксиплексных молекул, возникающих в процессе рекомбинации (3.6). Однако исследования, проведенные в [141], показали, что эффективность смесей с HCl при накачке барьерным разрядом остается низкой вплоть до вложенной энергии Qin = 8 мДж/см3.
Оптимизация конструкции импульсного трансформатора позволила поднять излучательные характеристики барьерного разряда. Полученные результаты иллюстрирует рис.3.12. В данном режиме возбуждения пики излучения имеют одинаковую мощность 80 кВт, а общая излучаемая энергия достигает Q = 15 мДж при эффективности эксилампы относительно вложенной энергии 10%. При увеличении длины эксилампы до 90 см энергия излучения возросла до 25 мДж при сохранении эффективности. Максимальная частота следования импульсов коаксиальных эксиламп в данных экспериментах составила 50 Гц, а максимальная средняя мощность излучения отпаянной эксилампы с активной длиной l = 90 см составила более 1 Вт.
Отметим, что КПД традиционных барьерных эксиламп при максимальной средней мощности излучения также составляет 10%. Однако как мы уже отмечали, форма разряда при этом существенно отличается. При высоких частотах следования импульсов промежуток заполняется большим числом конусообразных микроразрядов, хаотично перемещающихся на фоне однородного слаботочного разряда [107, 139]. При этом мощность возбуждения распределена по промежутку неравномерно, и максимальная мощность реализуется у вершин конусов. Возникает вопрос: как будет меняться эффективность работы эксилампы при увеличении мощности возбуждения при объемном разряде без микроразрядов и филаментов. Для увеличения мощности возбуждения активная длина эксилампы была уменьшена до 10 см, а диаметр кварцевых трубок до 43 и 23 мм. На рис. 3.13 приведены зависимость энергии излучения и КПД ХеСl – эксилампы с активным объемом 100 см3 от удельного энерговклада. Видно, что эффективность свечения эксиплексных молекул резко падает по мере роста вложенной энергии. Подобные зависимости наблюдались и для XeI –, KrBr – и Cl2 – эксиламп. Таким образом, при использовании высоковольтных импульсов оптимальные мощности возбуждения для получения максимальных эффективностей и максимальных энергий существенно отличаются.
Пеннинговский плазменный лазер на смеси неона с водородом
Активной средой плазменного лазера служит объемно - рекомбинирующая плазма, создаваемая в послесвечении импульсных разрядов, при инжекции в газ пучка заряженных частиц или высокоэнергетичных фотонов. Пеннинговские плазменные лазеры являются одним из типов плазменных лазеров. В этих лазерах инверсная заселенность возникает в рекомбинирующей плазме за счет разгрузки нижнего уровня реакциями Пеннинга. В лазере на смеси неона с водородом нижний лазерный уровень эффективно разгружается посредством пеннинговской ионизации водорода при столкновении с атомами неона в состоянии 3s [1/2]10. [262]. Генерация в смесях водорода с неоном реализована как при пучковой накачке, так и в послесвечении разрядов [257, 263]. В работах [264, 265] пеннинговские лазеры на неоне возбуждались в поперечном разряде. Однако мощность излучения в данных работах, как и в наших первых экспериментах при использовании генератора с плазменно - эрозионным прерывателем тока, описанных в 5.3, была низка и не превышала 100 – 200 Вт.
В данном разделе продолжены исследования работы лазера на смеси неона и водорода [266, 267]. Приводятся параметры генерации в смеси Ne - Н2 (переход 3p [1/2]0 – 3s [1/2]10 ) на = 585,3 нм при накачке генератором с полупроводниковыми
прерывателями тока. В экспериментах использовался лазер с С0= 70 нФ (см. рис.2.16.-2.17). Разрядный промежуток состоял из цилиндрического анода и ножевого катода. Межэлектродный зазор равнялся d = 2.5 см, активный объем лазера составлял V = 2,50,372 = 50 см3. Использовался резонатор, образованный алюминиевым зеркалом и кварцевой пластинкой.
В спектре лазерной генерации в смеси Ne - H2 обнаружена только линия с длиной волны = 585 нм. В чистом неоне наблюдалась генерации на зеленой линии ( = 540 нм). Данная линия появлялась после спада напряжения на лазерном промежутке только при низком зарядном напряжении U0 23 кВ и локализовалась дальше от ножевого электрода в областях разряда, где плотность тока снижается. При увеличении зарядного напряжения ток разряда возрастал, и генерация на = 540 нм прекращалась.
Рис.5.12 иллюстрирует оптимизацию состава и давления смеси с целью получения максимальной мощности и энергии лазерного излучения. Максимальные энергии и мощности были получены при давлениях Ne p 150 мм рт.ст. и водорода 15 - 21 мм рт.ст. При увеличении давления водорода до 40 мм рт.ст. порог генерации не достигался в диапазоне давления неона от 10 до 350 мм рт.ст. Апертура лазерного излучения обычно составляла 253 мм2. Распределение мощности излучения по пятну было неоднородным. Мощность излучения возрастала в области с максимальной плотностью тока около ножевого электрода. В промежутке, образованном двумя цилиндрическими электродами (апертура разряда 4 2 см2) генерация на = 585,3 нм не была получена. Максимальные энергия и мощность лазерного излучения наблюдались в смеси в Ne : H2 = 165 : 21 мм рт.ст.
При работе на оптимальной смеси увеличение зарядного напряжения приводило к росту энергии излучения в импульсе (рис.5.13), как для LC – генератора, (кривая 2), так и для генератора с полупроводниковым прерывателем (кривая 1) Переход от емкостного накопителя к ГПТ позволял заметно увеличить энергию излучения в импульсе (кривые 1, 2). Максимальная энергия генерации достигала Q = 50 мкДж. Энергия излучения также возрастала при увеличении доли энергии, переданной в индуктивность L0 (индуктивный накопитель), которая определялось зарядным напряжением конденсатора СD (см. рис. 2.17).
На рис.5.14 приведены осциллограммы импульсов напряжения на лазерном промежутке, тока разряда и импульсов генерации в оптимальных условиях возбуждения от генератора с ППТ. Первый пик напряжения на лазерном промежутке соответствует срабатыванию подсветки, разряд формируется в момент второго максимума напряжения. Лазерный импульс возникает в конце импульса тока разряда и состоит из интенсивного пика с длительностью примерно 100 нс и хвоста с низкой интенсивностью, который продолжается после прекращения накачки в течение 300 нс. ГПТ заметно увеличивает пробивное напряжение лазерного промежутка UBr и скорость нарастания тока разряда, а также уменьшает длительность импульса накачки, что особенно заметно при увеличении зарядных напряжений конденсаторов С0 и СD. Данные факторы могут улучшать условия зажигания разряда в промежутке с резко неоднородным электрическим полем, результатом чего является рост энергии (мощности) лазерного излучения при использовании генератора с полупроводниковым прерывателем тока.
На рис. 5.15 приведены временные формы импульсов лазерного излучения для . выходных зеркал с различными коэффициентами излучения. Максимальная мощность излучения получена при использовании кварцевой пластины. При максимальном зарядном напряжении U0 = 36 кВ мощность излучения достигала Рлаз = 1,1 кВт. Увеличение коэффициентом отражения выходного зеркала до 75% снижало пиковую мощность излучения примерно в 2 раза, однако значительно возрастала длительность импульса излучения. За счет этого энергия излучения в импульсе увеличивалась на 10 - 15%. Полученные энергия и пиковая мощность излучения в 5-10 раз превосходят значения, полученные в [264, 265] при возбуждении смесей неона с водородом поперечным разрядом при близких параметрах импульса накачки.
Лазерное излучение на атомных переходах фтора впервые было получено в 1970 году при накачке продольным разрядом смесей CF4, C2F6, или SF6 с гелием [268]. Лазер на атомарных линиях фтора (FI) может работать одновременно на нескольких линиях в спектральном диапазоне от 640 до 775 нм, что может быть интересным для ряда приложений. При накачке самостоятельным разрядом может быть получена генерация на 16 линиях FI. Кроме того, кинетические процессы в смесях гелия с фтором лазера являются частью кинетики лазеров на молекулах фторидов инертных газов [269 - 270]. Поэтому изучение FI лазера имеет научный и практический интерес [271 - 272].
На рис.5.16 изображена схема лазерных переходов атомарного фтора, а в табл.5.2 приведены обозначения переходов, на которых получена генерация, их длины волн и вероятности переходов по данным [273]. Лазерные переходы делятся на дублетные (переходы на уровень 3s2P) и квартетные (переходы на уровень 3s4P). Нижний лазерный уровень дублетных переходов быстро разгружается посредством излучательных переходов (длины волн 95 - 97 нм) в основное состояние (вероятность переходов с уровня 3s2P f 108 c-1 [274]). Поэтому на дублетных линиях возможна непрерывная генерация [275]. Время жизни нижнего лазерного уровня для квартетов, как правило, на несколько порядков [274] превышает время жизни верхнего лазерного уровня, и поэтому данные переходы принято считать самоограниченными.
