Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы и достижения физики лазерных и ламповых излучателей на эксиплексных и эксимерных молекулах и лазеров на парах меди
1.1 Краткий обзор проблем 21
1.2 Создание лазеров 24
1.3 Эксимерные лазеры на молекулах инертных газов 25
1.3.1 Вторые континуумы 30
1.3.2 Третьи континуумы 42
1.4 Эксиплексные лазеры на инертно-галоидных молекулах и гетероядерных ионных молекулах инертных газов 43
1.4.1 Эксиплексные лазеры на инертно-галоидных молекулах 43
1.4.2 KrF лазер (248 нм) как самый мощный из эксиплексных лазеров 49
1.4.3 Гетероядерные ионные молекулы инертных газов 57
1.5 Лазеры на парах меди 58
1.5.1 Причины ограничения частоты лазерных импульсов 58
1.5.2 Увеличение мощности и частоты следования импульсов 59
1.6 Ламповые (некогерентные) источники излучения 62
Глава 2. Эксиплексные XeCI (А==308 нм), XeF (1=351,353 нм) лазеры
2.1 XeCI лазер при возбуждении среды жестким ионизатором. 65
2.1.1 Приближение жесткого ионизатора 65
2.1.2 Пакет программ ПЛАЗЕР 68
2.1.3 Молекула XeCI 71
2.1.4 Кинетическое описание плазмохимических процессов 72
2.1.5 XeCI лазер в смеси Не-Хе-НС1 76
2.1.6 XeCI лазер в смеси Ne-Xe-HCl , 78
2.1.7 XeCI лазер в смеси Аг-Хе-НС1 82
2.1.8 XeCI лазер в смеси Аг-Хе-СС14 86
2.2 XeF лазер при возбуждении среды жестким ионизатором 92
2.2.1 XeF лазер в смеси Ne-Xe-NF3 92
2.2.2 Кинетическая модель 93
2.2.3 Учет влияния температуры среды в кинетической модели. Излучение на двух длинахволн 98
2.2.4 Сравнения с экспериментами 103
2.2.5 Поведение излученной лазерной энергии от вкладываемой энергии вблизи порога 123
2.2.6 Расчет выходной мощности излучения при накачке XeF усилителя бегущей волной от источника ядерного зрыва 128
2.3 Выводы 134
Глава 3. Эксиплсксиый ArF (А.=193 нм) лазер, лазер на ионных гетероядерных молекулах Ne+Ar (Я.=216,224 нм)
3.1 ArF лазер при возбуждении среды жестким ионизатором 137
3.1.1 Кинетическая модель 138
3.1.2 ArF лазер в смеси Ar-F2 141
3.1.3 ArF лазер в смеси Ne-Ar-F2 147
3.2 ArF лазер при возбуждении среды импульсным разрядом 151
3.2.1 Описание моделирования разряда. 151
3.2.2 Сравнительное описание ArF лазера в смесях He-Ar-F2, Ne-Ar-F2 156
3.3 Теоретически возможные характеристики лазера на ионной гетероядерной
молекулеКе+Аг(А, = 216,224 нм) 166
3.3.1 Излучение на переходах ионных гетероядерных молекул 166
3.3.2 Ne+Ar лазер в смесиNe-Ar-Kr ...167
3.3.3 Расчетные лазерные характеристики 173
3.4 Выводы 177
Глава 4. Третьи континуумы в инертных газах
4.1 Первый и второй континуумы 182
4.2 Природа третьих континуумов 184
4.2.1 Спектроскопические расчеты 188
4.2.2 Кинетика состояний, излучающих третий континуум 192
4.2.3 Зависимости излучения от давления 196
4.2.3.1 Гипотеза излучения двухзарядными ионами 196
4.2.3.2 Модель излучения однозарядными ионами 200
4.2.4 Эксперименты по тушению третьих континуумов 209
4.2.5 Излучение третьих континуумов при мощной накачке 213
4.2.6 Излучение третьих континуумов при возбуждении кристаллов 218
4.2.7 Анализ возможности генерации на третьих континуумах 220
4.3 Более длинноволновые континуумы 224
4.3.1 Гелий 226
4.3.2 Неон 226
4.4 Выводы о природе третьих континуумов 233
Глава 5. Лазеры на парах меди с модифицированной кинетикой
5.1 Влияние добавок водорода на характеристики лазера на парах меди 238
5.1.1 Описание кинетической модели 238
5.1.2 Механизмы влияния примеси водорода 241
5.1.3 Тестирование модели 258
5.1.3.1 Сопоставление с результатами работы Ченга 259
5.1.3.2 Сопоставление с результатами работы группы Пайпера 264
5.1.4 Влияние частоты следования импульсов возбуждения 269
5.1.5 Влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди 272
5.1.5.1 Влияние предымпульсной концентрации электронов 273
5.1.5.2 Влияние предымпульсной концентрации атомов меди в метастабильном состоянии 275
5.2 Влияние добавок хлорводорода на характеристики лазера на парах меди 277
5.2.1 Описание кинетической модели 277
5.2.2 Механизмы влияния добавок хлорводорода 279
5.2.3 Тестирование модели 295
5.2.3.1 О восстановлении концентраций водорода и хлороводорода 296
5.2.3.2 Сопоставление с результатами работы группы Пайпера 299
5.2.3.3 Сопоставление с результатами работы Маршалла 304
5.2.4 Обсуждение предымпульсных значений и временных зависимостей реагентов плазмы активной среды лазера 308
5.2.5 Влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди 311
5.3 Выводы 315
Глава 6. Ламповые источники излучения на инертных газах и галогенидах инертных газов (эксилампы)
6.1 Ламповые источники излучения, возбуждаемые импульсным объемным разрядом 318
6.1.1 ArF(193 нм) лампа в смеси He-Ar-F2 319
6.1.2 KrCl (222 нм) лампа в смеси Ne-Kr-HCl 325
6.2 Ламповые источники излучения, возбуждаемые барьерным разрядом 334
6.2.1 Физика барьерного разряда в инертно-галоидной смеси 335
6.2.2 KrCl (222 нм) лампа в смесях Ne-Kr-HCl и Ne-Kr-Cl2 341
6.3 Ламповые источники излучения, возбуждаемые жестким ионизатором 351
6.3.1 Ксеноновая (Хег) лампа на димерных переходах (К ~172 нм) 352
6.3.2 ХеС1 лампа (308 им) в смеси Xe-NaCl 358
6.4 Ламповые источники излучения, возбуждаемые тлеющим разрядом 366
6.4.1 Теоретическое описание 366
6.4.2 Функция распределения электронов по энергиям в неоне 369
6.4.3 Бинарные смеси 373
6.4.3.1 Kr-HCl, Кг-СЬ смеси 378
6.4.3.2 Xe-HCl, Хе-С12 смеси 381
6.5 Лампы (Войтенко) взрывного типа 386
6.5.1 Теоретический анализ лампы Войтенко с отражающимся потоком 389
6.6 Слабоионизованная плазма воздуха с температурой газа и электронов порядка 0.5 эВ. Неточные и некоторые виды шаровых молний 397
6.6.1 Физика явления 398
6.6.2 Обсуждение 404
6.6.2.1 Неточные молнии 404
6.6.2.2 Искусственные шаровые молнии с временем жизни порядка 1 с 406
6.7 Пространственное распределение интенсивности излучения от цилиндрических ламповых источников 411
6.7.1 Общие вопросы 412
6.7.2 Моделирование излучения лампы методом пробных фотонов 416
6.7.3 Моделирование цилиндрической лампы 419
6.7.4 Коаксиальная лампа 424
6.8 Выводы 428
Заключение 431
Литература
- Эксимерные лазеры на молекулах инертных газов
- Кинетическое описание плазмохимических процессов
- ArF лазер при возбуждении среды импульсным разрядом
- Модель излучения однозарядными ионами
Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому исследованию излучательных характеристик лазеров и ламп на переходах эксиплексных и эксимерных молекул, активными средами которых являются смеси инертных газов или смеси инертных газов с галогепосодержащими молекулами, возбуждаемые жестким ионизатором или разрядом, а также теоретическому исследованию лазеров на парах меди. Моделирование этих активных сред представляется актуальным в связи с необходимостью улучшения их характеристик, в частности, достижения более высоких к.п.д. Необходимо выявление их особенностей, предельных возможностей и пороговых (для лазеров) значений энерговклада. Кроме того, в лазерах на парах меди известны экспериментальные методы улучшения генерационных характеристик, но природа этих улучшений была не ясна. Необходимо ее выявление. Актуальным является также поиск новых лазерных сред.
В вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра самыми мощными лазерами являются лазеры на переходах вторых континуумы эксимерных молекул инертных газов и на переходах эксиплексных инертно-галоидных молекул. Достигнутая мощность излучения лазеров на вторых континуумах составляет от 103 до нескольких единиц 104 кВт, излученная энергия - 0.1 - 0.2 Дж (10 Дж при накачке у излучением ядерного взрыва), эффективность - 1 - 2 % . Эффективность лазеров на переходах эксиплексных инертно-галоидных молекул может доходить до 10% (KrF лазер). Благодаря высоким энергетическим характеристикам (достигнута яркость излучения порядка 1020 Вт/(см2 стерад)) KrF лазер с электронно-пучковой накачкой очень скоро стал рассматриваться в качестве драйвера применительно к проблеме лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В рамках программы по ЛТС и стратегической оборонной инициативе (СОИ) ведутся работы над созданием широкоапертурных эксиплексных лазеров с энергией излучения больше 1 кДж. В настоящее время продолжаются работы по усовершенствованию усилительных каскадов KrF лазеров с целью использования их в установках ЛТС. Успешные эксперименты по взаимодействию лазерного излучения с плазмой стимулировали дальнейшие усилия в этом направлении, которые привели к созданию мощных лазерных установок.
Эксимерные лазеры запущены только на переходах, соответствующих излучению вторых континуумов. В инертных газах давно известны также и третьи континуумы, длины волн которых превышают длины волн вторых континуумов. Представлялось заманчивым запустить лазеры и на третьих континуумах инертных газов. Лазеры на переходах третьих континуумов были бы привлекательны уже тем, что их активная среда состоит из инертного газа и не является агрессивной. Кроме того, производство оптических элементов (в основном зеркал) проще и надежнее для диапазонов длин волн 210-300 нм, соответствующих третьим континуумам, по сравнению с более короткими длинами волн 126-174 нм, соответствующих вторым континуумам. Поскольку ширина излучательных переходов третьих континуумов значительно больше ширины переходов вторых континуумов, а положения максимумов излучения зависят от давления среды, то к тому же имелась бы возможность получения перестраиваемой генерации в диапазоне от 10 до 30 нм вблизи длины волны излучения. Однако, запустить лазеры на третьих континуумах инертных газов не удалось. Не известны были и состояния, излучающие эти континуумы. Необходимо было выяснить природу третьих континуумов и понять, возможна ли генерация на них.
Среди эксиплексных лазеров на инертно-галоидных молекулах самым мощным считается KrF лазер. В результате первых экспериментов было выявлено, что этот лазер выделяется среди других подобных лазеров, и основные усилия в последующем были сосредоточены на нем. Тем не менее, необходимо было также более подробное изучение и других эксиплексных лазеров для выявления их потенциальных возможностей. В этом плане следующими наиболее интересными с точки зрения получения высоких генерационных характеристик лазерами являются XeCl, XeF и ArF лазеры. Согласно данным на начало работы над диссертацией, был уже экспериментально получен к.п.д. 7% для ArF лазера, вплотную подходящий к предельному к.п.д. 10%, известному для KrF лазера. Практический интерес представляла также возможность использовать эксиплексные активные среды в условиях ядерной накачки, когда энергия продуктов ядерных реакций непосредственно вкладывается в активную среду лазера без промежуточных преобразований. Здесь на первый план выходил XeF лазер как возможный наиболее низкопороговый из лазеров на галогенидах инертных газов.
Постоянно ведется поиск других классов молекул, на которых также возможно было бы получение генерации. Этот поиск привел к тому, что в 1985 г. (Басов Н.Г., Войтик М.Г., Зуев B.C., Кутахов В.П., а также Sauerbrey R., Langhoff Н.) был выделен класс ионных молекул, в которых генерацию предполагалось получать на переходах с переносом заряда. Генерация на этих переходах не получена. Основные усилия были сосредоточены на исследовании самих этих молекул. Здесь актуальным является переключение усилий с исследования ионных молекул на кинетическое рассмотрение возможности получения генерации на этих молекулах.
При исследовании лазеров на парах меди было выявлено, что небольшие добавки молекулярных или атомарных примесей способны улучшать генерационные характеристики этого лазера. Однако не понятны были причины такого улучшения. По каждой из добавок в литературе предлагается около десяти различных объяснений этих причин улучшения. Поэтому исследование механизма влияния таких добавок представляется актуальным.
Ламповые источники излучения все чаще находят применение в различных областях науки и техники. В связи с этим необходимо исследование возможностей различных источников с различными способами возбуждения среды и выявление оптимальных условий работы каждого источника. Общей целью работы являлось изучение характеристик лазерных и ламповых источников излучения на эксиплексных и эксимерных молекулах и лазеров на парах меди на основе численного моделирования активных сред данных источников, вьивление основных механизмов заселения рабочих молекул, выявление особенностей каждого источника и, в некоторых случаях, оптимизация условий возбуждения.
Для молекулярных континуумов, на которых генерация получена до сих пор не была, целью работы являлось выявление природы излучающих состояний и анализ возможностей генерации.
При исследовании эксиплексных XeCl, ArF, XeF лазеров общей целью являлось выявление основных механизмов заселения рабочих молекул, сравнительное изучение возможностей каждого из перечисленных лазеров, рассмотрение пороговых и максимальных генерационных характеристик.
При исследовании переходов в ионных эксиплексах инертных газов общей целью являлся поиск условий возбуждения, при которых возможна генерация, и получение характерных энергии и к.п.д. генерации.
При исследовании третьих континуумов инертных газов общей целью являлось выяснение природы излучающих состояний и выяснения возможности генерации.
При исследовании лазеров на парах меди общей целью являлось выявление механизмов улучшения лазерных характеристик при введении в лазерно-активную среду молекулярных примесей Нг и НС1.
При исследовании ламповых источников излучения общей целью являлось выявление механизмов заселения рабочих молекул и оптимизация работы при различных источниках возбуждения - объемным, тлеющим, барьерным, емкостным разрядами, жестким ионизатором и ударной волной.
В работе построены кинетические модели эксиплексных и эксимерных лазерных и ламповых источников излучения, модели лазера на парах меди с введением молекулярных примесей Нг и НС1. Объясняются особенности работы лазеров и ламп. Объяснена природа третьих континуумов в чистых инертных газах.
Впервые проведено подробное теоретическое изучение ArF, XeF и XeCl лазеров в различных смесях и с различными методами возбуждения (жесткий ионизатор, разряд). Построены подробные кинетические модели активных сред данных лазеров. Кроме того, построенная в данной работе кинетическая модель XeF лазера учитывает излучение на двух длинах волн, а также влияние газовой температуры на генерационные характеристики данного лазера. Получены теоретические зависимости энергии и к.п.д. генерации перечисленных лазеров вблизи порога генерации.
На основе моделирования найдены условия, при которых возможна генерация на ионных эксиплексах Ne+Ar.
Объяснена природа третьих континуумов в чистых инертных газах. На основе предложенного объяснения проанализированы имеющиеся эксперименты. Приводится критика имевшихся точек зрения на природу данных континуумов. Обосновывается невозможность генерации на третьих континуумах.
Выявлены причины улучшения генерационных характеристик лазеров на парах меди с добавками молекулярного водорода и хлорводорода.
На основе численного моделирования рассмотрены возможные характеристики ламп при различных условиях возбуждения - импульсным объемным разрядом, барьерным, тлеющим, емкостным разрядами, жестким ионизатором, ударной волной. Выявлены каналы заселения рабочих молекул, оптимальные условия работы ламп.
Основные положения, представляемые к защите, можно сформулировать следующим образом:
1. На защиту выносится самосогласованная нестационарная кинетическая модель и результаты расчетов активной среды XeCl лазера (308 нм) при возбуждении среды жестким ионизатором в смеси Аг-Хе-ССЦ. К.п.д. XeCl лазера в смесях, содержащих ССЦ, не уступает к.п.д. этого же лазера в смесях, содержащих НС1.
2. На защиту выносятся самосогласованные нестационарные кинетические модели и результаты расчетов активной среды ArF лазера (193 нм) в смесях Ar-F2, Ne-Ar-F2 при возбуждении среды жестким ионизатором и в смесях He-Ar-F2, Ne-Ar-F2 при возбуждении среды разрядом. ArF лазер в смеси Ar-F2 при возбуждении среды жестким ионизатором имеет самый высокий порог генерации 100 кВт/см среди эксиплексных инертно-галоидных KrF, XeCl, ArF и XeF лазеров. При мощностях W 2 МВт/см3, вкладываемых в среду, к.п.д. ArF лазера в смеси Ar-F2 при возбуждении среды жестким ионизатором может достигать 20% и превосходить известные предельные значения KrF лазера (« 11%).
3. На защиту выносятся самосогласованная нестационарная кинетическая модель и результаты расчетов активной среды XeF лазера (351, 353 нм) в смеси Ne-Xe-NF3 при возбуждении среды жестким ионизатором. Модель учитывает влияние газовой температуры на кинетику среды и позволяет рассчитывать выходные характеристики на длинах волн 351 и 353 нм. Порог генерации XeF лазера составляет - 400 500 Вт/см и является самым низким среди эксиплексных инертно-галоидных лазеров.
4. На защиту выносится самосогласованная нестационарная кинетическая модель и результаты расчетов лазера на ионных переходах Ne+Ar - NeAr+ (216,224 нм) в смеси Ne-Ar-Kr при возбуждении среды жестким ионизатором. В рамках этой модели генерация возможна лишь при давлении смеси, превышающем 16.6 атм. Эффективность генерации при этом составляет т = 0.05 - 0.25%, а удельная энергия генерации Е = 0.1 - 2.5 Дж/л.
5. На защиту выносится объяснение природы излучения третьих континуумов в инертных газах. Основной вклад при давлениях порядка 1 атм вносит излучение на переходах молекул из состояний Rg2+ в состояния Rg2+. (Состояния Rg2+ асимптотически соответствуют основному состоянию иона Rg+ и возбужденному состоянию атома Rg (1,3Р)), состояния Rg2+ асимптотически соответствуют основным состояниям иона Rg+ и атома Rg). При более высоких давлениях вклад в излучение третьих континуумов также дают тримеры однократных ионов Rg3+ .
6. На защиту выносятся самосогласованная нестационарная кинетическая модель и результаты расчетов активной среды лазера на парах меди (510.6,578.2 нм) в смесях Ne-Cu Нг и Ne-Cu-Нг-НСІ при возбуждении разрядом, а также установление механизмов увеличения мощности лазерного излучения при высоких (/ » 10 кГц) и низких (/" 10 кГц) частотах повторения импульсов накачки.
7. На защиту выносятся результаты моделирования ArF (193 нм), KrCl (222 нм) ламп в смесях He-Ar-F2, Ne-Kr-HCl при возбуждении импульсным объемным разрядом; Хег (172 нм), XeCl (308 нм) ламп в смесях Хе, Xe-NaCl при возбуждении жестким ионизатором; KrCl (222 нм) XeCl (308 нм) ламп в смесях Кг(Хе)-СІ2(НС1) при возбуждении тлеющим разрядом.
8. На защиту выносится объяснение природы четочной молнии. Бусины четочной молнии представляют собой слабоионизованную плазму с газовой температурой Г« 0.5 эВ, плотность энергии которой приближенно равна 0.1 Дж/см3. Время жизни бусин определяется процессом теплопроводности и хорошо коррелирует с наблюдаемыми размерами четок (t« 1 с при радиусе четок R « 20 см). Предельное время жизни таких образований порядка секунды, что соответствует предельным временам жизни наблюдаемых в природе четочньгх молний. Такой же природой хорошо объясняется множество естественных и искусственно полученных образований с временем жизни меньшим одной секунды, часто называемых в литературе естественными и искусственными шаровыми молниями.
Научная и практическая ценность в основном определяются актуальностью работы и новизной полученных результатов. Акцентируем внимание на некоторых вопросах.
Давно дискутируется вопрос о запуске эксиплекных лазеров с ядерной накачкой. Полученные результаты говорят о том, что наиболее низким порогом среди эксиплексных лазеров имеет XeF лазер. Полученные оптимальные параметры смеси и резонатора могут помочь в реализации XeF лазера с ядерной накачкой.
Результаты моделирования говорят о том, что для ArF лазера возможно достижение к.п.д. ( 20%), превьппающего наибольшее экспериментально реализованное значение для эксиплексных лазеров, полученное для KrF лазера (-11%). Данные результаты могут быть использованы при реализации высокоэффективного эксиплексного лазера.
До сих пор не реализованы лазеры на ионных эксиплексах. Результаты моделирования не исключают такой возможности. Приведены условия, при которых с наибольшей вероятностью можно получить генерацию на молекуле Ne+Ar.
Не прекращаются попытки запуска лазеров на третьих континуумах инертных газов. Выявленная природа этих континуумов говорит о невозможности получения на них генерации.
Выявленные причины увеличения мощности лазера на парах меди при добавках Нг и НС1 могут оказаться полезными при создании устройств с повышенной частотой следования импульсов генерации.
Результаты моделирования эксиплексных ламп могут быть использованы при реализации высокоэффективных ламповых источников.
Все исследования, определившие защищаемые положения, выполнены лично автором или под его непосредственным руководством. Личный вклад автора состоит в:
• выборе направлений исследований в рамках общего направления и постановке задач
• анализе и объяснении физических процессов в рассматриваемых задачах
• создании кинетических моделей активных сред лазеров и ламп
• проведении численных расчетов
• анализе и интерпретации результатов экспериментов
• анализе и интерпретации результатов численного моделирования и расчетов
На различных этапах исследования в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие СИ. Яковленко, В.И. Держиев, А.Г. Жидков, Г.С. Евтушенко. В проведении расчетов и обсуждении результатов принимали участие А.В. Карелин, Р.И. Голятина, О.В. Жданеев. В обсуждении следствий и выводов, получаемых в проводимых экспериментах, принимали участие В.Ф. Тарасенко, А.В. Феденев, МИ. Ломаев, Э.А. Соснин, С.С. Сулакшин, А.А. Кузнецов. На выбор общего направления исследований серьезное влияние оказал СИ. Яковленко.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.
Во введении рассмотрены вопросы, связанные с актуальностью проведенной диссертационной работы, сформулирована ее цель, научная новизна, научная и практическая ценность, приведены защищаемые положения.
Глава 1 имеет вводный характер, в ней приводится общая характеристика состояния проблем, связанных с темой диссертации до начала работы над ней, характеристика ключевых достижений и вопросов, требующих решения.
В § 1.1 приводится краткий обзор проблем, связанных с темой диссертации. В последующих параграфах проводится их более подробная детализация применительно уже к каждому конкретному вопросу, рассматриваемому в диссертации. В § 1.2 приводится краткая история развития физики, связанная с созданием лазеров.
В § 1.3 рассматриваются лазеры на вторых континуумах эксимерных молекул инертных газов. Приводятся молекулярные переходы, приводящие к излучению первого и второго континуумов, описана краткая история запуска эксимерных лазеров. Далее рассмотрены основные кинетические реакции, проходящие в активной среде этих лазеров и приводящие к заселению лазерно-излучающих молекул, условия инверсии, оцениваются пороги генерации и характер неравновесности активной среды. После этого рассматриваются третьи континуумы инертных газов, перечислены условия их наблюдения, отмечаются последние гипотезы их происхождения и работы, в которых делалась попытка получения генерации или проводилось обсуждение ее получения.
В § 1.4 рассматриваются эксиплексные лазеры на инертно-галоидных молекулах и гетероядерных ионных молекулах инертных газов. Описана краткая история запуска эксиплексных лазеров на инертно-галоидных молекулах, приведены их примерные характеристики. Приводится структура потенциальных кривых рабочих молекул, оцениваются пороги генерации данных лазеров. Основные кинетические реакции, проходящие в активной среде, рассматриваются на примере KrF лазера (248 нм), который на данный момент считается наиболее мощным представителем эксиплексных лазеров. Приводится краткий обзор широкоаппертурных установок, имеющихся в разных странах и созданных для получения рекордных характеристик лазерного излучения в рамках программ по ЛТС и СОИ. Далее описана краткая история исследования излучения на переходах ионных гетероядерных молекул инертных газов, выделены работы, в которых выдвигалось предположение о возможности получения лазерной генерации на этих молекулах.
В § 1.5 описываются проблемы, связанные с лазерами на парах меди. До сих пор дискутируется вопрос о причинах ограничения частот следования лазерных импульсов, рассмотренный в начале параграфа. Далее приводятся краткое обсуждение работ, в которых увеличение мощности и частоты следования импульсов связывается с введением в активную среду этих лазеров различных молекулярных и атомарных примесей. Такие лазеры сейчас называются лазерами с модифицированной кинетикой (kinetically enhanced lasers).
В § 1.6 описаны области науки и техники, в которых имеется или появляется спрос на ламповые источники излучения. Перечисляются достоинства и недостатки как имеющихся, так и рассматриваемых в диссертации ламп с различными методами возбуждения. Отмечаются работы, направленные на получение непрерывной генерации на эксимерньгх молекулах инертных газов и на эксиплексных инертно-галоидных молекулах. Глава 2 посвящена моделированию эксиплексных ХеС1 (308 нм) и XeF (351, 353 им) лазеров. В §2.1 описывается пакет программ ПЛАЗЕР, с помощью которого получена большая часть результатов диссертации. Описьгоается способ моделирования возбуждения в приближении жесткого ионизатора, частным случаем которого является, например, широко распространенное возбуждение среды пучком электронов. Приводятся характеристики эксиплексной ХеС1 молекулы, перечисляются основные механизмы, протекающие в активной среде этого лазера. Исследуются характеристики ХеС1 лазера в смесях Не-Хе-НС1, Ne-Xe-HCl, Аг-Хе-НС1 и Аг-Хе-ССЦ при накачке среды жестким ионизатором. Анализируется поведение излученной лазерной энергии от вкладываемой энергии вблизи порога генерации, проводится сравнение с доступными экспериментальными данными.
В §2.2 исследуются характеристики XeF лазера в смеси Ne-Xe-NF3 при накачке среды жестким ионизатором. Особое внимание уделяется учету влияния температуры среды в кинетической модели и возможности описания моделью излучения на двух длинах волн -351 и 353 нм. Анализируется поведение излученной лазерной энергии от вкладываемой энергии вблизи порога генерации, проводится сравнение с доступными экспериментальными данными. Согласно полученным расчетам XeF лазер должен обладать самым низким порогом среди эксиплексных инертно-галоидных лазеров. Проводится расчет выходной мощности излучения при накачке XeF усилителя бегущей волной от источника ядерного взрыва.
Глава 3 посвящена моделированию эксиплексного ArF (193 нм) лазера и рассмотрению возможности получения генерации на гетероядерных ионных молекулах инертных газов. В §3.1 исследуются характеристики ArF лазера в смесях Ar-F2 и Ne-Ar-F2 при накачке среды жестким ионизатором. Анализируется поведение излученной лазерной энергии от вкладываемой энергии вблизи порога генерации, проводится сравнение с доступными экспериментальными данными по лазерным генераторам и усилителям. Проведенные расчеты говорят о том, что генерационные характеристики этого лазера могут превышать рекордные значения, полученные для KrF лазера, который считается на сегодняшний день самым мощным из эксиплексных инертно-галоидных лазеров.
В §3.2 исследуются характеристики ArF лазера в смесях He-Ar-F2 и Ne-Ar-F2 при накачке среды импульсным разрядом. Приводится описание способа моделирования разрядной накачки и вычисления функции распределения электронов по энергиям. Далее приводятся результаты сравнительного описания ArF лазера в смесях He-Ar-F2 и Ne-Ar-F2.
В §3.3 рассматриваются гетероядерные ионные молекулы инертных газов. Приводятся длины волн излучения этих молекул на переходах с переносом заряда. Производится выбор конкретной молекулы - Ne+Ar, наиболее перспективной для получения генерации. На основе построенной кинетической модели проводится поиск и оптимизация условий, при которых возможна лазерная генерация.
В главе 4 проводится рассмотрение третьих континуумов инертных газов. Сначала, в §4.1 рассмотрены первый и второй континуумы инертных газов. Описывается их природа, основные каналы заселения и характеристики лазеров на вторых континуумов.
В §4.2 проводится детальный анализ природы третьих континуумов. Перечислятся различные точки зрения, предлагавшиеся для объяснения их природы. Далее более детально рассматриваются две из них, наиболее подходящие для их описания. Рассматриваются работы, посвященные расчету спектров излучения на основе предлагающихся переходов. Анализируются возможные механизмы релаксации возбужденной активной среды инертных газов, связанные с излучением третьих континуумов. Детально рассматривается возможность объяснения на основе предлагающихся гипотез имеющихся экспериментальных данных по зависимости излучения третьих континуумов от давления, данных по тушению третьих континуумов различными примесями, данных, получаемых при мощном возбуждении инертных газов, а также данных по излучению третьих континуумов при возбуждении кристаллов инертных газов. Делается вывод о том, что только одна из гипотез — гипотеза излучения однозарядных ионов может непротиворечиво объяснить всю совокупность имеющихся экспериментальных данных. Также проводится теоретический анализ возможности генерации на третьих континуумах.
В §4.3 рассмотрены более длинноволновые континуумы излучения в гелии и неоне, простирающиеся до 500 нм и далее.
Глава 5 посвящена моделированию лазера на парах меди с модифицированной кинетикой. В § 5.1 рассмотрен лазер на парах меди в смеси Ne-Cu-Нг. Приводится описание кинетической модели. Модель тестируется на имеющихся экспериментальных данных, после чего на ее основе проводится анализ предлагавшихся механизмов влияния примеси водорода на генерационные характеристики лазера на парах меди при различных частотах следования импульсов возбуждения. Рассмотрено влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди.
В §5.2 рассмотрен лазер на парах меди в смеси Ne-Cu-Ik-HCl. Построенная кинетическая модель тестируется на имеющихся экспериментальных данных, после чего на ее основе проводится анализ предлагавшихся механизмов влияния примеси хлорводорода на генерационные характеристики лазера на парах меди при различных частотах следования импульсов возбуждения. Приводятся результаты исследования по восстановлению концентраций водорода и хлороводорода в активной среде в межимпульсный период. Рассмотрено влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди.
Глава 6 посвящена моделированию ламповых (некогерентных) источников излучения в различных газообразных средах, описанию пространственной интенсивности излучения ламп и объяснению четочных и некоторых типов шаровых молний. В §6.1 рассмотрены ArF (193 нм) лампа в смеси He-Ar-F? и KrCl (222 нм) лампа в смеси Ne-Kr-HCl, возбуждаемые импульсным объемным разрядом. Найдены оптимальные условия излучения этих ламп. Эти условия существенно зависят от типа галогеносодержащей молекулы смеси. Проводится сопоставление с имеющимися экспериментальными данными.
В §6.2 рассмотрены ламповые источники излучения, возбуждаемые барьерным разрядом на примере KrCl (222 нм) лампы в смесях Ne-Kr-HCl и Ne-Kr-Cl2. Обсуждается природа филаментов барьерного разряда, проводится сопоставление с имеющимися экспериментальными данными. Получены расчетные оптимальные условия излучения.
В § 6.3 рассмотрены ламповые источники излучения, возбуждаемые жестким ионизатором (пучком электронов). Проводится теоретический анализ возможных характеристик эксимерной (Хег ) лампы на втором континууме ксенона (к -172 нм) и эксиплексной ХеС1 лампы (308 нм) в смеси Xe-NaCl. Интерес к эксимерной ксеноновой лампе вызван тем, что в ней возможно получение наибольшего к.п.д. из всех известных эксимерных и эксиплексных ламп. Моделирование эксиплексной ХеС1 лампы вызвано экспериментальными работами, проводимыми в ЦНИИМаш (г. Королев) с использованием щелочногалоидных молекул в качестве доноров галогенов в смеси.
В §6.4 рассматриваются ламповые источники излучения, возбуждаемые тлеющим разрядом. Построенные модели тестируются на известных экспериментальных данных по зависимостям дрейфовой скорости и характеристической энергии электронов от напряженности электрического поля. Проводится анализ функции распределения электронов по энергиям. Аналитически и численно получена кривая зависимости характеристической энергии электронов от произведения давления на радиус положительного столба разряда для дрюйвестейновской функции распределения электронов. Проводится сравнение расчетных и экспериментальных данных для эксиплексных KrCl (222 нм) и ХеС1 (308 нм) ламп в бинарных смесях Кг + СЬ и Хе + Ch- Проводится оптимизация бинарных смесей и рассматривается вопрос о возможности повышения мощности излучения ламп при добавлении более легких инертных газов.
В § 6.5 рассматриваются лампы (Войтенко) взрывного типа, возбуждаемые при отражении ударной волны от стенки лампы. Приводится подробное газодинамическое описание происходящих процессов, на основе которого анализируются излучательные характеристики такой лампы. Приводятся рекомендации по увеличению к.п.д. и энергии излучения таких ламп.
В § 6.6 проводится рассмотрение возможной природы четочных молний. Рассматривается физика процессов при мощном энерговкладе в среду. Оказывается, что получающиеся в результате релаксации среды образования с температурой 0.5 эВ и малой степенью ионизации с радиусами порядка 20 см имеют время жизни порядка 1 с. Такие размеры примерно соответствуют радиусам бусин четочной молнии. Время жизни этих образований определяется теплопроводностью воздуха и хорошо коррелирует с предельным временем жизни четок, известным из наблюдений. Оценки П.Л. Капицы для подобных образований приводят к времени жизни порядка 10 мс. Показано, что если учесть отличие излучательной способности воздуха с Т 0.5 эВ от излучательной способности абсолютно черного тела, то обе оценки совпадут. Проанализированы известные в литературе объекты, называемые искусственными шаровыми молниями, с временем жизни порядка 1 с, которые хорошо объясняются отмеченными выше образованиями.
В § 6.7 рассматривается пространственное распределение интенсивности излучения от цилиндрических ламповых источников. Аналитически и численно получены распределения для сплошной и коаксиальной цилиндрических ламп. Численно получены также профили распределения от лампового источника при наличии усиления в активной среде.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.
Эксимерные лазеры на молекулах инертных газов
Эксиплексные инертно-галоидные лазеры на сегодняшний день являются самыми мощными лазерами, излучающими в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. После первых пробных экспериментов, в которых наилучшие характеристики были получены для KrF лазера, практически все усилия экспериментаторов и теоретиков были ориентированы на него. Остальные лазеры, среди которых особо следует отметить XeCl, ArF и XeF лазеры, исследовались не так подробно. Хотя механизмы заселения рабочих состояний молекул были уже в основном вьыснены, тем не менее, отсутствовало ясное понимание особенностей и возможностей этих лазеров, выявленное в диссертации.
Наряду с исследованиями инертно-галоидных эксиплексных лазеров проводился поиск других молекул, пригодных для получения лазерной генерации. Один из таких классов молекул - ионные молекулы были введены в рассмотрение в 1985 г. (Басов Н.Г., Войтик М.Г., Зуев B.C., Кутахов В.П. [213,214], а также Sauerbrey R., Langhoff Н. [215]) Переход молекулы из возбужденного состояния в основное сопровождается в таких молекулах переносом заряда с одного атома на другой. Лазерная генерация на этих молекулах пока не получена. В диссертации проанализирована возможность генерации на переходе Ne+Ar — NeAr+ ионной гетероядерной молекулы.
Генерация на эксимерах инертных газов, упомянутая выше, была получена на вторых излучательных континуумах димерных молекул, лежащих в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра. Среди остальных излучательных континуумов этих молекул наиболее перспективными для получения генерации представлялись третьи континуумы, природа которых была неизвестна. Третьи континуумы димерных молекул инертных газов лежат в области длин волн, превышающих длины волн вторых континуумов, и уже только это обстоятельство было привлекательным для получения генерации, поскольку сильно облегчало использование оптических элементов. В диссертации выявлена природа третьих континуумов и доказывается невозможность получения на них генерации.
ЛПМ запущены раньше эксиплексных и эксимерных лазеров. Лазерные переходы осуществляются с резонансных на метастабильные уровни атома меди. Вследствие этого ЛПМ принадлежит к классу лазеров на самоограниченных переходах и непрерывная лазерная генерация принципиально невозможна. ЛПМ постоянно совершенствуются. Наиболее важные задачи здесь - это повышение генерационных (к.п.д., мощность) характеристик и увеличение частоты следования лазерных импульсов. Один из путей решения этой задачи, рассматриваемый в последнее время, состоит во введении различных добавок в традиционную активную среду. Такие лазеры получили название лазеров с модифицированной кинетикой (kinetically enhanced lasers). В диссертации проводится рассмотрение ЛПМ с модифицированной кинетикой на основе добавок Н2 и НС1.
В последнее время возрос интерес к ламповым газовым источникам спонтанного излучения на эксиплексных и эксимерных молекулах. Дело в том, что есть множество приложений, в которых не обязательно использование высококогерентного лазерного излучения, а достаточно иметь ламровый источник излучения на тех же длинах волн. Переход к источникам спонтанного излучения сопровождается рядом положительных тенденций: упрощением конструкции системы, смягчением условий накачки, повышением к.п.д. и срока жизни источника и т.д. Однако, оптимальные условия возбуждения ламповых и лазерных источников различаются. Поэтому простой перенос известных данных о лазерных источниках на ламповые здесь не годится. Исследование смягченных условий возбуждения ламп, реализуемых в оптимальных условиях и в условиях, близким к оптимальным, представляет интерес также в связи с вопросами получения непрерывной генерации на эксиплексных и эксимерных молекулах.
Рассмотрим теперь эти вопросы более подробно. Гипотеза А. Эйнштейна о существовании актов вынужденного испускания [2], выдвинутая в 1916 г., долгое время не вызывала интереса у физиков. В 1928 г. появилась первая работа X. Копфермана и Р. Ладенбурга, посвященная экспериментальной проверке существования актов вынужденного испускания [3-6]. Проверка носила косвенный характер. Изучалось влияние этих актов на значение показателя преломления плазмы в газовом разряде. Эксперименты сводились к измерениям показателя преломления с помощью интерферометра Д.С. Рождественского при разных разрядных токах. Небольшой спад показателя преломления с ростом тока был приписан роли актов вынужденного испускания. Только в 1939 г. В.А. Фабрикантом был предложен прямой метод проверки гипотезы А. Эйнштейна [7]. Суть метода заключалась в создании среды, в которой число актов вынужденного испускания превышает число актов поглощения. Это возможно только при неравновесных условиях. Световой луч, проходя через такую неравновесную среду, будет усиливаться за счет актов вынужденного испускания. Ф.А. Бугаевой были начаты соответствующие эксперименты, в 1951 г. М.М. Вудынский обратил внимание на практически важные возможности применения этого эффекта [8].
Кинетическое описание плазмохимических процессов
Эксиплексный ХеС1-лазер по эффективности уступает только KrF-лазеру, но в ряде приложений удобней из-за более доступной оптики и большей стойкости оптимальных рабочих смесей. Впервые генерация на молекуле ХеО получена в [125,136]. Накачка среды осуществлялась электронным пучком. Первоначально в качестве донора хлора использовалась молекула (. Впоследствии оказалось, что в смесях с НС1 излучательные характеристики выше. Данная молекула в основном и используется в лазерных смесях. Реже используется молекула CCI4, молекула ( почти не используется. При накачке самостоятельным разрядом достаточно высокие энергии излучения достигаются с галогеноносителями BCI3 и F2CI2. Наиболее перспективен для практического применения галогеноноситель НС1, который при диссоциации не дает твердых веществ, осаждающихся на оптических элементах и внутренней поверхности лазерной камеры, и может восстанавливаться в процессе работы, особенно при небольших ( 0,1 %) добавках водорода в стандартную смесь. Чаще всего в качестве буферного газа выступают Ar, Ne и Не. Генерация также получена в двойных смесях Хе-ССІф Однако, наилучшие параметры генерации достигаются в смесях с аргоном и неоном.
Кинетика XeCl лазера. Развитие моделей XeCl лазера можно проследить по работам [180,190,191,194,266,269 - 300]. Приведем отличия механизмов заселения состояний эк )к XeCl по сравнению с механизмами заселения состояний KrF (рис. 2.1.4.1). мала и без привлечения трехчастичной реакции перезарядки трудно объяснить экспериментальные данные [194].
Наинизшее возбужденное состояние ксенона Хе - Xe(6s) не может приводить к заселению ХеС1 в гарпунных реакциях с молекулами НС1 в основном колебательном состоянии. Заселение ХеСІ в гарпунных реакциях теперь выглядит следующим образом Хе + HCl(v 0) -» ХеСІ + Н к = (2.8 Хе + HCl(v 0) - ХеСІ + Н 5.6) 10-Ю см3/с эк эк
Здесь через Хе обозначено более высокие возбужденные состояния атома Хе по сравнению с Хе , a v - номер колебательного уровня основного состояния молекулы НС1. Диссоциативное прилипание электронов к молекуле НС1 в основном колебательном состоянии v=0 слабо. Наработка ионов С1- происходит преимущественно в результате прилипания электронов к колебательно возбужденным молекулам НС1, при этом сначала происходит возбуждение электронами колебательных уровней основного электронного состояния молекулы НС1 [301 - 304] HCl(v=0) + є - HCl(v=l,2) + є HCl(v=l,2) + e- Cl- + H Сечения прилипания электронов к молекуле HCl(v=l) примерно в 38 раз больше, а к молекуле HCl(v=2) - примерно в 880 раз больше, чем к молекуле HCl(v=0) [305 - 307]. Далее сечения прилипания выходят на насыщение. Таким образом, для правильного описания наработки отрицательных ионов О- в модели необходим учет как минимум трех колебательных уровней основного электронного состояния молекулы HCl(v=0,l,2). В некоторых моделях учитывается до 6 колебательных уровней.
Отмечавшийся выше факт о плохих генерационных характеристиках смесей, содержащих молекулу СЬ связан не только с тем, что данная молекула поглощает рабочее излучение. Бо лылая неприятность состоит, по-видимому, в том, что сечение прилипания электронов к молекуле СІ2 очень мало (существенно ниже, чем для молекулы F2, использующейся в качестве галогеноносителя для KrF лазера) в диапазане энергий, соответствующим средним значениям температуры электронов в активных средах ( 1 эВ). Теоретическое исследование смеси Аг-Хе-ССЦ [290] показало, что эффективность данной смеси не уступает эффективностям смесей с НС1. Реакция замещения АгС1 + Хе- ХеС1 + Аг во многих моделях не учитывается.
Основными каналами заселения молекул ХеС1 как при накачке жестким ионизатором, так и в разряде являются реакции ион-ионной рекомбинации [180,194,272,273,279,280, 282].
Глубина нижнего состояния Xмолекулы ХеСІ мала ( 0.025 эВ), что практически не сказывается на работе данного лазера. Во многих кинетических моделях это состояние даже описывается как разлетное.
В настоящей главе представлены достаточно полные кинетические модели ХеС1-лазера с различными буферными газами (гелий, неон, аргон) и с различными галогеносодержащими молекулами - НС1 и CCLj. В моделях используются уточненные скорости для ряда плазмохимических реакций, учитывается большое число образующихся сложных молекул, молекулярных ионов и возбужденных состояний [194,266,290]. Численные расчеты проводились с помощью комплекса программ ПЛАЗЕР [41,44] (см. также п. 2.1.2 данной главы).
ArF лазер при возбуждении среды импульсным разрядом
1. Построены самосогласованные нестационарные кинетические модели релаксации активной среды XeCl (308 нм) лазера в смесях Не-Хе-НС1, Ne-Xe-HCl, Ar-Xe-HCl и Аг-Хе-ССІ4 при возбуждении среды жестким ионизатором. Усовершенствованные модели активных сред удовлетворительно описывают имеющиеся экспериментальные данные в широком диапазоне параметров среды и энерговкладов.
2. Показано, что ХеСІ лазер в смеси Не-Хе-НС1 при возбуждении среды жестким ионизатором имеет порог генерации, составляющий согласно расчетам величину 6-7 кВт/см . Выявлено поведение генерационных характеристик вблизи порога генерации. Рассчитаны генерационные характеристики активных сред ХеСІ лазера при накачке широкоапертурных лазерных систем микросекундными электронными пучками с малой плотностью тока. В околопороговой области накачек W « 30 кВт/см к.п.д. ХеСІ и KrF лазеров довольно близки и составляют 2.5 - 3%, а удельный энергосъем достигает величины Е » 3 - 5 Дж/л.
3. Показано, что генерационные характеристики излучения эксиплексных ХеСІ лазеров в смесях Аг и Хе с ССІ4 и НС1 примерно одинаковы. Преимуществом ССЦ является его меньшая химическая активность.
4. Построена самосогласованная нестационарная кинетическая модель XeF лазера (351,353 нм) в смеси Ne-Xe-NF3 при возбуждении среды жестким ионизатором, учитывающая влияние газовой температуры на приходящие плазмо-химические реакции в активной среде. Кинетическая модель способна рассчитывать выходные характеристики на длинах волн 351 и 353 нм.
5. В предположении больцмановского распределения заселенности молекулярных рабочих уровней по колебательным состояниям модель правильно описывает параметры (относительную концентрацию реагентов, температуру) при которых происходит смена преимущественного излучения с одной длины волны 351 нм на другую - 353 нм. При этом смена происходит более резко, чем в эксперименте.
6. Показано, что XeF лазер в смеси Ne-Xe-NF3 при возбуждении среды жестким ионизатором имеет самый низкий порог генерации среди эксиплексных инертно-галоидных KrF, XeCl, ArF и XeF лазеров, составляющий согласно расчетам величину 400 - 500 Вт/см . Выявлено поведение генерационных характеристик вблизи порога генерации.
7. Показано, что при накачке смеси Ne-Xe-NF3 гамма-излучением ядерного взрыва возможно получение общей мощности до сотен гигаватт с к.п.д. по вложенной в газ энергии порядка 3%. При выборе расчетных начальных концентраций реагентов смеси в соответствии с экспериментальными значениями расчетная мощность излучения составила
7.2 1010 Вт (с к.п.д. 0.98%), что примерно в два раза меньше величины 1.4 10й Вт, полученной в эксперименте.
Впервые при накачке электронным пучком генерация наблюдалась в [128], при накачке разрядом - в [134,135]. Как правило, для получения лазерной генерации используются смеси Ne-Ar-F2, He-Ar-F2, в случае накачки электронным пучком используется также бинарная смесь Ar-F2 В течение длительного времени ArF лазеру уделялось недостаточное внимание. Первые экспериментальные работы содержали мало информации [128,134,135,151,381, 382]. Соответственно и моделированию ArF лазера посвящено не такое большое количество работ, как моделированию KrF и XcCI лазеров [174,383 - 388]. Это связано, по-видимому, с тем, что в первых экспериментальных работах излучательные характеристики, в особенности к.п.д., уступали этим лазерам и усилия по исследованию эксиплексных лазеров были сосредоточены на них. Кроме того, излучение ArF лазера приходится на вакуумно-ультрафиолетовую область излучения (ВУФ), так что возникают дополнительные трудности как с созданием оптических элементов, так и с регистрацией данного излучения. К тому же излучение ArF лазера хорошо поглощается в обычных атмосферных условиях.
Обнадеживающие результаты были получены во второй половине 80-х г.г. прошлого столетия. Были достигнуты к.п.д. 7.7 % в режиме генерации и [389] и 15 % в режиме усиления [390]. Однако, как следует из результатов этой главы, если преодолеть данные технические трудности работы с ВУФ излучением то, как показывает теоретическое моделирование, при мощных энерговкладах излучательные характеристики данного лазера могут превосходить даже характеристики KrF лазера, в частности, к.п.д. может достигать значения 20%.
Модель излучения однозарядными ионами
О неадекватности модели для димеров. В работе [414] на основе гипотезы двухзарядных ионов построена теоретическая зависимость от давления энергии излучения в третьем континууме. Отмечено хорошее согласие экспериментальной и теоретической зависимостей. Из этого сделан вывод о том, что экспериментальные данные подтверждают гипотезу двухзарядных ионов [107]. Однако, согласие теории и эксперимента в этой работе достигнуто, на наш взгляд, за счет неадекватного выбора скоростей реакций. Рассмотрим это подробнее.
Ключевую роль в объяснении результатов экспериментов на основе гипотезы [107] играет реакция конверсии атомарных ионов в молекулярные (15). Авторы работы [414] отмечают, что результаты их экспериментов можно объяснить лишь в том случае, если принять для аргона скорость реакции конверсии равной 2-10 31 см /с. Однако это противоречит как теоретическим представлениям, так и экспериментальным данным. Действительно, как теоретическое значение для этой скорости, полученные в соответствии с теорией Томсона (1.4 ЛОг смР/с, см., например, [471]), так и известное экспериментальное значение (1.3 -10-30 см6/с [480]) отличаются от значения использованного в [414] почти на порядок.
Более того, используемое в [414] значение скорости конверсии противоречат результатам измерений, проведенных в [476]. В работе [476] представлены результаты экспериментов по изучению зависимостей от времени интенсивностей различных участков спектрального излучения в третьем континууме при разных давлениях. Чтобы объяснить результаты эксперимента [476], проводившегося для Аг, с помощью гипотезы излучения двухзарядных ионов [107], авторами [476] был сделан вывод о том, что скорость реакции конверсии (15) должна составлять величину 1.46 10 "30 см /с. Эта величина, полученная в [476], хорошо согласуется с приведенными выше теоретическими и экспериментальными значениями, но на порядок больше величины, требуемой в работе [414] для объяснения приведенных там результатов экспериментов.
Таким образом, чтобы объяснить различные эксперименты [414] и [476] (проведенные в перекрывающемся диапазоне давлений) с помощью одной и той же гипотезы двухзарядных ионов [107], приходится допустить, что в этих экспериментах должны на порядок различаться скорости ключевой реакции конверсии. Но скорости реакций не могут меняться от эксперимента к эксперименту, поскольку это есть величина, характеризующая элементарный процесс.
Кроме того, в работе [414], чтобы объяснить экспериментальные данные, дополнительно к реакциям (14) - (16), (18) - (19) введена реакция (17), которая по мнению авторов должна иметь огромную скорость 1.3 10 30 см /с, практически равную скорости конверсии. Однако такая большая скорость для этой реакции не может реализоваться ввиду большого дефекта энергии (подробнее см. [474]).
В связи с изложенным выше можно сказать, что экспериментальные данные [414] на самом деле противоречат теоретической модели, основанной на гипотезе двухзарядных ионов, если в этой модели использовать набор значений скоростей реакций, не противоречащий известным экспериментальным и теоретическим данным.
Спасает ли ситуацию обращение к двухзарядным тримерам? Как уже отмечалось выше форму спектра третьих континуумов при давлениях 1 атм удается согласовать со спектроскопическими расчетами только привлекая гипотезу об излучении многоатомных 198 комплексов. Однако это не согласуется с экспериментальной зависимостью энергии излучения от давления в аргоне. Рассмотрим в связи с этим подробно работу [470]. В эксперименте [470] измерялись зависимости излученной энергии полос 185,220 и 245 нм от давления в аргоне. Эти зависимости практически одинаковы, так что представляются одной кривой (см. рис. 4.2.5,4.2.8, которые подробнее обсуждаются ниже в связи с моделью излучения однозарядными ионами). В этой же работе рассчитывались зависимости от давления максимальных (по времени) значений концентраций Аг2+, Аг2++, Агз+ и Агз++. Расчеты концентраций [Аг2+ ] и [Агз+ ] не проводились. Отмечено лишь, что они качественно должны совпадать с расчетами для [Аг2+] и [Агз+].
В диапазоне давлений 1-30 атм экспериментальная зависимость энергии излучения полос от давления в относительных единицах близка к соответствующим зависимостям плотности как однозарядного так и двухзарядного тримеров аргона [Агз+], [Агз"1-1"]. В то же время, эта зависимость излучения от давления не совпадает с зависимостями от давления [Аг2+] и [А ]. Отсюда в [470] сделан вывод о том, что проведенный эксперимент хорошо согласуется как с гипотезой двухзарядных ионов [107,108], так и с гипотезой однозарядных ионов [105, 109,110]. При этом предполагается, что упомянутые полосы должны принадлежать излучению тримеров. Но так ли это на самом деле?
Рассмотрим данную ситуацию более подробно. При малых давлениях во многих экспериментах отчетливо видна полоса с центром излучения на 188 нм. Если бы гипотеза двухзарядных ионов [107,108] бьша бы верна, то согласно работам [475,477,478] эта полоса принадлежала бы излучению молекул Аг2++. В работе [470] отмечается, что в этом эксперименте нельзя было отделить излучение димеров от излучения тримеров. Т.о. авторы наблюдают смешанное излучение димеров и тримеров. Ясно, что при малых давлениях должны преобладать димеры.
