Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию изменения параметров широкоапертурного электронного пучка при прохождении через конструктивные элементы выводного окна устройства ионизации (УИ) и газоразрядной камеры (ГРК) электроионизационного СО-лазера, численному расчету пространственного распределения скорости ионизации активной среды и удельного энерговклада в ГРК и нахождению оптимальных параметров конструкции «опорная решетка - фольга - анодная решетка» для достижения максимального и однородного (по высоте ГРК) удельного энерговклада.
Актуальность работы
Актуальность работы обусловлена тем, что к моменту начала работы автора над диссертацией оставались нерешенными следующие важные задачи, связанные с ионизацией активной среды быстрыми электронами в электроионизационных СО-лазерах.
Во-первых, при расчетах распределения плотности тока быстрых электронов и пространственного распределения скорости ионизации активной среды использовались приближенные аналитические формулы, полученные путем аппроксимации серии численных расчетов прохождения быстрых электронов через систему «фольга - газовый промежуток» [1]. В электроионизационных лазерах выводное окно УИ и система электродов ГРК устроены сложнее и представляют собой систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка - катод». Таким образом, было необходимо рассчитать пространственное распределение скорости ионизации с учетом потерь быстрых электронов на поверхности анодной решетки.
Во-вторых, оставалось неизученным влияние мелкомасштабной пространственной структуры скорости ионизации (как по высоте, так и по ширине ГРК) на пространственное распределение удельной мощности разряда. Поперечная неоднородность скорости ионизации возникает из-за наличия области тени за ребрами анодной решетки или вследствие начальной неоднородности падающего на фольгу пучка быстрых электронов.
В-третьих, в известных моделях не рассчитывалась доля разрядного тока, замыкающегося на фольгу. В электроионизационных лазерах для защиты фольги от повреждений при возникновении пробоя в разрядном промежутке
устанавливается решетка, являющаяся электродом ГРК [2]. Для того чтобы решетка эффективно выполняла свою функцию необходимо, чтобы на нее замыкался практически весь разрядный ток. Для этого требуется устанавливать решетку с достаточно широкими ребрами, либо с малым размером отверстий. В этом случае, однако, доля быстрых электронов, попадающих в ГРК, уменьшается с увеличением ширины ребер и уменьшением размера отверстий. Поэтому была поставлена задача нахождения оптимальной геометрии анодной решетки, при которой остается высокоэффективным вывод пучка в ГРК при относительно небольшой доле разрядного тока, замыкающегося на фольгу.
Таким образом, поставленные выше задачи, связанные с ионизацией активной среды СО-лазера пучком быстрых электронов, являются актуальными для более корректного описания процессов, протекающих в СО-лазерах, и представляют научный и прикладной интерес.
Цель диссертационной работы
-
Исследование изменения параметров широкоапертурного пучка быстрых электронов при его прохождении через конструктивные элементы выводного окна устройства ионизации и разрядной камеры электроионизационного СО-лазера.
-
Численный расчет пространственного распределения скорости ионизации активной среды быстрыми электронами и удельного энерговклада в разрядной камере СО-лазера.
-
Нахождение оптимальных параметров конструкции «опорная решетка -фольга - анодная решетка» для достижения максимального и однородного (по высоте разрядной камеры) удельного энерговклада.
-
Исследование влияния геометрических особенностей разрядной камеры на пространственное распределение электрического поля и плотности тока разряда. Определение доли разрядного тока, замыкающегося на фольгу. Оценка приэлектродного падения, возникающего из-за неоднородности электрического поля вблизи анодной решетки.
Научная новизна работы
1) Разработана программа для расчета параметров пучка быстрых электронов при его прохождении через выводное окно устройства ионизации и
газоразрядную камеру электроионизационного СО-лазера с учетом геометрических особенностей выводного окна устройства ионизации и электрода разрядной камеры.
-
Впервые детально исследовано прохождение широкоапертурного пучка быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка».
-
Впервые исследована мелкомасштабная пространственная структура, возникающая из-за наличия геометрических особенностей ГРК.
-
Впервые исследовано замыкание разрядного тока на фольгу выводного окна устройства ионизации для конструкции ГРК, характерной для электроионизационных СО-лазеров.
сновные положения, выносимые на защиту
-
Расчет прохождения широкоапертурного пучка быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка - газ» предсказывает возникновение мелкомасштабной структуры в скорости ионизации газа.
-
Результаты численного моделирования пространственной структуры плотности тока быстрых электронов хорошо воспроизводят полученную в эксперименте пространственную модуляцию плотности тока после прохождения пучком электронов анодной решетки.
-
Пространственная неоднородность скорости ионизации газовой смеси быстрыми электронами в случае анодной решетки с круглыми отверстиями значительно меньше по сравнению с анодной решеткой щелевого типа.
-
Начальная неоднородность плотности тока быстрых электронов (до прохождения через выводное окно устройства ионизации) слабо влияет как на суммарную величину вкладываемой энергии, так и на пространственное распределение удельного энерговклада.
-
Расчет двумерного пространственного распределения плотности разрядного тока предсказывает замыкание на фольгу от 0.2% до 11% в зависимости от параметров анодной решетки.
6) Неоднородность пространственного распределения электрического поля вблизи анодной решетки, обусловленная периодической структурой решетки, приводит к необходимости увеличения межэлектродного напряжения для сохранения той же величины поля в центре разрядной камеры, что и в случае с плоским электродом.
Практическая значимость
-
Разработанная модель прохождения быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка» позволяет найти плотность тока быстрых электронов в ГРК. Возможность моделирования различных конструктивных вариантов приводит к значительному ускорению и удешевлению работ, связанных с нахождением оптимальных значений геометрических параметров ГРК.
-
Расчет доли разрядного тока, замыкающегося на фольгу, позволяет подобрать параметры анодной решетки таким образом, чтобы риск прогорания фольги в случае возникновения пробоя был сведен к минимуму и при этом был достигнут максимальный коэффициент вывода пучка быстрых электронов в область разряда.
-
Расчет мелкомасштабной пространственной структуры скорости ионизации активной среды быстрыми электронами позволяет получить пространственное распределение удельной мощности разряда. Знание пространственного распределения удельной мощности разряда дает возможность оценить область охвата среды лазерным излучением и правильно подобрать и установить оптический резонатор.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на III (20-23 апреля 2009 г.), IV (26-29 апреля 2010 г.) и V (26-29 апреля 2011 г.) Всероссийских Школах по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров, Нижегородская обл.), на III (25-30 октября 2009 г., г. Москва - г. Троицк, Московская обл.), IV (14-19 ноября 2010 г., г. Звенигород, Московская обл. - г. Москва) и V (14-16 ноября 2011, г. Москва) Всероссийских молодежных школах-семинарах с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», на XIII Школе молодых ученых
«Актуальные проблемы физики» (14-18 ноября 2010 г. Звенигород, Московская обл.), на конкурсе работ молодых научных работников, аспирантов и инженеров памяти академика А.П. Александрова (ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Троицк) в 2009-2012 гг.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах: в 2 статьях в рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (редакция от 22 июля 2011 года), в 2 препринтах и 9 докладах, опубликованных в сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в разработке, реализации расчетно-теоретичес-кой модели прохождения широкоапертурного пучка быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка» и сравнении полученных на ее основе результатов с результатами экспериментов. Автором исследована пространственная неоднородность плотности тока быстрых электронов, скорости ионизации активной среды и удельного энерговклада. Автором проведена серия расчетов по определению оптимальных параметров конструктивных элементов газоразрядной камеры электроионизационного СО-лазера.
Структура и объем диссертации
