Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Самостоятельные планарные разряды и нормальная плотность тока. 9
1.1 Нормальная плотность тока - история и постановка вопроса. 9
1.2 Экспериментальная установка. 15
1.3 Инициирование разряда. 17
1.4 Плотность катодного тока при различных p.d. 19
1.5 Аномальный режим горения разряда. 21
1.6 Распределение интенсивности видимого свечения по поперечному сечению разряда в аномальном режиме горения. 23
1.7 Численная модель разряда и ее параметры. 24
1.8 Результаты численного моделирования разряда. 27
1.9 Обсуждение результатов. Сравнение экспериментальных данных с результами расчета. 31
1.10 Резюме к главе 1. 38
Глава 2. Несамостоятельный планарный разряд с комбинированным возбуждением - свойства и применение для СО2 лазера 39
2.1 Проблемы оптимизации электрических параметров в активных средах мощных молекулярных лазеров. 39
2.2 Экспериментальная установка. 43
2.3 Экспериментальные результаты . 43
2.4 Моделирование разряда. 48
2.5 Результаты расчета электрических параметров разряда. 49
2.6 Границы устойчивости разряда. 52
2.7 Упрощенный анализ устойчивости положительного столба. 52
2.8 Обсуждение результатов. 55
2.9 Резюме к главе 2. 57
Глава 3. Непрерывная генерация пучка быстрых электронов в микро-разряде . 58
3.1 Генерация быстрых электронов - обзор существующих методик. 58
3.2 Конструкция микро-разряда для генерации пучка. 62
3.3 Экспериментальная установка. 64
3.4 Экспериментальные результаты и их обсуждение. 64
3.5 Обсуждение результатов, сравнение с результатами других авторов. 73
3.6 Резюме к главе 3. 77
Глава 4. Генерация пучка быстрых электронов большой площади в открытом барьерном разряде и его использование для накачки газовых лазеров на атомарных переходах . 79
4.1 Открытые разряды как генераторы быстрых электронов. 79
4.2 Экспериментальная установка и методика измерений . 80
4.3 Электрические характеристики разряда. 84
4.4 Видимое спонтанное свечение газа. 85
4.5 Лазерные характеристики. 88
4.6 Обсуждение результатов. 96
4.7 Резюме к главе 4. 100
Заключение. 101
Список публикаций. 103
Список цитируемой литературы.
- Инициирование разряда.
- Экспериментальные результаты
- Конструкция микро-разряда для генерации пучка.
- Экспериментальная установка и методика измерений
Введение к работе
Газовый разряд реализуется в многочисленных формах, и это широко используется в различных технологиях и устройствах, таких как источники света, средства накачки активных сред газовых лазеров, ллазмохимических реакторах, и как коммутирующих элементах электрических цепей (газонаполненные приборы, например, тиратроны). Такое многообразие применений газового разряда связано с широким. диапазоном параметров плазмы, создаваемой: в различных газовых разрядах, и широким: диапазоном: плазмообразующих газов, геометрий, электрических параметров и энерговкладов в разряд.
Разрядное напряжение может варьироваться от десятков - нескольких сотен вольт (дуговые разряды) до десятков - сотен киловольт (коронные разряды, тлеющие разряды в газах высокого давления), и даже до мегавольт (в т.ч. природные гигантские разряды — молнии). Разрядные токи в самостоятельных разрядах могут составлять от микроампер до сотен килоампер. Соответственно, энерговклад в газовых разрядах может достигать величины в сотни киловатт и более. Концентрация заряженных частиц в плазме разряда может меняться от ~ 1010 до ~ 1022 см"3, степень ионизации газа от - 10" до - 10" , средняя энергия частиц от - 10"1 до ~ 10 -10г эВ. В большинстве случаев средняя энергия электронов мала (- 1 эВ) и определяется подвижностью, но в сильных электрических полях электроны могут переходить в режим «убегания» и набирать энергию - 102 - 104 эВ. Соответственно, и функция распределения электронов по энергии может существенно отличаться от распределения Максвелла,
Все это разнообразие проявлений газового разряда определяется различными механизмами эмиссии, процессами ионизации и гибели заряженных частиц (рекомбинация, гибель на стенках камеры и прочее), баланса энергий, которые, в свою очередь, сильно зависят от концентрации газа и распределения электрического поля, различных тепловых эффектов. Подбором макроскопических параметров: подходящей. электрической схемы питания разряда, геометрии разрядной камеры, химического состава и давления газа и т.д. -можно реализовать условия, наиболее подходящие для решения поставленной задачи, например, накачки активной среды газового лазера,
В: последнее время обсуждаются' и реализуются разряды с малым промежутком и развитой поверхностью (разрядные дисплейные панели, мощные компактные волноводные планарные лазеры, сильноточные коммутаторы), с эффективным теплоотводом. Это, как правило, устройства при повышенных давлениях. В этой ситуации- первостепенными становятся явления вблизи электродов, устойчивость разрядных структур, уровней
возможного энерговклада в разряд. Этим вопросам посвящена данная работа, что определяет ее актуальность.
Цель работы - экспериментальные и теоретические исследования разрядов пониженной размерности - с развитой поверхностью электродов и малым зазором и физических предпосылок для их возможных применений при разработке нового поколения эффективных компактных газовых лазеров.
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:
- выяснение условий заполнения поверхности электродов и объема разряда током,
разграничение нормальных и аномальных режимов, определение предельного уровня
энерговклада в самостоятельном разряде в планарной; геометрии, изучение эффекта:
нормальной плотности тока в коротких промежутках;
определение границ объемной устойчивости в сочетании с возможностями управления величиной приведенного электрического поля и энергией электронов в несамостоятельных разрядах с емкостной предыонизацией, установление механизмов развития неустойчивостей, установление соотношения предельных энерговкладов по отношению к устойчивости разряда и механизму инверсии (на примере планарного волноводного СОг лазера);
создание генератора пучков быстрых электронов в катодных областях разряда в газе среднего давления и возможности использования электронного пучка для накачки лазерных сред (на примере лазера на атомарных переходах Хе в области 2 им).
Научная новизна н практическая ценность
Экспериментально установлен эффект ограничения нормальной: плотности тока в самостоятельных плоских разрядах при коротких межэлектродных промежутках. Дана физическая интерпретация эффекта, установлены ограничения классической теории катодного слоя.
Исследован лабораторный макет квазинепрерывного планарного волноводного СОг-лазера, использующего комбинацию емкостной импульсной предыонизации поперечным барьерным разрядом с частотой; повторения ~ 10-20 кГц и накачки поперечным несамостоятельным разрядом с металлическими' электродами, к которым; прилагается постоянное напряжение. Достигнуты предельные энергетические лазерные параметры, определяемые тепловым ограничением инверсии;
3. Разработана модель, описывающая границы устойчивости квазинепрерывного
несамостоятельного планарного разряда с импульсно-п ери одической предыонизацией;
Предложен способ непрерывной генерации электронных пучков малой апертуры в газе среднего давления, основанный на эффекте «убегания» электронов в катодном слое аномального тлеющего разряда с металлическим катодом малой площади, ограниченной диэлектриком. Изучено распространение в газе пучков электронов, получаемых с помощью такого источника;
Изучена возможность импульсно-периодической генерации электронных пучков широкой апертуры в газе среднего давления, основанная на эффекте «убегания» электронов . в катодном слое аномального тлеющего разряда с диэлектрическим катодом и близко расположенным сетчатым анодом. Исследовано распространение пучков электронов, получаемых с помощью такого источника, в газе;
Получена и исследована генерация на переходах атомарного Хе в области 2 /ш при возбуждении электронным пучком, инжектируемым в газ из, области; катодного падения открытого барьерного разряда:
Основные положения, выносимые на защиту
При, малых межэлектродных промежутках происходит уменьшение нормальной плотности тока самостоятельного разряда. Эффект связан с зависимостью ион-электронной эмиссии: с поверхности катода от поля и, как следствие, с появлением минимума на вольтамперной характеристике катодного слоя; в области, не предсказываемой классической теорией катодного слоя тлеющего разряда. Данная зависимость позволяет объяснить эффект нормальной плотности тока как формирование области повышенной эмиссии, достаточной для поддержания тока разряда при уменьшении площади, занимаемой разрядом. Предельный энерговклад в самостоятельный планарный разряд в нормальной форме определяется электрическими характеристиками катодного слоя, а в аномальной; форме предельный энерговклад ограничивается развитием неустойчивостей на аноде.
Неустойчивость несамостоятельного разряда с емкостной предыонизацией в планарной геометрии связана с ионизационно-перегревным механизмом. Динамика развития неустойчивостей может быть теоретически описана, а их граница в условиях СОг лазера соответствует энерговкладам, превышающим допустимые для поддержания инверсии из-за нагрева газа. Управление величиной приведенного электрического поля, средней энергией электронов и величиной предельного энерговклада может осуществляться за счет изменения мощности предыонизации.
Область катодного падения аномального тлеющего разряда может быть использована в качестве эффективного источника быстрых электронов. Устойчивое горение разряда в аномальной форме может обеспечиваться как за счет ограничения площади"
металлического катода диэлектриком, так и за счет использования диэлектрического катода. Продемонстрирована генерация пучка электронов с энергией в диапазоне 102-104 эВ и получена лазерная генерация на атомарных переходах Хе в области 2 /ш с накачкой пучком электронов с апертурой —100 см2. Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной Конференции по Плазменным Технологиям, объединенной с Европейской Конференцией по Атомной и Молекулярной Физике Ионизованных Газов ESCAMPIG 16/ICRP 5 (г. Гренобль, Франция, 2002), Международной Конференции по Квантовой Электронике, объединенной с Конференцией по Лазерам, Приложениям и Технологиям IQEC / LAT 2002' (Москва, 2002), Всероссийской XXVII Звенигородской Конференции по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2000), XLI, XLU и XLIV Научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной науки» (г. Долгопрудный^ 1998,1999,2001), 16-ом Национальном Симпозиуме Центра по Физике Плазмы Нидерландов (г. Люнтерен, Нидерланды, 2004), семинарах Отдела Оптики Низко-Температурной Плазмы Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва, 1998 - 2002) и семинарах Группы Лазерной Физики и Нелинейной Оптики Университета Твенте (г. Энсхеде, Нидерланды, 2002 - 2004). Публикации по теме работы;
Материалы, раскрывающие основное содержание диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в т.ч. в 4 научных статьях, в материалах 7 научных конференций (в т.ч. в 2 международных), 2 препринтах ФИАН и одном патенте на изобретение. Список публикаций приведен в заключительной части диссертации. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, списка публикаций по теме работы, включает 51 иллюстрацию, список цитируемой литературы из 224 наименований. Общий объем диссертации 123 страницы, Содержание работы
Во введении: обоснована, актуальность, темы, сформулированы- цели, новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена исследованию плоских самостоятельных разрядов с малым межэлектродным промежутком. Рассматривается вопрос о зависимости: нормальной плотности тока, определяющей удельный энерговклад-в разряд, от длины разрядного промежутка. Показано, что экспериментально наблюденное падение величины нормальной
плотности тока в коротких промежутках может быть объяснено зависимостью коэффициента ион-электронной эмиссии от величины электрического поля на катоде. Исследуется вопрос о предельном: энерговкладе В: самостоятельном разряде в планарной геометрии. Основной материал, излагаемый в главе, опубликован в работах [В1, В2, ВЦ, ВІЗ, В15, В16].
Вторая глава содержит материалы исследований: квазинепрерывного несамостоятельного разряда с импульсно-периодической ионизацией барьерным разрядом. Показано, что неустойчивость положительного столба обуславливается ионизационно-перегревным механизмом. Показано, что величина приведенного электрического поля в положительном > столбе и предельный энерговклад, при котором нарушается устойчивость горения разряда, определяются мощностью предыонизации, и предельный энерговклад может быть сделан выше порога, при котором в случае исследованного макета квазинепрерывного компактного СОг лазера разрушается инверсия заселенностей уровней из-за теплового нагрева газа. Основной материал, излагаемый в главе, опубликован в работах [В7, В12].
В третьей главе описываются исследования по генерации пучков в слое катодного падения аномального разряда с ограниченной площадью металлического катода. Показано, что использование металлического катода, площадь которого ограничена диэлектриком до ~ 0.3 мм2, позволяет реализовывать непрерывное горение аномального разряда при напряженииї до; L5 кВ без развития неустойчивостей, В слое катодного падения такого разряда генерируется пучок электронов с энергией вплоть до приложенного напряжения при; среднем давлении газа, и исследовано распространение пучка электронов такой энергии в газе. Основной материал, излагаемый в главе, опубликован в работах [ВЗ — В5].
В четвертой главе описываются исследования по генерации пучков в слое катодного падения аномального разряда> с диэлектрическим катодом и близко расположенным сетчатым анодом. Показано, что использование такого открытого барьерного разряда позволяет реализовывать импульсно-периодический аномальный тлеющий разряд, горящий при напряжении — 10-20 кВ, в газе среднего давления без развития неустойчивостей. В слое катодного падения такого разряда генерируется пучок электронов широкой апертуры с энергией вплоть до приложенного напряжения, и исследовано, распространение пучка электронов такой энергии в газе. Основной материал, излагаемый в главе, опубликован в работах [Вб, В8 - BIO, В14].
В заключении приводятся основные выводы работы.
Инициирование разряда.
Ситуация в очередной раз побуждает вернуться к критерию существования-нормального режима, имеющему, как ясно из изложенного, принципиальное значение для физики: газового разряда. При постановке нашей. работы мы исходили,. из того, что в планарной геометрии отношение площади катодного пятна к его границе велико и, в принципе, возможности классической одномерной модели могли бы быть проанализированы наиболее полно. Представлялось интересным понять возможности этой модели для описания основных макроскопических характеристик разряда, таких, как вольтамперная характеристика, устойчивость, пределы энерговклада. Другой вопрос,, что в разрядах с пониженной размерностью, выбираемых для применений из соображений теплоотвода, размер межэлектродного промежутка может оказаться сопоставимым с длиной катодного падения, что несет дополнительные особенности, не изучавшиеся ранее теоретически. Поэтому мы провели серию экспериментов, прежде чем обратиться к существующим теориям для интерпретации результатов измерений.
В данной главе излагаются экспериментальные результаты исследования зависимости величины нормальной плотности тока от длины разрядного промежутка в коротких разрядах (p.d"(p.d)mia) и результаты численного моделирования- катодной области. В численной модели акцентируется внимание на роли эмиссионных процессов при сохранении основных черт теории [51] и численной модели [54]. Такому подходу способствовали также. соображения о том, что одномерное локальное: дрейфовое приближение,. в силу своей простоты, сохраняет ценность в качестве «нулевого» приближения при оценке роли того или иного механизма перед построением более сложных моделей.
Схема установки представлена на рис. 1.2. Разряд зажигался между электродами, представляющими собой пластины длиной 1=6 мм, высотой й=11 мм со сглаженными краями — 1, Г. Использовались электроды с шириной w=4, 6 и 8 мм. Для предотвращения заполнения разрядом боковых граней катода 1 они закрывались изолятором 2. Электроды зажимались в струбцинах 3,3\ которые одевались на медные трубки водяного охлаждения 4, 4\ Конструкция размещалась в вакуумной камере 5 со смотровыми кварцевыми окнами б, 6".
Исследовались разряды в аргоне с медным и железным катодами, воздухе с медным катодом и в гелии с медным и алюминиевым катодами в диапазоне р=2-100 Торр, /=0.18-4.5 мм. Величина зазора d между электродами 1, Г выставлялась с помощью калиброванного щупа. Измерение величины зазора с точностью -0.05 мм и проверка параллельности электродов производилась с помощью измерительного микроскопа 7. Постоянное напряжение от источника питания С/ 600 В подавалось на анод Г через балластное сопротивление Л, величина которого варьировалась в диапазоне 500-1200 Ом. Напряжение и ток разряда измерялись с помощью вольтметра и амперметра постоянного тока соответственно.
Площадь токового пятна на катоде при горении нормального тлеющего разряда определялась по измеряемой с помощью микроскопа 7 длине светящейся части разряда. Пятно имело вид полоски длиной Lp с полукруглыми торцами и шириной, равной ширине катода w. Площадь токового пятна S вычислялась с учетом поправки на полукруглую форму его торцов с помощью соотношения
В случае если токовое пятно разбивалось на два или более пятен, варьированием полного тока разряда добивались либо слияния пятен, либо исчезновения дополнительных пятен. После чего возвращались к нужному значению полного тока разряда. Если добиться существования только одного пятна было невозможно, электроды подвергались полировке и выставлялись заново.
Оценка длины области отрицательного свечения проводилась по измеренному распределению интенсивности видимого излучения. Распределение интенсивности по длине разрядного промежутка измерялось по увеличенному в -20 раз с помощью ахроматической линзы 8 изображению разряда с пространственным разрешением 0.05 мм. Для сканирования изображения использовалась диафрагма 11с диаметром 1 мм. Сигнал регистрировался ФЭУ-55 12, имеющим область спектральной чувствительности 350-650 нм; Для ограничения телесного угла регистрируемого излучения использовалась диафрагма 9, находящаяся в фокусе линзы 8.
Вакуумная система позволяла производить предварительную откачку камеры до давления -10"5 Торр, но было экспериментально установлено, что для воспроизводимости измерений достаточна откачка до давления -10 Торр, Электроды подвергались тщательному обезжириванию и полировке перед каждой серией экспериментов с фиксированным межэлектродным расстоянием d.
В экспериментах измерялись напряжение на разряде, сила тока разряда, площадь пятна, занимаемого катодным свечением, и распределение видимого свечения разряда вдоль разрядного промежутка. Прослеживалась эволюция разряда от стадии пробоя газового промежутка до развития аномального тлеющего разряда, причем основное внимание уделялось исследованию нормального разряда. 1.3 Инициирование разряда.
Экспериментальные результаты
Схемы активной среды и электрического питания показаны на рис. 2.1. Постоянное напряжение прикладывается к медным электродам 1. Постоянное напряжение - до 1500 В, ток - до 700 мА. Импульсное напряжение прикладывается к .алюминиевым электродам 2. Среда ограничена двумя керамическими (AI2O3) пластинами 3. Пустотелые электроды 2 имеют общий с пластинами 3 контур водяного охлаждения.
Используемая электрическая схема формирования импульсов предыонизации [123] в принципиальном отношении аналогична описанным в работах [125-127] для возбуждения крупногабаритных COj лазеров, охлаждаемых и стабилизируемых: быстрым протоком рабочего газа и в [128, 129] при возбуждении коаксиальных камер. Используется генератор с емкостным (С1, 1-3 (іФ) накопителем. Конденсатор коммутируется тиратроном ТІ (ТГИ1-100/8), управляемым задающим генератором. Частота повторения импульсов / 30 кГц ограничивается временем. деионизации тиратрона. Импульсное, напряжение повышается трансформатором 1Ї1 до Up = 10 кВ. Длительность импульсов « 0.2 мкс, длительность фронта я 50 не. Средняя по времени мощность импульсной схемы может варьироваться как за счет/, так и за счет Up и в наших условиях ограничена величиной Wp 50 Вт.
Оптическая ось резонатора проходит вдоль медных электродов в середине щелевого зазора. Использовались отражающее медное зеркало с радиусом кривизны 4 м и плоское с пропусканием 10%. Диаметр рабочей поверхности зеркала 13 мм. Длина разрядной камеры вдоль медных электродов 190 мм, расстояние между медными электродами могло варьироваться от 10 мм до 40 мм. Наименьший размер - высота щели - 2 мм. Мощность генерации измерялась калориметром, временное поведение мощности анализировалось приемником Ge-Au;
Большая часть экспериментов проводилась с разрядами в смеси CC»2:N2:He (1:1:8). Все экспериментальные ошибки обусловлены погрешностями измерения напряжения, тока и мощности лазерной генерации. Экспериментальные результаты.
Проводились- измерения электрических характеристик разряда в контуре цепи постоянного напряжения. Фиксировалось напряжение С/е на электродах 1 (рис. 2.1). Для стабилизации во времени напряжения Ue при наложении импульсов предыонизации между источником постоянного напряжения Ups и электродами 1 включалось сопротивление /fs=0.97 кОм и конденсатор С=0.1 мкФ, как это показано на рис. 2.2. При изменении расстояния z между электродами изменение длины разряда происходит за счет положительного столба [18]. Поэтому, измеряя напряжение на электродах Ue(z), можно разделить падение напряжения V на положительном столбе и в приэлектродных зонах.
Были измерены величины нормальной плотности тока/п и катодного падения потенциала Un самостоятельного тлеющего разряда в смеси СОг Не (1:1:8) для медных электродов. Методика измерений и экспериментальная установка описаны в первой главе (см. п. 1.2). Нормальное катодное падение потенциала составило C/ft=330B, а величина приведенной нормальной катодной плотности тока - 145 мкА/см2Торр2. Сопоставление результатов измерений показало, что в исследуемых условиях для несамостоятельного разряда величины приэлектродных падений, определяемые практически катодными падениями, хорошо совпадают с аналогичными величинами для самостоятельных разрядов постоянного тока. При этом режим горения І несамостоятельного разряда соответствовал нормальному, т.е. токовые пятна занимали лишь часть площади катода, а положительный столб занимал весь размер разрядной камеры вдоль медных электродов.
Длина области катодного падения в типичных экспериментах была меньше или порядка 1 мм, в то время как длина. промежутка могла варьироваться от 10 до 40 мм(см. п. 2.2). Поэтому падение напряжения на положительном, столбе при- фиксированной длине промежутка z равняется U Ue{z)-Ua, а напряженность электрического поля в положительном столбе с хорошей точностью может быть вычислена по соотношению E-U/v
На рисунке 2.2 приведены примеры осциллограмм напряжения на положительном столбе U (кривая 1) и тока разряда./ (кривая 2) при давлении /?=30 Торр, t/p=10 кВ,,/=18 кГц (момент времени 55 мкс соответствует началу нового импульса предыонизации), расстояние между электродами г=25 мм. Видно, что RC цепочка хорошо стабилизирует напряжение на электродах, ток же разряда имеет глубокую модуляцию (в данном примере 80%).
На рис. 2.3 точками показаны усредненные по времени вольтамперные характеристики положительного столба для двух различных мощностей предыонизации Wp=12 (l) и 50 Вт (2), полученные при длине разрядного промежутка 15 мм, давлении смеси 50 Торр и частоте повторения импульсов предыонизации 18 кГц. Сплошные кривые соответствуют теоретически полученным В АХ положительного столба и будут описаны ниже,, в п, 2.4.. Изменение Ир достигалось за счет изменения /р при фиксированной частоте повторения. Наибольшие значения средних измеряемых величин / (крайние правые точки) соответствуют предельными энерговкладам в однородном разряде.
Возникающие при больших энерговкладах неустойчивости фиксировались визуально,и носили характер контрагированных узких каналов.
Величина предельного энерговклада, определяемая развитием этих разрядных неустойчивостей, приводящих к резкому нарастанию тока и переходу в дуговой разряд, зависит от мощности предыонизации. Для сравнения на рис. 2.3 кривые (3, 4) соответствуют линиям равной мощности, выделяемой в положительном столбе: W=100 Вт (3) и 200 Вт (4). Для данных линий равной мощности были рассчитаны значения E/N, принимая во внимание, что при мощности, выделяемой в положительном столбе, 100 Вт установившаяся температура газа составляет 450 К, а при мощности 200 Вт - 600 К. Данные кривые приведены на рис. 2.3 (5, 6). Отметим важное обстоятельство. Из экспериментальных данных рис. 2.3 видно, что при фиксированной мощности W можно за счет изменения мощности предыонизации Wp изменять параметр E/N. Если, например, при прочих равных условиях зафиксировать величину W=100 Вт, то при мощности Wv=\2.5 Вт падение напряжения на положительном столбе /-800 В, а при Wp=50 Вт - / 470 В. Соответственно, учитывая установившуюся температуру газа Г - 450 К, получаем, что в первом случае E/N 49 Тд (49 10 В см), а во втором 30 Тд, т.е. примерно в 1.6 раза меньше. Это существенный эффект.
Проводилась оптимизация режимов разряда при фиксированном составе смеси для получения максимальной мощности генерации. На рис. 2.4 показан пример зависимости мощности генерации и вкладываемой электрической мощности от среднего тока разряда в: условиях рис. 2.3 (давление смеси 50 Торр, длина промежутка 15 мм, частота следования импульсов предыонизации 18 кГц). Мощность предыонизации- Wp=50 Вт. Наибольшая достигнутая мощность генерации составила 36 Вт при энерговкладе в положительный столб 285 Вт. При этом положительный столб занимал практически всю длину разрядного промежутка 15 мм. В пересчете на оптически активную зону резонатора это соответствует для генерации 1.5 Вт/см2 , вкладываемой мощности 11.5 Вт/см2 и КПД ті=13%. КПД сильно зависел от энерговклада и при меньших энерговкладах, например, 80 Вт, достигал 20%. Реальный КПД, т.е. с учетом полного вклада в разряд и в предионизацшо, конечно, меньше, но его в условиях наших экспериментов нельзя было точно измерить, так как зеркала не перекрывали полностью все межэлектродное пространство.
Конструкция микро-разряда для генерации пучка.
В этой связи вновь проявился интерес к разряду с полым катодом [36, 168, 178-186]. В полости катода формируется такое распределение потенциала, что электроны испытывают колебательное движение внутри нее, многократно проходя область катодного падения вблизи: стенок полости. При таком движении число актов ионизации, производимых электронами в полом катоде, намного превосходит число актов ионизации на один электрон в обычном тлеющем разряде. Такое усиление ионизации называется эффектом Пенделя; это приводит к значительному (на порядки величины) увеличению плотности тока разряда. Эффект полого катода для разряда в аргоне достигается при 0.03 Торр CM /?.D 10 Торр см, где р - давление газа, D - диаметр полого катода [187], для других газов порядок величины такой-же. и скалируется как газокинетическое сечение столкновений для; данного газа. Получаемый в полом катоде пучок электронов относительной низкой энергии затем может быть пропущен через ускорительный промежуток. Распространение получила конструкция, называемая псевдо-искровым источником электронов (pseudo-spark) [ 188-200]. Устройство представляет из себя полый катод, в котором зажигается разряд при небольшом давлении. газа ( 1 Торр), и набор ускорительных промежутков, в которых создается давление, недостаточное для пробоя газа ( 10 2 — 10 3 Торр). Разность давления между полым катодом и ускорительными промежутками поддерживается за счет дифференциальной откачки.
Одна из последних версий подобных устройств - так называемый микро-разряд (в англоязычной литературе - micro-hollow cathode, МНС), в котором катод и анод разделены не газовой средой, а тонким (0.1-1 мм) слоем диэлектрика, в котором, как и в,электродах, сделаны небольшие по диаметру (0.1-1 мм) отверстия. Слой катодного падения, при небольшом токе разряда, формируется в отверстии в диэлектрике, так что разряд горит в нормальной форме. Однако при увеличении тока разряда катодное пятно также начинает заполнять поверхность катода, противоположную слою диэлектрика и аноду, а линии тока продолжают проходить через отверстие в диэлектрике, тем самым плотность тока в канале в диэлектрике увеличивается, а сам разряд остается, в нормальной форме. Как.и в случае: разряда с обычным полым катодом, существует ограничение p.D lO Торр см, при котором существует эффект «полого катода». За счет уменьшения диаметра полости удается перейти в область больших давлений ( 100 Торр). Проводятся исследования возможностей таких конструкций в режиме нормального тлеющего разряда постоянного тока [201].
Под микро-разрядом обычно понимается конструкция, состоящая из двух пластин -катода и анода, разделенных слоем диэлектрика, с коаксиальными отверстиями в аноде, диэлектрике и катоде. Таким образом, в конструкциях микро-разряда катодное падение формируется в полости в диэлектрике, в котором производятся быстрые электроны, возбуждающие газ с внешних сторон как катода, так и анода, т.е. получаются закатодное и: заанодное свечения. Так как поверхность катода в такой конструкции сравнительно велика, то разряд горит в нормальной форме, и переход в аномальную форму возможен только при большом полном токе разряда, при котором разряд покрывает всю поверхность катода. При большой площади токового пятна нагрев становится существенным, что может приводить как к развитию разрядных неустойчивостей, так и к термическому разрушению конструкции. Поэтому микро-разряды обычно работают в нормальном режиме. Этот факт ограничивает энергию производимых электронов величиной нормального катодного падения потенциала. Существует большое количество работ, в которых исследуются различные модификации конструкции микро-разряда [202-213], но наибольшая энергия генерируемых электронов: достигается в аномальном разряде, перейти к которому позволяет ограничение площади катода [213]. Общим недостатком таких конструкций при переходе к аномальной форме является малый ресурс работы.. Последнее связано также с использованием различных пластиков (например, mica) в качестве диэлектрика, которые технологичны при изготовлении конструкции, но легко подвержены термическому разрушению.
Использование различных модификаций микро-разрядов: с указанными диэлектрическими материалами, в основном, велись в связи с развитием плазменных панелей и созданием источников эксимерного излучения. В силу малой энергии электронов, производимых в микро-разрядах в нормальном режиме, такие конструкции непригодны для генерации быстрых электронов. С другой стороны, как было отмечено выше, наличие отверстия малого диаметра позволяет.реализовывать эффект «полого катода».при давлении: газа порядка 100 Торр, Перед нами же стояла задача создания источника электронов с энергией -1-10 кэВ и плотностью тока пучка порядка или более 1 А/см2 непосредственно в газе среднего давления. Как возможное решение было предложено реализовать микро-разряд в сильно аномальном режиме. Такой режим описывается в данной главе.
Конструкция микро-разряда для генерации пучка. Из изложенного ясно, что для повышения: энергии электронов в катодном І слое открытого микро-разряда следует использовать аномальный; режим. Для облегчения перехода в аномальный режим горения микро-разряда, а также для обеспечения его стабильного горения, мы попита по пути ограничения площади металлического катода.
Схема конструкции показана на рис. 3.1 а. Рабочая площадь катода 3 составляла всего порядка 0.3 мм , общая площадь металлической пластины, служащей катодом, составляла 20 см . Такое технологическое решение позволяет, во-первых, разряду гореть в сильно аномальной форме без развития разрядных, неустойчивостей. Во-вторых, такое ограничение площади катодного пятна позволяет переходить в аномальную форму горения разряда при малом полном энерговкладе. При этом отношение полной площади катода к площади его активной части велико, что облегчает теплоотвод, поэтому термическая нагрузка на конструкцию существенно снижается. В-третьих, описанный выше опыт работы с микроразрядами показал, что максимальное напряжение ограничивается разрушением тонкого диэлектрика. В этой связи нами были исследованы различные материалы. В результате было предложено использовать термостойкую эмаль вместо пластика, что позволило увеличить ресурс работы устройства до 100 и более часов непрерывного горения. Эмаль наносилась на стальную поверхность методом обжига.
Разрядный элемент состоит из массивной стальной пластины 3, служащей катодом, на обе стороны которой нанесен слой эмали 2, 4. Анодом. 1 служила медная фольга, плотно прижатая к одной из сторон пластины. Разряд зажигался между катодом и анодом при подаче на них высокого (400-1500 В) напряжения. В верхнем диэлектрике 2 толщиной -0.15 мм формировалось отверстие диаметром -0.65 мм, В аноде на одной оси с отверстием с. отверстием в диэлектрике формировалось отверстие, диаметр которого в различных экспериментах варьировался и типично составлял 3 мм. При горении разряда за анодом наблюдалось яркое аксиально-симметричное свечение в форме факела 5. Разрядный элемент помещался в вакуумную камеру 6, которая перед каждой серией экспериментов откачивалась до остаточного давления 10" Торр, после чего осуществлялся напуск газа до нужного давления.
Экспериментальная установка и методика измерений
Радиальное распределение мощности лазерной генерации в; относительных единицах вдоль диаметра камеры в смеси Не:Хе 30:1 при давлении 9.3 Торр, зарядном напряжении камеры 15.8 кВ и частоте следования импульсов 1 кГц, полученное с помощью фотодиода PD25-02, представлено на рис. 4.15. Для получения радиального распределения мощности генерации сразу после выходного полупрозрачного зеркала помещался фотодиод, диаметр чувствительной области которого равнялся 0.3 мм, фотодиод перемещался вдоль диаметра камеры. В центральной части камеры мощность генерации постоянная, к границе камеры мощность генерации спадает.
Предварительные измерения показали,. что лазерная генерация происходит в области ближнего инфракрасного излучения-Этот вывод был сделан на основе того, что область чувствительности фотодиода PD25-02 лежит в диапазоне 1.2 - 2.5 дм (рис. 4.16). В работах [16,.17] показано, что в области ближнего инфракрасного диапазона генерация в ксеноне происходит на нескольких длинах волн от 1.7 до 3.9 им, соответствующих 5d-6p переходам атомарного ксенона. Наиболее сильными линиями являются 2.03 и 2.65 им, но в избытке гелия (как буферного газа), линия: 2.03 им наиболее сильна; Кроме того, для большинства кварцевых стекол при 2.5 - 3 им начинается сильное поглощение излучения. Поэтому для спектрального исследования были выбраны узкополосные фильтры с полушириной спектра пропускания - 200 нм и максимумами пропускания вблизи 1.73 и 2.03 им. ЛИНИЯ 1.73 им не наблюдалась, а фильтр с максимумом пропускания вблизи 2.03 цм практически не ослаблял сигнал, регистрируемый: фотодиодом. Исходя из этого, был сделан вывод, что генерация происходит на длине волны 2.03 цм, соответствующей 5d[3/2]i - 6p[3/2]i переходу. Более детальные спектральные исследования не проводились.
Для эффективного возбуждения газа быстрыми электронами с использованием открытого разряда как генератора пучка требуется решение двух задач.
Во-первых, надо реализовать, устойчивое горение разряда в ускорительном промежутке. В данной работе это достигается с помощью барьерного разряда, сохраняющего устойчивость при давлении газа до атмосферного в описанных условиях. Второй- вопрос состоит в том, насколько эффективно ускоренные в открытом разряде электроны возбуждают газ на глубину порядка размеров используемой камеры в направлении инжекции (в наших экспериментах- 1 см). Длина Л пробега электронов с энергиями киловольтного диапазона может быть оценена с помощью известного выражения (3.9) [214, 215] (см. приложение 3). R- 2,4 10" E2tp, (4.4) где R — пробег электрона в веществе в см, Е - энергия электрона в кэВ, р - плотность вещества в г/см . Применительно к гелию и исследованной нами лазерной смеси Хе:Не (1:30) выражение (4.4) принимает вид где р - давление газа в Тор. Из выражений (4,5, 4.6) видно, что пробег электронов в гелии в 2 раза больше чем в лазерной смеси при одинаковых давлении газа и начальной энергии пучка. Для иллюстрации этого служит рис. 4.17, па котором приведены фотографии свечения газа при одном и том же зарядном напряжении камеры 10 кВ, но для различных давлений в смеси Не:Хе и чистом ксеноне.
Рассмотрим условия оптимального энерговклада для исследованной нами лазерной смеси. Для других газов ход рассуждения не меняется. Уменьшение давления газа при фиксированном напряжении разряда ведет к увеличению пробега быстрых электронов и к более однородному возбуждению объема лазерной камеры только до определенного предела. Когда пробег R становится больше диаметра камеры Д часть энергии пучка выносится за пределы области накачки на стенку лазера. Таким образом, условие оптимального энерговклада эквивалентно равенству (4.6), где R D.
Оценим среднюю энергию Е пучка быстрых электронов в условиях нашего эксперимента. Как следует из [131] и из наших предварительных экспериментов, форма импульса тока быстрых электронов полностью воспроизводит форму импульса тока в ускорительном промежутке. Из данных п. 4.3. следует, что напряжение на разрядном промежутке в момент максимума тока составляет половину от максимально реализуемого напряжения t/max. Поэтому можно при пять, что большинство быстрых электронов имеет энергию Е - (/щах/2, т.е. условие оптимальной накачки: pD 5(CW2)2. (4.7).
Определим оптимальное, с точки зрения пространственной однородности и потерь энергии электронов в объеме, давление лазерной смеси, которое следует ожидать согласно, (4.7), для условий проведения лазерных экспериментов (п. 4.5), Подстановка в (4.7) D-2 см и-С/шах=5.4 кВ дает для оптимального давления p lS Торр. На рис. 4.11 (1) и 4.14 для напряжения 5.4 кВ максимальная мощность генерации наблюдается при давлении - 15 Торр, и, учитывая приближенный характер оценки, это - неплохое совпадение, С другой стороны, для напряжения 13.6 кВ (рис. 4.11 (2)), оценка с помощью выражения (4.7) дает давление 100 Торр, хотя максимальная генерация наблюдается при давлении - 20 — 30 Торр. Скорее всего, это связано с тем, что при больших давлениях (см. п. 4.2) токи смещения и разряда невозможно разделить, и соотношения (4.1 - 4.3) не выполняются. Соотношение для максимальной энергии электронов Е /та /2 тоже может не выполняться, кроме того, поскольку разряд зажигается до того, как произошла перезарядка составной емкости, образованной камерой и соединяющими кабелями, максимальное напряжение, падающее на катодном слое разряда, может быть существенно меньше зарядного напряжения камеры. Позднее, в работе [224] эта точка зрения была подтверждена экспериментально.
Исходя из этого, можно объяснить и наблюденное падение эффективности генерации электронного пучка с ростом давления (рис. 4,4). Оно может быть связано с двумя моментами. Во-первых, с ростом давления при фиксированной энергии электронов, уменьшается длина пробега электронов в газе, и все меньшее число электронов достигает коллекторной сетки. Во-вторых, при больших давлениях токи смещения, и разряда не разделяются во времени, и максимальное напряжение на катодном слое может уменьшаться при том же зарядном напряжении камеры.
Преодоление этих трудностей составляет следующий этап в развитии данной работы. Очевидно, что, по крайней мере, частично они должны решаться по пути оптимизации электрической схемы возбуждения. Это находит подтверждение в недавно появившейся работе [224], развивающей описанную нами идею. В ней продемонстрировано, что увеличение погонной емкости диэлектрика за счет использования сегнетоэлектрического материала с є-2000 и использование высоковольтных импульсов с более крутым фронтом позволяет получать пучки быстрых электронов (-15 кэВ) с плотностью -50 — 100 А/см и эффективностью генерации до 90%. Следовательно, концентрация электронов в пучке в работе [224];составляет Ю11 см"3. В наших же экспериментах измеренная эффективность генерации составляет 6-16%, т.е. при плотности тока разряда I А/см плотность тока пучка электронов -0.1 А/см2. Тогда при энергии электронов -5-10 кэВ концентрация электронов в пучке 10к см"3. Об экспериментах по накачке лазеров такими пучками в [224] пока не сообщается.
