Введение к работе
Актуальность темы.
Для решения целого ряда научно-технических задач, таких как осуществление промышленных процессов фотосинтеза и фотолиза различных соединений, внедрение новых технологических процессов в фотолитографии с повышенным пространственным разрешением, оптическая накачка лазеров видимого и УФ диапазонов, а также для исследований процессов взаимодействия мощных потоков излучения с веществом в различных агрегатных состояниях, требуются высокоинтенсивные источники УФ и ВУФ излучений.
Среди многообразия лазерных, люминесцентных, синхротронних
источников излучения высокой спектральной яркости наибольшей
технической простотой отличаются электроразрядные источники света
с нагревом излучающей плазмы до температуры в несколько
2 электронвольт током высокой плотности (1-^100 кА/см ) .
Широкое практическое применение, в том числе для накачки твердотельных и жидкостных лазеров, нашли в настоящее время ламповые источники света видимого и ближнего УФ спектральных диапазонов ' с ограничением токового канала разряда твердой прозрачной стенкой (стекло, кварц). Однако, увеличение энерговклада в такие " разряды ; с целью повышения излучаемой мощности в УФ и ВУФ областях спектра ограничивается как прочностными свойствами стенки, так и падением ее пропускания.
Ограничение на величину энерговклада снимается при использовании открытых разрядов в газе и вакууме. Одним из существенных вопросов организации открытых излучающих разрядов является их инициирование. Если малые напряжения пробоя и строгая пространственная локализация излучающего канала разряда в лампах, обычно заполняемых ксеноном, достигаются за счет малой электрической прочности газа и заполнения плазмой всей разрядной трубки при большой длительности разряда, то способ инициирования открытого разряда должен обеспечивать желаемую пространственную конфигурацию разрядного канала и небольшое напряжение пробоя (200-600 В/см) при работе в атмосфере газовой смеси, в том числе сильно электроотрицательной, состав которой диктуется технологическими требованиями.
Наиболее распространенным способом инициирования открытых
разрядов является электрический взрыв проводников - тонких проволочек и фольг. Технически источники с инициированием разряда при электровзрыве проводника длиной ~ 1 м являются простыми и надежными устройствами с хорошо воспроизводимыми параметрами. Характерные яркостные температуры в видимой и УФ областях спектра составляют 30-=-50 кК при обеспечении знерговклада в разряд 200-=-500 Дж/см за времена 5-*-10 мкс. Эффективность. преобразования электрической энергии в световую достигает 50%. Однако, необходимость замены проводника ог импульса к импульсу в значительной степени ограничивает широкое практическое применение таких источников, -используемых, в основном, в практике научных лабораторий.
Значительный прогресс в создании мощных УФ излучателей был достигнут в последние годы благодаря применению открытых
поверхностных разрядов, позволяющих реализовать импульсно
2 3 периодические режимы работы при вводе удельных энергий 10 -=-10
4 Дж/см и ресурсе более 10 импульсов. Наибольшее внимание привлек
метод инициирования поверхностного разряда, основанный на пробое
последовательных разрядных промежутков при их перенапряжении.
Однако, использование множества разрядных элементов, присущее
данному методу, значительно увеличивает габариты устройства,
снижая технологичность и надежность конструкции и увеличивая ее
стоимость. Поэтому актуальной является задача исследования
альтернативных технологически простых устройств инициирования
протяженных излучающих разрядов, обеспечивающих
импульсно-периодические режимы работы источника.
Не менее важным для широкого практического использования
является вопрос о " прогнозировании характеристик излучающих
поверхностных разрядов на основании данных о питающем разряд
контуре и используемой смеси газов. Хотя основные закономерности
Физики электроразрядных источников света были установлены к
середине 70-х годов в результате исследования ламповых и открытых
цилиндрически симметричных разрядов, их прямое использование
применительно к поверхностным разрядам наталкивается на
существенные трудности, связанные с принципиально неодномерным
распределением газодинамических, электрических и излучательных
характеристик поверхностного разряда.
В соответствии с этим, целью диссертационной работы являлось:
1. Исследование перспективных способов организации
протяженных излучающих разрядов с заданной конфигурацией
разрядного канала при импульсно-периодическом инициировании
разряда по поверхности ферритов.
2. Экспериментальное исследование электрических,
газодинамических и излучательных характеристик таких разрядов и
создание физической модели, позволяющей прогнозировать параметры
поверхностных разрядов при их использовании в качестве источников
излучения.
3. Применение источников света на основе разрядов по
поверхности феррита к решению ряда задач квантовой электроники
фотоионизации молекулярных газов . и оптической накачке газовых
лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Исследованы физические процессы инициирования газового
разряда по поверхности высокоомного ' феррита с модифицированным
поверхностным слоем. Установлены закономерности формирования
времен запаздывания от момента приложения напрязения до развития
сильноточной фазы поверхностного разряда.
2. Предложен и реализован способ инициирования
поверхностного разряда с помощью дугового разряда, скользящего по
поверхности проводника. Изучен физический механизм формирования
такого разряда, построена модель явления.
3. Развита расчетная схема, позволяющая прогнозировать
свойства источников света на основе поверхностных разрядов.
4. Осуществлена оптическая накачка ультрафиолетового (342
нм) J_(D'-A') и эксимерного ХеГ(С-А) (480 нм) лазеров с помощью
источников света на основе разрядов по поверхности Феррита. На
основе разработанной полузмпирической модели XeF(C--A) лазера
определены его предельные характеристики при накачке излучением
поверхностного разряда и указаны пути оптимизации параметров
лазера.
Практическая значимость работы:
Результаты работы могут быть использованы при разработке мощных излучателей импульсно - периодического действия с нужными для практики характеристиками в УФ и ВУФ спектральных диапазонах.
Защищаемые положении:
-
Механизмом инициирования газового разряда по поверхности NiZn и LiZn ферритов является тепловой пробой тонкого приповерхностного слоя, образующегося при плавлении и рекристаллизации исходного феррита.
-
Механизмом распространения плазменного фронта разряда, скользящего по поверхности проводника, является термическая ионизация газа при теплопроводностной передаче энергии от плазмы к холодному газу перед фронтом.
-
Разработанная расчетная схема двухмерной нестационарной газовой динамики с учетом переноса энергии излучением позволяет прогнозировать характеристики источников света на основе поверхностных разрядов в плотном газе.
-
Использование поверхностных разрядов по ферриту позволяет создать высокояркостный источник света импульсно-периодического действия с протяженным.телом свечения.и яркостной температурой
3D кК в ВУФ области спектра.
5. Полуэмпирическая модель ХеР(С-А)-лазера с- накачкой
излучением одноканального поверхностного разряда позволяет о
единых позиций проанализировать эффективность лазеров данного
типа в широком диапазоне условий, определить предельные параметры
лазера, указать пути оптимизации существующих конструкций.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на семинарах отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН и группы квантовой электроники университета Твенте (Нидерланды); XV Международном симпозиуме по физике ионизованных, газов (Загреб, 1990); VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991); II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плаэмодинамике РПД - 91 (Москва, 1991); XII Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов
(Нуурвяйкерхут, Нидерланды, 1994); Международной конференции по лазерам и электрооптике CLE0-94 (Амстердам, Нидерланды, 1994); Симпозиуме НАТО "Газовые лазеры - достижения и перспективы" (Москва, 1995); XI Международном симпозиуме по газовым потокам и химическим лазерам и конференции по лазерам высокой мощности (Эдинбург, Великобритания, 1996)
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения,'4 глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 87 наименований. Общий объем работы 168 страниц, в том числе 59 рисунков.
