Введение к работе
I. Актуальность работы.
В последние годы удалось достичь существенного прогресса в двух важных направлениях теоретических и экспериментальных исследований физики импульсного пробоя плотных газов и генерации в плотных газах мощных электронных пучков. Первое направление связано с новым пониманием механизма убегания основной массы электронов и с генерацией в плотных газах мощных субнаносекундных электронных пучков (до 100 А) Второе направление связано с созданием в плотных газах объемных разрядов наносекундной длительности, основанных на распространении волны размножения электронов фона (ВРЭФ)
Начиная с 2002 года под руководством д ф -м н Тарасенко В Ф (ИСЭ СО РАН) выполнена серия работ по исследованию генерации мощных субнаносекундных пучков убегающих электронов (УЭ) Исследования были поведены для различных газов гелий, неон, азот, воздух, смесь C02-N2-He В экспериментах использовались конфигурации межэлектродного промежутка с острийным, сферическим и полым цилиндрическим катодом Максимальные токи пучка убегающих электронов, полученные в этих работах составляют -100 А Электронный пучок был получен при значениях параметра Е/р, как выше критического значения Е/р» Екр1р, так и существенно меньших его значениях Е/р«Екр/р, последнее не объяснялось в рамках существующих теорий
Полученные новые экспериментальные данные инициировали теоретические исследования под руководством д ф -м н Яковленко С И (ИОФ РАН), в которых было продемонстрировано, что коэффициент Таунсенда при определенных условиях сохраняет свой физический смысл даже в очень больших электрических полях, при которых, как считалось раннее, электроны переходят в режим непрерывного ускорения Таким условием является ай>>1, где d - дійна разрядного промежутка, а - коэффициент Таунсенда При соблюдении этого условия наблюдался экспоненциальный рост числа электронов, в зависимости от расстояния до катода, и на некотором расстоянии (порядка За'1) устанавливалась постоянная скорость электронов и средняя энергия Если же ad<\, то экспоненциального размножения электронов не наблюдалось и большинство электронов переходило в режим непрерывного ускорения Яковленко СИ и
Ткачевым А.Н был введен новый критерий убегания электронов a d=\, названный нелокальным, так как не содержит величин, явно зависящих от координат На основе этого критерия были получены универсальные двузначные зависимости U от pd, отделяющие область эффективного размножения электронов от областей их ухода на анод без заметного размножения Эти кривые были названы кривыми ухода Были проведены численные расчеты для гелия, ксенона, гексафторида серы и азота
На момент начала работы над диссертацией не были исследованы особенности применения нелокального критерия убегания электронов для случая инертных газов аргона и неона и для паров металлов. Пары металлов отличаются от остальных газов тем, что энергия возбуждения нижнего уровня много меньше потенциала ионизации, а сечение возбуждения этого уровня на порядок превосходит сечение ионизации при малых и средних энергиях, что приводит к преобладанию процессов возбуждения над процессом ионизации Поэтому необходимо исследовать поведение коэффициента Таунсенда для паров металлов при малых и средних энергиях электронов, для того, чтобы проверить применимость нелокального критерия убегания электронов и необходимость учета процессов ионизации
Для объяснения физики зажигания объемных разрядов наносекундной длительности в плотных газах Яковленко С И был предложен механизм распространения катодонаправленных стримеров на основе ВРЭФ, не использующий фотонной гипотезы. Согласно этому механизму, область ионизации, названная волной размножения электронов фона (ВРЭФ), распространяется не за счет переноса электронов или фотонов, а за счет размножения уже имеющихся электронов фоновой плотности Скорость распространения такой области характеризуется нарастанием проводимости вблизи фронта канала, до некоторого критического значения, при котором экранируется внешнее электрическое поле Фоновая плотность электронов может быть создана как естественным космическим излучением (порядка 103 см"3), так и внешним ионизатором.
Плазма, сформированная в разряде на основе ВРЭФ, является переохлажденной по степени ионизации (рекомбинационно-неравновесной), и представляет интересов качестве активной среды плазменных лазеров СИ
Яковленко и А М Бойченко было проведено численное моделирование генерации лазера на переходах димера Хе2 в послесвечении ВРЭФ В экспериментах под руководством Тарасенко В Ф была получена генерация на переходах атомов ксенона и неона в послесвечении ВРЭФ
В связи с этим представляется актуальным провести моделирование процессов, происходящих в этих экспериментах с учетом теории формирования ВРЭФ, сравнить численные результаты с экспериментальными данными и провести оптимизацию условия получения лазерной генерации в расширенном диапазоне экспериментальных условий
Цель работы.
Общей целью работы является получение необходимых для моделирования активных сред плазменных лазеров на основе ВРЭФ ионизационно-дрейфовых характеристик для различных газов (и паров меди) в широком диапазоне (от нескольких десятков до десятков тысяч Вольт/(см торр)) значений приведенной к давлению газа напряженности поля Е/р
Для достижения общей цели необходимо решить следующие конкретные задачи
Получить ионизационно-дрейфовые характеристики и кривые ухода для аргона и неона
Рассчитать ионизационно-дрейфовые характеристики и кривую ухода для паров металлов на примере меди
Рассчитать скорости ВРЭФ в неоне, а также сравнить полученные результатов с общей диффузионно-дрейфовой моделью
Провести моделирование процессов возникновения лазерной генерации в послесвечении ВРЭФ в Ne-Нг лазере, найти оптимальные условия получения лазерной генерации в расширенном диапазоне экспериментальных условий
Научная новизна.
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней в широком диапазоне (от нескольких десятков до десятков тысяч Вольт/(см торр)) значений приведенной к давлению газа напряженности поля Е/р протабулированы
ионизационно-дрейфовые характеристики для неона и аргона Показана возможность применения нелокального критерия появления убегающих электронов для паров металлов На примере паров меди установлены и объяснены основные отличия полученных характеристик и кривых ухода от случая обычных инертных газов
С помощью протабулированых ионизационно-дрейфовых характеристик, впервые рассчитана скорость ВРЭФ в неоне
Предложено объяснение результатов экспериментов по оптимизации лазерной генерации в смеси Ne-H2 на основе привлечения модели волны размножения электронов фона (ВРЭФ)
Научная и практическая ценность.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что, основываясь на представленном в ней материале, можно провести предварительную оптимизацию лазеров, активной средой для которых является разряд на основе ВРЭФ Представленные в диссертации ионизационно дрейфовые характеристики (коэффициент Таунсенда, дрейфовая скорость и средняя энергия электронов), рассчитанные в широком диапазоне значений приведенной к давлению газа напряженности поля (от нескольких десятков до десятков тысяч Вольт/(см торр)) для неона, аргона и паров меди могут быть использованы в физике газового разряда для изучения явлений, связанных с генерацией сверхкоротких пучков электронов
Защищаемые положения.
На защиту выносятся следующие положения
-
В неоне и аргоне, при выполнении условия a d»\, размножение электронов происходит по таунсендовскому механизму вплоть до Е/р - 5 - 20000 В/(см Торр) в аргоне и Е/р = 5 - 5000 В/(см-Торр) в неоне.
-
Нелокальный критерий убегания электронов сохраняет свое значение для паров металлов Все особенности, связанные со строением энергетических уровней атомов, оказывают влияние на зависимость коэффициента
Таунсенда от Е/р, соответствующую малым и средним энергиям электронов, и кривую дрейфа
-
Скорость ВРЭФ в неоне составляет ~107-109см/сек для приложенного электрического поля Е/р ~ 103-105В/см
-
Существуют условия, при которых генерация в пеннинговском плазменном лазере на переходах неона на длине волны 585 3 нм с накачкой поперечным разрядом обусловлена распространением волны размножения электронов фона
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов определяется согласием полученных результатов расчетов с экспериментальными данными, а так же использованием современных представлений о физике газового разряда и математических моделей с набором констант кинетических реакций апробированных на широком классе активных и излучающих газовых сред
Личный вклад автора
Все исследования, определившие защищаемые положения, выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии Личный вклад автора состоит в
выборе методов и проведении численных расчетов
анализе и интерпретации результатов численного моделирования и расчетов
Апробация результатов работы
Материалы, включенные в диссертацию, опубликованы в 10 научных работах в рецензируемых журналах и сборниках
Полученные результаты докладывались на научных семинарах ИОФ РАН, ИСЭ СО РАН, на международных научных конференциях «Лазеры на переходах атомов и молекул» (г Томск, 2003, 2005, 2007 гг), на Российском Научном Форуме с международным участием «Демидовские чтения» (г Москва, 2005 г), VII Российско-китайском Симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям (г Томск, 2004 г)
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 132 листах машинописного текста, иллюстрируется 31 рисунком, состоит из Введения, 4 глав, Заключения и списка литературы из 155 наименований
