Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы накачки ионных уровней химических элементов столкновениями 2-го рода в плазме низкого и среднего давления. 21
1.1. Виды столкновений 2-го рода. 21
1.2. Особенности ионных спектров Zn, Cd, Hg, Ga, In, ТІ, Cu, Se, Sb и Bi. 24
1.3. Математическое описание процессов накачки и дезактивации уровней. 27
1.4. Перезарядка с образованием иона рабочего вещества в возбужденном состоянии. 34
1.4.1. Заселение перезарядкой уровней Znll, Cdll и Hgll. 37
1.4.2. Заселение перезарядкой уровней Till, Gall и Inll. 40
1.4.3. Заселение перезарядкой уровней Cull и Sell. 46
1.5. Процессы с участием метастабильных и возбужденных атомов инертного газа. 48
1.5.1. Пеннинт-процесс. 48
1.5.2. Передача возбуждения от метастабильного атома иону. 51
1.6. Столкновения 1-го и 2-го рода ионов рабочего вещества с электронами. 52
1.7. Столкновения 1-го и 2-го рода ионов рабочего вещества с атомами газовой смеси. 53
2. Исследование генерации на ионных переходах химических элементов в продольном разряде. 57
2.1. Новые лазерные переходы в спектрах Gall, Till, Cdll и Hgll в импульсном разряде. 58
2.1.1. Генерация на переходах Till и Gall в смеси с гелием и неоном. 59
2.1.2. Генерация на переходах Cdll и Hgll без буферного газа. 68
2.2. Непрерывная генерация в спектрах Till, Cdll, Sbll и Bill. 73
2.2.1. Конструктивные особенности разрядных трубок для ПС стационарного разряда, 73
2.2.2. Генерация на переходах Hgll. 76
2.2.3. Парциальные коэффициенты и сечения перезарядки в смеси Не- Hg. 77
2.2.4. Генерация в смеси Tl-Ne. 79
2.2.5. Генерация на переходах Sbll и Bill. 80
3. Исследование параметров плазмы и характеристик генерации в катафорезных лазерах непрерывного действия. 84
3.1. Особенности разряда. 84
3.2. Параметры плазмы и положительного столба разряда. 85
3.2.1. Температура электронов и напряженность аксиального поля. 85
3.2.2. Концентрация з аряженных частиц. 93
3.2.3. Концентрация возбужденных атомов гелия. 96
3.2.4. Ионизация атомов в смеси. 100
3.3. Катафорез. 102
3.4. Электрофорез буферного газа в смеси с парами металла. 104
3.5. Механизм накачки перехода с А,441,6нм в смеси He-Cd. 108
3.5.1. Механизмы накачки уровня 2D*5/2 CdIL 108
3.5.2. Измерение скорости накачки уровня 2D 5а Cdll. 110
3.5.3. Зависимость инверсии от пе. 112
3.5.4. Эксперимент по оптической накачке плазмы. 113
3.5.5. Вклад в накачку Пеннинг-процесса и прямого электронного удара. 114
3.6. Активные среды с накачкой перезарядкой. 115
3.7. Оптимальные условия генерации при различных механизмах накачки. 116
3.8. Экспериментальный образец He-Se катафорезного лазера. 126
4. Исследование плазмы стационарного разряда с полым катодом в смеси инертный газ - пары металла. 130
4. Ї. Физические процессы в стационарном РПК. 131
4.1.1. Модель разряда. 132
4.1.2. Катодное падение в смеси газов. 134
4.2. Энергия и концентрация электронов. 139
4.2.1. Интегральная ФРЭЭ. 140
4.2.1.1. ФРЭЭ быстрых электронов. 140
4.2.1.2. ФРЭЭ в области средних и малых энергий. 143
4.3. Измерение параметров плазмы. 145
4.4. Интегральные характеристики излучения РПК, сравнение с положительным столбом. 148
4.5. Радиальные характеристики разряда. 152
4.6 Скорости перезарядки и Пеннинг-процесса в ОС. 156
4.6.1. Скорость накачки как функция величины катодного падения, оптимизация материала катода. 162
4.6.2. Другие способы повышения величины катодного падения. 163
5. Исследование непрерывной генерации в смесях he-cd и he-hg в разряде с полым катодом. 167
5.1. Оптимизация конструкции разрядных трубок для непрерывных лазеров с РПК. 168
5.1.1. Основные типы разрядных трубок. 16 8
5.1.2. Сравнение характеристик РПК различных типов. 169
5.1.3. Конструкция разрядной трубки РПК „поперечного" типа. 177
5.1.4. О поглощении излучения в катафорезиых „запирающих" секциях трубки. 180
5.2. Механизм накачки линии с М41,6нм Cdll в смеси He-Cd в трубке „поперечного" типа. 183
5.3. Оптимальные условия возбуждения лазерных переходов Cdll и Hgll столкновениями 2-го рода в РПК. 193
5.3.1. Зависимость от давления паров металла. 198
5.3.2. Зависимость оглавления гелия. 200
5.3.3. Зависимость оттока. 201
5.4. Энергетические характеристики излучения лазеров с РПК на смесях He-Cd и He-Hg. 203
5.5. Режим трехцветной генерации в лазере с РПК на смеси He-Cd. 209
5.5.1. Параметры разряда и мощность излучения. 209
5.5.2. Спектральные и шумовые характеристики излучения. 212
5.6. Экспериментальные образцы He-Cd трехцветных лазеров с РПК. Возможные области применений. 216
6. Исследование генерации в импульсном разряде с полым катодом. 223
6.1. Особенности разряда и плазмы РПК, возбуждаемого импульсами тока микросекундиой длительности. 226
6.1.1. Возбуждение ионных переходов металлов столкновениями 2 рода в импульсном РПК. 231
6.2. Генерация в смеси He-Hg при малой частоте следования импульсов. 234
6.2.1. Оптимальные условия разряда. 234
6.2.2. Радиальные зависимости. 239
6.2.3. Зависимость от диаметра катодной полости. 240
6.2.4. Энергетические характеристики. 241
6.2.5. Кинетика населенностей уровней и зависимость оттока. 243
6.3. Генерация в смесях He-Zn и He-Cd при малой частоте следования импульсов. 249
6.3.1. Кинетика населенностей уровней Znll, накачиваемых перезарядкой в смеси He-Zn, 250
6.3.2. Кинетика населенностей уровней Cdll, накачиваемых перезарядкой в смеси He-Cd. 252
6.4. Генерация в смесях Не-Т1 и Ne-Tl при малой частоте следования импульсов. 256
6.4.1. Генерация на переходах Till в смеси неон-таллий. 256
6.4.1.1. Кинетика населенностей уровней Т1П. 260
6.4.2. Генерация на переходах ТІЙ в смеси гелий-таллий. 261
6.4.2.1. Кинетика населенностей уровней Т1П в смеси Не-Т1. 262
6.4.3.Структура линий генерации ТПТ в видимой области. 265
6.5. Генерация в смесях Ne-Ga и Не-Си. 266
6.5.1. Генерация на переходах Gall в смеси неон-галлий. 266
6.5.2. Генерация на переходах Cull в смеси гелий- медь. 267
6.6. Кинетика населенностей уровней Іпії в смеси неон-индий. 270
6.7. Генерация в смеси Не-Кг при малой частоте следования импульсов. 273
6.8. Генерация в частотно-периодическом режиме и при накачке цугами импульсов. 277
6.8.1. Плазма РПК при накачке цугами импульсов. 281
6.8.2, Энергетические характеристики лазеров. 281
6.9. Экспериментальные образцы импульсных лазеров с РНК и их применение. 287
7. Кпд ионных лазеров с накачкой столкновениями 2-го рода. 292
7.1. Этапы преобразования энергии и методика расчета коэффициентов преобразования. 293
7.1.1. Коэффициенты преобразования для ПС. 293
7.1.2. Коэффициенты преобразования для РПК. 294
7.2. Коэффициенты преобразования энергии и КПД для лазеров с различными механизмами накачки и типами разряда. 300
8. Исследование генерации на смесях нескольких рабочих веществ с накачкой столкновениями 2-го рода. 304
8.1. Критерии выбора веществ для генерации на их смеси. 305
8.2. Комбинирование паров металлов в ПС с введением паров катафорезом. 310
8.2.1. Катафорезный лазер на парах парах Cd, Zn,Se. 311
8.2.2. Катафорезный лазер на смеси He-Cd-Hg. 313
8.3. Комбинирование паров металлов в РПК. Непрерывная генерация на смеси He-Cd-Hg. 314
8.3.1. Стабилизация давления паров CdnHgB стационарном РПК. 315
8.3.2. Характеристики непрерывного лазера с РПК на смеси He-Cd-Hg. 319
8.4. Комбинирование рабочих веществ в импульсном РПК. Лазер на смеси He-Kr-Hg. 320
Выводы. 325
- Особенности ионных спектров Zn, Cd, Hg, Ga, In, ТІ, Cu, Se, Sb и Bi.
- Пеннинт-процесс.
- Непрерывная генерация в спектрах Till, Cdll, Sbll и Bill.
- Электрофорез буферного газа в смеси с парами металла.
Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию динамики процессов создания инверсии в лазерах на парах металлов и содержит решение ряда проблем, связанных с исследованием и созданием непрерывных и импульсных ионных газоразрядных лазеров с накачкой столкновениями 2-го рода, генерирующих на нескольких длинах волн, и предназначенных для использования в науке, технике, медицине, связи и др.
Стратегия поиска новых лазерных активных сред и новых способов их возбуждения остается актуальной на протяжении нескольких десятилетий, что привело к созданию новых типов лазеров, пригодных для практики, и обогатило фундаментальные разделы физической науки в смежных областях. Создание активных сред с помощью газовых разрядов различного типа привело к появлению класса газоразрядных лазеров, обладающих высоким качеством излучения, что делает их незаменимыми в ряде применений, и на настоящий момент класс газовых лазеров может считаться самым обширным, обеспечивающим как импульсный, так и непрерывный режимы на переходах многих веществ, перекрывая диапазон длин волн генерации от мягкого рентгеновского до миллиметрового. Такие лазеры обеспечивают наилучшее качество выходного излучения, по ряду параметров обладают рекордными достижениями и поэтому находят широкое применение [1-13]. Использование в газоразрядных лазерах в качестве активного вещества атомарного пара того или иного химического элемента (металла либо иного, металлом не являющегося), находящегося при нормальных условиях в конденсированном состоянии, привело на сегодняшний день к появлению обширного класса Лазеров на парах металлов, а при использовании переходов в их ионах - Ионных лазеров на парах металлов (ИЛПМ), который сейчас насчитывает более 500 переходов 34 элементов. Разряд в таких лазерах осуществляется в смеси паров металла с буферным инертным газом. Наличие такого газа, потенциалы возбуждения и ионизации которого превышают потенциал однократной ионизации металла и меньше потенциала его двукратной ионизации, способствует передаче энергии от возбужденных и ионизированных атомов инертного газа атомам металла в столкновениях 2-го рода, таких, как перезарядка, Пеннинг-процесс и некоторых других, приводящих к заселению переходов в однократных ионах металла. В таких процессах можно достичь значительных уровней накачки, чему способствует как относительно высокая скорость ионизации и возбуждения инертных буферных газов электронным ударом, так и то, что из-за аномально высоких эффективных сечений столкновений 2-го рода, как правило, значительно превышающих газокинетическое, вероятность передачи энергии таюке высока. Активной средой ИЛПМ служит слабоионизованная неравновесная газоразрядная плазма, образующаяся при различных электрических разрядах в газовой смеси, при этом реализация ионизационной неравиовесности в газовом разряде обеспечивает создание инверсии как в импульсном, так и в стационарном режимах, где наиболее полно реализуются такие приоритетные свойства их излучения как высокая монохроматичность, когерентность, направленность, низкий уровень шума, определяющие высокое качество излучения и делающие их уникальными для ряда применений.
Первые поисковые исследования генерации на ионных переходах металлов относятся к 1965-70гг. Первым газоразрядным ИЛПМ стал лазер на парах ртути, работавший в сильноточном импульсном продольном [14] и высокочастотном [15] разрядах. Первые успехи при работе со ртутью стимулировали открытие лазерных переходов в ионных спектрах кадмия, цинка [16] (в том числе и на синей линии Я.441,6нм Cdll, которая продолжает оставаться важной в приложениях по настоящее время), германия, олова, свинца, индия [17]. Для ионных переходов иода [18], и для ионных переходов ртути и цинка [19,20], возбуждаемых в смесях паров с гелием в газоразрядной плазме, было высказано предположение об их накачке реакцией „перезарядки" - передачей заряда и энергии от Не+ атомам веществ, и относящейся к ударам 2-го рода. Кроме продольного разряда, смесь гелия с парами ртути возбуждалась и в отрицательном свечении (ОС) разряда с полым катодом (РПК) - впервые в [21], и далее генерация на многих линиях цинка, кадмия и ртути в РПК наблюдалась группами Су-гавара [22], Шубеля [23], М.Ф. Сэма в Ростовском университете [24-26], B.C. Алейникова [27]. Создание паров кадмия и цинка за счет катодного распыления также было предложено и реализовано группой М.Ф. Сэма в РГУ [28] и только много позже использовано для создания паров труднолетучих металлов - меди, серебра, золота и др. (см., [29], а также обзорную работу [30] и монографию [13]). К этим работам подключились многие группы исследователей в нашей стране и за рубежом.
Для объяснения механизма накачки ряда ионных переходов Cdll и Znll, в том числе и с Я.441,6нм Cdll, на которой уже наблюдалась непрерывная генерация, был предложен другой тип столішовений 2-го рода - Пеннинг-процесс - реащия передачи энергии от возбужденного атома гелия в метастабильном состоянии атому металла с его ионизацией [31,32], хотя для этой линии не исключались и электронные столкновения 1-го рода. Введение паров в положительный столб (ПС) продольного стационарного разряда за счет катафореза было впервые осуществлено в [14], а затем использовано за рубежом и в РГУ для создания серии конструкций непрерывных ИЛПМ на парах кадмия, селена и других элементов [33-37], в том числе и с нашим участием (см., [10]). Следует отметить, что в первых работах типу разряда для ИЛПМ, в том числе выявлению наиболее эффективного режима разряда, уделялось незаслуженно мало внимания. Можно утверждать, что отечественные исследователи внесли существенный вклад в становление и развитие класса ИЛПМ. Кроме упомянутых, следует особо отметить комплекс теоретических и экспериментальных работ [3,7,12], приведших к созданию класса рекомбинационных ИЛПМ.
Нельзя не остановиться на другом не менее обширном классе импульсных лазеров на переходах с резонансного на метастабильный уровень ("R-M" переходы) атомов и ионов в парах металлов (на настоящий момент этот класс включает 16 элементов и более 130 лазерных "R-M" переходов [1,6,8,9,13], в том числе и на ионах Сат, Hg+, Sr+, Ва+, Eu+, Yb+ и Pb+, накачиваемых электронными столкновениями). Разработка и создание „саморазогревных" конструкций лазеров на парах металлов [6,9] явилась научным и технологическим прорывом колоссальной важности. Большой вклад в развитие этого класса лазеров также внесли советские и российские ученые.
Отметим, что в [38,39,12] впервые наблюдалась генерация на ионных переходах тяжелых инертных газов (Аг, Кг и Хе) с накачкой ударами 2-го рода при столкновениях ионов этих газов с метастабильными атомами гелия и неона, однако здесь также не был найден оптимальный тип разряда,- мощность излучения и в ПС продольного разряда, и в квазинепрерывном режиме РПК [40] оставалась низкой.
Таким образом, в перечисленных пионерских работах было показано, что применение паров химических элементов в качестве активного вещества газовых лазеров и использование переходов в их ионах существенно увеличивает число линий генерации газовых лазеров, а также то, что иа большинстве переходов, (исключая "R-M" переходы и переходы с накачкой рекомбинацией) возможна стационарная инверсия и непрерывная генерация в более коротковолновых, чем для атомарных спектров- видимом и УФ-диапазонах.
Анализ ионных спектров металлов и других химических элементов и тяжелых инертных газов показал, что в них возможно создание инверсии одновременно на нескольких переходах и длинах волн в разных участках спектра, т.е. возможно создание лазеров, генерирующих, в частности, одновременно в синей, зеленой и красной областях спектра, красной и синей, видимой и ИК, что важно для применений таких лазеров в измерительных системах, системах обработки информации и др. При этом различия в механизмах накачки переходов могут сделать реальной перестройку лазера по длинам волн путем изменений условий разряда.
Для большинства ионных переходов, для которых возможен режим стационарной (или квазистационарной) инверсии, возможна также импульсная накачка с высокой скважностью импульсов, которая при определенных условиях может обеспечить генерацию с рекордно высокой пиковой мощностью при достаточно высокой частоте повторения импульсов (десятки килогерц и более). Как и в непрерывном режиме, здесь также не исключаются одновременная генерация на нескольких линиях и дискретная перестройка лазера по длинам волн.
Таким образом, актуальность работы состоит в необходимости экспериментального обоснования эффективности накачки столкновениями 2-го рода ионных уровней элементов, экспериментального поиска новых лазерных переходов, эффективных способов их возбуждения в разрядах различных типов и создания новых лазеров. В данной работе отражен научный вклад автора в развитие этого направления. Начало исследований, представленных в диссертации, относится к 1970-м годам, когда стало очевидным, что развитие класса ИЛПМ с накачкой столкновениями 2-го рода сдерживается отсутствием комплексных поисковых исследований, глубокого изучения свойств активных сред таких лазеров, зависимости параметров их активной среды от типов и режимов накачки.
Для выполнения поставленных задач использовались оптические и электрические методы исследований. Часть из них нуждалась в совершенствовании применительно к нашим задачам, некоторые были разработаны заново. Исследования проводились как в импульсном, так и в непрерывном режимах разряда. Импульсный режим возбуждения разряда, кроме повышения энерговклада, позволяет исследовать динамику населенности уровней и генерации от параметров разряда, что часто облегчает выяснение механизма накачки и образования инверсии иаселенностей. Изучалось поведение характеристик генерации и спонтанного излучения при изменении в широких пределах условий возбуждения и состава рабочих смесей, применялась оптическая накачка, перераспределяющая населенность уровней, измерялись параметры плазмы и сечения возбуждения для различных процессов. Концентрация заряженных частиц и электронная температура определялись путем зондовых измерений, при помощи СВЧ диагностики, использовались спектроскопические методы.
Предметом исследования в настоящей работе являются активные среды для газоразрядных ионных лазеров на смеси инертного газа с парами химических элементов либо тяжелым инертным газом, при накачке в газоразрядной плазме низкого и среднего давления столкновениями 2-го рода в условиях ионизационной неравновесности, обеспечивающие инверсию населенности уровней и генерацию в видимой и других областях спектра, как в непрерывном, так и в импульсном режимах, а также лазеры, использующие такие среды. В наших исследованиях в качестве рабочих веществ были выбраны такие, которые потенциально пригодны для генерации на нескольких длинах волн и для которых термоиспарение позволяет создать оптимальное для разрядов различных типов давление паров. Использование термоиспареиия, кроме того, дает возможность изменять в широких пределах давление паров независимо от других параметров разряда: вкладываемой мощности, давления буферного газа и др., что особенно важно при определении предельных характеристик.
Цель диссертационной работы состояла в поиске активных сред для ионных лазеров с накачкой столкновениями 2-го рода, эффективных способов их возбуждения, а также в исследовании газоразрядных ионных лазеров иа смеси инертного газа, преимущественно - с парами химических элементов, причем основное внимание уделялось лазерам, перспективным для практического применения.
Основные задачи научных исследований:
- анализ кинетики и поиск новых активных сред и лазерных переходов в газах и парах химических элементов при накачке столкновениями 2-го рода с частицами инертного газа в газоразрядной плазме и перераспределении населенности возбужденных уровней ионов, в том числе за счет столкновений с электронной компонентой плазмы;
- исследование физических процессов, определяющих особенности механизмов накачки и создания инверсии в плазме;
- поиск наиболее эффективных способов накачки, а также типов и режимов газового разряда для возбуждения активных сред столкновениями 2-го рода; в том числе одновременного возбуждения нескольких рабочих веществ с целью реализации многоволнового режима генерации;
- оптимизация выходных характеристик наиболее эффективных лазеров с непрерывным и импульсным режимами возбуждения, являющихся перспективными для практического применения;
- создание экспериментальных образцов лазеров с оптимальными и уникальными характеристиками.
Научная новизна диссертации определяется тем, что для ряда активных сред исследование генерации на переходах ионов выполнено в работе впервые, а для тех элементов, с которыми исследования проводились ранее, получены принципиально новые результаты в других, более эффективных, режимах возбуждения. Ценность полученных результатов во многом определяется тем, что исследования носили комплексный характер. К наиболее существенным из научных результатов и оригинальных исследований можно отнести следующие:
1. Впервые получена импульсная генерация на ионных переходах ТІ и Ga, а также непрерывная генерация на ионных переходах Hg, ТІ, Sb и Bi. Найдены типы и режимы разряда для наиболее эффективного создания инверсии на известных ионных лазерных переходах Cd, Hg, Си и Кг с лучшими параметрами, чем в ранее использовавшихся режимах разряда.
2. Доказано, что возбуждение ионных переходов столкновениями 2-го рода в ОС РГЖ происходит более эффективно, чем в ПС продольного разряда за счет роста в смеси с парами металла энергии первичных быстрых электронов и большей величины оптимальной концентрации паров.
3. Установлено влияние тепловых электронов в ОС РПК на характеристики генерации, заключающееся в том, что:
- столкновения с ними возбужденных ионов в зависимости от расположения уровней способствуют созданию инверсии на одних переходах и ограничению - на других;
- в импульсно-периодическом режиме неполный распад плазмы и накопление таких электронов в межимпульсный период снижают с ростом частоты следования импульсов величину катодного падения РПК, а также импульсную мощность генерации, что определяет величину максимальной средней мощности и оптимальную частоту.
4. Показана возможность создания многоволновых (многоцветных) лазеров путем комбинирования нескольких рабочих веществ при возбуждении как в стационарном ПС, так и в стационарном и импульсном РПК.
5. Найдены оптимальные условия генерации для перспективных лазерных переходов, выявлены механизмы накачки и причины насыщения мощности. Созданы экспериментальные образцы лазеров на исследованных ионных переходах Cd, Hg, ТІ, Se, Zn, Kr.
6. Результаты расчетов простой кинетической модели РПК для средних давлений газа показали возможность получения генерации при накачке перезарядкой более чем на 110 ионных переходах 6-ти элементов, главным образом в ИК области.
7. Измерены полные эффективные сечения перезарядки HeVTI, Ne l, Ne+-In и парциальные сечения перезарядки He+-Hg для ряда ионных уровней ртути.
Научная и практическая значимость.
Наибольшую научную значимость имеет вывод из совокупности результатов данной работы, что столкновения 2-го рода являются эффективным механизмом накачки большого числа лазерных переходов в ионах. Наибольшая эффективность накачки таких переходов достигается в газовых разрядах с группой быстрых электронов: в стационарном и импульсном РПК, что подтверждено как получением новых линий генераций в этих типах разряда, так и улучшением достижимых параметров известных активных сред. Практическая значимость состоит в том, что результаты работы в части поиска сред, оптимизации режима генерации использованы и могут быть использованы в дальнейшем при разработке и создании экспериментальных образцов лазеров, параметры которых говорят об их конкурентоспособности и перспективе практического использования. Наиболее важными из них являются следующие:
- результаты комплексных исследований по оптимизации выходных характеристик и созданию экспериментальных образцов непрерывных многоволновых (трех цветных, «белого» света) высокостабильных ионных лазеров с РПК, что позволило достичь в трехцветном He-Cd лазере:
- рекордной выходной мощности в непрерывном режиме на линии 441,бнм Cdll, и осуществить одночастотный режим генерации на красных и зеленых линиях при уровне шумов менее 1 %;
- суммарной мощности непрерывного трехцветного излучения на уровне долей
Ватта;
- демонстрация эффективности накачки в РПК импульсами тока микросекунд-иой длительности, в результате чего удалось достичь значений импульсной и средней мощности до 100Вт и 0,88Вт (Ш5нм Hgll в смеси He-Hg), 40Вт и 0,28Вт (Х595нм ТІ II в смеси Nel); 10Вт и 0,09Вт (М69,4нм КгІІ в смеси Не-Kr), а также результаты комплексных исследований по оптимизации выходных характеристик и созданию экспериментальных образцов импульсных ИЛПМ с РПК: на различных активных средах и с различной средней мощностью.
- демонстрация возможности увеличения набора длин волн, излучаемых одним лазером, путем использования смеси нескольких рабочих веществ, что было реализовано в импульсном (на смеси He-Kr-Hg) и непрерывном (на смеси He-Cd-Hg) лазерах с возбуждением в РПК, а также в лазерах с продольным разрядом при введении паров катафорезом - на парах Cd, Zn, Hg, Se.
Созданные экспериментальные образцы He-Hg импульсного и He-Cd-Hg непрерывного трехцветного ИЛПМ с РПК и накачкой столкновениями 2-го рода были отмечены двумя бронзовыми медалями ВДНХ СССР.
Результаты проведенных исследований были использованы в НИИ Физики РГУ и НИЧ РГУ при выполнении НИР, в учебной работе на Физическом факультете РГУ, а также передавались, в том числе и в виде экспериментальных образцов лазеров - ПО «Полярон», ОКБ «Радуга» НПО «Красная заря» (Санкт-Петербург), НПО «Плазма», ВНИИ «Градиент» (г.Ростов-на-Дону), ряду медучреждений и др. организациям.
Достоверность полученных результатов, научных положений и выводов подтверждается применением общепринятых методик исследований, созданием экспериментальных образцов лазеров со всеми исследовавшимися типами разрядов, ком 13
плексностьго исследований для различных активных сред, соответствием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по получению новых лазерных переходов в спектрах ионов Till, Gall, Znll, Cdll, Inll, Hgll и новых режимов возбуждения для известных переходов в спектрах Cdll, Hgll, Sbll, Bill, Krll и Cull, многоволновой генерации с возможностью регулировки «цветности» излучения путем контролируемого изменения давлений паров, тока разряда, а также использования одновременно нескольких рабочих веществ.
2. Результаты комплексных исследований активных сред, в том числе механизмов накачки и причин насыщения мощности в смесях гелия с парами металлов, возбуждаемых в стационарном ПС, доказывающих, в частности, что критическое снижение энергии электронов происходит при малых концентрациях паров, что не позволяет эффективно реализовать энергию, запасенную в ионах (метастабильных атомах) гелия.
3. Результаты комплексных исследований, показывающих, что для смесей паров металлов с инертным газом при накачке столкновениями 2-го рода возбуждение в РПК по сравнению с возбуждением в ПС продольного разряда приводит к генерации на большем числе линий, с более высокими коэффициентами усиления и мощностью излучения за счет того, что:
- в РПК величина катодного падения, определяющая энергию первичных электронов (которые обеспечивают ионизацию и возбуждение буферного газа), растет в смеси с парами металла, а также при переходе от стационарного разряда к возбуждению микросекундными импульсами тока;
- коэффициент преобразования энергии разряда в энергию быстрых электронов в РПК выше, чем в ПС;
- преобразование энергии ионов (или метастабильных атомов) инертного газа в энергию лазерного перехода при перезарядке (или Пеннинг-процессе) в РПК происходит с эффетсгивностью, примерно в 2 раза большей, чем в ПС из-за на 1-2 порядка большей оптимальной концентрации атомов металла.
4. Показана важная роль низкоэнергетических тепловых электронов в отрица
тельном свечении РПК, заключающаяся в том, что:
- столкновения таких электронов с возбужденными ионами во время протекания тока в зависимости от расположения уровней способствуют созданию инверсии на одних переходах и ограничению - на других;
- в импульсно-периодическом режиме неполный распад плазмы и накопление таїсих электронов в межимпульсный период снижают с ростом частоты следования импульсов величину катодного падения РПК, а также импульсную мощность генерации, что определяет значения максимальной средней мощности и оптимальной частоты.
5. Результаты цикла исследований по оптимизации выходных характеристик импульсных лазеров с РПК на смесях гелия с парами Zn, Cd, Pig, ТІ. Си и криптоном, а также неона - с парами ТІ и Ga при накачке столкновениями 2-го рода, в результате чего получен ряд рекордных значений мощности, созданы экспериментальные образцы таких лазеров.
6. Результаты цикла исследований малонгумящих трехцветных He-Cd и He-Cd-Hg ионных лазеров с РПК по оптимизации их выходных характеристик, а так же результаты создания экспериментальных образцов лазеров с трубками оптималь ных конструкций, предусматривающих стабилизацию основных параметров разряда, а также результаты исследований механизма накачки и причин насыщения мощности.
Личный вклад автора- В исследованиях, определивших защищаемые положения и выводы диссертации, автору принадлежат постановка задач, инициатива проведения и руководство экспериментами и расчетами, в большинстве которых автор принимал непосредственное участие, а также объяснение или интерпретация полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, приложения и списка литературы. Она содержит 285 страниц текста, 28 таблиц (на 19 страницах), 89 рисунков (на 57 страницах), 36 страниц Приложений, список литературы из 338 наименований.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 84 работах, в том числе 2 монографиях (в соавторстве), 45 статьях в журналах и сборниках, описаниях 5 изобретений (патентов) - (№№ 10,11,41-120,337,338 в Списке литературы). Апробация диссертационной работы.
Результаты диссертационной работы докладывались: на I-XV Всесоюзных семинарах и симпозиумах «Газовые лазеры на парах металлов и их применения» (Ростов-на-Дону, Новороссийск, Сочи, Туапсе, 1971-2004); на 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции по электронной технике и 1-й и 2-й Межотраслевых научно-технических конференциях по лазерной технике и оптоэлек-тронике (Рязань, 1974, 1980, 1986); на П-м семинаре «Физические процессы в ОКГ» (Ужгород, 1978); на Международных конференциях ЛАЗЕРЫ-79 (США, 1979); на II и IV Всесоюзных конференциях «Оптика лазеров-80, -84» и Международной конференции «Оптика лазеров-93» (Ленинград, Санкт-Петербург, 1980, 1984, 1993); на Международном симпозиуме "Оптика-80" (Будапешт, 1980); на XV Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (ICPIG-XV) (Минск, 1981); на IX, X Сибирских совещаниях по спектроскопии, Всесоюзном совещании „Инверсная засе 15
ленность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск. 1974, 1981, 1986), на Совещании „Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров" (Гродно, 1987); на IV Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988); на III Международной конференции „Лазеры и их применения" (Болгария, Пловдив, 1988); на 11-м Всесоюзном научно-техническом семинаре „Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик лазерного излучения" (Харьков, 1990); на Всесоюзном научно-техническом семинаре „Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991); на 5-м Санкт-Петербургском семинаре-выставке „Лазеры для медицины и биологии" (Санкт-Петербург, 1997); на Всероссийской конференции „Лазеры для медицины, биологии и экологии" (Санкт-Петербург, 2000); на III Международной научно-технической конференции по квантовой электронике (Минск, 2000); на 5-й и 6-й Международных конференциях „Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (AMPL) (Томск, 1997, 2001, 2003); на Конференции „Лазерная физика и фотоника, спектроскопия и моделирование" (Саратов, 2000); на Конференции „Лазеры, Измерения, Информация - 2004" (Санкт-Петербург, 2004).
Проводимые исследования неоднократно поддерживались грантами РФФИ (№96-02-19750а, №99-02-17539а, №04-02-96804а), ФЦП «Интеграция» и др.
Содержание работы.
Во введении дана общая характеристика работы, показывается место ионных газоразрядных лазеров среди лазеров других типов, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, основные результаты и положения, выносимые на защиту, приводится краткое содержание диссертации.
В первой главе рассматриваются виды столкновений 2-го рода, приводящие к накачке и дезактивации возбужденных энергетических уровней ионов химических элементов. Показано, что в условиях газового разряда при низких и средних давлениях столішовения, приводящие к образованию молекулярных частиц, как и реакции с участием таких частиц, можно не учитывать. Приведена система уравнений, описывающих кинетику ионных уровней рабочего вещества с накачкой перезарядкой, в которых используются относительные нормированные значения коэффициентов перезарядки. Рассмотрены особенности перезарядки, Пеннинг-процесса и передачи энергии иону тяжелого инертного газа от метастабиля легкого (на примере реакции Hem-Kro+), а также процессов накачки этими реакциями ионных уровней химических элементов, исходя из чего формулируются условия максимальной инверсии и требования к соотношению времен жизни уровней потенциальных лазерных переходов. Приведены описание и анализ ионных спектров переходных элементов Znll, Cdll, Hgll, Gall, lull, Till, а также Cull, Sell, KrII, с точки зрения их накачки столкновениями 2-го рода. Описаны методика и результаты измерений эффективных сечений перезарядки, найдены также значения парциальных коэффициентов перезарядки для ряда систем [10,43,45,48,74,113,115,116-119].
Вторая глава посвящена описанию экспериментов по поиску импульсной и непрерывной генерации в ионных спектрах Cdll, Hgll, Gall, Till, Sbll и Bill в ПС продольного разряда, в результате чего генерация получена как на новых переходах, так и на известных, но в новых условиях разряда. На основе изучения характеристик генерации, в том числе временных характеристик в импульсном разряде, доказан перезарядочный характер накачки новых лазерных переходов Till и Gall в смесях I-IeI, Nel, Ne-Ga, нового непрерывного перехода Hgll в смеси He-Hg, рекомбинационный харшсгер накачіш переходов Cdll и Hgll, осуществленных в ПС продольного разряда без буферного газа, а также механизм возбуждения электронным ударом для переходов Sbll и Bill и D -Р перехода Cdll, также впервые полученного в ПС без буферного газа.
Описана методика определения парциальных сечений перезарядки HeT-Hg для 7"Р-7 S переходов Hgll с помощью измерений в непрерывном режиме коэффициентов усиления и параметров плазмы. На основе анализа сделан вывод о потенциальных возможностях импульсного продольного разряда при накачке столкновениями 2-го рода [43, 45, 48, 49, 51, 115, 116].
Третья глава посвящена исследованиям параметров плазмы, разряда и генерационных характеристик смесей паров металлов с инертным газом в ПС стационарного разряда с использованием катафореза для введения паров, что делает лазеры с таким типом разряда удобными источниками излучения.
Приводятся описание методик и результатов измерений основных параметров плазмы. Исследовано явление электрофореза двух буферных газов-гелия и неона в смесях с парами химических элементов. Рассмотрено явление пульсаций плотности паров ртути при катафорезе, описана конструкция предложенной и реализованной разрядной -грубки, в которой это явление исключено. Проанализированы методы контроля давления паров в разрядной трубке при различных значениях PHed, предложены и реализованы новые методы, повышающие точность.
Измерены зависимости основных параметров плазмы, определяющих накачку лазерных переходов, в результате обнаружено, что критическое снилсение энергии электронов (Те) и поля ПС (Ez) при введении относительно малой оптимальной концентрации атомов рабочего вещества (10 -10 см" ) происходит вследствие формирования ФРЭЭ „со стороны" низких энергий. Столь низкие концентрации рабочего вещества в ПС не позволяют полностью использовать энергию, накопленную в ионах (при перезарядке) и в возбужденных атомах газа (при Пеннинг-процессе).
Проведены и описаны эксперименты по оптимизации условий разряда, в результате чего выявлены причины насыщения усиления и мощности для переходов, заселяемых перезарядкой, Пеннинг-процессом и электронным ударом, чем охвачены все виды накачки в непрерывных лазерах с ПС.
Описана примененная для анализа механизма накачки лазерной линии А.441,6нм Cdll комплексная методика, позволившая установить вклад в накачку различных энергетически возможных процессов.
Описан экспериментальный образец He-Se катафорезного лазера, успешно применявшегося в работах по синтезу на фотоматериалах цветных графических изображений с высокой плотностью [41,42,44,47,63,75,76,84,94,96,120].
В четвертой главе проведено исследование параметров плазмы и характеристик излучения стационарного разряда с полым катодом в смеси гелия с парами металла, результаты которого в том числе сравнивались с характеристиками ПС и позволили выявить преимущества РПК перед ПС для ионных переходов с накачкой ударами 2-го рода.
Приведены результаты исследований влияния паров металла на электрические характеристики, распределение электронов по энергиям, скорость накачки переходов. Описаны методики расчетов интегральной и локальной функций распределения, интегральных и радиальных характеристик излучения.
Приводятся результаты измерений концентраций тепловых низкоэнергетических электронов. Экспериментально определено соотношение между числом быстрых и тепловых электронов, между концентрациями заряженных частиц, а также рассмотрено влияние высокой оптимальной концентрации атомов рабочего вещества на соотношение между скоростью перезарядки (Пеннинг-процесса) и скоростью ионизации (возбуждения) гелия. Рассмотрены способы увеличения катодного падения - подбором для катода соответствующего материала и использованием модифицированного РПК - разряда типа „полый анод - катод" [52, 55, 62, 65, 67, 80-82, 85, 92, 102, 108, 110,114].
Пятая глава посвящена исследованию генерации на ионных переходах металлов, накачиваемых столкновениями 2-го рода в стационарном РПК.
Приводятся результаты сравнительных исследований разряда с двумя основными конфигурациями разрядного промежутка: "поперечной" и "продольно 18
поперечной", и показаны преимущества первой как при возбуждении перезарядкой, так и Пеннинг-процессом. Предложена и экспериментально реализована разрядная трубка с РГЖ "поперечного" типа, свободная от дугообразования при повышенных токах, и в которой предусмотрено запирание паров в зоне разряда, а также стабилизация тока и давления паров.
Описаны результаты измерений энергетических и спектральных характеристик возбуждаемых в стационарном разряде такого типа смесях: He-Hg с излучением на Х,б15нм Hgll и He-Cd с трехцветным излучением на Х441,6нм, Х.533,7/537,8нм и Ш5,5/636нм CdIL
Приводятся результаты исследований механизма накачки, а также причин насыщения мощности с ростом давлений компонент смеси и тока. Показана роль столкновений с тепловыми электронами (для зеленых и красных линий) и пленения резонансного излучения (для синей). Для А/441,бнм Cdll установлен вклад различных энергетически возможных механизмов в накачку.
Выявлен диапазон разрядных условий для режимов трехцветной генерации с различным соотношением мощностей на линиях ("цветностью").
Описан и опробован предложенный способ повышения мощности за счет улучшения однородности состава смеси в разрядной трубке при ее прокачке.
Проведены измерения уровня шумов, длины когерентности и модового состава излучения. Описан созданный на основе исследований экспериментальный образец лазера, включая источник накачки, с мощностью трехцветного излучения в десятки милливатт [69-72, 77, 79-83, 88, 90-92, 95, 97, 100, 101, 103, 106]
Шестая глава посвящена исследованию генерации в смесях паров металлов с инертными газами, а также в смеси Не-Кг (накачка в реакции Hem(23S)+Kr0+) при возбуждении в РПК импульсами тока микросекундной длительности.
Проведено комплексное исследование особенностей данного режима разряда по сравнению со стационарным РПК. Исследовано поведение концентрации и температуры медленных электронов, величины катодного падения и поля в плазме, как в течении импульса тока, так и импульсно-периодическом режиме.
Приведены результаты исследований энергетических характеристик генерации для 7-ми наиболее эффективных смесей: паров 2n, Cd, Hg, ТІ, Си и Кг - в смеси с Не, и паров Ga и ТІ - в смеси с Ne, при изменении параметров импульсов накачки и геометрии катода для малой частоты следования импульсов тока (режим "одиночного" импульса).
Поскольку одним из путей повышения средней мощности является повышение частоты следования импульсов, в данной главе описана разработанная и экспериментально реализованная методика исследования характеристик генерации в импульсио-периодическом режиме методом „цугов" импульсов, дающая, как показано, по сравнению с методом „сдвоенных" импульсов более точные результаты. Экспериментально выявлено поведение импульсной и средней мощности с ростом частоты следования и длительности импульсов тока, при изменении геометрии катода.
На основе экспериментов установлена роль тепловых электронов импульсного РПК в формировании импульса излучения при изменении длительности импульса тока, насыщении уровня мощности с ростом тока, а также их влияние на оптимальное значение частоты следования импульсов.
Описываются результаты исследований кинетики населенностей уровней Znll, Cdll, Hgll, Gall, MI, Till в смеси с гелием, и Gall, Inll, Till - в смеси с неоном, по выявлению переходов с накачкой перезарядкой, потенциально пригодных для генерации в РПК.
Описаны созданные на основе проведенных исследований технологичные экспериментальные образцы активных элементов импульсных He-Hg ИЛЇЇМ РПК, которые хорошо зарекомендовали себя в работе, не отличаются особой сложностью и, по нашему мнению, могут служить прототипами серийных устройств [45,48,53,54,56-61,64,66-68,71,74,78,91,93,95,99,104,105,107,111,113-120].
Седьмая глава посвящена анализу эффективности преобразования энергии, вводимой в разряд - в энергию лазерного излучения при накачке столкновениями 2-го рода.
Описана предложенная методика оценки эффективности такого преобразования на каждом из этапов: энергии, вводимой в разряд, в энергию электронов, и последующего возбуждения ими частиц-доноров буферного газа, затем, в столкновениях 2-го рода, энергии доноров - в энергию ионов металла на верхнем лазерном уровне, и, наконец, в энергию лазерного излучения. Приведены результаты сравнения рассчитанных значений коэффициентов преобразования на каждом из этапов и полного КПД для смесей He-Cd и He-Hg, возбуждаемых в импульсных и стационарных продольном разряде и разряде с полым катодом [75, 92, 93, 107].
Восьмая глава посвящена описанию результатов экспериментальных исследований возможности непрерывной и импульсной генерации и ее параметров при комбинировании в одной разрядной трубке нескольких активных сред, представляющих собой наиболее эффективные исследованные смеси гелия с парами металлов и криптоном, накачка которых в ПС и РПК осуществляется столкновениями 2-го рода. Сформулированы требования к совмещаемым веществам как с точки зрения недопущения их химического взаимодействия, так и реализации максимальной накачки.
Предложены и экспериментально реализованы разрядные трубки для работы с несколькими веществами как в ПС, так и в РПК, разработаны способы одновременного контроля за давлением каждого вещества.
Описаны результаты применения в одной трубке с продольным разрядом при введении катафорезом: паров Cd, Zn и Se, а также паров Cd и Hg. Приводятся результаты измерений зависимостей мощности от давлений компонент смеси и тока, которые показывают, что путем вариаций условий разряда возможно изменять в широких пределах сочетание длин волн и мощности на них.
Описаны подобные результаты оптимизации мощностей излучения на линиях А441,6нм, і,533,7/537,8нм Cdll, и A.615HMHgII в смеси паров Cd и Hg с гелием в стационарном РПК, а также на линиях М69,4нмКг11 и X615HMHgII в смеси He-Kr-Hg при импульсном возбуждении в РПК [46,50,69,70,72,73,77,88,91,94,95,97,104,105, 112,120, 337,338]
В Заключении дана сводка основных результатов и выводов по всей диссертации.
В Приложении приведены диаграммы энергетических уровней ионов, таблицы
использовавшихся атомных констант, а также вынесенный из глав диссертации вспомогательный материал.
В тексте диссертации и в Приложениях более мелким шрифтом выделены отдельные абзацы и подразделы, связанные с основным текстом, раскрывающие детали излагаемого материала, и необходимые для лучшего понимания содержания, новизны, а также технических подробностей и практической значимости отдельных вопросов, а также вспомогательный и справочный материал.
Особенности ионных спектров Zn, Cd, Hg, Ga, In, ТІ, Cu, Se, Sb и Bi.
Цинк, кадмий и ртуть являются переходными элементами II группы Периодической системы. Конфигурация внешних электронных оболочек у них (n-l)d10ns2, где 11=4,5,6 для цинка, кадмия и ртути соответственно. Ионные спектры этих элементов могут быть образованы двумя путями: удалением внешнего 5-электрона, либо удалением внутреннего (/-электрона с последующим возбуждением я-электрона (соответственно „одноэлектронный" и „Бейтлеровский" спектры). „Одноэлектронный" спектр образуют дублетные термы, а „бейтлеровский" - дублетные и квартетные термы (рис.П.1.1-П.1.3). Данные по электронным конфигурациям и энергиям термов здесь и далее брались из [122]. Ионные „одноэлектронные" спектры Znll и Cdll по сравнению со спектром Hgll сдвинуты в область меньших энергий (примерно на 1,5эВ и 3,5эВ соответствено). Уровни основного энергетического состояния бейтлеровской системы термов — (n-l)d9ns2 2D 5/2,3/2 Znll и Cdll находятся выше резонансных „одноэлектрон-ных" уровней np Р ]/2,з/2 и связаны с ними оптическими разрешенными переходами, вероятность которых примерно на два порядка меньше вероятности распада резонансных уровней [139], что благоприятствует созданию инверсии и генерации на указанных переходах при накачке в смеси паров металлов с гелием Пеннинг-процессом (1.2). Кроме того, поскольку сечение возбуждения уровней 4d95s2 2D 5/2;3/2 столкновениями электронов с атомами кадмия в основном состоянии аномально велико -1,5-10 см [177], в отдельных режимах (смеси Ne-Cd, Ar-Cd и пары кадмия без буферного газа как в РПК [24,25], так и в ПС [51]) электронный удар может обеспечивать накачку и генерацию. Вклад этого процесса в различных режимах разряда будет оценен нами как теоретически, так и с помощью экспериментов по оптической накачке метастабильных атомов гелия. Нижние лазерные уровни пр2Р/2,з/г Cdll и Znll являются резонансными, и могут эффективно возбуждаться электронным ударом из основного состояния иона 5s2S1/2 конфигурации 4d 5s, кроме того, на их время жизни должно оказывать влияние пленение резонансного излучения ионов. Радиационные переходы между бейтлеровскими и „одноэлектронными" уровнями, по сравнению с переходами „внутри" каждой системы термов, имеют относительно малую вероятность, о чем свидетельствует на 2 порядка меньшая интенсивность соответствующих спектральных линий.
Основное энергетическое состояние атомов Zn, Cd, Hg представляет собой одиночный терм S0, ближайшие возбужденные термы (метастабильные состояния np Po,i,2) имеют относительно основного состояния энергию, на 1-2 порядка превышающую среднюю тепловую энергию атомов ( кТ), их заселенность в плазме при малых давлениях не превышает нескольких процентов от населенности основного состояния, что в том числе и обеспечивает невысокую скорость (1.4). Для ряда уровней Hgll, Znll и Cdll имеет место изотопическое расщепление [124], приводящее, для соответствующих переходов, к расщеплению линий с расстоянием между компонентами, превышающим доплеровскую ширину. Галлий, индий и таллий являются переходными элементами III группы Периодической системы. Конфигурация их внешних электронных оболочек -{...(n-l)d! Wnp}, где п=4, 5 и б для Ga, In и ТІ соответственно. Конфигурация основного состояния иона: {...(n-l)dIfins2}, терм SQ. Спектры Gall, Inll и ТШ (рис.П.1.4-П.1.6) представляют собой систему синглетных и триплетных термов конфигурации (n-l)d10nsnT (подобных спектрам Znl, Cdl и Hgl), а также термов, соответствующих электронным конфигурациям {...(n-l)d9ns2n p и пр2}. Спектры Gall, Inll и ТШ подобны, однако уровни конфигурации 3d!05p Gall по сравнению с ТШ смещены вниз на несколько десятых эВ, а уровни Inll по отношению к Gall и ТІ II смещены вниз значительно больше - примерно на 3 эВ. Видно, что для ТШ возможна перезарядка с Не+ и Ne"h, а для Gall и ІпІІ-только с Ne+. Для наиболее тяжелого иона Т1+ вероятность ин- теркомбинационных переходов между синглетными и триплетными термами становится сравнимой с вероятностью переходов между уровнями одной мультиплетности, и на одном из них (7 P-73S) возникает генерация (см., Главу 6). По мере увеличения атомного веса тонкое расщепление триплетных уровней возрастает, однако и для самого легкого иона - Gall - линии, возникающие при комбинации триплетных термов, легко разрешаются без применения приборов высокой разрешающей силы. Основной терм атомов III группы - дублетный {...(n-l)d10ns2np 2Рш,з/2} с наибольшим мультиплетным расщеплением у таллия (7792,7см 1, 0,97эВ), для него вычисленное по закону Больцмана отношение населенности верхнего (2Рз/г) и нижнего (2Рш) уровней N(2Pi/2)/N(2P3/2) при температуре Г=870К (давление насыщенного пара Ша - типичное для ПС) составляет 10"6, а при 7=980 (давление 13,ЗПа - типичное для РІЖ) составляет 6-Ю 6, У галлия и индия мультиплетное расщепление меньшее, соответственно 826см"1 (0Д02эВ) и 2212,5см"1 (0,274эВ), а необходимые температуры более высокие, что приводит к выравниванию заселенностей уровней 2Рз/2 и Рід. Так, для галлия N(2Pi/2)/N(2P3/2) при Г=1300К (давление Ша) составляет 0,64:0,36, а при Г=1450К (13,3 Па) составляет 0,58:0,42. То же для индия при Т=\ 170К и 1310К составляет 0,88:0,12 и 0,83:0,17. В заключение отметим наличие как сверхтонкого, так и изотопического расщепления уровней ионов этих элементов. Так, содержание стабильных природных изотопов 69Ga и 7iGa в естественной смеси - 60,2% и 39,8% [124]. Содержание изотопов таллия 2озТ1 - 29,5%, a 205TI - 70,5%.
Нечетные массовые числа ядер определяют существование отличного от нуля ядерного момента, который для галлия равен 3/2Я, а для таллия - 1/2Й, что определяет и сверхтонкое расщепление термов и приводит к расщеплению линий. Характерной особенностью спектров всех рассматриваемых металлов является то, что термы у них представляют собой группы близкорасположенных уровней, причем, за редішм исключением, энергия термов внутри группы уменьшается от уровней с меньшим L к уровням с большим L (например, 7рн 6с!-для Hgll и Till; 5p 4d — для Gall; 6p -5d- 4f - для Znll; 7p- 6d- 4f и 8p- 7d-»5f - для Cdll и In П). Расстояния между термами внутри каждой группы невелики и соответствуют ИК-области спектра, поэтому в плазме существенную роль в перераспределении населенностей уровней должны играть столкновения 1-го и 2-го рода с электронами. Это приводит к убыванию населенности уровней с малыми I, и возрастанию за счет этого населенности уровней с большими L. Верхние лазерные уровни всех видимых и ИК-линий Cull (рис.П.1.7), работавших в смеси с гелием, относятся к конфигурациям 3d94f, 3d96s и 3d95p Cull (кроме трех, принадлежащих конфигурации 3d84s2 Cull), и энергия возбуждения большинства из них либо близка к энергии Не+ (конфигурации 3d94f и 3d96s), либо их верхние уровни (конфигурация 3d95p) связаны с такими уровнями радиационными переходами. 1.3. Математическое описание процессов накачки и дезактивации уровней. Входящие в (1.11), (1.16) и (1.17) концентрации частиц - энергетических доноров: Во 1", и Вга для процессов (1.1)-(1.3) в условиях ионизационной неравновесности могут быть найдены из кинетических уравнений в квазистационарном приближении: } Наличие энергетического „резонанса" и близкие к линейным зависимости от тока позволяют предполагать для них накачку перезарядкой с гелием. У самой сильной лазерной линии А.780,8нм 6s3D3-5p3F4 Cull верхний уровень накачивается непосредственно перезарядкой с Не+, нижний уровень расселяется переходами в конфигурацию 3d95s, являющихся верхними для лазерных УФ-переходов, работающих в смеси с неоном. Верхние лазерные уровни всех УФ-линий Cull, работавших в смеси с Ne, относятся к конфигурации 3d95s Cull, и их энергия возбуждения близка к энергии Ne . Поскольку на всех переходах могла существовать стационарная инверсия, то можно предположить, что нижние уровни всех переходов хорошо распадаются путем радиационных переходов. Количественный анализ кинетики спектра Cull вызывает затруднения из-за отсутствия исчерпывающих данных по сечениям перезарядки и вероятностям переходов (нам известна лишь работа [148] по парциальным сечениям для ограниченного числа уровней в смеси Cu-Ne).
Пеннинт-процесс.
В отличие от перезарядки, ионизация Пеннинга (реакция (1.2)) не является резонансным процессом, и возникает в случае, если энергия возбужденного (в т.ч. и ме-тастабильного) состояния благородного газа превышает энергию ионизации рабочего атома, избыток энергии АЕ( х ) при этом передается освобождающемуся электрону. Поэтому в указанных смесях Пеннинг-процессом могут заселяться уровни в спектре иона, энергия которых меньше энергии возбужденных или метастабильных уровней буферного газа АЕ(со) 0, что при использовании в качестве буферного газа благородного газа: Не, Ne или Аг (энергии метастабилей соответственно 19,82, 16,62 и 11,55эВ соответственно), имеет место для большинства атомов (и молекул), в том числе и атомов металлов. Так как время жизни метастабилей велико, в этих состояниях происходит накопление частиц, в результате создается высокая их заселенность. В реакцию (1.2) могут вступать и нижние возбужденные атомы газа, заселенность которых (например, 2І,3Р Неї) также велика. С другой стороны, Пеининг-процесс является и эффективным каналом дезактивации метастабилей. Исследованию Пеннинг-процесса при тепловых скоростях частиц для различных смесей посвящено большое число работ, (см., например, [130,140,145-146,156-163]), в которых молено проследить в том числе и зависимость эффективного парциального сечения от величины дефекта энергий ДДсо). 5 } Данные таблиц П.2.4.1-П2.4.3 (см., Приложение 2) показывают, что полные сечения Пеннинг-процесса существенно превосходят газокинетические и достигают 10"15...10"14см2. Имеет место слабая зависимость сечения от индивидуальных свойств атома металла. Величины констант скоростей и сечений тушения атомов инертного газа увеличиваются по ряду сходных металлов по мере увеличения заряда ядра, т.е. от Na - к Cs, и от Zn - к Hg. Сечения ту-. шения уровней гелия (23S, 21S, 2]Р) атомами металла возрастают с ростом их энергии, т.е. от 23S — к 2 Р. В экспериментах сравнивались также и вероятности тушения возбужденных атомов гелия атомами металлов всеми возможными путями [157], и найдено, в частности, что вклад ассоциативной ионизации с образованием ионов (НеА)+ не превышает нескольких процентов от полной константы тушения.
Измерениями энергетического спектра высвобождающихся электронов и оптическими методами было установлено, что аналогично процессу нерезонансной перезарядки с возбуждением иона при тепловых скоростях, парциальное сечение Пеныииг-процесса для уровня в мультиплете пропорционально его статвесу: g=2J+l [156]. Из таблиц Приложения 2.4 следует также, что сечение Пеннинг-процесса тем больше, чем выше разность энергии между метастабильным уровнем буферного газа и возбуждаемым уровнем иона, и оно максимально при ионизации в основное состояние иона, т.е. при „двухэлектронном переходе". Механизм Пеннинг-процесса можно описать следующим образом [156,157]: при сближении Вт и Ао и расхождении Во и А+, в обоих случаях по спиральной траектории, увеличивается время взаимодействия и вероятность перехода. Переход характеризуется пересечением дискретного терма квазимолекулы (ВтАо) и совокупностью автоионизационных термов (ВоА++е), причем переход возможен на межъядерных расстояниях, превышающих точку квазипересечения, даже если автоионизационная ширина терма невелика. Переходам с малым Д(со) (см., (1.2)) соответствуют большие межъядериые расстояния при квазипересечении (т.е. относительно большие сечения захвата), однако этой области расстояний соответствует быстро уменьшающаяся амплитуда волновой функции, снижающая вероятность перехода. В то же время переходам с большим АЯ(оо) соответствует значительно более широкий диапазон межъядерных расстояний, в том числе и малых, которым соответствуют несколько меньшие сечения захвата, но значительно более высокая вероятность перехода. Таким образом, неселективный характер накачки Пеннинг-процессом требует для получения инверсии более благоприятного, чем для перезарядки, соотношения времен жизни лазерных уровней. В самом деле, из условия существования инверсии между уровнями 2 (верхним) и 1 (нижним), населенности и статвеса которых соответственно N2, gi и N],g] по аналогии с (1.31)-(1.33) можно получить: где W1717 и т скорость накачки Пеннинг-процессом и время жизни уровня, т.е. более жесткое условие, чем для перезарядки. Это, с одной стороны, ограничивает применение Пеннинг-процесса для создания инверсии в ионных лазерах. В то же время, в некоторых случаях, благодаря специфике ионных уровней некоторых металлов (если верхний лазерный уровень является основным состоянием иона металла), при Пен- НИНГ-ПрОЦЄССЄ МОЖеТ быТЬ ДОСТИГНУТО ЄГО Преимущественное Заселение, Т.Є. Wj W\ (или даже Wj W\). И тогда требования к соотношению времен жизни по сравнению с перезарядкой не сильно ужесточаются. Именно такая ситуация реализуется, в частности, в кадмии и цинке [электрон-ная конфигурация основного состояния атомов (n-l)d ns ; (п=4 и 5 для Zn и Cd соответственно)] (рис.П1.1-П1.2). Ионизация этих элементов может происходить как за счет удаления внешнего s-электрона, при этом образуется ион в основном состоянии с конфигурацией (n-l)d ns1 (терм 2S]/2), так и внутреннего d-электрона, при этом образуется ион в основном состоянии „бейтлеровской системы" (n-l)d9 ns2 (терм 2D 3/2,3/2)-Между этими состояниями в кадмии и цинке лежит наиболее глубокий возбужденный (резонансный) терм пр Рш,з/2 конфигурации (n-l)d nl, связанный оптическими переходами стермом 2Si/2 конфигурации (n l)d!0ns.
Полное сечение Пеннинг-процесса в столкновениях Hem(23S)-Cd по разным измерениям составило 6,510 15см2 [162,130], 7,3 Ю"15 [156,157] и 10,6т (Г15 [160]. Все три состояния могут возбуждаться Пеннинг-процессом с участием Не , однако, поскольку возбуждение в основные состояния (двухэлектронный переход) идет интенсивнее, чем в возбужденное состояние иоиа 4d!05p 2Р/2,з/2 (трехэлектронный переход), по данным [158,161,162] отношение скоростей накачки верхних 4d 5s D 5/2,3/2 и и нижних Рщ,з/2 уровней для линии Х441,6нм составляет 5:25 а значения сечений - 1,4 10"ьсм2 и 7,7" 10" 1 см2, величина парциальных коэффициентов реакции (0,22) и (0,12), а для основного состояния иона 5s2Si/2 конфигурации 4d 5s - 0,4 [145]. Если к тому же учесть, что например, для Cdll 4d95s22Df5/2)=830Hc много больше 5р2Рзд)=3,5нс [139], становится понятным, почему в смеси Cd-He на этих переходах получается генерация с непло- хими параметрами при накачке преимущественно Пеннинг-процессом, с участием не только метастабильных, но и других возбужденных атомов гелия (это будет показано в Главе 3 [42]). Накачка бейтлеровских переходов главным образом Пеннинг-процессом, по сравнению с накачкой „перезарядочных" переходов СсШ, более эффективна также и в стационарном РПК [83,103,106]. В этом режиме мощность на синей линии с Х441,бнм Cdll значительно превышает мощность „перезарядочных" линий с ХвЪвтА и Х533,7/537,8нм (см. Главы 5-6). Отрицательным моментом при накачке Пеннинг-процессом является то, что увеличение концентрации метастабильных атомов в ПС при увеличении тока ограничено включением процесса ступенчатой ионизации, в то же время в РПК насыщение отсутствует. 1.5.2. Процессы передачи возбуждения при столкновении метастабильных атомов с ионами. Реакция (1.3) описывает происходящую в смесях He-Аг, Не-Kr и Ne-Xe переда чу энергии от метастабильного атома гелия или неона иону тяжелого инертного газа: Состояния Аг+ , Кг+ и Хе+ являются верхними уровнями лазерных переходов, и генерация была обнаружена на них первоначально в послесвечении импульсного положительного столба [38], а затем в микроволновом разряде [164] и квазинепрерывном, непрерывном и микросекундном РПК [39-40,104,165-167] (при этом, как нами показано в [104], позднее подтверждено в [167] и будет обсуждаться в Главе 6, последний режим является наиболее эффективным). Из перечисленных смесей в смеси Не-Kr имеет место наиболее интенсивная генерация на переходах 6з 4Р-5р D (3 линии в диапазоне длин волн Л58,4...651нм, наиболее сильная линия Х469,4нм) и на переходах 6s 4Р-5р 4Р (2 линии: Х431,8 и Х438,8нм, наиболее сильная — М31,8нм).
Непрерывная генерация в спектрах Till, Cdll, Sbll и Bill.
Как упоминалось выше и будет подробно рассмотрено в Главе 3, в смеси газов с существенно различающимися потенциалами ионизации, „примесная" компонента (в нашем случае — пары рабочего вещества) за счет катафореза движется по направлению электрического поля ПС к катоду. Из-за этого при питании разрядной трубки, предназначенной для импульсного режима (рис.2.1) постоянным током, распределение паров по длине трубки становилось неоднородным и неоптимальным, были необходимы громоздкие нагревательные элементы, имевшие, как правило, температурные градиенты на концах. Все это приводило к возможности осуществить стабильный разряд с более или менее оптимальным соотношением концентраций компонент смеси лишь на короткое время, либо на малой активной длине, а также — к большому расходу рабочего вещества и запылениго выходных окон трубки. Удачным конструктивным решением для разрядных трубок с непрерывным режимом возбуждения в ПС явилось использование катафореза для введения паров в активную часть разрядной трубки и создания однородного их распределения в продольном направлении [33-37]. Такие ИЖТМ составляют сегодня семейство так называемых „катафорезных ИЛПМ" с режимом непрерывной генерации более чем на 130 линиях 12 химических элементов [10,11,13]. На рис.2.8 показаны схемы разрядных трубок, которые мы использовали здесь при поиске новых линий генерации, и в дальнейшем (в Главе 3) при исследовании механизмов накачки и измерениях энергетических характеристик. Трубка простейшей конструкции (рис.2.8,а) использовалась нами для работы с Cd, Zn, Se, Те и др. элемен- тами, из числа тех, на которых генерация была получена в ходе первых пионерских работ [33-37]. активная часть (обычно — толстостенный капилляр) имела небольшой внутренний диаметр (обычно 1...3мм) и находилась в режиме „саморазогрева" протекающим по трубке разрядным током. Испаритель с рабочим веществом располагался вблизи анода, а для вывода „отработанных" паров предназначался конденсатор паров („холодильник"), расположенный вблизи катода. Дрейфу паров на окна трубки (или внутренние зеркала) препятствовали запирающие участки, где электрическое поле основного и дополнительного (между катодом и дополнительным анодом) разрядов [10,11] является для ионов металла встречным, а длина их такой [см. (3.27)], чтобы количество прошедших через них паров было малым.
Пары металла создавались термоиспарением при нагреве испарителя внешним нагревателем (рис.2.8а,в-д) и/или саморазогреве его током разряда (рис.2.8,б). 2.2.2. Генерация на переходах Hgll. При использовании для смеси гелий - пары ртути разрядных трубок традиционной конструкции (типа рис.2.8,а) приу 1.. .5А/см2 транспортировка паров становится нестабильной, с „волнообразными" пульсациями плотности. Это, как следует из раздела 3.3, вызвано перегревом стенки капилляра и интенсивной ионной бомбардировкой ее разрядным током, что приводит к Tan»Tpi и для ртути возникает из-за ее высокой летучести rp(Hg) 100C [49,13,195]. Средством предотвращения пульсаций и восстановления стабильной транспортировки может стать либо принудительное охлаждение капилляра, либо деление его на секции (такой длины, чтобы волна не могла возникнуть), между которыми располагаются стабилизирующие резервуары большего поперечного сечения (рис. 2.8,в), плотность тока и температура в которых будет много меньшей, что обеспечивает стабильную „протяжку" паров легколетучих веществ и отсутствие волнообразных пульсаций. При dK=2-2,5мм и диаметре стабилизирующего резервуара ф=20мм длина секции /с 20см. Капилляр состоял из 4-х секций с полной длиной 80см. Использовалась ртуть естественного изотопного состава. Генерация наблюдалась одновременно на красной и ИК лазерных линиях Х615,0нм и АЛ94,5нм (см., Таблицу 2.4). Отметим, что до начала нашей работы в непрерывном ПС наблюдалась лишь Х615нм [207]. Зависимости мощности от давления гелия и тока приведены на рис. 2.9. Мощность излучения на линиях 1615,0нм и Л94,5нм составила соответственно 10 и 8мВт (4 и 352MBT/CMJ). Линия М515нм состояла из трех компонент, соответствующих изотопам ртути 198, 200 и 202 с полной ши- 77 риной 3,6ГГд при Дкд 10 Гц (каждой компоненты). Расщепление линии AJ94,5 отсутствовало. Из рис.2.9,б видно, что зависимости мощности и спонтанного излучения -ли-нейные, насыщение мощности наступает при у 5А/см , хотя интенсивность спонтанного излучения на лазерных переходах продолжает расти. Линейный рост населеино-сти верхнего лазерного уровня говорит о том, что в накачке принимают участие заряженные частицы - ионы гелия или электроны. Однако добавление в гелий далее небольших количеств неона приводит к снижению мощности, полная замена гелия на неон приводит к снижению интенсивности спонтанного излучения в 50 раз, хотя электронный удар должен быть безразличен к роду буферного газа и наиболее эффективно действовать при малом давлении, когда Те максимально. Против электронного удара говорит также наличие длительного послесвечения на линиях Hgll в импульсном ПС [12]. Альтернативой перезарядке может выступать Пеннинг-процесс на метастабиле 6р3Р Hgl (реакция (1.7)), однако высокий оптимальный ток и линейный рост мощности с ростом тока на А,615нм и 794,5нм Hgll в корне отличаются от характеристик лазерной линии Л441,6им Cdll, где накачка происходит Пениинг-процессом и где насыщение концентрации метастабильных атомов гелия происходит при сравнительно небольших значениях _/ 1,5 А/см2 (см. Главу 3).
Таким образом, перезарядка He+ Hg остается единственно приемлемым механизмом накачки этого лазера в непрерывном режиме. 2.2.3. Парциальные коэффициенты и сечения перезарядки в смеси He-Hg. Парциальные сечения перезарядки на уровни 72Р3/2 и 72Pi/2, имеющие различный дефект энергий АЁ(оо) по отношению к энергии Не+, определялись из измерений усиления на линиях Ш5 и 794,5нм с учетом кинетики при малых токах и при отсутствии электронного девозбуждения уровней 7Р и 7S. Перепишем выражение (1.26) для ненасыщенного коэффициента усиления на лазерных переходах Hgll, заселяемых перезарядкой, в виде; или обозначив параметры, относящиеся к линии А,615нм индексом „кр", и учтя, что получим где (l-N]g2/N2gl)=A - относительная инверсия, /in T- масса частицы и температура газа. Аналогичное выражение можно записать и для линии с Х794,5им Hgll (индекс „ж"). Т.к. зависимость Go на оси капилляра от тока и от пе (при пе 10 см" ) при оптимальной для каждого значения тока температуре испарителя определяется входящей в (2.8) полной скоростью перезарядки то линейная зависимость G0 от тока, наблюдаемая в эксперименте (см., рис.2.9,6), говорит о том, что А не зависит от тока, что согласуется с расчетами (рис.2.9,в). Это говорит о том, что накачка нижнего лазерного уровня 72S]/2 происходит радиационными каскадными переходами с уровней 72Рі/2,з/2, заселяемых перезарядкой. Тогда для отношения измеренных значений ненасыщенного коэффициента усиления для линий 615нм и 794,5нм Hgll - G cp/GllK получим: Значения G cp и GUK для ртути естественного изотопного состава 0 =0,298, -1,0 [124]) составили соответственно З Ю"4 и 4,9Т0"4см" , а их отношение равно 0,612. Значения вероятности переходов Aik рассчитывались нами в кулоновском приближенный, и зная их, можно вычислить времена жизни уровней. Отметим, что в ус-ловиях разряда He-Hg катафорезного ИЛПМ (W(Hgo ) 2 10 см"), пленение резонанс-ного излучения на переходах с уровней 7 Рш,з/2 в основное состояние иоиа 6s Si/2 Hgll не сказывается на временах жизни т2кр и г к (фактор Бибермана-Холстейна gw\ (см.(1.23)). Таким образом, из (2.10) для отношения парциальных коэффициентов перезарядки можно получить: Это отношение хорошо согласуется с экспериментальными ,- [151], а таюке с рассчитанными нами для всех уровней Hgll, заселяемых перезарядкой (Таблица П2.3.1). Отметим, что на точность отношения (2.1І) влияют лишь погрешности при измерениях GQ и расчетов А& и г. Величины парциальных сечений перезарядки на уровни 7 Рз/2 и 7 Рід можно с большей погрешностью определить, найдя значения парциальной скорости накачки уровней из (2.8), полагая Д«1 (рис.2.9,в): &72P3nWii3= 3,5-1016см-3 с-1 и %72PmWn3= O.S IO WV1, а далее - рассчитав Кпз по (2.9), Концентрация ионов определялась нами методом двойного зонда (см., раздел 3.2.2) и составила для7=4,5А/см2 /У(Не+) 2 1012см"3.
Электрофорез буферного газа в смеси с парами металла.
Помимо ионного потока атомов металла к катоду, в направлении анода имеет место поток нейтральных атомов буферного газа, получающих импульс от электронов, что приводит к появлению неїкелательного перепада давления газа АР между концами разрядной трубки. Повышение давления у анода вызвано тем, что аксиальный импульс, передаваемый атомам газа электронами, только частично компенсируется импульсом, передаваемым ионами, в результате чего возникает сила, действую- щая на газ в направлении, противоположном полю Ег. В [199,200] было найдено, что при средних давлениях газа (когда длина свободного пробега иона относительно передачи импульса Л+ меньше радиуса трубки) эта сила, названная „объемной", максимальна в центре трубки и убывает в направлении стенки, что определяется радиальным градиентом плотности заряженных частиц. Объемные силы при средних давлениях значительно превосходят силы, действующие на газ в пристеночном слое (которые существенны только при малых давлениях), и создают градиент давлений на единицу длины ПС, равный [200] где rj— динамическая вязкость газа, Уоб — объем газа, перекачиваемого за 1с в направлении анода „объемными" силами; здесь Vfy и Vt- дрейфовая радиальная и тепловая скорости иона, Д - возрастающая функция, рассчитанная в [200]. В смеси с парами металла происходит передача импульса атомам газа от электронов и ионов теперь уже двух сортов, и Уоб можно представить в виде: Поскольку при введении паров из-за разницы в потенциалах ионизации (Ij(A) I(B)) ионы буферного газа замещаются ионами металла (см. рис. 3.5), и более тяжелый ион металла за одно столкновение передает атому газа (М(АН")»М(В+)) меньшую часть своего импульса, который он набирает в продольном поле ПС, т.е. длина свободного пробега Л+ для ионов металла увеличивается, и в соответствии с (3.27)-(3.29) растет АР (рис.3.11,а). Расчет зависимости AP(If!) выполнялся нами для смеси He-Cd в условиях разряда He-Cd катафорезного ИЛПМ, используя значения параметров плазмы, найденные нами ранее. Длина свободного пробега CdT, при которой он передает атомам Не половину набранного им в поле ПС (Ez) импульса по оценкам для величины сечения 10"15см2 составила \0/QNHe. Дрейфовая радиальная скорость ионов рассчитывалась по формуле При этом очевидно, что при использовании более тяжелого буферного газа ион металла передает газу свой импульс за меньшее число столкновений и Л+ в этом случае будет меньшей.
Кроме того, более тяжелые буферные газы, как правило, имеют меньший потенциал ионизации, что приводит как к менее интенсивному замещению ионов, так и к меньшим значениям Ez(3.l0), (3.11), т.е. для них имеют место меньшие значения АР в смеси и меньший рост градиента при введении паров (смеси Ne-Cd, Nel), (см. рис.3.11,а). Важно, что из-за радиального катафореза и резкого сокращения Ґ в пристеночном слое роль сил, действующих в этом слое, ничтожна. Отличия в ходе расчетной и экспериментальной зависимостей в области высоких давлений паров ( 2Па), можно объяснить тем, что не учитывалось влияние на 7? столкновений В+-В из отсутствия данных по сечениям. Зависимость АР от тока линейная (рис.3.11,в). Таким образом, при переходе к смеси с парами металла процесс перекачки буферного (основного) газа интенсифицируется: градиент давления газа по длине увеличивается тем больше, чем меньше масса его атомов. Относительное значение градиента давлений как в чистом буферном газе, так и в смеси наиболее высока для малых давлений газа и больших токов. Соединение анодного и катодного концов трубки обводным каналом (байпасом) снижает градиент давлений за счет движения газа по контуру со скоростью порядка нескольких десятков сантиметров в секунду (рис.3.11,в) навстречу катафорезному потоку, сокращая тем самым расход вещества из испарителя. Явление электрофореза в байпасе с электрическим разрядом — „электроразрядный" насос —- использовалось нами для создания аксиального потока смеси в катодной полости трубки с РІЖ, что улучшало однородность распределения паров металла и привело к повышению мощности лазера [96] (см., раздел 5.4.1). 3.5. Механизм накачки перехода с А441,6нм в смеси He-Cd. 3.5.1. Механизмы накачки уровня йЬ 5/2 Cdll. Исследование механизмов накачки переходов с 1441,6 и Х325нм в непрерывном режиме проводили и до создания катафорезных конструкций, и в качестве основных для смеси He-Cd были предложены: Пеннииг-процесс для верхних лазерных уровней (реакция (1.2)) и быстрый радиационный распад для нижних, поскольку времена жизни Ї2 и т\ отличаются более, чем на 2 порядка [139]. Очевидно, что в смеси с гелием накачка может происходить и перезарядкой: непосредственно в конфигурацию 4d95s5p: (парциальный коэффициент =0,14 (см., Таблицу П2.3.3)), а затем путем радиационных переходов — в 4d 5s2 2D . Достаточную для накачки энергию имеют и молекулы в метастабильном состоянии He2n\ однако процессы (He2m+Cd) и (Не2++Сс1) превосходят скорость Пеннинг-процесса и играют главную роль при /#е 1атм в импульсном He-Cd лазере с накачкой электронным пучком [5,248,249] (см., раздел 6.3), и в наших условиях разряда ими можно пренебречь.
Однако существование генерации с Х441,6нм в смесях с другими газами (Ne, Аг, Кг, Хе и др.) [205] и в разряде с парами Cd без буферного газа (см., раздел 2.1 и [24,25,51]) не исключало и механизмы накачки, не связанные с ударами 2-го рода с гелием: и электронный удар из основного состояния атома (5s2 s0): Из механизмов (1.2), (3.31)-(3.33) в пользу Пеннинг-процесса говорит: W два порядка более высокая мощность генерации в смеси с гелием по сравнению с неоном [205]; относительно малая скорость накачки перезарядкой с Не+, подобное поведение зависимостей мощности генерации и произведения N(He)N(Cd0)Knn при изменении параметров разряда (см., рис.3.5, 3.12 и 3.13). В самом деле, сравним скорости заселения уровня 2D Пеннинг-процессом и перезарядкой; 0,6- (4 5 ) V(He+) Q " N(He+) В числителе (3.34) суммируются скорости накачки Пеннинг-процессом при взаимодействии с Cd0 всех состояний Не с их индивидуальными значениями сечений: 23S — 6,4 10"15см2, 2LS — 8 10"15см2, 2 Р — 1,25-10_14см2 [157,163] (см., Приложение 2.4). Полагаем, что для Пеннинг-процесса полное сечение Qnn 1H A см [130,156], и парциальный коэффициент =0,12 [162] - 0,22 [145], а для перезарядки соответственно /7/ 43,4-4,2)-10-1 2 [130,145] и f3=Q,U (см., Таблицу П2.3.3), и при этом считаем, что вся накачка уровней конфигурации 4d95s5p перезарядкой путем радиа-ционных переходов оказывается в состояниях 4d 5s , из которой на уровень D m попадает -60%. Подставив также в (3.34) параметры плазмы из рис.3.5 и 3.6: /V(He )=510 см" и 7V(He )=6 10 см" , и считая средние тепловые скорости Не и Не равными, получим //ЖщЦЗЗ-бО), т.е. в накачке уровней 2D Cdll по сравнению с Пеннинг-процессом перезарядку можно не учитывать. Эти два типа накачки стано- вятся соизмеримыми приЛ Не )«1,2 10 см" , т.е. в условиях, когда инверсия отсутствует. Однако в связи с гипотезой о накачке уровней 2D Cdll реакцией (3.33) [192,211,265], приведем в пользу Пениинг-процесса дополнительные аргументы. Предположение авторов этих работ базируется на измерениях сечения возбуждения 5s Si/2— 4d 5s D , которое оказалось аномально высоким ( 5 10 см ), в -30 раз превысив сечение ионизации в 4d95s2 2D из основного состояния атома - (3.32), и на порядок - сечение ионизации кадмия в состояние 5s2S1/2 (в Главе 5 и Приложении 3, на основании собственных расчетов, мы пришли к выводу, что сечение (3.33), найденное в [211], сильно завышено). Сначала в [192] было получено Ж/туп/Жпля6 3...&,4. Далее путем уточнений это соотношение было снижено до 3:1. У другой группы [191] это же соотношение находилось в пределах (1,5...3). Поскольку (ка — константа электронного возбуждения уровня 2D ("2") из основного сотояния иона), то точность определения Wf "y"IWnn определяется точностью использованных в расчете кц и 7V(Cd0), поскольку остальные параметры определяются достаточно надежными методами и хорошо согласуются в различных экспериментах.
