Моделирование процессов в ионизованной гелий-кадмий смеси высокого давления Макаров, Сергей Вячеславович

Введение к работе

Актуальность темы

Применение методов математического моделирования в исследованиях физики плазмы является одшш из способов изучения её свойств. Интенсивное развитие лазерной физики и техники, в частности, физики газовых лазеров, дало толчок развитию методов численного исследования физико-химических процессов в активных средах различного типа газовых лазеров. Использование методов математического моделирования позволяет изучать кинетику и эволюцию формирования лазерного излучения как в известкьа активных средах, например, С0₂ и лксимерных лазерах, тяк и в мя дошученных активных средах.

Одним из важных направлений в лазерной физике является создание газовых лазеров, излучающих в ближнем инфракрасном (ИК), видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн. Перспективным в этом плане является HeCd лазер. Он может работать в широком спектральном диапазоне, обладает низким порогом накачки, имеет относительно невысокую рабочую температуру. Существовавшие до начала наших исследований модели HcCd лазера высокого давления (1 атм и более) были ориентированы на возбуждение смеси главным образом осколками деления ядерных реакций, и поэтому рассматривали кинетику лазера в стационарном приближении. Открытыми оставались вопросы влияния на генерацию типа источника накачки, электрического поля, возможности получения генерации в частотном режиме. Совершенно не исследованной оставалась накачка смеси высокого давления импульсным электрическим разрядом. В связи с этим актуальной задачей являлось дальнейшее изучение с помощью методов математического моделирования нестационарных процессов, происходящих в HeCd смеси высокого давления в условиях различных типов накачки.

Цель работы

Целью работы являлось построение самосогласованной модели HeCd лазера высокого давления и численное моделирование кинетики активной среды и характеристик её излучения при различных источниках возбуждения.

Научная новизна

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: 1. На основе метода объектно-ориентированного программирования предложен способ аналитического вычисления производных и якобиана системы дифференциальных уравнений первого порядка, моделирующей химическую кинетику и процессы в лазерах, возбуждаемых жёстким ионизатором и электрическим разрядом. В последнем случае решается уравнение Больцмана и моделируются электрические параметры разрядного контура.

1. Впервые разработана подробная самосогласованная модель HeCd лазера, возбуждаемого импульсным объемным электрическим разрядом высокого давления. Модель учитывает 25 возбуждённых уровней атома и 20 возбуждённых состояний иона кадмия, а также 13 возбуждённых состояний атома телия, и позволяет рассчитать характеристики такого лазера.

2. На основе разработанной модели проведены расчёты функции распределения электронов по энергии, определены значения дрейфовой скорости, коэффициента диффузии и подвижности электронов от параметра E/N, проанализированы отличия кинетики смеси, накачиваемой разрядом, по сравнению со смесью, возбуждаемой пучком электронов, а также определены зависимости люминесценции на линиях 441.6 и 537.8 нм от энерговклада и температуры среды, показана возможность получения генерации на линии 441.6 нм при накачке смеси электрическим разрядом. Модель достаточно хорошо описывает экспериментальные данные.

3. Проведены расчёты параметров лазерной генерации в HeCd смеси с учётом накачки верхнего лазерного уровня иона Cdll вторичными электронами ионизационного каскада, создаваемого электронным пучком с энергией 200 хэВ и протонами с энергией 760 кэВ, являющимися продуктами Нс(п,р)³Т ядерной реакции. Результаты моделирования показывают, что при том и другом источнике накачки характеристики лазерного излучения при одинаковых энерговкладах равны.

4. Предложен способ управления выходной мощностью лазера на линии 537.8 нм, заключающийся в кратковременном наложении на HeCd плазму электрического поля напряжённостью до 100 В/см атм. Указанный способ может применяться для модуляции во времени генерируемого на указанной линии излучения.

5. Проанализирована возможность импульсно-периодической работы лазера с учётом накопления в среде ионизованных и возбужденных компонентов плазмы. Показано, что при малой скважности следования импульсов возбуждения состав рабочей среды лазера стабилизируется и после некоторого переходного процесса устанавливается импульсно-периодическая генерация с неизменными параметрами излучения.

Положения, выносимые на защиту

1. Созданный в работе набор C++ классов позволяет, записывая кинетическую модель в символьном виде, получать одновременно с этим программу для решения в нуль-мерном приближении уравнений кинетики, уравнения Больцмана, моделирования эволюции излучения и разрядного контура с аналитическим вычислением производных и якобиана, при этом проверка синтаксиса описания модели ложится на компилятор языка C++.

2. Характеристики излучения HeCd лазера атмосферного давления в широком диапазоне температур (ЗО0-5О0С) не зависят от типа источника накачки, будь то протоны, являющиеся осколками деления ядерных реакций, или электронный пучок.

3. Увеличение энергии тепловых электронов за счёт слабого (~100 В/см'атм)
внешнего электрического поля в HeCd плазме высокого давления,
создаваемой электронным пучком, вызывает рост мощности лазерного
излучения более чем вдвое на линиях 537.8 и 533.7 нм иона кадмия.

4. Построенная на основе решения уравнения Больцмана модель
импульсного разряда в HeCd смеси высокого давления описывает в
широком диапазоне параметров активной среды и накачки разрядные
процессы в смеси, а также параметры излучения среды на линиях 537.8,
533.7, 441.6 и 325.0 нм иона кадмия.

Практическая ценность работы

3. Разработанный набор C++ классов может быть использован для моделирования химической кинетики в ионизованных газовых смесях, возбуждаемых как жёстким ионизатором, так и электрическим разрядом (с решением уравнения Больцмана), а также для моделирования лазерного излучения в этих смесях и электрических параметров разрядного контура.

4. Разработанная модель HeCd лазера высокого давления, возбуждаемого импульсным электрическим разрядом, может быть использована при разработке технологических лазеров с накачкой разрядом или комбинированной накачкой.

5. Рассчитанные в работе константы скорости ионизации и возбуждения смеси и коэффициенты переноса электронов от параметра E/N могут быть использованы для упрощённого моделирования разряда в ионизованной HeCd смеси и определения параметров плазмы.

6. Предложенный способ управления выходной мощностью излучения на линии 537.8 нм с помощью электрического поля может применяться для модуляции во времени генерируемого излучения.

Публикации и аппробация результатов работы

Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре по лазерам на парах металлов и нх применению (1989, Новороссийск; 1991, Сочи), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике КиНО-91 (1991, Ленинград), Межотраслевом семинаре по лазерам с ядерной накачкой (1989, Челябинск - 70), International Conference on Plasma Science (1995, Madison, USA), а также на семинарах во Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики, Сиежинск, Институте общей физики РАН, Москва, Институте электрофизики УрО РАН, Екатеринбург.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, нз которых 5 - статьи в центральной печати.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и библиографического списка. Материал работы

изложен на 142 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список включает 148 наименований.