3.2.2 Исследование электроразрядных импульсно-периодических лазеров на модекуле XeCl*

Также в работе проводились исследования электроразрядного импульсно-периодическогоXeCl лазера, внешний вид которого представлен на рисунке 24.

Рисунок 24 – Внешний вид лазерного макета

Некоторые характеристики исследуемого лазера:

– Зарядное напряжение на накопительной емкости составляет 18-24 кВ,

– Максимальная энергия генерируемого импульса излучения - 700 мДж,

– Длительность импульса на уровне половины его мощности - 30 нс,

– Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 10х26 мм²,

– Частота работы в импульсно периодическом режиме - 100 Гц.

Принципиальная электрическая схема накачки представлена на рисунке 25.

L₃

L₂

L₁

C₁

R₁

R₂

R₃

C₂

ТПИ3-10k/25

РП

Рисунок 25 – Принципиальная электрическая схема лазера

C₁= 107нФ; C₂=74нФ; L1=100 мкГн; L2=150 нГн; L3=4 нГн.

R₃ – токовый шунт, R₁/R₂ – омический делитель

Предыонизация разрядного промежутка осуществлялась УФ – излучением, которое возникало при срабатывании двух рядов искровых промежутков, расположенных по обе стороны от электродов. Конденсатор С₁ = 107,4нФ (состоял из конденсаторов TDK UHV-6A, 2700 pF & 30 kV) заряжался от источника постоянного напряжения до U₀ = 24кВ. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТПИ3-10k/25.

Оптимальное значение индуктивности первого контура L₁ = 150 нГ позволило обеспечить эффективную перезарядку первого конденсатора на второй за сравнительно большое время ~180 нс. Конденсатор во втором контуре С₂ =74 нФ разряжался через плазму и обеспечивал накачку активной среды. Компоновка лазерной камеры и конденсаторов С₂ позволила достигнуть малой индуктивности L₂= 4нГ, что обеспечило малую длительность импульса накачки и большой ток в плазме до 65 кА.

Электроды имели длину 65 см с расстоянием между ними 2,8 см. Эффективная ширина разряда была 0,7-0,9 см. Радиус рабочей поверхности электродов составлял 60 мм. Длина резонатора составляла 100 см, зеркала имели коэффициенты отражения 0,95 и 0,07.

В межэлектродном промежутке зажигается объемный разряд в который вкладывается электрическая энергия, запасенная в контуре накачки. В сформированной плазме увеличивается концентрация частиц, происходит накопление энергии на возбужденных уровнях. Одновременно частицы обмениваются энергией в процессах взаимодействия. За время нарастания мощности, до максимального значения в плазме можно выделить три характерные стадии ее развития.

На первой стадии происходит прямая ионизация и прямое возбуждение атомов ксенона. Большая часть мощности, поступающей в плазму, расходуется на рост концентрации возбужденных атомов. Происходит накопление энергии на возбужденных атомах ксенона. С ростом концентрации возбужденных атомов увеличиваются скорости их прямого тушения, с переходом в основное состояние, а также сильно увеличиваются частоты и скорости ступенчатых процессов возбуждения и тушения. В отдельном акте ступенчатых процессов передается сравнительно малая энергия, однако их скорости значительно больше, чем скорости прямых процессов. Ступенчатые процессы возбуждения и тушения устанавливают, а также отслеживают определенное соотношение концентраций частиц на возбужденных уровнях.

На второй стадии происходит переход от прямой ионизации к ступенчатой. Возбужденный атом получает дополнительную порцию энергии от электрона и переходит в ионизованное состояние. Ионизация происходит под действием двух потоков мощности, а именно, мощности, поступающей на возбуждение и дополнительной мощности, поступающей от электронов. В этой стадии замедляется рост концентрации возбужденных атомов, а концентрация электронов увеличивается ускоренно.

Третья стадия развития разряда соответствует области максимальной мощности накачки. В этой стадии концентрации частиц выходят на максимальные значения. Мощность накачки не расходуется на рост концентрации частиц. Баланс мощности накачки включает: возбуждение, ступенчатую ионизацию, потери мощности в упругих столкновениях электронов и прочие потери, основную часть которых составляет возбуждение молекул HCl. В конечном итоге, после рекомбинации мощность накачки расходуется на нагрев газа и сравнительно малая ее часть уходит на излучение.

Расчеты показали, что максимальная мощность накачки равна 270 МВт а удельная мощность накачки равна 3,1 МВт/см³.

Эффективность лазера, определяемая как отношение максимальных мощностей генерации и накачки, составляет 3,7%. Энергия, запасенная в первом конденсаторе равна 30,8 Дж, энергия, поступающая в разряд  21,3 Дж.

Энергия генерируемого импульса излучения составляет 700 мДж. Эффективность лазера относительно энергии накачки составляет 3,29% и 2,27% относительно энергии первого конденсатора. Длительность импульса на уровне половины его мощности - 30 нс. Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 10х26 мм.

На рисунке 26 представлены вольт-амперные характеристики разряда для смеси Ne:Xe:HCl=925:15:1.

Рисунок 26 – Осциллограммы тока, напряжения на разрядном промежутке и временная форма лазерного импульса для работы лазера на молекуле XeCl*

Активный объем : 28 × (6,5-7,5) × 640 мм³, Р = 3,7 атм, U₀ = 24 кВ, E = 0,7 Дж для XeCl лазера.

КПД XeCl лазера (запасенная энергия/энергия излучения) составило 2,27%.

Из приведенных осциллограмм видно, что при работе KrF лазера, лазерное излучение заканчивается значительно раньше, чем для XeCl лазера. С нашей точки зрения, данный эффект можно объяснить тем, что в газовой смеси с использованием галогена F₂ происходит более быстрое развитие неустойчивостей, которые сокращают длительность импульса излучения.

Пучок регистрировался на выходе из лазера на фотобумаге. Размеры лазерного пучка равны 10х26 мм². Полученные лазерные пучки для различных лазерных режимов представлены на рисунке 27.

Рисунок 27 – пучок, полученный для смеси Ne:Xe:HCl-925:15:1,

при давлении P = 3,7 атм

Разряд XeCl лазера при высоких давлениях газа нестабилен. Так в работе [45] продемонстрировано развитие в разряде XeCl лазера сильной пространственной нестабильности.

Фотография интегрального во времени свечения разряда для работы лазера на молекуле XeCl* показана на рисунке 28.

В этом случае, на катоде виден светящийся слой, который соединен с плазмой объемного разряда токовыми каналами. На поверхности катода присутствуют отдельные катодные пятна. Плотность тока объемного разряда составила 600 А/см². Как видно на фотографии разряд однороден.

Также в настоящей работе исследовались различные режимы горения разряда в XeCl лазере в зависимости от процентного содержания компонент Xe и HCl в составе газовой смеси и рассмотрены причины, приводящие к развитию неустойчивостей в разряде.

В работе [46] приводится сравнительный анализ исследований самостоятельного объемного разряда в плотных газах, где рассматриваются предположения о различных механизмах контракции объемного разряда. При этом авторами в ряде работ [47-50] делается вывод, что неустойчивости, возникающие в объеме плазмы, могут задаваться еще на начальной стадии формирования разряда. Среди причин контракции объемного разряда можно выделить следующие: неоднородная или малая концентрация начальных электронов, недостаточная величина приложенного напряжения, большая длительность фронта разрядного тока, не оптимальная временная задержка между включением источника предыонизации и пробоем разрядного промежутка.

В ранее выполненных работах [51,52] отмечается, что возникающие неоднородности протекания тока в разряде имеют различный пространственный масштаб с отличительными друг от друга физическими свойствами. Описанные выше исследования проводились на лазерах с различными параметрами электрической цепи накачки и разрядного контура. Для исключения неконтролируемых факторов, присущих индивидуальным особенностям каждой установки, в данной работе эксперименты были проведены при равных начальных условиях формирования разряда.

Анализируя экспериментально измеренные осциллограммы тока и напряжения и временные зависимости образования заряженных и ионизованных частиц в плазме, можно выделить несколько основных стадий протекания разряда [53]. Первая - предварительная стадия формирования разряда, в которой рост электронов обусловлен Таунсендовской ионизацией Xe. Во второй стадии происходит резкое увеличение концентрации электронов за счет подключения реакции ступенчатой ионизации Xe^(1,2,3), а также ускоренный рост остальных возбужденных и заряженных частиц. На третьей стадии реализуется квазиравновесное состояние рождения и гибели электронов в плазме, длительность которого задается LC-контуром накачки. Существенное падение энергии накачки после одного-двух периодов колебаний тока приводит к затуханию разряда за счет рекомбинационных процессов и, как следствие, к прекращению генерации. Тем не менее, осциллограммы ВАХ и результаты расчетов модели, основанной на предположении пространственной однородности разряда, не позволяют определить формирование неоднородностей в плазме.

На рисунок 29 представлены зависимости величин максимального тока в разряде и пробивного напряжения для заданных соотношений Ne/HCl при изменении концентрации Xe. Видно, что с ростом содержания ксенона пробивное напряжение возрастает во всем диапазоне, в то время как амплитуда разрядного тока увеличивается до величины Xe/HCl=14-15, а далее начинает снижаться.

Рисунок 29 – Зависимости максимального разрядного тока и пробивного напряжения на промежутке от соотношений концентраций Xe/HCl в смесях: 1- Ne/HCl = 500/1, 2- Ne/HCl = 1500/1, при общем давлении Р = 3.8 атм. и U₀ = 22.5 кВ

На рисунке 30 представлены зависимости ширины горения разряда от содержания Xe в смеси, для различных соотношений Ne/HCl, при общем давлении Р = 3,8 атм и зарядном напряжении U₀ = 22,5 кВ. При приложенном напряжении на разрядный промежуток 22 кВ, напряженность электрического поля в центральной области межэлектродного пространства достигала 7,63 кВ/см. Учитывая профиль поверхности электродов, начальные искажения электрического поля поперек оси электродов на границе разряда шириной 16 или 6 мм, составляли 3,3 или 0,45 %, соответственно.

Рисунок 30 – Зависимость ширины разряда от соотношения концентраций Xe/HCl при различных соотношениях Ne/HCl.

Из проведенных экспериментов при одних начальных условиях следует, что в области малых концентраций Xe, при соотношении Xe/HCl =1-3, для широкого диапазона изменений концентраций галогена Ne/HCl от 500 до 1500, формировался однородный объемный разряд. Разряд имел высокое сопротивление, форма протекающего тока была близка к согласованному режиму. При ширине горения разряда 1.6 см, активный объем составлял 292 см³, расчетная мощность накачки, вводимая в разряд, в максимуме амплитуды достигала 420 МВт, при удельной мощности накачки 1.2÷1.4 МВт/см³. КПД лазера не превышал 1.1%.

Увеличение содержания ксенона до соотношения Xe/HCl=4-10 приводило к изменению пространственной формы объемного разряда. На электродах возникали катодные пятна с привязкой к ним диффузных каналов. На расстоянии от катода 2-3 мм, происходило перекрытие этих каналов, и формировался объемный разряд с высокой степенью однородности. В этом случае, регистрация ВАХ показала, что выросла проводимость разряда, а режим стал более рассогласованным. Тем не мене, за счет уменьшения ширины разряда до 10 мм, увеличилась удельная вложенная мощность накачки до 2.2 МВт/см³, и КПД лазера повысился до 1.7 %.

При дальнейшем увеличении концентрации Xe в смеси до соотношения Xe/HCl=12-20 продолжалось уменьшение ширины горения разряда, а при определенных условиях объемный разряд полностью становился неоднородным. При соотношении Ne/HCl=800/1000 ширина разряда уменьшалась до 7-9 мм и увеличивалось расстояние от катодной поверхности, на которой перекрывались диффузные каналы, до 5 мм. При этом в объемной части разряда возрастала удельная мощность накачки до 3 МВт/см³, а КПД лазера достигал величины 2.42%.

На рисунке 30, представлены зоны А и В, выделенные пунктиром на кривых 1 и 4, при которых возникали различные типы неоднородностей в плазме. При этом в обоих случаях резко возрастало сопротивление сформированной плазмы, рисунок 28. В смеси с соотношением Ne/Xe/HCl=500/(12-20)/1 формировались макронеоднородности, а в смеси Ne/Xe/HCl = 1500/(13-20)/1 – микронеоднордности [52].

Фотографии отпечатков лазерного пучка и разряда, соответствующих режимам работы лазера в зоне А и В, представлены на рисунке 31.

Рисунок 31 – Автографы лазерного пучка при использовании газовой смеси:

a- Ne/Xe/HCl:500/20/1, b-Ne/Xe/HCl: 1500/20/1 и фотография разряда c- Ne/Xe/HCl: 1500/20/1

На рисунке 31(а) представлено изображение лазерного пучка для смеси Ne/Xe/HCl- 500/20/1, КПД лазера в этом случае составил 1.1 %. На фотографии разряда и отпечатка пучка видно, что диффузные сильноточные каналы не перекрываются на всем протяжении разрядного промежутка. На катоде и аноде присутствуют ярко-выраженные плазменные образования.

На рисунке 31(б,в) показаны фотографии пучка и разряда для смеси Ne/Xe/HCl= 1500/20/1, КПД лазера не превышал 0.56 %. Видно, что распределение интенсивности лазерного пучка и свечения разряда различно. В лазерном пучке, наблюдался провал по распределению интенсивности излучения, соответствующий области разряда с максимальной яркостью излучения. Разряд состоял из двух пространственно разделенных областей, имеющих разные плазмохимические характеристики. Первая область, имеющая ширину 4 мм, в которой протекал основной разрядный ток, располагалась в зоне максимальной напряженности поля разрядного промежутка. Удельная мощность накачки при условии однородного горения разряда в этой зоне составляет 4.6 МВт/см³. В нашем случае с образованием микронеоднородностей данная величина мощности может существенно превышать данное значение. Второй участок располагался в приграничных областях с обеих сторон первой зоны. На фотографии разряда видно, что на поверхности электродов имеется множество катодных и анодных пятен с малой интенсивностью, а в промежутке горит однородный разряд.