Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
Другие рефераты
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ
1.1. Влияние системы предыонизации на работу XeCl-лазера
1.1.1. Общая характеристика систем предыонизации
Одним из важнейших факторов, влияющих на работу электроразрядных
эксимерных лазеров, является предыонизация активной среды [1-3]. Она
оказывает существенное влияние на устойчивость разряда, его однородность,
длительность объемной стадии, стабильность генерации и ресурс работы
лазера. В [4] показано, что предварительное ультрафиолетовое (УФ) облучение
газового объема сокращает время развития пробоя, способствует формированию
объемного разряда. С увеличением интенсивности облучения уменьшается
напряженность поля, при которой возникает диффузный разряд. Происходит это
потому, что УФ-ионизация создает некоторое начальное количество свободных
электронов, которые становятся центрами инициирования разряда. Для всех
газоразрядных лазеров, использующих поперечный разряд, важное практическое
значение имеет решение вопроса о минимальной плотности электронов
предыонизации и однородности их распределения, необходимой для формирования
однородного разряда. В случае малого количества начальных электронов
происходит независимое развитие рождаемых ими лавин. В окрестности каждой
лавины нарастает искажение внешнего поля потенциалом пространственного
заряда, который возникает в ходе ионизационного размножения частиц в лавине
[4]. После прохождения лавиной некоторого критического расстояния она
порождает стример. Формирование однородного разряда достигается в случае,
когда пробой газоразрядного промежутка происходит при одновременном
развитии множества электронных лавин и их взаимном перекрытии до того, как
они пройдут критическое расстояние. При этом искажающее действие поля
пространственного заряда каждой отдельной лавины будет подавлено
коллективным действием остальных лавин во всем объеме. В [5] показано, что
существует критическое расстояние между начальными электронами
предыонизации, которое определяет минимальное значение концентрации
электронов предыонизации в разрядном объеме.
ne > (4De Xкр/(др)-3/2,
(1)
где De и (др – коэффициент диффузии и дрейфовая скорость электронов, а
Xкр – критическое расстояние. Оценка минимальной концентрации начальных
электронов дает значение ~106-108 см-3. Причем, повышение начального уровня
предыонизации и напряжения на электродах, а также увеличение скорости его
нарастания всегда способствует улучшению однородности разряда [6].
В [7] исследовалась зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от
уровня предыонизации. Показано, что выходная энергия не зависит от уровня
предыонизации, когда ne > 108 см-3. При ne~107 см-3 она уменьшается на 10%,
а при ne ~106 см-3 наполовину. Данное снижение уровня предыонизации
приводит к значительному нарушению однородности разряда и уменьшению
энергии генерации. Согласно [7] концентрация электронов предыонизации при
отсутствии напряжения между лазерными электродами может быть представлена
[pic], [pic] (2)
где ne - концентрация электронов предыонизации; nHCl - концентрация молекул
НCl; ( – эффективная скорость диссоциативного прилипания электронов к НС1;
S0 - скорость образования электронов под действием внешнего ионизатора.
Тогда
[pic][pic] [pic]. (3)
Из (3) видно, что концентрация электронов выходит на насыщение при ne =
S0/(nHCl c постоянной времени (0 = 1/(nHCl. Оценим порядок величин
определяющих величину выражения (3). Рассмотрим два случая.
1. Осутствует внешнее электрическое поле Е/N=0. В этом случае
величина ? ~ 10-10 -10-11 см-3/с [1]. Концентрация молекул HCl в основном
колебательном состоянии ~ 1016 см-3. Тогда (0 = 1/(nHCl ~ 10-6 c. Если S0
= 1015 см-3/с, то концентрация электронов возрастает до ne ~ 109 см-3 за
время порядка (0.
2. На электроды лазера подается импульс напряжения. В этом случае Е/N
отлично от нуля, что приводит к тому, что электроны начинают приобретать
энергию от электрического поля, а электронная температура Те начинает расти
и отрываться от температуры нейтральных частиц. Электронная температура Те
~ E/N. Поэтому по мере роста E/N увеличивается вероятность возбуждения
нейтральных атомов электронами. Процессы прилипания еще полностью
доминируют над процессами ионизации, то есть нет развития электронных
лавин, но уже идет накопление нейтральных атомов в возбужденных состояниях.
Это приводит к тому, что увеличивается величина S0, так как теперь
ионизироваться УФ- подсветкой могут частицы не только из основного, но и
возбужденного состояния (при этом предыонизация вкладывает в активную среду
туже энергию, что и ранее, но увеличивается концентрация электронов). Тогда
концентрация электронов описывается выражением
[pic][pic], (4)
?ne - увеличение выхода электронов. Можно показать, что уменьшение
порога пробоя основного лазерного промежутка под действием предыонизации
обусловлено действием именно этого механизма. Таким образом,
предыонизация активной среды осуществляется не мгновенно, а в течение
определенного времени (. В этой связи важно определить оптимальное время
действия предыонизации и установить взаимосвязь ? с энергетическими
характеристиками XeCl-лазера при различных типах предыонизации. Поэтому
представляется целесообразным провести комплексное исследование влияния
параметров и режима работы контура предыонизации на генерационные
характеристики лазера.
1.1.2. Условия и техника эксперимента
Исследования проводились на эксимерном электроразрядном лазере,
излучатель и система предыонизации активной среды которого выполнены
аналогично описанным в (8( и представлены на рис.1. Излучатель представлял
собой диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой располагались
профилированный цельнометаллический анод (А), сетчатый катод (К) и электрод
предыонизации (ЭП). Предыонизация активной среды в межэлектродном
промежутке (МП) осуществлялась излучением разряда из-под сетчатого катода
при подаче импульса высокого напряжения на электрод предыонизации. Такое
расположение системы предыонизации позволило максимально приблизить
источник ионизирующего излучения к зоне основного разряда и достичь
однородного распределения начальных электронов в МП. Основной разрядный
объем составлял 90х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На торцах разрядной
камеры располагался резонатор лазера, который был образован плоским
зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.
Возбуждение поперечного разряда осуществлялось системой возбуждения
(СВ), выполненной по типу LC-контура (рис.1,а) и LC-инвертора (рис.,1б).
Например, LC-инвертор [9] включал накопитель энергии (НЕ) на С1 и С2,
которые от источника постоянного высокого напряжения через резисторы R1 и
R2 заряжались до напряжения Uo. После срабатывания коммутатора РУ, в
качестве которого использовались управляемые разрядники РУ-65, через L2
происходила инверсия напряжения на С2, и через индуктивность L1
осуществлялась зарядка обострительной емкости (ОЕ) Со до напряжения,
близкого к двойному зарядному. ОЕ Со была подключена к электродам лазера с
минимально возможной для данной конструкции индуктивностью Lо.
В процессе экспериментов величины L1 и Lо были сведены к минимуму,
который позволяла конструкция лазера, и составляли 7 и 3,5 нГн
соответственно. Величина L1 определялась из осциллограмм напряжения
холостого хода на Со. Для исключения зажигания основного разряда разрядная
камера в этом случае заполнялась азотом и отключалась предыонизация.
Величина Lо определялась из осциллограмм разрядного тока в контуре LоСо.
Исследования проводились на электроразрядном эксимерном лазере с
параметрами: С0=22 нФ, С1=155 нФ, С2=56 нФ.
Разряд предыонизации возбуждался от отдельного LC-контура включающего
Спр – накопительную емкость, Lпр – индуктивность в контуре предыонизации,
РУ1 – коммутатор. Это позволяло регулировать задержку между предыонизацией
и основным разрядом с помощью системы запуска разрядников РУ1 и РУ. Спр
заряжалась от источника постоянного высокого напряжения через резисторы R3
и R4 до напряжения Uo.
На рис.1,а представлено сечение электрода емкостной предыонизации.
Диэлектрик на электроде предыонизации представлял собой шестислойное
лавсановое покрытие общей толщиной 0.3 мм. Отличительной особенностью
предыонизации являлось то, что емкостной разряд зажигался на большой
площади ~(100х3) см2. Этим компенсировалась меньшая по сравнению с
сильноточной искрой эффективность образования ионизирующего излучения.
Минимальный радиус кривизны поверхностей электрода составлял 5 мм. Рабочая
поверхность электрода предыонизации находилась на расстоянии 3 мм от
поверхности основного сетчатого электрода, причем это расстояние в ходе
экспериментов могло изменяться от 1 до 6 мм. Разряд, обеспечивающий
предыонизацию основного разрядного промежутка, возникал между сетчатым
катодом (К) и поверхностью диэлектрика электрода предыонизации. Подача
импульса напряжения на электрод предыонизации осуществлялась по четырем
вводам, равномерно расположенным вдоль элек
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
