Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
практических применений эксимерных лазеров важнейшее
значение имеют такие характеристики как энергия, мощность, длительность и
форма импульса генерации, расходимость и однородность пространственного
распределения энергии. Они зависят от целого ряда факторов, однако
определяющую роль играет система возбуждения активной среды, обеспечивающая
однородность энерговклада и формирование его квазистационарной стадии.
Существование квазистационарной стадии объемного разряда обусловлено,
в основном, двумя факторами: диссоциативным прилипанием электронов к
галогеноносителю и зависимостью констант скоростей реакций возбуждения и
ионизации инертного газа от параметра E/N, определяющего образование
электронов в разряде. При этом уравнение непрерывности для электронов
разряда [12] имеет вид
[pic], (16)
где ne–плотность электронов, t– время, x– расстояние от катода.
измеряемое в направлении приложенного однородного электрического поля, W–
скорость дрейфа электронов, а [pic] и [pic]– соответственно коэффициенты
ударной ионизации и прилипания электронов. Из уравнения (16) следует, что
пространственно однородный стационарный заряд может существовать при [pic].
Действующее значение отношения (E/N)* при котором [pic] было получено
теоретически, путем численного решения уравнения Больцмана и нахождения
распределения электронов по энергиям. Для смесей лазеров на галогенидах
инертных газов типичное расчетное значение E/N=10-16-10-17 В?см2, что
хорошо согласуется с экспериментом. Ток в стационарном режиме разряда
[pic] (17)
где U– выходное напряжение, а Z0– характеристический импеданс источника.
В однородном разряде ток и плотность электронов связаны соотношением
[pic] (18)
где S– площадь поперечного сечения разряда, e – заряд электрона и W*–
скорость дрейфа электронов при E/N=(E/N*). Отсюда
[pic] (19)
В случае когда к межэлектродному промежутку прикладывается импульс
высокого напряжения, между электродами возникнет электрическое поле,
ускоряющее свободные электроны, созданные источником предыонизации. При
этом, если величина E/N больше, чем (E/N)*, плотность электронов
увеличивается. Формирование электронной лавины приводит к росту плотности
электронов от ее начального уровня, созданного источником предыонизации
(обычно 106-108 см-3), до значений 1013-1016 см-3, которые существуют в
течение времени горения импульсного тлеющего разряда. Нарастание тока
прекращается, когда величина E/N в разряде уменьшается до величины (E/N)*,
после чего разряд переходит в стационарную стадию.
Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие
сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-
контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения
используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых
за рубежом. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы
возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1
Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж [13],
формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и
длительностью [14], иметь высокую генерационную эффективность [15]. Однако
такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование
специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их
применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт)
и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего
используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них
снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [16] и во-
вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным
электродам.
Ниже в разделе 1.2.2 приведены результаты исследования выходных
характеристик генерации XeCl-лазера с возбуждением только LC-контуром,
(хотя был частично исследован и LC-инвертор [17-20]) при изменении его
параметров в широком диапазоне [21-25]. Эти исследования позволяют
определить оптимальные параметры системы возбуждения для достижения
максимальной энергии, мощности и КПД генерации, получения гладкого
временного профиля импульса, а также сформулировать критерии, по которым
можно целенаправленно управлять характеристиками генерации эксимерных
лазеров.
1.2.2 Влияние параметров LC-контура на
энергию генерации ХеС1-лазера.
Применению LC-контура в качестве системы возбуждения эксимерных
лазеров посвящен ряд работ [26-32]. В [28] исследовано влияние на энергию
генерации отдельных параметров разрядного контура. В [29] – проведена
оптимизация схемы возбуждения, изучено влияние индуктивности контура на
энергию генерации и исследована зависимость выходной энергии и полной
эффективности ХеСl-лазера от отношения накопительной к обострительной
ёмкостей С0/С1.
В работах [30,31] приведены результаты исследования влияния величины
обострительной емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера. Показано, что
существует оптимальное значение обострительной емкости, при которой
выходная энергия максимальна. Однако если в [30] энергия генерации имеет
максимальное значение при С0(0,2С1, то в [31] при С0(0,5 С1.
В [33] показано, что энергия генерации максимальна при соотношении
С0/С1(0,6, причем максимальная эффективность в этом случае достигается при
минимальном напряжении.
В [32] эксперименты проводились при трех значениях С1 и изменении С0
в пределах 0,1С1-0,7С1.Найдено, что для всех значений С1 оптимальное
отношение С0/С1 лежит в диапазоне 0,3-0,5.
Из анализа публикаций следует, что оптимальное соотношение
обострительной и накопительной емкостей лежит в диапазоне 0,2-0,6. Обращает
на себя внимание столь большое различие полученных разными авторами
оптимальных значений отношения С0/С1. Это может быть связано с тем, что
данное соотношение зависит от индуктивности L1, через которую происходит
зарядка C0 от С1, а также потерь при коммутации, прикладываемого
напряжения. Максимальное напряжение, до которого заряжается С0 от С1 при
изменении С0 от 0,1С1 до С1, может линейно изменяться от (2U0 до (U0, где
U0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С0 изменяется
также напряжение, прикладываемое к лазерным электродам, и соответственно
энерговклад в активную среду. Поэтому для каждого конкретного случая
необходимо определять оптимальные значения давления смеси, зарядного
напряжения, величины С1, С0, L1 и L0.
Описанная ситуация имеет место при большом значении L1. При величине
L1, сравнимой с L0, положение, вероятно, изменится, поэтому представлялось
целесообразным изучить работу LC-контура с обострительной емкостью при
L1<10L0 (L0(3нГн). В большинстве случаев уменьшение L1 ниже 10L0 связано со
значительными конструктивными трудностями, поэтому этот диапазон изменений
L1 был практически не исследован.
Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную
емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1
обострительную емкость C0 (см. рис.7,а). Так как С1 перезаряжается на С0
через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с
сопротивлением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется
значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей
увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение
потерь на коммутаторе. С целью выяснения влияния сопротивления коммутатора
на энергию генерации лазера исследовалась ее зависимость от числа
параллельно включенных разрядников РУ-65. Исследования проводились на смеси
НСl:Хе:Ne–1:15:1960, при общем давлении 2,6 атм. и зарядном напряжении до
40 кВ. Величины накопительной и обострительной емкостей были равны 70 нФ.
Индуктивность L1 в этой серии экспериментов была постоянной и равнялась
(35нГн, что достигается сменой токоведущих шин. Зависимость энергии
генерации от числа параллельно включенных коммутаторов представлена на
рис.8. Из рисунка видно, энергия генерации лазера при замене одного
разрядника на шесть возросла в 2 раза, при неизменной величине остальных
параметров системы возбуждения и предыонизации. Следовательно, данный
прирост энергии генерации обусловлен только фактом уменьшения
коммутационных потерь. Поэтому, все дальнейшие исследования были проведены
при использовании шести параллельно включенных разрядников.
На рис.9 представлены зависимости энергии генерации ХеСl - лазера от
величины индуктивности L1. Состав активной смеси и ее давление
соответствовали оптимальным значениям, полученным в [34]. Задержка начала
тока основного разряда относительно начала импульса предыонизации
соответствовала оптимальной и составляла (100 нс. Результаты,
представленные на рисунке получены при значениях величины С1=300 нФ – (а),
225 нФ – (б), 150 нФ – (в) и 75 нФ – (г). На всех четырех рисунках кр. 1
соответствует С0=3,6 нФ, кр. 2 – 25 нФ, кр. 3 – 52 нФ и кр. 4 – 70 нФ. Из
представленных графиков видно, что при величине обострительной емкости С0 в
несколько нанофорад (кр.1) увеличени
| |  скачать работу |
Исследование электроразрядных эксимерных лазеров |
