Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
е индуктивности L1 от 11 нГн до 33 нГн
приводит к уменьшению энергии генерации лазера примерно вдвое во всех
четырех случаях. Такое же поведение обнаруживает и зависимость Eген от
индуктивности L1 при величине С0=25 нФ (кр.2). Однако ход кривых изменяется
при С0 =52 нФ. Если при С1=300,225 и 150 нФ с ростом индуктивности L1
энергия генерации уменьшается, то при С1=75 нФ с ростом L1 она возрастает
(см. рис.9,г. кр.3). Дальнейшее увеличение С0 существенно изменяет ход
зависимостей Eген от индуктивности L1. При Со=70 нФ и С1=300 и 225 нФ
энергия генерации лазера практически не зависит от индуктивности L1,а при
С1=150 и 75 нФ она возрастает с ростом L1, причем значительно (рис.7 г, кр.
4).
На рис.10 представлены зависимости энергии генерации ХеСl-лазера от
величины обострительной емкости С0 при изменении величины индуктивности в
контуре перезарядки L1=11 нГн (а), 23 нГн (б), 33нГн (в). Кривая 1
соответствует С1=300 нФ, 2 – 225 нФ, 3 – 150 нФ и 4 – 75 нФ. Из рис.10,а
видно, что энергия генерации лазера с ростом С0 от 3,6 нФ до 70 нФ при
минимально возможном значении L1=11 нГн плавно уменьшается при всех
значениях С1. Иное поведение кривых наблюдается при L1=23 нГн (б) и 33 нГн
(в). Уменьшение энергии генерации происходит только до значений С0(30-40
нФ, после чего она возрастает.
С целью обобщения полученных результатов и более наглядного
представления влияния различных параметров LC-контура на генерационные
характеристики ХеСl- лазера на рис.11 представлены объемные поверхности,
иллюстрирующие одновременную зависимость Еген от изменения индуктивности L1
и обострительной емкости С0 при значениях накопительной емкости С1=300
нФ (а) и С1=75 нФ (б). На данных поверхностях можно проследить все
описанные ранее закономерности.
На рис.12 приведены осциллограммы импульсов напряжения на
обострительной емкости (1), разрядного тока (2) и импульса генерации (3)
при С1=300 нФ, L1=11 нГн. Состав и давление смеси, а также зарядное
напряжение – прежние. Из рисунка видно, что рост С0 существенным образом
влияет на напряжение, ток разряда и импульс генерации. Возрастание С0
приводит к увеличению колебательной структуры импульсов.
Проанализируем полученные результаты. Существующие способы
предыонизации активной среды эксимерных лазеров позволяют получать
начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их плотности в момент
начала генерации (1015-1016см-3 [35]. Это значит, в разряде существует
стадия его формирования, в течение которой концентрация электронов
возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии, преимущественно за
счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности электрического поля
в межэлектродном промежутке, происходит экспоненциальный рост концентрации
электронов. При этом, как показано в [26], время поддержания высокой
напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-
20 наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации
электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию
разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы
объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации
составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного
объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии:
стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо
принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту
концентрации электронов. Это можно сделать, как показано в [36,37], путем
значительного уменьшения напряженности электрического поля на стадии
энерговклада, т.е. уменьшения E/N до значения (E/N)*. В работе [38]
формирование разряда осуществлялось с помощью высоковольтного предымпульса,
а энерговклад в него производился от низкоомной формирующей линии с
пониженным напряжением. Была достигнута энергия генерации 4,2 Дж при
КПД(4,2%. Уменьшение напряженности электрического поля можно достичь путем
последовательного включения стабилизирующих элементов (балластных
резисторов, нелинейных индуктивностей), а также созданием систем
возбуждения с изменяющимся во времени по определенному закону импульсом
напряжения.
При малых величинах обострительной емкости С0 (см. рис.12) основная
её функция состоит в формировании объемного разряда. За время (40 нс она
заряжается от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного
зарядного, а затем разряжается на межэлектродный промежуток за время
(20 нс. При столь высоком перенапряжении ((70 кВ /3,5 см·4 атм.) и крутом
фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд. Сама
обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление
разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом
случае осуществляется от накопительной емкости С1. На осциллограммах
напряжения, на обострительной емкости (1) и тока разряда (2) видна
незначительная колебательная структура, обусловленная наличием С0, однако
на импульсе генерации она не сказывается. Аналогичная структура импульса
разрядного тока наблюдалась в работе [39] при подключении к лазерным
электродам обострительных конденсаторов величиной(1 нФ и возбуждении
разряда с помощью формирующей линии.
Уменьшение С0 до нескольких нанофарад позволило разделить во времени
формирование разряда и его возбуждение. Этот эффект достигнут благодаря
тому, что разрядка С0 осуществляется при напряжении в (2 раза большем, чем
напряжение на С1 и длится (20 нс, а разрядка С1 фактически начинается после
того, как С0 разрядилась. Уменьшение L1 до 11 нГн позволило осуществить
возбуждение активной среды непосредственно от накопительной емкости С1
импульсом длительностью (240 нс, причем первые 200 нс разряд был однородным
(см. рис.12,а) Это подтверждается длительностью импульса генерации, которая
равнялась (170 нс.
С увеличением обострительной емкости С0 ее роль изменяется. Наряду с
формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд. Мощность
которого сравнима с мощностью энерговклада от С1. Кроме того, так как
волновое сопротивление контура L0С0 превышает активное сопротивление плазмы
в межэлектродном промежутке, то разряд С0 имеет колебательный характер. Так
как L0С0((L1+L0)С1, то наложение токов разряда обострительной и
накопительной емкостей приводит к колебательному суммарному энерговкладу.
При С0=15 нФ на импульсе тока от С1 видна колебательная структура, а при
С0=37 нФ наблюдается явный колебательный разряд (см. рис.12,б и в).
Колебательный характер энерговклада отрицательно сказывается на
однородности и длительности объемной стадии разряда.
Для описания данного нестационарного разряда могут быть использованы
формулы (16-19), но только до момента времени, когда ток достигает
максимальной величины [12]. При колебательном характере импульса тока
напряжение возрастает от нуля до некоторого максимального значения. В этом
случае [pic] и при [pic][pic] быстрое падение разрядного напряжения связано
с влиянием собственной индуктивности разряда, приводящей к неустойчивости и
его контрагированию.
Рассмотренные выше процессы объясняют падение энергии генерации ХеСl-
лазера с ростом величины обострительной емкости до (30 нФ. Максимальная
энергия генерации достигается при минимальных С0 и L1. При С0(15 нФ
колебательный энерговклад отражается на импульсах генерации. При С0(30 нФ
изменяется режим возбуждения разряда. Мощность энерговклада в течение
первого импульса разрядного тока значительно возрастает (см. рис.12, в и
г). Этот рост обусловлен разрядом обострительной емкости, в которую, за
время задержки разряда в межэлектродном промежутке, переходит значительная
доля энергии, запасенной в С1. Генерация или срывается после первого
импульса тока разряда или на втором импульсе возбуждения интенсивность ее
значительно ниже (см. рис.12,г). Таким образом, рост энергии генерации с
увеличением С0 при L1=23 и 33 нГн (см. рис.12,б,в) происходит благодаря
росту мощности энерговклада в течение первого импульса тока разряда.
Отсутствие роста энергии генерации с увеличением С0 при L1=11нГн (рис.10,
а) можно объяснить следующим образом. При L1=11 нГн время зарядки С0 от С1
сравнимо с временем разряда С0 на межэлектродный промежуток. После пробоя
межэлектродного промежутка при напряжении на С0, близком к максимальному,
Со разряжается как на него, так и обратно на С1. Этот процесс приводит к
уменьшению энерговклада во время первого импульса разрядного тока и
отсутствию роста энергии генерации. При С1=300 и 225 нФ выходная энергия
при одной и той же величине обострительной емкости все же больше при L1=11
нГн, чем при L1=23 и 33 нГн, вследствие большей мощности энерговклада от
накопительной емкости. При С1=75 нФ и L1=23 и 33 нГн энергия генерации
значительно больше, чем при L1=11 нГн вследствие уменьшения энерговклада от
С1 и обратной переразрядки на нее С0 (см. рис.11,б).
На рис.13 представлены зависимости энергии генерации ХеСl- лазера от
величины накопительной емкости С1 при L1=11 нГн и C0=3,6 нФ (кр. 1), 25 нФ
(кр. 2), 70 нФ (кр. 3), без C0–кр. 4. Использовалась рабочая смесь того же
состава при общем давлении 4 атм. и зарядном напряжении 40 кВ. Как видно, с
увеличением С1 выходная энергия лазера возрастает и имеет
| |  скачать работу |
Исследование электроразрядных эксимерных лазеров |
