Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
тенденцию к
насыщению при всех значениях С0 (кр. 1-3). Аналогичные зависимости были
получены при L1=23нГн, однако энергия генерации в этом случае была в 1,5
раза меньше. Такое поведение кривых связано в первую очередь с конечной
длительностью однородного объемного разряда. Как только длительность
объемной стадии разряда становиться меньше времени разряда накопительных
емкостей, крутизна кривых уменьшается, так как не вся запасенная энергия
идет на полезный энерговклад. Дальнейший слабый рост энергии генерации
обусловлен возрастанием мощности энерговклада за счет увеличения С1.
Исследовалась также зависимость работы лазера от величины зарядного
напряжения при L1=11 нГн, С1=300 нФ и С0=3,6 нФ (кр.1), 25 нФ (кр.2), 37 нФ
(кр.3), 70 нФ (кр.4), без С0 (кр.5) (см. рис.14). Во всех случаях
наблюдается рост энергии генерации ХеС1-лазера с возрастанием U0. Причем
максимальная энергия генерации – 1,7 Дж (кр. 1) достигается при минимальном
значении обострительной емкости С0=3,6 нФ. Без обострительной ёмкости
эффективность генерации значительно меньше (кр.5).
Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что
уменьшение обострительной емкости С0 до значений (0,01-0,02) С1, при
одновременном уменьшении индуктивности L1 в цепи зарядки С0 от С1 до
минимально возможной величины, позволяет сформировать для возбуждения
активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный ((2U0) для
формирования разряда и длинный ((U0) для энерговклада в него, получать с
применением емкостной предыонизации однородный объемный разряд
длительностью (200 нс и увеличить энергию генерации лазера в 1,5-2 раза.
Анализ публикаций последнего времени показывает, что полученные
результаты имеют практическую реализацию в мощных электроразрядных
эксимерных лазерах, где энергия генерации ?10 Дж и КПД ~ 4% достигается при
возбуждении лазера сдвоенным разрядом [15,40-42].
1.3. Система возбуждения широкоапертурного XeCl-лазера
1.3.1. Описание экспериментальной установки.
Конструкция лазерной камеры и электрическая схема системы возбуждения
лазера [43] представлена на рис.15. Лазерный излучатель 5 изготовлен из
фторопластовой трубы с внутренним диаметром 180 мм и толщиной стенок 10 мм.
Оба конца трубы снабжены герметичными фланцами из нержавеющей стали, на
которых расположены зеркало с Al-покрытием и кварцевая пластина, образующие
лазерный резонатор. Внутри лазерного излучателя находятся два основных
электрода 1 и 2. Эти электроды идентичны, изготовлены из нержавеющей стали
и перфорированы с прозрачностью 50%. Для предыонизации активной среды в
межэлектродном промежутке используется УФ-излучение разряда, ограниченного
поверхностью диэлектрика. Для этого служат одинаковые электроды 3 и 4,
изготовленные из металла и покрытые восемью слоями лавсановой пленки
толщиной 50 мкм каждый.
Эквивалентная схема системы возбуждения состоит из двух
последовательно соединенных LC-контуров. Первый контур содержит конденсатор
С11 и разрядник РУ1, а второй контур - конденсатор С12 и разрядник РУ2.
Емкости контуров заряжаются от разнополярного источника питания
соответственно до напряжений (+U0) и (-U0) через балластные сопротивления
R1 и R2. При этом величина накопительных емкостей составляет С11 = С12 =
300 нФ, а величина обострительной емкости С2 = 160 нФ. При срабатывании
разрядников РУ1 и РУ2 два последовательно соединенных LC-контура
перезаряжаются на обострительную емкость С2. Так как ударная емкость двух
последовательно соединенных LC-контуров составляет С1 = С11/2 = С12/2 = 150
нФ, то при С1 ( С2 система возбуждения может работать в режиме полной
перезарядки накопительных емкостей С11 и С12 на обострительную емкость С2.
При этом между лазерными электродами 1 и 2 на холостом ходу формируется
импульс напряжения с амплитудой U = 2U0. Предыонизация межэлектродного
промежутка при работе лазера осуществляется автоматически за счет
ультрафиолетового излучения емкостных разрядов, происходящих соответственно
между электродами 1-3 и 2-4, вспомогательные электроды 3 и 4 покрыты
диэлектриком и заземлены.
Накопительные емкости С11 и С12 выполнены на частотных конденсаторах
КМЧ 50-01 (емкость 100 нФ; 50 кВ), а обострительная емкость С2 набиралась
из конденсаторов серии К15-10 (3,3 нФ; 30 кВ) и равномерно распределялась
вдоль лазерных электродов. Конструктивно емкости С11 и С12 представляют
собой каждая по три параллельно соединенных конденсатора КМЧ, и они
расположены вдоль лазерного излучателя. Коммутаторы РУ1 и РУ2 представляют
собой соответственно по три параллельно соединенных разрядника РУ65, каждый
из которых коммутирует один из конденсаторов КМЧ. Такая компановка системы
возбуждения обеспечивает минимальные индуктивности ее токоподводящих шин и
облегчает проведение исследования различных режимов ее работы.
В процессе проведения исследований энергия лазерного излучения
измерялась калориметром ИМО-2Н. Для регистрации формы и длительности
лазерного излучения использовался вакуумный фотодиод ФЭК-22 СПУ. Напряжение
на обострительной емкости С2 измерялось с помощью резистивного делителя
напряжения, собранного на сопротивлениях серии ТВО. Ток через
обострительную емкость С2 регистрировался при помощи пояса Роговского.
Сигналы с фотодиода, делителя напряжения и пояса Роговского подавались
посредством кабелей на шестиканальный осциллографический измеритель 6ЛОР-04
и фотографировались.
1.3.2. Экспериментальное исследование зависимости параметров генерации
щирокоапертурного ХеС1-лазера от величин обострительной и накопительной
емкостей LC-контура
В данной части работы приведены результаты экспериментальных
исследований зависимости энергии и длительности импульса генерации от
величин обострительной и накопительной емкостей. Все измерения проводились
при зарядном напряжении U0 = 30 кВ. В качестве буферного газа использовался
как гелий, так и неон. При использовании гелия была выбрана смесь НС1 : Xe
: Не = 1 : 6 : 2000 (при общем давлении 2,6 атм), а при использовании неона
— НС1 : Xe :Ne = 1 : 6 : 2900 (при общем давлении 3,8 атм). При проведении
экспериментов величина обострительной емкости изменялась в пределах 27-160
нФ. А величина накопительной емкости С11 = С12 бралось равной 100, 200 и
300 нФ.
Следует отметить, что, LC-контур как система возбуждения поперечного
разряда в эксимерных лазерах привлекает внимание исследователей прежде
всего вследствие своей простоты и высокой технологичности. При возбуждении
разряда LC-контуром с импульсной зарядкой накопительных конденсаторов была
получена выходная энергия ХеС1-лазера порядка десятков джоулей. Эти же
исследования показали, что энерговклад в разряд до момента прекращения
генерации (т.е. полезный энерговклад) составляет менее 1/3 от запасенной в
накопителе энергии. Это указывает на неоптимальный выбор параметров цепи
возбуждения и делает актуальной задачу исследования влияния параметров цепи
возбуждения на характристики генерации.
Из рассмотрения электрической схемы на рис.15,а можно выделить два
характерных режима работы лазера с возбуждением LC-контуром [44]. При
равных или близких к друг другу величинах С11 = С12 и С2 после срабатывания
коммутаторов РУ1 и РУ2 емкости С11 и С12 почти полностью перезаряжаются на
С2. Возбуждения разряда в этом случае осуществляется в основном
обострительной емкостью С2. Вторым характерным режимом является случай,
когда возбуждение разряда осуществляется от накопительных емкостей С11 и
С12, т.е. при этом обострительная емкость С2 отсутствует или на порядок
меньше накопительной. Следует сразу отметить, что на нашей установке при
использовании второго характерного режима работы LC-контура генерацию
получить не удалось. Разряд визуально имел явно выраженный контрагированный
характер. Это, по-видимому, обусловлено большой собственной индуктивностью
конденсаторов КМЧ. Поэтому в работе основное внимание было уделено
исследованию первого и промежуточного режимов работы системы возбуждения,
построенной по схеме LC-контура.
На рис.15,б приведены типичные осциллограммы напряжения на
обострительной емкости С2 в режиме холостого хода–1, в рабочем режиме 2,
тока через обострительную емкость – 3 и импульса генерации 4. На рис.16
представлена зависимость энергии генерации лазера от величины накопительной
и обострительной емкостей при использовании различных буферных газов.
Из рис.16,а видно, что максимальная энергия генерации наблюдается при
определенном соотношении между величинами обострительной емкости и
накопительных емкостей, а именно С2 = С11/2 = С12/2.
На рис.16,б максимум энергии генерации имеет место при С2 =
0,45 С11=0,45 С12 (в случае использования буферного газа неона).
Из анализа представленных на рис.16 результатов можно сделать
следующие выводы. Существуют оптимальные соотношения между величинами
обострительной емкости С2 и накопительной С11 = С12, т.е. оптимальная
величина С2/С11, при которой достигается максимум энергии генерации при
фиксированной величине накопительной емкости С11 = С12. При этом С2/С11 =
0,5 для буферного газа гелия и С2/С11 = 0,45 для буферного газа неона.
Энергия генерации растет при увеличении емкости накопителя и максимальна
при С11 = С12 = 300 нФ. А наибольшее значение КПД лазера достиг
| |  скачать работу |
Исследование электроразрядных эксимерных лазеров |
