Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
ает при
значении накопительной емкости С11 = С12 = 50 нФ, и оно примерно в 1,5 раза
выше, чем при С11 = С12.= 300 нФ. Это легко определить из рис.16. При
переходе от кривых 1 к кривым 3 максимум энергии генерации падает примерно
в 2 раза, а величина накопительной емкости уменьшается в 3 раза. Значит,
КПД возрастает в 2 раза.
На рис.17 представлены типичные осциллограммы импульсов напряжения на
обострительной емкости С2 , импульсов тока через обострительную емкость С2
и импульсов генерации, полученных при использовании буферного газа гелия на
смеси НС1 : Xe : Не = 1 : 6 : 2000 при общем давлении 2,6 атм. и зарядном
напряжении U0 = 30 кВ. На всех рисунках приводятся осциллограммы импульса
тока, начиная с момента пробоя межэлектродного промежутка, так как именно
этот участок используется при анализе работы системы возбуждения лазера.
Максимальная длительность импульса генерации по полувысоте составляла
60 нс и была получена при С11 = С12 = 300 нФ и С2 =79 нФ , а минимальная
длительность генерируемого импульса равнялась 25 нс при С11 = С12 = 300 нФ
и С2 = 160 нФ. Таким образом, при фиксированном значении накопительной
емкости и уменьшении величины обострительной емкости длительность импульса
генерации возрастает.
Из осциллограмм тока и напряжения видно, что полезный энерговклад в
разряд осуществляет в основном обострительная емкость С2. Например, на
рис.3. при переходе от С2 = 133 нФ к С2 = 160нФ энергия генерации растет от
0,39 Дж до 0,44 Дж. Из осциллограммы напряжения следует, что энергия,
запасенная в обострителе в момент пробоя, растет в 1,13 раза. Рост энергии
генерации происходит примерно во столько же раз: 0,44/0,39 = 1,13. Однако,
такие простые рассуждения не всегда приводят к верным результатам. Так, при
переходе от С2 = 79 нФ к С2 = 160 нФ энергия генерации растет от 0,26 Дж до
0,44 Дж. Из осциллограмм напряжения определяем, что энергия, запасенная в
обострителе, наоборот, падает, примерно в 1,25 раза. Рост энергии генерации
в этом случае обусловлен не увеличением энергии, запасенной в обострителе.
Он вызван тем, что уменьшается волновое сопротивление контура разрядки
обострителя на межэлектродный промежуток [pic] вследствие увеличения С2. А
значит, улучшается согласование волнового сопротивления с сопротивлением
межэлектродной плазмы. Об этом свидетельствуют осциллограммы токов. При С2
= 160 нФ колебания тока быстро затухают и основной вклад дает первый
импульс тока. При С2 = 79 нФ затухание импульсов тока меньше и энерговклад
дают и последующие импульсы тока, а это происходит уже после окончания
генерации.
На рис.18 представлены типичные осциллограммы импульсов напряжения на
обострительной емкости С2 , импульсов тока через обострительную емкость С2
и импульсов генерации, полученных при использовании буферного газа неона,
при общем давлении 3,8 атм. Как видно из рис.18, максимальная длительность
импульса генерации по полувысоте составила 90 нс и была достигнута при С11
= С12 = 300 нФ и С2 = 160 нФ. При С2 = 79 нФ, 106, нФ, 133 нФ длительность
импульса генерации по полувысоте не меняется и составляет примерно 50 нс.
Интересно отметить, что форма и длительность импульса генерации
определяется в основном только величиной обострительной емкости С2 и не
зависит от величины С11 = С12. Из осциллограмм на рис.4 хорошо видно, что
при увеличении емкости обострителя с С2 = 79 нФ до С2 = 160 нФ изменяется
положение импульса генерации относительно первого импульса тока. При С2 =
79 нФ начало импульса генерации попадает на максимум первого импульса тока.
При С2 = 160 нФ начало и конец импульса генерации совпадают с началом и
концом первого импульса тока Это связано, по-видимому, с тем, что при С2 =
160 нФ в разрядном межэлектродном промежутке существуют благоприятные
условия для образования ХеС1*-молекул по гарпунному механизму сразу с
началом импульса тока. При меньших значениях С2 образование эксимерных
молекул по гарпунному каналу не происходит, а полностью доминирует канал
ион-ионной рекомбинации, что приводит к запаздыванию начала импульса
генерации относительно начала импульса тока.
Следует отметить, что при изменении обострительной емкости С2 от 133
нФ до 160 нФ (С11 = С12 = 300 нФ, 200 нФ) энергия генерации меняется
незначительно (в пределах 20%), а длительность импульса генерации по
полувысоте сокращается почти в 2 раза. Полученный результат можно
использовать для получения лазерных импульсов различной пиковой мощности,
но приблизительно равной энергии генерации.
При всех значениях величин обострительных емкостей полезный
энерговклад в разряд осуществляется только обострительной емкостью На этот
факт указывает как вид осциллограмм тока и напряжения, так и зависимость
энергии генерации от напряжения. Например, при С2 = 79 нФ (С11 = С12 = 300
нФ) зависимость энергии генерации от напряжения имеет следующий вид. При U0
( 22 кВ возникает генерация. При увеличении зарядного напряжения U0 с 24 кВ
до 30 кВ величина энергии генерации меняется незначительно с 0,75 до 0,86
Дж (при использовании в качестве буферного газа неона). Энергия запасаемая
в накопительной емкости возрастает при этом в 1,6 раза. Незначительное
возрастание энергии генерации обусловлено тем, что обострительная емкость
С2 заряжается только до напряжения пробоя разрядного промежутка Uр и
энергия, запасаемая в обострителе, равная 0.5С2Uр2, слабо зависит от
зарядного напряжения U0 . Такая зависимость Uр от напряжения обусловлена
сокращением времени запаздывания пробоя при увеличении зарядного
напряжения, что уменьшает рост Uр при увеличении U0.
Была проведена также оптимизация состава лазерной смеси. Результаты
оптимизации представлены на рис.19 и 20. Установлено, что наиболее
оптимальной является смесь, содержащая 1 тор НС1 и 6 тор Хе, как в случае
гелия, так и в случае неона. Максимальная величина энергии генерации при
использовании в качестве буферного газа неона равна 1,5 Дж и достигается
при общем давлении смеси Р(3,8 атм.
Максимальная энергия генерации при использовании гелия составляет
0,44 Дж при общем давлении смеси 2,6 атм. При увеличении зарядного
напряжения наблюдается возрастание общего оптимального давления смеси и
соответствующего ему максимума энергии генерации. Так в условиях
соответствующих рис.6, но при зарядном напряжении U0 = 35 кВ и при
использовании в качестве буферного газа неона, при общем давлении смеси Р =
4,8 атм энергия генерации достигает уже значения 3 Дж. Такое увеличение
энергии генерации обусловлено, во-первых, ростом пробойного напряжения
разрядного промежутка, а следовательно увеличением энергии передаваемой в
обостритель. Во-вторых, происходит улучшение согласования волнового
сопротивления контура разряда обострителя на межэлектродный промежуток с
сопротивлением плазмы.
Полученные в результате экспериментальных исследований данные
позволяют разрабатывать электроразрядные эксимерные лазеры с энергией
генерации ? 3 Дж [45-47]. Дальнейшее повышение энергии генерации можно
достичь увеличением зарядного напряжения U0 до 40-50 кВ (42,5 кВ напряжение
самопробоя разрядников РУ-65 используемых в лазере в качестве
коммутаторов), варьированием общего давления лазерной смеси и параметров
системы возбуждения. Используемая в нашей схеме конструкция обострителя не
позволяет работать при импульсах напряжения на ней свыше 60 кВ. Значит,
необходим переход на новую конструкцию обострителя с новой элементной
базой.
К существенному росту энергии генерации может привести также и
дальнейшая оптимизация работы системы предыонизации. Поэтому проведение
расчетов по оптимизации системы возбуждения лазера является целесообразным
и может привести к росту величины энергии генерации до 5 Дж.
1.3.3. Расчёт параметров системы возбуждения широкоапертурного
XeCl-лазера на основе LC-контура
Эквивалентная схема LC-контура, используемого для возбуждения ХеС1-
лазера, представлена на рис 21. Здесь С1 ударная емкость накопителя, а С2 –
емкость обострителя. Величины емкостей С1 и С2 определяются путем
стандартных измерений в мостовых схемах. Однако, следует отметить, что эти
данные являются точными при низких напряжениях, а при высоких их
достоверность нуждается в проверке. Исследования показали, что конденсаторы
типа К15-10, используемые в обострителе, имеют постоянную величину емкости
примерно до 20 кВ. В пределах 20-27 кВ их емкость уменьшается на 10%. При
напряжении свыше 27 кВ конденсаторы этого типа становятся существенно
нелинейными, что приводит к снижению энергии запасаемой в обострительной
емкости и соответственно уменьшает энерговклад в разряд.
Далее при помощи делителя напряжения и пояса Роговского регистрируют
импульсы напряжения и тока на емкости С2, при отсутствии разряда в лазерной
камере, то есть в режиме холостого хода. Для обеспечения режима холостого
хода лазерная камера наполнялась азотом при давлении несколько атмосфер. Из
полученных осциллограмм определяют величины индуктивности L1 и
сопротивления R1 контура перезарядки накопительной емкости на
обострительную.
По осциллограммам тока через разрядный промежуток I2 и напряжения U2
на обострительной емкости, величины L2 и R2 измеряют по следующей методике.
По осциллограммам напряжения на обострительной емкости определяется период
колебаний и величину затухания. Далее разрядному контуру сопоставляется
C2L2R2
| |  скачать работу |
Исследование электроразрядных эксимерных лазеров |
