В.В. Аполлонов, Н. Ахунов, В.Р. Миненков, С.С. Пельцман,

А.М. Прохоров, Б.В. Семкин, К.Н. Фирсов, Б.Г. Шубин

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   СО₂- ЛАЗЕР   С   БОЛЬШОЙ   АПЕРТУРОЙ   ИЗЛУЧЕНИЯ

Вследствие применения интенсивной двухсторонней УФ подсветки и легкоионизуемых органических веществ реализован устойчивый самостоятельный разряд в объеме 18 л при межэлектродном расстоянии 20 см, максимальном напряжении 240 кВ и содержании молекулярных газов до 40 %. Достигнут удельный съем энергии лазерного излучения 34 Дж/л при полном КПД установки 17 %.

Введение

Возможность получения объемного самостоятельного разряда (ОСР), инициируемого УФ излучением, в смесях СО₂—N₂—Не атмосферного давления при межэлектродном расстоянии d до 30 см была показана достаточно давно [1, 2]. Однако до настоящего времени известно лишь несколько сообщений [3—5] о создании электроразрядных систем с большой апертурой (d = 15 [3, 4] и 20 см [5]), причем удельные вклады и съемы энергии в них существенно уступают соответствующим характеристикам малогабаритных приборов. Снижение удельных характеристик электроразрядных СО₂- лазеров при увеличении d и общего объема обусловлено, главным образом, ограничением устойчивости ОСР по длительности энерговклада и высокими значениями минимальной напряженности электрического поля зажигания ОСР E_min (здесь и ниже речь идет о СО₂- лазерах с атмосферным давлением рабочей смеси), что в совокупности с трудностью создания достаточной концентрации фотоэлектронов (n₀) при высоком содержании в смеси молекулярных газов определяет для больших d применение малоэффективных смесей [6] с содержанием Не 90—70 %, а также чисто техническими трудностями.
В [7] нами показана возможность реализации ОСР при d = 25 см, удельном энерговкладе до 300 Дж/л и длительности импульса накачки ~2 мкс за счет добавления в рабочий газ легкоионизуемых веществ (ЛВ) и применения эффективной системы УФ подсветки, причем использованные в [7] электроды не имели специального профиля, а значение E_min для смесей с содержанием молекулярных газов 40 % не превышало 10 кВ/см. В настоящей работе исследуются характеристики электроразрядного СО₂- лазера с активным объемом 20 x 20 x 45 см³. Цель работы — показать, что оптимизация условий предыонизации и накачки позволяет реализовать при больших d удельные энергосъемы и КПД, не уступающие соответствующим характеристикам малогабаритных приборов.

Общие положения

Известно, что для реализации ОСР значение n₀ должно быть не ниже некоторого критического значения во всем активном объеме [8—10]. При односторонней подсветке со стороны катода это требование эквивалентно требованию обеспечить необходимые условия по n₀ у поверхности анода (см., например, [4]), что в системах с большими d приводит к необоснованному увеличению энергии источника предыонизации и снижению общего КПД установок. Так, в [4] затраты энергии на предыонизацию достигали 45 % энергии, рассеиваемой в основном разряде. Очевидно, что при больших d, несмотря на некоторые технические трудности, оправдано применение двусторонней подсветки [23]. Для уменьшения потерь УФ излучения целесообразно также располагать источник подсветки как можно ближе к поверхности электрода, причем одновременно с этим необходимо обеспечить высокую равномерность распределения интенсивности свечения по поверхности предыонизатора. Из известных в настоящее время источников указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют источники излучения на основе многоканального скользящего разряда в системе электродов с высокой нормальной составляющей электрического поля [7, 11, 12]. Источники УФ излучения на основе скользящего разряда, применявшиеся в [1, 2, 4], не позволяют получить необходимую равномерность засветки. Кроме того, их приближение к электроду затруднительно из-за опасности электрического пробоя.
Остановимся коротко на особенностях применения ЛВ в системах с большой апертурой. Как правило, при односторонней подсветке со стороны катода концентрация добавки подбирается так, чтобы максимально увеличить n₀ вблизи поверхности противоположного электрода. Обычно при d > 10 см она не превышает 0,1 мм рт. ст. Например, для d = 15 см концентрация ЛВ, оптимизированная по указанному принципу, составляет ~ 0,04 мм рт. ст. [3, 4]. При этом используется лишь один механизм ионизации ЛВ — фотоионизация. При двусторонней подсветке целесообразно подбирать концентрацию ЛВ так, чтобы максимально увеличить n₀ в обеих приэлектродных зонах (при условии, что в остальном объеме значение n₀ не будет ниже критического), т. е. проводить оптимизацию ее величины для расстояния, соответствующего расстоянию от поверхности предыонизатора до поверхности ближайшего электрода. Для расстояния от источника УФ излучения до поверхности электрода ~ 1 см оптимальная концентрация ЛВ, например три-н-пропиламина, достигает 1—1,5 мм рт. ст. [13]. При таких высоких концентрациях добавки (для ЛВ с потенциалом ионизации φ ≤ 7,6 эВ  эффективно используются одновременно два ионизационных процесса: фотоионизация и пеннинговская ионизация ЛВ [14, 15]. В результате действия последнего механизма удается существенно снизить не только напряженность электрического поля в квазистационарной фазе ОСР (E_кс) [14—16], но и E_min [15—17], что особенно важно для систем с большими апертурами. Следует заметить, что в [7] и в случае односторонней подсветки (со стороны катода) при d = 25 см лучшие результаты по устойчивости ОСР были получены с концентрацией ЛВ 1—1,5 мм рт. ст.
Это согласуется с выводом [8] о необходимости оптимизации условий предыонизации в первую очередь в прикатодной области.

Экспериментальная часть

В настоящей работе применялись электроды прямоугольной формы с полными габаритами 46 x 70 x 6 см, закругленные по периметру (радиус 10 см) так, что размеры плоской части составляли 30 x 53 см. Для размещения источников предыонизации в электродах были выфрезерованы окна размерами 27 x 53 см. Электроды обтягивались сеткой из латунной проволоки Ø 0,5 мм с ячейкой 3 x 3 мм и размещались в диэлектрической трубе внутренним диаметром 60 и длиной 100 см. В экспериментах межэлектродное расстояние варьировалось в пределах 10—20 см, при этом размеры окна подсветки для d = 10 и 15 см составляли 15 x 50 см, а для d = 20 см — 20 х 45 и 15 x 45 см. Коэффициент неоднородности электрического поля, приближенно оцененный по соотношению напряжений в квазистационарной фазе разряда и статического пробоя, для d = 10, 15 и 20 см составлял 1,2; 1,45 и 1,6 соответственно. При d > 15 см с целью увеличения времени задержки пробоя в области неоднородного электрического поля электроды вне зоны подсветки покрывались нитролаком. На поверхность катода при этом накладывался полиэтиленовый лист толщиной 3 мм, в котором было вырезано окно размерами 27 x 50 см.
В качестве источника УФ излучения использовался скользящий разряд по поверхности керамики с высокой диэлектрической проницаемостью ε, впервые предложенный для этих целей в [18].
Электрическая схема предыонизатора, применявшегося для подсветки со стороны катода (1), показана на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема катодного предыонизатора

Под сеткой 2 располагался плоский электрод 5, на поверхность которого были наклеены 8 пластин размерами 13 x 13 x 1 см из керамики с ε = 1100. Тело предыонизатора 4 по краям было залито эпоксидной смолой 6 для исключения пробоя с высоковольтного электрода 5 на заземленные электроды 3. Высоковольтный импульс на предыонизатор подавался при срабатывании разрядника F от конденсатора С = 0,1 мкФ, заряжаемого до напряжения 40 кВ. При этом на поверхности керамики развивались скользящие разряды 7 длиной ~ 2 см с числом каналов 5—7 на 1 см ширины разрядного промежутка. Заполнение поверхности предыонизатора скользящим разрядом составляло 75—80 % его общей площади при удельном вкладе энергии в разряд не выше 0,07 Дж/см². Примененная схема позволяла приближать поверхность предыонизатора к сетке на расстояние до 1 мм, однако для улучшения равномерности засветки это расстояние было увеличено до 1 см.
Для подсветки со стороны анода использовался предыонизатор на основе скользящего разряда по поверхности керамики с ε = 900, создаваемого по обычной схеме [11]. Полные габариты предыонизатора составляли 42,8 х 10,7 x 0,7 см. Многоканальный скользящий разряд развивался в восьми параллельных разрядных промежутках длиной 3,5 см. Высоковольтный импульс на предыонизатор подавался от конденсатора емкостью 0,1 мкФ, заряженного до напряжения 40 кВ. При этом число каналов на 1 см ширины разряда составляло 2—3 при удельном вкладе энергии в разряд не выше 0,17 Дж/см². Предыонизатор располагался на расстоянии 5 см от поверхности анода. Оба предыонизатора питались от одного источника высокого напряжения и запускались синхронно с точностью ± 20 нс.
Для увеличения эффективности предыонизации и снижения E_min и Е_кс в рабочий газ добавлялись ЛВ — триэтиламин и трипропиламин, а также их смеси. Измерения концентрации фотоэлектронов, выполненные с помощью электростатического зонда, показали, что в смесях с содержанием СО₂ ≤ 10 % при давлении паров ЛВ ~ 1 мм рт. ст. n₀ у поверхности катода достигает ~ 10¹² см^-3.
Во всех режимах работы установки затраты энергии на предыонизацию не превышали 5 % от энергии, рассеиваемой в основном разряде. Накачка этого разряда осуществлялась генератором Аркадьева — Маркса (ГИН), собранным на конденсаторах ИК-100-0,25. Для d = 10, 15 и 20 см ГИН состоял из двух, трех и четырех ступеней соответственно с емкостью каждой ступени 0,5 мкФ.
Вольт-амперные характеристики ОСР и разряда предыонизации контролировались резистивным делителем и коаксиальными шунтами [19]. Сигналы записывались запоминающим осциллографом С8-2.
Резонатор лазера длиной 1 м был образован сферическим зеркалом 1 (рис. 2) Ø 230 мм с радиусом кривизны R = 24 м и плоским Ge зеркалом 2 Ø 150 мм с диэлектрическим покрытием (коэффициент отражения ~ 80 %). Зеркала устанавливались непосредственно на торцах разрядной камеры.

Рис. 2. Электрическая и оптическая схемы установки

Энергия лазерного излучения измерялась калориметром 5 типа ТПИ-2-5. Для этого пучок после ослабления набором калиброванных фильтров 3 фокусировался медным зеркалом 4 (R = 10 м) на поверхность калориметра в пятно Ø 45 мм. Форма импульса излучения регистрировалась фотоприемником 7 типа ФП-5 после отражения от пластины 6 из NaCl.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Применение описанных схем предыонизации и накачки позволило получить ОСР в широком диапазоне составов смесей с содержанием молекулярных газов до 40 % при энерговкладах до 250 Дж/л. Максимальное значение энерговклада ограничивалось энергозапасом ГИН.
Было установлено, что использование двусторонней подсветки позволяет улучшить качество ОСР и увеличить срок службы рабочего газа. При односторонней подсветке (со стороны катода) и энерговкладах свыше 200 Дж/л в смесях с содержанием молекулярных газов более 25 % уже при d = 15 см в прианодной области появлялись незавершенные стримеры. При односторонней подсветке со стороны анода при d = 10 см аналогичная картина наблюдалась в прикатодной области, т. е. неустойчивость формируется на электроде, удаленном от источника подсветки. В дальнейших экспериментах при d >10 см использовалась двусторонняя подсветка. Было установлено, что анодный предыонизатор играет вспомогательную роль. Его удаление от поверхности электрода на расстояние до 7 см практически не влияло на структурное качество ОСР и качество выходного излучения лазера. В конечном варианте схемы анодный предыонизатор располагался на расстоянии 5 см от поверхности электрода, что позволило обеспечить достаточную интенсивность и равномерность подсветки и в то же время исключить влияние подсветки со стороны анода на площадь, занимаемую ОСР на катоде.
При d = 10 и 15 см из-за большой концентрации фотоэлектронов у поверхности катода разряд, несмотря на высокую краевую неоднородность электрического поля в системе используемых в настоящей работе электродов, развивался лишь в области, ограниченной размерами зоны подсветки, и был устойчив при содержании молекулярных газов в смеси до 40 % и удельном вкладе энергии в плазму ОСР до 250 Дж/л. При d = 20 см через 1—1,2 мкс после начала диффузной стадии ОСР всегда развивался искровой пробой в зоне максимальной неоднородности электрического поля. Лишь специальные меры, о которых говорилось выше, принятые для увеличения времени задержки этого пробоя, позволили получить устойчивый разряд с характеристиками, не отличающимися от характеристик ОСР при d = 15 см. Максимальные удельные энерговклады в смеси с содержанием молекулярных газов до 40 % составляли 200 Дж/л при размерах зоны подсветки на катоде 20 x 45 см и ~ 260 Дж/л при уменьшении ширины зоны подсветки до 15 см. В смесях с содержанием молекулярных газов 20—25 % удавалось осуществить до 40 устойчивых разрядов при одном напуске рабочего газа без значительного снижения выходной энергии. В смесях с содержанием молекулярных газов более 25 % количество устойчивых ОСР уменьшалось примерно до 20.
На рис. 3 показаны характерные осциллограммы импульсов напряжения и тока ОСР, тока предыонизатора и импульса лазерного излучения в смеси СО₂ : N₂ : Не = 8 : 16 : 76 при d = 20 см и выходном напряжении ГИН 240 кВ.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов напряжения U (а) и тока I (б) ОСР, тока предыонизатора /_п (в) и импульса излучения лазера Р (г)

Как видно из рис. 3, практически вся энергия, запасенная в конденсаторах ГИН, перекачивается в плазму ОСР. Необходимо отметить, что во всех исследованных режимах, где был получен устойчивый разряд, благодаря присутствию в смеси ЛB, в плазму ОСР вводилось не менее 90 % энергии, запасенной в конденсаторах. На рис. 3 показано оптимальное расположение во времени импульсов тока предыонизатора и напряжения накачки.
Изменение задержки между ними на ± 0,5 мкс не было критичным для устойчивости ОСР. Из этого рисунка также видно, что импульс излучения имеет обычную для СО₂- лазеров форму.
Результаты измерений энергии лазерного излучения для ряда смесей при 15 и 20 см представлены в таблице (при d = 10 см оптические измерения не проводились). Там же приводятся для сравнения значения Е_кс. Значения E_min в настоящей работе не измерялись, так как при низких напряжениях зарядки ГИН развивался искровой пробой вне зоны подсветки из-за остаточного напряжения на электродах.

Из таблицы видно, что, как и обычно [16], КПД и выходная энергия увеличиваются с увеличением доли молекулярных газов в смеси. При одинаковых энерговкладах значения максимальных удельных энергосъемов и КПД практически не отличаются для d = 15 и 20 см. Максимальное значение удельного энергосъема для d = 20 см составило 41 Дж/л при КПД = 15,4 % (объем 20 x 15 x 45 см). При размерах разрядного объема 20 x 20 x 45 см удельный энергосъем составил 34 Дж/л, а КПД — 17 %. При этом через апертуру зеркала Ø 15 см выводилась энергия излучения 270 Дж. Для оценки полной энергии, которая может быть снята с разрядного объема, проводились измерения распределения энергии излучения по сечению разряда при параллельном перемещении резонатора, образованного зеркалами Ø 30 мм. Эти измерения показали, что излучение распределено равномерно с точностью 10 % по сечению 20 x 20 см, т. е. при энерговкладе 200 Дж/л с разрядного объема 20 x 20 x 45 см может быть получена энергия ~ 600 Дж. Приведенные в настоящей работе результаты свидетельствуют о том, что данное значение не является предельным.
Необходимо отметить, что созданная установка по удельным характеристикам, полной энергии излучения и КПД превосходит известные в настоящее время электроразрядные системы с апертурами более 10 см [4, 5], а по удельным характеристикам незначительно уступает системам с апертурами меньше 10 см [14,20—22], превосходя многие из них по КПД.

1. М.S. Richardson, К. Leopold, A.J. Alcock. IEEE J. QE-9, 934 (1973). 2. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.А. Сатов, Ю.Ю. Степанов. Квантовая электроника, 2, 2086 (1975).

3. J. Domey. Rev. Sci. Instrum., 46, 811 (1975).

4. Y. Ohwadano, J. Sekiguchi. Jpn. J. Appl. Phys., 19, 1493 (1980).

5. Проспект фирмы «Люмоникс», 1980.

6. J.J. Lowkeetal. J. Appl. Phys., 44, 4664 (1973).

7. В.В. Аполлонов, H. Ахунов, В.P. Миненков, С.С. Пельцман, А.М. Прохоров, Б.В. Семкин, К.Н. Фирсов, Б.Г. Шубин. Квантовая электроника, 10, 1458 (1983).

8. В.Н. Карнюшин, Р.И. Солоухин. Макроскопические и  молекулярные процессы в газовых лазерах. — М.: Атомиздат, 1981.

9. A.J. Palmer, Appl. Phys. Letts, 25, 1938 (1974).

10. T.J. Levatter, Chao Chi Lin. J. Appl. Phys., 51, 210 (1980).

11. Ю.И. Бычков, Д.Ю. Зарослов, Н.В. Карлов, Г.П. Кузьмин. Квантовая электроника, 9, 1718 (1982).

12. Е.П. Бельков, П.Н. Дащук, Г.Л. Спичкин. ЖТФ, 52, 1979 (1982). 13. Z. Rozkwitalski, М. Grodel. J. Appl. Phys., 51, 2267 (1980).

14. B.J. Reits, A.H. Olbertz. Appl. Phys. Letts, 27, 24 (1975).

15. В.В. Аполлонов, А.И. Барчуков, С.И. Державин, И.Г. Кононов,  А.М. Про­хоров, К.Н. Фирсов, Ю.А. Шакир, В.А. Ямщиков. Письма  в ЖТФ, 3, 1073 (1977).

16. В.В. Аполлонов, Ф.В. Бункин, С.И. Державин, И.Г. Кононов, К.Н. Фирсов, Ю.А. Шакир, В.А. Ямщиков. Квантовая электроника, 6, 1176 (1979).

17. А.А. Кучинский, В.А. Родинкин. ЖТФ, 53, 563 (1983).

18 И.К. Красюк, Н.И. Липатов, П.П. Пашинин. Квантовая  электроника, 3. 2384 (1976).

19. Е.И. Азаркевич, Ю.А. Котов. ПТЭ, № 6,11 9 (1976).

20. Д.А. Горячкин, В.М. Иртуганов, В.П. Калинин, Ю.Т. Мазуренко, Ю.А. Рубинов. Изв. АН СССР. Сер. Физическая, 46, 1877 (1982).

21. Ю.А. Ананьев, Д.А. Горячкин, В.М. Иртуганов, В.П. Калинин, О.И.      Пашков, В.А. Соловьев. Квантовая электроника, 5, 1381 (1978). 22. В.Ф. Басманов, В.С. Босамыкин, В.В. Горохов, В.И. Карелин,  А.И. Павловский, П.Б. Репин, А.Я. Харченко. ЖТФ, 52, 128  (1982).

23. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, А.М. Давидовский, О.Б.  Христофоров. Квантовая электроника, 8, 77 (1981).