Приветствую Вас Гость | Вход
Меню сайта
Главная
Азотный ТЕ лазер
Азотный ТЕА лазер
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн в рулоне
Блок питания
Искровой разрядник
Разрядный резистор
Измерение напряжения
Высоковольтный конденсатор
Лампа-вспышка
Вакуумные насосы
Самодельное зеркало
Научные публикации
Литература
Обратная связь
Видеоролики
Лазер на воздухе 1
Лазер на воздухе 2
Лазер на воздухе 3
Лазер на воздухе 4
ТЕА лазер на воздухе
ТЕА лазер на воздухе. Блюмляйн
Насос " ДРОЧУН "
Насос из шприца
Мембранный насос
Насос " Z 1,2 BW "
Насос фирмы " ТАКО "
Вход на сайт
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Самодельный лазер

Ю.А. Колесников, А.А. Котов

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ   СО2- ЛАЗЕРА   СВЕРХАТМОСФЕРНОГО  ДАВЛЕНИЯ  С   УФ   ПРЕДЫОНИЗАЦИЕЙ  КАНАЛЬНЫМИ  ПОВЕРХНОСТНЫМИ   РАЗРЯДАМИ

 

 

Сообщается об источнике УФ излучения — канальном поверхностном разряде, который способен создавать в СО2-лазерных смесях в импульсно-периодическом режиме фотоионизацию, достаточную для развития объемного разряда при давлениях ~ 5 атм, необходимых для плавной перестройки частоты излучения. Продемонстрирована работоспособность источника в лазере при давлении до 3 атм, при этом энерговклад достигал 500 Дж/л, энергосъем ~ 30 Дж/л, а энергия генерации — 2, 3 Дж.

 

 

Потребность в лазерах сверхатмосферного давления и целесообразность их создания в электроразрядном варианте обсуждаются достаточно широко и подробно [1—3].
Наши исследования направлены на создание плавно перестраиваемого импульсно-периодического (ИП) СО2- лазера с УФ предыонизацией. Для этого необходим источник УФ излучения, способный создавать фотоэлектроны с концентрацией, превышающей 106 см-3 [4] в смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 2 : 4 при давлениях ~ 5 атм [5], и работающий в ИП режиме.
Применяемые искровые источники и различные модификации поверхностных разрядов [6—8] либо не создают необходимой концентрации фотоэлектронов, либо не работают в ИП режиме при указанных давлениях.
В настоящей работе сообщается об источнике УФ излучения, удовлетворяющем указанным требованиям и способном работать в лазере при давлениях до 3 атм (предельное давление для используемой камеры).
Фотоионизация рабочих смесей СО2- лазеров высокого давления затруднена из-за сильного поглощения ионизирующего излучения углекислым газом. Для эффективной фотоионизации разрядного промежутка нужно, чтобы как можно большая доля спектра излучения подсветки лежала в «окне прозрачности» СО2, т. е. в области 117,5—122,5 нм [9]. Для этого необходимо, как показывают оценки, чтобы температура источника (если он излучает как абсолютно черное тело) достигала 30— 40 кК.
В качестве источника УФ излучения нами использованы два одноканальных предыонизатора КП-1, изготовленных на базе кварцевой трубки лампы ИФП-20000 (рис. 1).

 

 

 

Схема лазера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и предыонизатор КП-1 (б)

 

 

 

На внешней поверхности трубки сделан продольный паз (~ 1 х 1 мм) длиной 30 см, на концах которого размещены электроды. Обратный токопровод (медная лен­та) находится под пазом на внутренней поверхности трубки. Стенки паза несколько сдерживают расширение канала разряда и охлаждают его периферию. По этим причинам температура в приосевой области канального разряда выше, чем в свободной искре при том же токе (парадокс Штеенбека [10]).
Рабочий ресурс предыонизатора на кварцевой подложке оказался много больше (более 105 срабатываний при атмосферном давлении), чем у образцов из различных керамик, стеклотекстолита, эмалей, фарфора и других исследованных нами материалов. Причина — прежде всего слабое поглощение кварцем основной доли излучения разряда и его высокая эрозионная стойкость. Эксперименты показали работоспособность предыонизатора в ИП режиме с частотой до 15 Гц при давлении до 3 атм и до 3 кГц при давлении 100 мм рт. ст.
В качестве источников питания КП-1 использовались батареи из шести конденсаторов К15-10 (10 нФ), собранных по схеме удвоения с зарядным напряжением до 35 кВ. Схема коммутировалась тиратроном, в цепь которого включались согласующие индуктивности L (одновременно выполняющие функции развязки). Индуктивности выбирались так, чтобы за время распространения скользящего разряда (незавершенная стадия поверхностного разряда) напряжение на канале достигало двух зарядных.
Развитие канального поверхностного разряда и его характеристики подробно исследованы в [11]. Амплитуда тока (в А) хорошо описывается выражением /m = E0/ 2lk, где Е0 — энергия, запасенная в конденсаторной батарее (в Дж), l = 30 см — длина канала, k ≈ 2*10-4 Кл*Ом/см — постоянная Тендера [12]. В рабочих режимах при E0 ≈ 30 Дж и размере канала 1 мм /m ≈ 2,5 кА и плотность тока im ≈ 3 кА/мм2.
Опенки, подтверждаемые данными эксперимента [11], показывают, что при таких плотностях тока плазма разряда излучает как абсолютно черное тело с температурой (в эВ) Tm = 2,6S1/11/m4/11, где S — сечение канала в мм2, im — плотность тока в кА/мм2. В рассматриваемом случае T~ 4 эВ, и заметная доля излучения (несколько процентов) приходится на окно прозрачности углекислого газа.
Измерения уровня предыонизации показали, что концентрация фотоэлектронов определяется энергией, вложенной в канальный разряд при плотностях тока, обеспечивающих температуру 3—4 эВ, парциальным давлением СО2 в смеси и не зависит от материала диэлектрической подложки.
В рабочих режимах концентрация фотоэлектронов, создаваемая источником КП-1 на расстоянии ~ 7 см, составляла в N2, Не и их смесях при р = 1—3 атм ~ 1011 см-3, в смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8 при р = 1 атм ~ 2*109 см-3 и в той же смеси при р = 3 атм ~ 2*108 см-3.
Расчеты показывают, что в смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 2 : 4 при давлении 5 атм концентрация фотоэлектронов на расстоянии ~ 4 см от КП-1 будет не меньше 108 см-3.
На рис. 1, а показано размещение двух КП-1 относительно электродов в камере лазера и приведена электрическая схема питания СО2- лазера. Электроды с рабочей длиной 27 см и шириной плоской части 2 см (радиус скругления 2 см) располагались на расстоянии 1,5 см друг от друга (рабочий объем ~ 80 см3). Расстояние между предыонизаторами 16 см. Эксперименты проводились в смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8 при давлении 1,5—3 атм. Питание объемного разряда осуществлялось от батареи конденсаторов емкостью С = 50 нФ с зарядным напряжением до 40 кВ. Параллельно электродам подключалась обостряющая емкость Соб ≈ 5 нФ.
Измерения токов и напряжений проводились низкоомными шунтами (rm) и омическими делителями (rд, Rд). Для устойчивого развития объемного разряда при давлениях до 2 атм напряжение на электроды подавалось либо непосредственно после импульса предыонизации, либо с задержкой до 3 мкс без заметных изменений вольт-амперных характеристик объемного разряда и энергии генерации. При дальнейшем повышении давления до 3 атм длительность задержек не должна была превышать 1 мкс.
Характерные осциллограммы тока объемного разряда и напряжения на нем представлены на рис. 2.

 

 

 

Осциллограммы тока и напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Осциллограммы тока (нижние кривые) и напряжения (верхние) объемного разряда для смеси СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8 при р = 3 (а) и 1,5 атм (б)

 

 

Амплитуда напряжения холостого хода на обострителе (на электродах) превышает зарядное напряжение в 1,8 раза. Реально напряжение растет по крайней мере до пробоя разрядного промежутка, т. е. до такого значения E/p, при котором коэффициенты размножения и диссоциативного прилипания электронов сравниваются между собой. Согласно [13] это происходит при Е/р ≈ 7 кВ/см*атм для смеси СО2 : N2 : Не = 1:1:8. В экспериментах  Е/р ≈ 9 кВ/см*атм, что не слишком сильно превышает расчетное значение.
Разряд коммутировался тиратроном ТГИ 1-2500/50, надежно работавшим при частоте 15 Гц (частота ограничивалась выпрямителем). В тиратронах по схеме двухступенчатого ГИНа в перспективе можно коммутировать разряды при давлении ~ 8 атм и межэлектродном зазоре ~ 1 см с частотой в сотни герц.
Одной из основных характеристик разряда является максимальная энергия, которую можно в него вложить при данном давлении среды. Максимальной (или предельной) энергией обычно принято считать такое ее значение, при превышении которого объемный разряд переходит в дугу. С точки зрения использования объемного разряда для накачки лазерной среды целесообразнее считать предельной ту энергию, начиная с которой прекращается рост энергии генерации. В наших, экспериментах при давлении 3 атм максимальная генерация Ег = 2,З Дж наблюдалась при энерговкладе Ен ≈ 40 Дж. При увеличении энерговклада до Ен = 46 Дж уровень генерации снижался до 2,1 Дж и при Ен = 50 Дж объемный разряд переходил в дугу. Как правило, предвестником дугообразования является прекращение роста энергии генерации с увеличением энерговклада. Вероятно, это связано с нарушением однородности разряда. Зависимость максимального энерговклада от давления представлена на рис. 3, а.

 

 

Параметры лазера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимости энергии и плотности энергии (1), удельной энергии (2) накачки (а) и генерации (б) от давления смеси

Максимальный энерговклад в объемный разряд был достигнут при давлении 3 атм и составил ~ 40 Дж (~ 500 Дж/л, или ~ 167 Дж/л*атм). Максимальный удельный энерговклад ~ 250 Дж/л*атм получен при минимальном в данных экспериментах давлении 1,5 атм.
Оптический резонатор длиной 2 м состоял из глухого металлического вогнутого зеркала с R = 10 м, вмонтированного в заднюю стенку рабочей камеры, и плоскопараллельной германиевой пластины. Выходное окно камеры, изготовленное из NaCl толщиной 20 мм, располагалось под углом Брюстера к оптической оси.
На рис. 3, б представлены графики зависимости энергии генерации, энергосъема с единицы объема и удельного энергосъема от давления рабочей смеси при соответствующих удельных энерговкладах. Максимальная энергия генерации 2,3 Дж и максимальный энергосъем с единицы объема ~ 30 Дж/л получены при давлении 3 атм, максимальный удельный энергосъем ~ 12 Дж/л*атм зафиксирован при минимальном в наших опытах давлении 5 атм.
Таким образом, канальный поверхностный разряд может быть использован в качестве УФ предыонизатора в лазерах высокого давления, работающих в импульсном и ИП режимах.

 

 

 

 

1. A.J . Alkock, R. Fedosejevs, А.С. Walker. IEEE J. QE-11, 767 (1975).

2. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Е.В. Ратников, Ю.Л. Сатов, В.В.Судаков. Квантовая электроника, 3, 651 (1976).

3. С.В. Ефимовский, А.К. Жигалкин. Квантовая электроника, 9, 158  (1982).

4. Т. Okada, К. Muraoka, М. Akazaki. Jpn. J. Appl. Phys., 19, 1889  (1980).

5. R.L. Abrams. Appl. Phys. Letts, 25, 609 (1974).

6. H.J.J. Seguin, J. Tulip, D. McKen. Appl. Phys. Letts, 23, 527 (1973). 7. Д.Ю. Зарослов, Г.П. Кузьмин, В.Ф. Тарасенко. Радиотехника и электроника, 29, 1217 (1984).

8. Ю.И. Бычков, Д.Ю. Зарослов, Н.В. Карлов и др. ЖТФ, 53, 1489  (1983).

9. R.V. Babcock, I. Liberman, W.D. Partlow. IEEE J. QE-12, 29 (1976).

10. В.Л. Грановский, А.К. Мусин. — В кн.: Электрический ток в газе.  — М.: Наука, , 1971, с. 189.

11. Ю.А. Колесников, А.А. Котов. ЖТФ, 55, 1512 (1985).

12. К. Фольрат. Физика быстропротекающих плазменных процессов.  Т. 1. — М.: Мир, 1971, с. 108.

13. J.J . Lowke, А.V. Phelps, В.W. Irwin. J. Appl. Phys., 44, 4664 (1973)

Конструктор сайтов - uCoz