В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.А. Сатов, Ю.Ю. Степанов

ПОЛУЧЕНИЕ   ОДНОРОДНОГО   РАЗРЯДА   ДЛЯ   ИМПУЛЬСНОГО   СО₂- ЛАЗЕРА   БОЛЬШОГО  ОБЪЕМА

Получение больших энергий, требуемых в экспериментах по нагреву плазмы до термоядерных температур лазерным излучением с λ = 10,6 мкм, непосредственно связано с необходимостью увеличения поперечного сечения разряда. В настоящее время известно несколько методов получения распределенного разряда, различающихся, в основном, способом создания предварительной ионизации и ее эффективностью. Во многих работах, например [1, 2], для создания равномерно ионизированного слоя вблизи катода использовался коронный разряд. Существенным недостатком таких систем являлось то, что интенсивность вспомогательного разряда ограничивалась величиной распределенной емкости на катоде. В работе [3] было предложено создавать предварительную ионизацию в виде распределенного набора дуг у катода (так называемый «плазменный катод»). Дуги служили источниками начальных электронов и ультрафиолетового излучения. В последнее время распространение получили электродные конфигурации, в которых разрядный промежуток подсвечивается только ультрафиолетовым излучением. Ультрафиолетовая подсветка производилась как сбоку [1,5], так и снизу [6, 7]. В перечисленных работах были получены разряды с поперечным сечением до 60 см². В работе [8] получен разряд с поперечным сечением до 600 см². Ультрафиолетовая подсветка осуществлялась здесь совокупностью дуговых разрядов, распределенных по поверхности диэлектрического плато, которое располагается за перфорированным электродом, имеющим коэффициент пропускания 30—40 %. Следует отметить, что размер основания электродов в 3—4 раза превышал межэлектродное расстояние. При межэлектродном расстоянии 20 см подводимая к разрядному объему 4,86 л энергия составила 844 Дж. Для питания основного и вспомогательного разрядов использовались раздельные схемы.
В данной работе показана возможность получения объемного разряда, используя непосредственно в качестве основного электрода «плазменное плато». В этом случае отпадает необходимость в профилированном полупрозрачном электроде. При этом увеличивается эффективность предионизации межэлектродного промежутка ультрафиолетовым излучением, что позволяет осуществлять большие энерговклады в плазму. Кроме того, упрощается конструкция электродной системы при существенном уменьшении размеров разрядной камеры.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Импульсный разряд зажигался между двумя электродами, помещенными в камеру, склеенную из оргстекла. Верхний электрод был изготовлен из латунной пластины со скругленными краями. Размеры основания электрода в 1,4 раза увеличены по отношению к соответствующим размерам разряда. Нижний электрод представлял собой пластину фольгированного стеклотекстолита, на которой путем травления была получена многозазорная структура, подобная описанной в работе [8].

Рис.1 Схема электродной системы

В электрической схеме использовались азотные разрядники высокого давления с искажением поля, обеспечивающие достаточную стабильность срабатывания, и конденсаторы емкостью 0,1—0,25 мкФ с собственной индуктивностью 150 нГн. Предварительная ионизация осуществлялась за счет энергии, запасенной в емкости С_п, которая при поджиге разрядника Р_п разряжается через многозазорную структуру нижнего электрода. При этом на его поверхности образуются распределенные плазменные шнуры, состоящие из последовательности дуг, так называемое «плазменное плато», являющееся источником ультрафиолетового излучения. Основной разряд создавался генератором импульсного напряжения (ГИН), собранным по схеме Маркса, между плазменным плато и латунным электродом.
Временная задержка t_a, между вспомогательным и основным разрядами определялась величиной емкости С₀ = 0,05 мкФ и давлением в разряднике Р₀. В экспериментах с раздельным питанием вспомогательного и основного разрядов временная задержка t_a осуществлялась генератором временных задержек. Время задержки t_a, при котором разряд оставался однородным, могло изменяться в диапазоне 1- 8 мкс. Однородный разряд имел место в смесях CO₂+N₂+He (1 атм) при соотношении К парциальных давлений CO₂+N₂ и СO₂+N₂+Не, равном 0,1—0,5 (10—50 %). При K > 20 % в смесь вводилась присадка диметиланилина. В зависимости от напряжения зарядки из ГИНа к разряду подводилась энергия (2—3,2) х 10³ Дж. Следует отметить, что при напряжении зарядки ГИНа меньше порогового для данной смеси (U_з < U_зп) ГИН не полностью разряжается на разрядный промежуток. Так, например, для смеси состава СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 8 U_зп = 320 кВ.
На рис. 2 приведены типичные осциллограммы напряжения и тока основного разряда для этой смеси.

Рис. 2. Типичные осциллограммы напряжения (вверху) и тока (внизу)

Длительность импульса напряжения по полувысоте при полной разрядке ГИНа составляла 1,4 мкс. Следует отметить, что амплитудные значения импульса напряжения на разрядном промежутке при увеличении зарядного напряжения менялись на осциллограммах незначительно, в то время как амплитуды токовых импульсов резко увеличивались. Удельная плотность энергии генерации для этой смеси составила 15 Дж/л. Предварительные исследования показывают, что использование подобной электродной конфигурации позволит создавать простые системы усилительных каскадов с большой апертурой при значительном энерговыходе с единицы объема.

1. R. Dumanchin et al. IEEE /. Quantum Electronics, QE-8, 165 (1972). 2. A.K. Laflamme. Rev. Sci. Instr., 41, 1578 (1970).

3. В.Ю. Баранов, В.M. Борисов, А.П. Стрельцов. ПТЭ, № 5, 188  (1973).

4. P.R. Pearson et al. IEEE J. Quantum Electronics, QE-8, 145 (1972). 5. O.P. Judd. Appl. Phys. Letts, 22, 95 (1973).

6. H. Seguin et al. Appl. Phys. Letts, 21, 414 (1972).

7. M.C. Richardson et al. IEEE J. Quantum Electronics, QE-9, 236   (1973).

8. M.C. Richardson et al. IEEE J. Quantum Electronics, QE-9, 934   (1973).

9. E.П. Вeлиxов и др. «Письма в ЖЭТФ», 20, 108 (1974).