Ю.Т. Мазуренко, Ю.А. Рубинов, П.А. Шахвердов
НОВЫЙ МЕТОД ВОЗБУЖДЕНИЯ ОДНОРОДНОГО РАЗРЯДА В СО2 – ЛАЗЕРАХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Введение
Известно несколько способов возбуждения активной среды электроразрядного СО2- лазера повышенного давления, использующих вспомогательный разряд. Проводимость газа в объеме лазера создается при ионизации вспомогательного разряда световым излучением [1—6] либо с помощью предварительного коронного разряда на поверхности одного из электродов [7- 9]. В последнем случае вопрос о степени участия в инициировании электронов, образующихся в предварительном разряде, и вторичных фотоэлектронов в объеме активной среды требует специального рассмотрения. Несмотря на указания о возможной существенной роли поверхностного прикатодного слоя электронов [7- 10], нельзя исключить фотоинициирующее действие излучения коронного разряда (см., например, [11]).
В связи с изложенным представляет интерес изучение схем, в которых основной разряд инициируется только электронами, распределенными по поверхности катода. В настоящей работе такой метод предложен, а также проведено его сравнение с методами «двойного разряда», рассмотренными в [7—9].
Экспериментальная часть
Исследования проводились на устройстве, показанном на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментального устройства.
Основной разряд Р2 создавался в промежутке, образованном сеткой Б и электродом А2. Алюминиевый электрод А2 длиной 900 мм, скругленный по краям по профилю, близкому к профилю Роговского для промежутка d2 = 30 мм, служил анодом. Электрод А1 плоский, с выфрезерованными пазами, в которые заложен высоковольтный провод во фторопластовой изоляции, обернут сеткой с той же ячейкой, что и сетка Б. Расстояние d1 между сеткой Б и электродом А1 можно было менять от 5 до 22 мм. Промежуток Б—А2 находился в резонаторе, образованном плоским зеркалом с золотым покрытием и плоским зеркалом с диэлектрическим покрытием и отражением 60%, расположенными на расстоянии 1200 мм. При включении схемы предионизации (Р0) предварительного разряда емкость С0 = 1 мкФ разряжалась на повышающий импульсный трансформатор Тр, напряжение 40 кВ со вторичной обмотки трансформатора попадало через разделительный конденсатор (С3 = 6000 пФ) на конденсатор, образованный на электроде А1 проводами во фторопластовой изоляции. Предварительный разряд Р1 возбуждался методом «двойного разряда» в объеме, ограниченном сеткой Б и электродом А1, и представлял собой диффузный разряд, характерный для СО2-лазеров повышенного давления.
В процессе исследований выяснялась совокупность условий, при которых в объеме промежутка d2 возбуждался однородный разряд Р2 и возникала генерация. Работа велась на смеси СО2 : N2 : Не = 1,5 : 0,5 : 7,5 при давлении 1 атм. При выключенном разряде Р1 разрядом Р0 предионизовать однородный разряд Р2 не удавалось ни при каких значениях емкости С2 и поля U2/pd2
При включении Р1 в промежутке d1 поддерживалось постоянное поле U1/pd1 ≈ 7 кВ/см*атм (емкость С1 = 0,05 мкФ). Полярность приложенного напряжения U1 могла изменяться, при этом осуществлялись схемы каскадного (последовательного) либо встречного включения разрядов Р1 и Р2. При высоте разрядного промежутка d1 = 22 мм наблюдалась резкая зависимость величины области существования однородного разряда Р2 при изменении емкости С2 от полярности приложенного напряжения U1. При U1 = +15 кВ (каскадное включение) С2 можно было увеличивать до 0,15 мкФ в поле U2/pd2 ≥ 13 кВ/см*атм при сохранении объемного характера Р2. При U1 = -15 кВ (встречное включение) область существования однородного разряда Р2 ограничивалась емкостью С2 ≤ 0,01 мкФ в поле U2/pd2 ≥ 15 кВ/см*атм.
Полученные результаты свидетельствуют о более эффективной предионизации в случае каскадного включения разрядов Р1 и Р2, а также о том, что однородный разряд Р1 не является интенсивным объемным источником фотоионизации. Существенное повышение эффективности предионизации при каскадном включении может быть объяснено двумя механизмами:
1 Основной разряд Р2 инициируется фотоэлектронами, причем разряд Р1 излучает главным образом из своей прианодной области. Близость прианодной зоны Р1 к объему промежутка d2 основного разряда обусловливает более высокую эффективность каскадной схемы.
2 Электроны, размножившиеся в разряде Р1, проникают сквозь сетку Б и инициируют однородный разряд Р2.
Если играет рать первый механизм, то уменьшение межэлектродного расстояния в разряде Р1 до величины d1 « d2при сохранении поля U1/pd1 должно способствовать перекрытию областей существования равномерного разряда Р2 для каскадного и встречного включений, т. е. сглаживанию различий между двумя вариантами включения. Опыты с уменьшением промежутка d1 до 5 мм при сохранении d2 = 30 мм показали, что при U1 = - 3,5 кВ однородный разряд Р2 не возбуждался ни при каких значениях емкости С2 и поля U2/pd2 . При U1 = + 3,5 кВ возможно было использование емкости С2 ≤ 5000 пФ в поле U2/pd2 ≥ 13 кВ/см*атм.
Таким образом, в данных условиях основным механизмом, ответственным за предионизацию разряда Р2, является размножение электронов в поле однородного разряда Р1 и проникновение их за сетку Б.
При каскадном включении и промежутке d1 = 22 мм наблюдалась зависимость энергии генерации в промежутке d2 от параметров схемы питания С2 и U2, представленная на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость энергии генерации от емкости накопителя (а) и напряжения на накопителе (б) при р = 1 атм.
Кривая 1 получена для смеси CО2:N 2: Не = 1,5:0,5:6 и d2 = 35 мм (объем, участвующий в генерации, 0,8 л), во всех остальных случаях использовалась смесь CО2:N2:He = 1,5:0,5:0,7 и d2 = 30 мм (объем 0,6 л)
Поскольку действие предварительного разряда в устройствах с «двойным разрядом» типа описанных в [7—9], возможно, определяется прикатодным поверхностным слоем электронов [7—10], было проведено сравнение схемы с «двойным разрядом» и предложенной схемы каскадного включения. При этом учитывалось, что в условиях недостаточно однородного поля фотоионизация (как объемная ионизация) должна быть более эффективной, чем прикатодная ионизация. Исследования проводились на увеличенном до 50 мм промежутке d2, что приводило к искажению однородности поля между электродами А2 и Б (края электрода А2 скруглены по профилю, близкому к профилю Роговского для промежутка d2 = 30 мм). В качестве катода в схеме с «двойным разрядом» использовался электрод A1, поставленный на место сетки Б (см. рис. 1). Предионизация осуществлялась при подаче напряжения Uп = 90 кВ на образованную на поверхности катода А1 емкость Сп = 500 пФ. Величина заряда на емкости CпUп = 5*10—5 К более чем на порядок меньше соответствующей величины C1U1 0,75* 10-3 К, используемой в каскадном способе возбуждения. Различие в величине заряда на емкости, питающей предварительный разряд, обусловливает подобное же различие в количестве заряженных частиц предварительного разряда, участвующих в процессе предионизации.
Однородный разряд и генерация с КПД 10 % наблюдались в схеме с «двойным разрядом» в смеси СО2 : N2 : Не = 1,3 : 0,7 : 9 при р = 1 атм, С2 = 0,1мкФ, U2/pd2 ≥ 12 кВ/см*атм (электрод Al) и U2/pd2 ≥ 14 кв/см*атм (электрод Аl со снятой сеткой).
При каскадном включении (0,05 мкФ ≤ С2 ≤ 0,12 мкФ, U2/pd2 ≤ 15 кВ/см*атм) объемный разряд и генерация в той же смеси и при той же неоднородной конфигурации поля в промежутке d2 не наблюдались. Это указывает на то, что в методе «двойного разряда» [7—9] объемная фотоионизация играет существенную роль.
Полученные результаты позволяют предложить описанную схему в качестве нового метода возбуждения однородного разряда в газовых лазерах повышенного давления — метода «каскадного разряда», подразумевая под этим термином способ получения объемного возбуждения газовой среды при каскадном (последовательном) включении одного или нескольких газоразрядных промежутков лазера в электрическую цепь источника питания. Существенная особенность схемы заключается в применении для инициирования основного разряда электронов, распределенных на поверхности катода. Ее достоинством является возможность избежать потерь энергии на предионизацию, связанная с тем, что предварительный разряд возбуждается в рабочей смеси, имеет объемный характер и может быть использован непосредственно для получения генерации. Увеличение вкладываемой в предварительный разряд энергии будет способствовать более эффективному стимулированию основного разряда. Увеличение числа каскадов в принципе дает возможность увеличения апертуры, а также построения компактных устройств с изменяемым распределением энергии излучения по сечению лазерного луча (см. рис. 3).
Рис. 3. Схема многоступенчатого каскадного устройства.
Каждый участок сечения излучается отдельным объемом, разряд в котором подготавливает другой объем, соответствующий другому участку сечения луча. Энергия генерации по участкам может быть распределена дискретно по определенному закону и высвечиваться последовательно с задержкой до 1 мкс.
1 I.V. Podmoshensky, V.P. Belosheev, I.I. Galactionov, V.J. Gorelov, J.N. Kolpakov, I.U. Кosinskaуa, V.A. Pivovar. 2 Internationale Tagung “Laser und ihre Anwendungen", 1973, Dresden. Kurzfassungen. Teil 1, K-16.
2 O. Judd. Appl. Phys. Letts, 22, 95 (1973).
3 М.C. Richardson, K. Leopold, A.J. Alcock. IEEE J. Quantum Electronics, QE-9, 934 (1973).
4 H.M. Lainherton, P.R. Pearson. Electronics Letts, 7, 141 (1971).
5 Ю.А. Баранов, В.М.Борисов, А.П.Стрельцов. «Приборы и техника эксперимента», № 5, 188 (1973).
6 М.С. Richardson, A.J.Аlсоск, К. Leopold, P.Burtin. IEEE J. Quantum Electronics, QE-9, 236 (1973).
7 R.Dumanchin, J.Rocca-Serra. C. R. Acad. Sci. (Paris), 269B, 916 (1969).
8 R. Dumanchin, J.C. Fareу, М. Miсhоn, J.Rocca- Serra, 1970, Int. Quant. Electron. Conf., Kvoto, Japan; C.S. Willet, T.J. Сleason. Laser Focus, 7, 30 (1971).
9 A.K. Laflamm. Rev. Sci. Instrum., 41. 1578 (1970).
10 G.Оtis. Rev. Sci. Instrum. 43. N 11, 1621 (1972).
11 И. Ю.И. Бычков, В.П.Кудряшов, В.В. Осипов. «Квантовая электроника». 1, 1256 (1974).
|