лУ
Официальные оппоненты:
Малюта Дмитрий Дмитриевич, д.ф.-м.н., профессор, ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», директор Отделения
Александров Николай Леонидович, д.ф.-м.н., профессор МФТИ
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Защита состоится “ £3 ” ШЭ&ЩъХ, 2012 г. в (0~~часов на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 при ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ул. Пушковых, владение 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».
Ученый секретарь диссертационного совета Ежов Александр Александрович
Оглавление 3
Оглавление
Введение б
1 Обзор литературы 17
1.1. Принципы работы и история развития элсктроиоиизацион-ных СО-лазеров .............................................. 17
1.1.1. Физические принципы работы СО-лазера.............. 17
1.1.2. История развития СО-лазеров....................... 20
1.1.3. СО-лазеры с возбуждением активной среды несамостоятельным разрядом.................................... 22
1.1.4. Сравнительный анализ СО- и СО2- лазеров........... 28
1.1.5. Применение СО-лазеров............................. 29
1.2. Теория физических процессов в элсктроиоиизациопных СО-лазерах...................................................... 30
1.2.1. Процессы в плазме несамостоятельного разряда ... 31
1.2.2. Кинетика колебательно-возбужденных молекул ... 33
1.2.3. Используемый ранее метод расчета скорости ионизации и его недостатки.................................... 36
2 Расчет скорости ионизации и удельного энерговклада в активной среде СО-лазера с учетом конструктивных особенностей ГРК 38
2.1. Постановка задачи....................................... 38
2.1.1. Зависимость удельной мощности разряда от скорости ионизации............................................... 38
2.1.2. Геометрические особенности ГРК.................... 39
2.2. Численное моделирование пространственного распределения скорости ионизации .......................................... 42
2.2.1. Используемый метод расчета. Приближение укрупненных соударений.......................................... 42
2.2.2. Тестовые и сравнительные расчёты ................. 47
2.3. Метод расчета удельной мощности разряда................. 52
2.4. Основные результаты..................................... 54
Оглавление
4
2.4.1. Энергетическое и угловое распределение быстрых электронов после прохождения элементов конструкции . . 55
2.4.2. Коэффициенты прохождения для решеток разных типов 58
2.4.3. Пространственное распределение скорости ионизации
в разрядной камере................................... 62
2.4.4. Пространственная неоднородность плотности тока для
двух конструкций ГРК ................................ 64
2.4.5. Зависимость скорости ионизации активной среды от
начальной энергии пучка быстрых электронов .... 66
2.4.6. Расчет удельной энергии разряда для двух конструкций ГРК..................................................... 67
2.4.7. Исследование зависимости тока разряда и удельного
энерговклада от плотности тока пучка быстрых электронов .............................................. 68
2.5. Выводы к Главе 2 .......................................... 70
Моделирование мелкомасштабной структуры скорости ионизации в ГРК СО-лазсра • 73
3.1. Исследование пространственного распределения плотности тока быстрых электронов в ГРК СО-лазсра....................... 73
3.1.1. Постановка задачи.................................... 73
3.1.2. Описание эксперимента................................ 75
3.1.3. Результаты измерений................................. 77
3.1.4. Метод расчета........................................ 80
3.1.5. Результаты расчетов и обсуждение..................... 80
3.2. Расчет пространственного распределения эиерговклада в ГРК импульсного элсктроионизационного СО-лазсра................. 82
3.2.1. Описание экспериментальной установки и геометрических особенностей импульсного СО-лазсра................... 83
3.2.2. Метод расчета эиерговклада в импульсном СО-лазсрс 86
3.2.3. Результаты расчетов.................................. 86
3.3. Оценка влияния начальной формы профиля плотности тока пучка электронов на энергетические характеристики СО-лазсра .......................................................... 91
3.3.1. Постановка задачи и выбор параметров................. 91
3.3.2. Профили плотности тока быстрых электронов .... 92
3.3.3. Сравнение разных профилей начальной плотности тока быстрых электронов....................................... 93
3.4. Выводы к Главе 3 .......................................... 98
Оглавление
5
4 Влияние краевых условий на распределение тока и поля в
ГРК 100
4.1. Введение............................................... 100
4.2. Постановка задачи...................................... 102
4.3. Математическая модель.................................. 104
4.3.1. Метод расчета пространственного распределения элек-тричсского Ноля и плотности разрядного тока .... 104
4.3.2. Выбор значений транспортных и кинетических коэффициентов электронов .................................... 106
4.3.3. Расчет пространственного распределения скорости ионизации газа пучком быстрых электронов..................... 108
4.4. Результаты расчетов и обсуждение....................... 108
4.4.1. Пространственное распределение скорости ионизации 108
4.4.2. Распределение электрического поля и потенциала вблизи анодной решетки....................................... 111
4.4.3. Распределение концентрации электронов плазмы и плотности разрядного тока.................................... 113
4.4.4. Зависимость доли разрядного тока, замыкающегося па фольгу, от геометрических параметров конструкции ГРК.................................................. 118
4.4.6. Оценка величины приэлектродного падения напряжения ..................................................... 121
4.5. Выводы к Главе 4 '. . I....................... 123
Заключение 124
Выводы...................................................... 125
Приложение 1 127
Приложение 2 129
Список использованных источников
134
Введение
б
Введение
Лазеры, работающие на колебательно-вращательных переходах основного электронного состояния молекулы СО, занимают важное место и ряду газовых лазеров непрерывного действия. Основными достоинствами этих лазеров являются высокая мощность излучения (в работе [1] сообщалось о создании СО-лазсра мощностью до 200 кВт) и высокий КПД. достигающий 60% [2]. Спектральный диапазон излучения СО-лазера из-за большого количества излучатсльных переходов может быть достаточно широк — от 4.7 до 7.5 мкм [3-5], который можно расширить за счет получения генерации на первом колебательном обертоне молекулы СО в области 2.5-^4.2 мкм [6,7]. Эти характеристики делают СО-лазеры востребованными и перспективными как в научной деятельности, так и в прикладном использовании.
Актуальность работы
Актуальность работы обусловлена тем, что к моменту начала работы над диссертацией оставались нерешенными следующие важные задачи, связанные с ионизацией активной среды быстрыми электронами в элсктро-иопизациопиых СО-лазерах.
Во-первых, при расчетах распределения плотности тока быстрых электронов и пространственного распределения скорости ионизации активной среды использовались приближенные аналитические формулы, получен-
Введение
7
ныс путем аппроксимации серии численных расчетов прохождения быстрых электронов через систему «фольга - газовый промежуток». В случае электроиоиизациониых лазеров выводное окно устройства ионизации (УИ) и система электродов газоразрядной камеры (ГРК) устроены сложнее и представляют собой систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка- катод». ТЪким образом, было необходимо рассчитать пространственное распределение скорости ионизации с учетом потерь быстрых электронов на поверхности анодной решетки.
Во-вторых, оставалось неизученным влияние мелкомасштабной пространственной структуры скорости ионизации (как по высоте, так и по ширине ГРК) на пространственное распределение удельной мощности разряда. Поперечная неоднородность скорости ионизации возникает из-за наличия области тени за ребрами анодной решетки или вследствие начальной неоднородности падающего на фольгу пучка быстрых электронов.
В-третьих, в известных моделях не рассчитывалась доля разрядного тока, замыкающегося на фольгу. В электроиоиизациониых лазерах для защиты фольги от повреждений при возникновении пробоя в разрядном промежутке устанавливается решетка, являющаяся электродом ГРК. Для того чтобы решетка эффективно выполняла свою функцию необходимо, чтобы на нес замыкался практически весь разрядный ток. Для этого требуется устанавливать решетку с достаточно широкими ребрами, либо с малым размером отверегий. В этом случае, однако, доля быстрых электронов, попадающих в ГРК, уменьшается с увеличением ширины ребер и уменьшением размера отверстий. Поэтому была поставлена задача нахождения оптимальной геометрии анодной решетки, при которой остается высокоэффективным вывод пучка в ГРК при относительно небольшой доле разрядного тока, замыкающегося на фольгу.
Введение
8
Таким образом, поставленные выше задачи, связанные с ионизацией активной среды СО-лазсра пучком быстрых электронов, являются актуальными для более корректного описания процессов, протекающих в С0-лазерах, и представляют научный и прикладной интерес.
Цели диссертационной работы
1. Исследование изменения параметров широкоапертурного пучка быстрых электронов при его прохождении через конструктивные элементы выводного окна электронного усоритсля и газоразрядной камеры электроионизационного СО-лазера.
2. Численный расчет пространственного распределения скорости ионизации активной среды быстрыми электронами и удельного энерговклада в разрядной камере СО-лазера.
3. Нахождение оптимальных параметров конструкции «опорная решетка - фольга - анодная решетка» для достижения максимального и однородного (по высоте разрядной камеры) удельного энерговклада.
4. Исследование влияния геомегрических особенностей разрядной камеры на пространственное распределение электрического ноля и плотности тока разряда. Определение доли разрядного тока, замыкающегося на фольгу. Оценка приэлект{юдного падения напряжения, возникающего из-за неоднородности поля вблизи анодной решетки.
Научная новизна
1. Разработана программа для расчета параметров пучка быстрых электронов при его прохождении через выводное окно устройства ионизации и газоразрядную камеру электроионизационного СО-лазера с
Введение
9
учетом геометрических особенностей выводного окна устройства ионизации и электрода разрядной камеры.
2. Впервые детально исследовано прохождение широкоапертурного пучка быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга -анодная решетка».
3. Впервые исследована мелкомасштабная пространственная структура, возникающая из-за наличия геометрических особенностей ГР К.
4. Впервые исследовано замыкание разрядного тока на фольгу выводного окна устройства ионизации для конструкции ГРК, характерной для элсктроионизационных лазеров.
Практическая значимость
1. Разработанная модель прохождения быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка» позволяет рассчитать плотность тока быстрых электронов в ГРК. Возможность моделирования различных конструктивных вариантов приводит к значительному ускорению и удешевлению работ, связанных с нахождением оптимальных значений геометрических параметров выводного окна УИ и ГРК.
2. Расчет доли разрядного тока, замыкающего на фольгу, позволяет подобрать параметры анодной решетки таким образом, чтобы риск прогорания фольги в случае возникновения пробоя был сведен к минимуму и при этом достигнут максимальный коэффициент вывода пучка быстрых электронов в область разряда.
3. Расчет мелкомасштабной пространственной структуры скорости ионизации активной среды быстрыми электронами позволяет получить
Введение
10
пространственное распределение удельной мощности разряда. Знание пространственного распределения удельной мощности разряда даст возможность оценить область охвата среды лазерным излучением и правильно подобрать и установить оптический резонатор.
Защищаемые положения
1. Расчет прохождения широкоапертурного пучка быстрых электронов через систему «опорная решетка - фольга - анодная решетка - газ» предсказывает возникновение мелкомасштабной структуры в скорости ионизации газа.
2. Результаты численного моделирования пространственной структуры плотности тока быстрых электронов хорошо воспроизводят полученную в эксперименте пространственную модуляцию плотности тока после прохождения пучком электронов анодной решетки.
3. Пространственная неоднородность скорости ионизации газовой смеси быстрыми электронами в случае анодной решетки с круглыми отверстиями значительно меньше по сравнению с анодной решеткой щелевого типа.
4. Начальная неоднородность плотности тока быстрых электронов (до прохождения через вьтоднос окно устройства ионизации) слабо влияет как на суммарную величину вкладываемой энергии, так и на пространственное распределение удельного энерговклада.
5. Расчет двумерного пространственного распределения плотности разрядного тока предсказывает замыкание на фольгу от 0.2% до 11% от полного тока в зависимости от геометрических параметров анодной решетки.
Введение
11
6. Неоднородность пространственного распределения электрического поля вблизи анодной решетки, обусловленная периодической структурой решетки, приводит к необходимости увеличения межэлектродиого напряжения для сохранения той же величины поля в центре разрядной камеры, что и в случае с плоским электродом.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на III (20-23 апреля 2009 г.), IV (26-29 апреля 2010 г.) и V (26-29 апреля 2011 г.) Всероссийских Школах по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров, Нижегородская обл.), на III (25-30 октября 2009 г., г. Москва - г. Троицк, Московская обл.), IV (14-19 ноября 2010 г., г. Звенигород, Московская обл. - г. Москва) и V (14-16 ноября 2011, г. Москва) Всероссийских молодежных школах-сем и нарах с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований но актуальным проблемам физики», на XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» (14-18 ноября 2010 г., г. Звенигород), на конкурсе работ молодых научных работников, аспирантов и инженеров памяти академика А.П. Александрова (ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Троицк) в 2009-2012 гг.
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 13 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, 2 препринта, 9 докладов, опубликованных в сборниках трудов конференций.
Публикации
1. Гурашвили В.А., Джигайло И.Д., Дягко H.A., Занозила Е.М., Кочетов И.В., Спицын Д.И., Ткаченко Д.Ю. Экспериментально а и теоретическое исследование пространственного распределения скорости
Введение
12
ионизации в несамостоятельном разряде, поддерживаемом пучком быстрых электронов // Физика плазмы. 2012. Т. 38. В. 1. С. 52-57.
2. Гурашвили В.А., Занозина Е.М., Кочетов И.В., Курносов А.К., Спи-цын Д.И. Двумерная модель активной среды быстропроточного СО-лазера с учетом поуровнсвой колебательной кинетики // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. В. 1. С. 21-26.
3. Занозина Е.М., Кочетов И.В., Курносов А.К., Спицын Д.И. Двумерная численная модель активной среды быстропроточного С0-лазсра с учетом поуровнсвой колебательной кинетики. Троицк: Препринт ТРИ-НИТИ 144-А, 2011. 20 с.
4. Дятко H.A., Занозина Е.М., Кочетов И.В., Спицын Д.И. Расчет скорости ионизации активной среды электроионизационного С0-лазсра с учетом конструктивных особенностей разрядной камеры. Троицк: Препринт ТРИНИТИ 146-А, 2011. 24 с.
5. Занозина Е.М., Кочетов И.В., Курносов А.К., Спицын Д.И. Двумерная численная модель активной среды быстропроточного С0-лазера с учетом поуровнсвой колебательной кинетики // Сборник докладов III Всероссийской Школы по лазерной физике и лазерным технологиям. Саров, 2009. С. 137-142.
6. Дятко H.A., Занозина Е.М., Кочетов И.В., Спицын Д.И. Расчет скорости ионизации газовой смеси пучком быстрых электронов с учетом конструктивных особенностей газоразрядной камеры // Сборник докладов III Всероссийской Школы по лазерной физике и лазерным технологиям. Саров, 2009. С. 143-147.
7. Занозина Е.М., Кочетов И.В., Курносов А.К., Спицын Д.И. Изучение эффектов неоднородности в активной среде быстро проточно го СО-лазера // Аннотации докладов III Всероссийской молодежной школы-семинара «Инновационные аспекты фундаментальных исследований
- Київ+380960830922