Широкоапертурные нецепные HF(DF) лазеры, инициируемые объемным самостоятельным разрядом

2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ НЕ (ОБ) ЛАЗЕРОВ НА НЕЦЕПНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)____________________________________________________________21
1.1. Нецепные НРфР) лазеры. (Принцип работы и общая характеристика)________________________________________________________21
1.2. Нецепные НР(ЭР) лазеры с инициированием нецепной химической реакции электрическим разрядом.________________________________________25
1.3. Основные трудности получения ОСР в рабочих смесях нецепных НР(ОР) лазеров. ______________________________________________________________30
1.4. Поиск методов формирования ОСР в рабочих смесях НР(ОР)
лазера._______________________________________________________________33
Задачи исследования____________________________________________________38
ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ОСР ПА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЦЕПНЫХ НР(ОР) ЛАЗЕРОВ________________________________________________________________39
2.1. Описание экспериментальной установки и методики экспериментов._________________________________________________________39
2.2. Инициирование ОСР при помощи рентгеновского излучения.____________43
2.3 Инициирование ОСР барьерным разрядом, распределенным но поверхности катода. ___________________________________________________45
2.4 ОСР в системе электродов с однородным распределением электрического ноля.__________________________________________________________________50
2.5 ОСР в системе электродов с анизотропно-резистивным катодом.________52
2.6 ОСР без предыопизации в системе плоских металлических электродов_____________________________________________________________54
2.7 Обсуждение результатов.___________________________________________56
2.8. Выводы.
3
57
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИОР В РАБОЧИХ СМЕСЯХ НЕЦЕПНЫХ HF(DF) ЛАЗЕРОВ ______________________________________59
3.1. Описание экспериментальной установки и методики экспериментов._______________________________________________________59
3.2 Общая характеристика СИОР. ______________________________________64
3.3 Исследование устойчивости СИОР в SF6 и его смесях с другими газами.______________________________________________________________67
3.4 Пространственно-временная эволюция ОСР___________________________72
3.5 Факторы, влияющие на плотность КП в смесях SF6 с углеводородами.______________________________________________________78
3.6 Влияние неоднородности распределения электрического ноля в промежутке на устойчивость СИОР_________________________________________________84
3.7 Расчет характеристик ОСР в SF6 и смесях SF6 с углеводородами. ___89
Заключение к главе 1П._______________________________________________92
ГЛАВА IV. МЕХАНИЗМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В ДИФФУЗНОМ КАНАЛЕ. ___________________________________________________95
4.1. Описание экспериментальной установки и методики экспериментов. 95
4.2 Характеристики свободного (неограниченного внешними стенками) одиночного диффузного канала ________________________________________97
4.3 Исследование одиночного диффузного канала, ограниченного внешними стенками.___________________________________________________________102
4.4 Механизмы ограничения плотности тока в диффузном канале в SF6_________________________________________________________________107
4.5 Обсуждение результатов _________________________________________113
4.6 Выводы__________________________________________________________1Ю
ГЛАВА V. Нецепные HF(DF) лазеры на основе самоинициирующегося объемного разряда.______________________________116
4
5.1 Особенности работы импульсных и импульсно-периодических нецепных ОТфР) лазеров с малыми апертурами и объемами активной среды. ______116
5.1.1. Экспериментальная установка_________________________________117
5.1.2. Результаты экспериментов ___________________________________119
5.2. Расходимость излучения неценного лазера НР(ОР), инициируемого СИОР.
______________________________________________________________123
5.2.1. Экспериментальная установка _______________________________ 124
5.2.2. Результаты экспериментов.___________________________________124
5.3 Широкоапертурные нецепные Нїї(ОР) лазеры, возбуждаемые СИОР.______________________________________________________________126
5.3.1. Экспериментальная установка_________________________________126
5.3.2. Возможность масштабирования характеристик нецепных НР
лазеров.___________________________________________________________128
5.4. Выводы._______________________________________________________137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ________________________________________________________139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
5
Введение
В настоящее время импульсные химические НБ(ОБ) лазеры на основе неценных реакций широко применяются в различных областях науки и техники [I, 2]. Они более просты и удобны в эксплуатации, чем лазеры на цепной реакции, поскольку в их рабочих средах отсутствуют такие агрессивные окислители, как Р2 и С1Р. Среди всевозможных способов инициирования нецспной реакции в НБ(ОБ) лазерах наиболее распространенным является инициирование объемным самостоятельным разрядом (ОСР) [3]. Большая импульсная мощность излучения в диапазоне длин волн 2.6-5-3.1 мкм (НБ лазер) и 3.5-*-4.1 мкм (ОБ лазер) при высоком (2.5-*-5%) КПД; возможность перестройки временных и спектральных характеристик излучения; возможность работы с большой частотой повторения импульсов; простота и удобство в эксплуатации являются основными достоинствами нецепных электроразрядных НБДОБ) лазеров, определяющими сферу их применений [1, 2, 4, 5, 6].
Из многообразия применений неценных электроразрядных КБ (И Б) лазеров выделяются следующие. В их спектральном диапазоне находятся полосы поглощения ряда глобальных загрязнителей атмосферы, таких как, например, углеводороды, диоксид серы, окислы азота, окислы углерода и т.п., что и определяет возможности использования НБ(ОБ) лазера для экологического мониторинга атмосферы [7, 8]. В этой связи особенно привлекательным является ЭБ лазер, спектр излучения которого попадает в так называемое «окно прозрачности» атмосферы, в результате чего значительно увеличивается радиус зондирования и удается осуществлять мониторинг больших участков земной поверхности из околоземного пространства [7]. Представляет также интерес применение нецепных электроразрядных НБ(ЭБ) лазеров для изучения проблем управляемого термоядерного синтеза и лазерного разделения изотопов, исследования лазерной плазмы [2, 4]. Для проведения подобных исследований, как правило,
6
необходимы лазерные системы с очень большими мощностью и энергией излучения (несколько сотен Дж и более) [2]. Следует заметить, что возможность получения ОСР в значительных объемах активной среды и создания мощных импульсных электроразрядных С02 лазеров с высокой энергией излучения была показана более 15 лет назад в работах [9-10]. Однако, возможности увеличения импульсной мощности и энергии излучения электроразрядных нецепных НГфР) лазеров ограничиваются трудностями, связанными с получением ОСР в больших объемах их рабочих сред. Как следствие, до 1996 г. (начало настоящей работы) максимальная энергия таких лазеров не превышала 11 Дж.
Ограничения на выходные характеристики электроразрядных нецепных НР(ОР) лазеров определяются, в основном, возможностями традиционных методов зажигания ОСР, основанных на предварительной ионизации газа с последующим приложением к разрядному промежутку высоковольтного импульса и применении электродов со специальным профилем поверхности (профили Роговского, Чанга и т.д.), обеспечивающих однородность электрического поля в промежутке [11-13]. Неэффективность указанных методов связана в первую очередь с тем, что рабочие среды неценных ЬЩИР) содержат такой сильно электроотрицательный газ, как БРб, который обуславливает большую скорость потерь начальных электронов в процессе прилипания [14] независимо от типа ионизатора, используемого для получения начальных электронов. Кроме того, для увеличения выходных характеристик лазера необходимо увеличивать разрядный объем - площадь электродов и межэлектродное расстояние (апертуру лазера). При этом наиболее простые ионизаторы на базе источников УФ излучения из-за значительного его поглощения в 8Р6 [15] становятся вовсе не эффективными, а создание простых и надежных источников мягкого рентгеновского излучения с площадью излучающей поверхности более нескольких квадратных дециметров само по себе достаточно проблематично.
7
Дополнительные сложности при увеличении апертуры и объема активной среды нецепных НР(ОР) лазеров возникают в связи с необходимостью специального профилирования электродов для обеспечения однородности электрического поля в разрядном промежутке, поскольку это, во-первых, весьма трудно осуществить технически, а, во-вторых, ведет к значительному увеличению габаритов лазера и индуктивности разрядною контура при крайне ограниченной длительности устойчивого горения ОСР в смесях, содержащих ЯР6 [16]. Подход, основанный на предварительном заполнении разрядного промежутка электронами за счет их дрейфа в электрическом поле вместо предыонизации и динамическом профилировании электрического поля в промежутке объемными зарядами [9-10] вместо механического профилирования электродов, в неценных НР(ЭР) лазерах опять же не применим из-за большой скорости прилипания электронов.
Отмеченные трудности принципиально не устранимы в рамках традиционного подхода к проблеме получения ОСР. Поэтому для создания нецепных НР(ОР) лазеров, инициируемых ОСР, с импульсной мощностью и энергией, превышающими достигнутые к началу настоящей работы значения, необходим поиск принципиально новых методов получения ОСР.
Вес вышеизложенное определяет актуальность поставленной работы и ее цель.
Цель работы. Основной целью настоящей работы является поиск новых методов формирования ОСР в рабочих смесях нецепных НР(ОР) лазеров, а также создание и исследование на основе этих методов эффективных лазеров с высокими выходной энергией (больше 100 Дж) и мощностью излучения.
Автор защищает:
8
1. Результаты исследований ОСР в рабочих смесях нецспного ЬЩЭР) лазера (5Р6 - Н2, Э7, углеводороды, угледейтериды):
- при давлении р=10+200 мм рт.ст. и межэлектродном расстоянии (1=2+30 см ОСР с близким к однородному распределением энерговклада по объему разрядного промежутка, в том числе и в промежутках с высоким краевым усилением электрического поля, реализуется в отсутствии предварительной ионизации газа (самоинициирующийся объемный разряд, СИОР) при наличии на поверхности катода мелкомасштабных, -50 мкм, неоднородностей;
- при удельных энерговкладах в плазму \¥,п<200 Дж/л напряжение и ток ОСР (СИОР) определяются, в основном, процессами ионизации 8Р6 электронным ударом и диссоциативного прилипания к молекулам
- при замене Н2 (Э2) в смеси углеводородами (угледейтеридами) удастся существенно повысить устойчивость и однородность ОСР (СИОР), в смесях 8Р6 с углеводородами (угледейтеридами) в соотношении 10:1 при длительности тока разряда Т<300 не достигаются удельные энерговклады \У1п=600 Дж/л
2. Результаты исследования динамики СИОР в рабочих смесях нецепного НР(ОР) лазера:
- после первичного локального пробоя разрядного промежутка СИОР распространяется по промежутку перпендикулярно направлению приложенного электрического поля посредством последовательного образования перекрывающихся диффузных каналов при квазистационарном (близком к статическому пробивному в однородном поле) разрядном напряжении;
- с появлением новых каналов ток через каналы, сформировавшиеся ранее, уменьшается;
- объем, занимаемый СИОР, увеличивается с увеличением вводимой в плазму энергии;
9
- при ограничении объема СИОР диэлектрической поверхностью разрядное напряжение растет с увеличением вводимой в плазму энергии;
- эффект СИОР объясняется существованием механизмов ограничения плотности тока в диффузном канале ОСР, связанных с удельной выделяемой в плазме энергией, которые препятствуют вводу всей энергии в отдельный канал;
- процессами, приводящими к ограничению плотности тока в диффузном канале, могут являться диссоциация ББб и других компонентов смеси электронным ударом и прилипание электронов к колебательно
возбужденным молекулам 5Р6.
3. Экспериментальное доказательство масштабируемости характеристик нецепного НН(ЭР) лазера и возможности получения энергии генерации более 400 Дж при КПД более 4%.
Новизна, научная и практическая ценность результатов
диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые:
- в смесях БРб с углеводородами (угледейтеридами) выявлена и исследована новая форма ОСР - СИОР. Показано, что для зажигания СИОР не требуется предварительной ионизации газа при наличии на катоде мелкомасштабных неоднородностей (-50 мкм);
- показано, что устойчивость и однородность СИОР слабо зависит от геометрии разрядного промежутка;
- экспериментально обнаружен и исследован эффект ограничения плотности тока в диффузном канале, обуславливающий существование такой формы ОСР, как СИОР;
- исследована устойчивость СИОР в различных газовых смесях,
представляющих интерес для создания нецепных химических лазеров, а
также применений в технологии;
- создан и исследован нецепной НР(ОР) лазер с апертурой 27x20 см, на котором достигнуты рекордные энергетические характеристики (энергия
10
генерации \Уои1-407 Дж на РИ7 и \Уои{=325 на ОР, импульсная мощность РоиН 4 ГВт на 1Ш и Рои,= 1.1 ГВт на ОИ при электрическом КПД 4.3% и 3.4% соответственно);
- обоснована возможность создания нецепных НР(ИР) лазеров с энергией излучения ~1 кДж, работающих как в импульсном, так и в импульсно-периодическом режиме.
Результаты работы представляют интерес для понимания условий получения ОСР в различных сильно электроотрицательных газах и могут быть использованы при создании, как мощных газовых лазеров, так и плазмохимических реакторов с большими объемами.
Структура работы. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения. Полный объем составляет 150 страниц, включая 49 рисунков и списка литературы, насчитывающего 100 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, сформулированы цель и основные научные положения диссертационной работы, а также отмечена новизна и практическая ценность полученных в диссертации результатов. Кратко изложено содержание работы по главам.
В первой главе содержится аналитический обзор работ, посвященных проблеме создания мощных неценных электроразрядных НР (ОР) лазеров. Литературный поиск проводился с учетом требований обеспечения высоких значений энергии излучения и эффективности нецепных НР(ОР) лазеров, надежности и простоты их конструкции. Проанализированы составы рабочей среды, на которых достигаются максимальные КПД. Установлено, что наиболее эффективным донором Р является БРб. Проанализированы методы получения ОСР и электрические схемы для их реализации, позволившие достичь максимальных энергетических характеристик нецепных НР(ПР) лазеров. Особое внимание при поиске уделялось возможности масштабирования установок на основе этих методов. На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что традиционные методы
И
осуществления ОСР, разработанные в основном для СО2 лазеров с накачкой поперечным разрядом, имеют крайне ограниченное применение в случае элекгроразрядных ГЩОР) лазеров с большими апертурами.
Особое внимание уделено работам, в которых ОСР удавалось осуществить в условиях, отличающихся от традиционно рассматриваемых. Выявлено несколько особенностей формирования ОСР в средах нецепных НР лазеров: улучшение однородности ОСР и увеличение энергии излучения нецепных НР лазеров при замене в рабочих смесях Н2 на С2Н6 (С3Н8); возможность зажигания в некоторых случаях в смесях 8Р6 с С3Н8 ОСР без использования мошной предыонизации разрядного промежутка. Указанные особенности не нашли объяснения в работах обнаруживших их исследователей. Поскольку, понимание условий формирования однородного ОСР имеет определяющее значение при создании мощных элекгроразрядных нецепных НР(ОР) лазеров, на основе анализа литературы в диссертации были поставлены следующие задачи исследований.
Задачи исследования
1. Исследовать влияние условий формирования ОСР, газового состава, режима ввода энергии в газ на эффективность и энергию излучения нецепных НР(ОР) лазеров.
2. Провести параметрические исследования ОСР в смесях неценных НР(Г)Р), включающие в себя исследование устойчивости и динамики развития ОСР, а также влияния газового состава и геомегрии разрядного промежутка на его характеристики. Па основании проведенных исследований выработать рекомендации к газовому составу и к схеме получения ОСР в нсцепных НР(П)Р) лазерах.
3. Разработать простые и надежные широкоапертурные нецепные РЩИР) лазеры и исследовать их характеристики.
4. Исследовать возможность создания неценных НРфР) лазеров с энергией излучения ~1 кДж.
12
Во второй главе диссертации приведены результаты исследований влияния условий формирования ОСР, газового состава, режима ввода энергии в газ на эффективность и энергию излучения нецепных НРфР) лазеров.
В § 2.1 описываются установки, на которых проводились исследования характеристик нецепных ЬЩОР).
В § 2.2 рассматриваются результаты исследования влияния газового состава рабочей среды на эффективность и энергию излучения НРфР) лазера, в котором инициирование ОСР осуществлялось с помощью рентгеновской прсдыонизации. Показано, что замена Н2 ф2) в смеси углеводородами (угяедейтеридами) позволяет существенно повысить устойчивость и однородность ОСР, а при энерговкладе до 200 Дж/л ОСР реализуется вообще без предыонизации, причем энергия излучения НР лазера не зависит от присутствия предыонизации.
В § 2.3 описаны результаты исследования характеристик неценных НРфР) лазеров, в которых инициирование ОСР осуществлялось с помощью барьерного разряда, распределенного по поверхности катода. Показана возможность масштабирования таких систем.
В § 2.4 приведены результаты исследования характеристик нецепных НР(ОР') лазеров в условиях однородности электрического поля в промежутке, достигаемой за счет специального профилирования электродов. Проводилось сравнение двух систем, в одной из которых осуществлялась предыонизация среды УФ излучением, а в другой предыонизация отсутствовала, но поверхность катода бала подвергнута пескоструйной обработке. Установлено, что характеристики лазера не зависят от предыонизации, если на поверхность катода нанесены мелкомасштабные, -50 мкм, неоднородности.
В § 2.5 рассмотрены результаты исследования характеристик нецепного НР(1Ж) лазера с анизотропно-резистивным катодом. Показана возможность получения в данной системе однородного ОСР при удельном энерговкладе в плазму СИОРдоЗЗО Дж/л.
13
В § 2.6 приведены результаты исследования характеристик нсцепного ІЩОР) лазера, в котором ОСР зажигался без использования источников предыонизации. Электроды представляли собой плоские металлические пластины, скругленные по периметру радиусом г«6 (здесь (і межэлектродное расстояние). Поверхность катода подвергалась пескоструйной обработке. Для ОСР, получаемого в таких условиях, введен термин - самоинициирующийся объемный разряд (СИОР).
В § 2.7 на основе анализа полученных данных делается вывод о том, что в смесях 8Р6 с углеводородами (угледейтеридами) при наличии на поверхности катода мелкомасштабных. -50 мкм, неоднородностей необходимость специального инициирования ОСР (предыонизация рентгеновским или УФ излучением, инициирование барьерным разрядом) отпадает. При типичных для неценных НР(ОР) лазеров энерговкладах \УІП=150-^-300 Дж/л и давлениях рабочей среды 30-ь200 мм рт.ст. ОСР может быть получен без предыонизации, при этом включение предыонизации, ни коим образом не влияет на энергию излучения лазера. Отмечается, что важной особенностью ОСР в смесях 8Р6 с углеводородами (угледейтеридами) является возможность получения однородного по активному объему энерговклада в системах электродов с высоким краевым усилением электрического ПОЛЯ.
В $ 2.8 кратко перечислены основные результаты.
В третьей главе диссертации приводятся результаты исследований СИОР в БИб и смесях с другими газами (Н2, углеводороды, Аг, Не, N0, N2).
В § 3.1 описываются экспериментальные установки, использовавшиеся при проведении исследований.
В § 3.2 дано общее описание СИОР. Показано, что при наличии на поверхности катода мелкомасштабных неоднородностей СИОР (в БИб и смесях БРб с углеводородами (угледейтеридами)) ни по внешнему виду, ни по осциллограммам напряжения и тока разряда не отличается от ОСР с предыонизацией: он представляет собой совокупность перекрывающихся