СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ
ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ (ИГЛ) НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ.
1.1 Аналитические исследования ИГЛ.
1.1.1 ИГЛ на самоограниченных переходах атомов металлов.
1.1.2 ИГЛ на парах металлов с накачкой перезарядкой.
1.2 Численные методы исследования ИГЛ в импульсно-периодическом режиме.
1.3 Метод физического моделирования ИГЛ.
ВЫВОДЫ.
2. АВТОМОДЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ КИНЕТИКИ ИГЛ.
2.1 Аналитический метод моделирования лазеров на парах металлов с продольным разрядом.
2.2 Масштабные преобразования и автомодельные решения кинетических уравнений, описывающих развитие плазмы разряда ИГЛ на парах металлов.
2.3 Расчет электрических характеристик плазмы продольного разряда импульсно-периодических газоразрядных лазеров.
ВЫВОДЫ.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ ИГЛ С ОДНОЙ АКТИВНОЙ СРЕДОЙ И С РАЗЛИЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НАКАЧКИ.
3.1 Исследование импульсных разрядов с обостряющей емкостью.
3.2 Исследование импульсных разрядов с емкостным
накопителем энергии и импульсным трансформатором.
3.3 Исследование разрядов с индуктивным накопителем энергии.
ВЫВОДЫ.
4. АВТОМОДЕЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО УРАВНЕНИЯ БОЛЬЦМАНА ДЛЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ (ФРЭЭ) В ПЛАЗМЕ ИГЛ.
4.1 ФРЭЭ в плазме ИГЛ с продольным разрядом в течение импульса накачки.
4.1.1 Масштабные преобразования ФРЭЭ в импульсе накачки.
4.1.2 Расчет квазистационарной ФРЭЭ при скачкообразном изменении электрического поля на плазме газового разряда.
4.2 Динамика ФРЭЭ в импульсе накачки.
4.3 Масштабные преобразования ФРЭЭ с самостоятельным поперечным СВЧ разрядом.
ВЫВОДЫ.
5. ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ В ИОННЫХ СПЕКТРАХ ЩЕЛОЧНО-ЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ НАКАЧКЕ ПЕРЕЗАРЯДКОЙ В ИМПУЛЬСНОМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ (РПК).
5.1. Механизмы формирования плазмы отрицательного свечения (ОС) в РПК.
5.2. Распределение электронов по энергиям в смеси газов.
5.3. Преимущества накачки перезарядкой ионных уровней металлов в ОС РПК.
5.3.1. Скорость накачки ионных уровней в плазме лазеров на нарах металлов.
5.3.2. Парциальная скорость накачки ионных уровней
перезарядкой.
5.4. Расчетная модель кинетики накачки ионных лазерных переходов в ОС РПК.
5.4.1. Оптимальные условия разряда. Кинетические
уравнения.
5.4.2. Расчет парциальных коэффициентов для
несимметричной перезарядки.
5.4.3. Расчет констант скоростей столкновений 1-го и 2-го рода ионов рабочего вещества с электронами.
5.4.4. Расчет ненасыщенного коэффициента усиления
переходов.
5.5. Результаты расчета динамики инверсии и новые лазерные переходы.
ВЫВОДЫ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
Список литературы.
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена исследованию кинетики возбуждения импульсных газоразрядных лазеров (ИГЛ) на парах металлов с различными источниками накачки с применением автомодельных решений, а также поиску новых лазерных переходов в спектрах ионов металлов.
Актуальность темы. Создание современных систем высокоскоростной записи оптической информации, микрообработки материалов, зондирования параметров атмосферы, лазерного разделения изотопов и т.д. требует разработки эффективных лазеров, работающих в видимом диапазоне спектра. Одной из возможных реализаций данного класса лазеров, являются лазеры на парах металлов, генерирующие на переходах атомов и ионов металлов. Достаточно полное представление о состоянии и приоритетных направлениях исследований лазеров на парах металлов дают монографии [1, 2]. Лазеры на парах металлов сочетают высокую импульсную и среднюю мощности излучения, высокую частоту следования импульсов возбуждения, прекрасное качество выходного пучка, наряду с возможностью генерации ультрафиолетового излучения на ионных переходах, вместе со значительной надежностью и сроком службы. К настоящему времени разработаны физические и теоретические модели для аналитического, численного и подобного моделирования газоразрядных лазеров. Наибольшее внимание исследователи уделяли численному моделированию ИГЛ с продольным разрядом на переходах в атомах металлов (см., например [3]). Были рассчитаны кинетика образования плазмы, динамика населенностей возбужденных состояний и излучения лазеров в приближении максвелловской функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Сложность алгоритма многопараметрической оптимизации не позволила окончательно решить задачу оптимального моделирования ИГЛ [4]. Метод динамического подобия ИГЛ (см., например [5, 6]) позволил систематизировать
результаты экспериментов с ИГЛ на парах меди, бария и УФ-лазерами на
- 6-
молекулах азота с продольным разрядом и емкостным типом источника накачки. Для ИГЛ с одинаковыми активными средами, подобными конструкциями активных элементов и схемами источников накачки предложен метод физического моделирования ИГЛ [7].
Одновременно с моделированием ИГЛ на переходах в атомах развивались методы моделирования на переходах в ионах металлов. Известно [8], что в плазме отрицательного свечения (ОС) разряда поперечного типа - разряда с полым катодом (РПК) эффективно происходит возбуждение ионных лазерных переходов металлов за счет неупругих «перезарядочных» столкновений второго рода атомов металла с ионами инертного буферного газа. Развит метод аналитического расчета инверсии [9, 10] для ионных переходов таллия, кадмия, цинка и др. металлов в плазме ОС РПК. Результаты исследования позволили авторам рассчитать параметры известных и выявить ряд новых лазерных переходов. Однако оставался неизученным ряд веществ, потенциально пригодных для поиска новых перспективных лазерных переходов.
Заметим, что, несмотря на создание физических, численных моделей ИГЛ на парах металлов, различных методов моделирования, исследователям не удалось достигнуть взаимного соответствия рекомендаций по оптимизации ИГЛ и результатов, полученных с помощью различных методов.
Таким образом, вопросы, связанные с исследованием кинетики процессов в ИГЛ на нарах металлов с разрядами различных типов составляют одно из направлений развития радиофизики и являются1 актуальными.
Объектом исследования являются процессы в импульсных газоразрядных лазерах с различными способами накачки в продольном и поперечном разрядах среднего давления в смеси паров металла (Си, Ва, Ве, Са, Бг) в с буферным газом (Не, Ые. Аг, Кг).
- 7-
Предметом исследований являются инвариантные свойства системы кинетических уравнений и се автомодельные решения, описывающие развитие плазмы разряда ИГЛ и динамику населенности возбужденных состояний атомов и ионов металла (Си, Ва, Ве, Са, 8г) при возбуждении электронным ударом и реакцией перезарядки.
Цель диссертационной работы состояла в исследованиях кинетики возбуждения ИГЛ на парах металлов, а именно: для ИГЛ с продольным разрядом - в нахождении автомодельных решений дифференциальных уравнений, описывающих ИГЛ, а также в моделировании ИГЛ на парах Си, Ва с различными типами источников накачки; для ИГЛ с разрядом поперечного типа - разрядом с полым катодом - в поиске новых лазерных переходов в ионных спектрах Ве, Са, Эг при их возбуждении реакцией перезарядки в смеси паров металлов с буферным газом (Не, Аг, Кг).
Основные задачи состояли в:
- поиске масштабных преобразований системы дифференциальных кинетических уравнений и уравнения Больцмана для ФРЭЭ, описывающих развитие плазмы разряда ИГЛ на парах металлов;
- получении автомодельных решений системы кинетических уравнений, описывающих развитие разряда ИГЛ в течение импульса накачки;
расчете параметров плазмы и электрических характеристик ИГЛ на парах металлов (на примере Ва, Си) с продольным разрядом с различными типами источников накачки;
- разработке методики и расчете инверсии населенностей уровней ионов металла (Ве, Са, Бг) с поперечным разрядом при возбуждении реакцией перезарядки.
Научна;1 новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения и впервые полученными результатами:
> впервые поставлена и решена задача об определении масштабных преобразований системы кинетических уравнений, описывающих параметры плазмы и электрические характеристики разряда ИГЛ в течение импульса накачки;
> впервые поставлена и решена задача поиска автомодельных решений дифференциальных уравнений, описывающих параметры плазмы и электрические характеристики разряда ИГЛ в течение импульса накачки;
> впервые с помощью автомодельных решений поставлена и решена задача физического моделирования ИГЛ с продольным разрядом на парах Ва, Си и различными схемами источников накачки в течение импульса накачки;
> впервые поставлена и решена задача поиска автомодельных решений нестационарного интегро-дифференциального уравнения Больцмана,
, описывающего динамику ФРЭЭ в плазме ИГЛ в течение импульса накачки;
> впервые поставлена и решена задача определения возможности создания инверсии на новых ионных переходах Ве, Са, Бг в поперечном разряде в смеси паров металлов с буферным газом (Не, Аг, Кг) за счет реакции перезарядки.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты исследований инвариантных преобразований уравнений кинетики и нестационарного уравнения Больцмана, описывающих развитие плазмы и динамику ФРЭЭ в плазме ИГЛ в течение импульса накачки, в виде масштабных преобразований типа растяжения, сжатия (неоднородного, однородного).
2. Автомодельные решения уравнений кинетики и нестационарного уравнения Больцмана в течение импульса накачки, описывающие динамику параметров плазмы ИГЛ с продольным разрядом.
- 9 -
3. Результаты расчетов параметров плазмы и электрических характеристик импульсно-периодических продольных газоразрядных лазеров на парах металлов (Ва-Ие, Си-Ые) с различными схемами источника накачки.
4. Результаты исследовании кинетики плазмы ОС РПК в активных средах ионных лазеров на парах металлов (Ве-Не, Са-Аг, Са-Кг, Бг-Кг) и расчета инверсии на ионных переходах, создаваемой за счет реакции перезарядки.
Таким образом, положения и результаты диссертационной работы можно квалифицировать как решение новой научной задачи в области радиофизики - создание аналитических методов расчета кинетики, динамики и моделирования лазеров, в том числе с применением автомодельных решений.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные автомодельные решения позволяют: значительно упростить расчет
электрических характеристик, параметров плазмы и ФРЭЭ в импульсе накачки ИГЛ. моделировать электрические характеристики импульсных газоразрядных приборов среднего давления; выбрать оптимальную схему источника накачки ИГЛ; моделировать параметры разрядов и излучения ИГЛ при использовании различных схем источника накачки.
Найденные ионные лазерные переходы Ве, Са, 8г в поперечном разряде в смеси паров металлов с буферным газом (Не, Ат. Кг) расширяют набор лазерных переходов для научных исследований и решения прикладных задач.
Результаты проведенных исследований были использованы в ИОФ РАН, в ПИИ Физики ЮФУ, а также в учебной работе на Физическом факультете ЮФУ.
Соответствие диссертации паспорту' научной специальности.
Результаты диссертационной работы соответствуют паспорту специальности ВАК 01.04.03 - «Радиофизика» по пункту 1 — «Разработка
- 10-
физических основ генерации, усиления и преобразования колебаний и волн различной природы (электромагнитных, акустических, плазменных, механических), а также автоволн в неравновесных химических и биологических системах. Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и мощностей».
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов, научных положений и выводов обеспечивается комплексностью исследований, выбором математических моделей, адекватно отражающих реальные ИГЛ, применением эффективных, хорошо зарекомендовавших себя, математических методов анализа и решений систем дифференциальных уравнений, методов моделирования, соответствием результатов моделирования ИГЛ экспериментальным данным, полученным другими авторами. Наблюдаемое в экспериментах динамическое подобие параметров плазмы и излучения ИГЛ придает уравнениям кинетики плазмы групповой признак, наличие которого обосновывает использование метода группового анализа (симметрийного метода) для аналитического исследования ИГЛ. Сделанные в диссертации выводы о зависимости плотности энергии излучения ИГЛ от типа источника накачки нашли свое подтверждение в результатах экспериментов других авторов (см., например [1, 11]). Полученное автомодельное решение стационарного уравнения* Больцмана для ФРЭЭ при значении £=3/4 (в пренебрежении неупругими и электрон-электронными столкновениями) совпадает с максвелловским распределением. Найденные инварианты масштабных преобразований для нестационарной ФРЭЭ для стационарного случая переходят в известные соотношения подобия ФРЭЭ [12]. Справедливость предсказания 32 новых лазерных переходов подтверждается тем, что дополнительно с ними были
- Київ+380960830922