ь
Оглавление
Введение 5
1 Генерация электронных пучков в газах с целыо возбуждения газовых лазеров 19
1.1 Сравнение возбуждения активной среды газовым разрядом и электронным пучком 19
1.2 Физика генерации электронных пучков............................ 21
1.2.1 Условие убегания электронов.............................. 21
1.2.2 Эффективность генерации электронного пучка............... 22
1.3 Получение электронных пучков в газах........................... 23
1.3.1 Аномальный тлеющий разряд с холодным катодом............. 24
1.3.2 Разряд с пол мм катодом.................................. 24
1.3.3 Открытый разряд.......................................... 25
1.3.4 Механизм эмиссии электронов в открытом разряде........... 26
Выводы к главе 1 28
2 Разряды, с высокой эффективностью генерирующие электронные пучки 29
2.1 Экспериментальная техника...................................... 29
2.2 Распределение поля в ускорительном зазоре открытого разряда . . 31
2.2.1 Алгоритм расчета распределения потенциала................ 31
2.2.2 Сравнение теоретического расчета и экспериментальных данных .......................................................... 33
2.2.3 Параметры генерируемого в лазерной кювете электронного
пучка.................................................... 35
2.2.4 Динамика поля в ускорительном зазоре лазерной кюветы . . 36
2.3 Открытый разряд с катодной полостью............................ 38
2.3.1 Механизм эмиссии......................................... 38
2.3.2 Конструкция лазерной кюветы ............................. 40
2.3.3 Параметры электронного пучка в гелии .................... 41
ОГЛАВЛЕНИЕ З
2.3.4 Параметры электронного пучка в смеси гелий-ксеноп .... 42
2.3.5 Масштабируемость разряда .................................. 44
2.4 Широкоапертурный разряд............................................ 45
2.4.1 Экспериментальная установка и измеряемые параметры . . . 46
2.4.2 Непрерывный режим.......................................... 47
2.4.3 Квазинепрерывный режим..................................... 50
2.4.4 Импульсный режим........................................... 54
Выводы к главе 2 57
3 Импульсная генерации на переходе Ие(2]Р? — 2]S\) с А = 2.058у/т 60
3.1 Экспериментальное исследование генерации Не - лазера............ 61
3.1.1 Конструкция лазерной кюветы и условия эксперимента ... 61
3.1.2 Лазер в режиме генерации.................................. 61
3.1.3 Система генератор - усилитель............................... 62
3.2 Энергетические параметры лазера................................... 64
3.2.1 Расчет населенностей рабочих уровней........................ 64
3.2.2 Мощность генерации излучения................................ 66
3.3 Характеристики генерации в режиме сдвоенных импульсов............. 67
Выводы к главе 3 68
4 Измерение констант девозбуждения Ht(2lSo) в смесях с молекулярными газами 70
4.1 М(ггодика измерения констант девозбуждения /-/е(2150)............. 71
4.1.1 Экспериментальная установка................................. 71
4.1.2 Методика определения константы скорости..................... 72
4.1.3 Выбор метода регистрации населенностей МС................... 73
4.1.4 Требуемые параметры пробного излучения при методе поглощения ............................................................ 74
4.1.5 Погрешности измерения при разных контурах пробного излучения .......................................................... 77
4.2 Результаты измерений.............................................. 79
4.2.1 Измерение константы электронното девозбуждения.............. 79
4.2.2 Измерение констант тушения //е(216’0) молекулами ........... 81
4.3 Влияние различных процессов девозбуждения He(2lS0) на точность
измерения......................................................... 83
Выводы к главе 4
88
ОГЛАВЛЕНИЕ
4
5 Столкновительный режим генерации на самоограниченном переходе /7е(2]Р01 -21Ь\) 89
5.1 Расчет длительности генерации на переходе Не (21Р} - 2*^) с учетом различных механизмов девозбуждения рабочих уровней .... 90
5.2 Реализация квазииепрерывной генерации и обсуждение ее механизма 94
5.2.1 Механизмы восстановления генерации во втором импульсе . 94
5.2.2 Исследование параметров генерации в режиме возбуждения длинными импульсами.............................................. 96
5.2.3 Механизм квазииепрерывной сто.пкновительной генерации . 98
Выводы к главе 5 99
6 Накачка электронным пучком паро-газовых смесей с различными механизмами создания инверсии населенностей 100
6.1 Генерация на переходах иона таллия, накачиваемых в процессах перезарядки в смесях А/е — 77 н Не — Т1.................................100
6.1.1 Конструкция лазера........................................101
6.1.2 Экспериментальные данные..................................102
6.1.3 Механизмы образования инверсии населенностей и ограничения мощности генерации...........................................104
6.2 Квазинепрерывная генерация в смеси Не - Хе на переходе ксенона
с А = 2.026*011................................................ 107
Выводы к главе 6 109
Заключение 111
Список цитированной литературы 113
Список терминов и сокращений
125
Введение
5
Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Световые источники и лазеры используются в самых различных областях: обработке материалов, медицине, обработке и передаче информации, физических, химических и биологических исследованиях. Среди других лазеры на парах металлов обладают рядом привлекательных выходных параметров (дифракционное качество пучка, высокие средние и импульсные мощности). Наивысшее КПД l'e-нерации лазерного излучения при широко используемом газоразрядном возбуждении наиболее эффективных лазеров составляет- 1.5—3%.
Одним из вариантов дальнейшего увеличения энергетических параметров лазерной генерации и расширения набора активных сред, рабочих переходов и механизмов создания инверсии является применение электронно-пучкового возбуждения активной среды лазера |1,2|. Согласно модельным экспериментам и теоретическим расчетам использование электронно-пучковой накачки может привести к погонной мощности генерации до 10kW/m |3| (лазеры на парах Си и Ми), что является наивысшей величиной для любых газовых лазеров, работающих без режима быстрой смены рабочей среды.
В последнее время наблюдается существенный прогресс в методах генерации пучков заряженных частиц. Для возбуждения газовых лазеров перспективно применение низковольтных (3. .5) kV электронных пучков, генерируемых непосредственно в активных объёмах (внутри газовой среды). Это позволяет вводить его в активную среду лазера без использования дополнительных устройств типа разделительной фольги и газодинамических окон.
Таким образом, можно говорить о том. что, во-первых, задача дальнейшего улучшения параметров газовых лазеров, увеличения их мощности, эффективности генерации, расширения круга рабочих сред, пе|>еходов и процессов является актуальной, во-вторых, существуют методы её решения — это реализация и исследование электронно-пучкового возбуждения активных сред лазеров.
Цель работы
Исследование газовых разрядов, генерирующих электронный пучок с высокой
Введение
6
эффективностью, и их применение дня создания когерентных и некогерептпых источников излучения.
Решаемые задачи
1. Реализация и исследование различных типов разрядов с преобладающей ролью фотоэмиссии, перспективных для генерации электронных пучков с энергией
0.3...10keV: открытый разряд, открытый разряд с катодной полостью, широко&п-ертуриый тлеющий разряд.
2. Исследование физики и параметров генерации электронного пучка в широкоапертурном тлеющем разряде с сетчатым анодом.
3. Получение и исследование лазерной генерации на средах с различными механизмами создания инверсии при накачке электронным пучком, генерируемым в фотоэм иссиошIы х разрядах.
4. Моделирование и экспериментальное исследование гелиевого лазера, накачиваемого электронным пучком, генерируемым в открытом разряде.
5. Моделирование и экспериментальное исследование возможности перевода генерации на самоограниченном переходе гелия в столкновительный режим.
Научная новизна
1. Впервые осуществлен перевод генерации излучения на самоограниченном лазерном переходе в столкновительный режим с использованием двух универсальных механизмов девозбуждения нижнего метастабильного состояния: в столкновениях с электронами и молекулами.
2. Исследован новый тип разряда — широкоапертурный тлеющий разряде преобладанием фотоэмиссии, генерирующий электронный пучок с высокой эффективностью в простой геометрии.
3. Рассчитано распределение потенциала в ускорительном зазоре импульсного открытого разряда.
4. Измерены с указанием точности константы скоростей девозбуждения состояния /7e(2,S0) молекулами //20, yV 7/3, N20, С02. Для W20 данные были получены впервые.
5. При возбуждении электронным пучком получена генерация па новых линиях иона таллия: 1.92 /ли, 1.395 цт в смеси Ne - Tl.
Публикации
Автор имеет 1 патент и 7 опубликованных работ, в том числе по теме диссертации 7, работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 7.
П пакт и чес кая значи мость
1. Показано, что широкоапертурный тлеющий разряд позволяет генерировать электронный пучок с эффективностью г) «100% в непрерывном и кназинеггрерыв-ном режимах при давлениях газа единицы Torr в кювеге простой геометрии. Ши-
Введение
7
рокоапертурный тлеющий разряд можно использовать в качестве перепекгивпого источника электронного пучка.
2. Созданы высокотемпературные лазерные кюветы цилиндрической геометрии с большой апертурой с электронно-пучковым возбуждением. Результаты исследования демонстрируют масштабируемость разрядов, определяющих конструкцию кювет и используемых в качестве источника электронного пучка: открытого разряда и открытого разряда с катодной полостью. Показано, что использование электронного пучка эффективно для возбуждения лазеров с различными механизмами создания инверсии и позволяет получать новые линии генерации.
3. Осуществлено возбуждение газовых сред в режиме регулярных импульсов с высокими частотами следования в кюветах большого объема, что демонстрирует возможность реализации газовых лазеров большой мощности.
Защищаемые положения
1. В открытом разряде в импульсном режиме (длительность импульса <100 не) генерируемый электронный пучок практически моноэнергетичен с энергией, равной приложенному на катод напряжению. Моноэнергетичность обусловлена бес-стол к нови тельным ускорением электронов в области катодного падения потенциала, составляющей малую часть (<20%) величины ускорительного зазора катод — сетчатый анод.
2. В широкоапертурном тлеющем разряде с преобладанием фотоэмиссии существуют условия функционирования, характеризующиеся генерацией электронного пучка с близкой к единице эффективностью при падающей ВАХ.
3. В широкоанергурном тлеющем разряде в гелии основной вклад в фотоэмиссию вносит излучение с резонансного уровня, возбужденного во вторичных процессах: через ступенчатое возбуждение с нижних уровней и рекомбинационное заселение с верхних уровней.
4. При электронно-пучковом возбуждении комбинированный механизм девозбуждения нижнего мет&сгабильного состояния в столкновениях с электронами и молекулами приводит к перевод}' генерации излучения на самоограниченном лазерном переходе в квазинеирерывный столкновительный режим.
Личный вклад автора
Основные результаты получены автором лично. Е.В. Вельская принимала активное участие I? постановке задач, обсуждении результатов, подготовке статей. Из печатных работ, опубликованных диссертантом в соавторстве, в диссертацию вошли только те результаты, в получении которых она приняла непосредственное участие на всех этапах: от постановки задач и теоретического анализа до поведения экспериментов.
Апробация работы
Результаты были доложены па всероссийских симпозиумах "Лазеры на па-
Введение
8
рях металлов11 (Сочи, 2006, 2008. 2010), VII, IX и X международных конференциях "Atomic and molecular pulsed lasers"(Tomsk, 2007. 2009, 2011}, молодежных конкурсах - конференциях "Фотонмка и оптические технологии"(Новосибирск, 2008. 2010. 2011), международной научной студенческой конференции (Новосибирск. 2006).
Структура диссертации состоит из введения, шести глав и заключения. Диссертация изложена на 127 страницах, включает 55 рисунком, 8 таблиц и список цитируемой литературы из 142 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы работы, сформулированы ее цель и задачи, определены объекты исследования. Показаны научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, представлены основные научные положения, выносимые на защиту, описаны апробация работы, личный вклад автора, раскрыта структура работы, дана краткая характеристика каждой главы.
Первая глава носит обзорный характер. Описываются различные способы возбуждения активной среды газовых лазеров и указывается на преимущество элек-т}юнно -пучковой накачки в импульсно-периодическом режиме по сравнению с газоразрядным способом возбуждения. Описываются условия генерации электронного пучка в газах и его параметры в различных типах разрядов, используемых для накачки лазеров: аномальный тлеющий разряд с холодным катодом, разряд с катодной полостью, открытый разряд.
Открытый разряд реализуется в малом ускорительном зазоре между катодом и сетчатым анодом с дрейфовым пространством за анодом. Геометрические характеристики кюветы: расстояние между катодом и анодом /=i...3mm. I > 1П] где /„ — длина катодного падения потенциала (КПП) в нормальном тлеющем разряде, размер ячейки анодной сетки 6 < /, прозрачность сетки больше 85% (в оптимальном варианте I. з> ln-, à <§С /). При выполнении условия убегания электронов В » В Dr электроны, эмитированные с катода, ускоряются в разрядном промежутке, ионизуют и возбуждают газ в области без поля за сетчатым анодом. Открытый разряд в импульсном режиме (длительность импульсов <50 ns) может генерировать электронный пучок с эффективностью, близкой к 100%, тогда как эффективность генерации пучка электронов в аномальном тлеющем разряде составляет 50 — 70% при экстремальных условиях возбуждения. Это обусловлено различием в основных механизмах эмиссии электронов с катода: в открытом разряде преобладает фотоэмиссия, а в обычном аномальном тлеющем — эмиссия электронов в результате бомбардировки катода тяжелыми частицами.
Во второй главе описываются разновидности тлеющего разряда в газах, гене-
Введение
9
рирующего электронный пучок с высокой эффективностью.
В 2.1. описаны аппаратура регистрации и необходимые предварительные процедуры по подготовке кювет, предшествующие эксперименту.
В разделе 2.2 представлено численное моделирование распределения потенциала и напряженности поля в ускорительном зазоре импульсного наносекундного открытого разряда, приведенное на рис. 1. Величины потенциала на катоде и тока разряда взяты из экспериментальных осциллограмм.
а) />)
х. шт
Рис. 1. Распределение потенциала Ц(хЛ) (а) и напряженности электрического поля Е(х,і) (Ь) в ускорительном зазоре лазера; х — 0 соответствует местоположению катода, х - 1 пип — местоположению сетчатого анода; і = 0 — момент максимума тока; длительность тока на пол у высоте — 20 из
Было получено, что на протяжении импульса тока электрическое иоле концентрируется в узкой прикатодной области, составляющей 1Р ~ 0.1...0.2/, что согласуется с проведенными ранее зондовыми измерениями распределения потенциала в ускорительном зазоре открытого разряда. Поскольку длина области КПП 1Р мала, а напряженность электрического поля велика, то, во-первых, электроны ускоряются практически осз столкновений; во-вторых, размноженио электронов в области КПП незначительно и нет источника ионов; в-третьих, ионы, создаваемые вне области КПП, не успевают достичь катода в течение разрядного импульса. Поэтому самоподдерживание разряда осуществляется главным образом за счет фотоэмиссии. Полученная большая величина напряженности поля на катоде при максимальной амплитуде тока приводит к тому, что пучок электронов в каждый момент времени моноэнергетичен с энергией, равной еУ(£), с — заряд электрона. О'(і) — напряжение на катоде.
Особенностью реализованных лазерных кювет с открытым разрядом является использование катодов из Ь'гС. что позволило увеличить диапазон рабочих напряжений и давлений, поскольку объемное сопротивление материала уменьшает
Введение
10
возникновение катодных неустойчивостей, приводящих к ценообразованию. При длительных сроках эксплуатации (более 1000 часов работы) отсутствует распыление; катода, что свидетельствует о долговечности разрядных кювет с открытым разрядом.
Раздел 2.3. посвящен открытому разряду с катодной полостью. В этом разряде катод и анод разделены диэлектрической вставкой с отверстием, расположенной на расстоянии 1 шт от катода, тем самым образуется катодная полость. Анод при этом может располагаться непосредственно за диэлектрической вставкой, либо вне ее. Диэлектрическая вставка создает сильно неоднородное поле у катода |4|. при движении в котором ионы тратят энергию в основном в упругих соударениях (~ 759с) и на возбуждение резонансного состояния (25%). Ионы достигают катод в процессе амбииоляриой диффузии, не переносящей ток. В результате реализуется преимущественно фотоэлектронный механизм эмиссии электронов под действием ВУФ-из пучения из разряда, что объясняет получение практически 100% эффективности генерации элекпчюнного пучка.
В работах |4,5| в тестовых ячейках с плоскими электродами малого диаметра и коллектором электронов были исследованы свойства электронною пучка в открытом разряде с катодной полостью. В данной работе разряд реализован в цилиндрической геометрии и исследована возможность получения лазерной генерации при электронно-пучковом возбуждении. Экспериментально показано, что открытый разряде катодной полостью устойчиво функционирует в каждой катодной полости независимо от их количества и формы. Соответственно, значительное увеличение площади катода (ог 5=2.5ст2 в работе [5| до 5=2500ст2 и настоящей работе) и использование щелевых цилиндрических отверстий в катодной полости вместо крутых не приводит к потере стабильности разряда. Полученная в ис-епсдусмой цилиндрической кювете (диаметр катода £)=8.4ст. длина /,=110ст) плотность тока близка к реализованной в ячейке с диаметром плоского катода 1.8ст [5|. Этот факт указывает па масштабируемость открытого разряда с катодной полостью.
В разделе 2.4. исследуется широкоапертурный тлеющий разряд. Ранее было продемонстрировано, что эффективность генерации электронного пучка возрастает при увеличении диаметра катода и. соответственно, объема разряда (расстояние катод-анод сохранялось) |6]. В настоящей работе рсапизован и изучен разряд в плоской геометрии при диаметре круглого катода (1 ~ 20ст. Геометрически широкоапертурный тлеющий разряд отличается от открытого большей длиной разрядного промежутка I = Зет. при этом появляется требование бопьшой апертуры катода с тем, чтобы выполнялось условие (1^> I > 1п либо / :» 1п (в эксперименте ^ = 6 5/), необходимость высокой прозрачности сетки сохраняется, а неравенство 6 <§с / выполняется легче.
- Київ+380960830922