2
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ ___________________________________________________5
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ___________________________________14
§1.1. Кинетика образования возбужденных молекул халохе-нидов инертных хазов и особенности хенерации в
электроразрядном эксимерном лазере________________14
§ 1.2. Импульсно-периодические эксимерные лазеры на ха-
лохенидах инертных хазов__________________________21
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ _________________________________________________________29
§ 2.1. Стенд для исследования физических характеристик импульсно-периодическою эксимернохо лазера 29 § 2.2. Экспериментальная установка для исследования характеристик скользящею разряда в импульсно-перио-
. . дическом режиме __________________________________35
§ 2.3. Установка по проведению пиролиза 1,2 дихлорэтана
. при лазерном инициировании реакции_________________39
ГЛАВА Ш. РАЗРЯДНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ
. . СИСТЕМ В ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ РЕЖМЕ ___________43
§ 3.1. Электроразрядная система возбуждения объемною разря-. да с распределенным катодом___________________________44
§ 3.2. Электроразрядные системы с искровой УФ предыони-. . зацией ______________________________________________
§ 3.3. Электроразрядная система с плазменным электродом ______________________________________________ 56
3.3.
3.3.
ГЛАВА І § 4. § 4.: § 4.
§ 4.
§ 4. § 4. § 4. § 4.
- З - СТр4
І. Исследование скользящею разряда в импульснопериодическом режиме __________________________________57
2. Особенности использования скользящею разряда в качестве плазменного электрода в импульсно-периодическом режиме________________________________________67
У. ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕШСЧИК ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА____________________71
1. Зависимость энергетических характеристик ИПЭЛ от профиля скорости и скорости потока газовой смеси 71
2. Возмущения плотности газа, создаваемые акустическими колебаниями в эксимерном лазере ________________76
3. Экспериментальные результаты по наблюдению однородности разряда и энергетическим характеристикам ИПЭЛ в импульсно-периодическом режиме при изменении доли Хе в газовой смеси НС1:Хе:Не________________83
4. Анализ основных кинетических процессов разряда, определяющих концентрацию электронов в смеси
, НС1:Хе:Не_________________________________________89
5. Изменение локального энерговклада при флуктуации . плотности газа в смеси НС1:Хе:Не___________________
6. Изменение локального энерговклада длн газовой
. смеси 52* Хе,..К£ „ Не. . . НО
7. Установление стационарного уровня мощности ге-----------
нерации в ИПЭЛ ___________________________________ ИЗ
8 Снижение мощности излучения ХеСІ-лазера в результате изменения состава газовой смеси в-процессе работы ^22
- 4 -
стр,
§ 4.9. Расходимость излучения ИП2Д_____________________132
ГЛАВА У. ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО XeCI ЛАЗЕРА
В ХИМИИ ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ____________ 137
§ 5.1. Экспериментальные результаты по пиролизу 1,2 дихлорэтана с помощью излучения XeCI лазера *41
§ 5.2. Кинетическое рассмотрение реакции пиролиза
1,2 дихлорэтана_________________________________150
§ 5.3. Обсуждение экспериментальных результатов в рамках
предложенной кинетической модели пиролиза 1,2 дихлорэтана ______________________________________158
§5.4. Синтез винилхлорида при действии импульсно-периодического скользящего разряда ________________________155
Основные выводы______________________________________________159
Заключение *74
Цитируемая литературы
175
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Первые сообщения об эксимерных лазерах на галогенидах инертных гавов относятся к 1975 году / 1,2 /. Интерес, возникший к лазерам на галогенидах инертных газов, обусловлен их высокими энергетическими параметрами. Спектр генерации этих лазеров попадает в УФ область и при использовании лазеров на красителях появляется возможность плавной перестройки спектра излучения.
В последние годы определился ряд направлений использования этих лазеров: разделение изотопов, лазерная химия, высокая очи -стка вещества и т.д. Этот спектр приложений, как и целый ряд научных задач, требуют создания лазеров, работающих в импульснопериодическом режиме с частотой несколько сотен герц и средней мощностью десятки ватт. Например, для наработки весовых количеств изотопов вопрос о создании импульсно-периодических эксимерных лазеров (ШЭД) с энергией генерации в импульсе "I Дж при частоте следования импульсов сотни герц и низкой расходимости излучения имеет принципиальное значение / 3 /. При создании подобного класса лазеров необходимо решать физико-технические проблемы, связанные, например, с вводом энергии в активный объём за времена, меньшие времени развития неустойчивости в разряде, возникающей в результате флуктуации плотности газа в межэлектродном промежутке из-за действия акустических.колебаний; вопросы, связанные с ресурсом.работы газовой смеси. , .......
Исследования, проведенные за период 1975-1983 гг..позволили поднять энергию генерации электроразрядных эксимерных лазеров с 0,1 до 2 Дж / 4,5,6 / в моноимпульсном режиме. В недавней публикации / 7 / достигнута энергия генерации 13,8 Дж при использовании формирующей линии, заряжаемой до~190 кВ, которая в по-
- 6 -
следующем коммутировалась многоканальным искровым разрядником на разрядный промежуток. Однако, при использовании тиратронного коммутатора в импульсно-периодических электроразрядных системах приходится снижать зарядные напряжения на накопительной ёмкости до 40 кВ, а, кроме того, тиратрон имеет фронт нарастания тока *'5.10*® А/с , что существенно ниже, чем у разрядника. В силу этого энергия и эффективность лазерных систем в импульсно-периодическом режиме резко уменьшается. Посредством усложнения системы возбуждения разряда, как, например, в / 8 /, удается достигнуть энергии в импульсе^0,2 Дж в частотном режиме, но при этом падает надежность системы и усложняется её эксплуатация. В целом ряде работ энергия генерации ИПЭЛ не превышает^0,1 Дж / 9-12 /.
Создание и исследование объёмного разряда в импульсно-периодическом режиме, обеспечиващего энергию генерации лазера Дж, является основной задачей при создании мощных ИПЭЛ.
При решении этой задачи возникает физическая проблема, связанная с уменьшением энергии генерации в импульсе по мере роста частоты следования импульсов разряда. Это происходит в.результате возникающих неоднородностей вклада энергии в разряд, являющихся следствием возмущений плотности газа в мекэлектродном. .. промежутке / 13,15 /. Как показано для.СО^-ИПЛ, уменьшение энергетических характеристик.происходит в результате действия следующих возмущающих процессов: адиабатического расширения пробки нагретого газа, влияния пограничных слоёв на электродах, ударных волн, акустических колебаний. Эксимерные ИГЗЛ, имея некоторую общность в устройстве с СС^-ИПЯ, отличаются от последних: составом газовой смеси, режимом ввода энергии в разряд (импуль-
-7-
сная мощность, вводимая в единицу объёма ШЭД, на порядок выше, чем в СС^-ИПД). Это приводит к различию в характере кинетических процессов в плазме разряда эксимерного лазера. В свою очередь, изменится и степень влияния возмущений плотности газа на величину флуктуации локального энерговкдада в различные части разряда.
Исследование вопроса о причинах снижения мощности лазерного излучения во времени в результате изменения состава тазовой смеси предполагает детальный анализ роли плазмохимических реакций в образовании продуктов в разряде, способных в дальнейшем влиять на выходную лазерную мощность посредством тушения возбужденных эксимерных молекул или поглощения излучения лазера. . Сечения этих процессов могут быть достаточно большими / 16,17 /.
Целью данной работы явилось: экспериментальное и расчетное исследование основных физических процессов и явлений,протекающих в ШЭД, определяющих его энергетические параметры, ресурс работы газовой смеси и электродной системы, расходимость лазерного излучения; получение требуемой энергии генерации в.импуль-се~1 Дж, частоты повторения импульсов ~Ю00 Гц, КЦД ~1%.
Диссертация.состоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения.
В первой главе рассмотрены свойства эксимерных молекул, кинетика их образования, процессы тушения возбужденных молекул, процессы фотопоглощения, происходящие в электроразрядных лазерах на галогенидах инертных газов. Выделены основные направления в исследовании лазеров данного класса: создание надежных и эффективных систем возбуждения объёмного разряда в газовых смесях эксимерного лазера; исследование причин ограничения энерге-
- 8 -
тических характеристик и.процессов, приводящих к снижению лазерной мощности со временем. Проведенное рассмотрение позволило сформулировать конкретные задачи исследований.
Во второй главе представлены описания экспериментального стенда для исследования физических характеристик ШЭИ, установки и методики исследования характеристик скользящего разряда в импульсно-периодическом режиме работы, экспериментальной установки для проведения реакции пиролиза 1,2 дихлорэтана при лазерном инициировании процесса.
В третьей главе излагаются результаты исследования разрядных и энергетических характеристик объёмного разряда в газовых смесях ИПЭЛ. Рассмотрены системы возбуждения разряда, имеющие геометрию, при которой продув газа осуществляется как поперёк, так и вдоль линий тока разряда при использовании частично прозрачных для потока газов электродов. Исследованы системы как с металлическими, так и электродом с распределённым сопротивлением. Для ИПЭЛ рассмотрен оптимальный режим ввода энергии накачки Ю12 А/с) при условии работы с индуктивным коммутатором, что позволило получать энергию генерации ~1,0.Дж с объёма~0,3 л при импульсно-периодическом режиме работы. Проведено исследование влияния УФ-предыонизации на энергетические характеристики ИПЭЛ. Одним из эффективных дредыонизаторов, используемым как в СО2» так и в эксимерных моноимпульсных системах, позволяющим получать высокие удельные лазерные характеристики при высокой однородности разряда, является скользящий разряд по поверхности диэлектрика. Применение его в ИПЭЛ потребовало проведения исследований по изучению области существования однородного скользящего разряда в импульсно-периодическом режиме .
- 9 -
Исследования показали, что незавершенный скользящий разряд как в инертных тазах,так и в смеси с молекулами галогенов в широком интервале давлений (до 4 атм), частоты следования импульсов разряда (до 10 кГц) сохраняет однородность (—10 кан/см ) без продува тазовой смеси. В этих же условиях завершенный скользящий разряд при энерговкладах, превышающих характерные вклады в объёмный разряд (^ 500 Дж/л).остается однородным на частотах следования импульсов до 500 Гц. Время его работы обусловлено, скоростью теплоотвода и электрической прочностью диэлектрика. Создана и исследована электроразрядная система со скользящим разрядом в качестве одного из электродов, обладающая улучшенной однородностью объёмного разряда по сравнению с системами возбуждения с искровой УФ- предионизацией.
В четвертой главе представлены результаты исследования физических характеристик созданного ИПЭЛ. В частности, проанализировано влияние скорости продува газовой смеси и профиля скорости газового потока на энергетические характеристики ШЭД. Экспериментально было исследовано влияние возмущений плотности газа на уменьшение энерговклада в объёмную часть разряда. Наблюдения разряда в смеси НС1:Хе:Не показали, что его однородность при импульсно-периодическом режиме работы и энергетические характеристики зависят от концентрации Хе. Рассмотрены основные кинетические процессы в плазме разряда, определяющие временную эволюцию концентрации электронов. Решением соответствующих кинетических уравнений была рассчитана величина связи относительного изменения локального энерговклада в разряд с уровнем флуктуаций плотности газа, а также показана зависимость этой связи от концентрации Хе.
- 10 -
Экспериментальными исследованиями установления стационарною уровня мощности в ШЭЯ определено характерное время (число импульсов) уменьшения энергии генерации от уровня моноимпульс-ного режима до некоторого значения энергии, соответствующей данной частоте следования импульсов. Это уменьшение является результатом влияния звуковых волн, которые сложным образом интерферируют в газодинамическом канале ШЭЯ, усиливаясь от импульса к импульсу до соответствующего стационарного уровня.
Установлены причины снижения мощности лазерного излучения при длительном ( I час-, / = 100 Гц) режиме работы.ШЭЯ .показавшие, что в контуре ШЭЯ происходит накопление CIg, который (как в равной степени и CI“) поглощает лазерное излучение, уменьшая тем самым энергию генерации.
В пятой главе приведены результаты по пиролизу 1,2 дихлорэтана при лазерном инициировании реакции. Экспериментально проведен поиск физических условий, при которых воздействие лазерного излучения на пиролиз 1,2 дихлорэтана наиболее эффективно. Измерение квантового выхода реакции показало, что его значение является функцией температуры и линейно уменьшается с ростом лазерной мощности. Экспериментально было установлено, что в ■.процессе пиролиза образуются, а затем гибнут продукты, интенсивно поглощающие лазерное излучение с Я = 308 нм. Отмечается также, что в условиях проведения эксперимента, когда апертура лазерного излучения меньше сечения реакционного объёма, заметное влияние на величину конверсии (степень превращения 1,2 дихлорэтана) оказывают процессы диффузии атомарного хлора из зоны облучения. Принятая в литературе схема.пиролиза даже качественно не описывала наблюдаемые результаты. Проведенное рассмотре-
II
ние позволило выбрать кинетическую схему, в рамках которой удаётся объяснить основные экспериментальные результаты как при тепловом пиролизе, так и при инициировании его лазерным излучением.
- 12 -
К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЖШ СВДДЭДИЕ ОСНОВНЫЕ П0Л0ЖПЇЇ:
1. Скользящий разряд по поверхности диэлектрика сохраняет однородность (~10 кац/см) без продува газовой смеси, содержащей инертные газы с молекулами галогенов при давлении>I атм, в интервале частот повторения импульсов до 10 кГц при зарядке распределенной ёмкости диэлектрика (незавершенная стадия) и 500 Гц в завершенной стадии.
В предложенной и исследованной электроразрядной системе в ИПР использование плазменного электрода в виде скользящего разряда, в отличие от металлического электрода, исключает в объемном разряде формирование вблизи плазменной поверхности сильноточных каналов.
2. Структура свечения разряда в импульсно-периодическом режиме повторяется от импульса к импульсу для ряда выделенных частот следования импульсов. Это указывает на то, что распределение плотности газа в меяэлектродном промежутке к началу очередного импульса сохраняется. Для этих выделенных частот амплитуда возмущений плотности газа увеличена, что приводит к провалам мощности генерации.
3. Определено характерное число импульсов разряда, за которое мощность лазерного излучения выходит на стационарный уровень для частот следования импульсов, при которых существенно влияние газодинамических возмущений.
4. Граничная частота следования импульсов разряда, т.е. частота, при которой энергия генерации в импульсе начинает уменьшаться, зависит от концентрации Хе в газовой смеси. Снижение энергии генерации в импульсе происходит в результате изменения локального энерговклада в различных частях разрядного объема, вызываемого флуктуациями плотности газа в межэлектродном промежутке.
- 13 -
Аналитически выявлена зависимость параметра, связывающего изменение локального энерговклада в разряд с относительными Флуктуациями плотности газа, от поведения во времени концентрации электронов в плазме разряда и доли Хе в смеси. Величина этого параметра на начальном участке роста концентрации электронов определяется процессами прямой, а на конечном - ступенчатой ионизацией и процессами гибели электронов.
5. Снижение лазерной мощности ХеС1- ИПЭЛ ,по сравнению с ее начальным уровнем, связано с поглощением лазерного излучения молекулами С12 и отрицательными ионами С1~, образующимися при протекании плазмохимических реакций в процессе работы.
6. Возмущения плотности газа, возникающие в ИПЭЛ на частотах следования импульсов разряда до /^700 Гц и энерговкладах в разряд до 400 Дзк/л, не оказывают влияния на расходимость лазерного излучения 0>3 • 1СГ^ рад.
7. Лазерное излучение (Я =308 нм) эффективно инициирует радикально-цепную реакцию пиролиза 1,2 дихлорэтана. При этом пиролиз может проводиться при пониженных температурах £*350-400°С,за счет чего достигается более высокая степень чистоты получаемого продукта винилхлорвда по сравнению с традиционными условиями пиролиза (£*550°С), при величине конверсии ~60$.
8. Квантовый выход реакции пиролиза 1,2 дихлорэтана уменьшается линейно с ростом мощности лазерного излучения, что связано
с поглощением инициирующего излучения промежуточными продуктами реакции.
Вследствие диффузии атомарного хлора из зоны облучения, величина конверсии зависит от геометрии апертуры излучения лазера.
Защищаемые положения обуславливают и научную новизну диссертации.
14
ГЛАВА І. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
При изучении соединений А№, А'г.СО. впервые наблюдалась интенсивная УФ флуоресценция этих молекул в работе / 20 /. Впо-следущем авторы работы / 21 / предложили новый тип газовых лазеров на основе галогенидов инертных газов, а Сирлес и Харт / I/ при возбуждении электронным пучком впервые получили вынужденное излучение на Уе$т ( Я- ~ 281,8 нм). В работе /2 / было получено стимулированное излучение на ХеР* (Л.~350 нм). Впоследствии почти на всех молекулах галогенидов инертных газов удалось получить стимулированное излучение как при возбуждении пучком быстрых электронов, так и самостоятельным разрядом. В настоящее время на галогенидах инертных газов получены рекордные уровни мощности и энергии излучения в УФ области спектра. Созданы импульсно-периодические эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов со средней мощностью порядка ста ватт / 8,22 /, использование которых в различных областях науки, техники и промышленности обещает большие перспективы.
Остановимся кратко на физических особенностях молекул . галогенидов инертных газов, кинетике их образования, механизме генерации и условиях возбуждения самостоятельным разрядом.
§ І.І. Кинетика образования возбужденных молекул
галогенидов инертных газов и особенности генерации в электроразрядном эксимерном лазере.
Качественная схема электронных термов молекулы галогенидов инертных газов представлена на.рис. І.І. Основное состояние
О
системы состоит из двух подуровней. Один из них-терм П,всегда
- 15 -
СС
с\|
Рис. 1.1 Диаграмма потенциальных кривых галогенидов инертных газов.
-16 -
л
отталкнвателъный, другой £ обладает наименьшей энергией и ему соответствует почти горизонтальная потенциальная кривая, или, в крайнем случае, он является слабосвязанным. Для молекулы ХеЗ? эта связь равна~1065 см“*, а ХеС1 ~255 см”* / 7 /. Верхнее лазерное состояние характеризуется ионной связью и коррелирует при бесконечном межбдерном расстоянии с состоянием 2Р иона инертного газа /?*, X галогена. При малом межъядерном расстоянии верхнее лазерное состояние расщепляется на два уровня 2£ и 2 П .
Спектр испускания галогенидов инертных газов состоит из нескольких полос. Излучение в любой из полос связано с переходом валентного электрона от отрицательного иона галогена.(верхнее состояние) к атому инертного газа (нижнее состояние). Наиболее интенсивная полоса идентифицируется с переходом В {3£ )
X (г£ ), что соответствует переходу, на котором и работают эксимерные лазеры. При высоких давлениях газа в спектре излучения наблюдаются ярко выраженные пики, обусловленные высокорасположенными колебательными уровнями верхнего электронного состояния / 2 /. При низком давлении (« I атм) колебательная структура выражена слабо, и полоса смещается в коротковолновую часть спектра / 21 /. Это смещение обусловлено переходами с высокорасположенных колебательных уровней, которые обычно тушатся
при высоком давлении. ........................... -
Образование эксимерных молекул в активном объёме лазера .. при его возбуждении электрическим разрядом может протекать несколькими каналами, например:
е + Кг —*- Кг* + е (1.1)
Кг* + — КгР* + Р (1.2)
- Київ+380960830922