Исследование электроразрядных эксимерных лазеров

Исследование электроразрядных эксимерных лазеров

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ

1.1. Влияние системы предыонизации на работу XeCl-лазера

1.1.1. Общая характеристика систем предыонизации

Одним из важнейших факторов, влияющих на работу электроразрядных

эксимерных лазеров, является предыонизация активной среды [1-3]. Она

оказывает существенное влияние на устойчивость разряда, его однородность,

длительность объемной стадии, стабильность генерации и ресурс работы

лазера. В [4] показано, что предварительное ультрафиолетовое (УФ) облучение

газового объема сокращает время развития пробоя, способствует формированию

объемного разряда. С увеличением интенсивности облучения уменьшается

напряженность поля, при которой возникает диффузный разряд. Происходит это

потому, что УФ-ионизация создает некоторое начальное количество свободных

электронов, которые становятся центрами инициирования разряда. Для всех

газоразрядных лазеров, использующих поперечный разряд, важное практическое

значение имеет решение вопроса о минимальной плотности электронов

предыонизации и однородности их распределения, необходимой для формирования

однородного разряда. В случае малого количества начальных электронов

происходит независимое развитие рождаемых ими лавин. В окрестности каждой

лавины нарастает искажение внешнего поля потенциалом пространственного

заряда, который возникает в ходе ионизационного размножения частиц в лавине

[4]. После прохождения лавиной некоторого критического расстояния она

порождает стример. Формирование однородного разряда достигается в случае,

когда пробой газоразрядного промежутка происходит при одновременном

развитии множества электронных лавин и их взаимном перекрытии до того, как

они пройдут критическое расстояние. При этом искажающее действие поля

пространственного заряда каждой отдельной лавины будет подавлено

коллективным действием остальных лавин во всем объеме. В [5] показано, что

существует критическое расстояние между начальными электронами

предыонизации, которое определяет минимальное значение концентрации

электронов предыонизации в разрядном объеме.

ne > (4De Xкр/(др)-3/2,

(1)

где De и (др – коэффициент диффузии и дрейфовая скорость электронов, а

Xкр – критическое расстояние. Оценка минимальной концентрации начальных

электронов дает значение ~106-108 см-3. Причем, повышение начального уровня

предыонизации и напряжения на электродах, а также увеличение скорости его

нарастания всегда способствует улучшению однородности разряда [6].

В [7] исследовалась зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от

уровня предыонизации. Показано, что выходная энергия не зависит от уровня

предыонизации, когда ne > 108 см-3. При ne~107 см-3 она уменьшается на 10%,

а при ne ~106 см-3 наполовину. Данное снижение уровня предыонизации

приводит к значительному нарушению однородности разряда и уменьшению

энергии генерации. Согласно [7] концентрация электронов предыонизации при

отсутствии напряжения между лазерными электродами может быть представлена

[pic], [pic] (2)

где ne - концентрация электронов предыонизации; nHCl - концентрация молекул

НCl; ( – эффективная скорость диссоциативного прилипания электронов к НС1;

S0 - скорость образования электронов под действием внешнего ионизатора.

Тогда

[pic][pic] [pic]. (3)

Из (3) видно, что концентрация электронов выходит на насыщение при ne =

S0/(nHCl c постоянной времени (0 = 1/(nHCl. Оценим порядок величин

определяющих величину выражения (3). Рассмотрим два случая.

1. Осутствует внешнее электрическое поле Е/N=0. В этом случае

величина ? ~ 10-10 -10-11 см-3/с [1]. Концентрация молекул HCl в основном

колебательном состоянии ~ 1016 см-3. Тогда (0 = 1/(nHCl ~ 10-6 c. Если S0

= 1015 см-3/с, то концентрация электронов возрастает до ne ~ 109 см-3 за

время порядка (0.

2. На электроды лазера подается импульс напряжения. В этом случае Е/N

отлично от нуля, что приводит к тому, что электроны начинают приобретать

энергию от электрического поля, а электронная температура Те начинает расти

и отрываться от температуры нейтральных частиц. Электронная температура Те

~ E/N. Поэтому по мере роста E/N увеличивается вероятность возбуждения

нейтральных атомов электронами. Процессы прилипания еще полностью

доминируют над процессами ионизации, то есть нет развития электронных

лавин, но уже идет накопление нейтральных атомов в возбужденных состояниях.

Это приводит к тому, что увеличивается величина S0, так как теперь

ионизироваться УФ- подсветкой могут частицы не только из основного, но и

возбужденного состояния (при этом предыонизация вкладывает в активную среду

туже энергию, что и ранее, но увеличивается концентрация электронов). Тогда

концентрация электронов описывается выражением

[pic][pic], (4)

?ne - увеличение выхода электронов. Можно показать, что уменьшение

порога пробоя основного лазерного промежутка под действием предыонизации

обусловлено действием именно этого механизма. Таким образом,

предыонизация активной среды осуществляется не мгновенно, а в течение

определенного времени (. В этой связи важно определить оптимальное время

действия предыонизации и установить взаимосвязь ? с энергетическими

характеристиками XeCl-лазера при различных типах предыонизации. Поэтому

представляется целесообразным провести комплексное исследование влияния

параметров и режима работы контура предыонизации на генерационные

характеристики лазера.

1.1.2. Условия и техника эксперимента

Исследования проводились на эксимерном электроразрядном лазере,

излучатель и система предыонизации активной среды которого выполнены

аналогично описанным в (8( и представлены на рис.1. Излучатель представлял

собой диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой располагались

профилированный цельнометаллический анод (А), сетчатый катод (К) и электрод

предыонизации (ЭП). Предыонизация активной среды в межэлектродном

промежутке (МП) осуществлялась излучением разряда из-под сетчатого катода

при подаче импульса высокого напряжения на электрод предыонизации. Такое

расположение системы предыонизации позволило максимально приблизить

источник ионизирующего излучения к зоне основного разряда и достичь

однородного распределения начальных электронов в МП. Основной разрядный

объем составлял 90х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На торцах разрядной

камеры располагался резонатор лазера, который был образован плоским

зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.

Возбуждение поперечного разряда осуществлялось системой возбуждения

(СВ), выполненной по типу LC-контура (рис.1,а) и LC-инвертора (рис.,1б).

Например, LC-инвертор [9] включал накопитель энергии (НЕ) на С1 и С2,

которые от источника постоянного высокого напряжения через резисторы R1 и

R2 заряжались до напряжения Uo. После срабатывания коммутатора РУ, в

качестве которого использовались управляемые разрядники РУ-65, через L2

происходила инверсия напряжения на С2, и через индуктивность L1

осуществлялась зарядка обострительной емкости (ОЕ) Со до напряжения,

близкого к двойному зарядному. ОЕ Со была подключена к электродам лазера с

минимально возможной для данной конструкции индуктивностью Lо.

В процессе экспериментов величины L1 и Lо были сведены к минимуму,

который позволяла конструкция лазера, и составляли 7 и 3,5 нГн

соответственно. Величина L1 определялась из осциллограмм напряжения

холостого хода на Со. Для исключения зажигания основного разряда разрядная

камера в этом случае заполнялась азотом и отключалась предыонизация.

Величина Lо определялась из осциллограмм разрядного тока в контуре LоСо.

Исследования проводились на электроразрядном эксимерном лазере с

параметрами: С0=22 нФ, С1=155 нФ, С2=56 нФ.

Разряд предыонизации возбуждался от отдельного LC-контура включающего

Спр – накопительную емкость, Lпр – индуктивность в контуре предыонизации,

РУ1 – коммутатор. Это позволяло регулировать задержку между предыонизацией

и основным разрядом с помощью системы запуска разрядников РУ1 и РУ. Спр

заряжалась от источника постоянного высокого напряжения через резисторы R3

и R4 до напряжения Uo.

На рис.1,а представлено сечение электрода емкостной предыонизации.

Диэлектрик на электроде предыонизации представлял собой шестислойное

лавсановое покрытие общей толщиной 0.3 мм. Отличительной особенностью

предыонизации являлось то, что емкостной разряд зажигался на большой

площади ~(100х3) см2. Этим компенсировалась меньшая по сравнению с

сильноточной искрой эффективность образования ионизирующего излучения.

Минимальный радиус кривизны поверхностей электрода составлял 5 мм. Рабочая

поверхность электрода предыонизации находилась на расстоянии 3 мм от

поверхности основного сетчатого электрода, причем это расстояние в ходе

экспериментов могло изменяться от 1 до 6 мм. Разряд, обеспечивающий

предыонизацию основного разрядного промежутка, возникал между сетчатым

катодом (К) и поверхностью диэлектрика электрода предыонизации. Подача

импульса напряжения на электрод предыонизации осуществлялась по четырем

вводам, равномерно расположенным вдоль электрода предыонизации согласно

электрической схеме, представленной на рис.1,а.

Наряду с рассмотренным типом предыонизации в электроразрядных

эксимерных лазерах широко используется искровая предыонизация. Она обладает

значительно большим ресурсом по сравнению с другими видами предыонизации.

Основной недостаток искровой предыонизации состоит в том, что она не

обеспечивает однородную ионизацию активной среды. Кроме того, при

образовании сильноточной искры между электродами, происходит выброс металла

с поверхности, частицы которого загрязняют активную среду.

В описанный выше лазер вместо электрода емкостной предыонизации

помещалась диэлектрическая матрица, содержащая 90 штыревых электродов,

расположенных, на расстоянии 1 см друг от друга в один ряд таким образом,

чтобы зазор между сетчатым катодом и каждым штыревым электродом составлял 6

мм (см. рис.1,б). Искровые разряды создавались между сетчатым катодом и

штыревым электродом. Каждый искровой промежуток питался от отдельного

конденсатора при срабатывании общего для всех управляемого разрядника РУ1.

Для исследования описанного лазера была создана экспериментальная

установка, блок-схема которой приведена на рис.2. Она состоит из

исследуемого лазера, вакуумной системы и системы газонаполнения (ВС и СГН),

источника высокого постоянного напряжения (ИВН), системы управления и

системы регистрации.

Вакуумная система и система газонаполнения разработаны и смонтированы

в виде единого блока, схема которого представлена на рис.3. Основными

узлами вакуумной системы являются: форвакуумный насос НВР-40 (1) и

высоковакуумный "Норд 250" (2), соединенные между собой посредством

вентилей (3) и (4). Для поглощения паров масла в вакуумную магистраль

включена ловушка (5), охлаждаемая жидким азотом. Измерение вакуума

осуществлялось термопарным вакууметром ВИТ-1А с лампой ПМТ-2 (6). Вакуумная

система отделена от системы газонаполнения запорным вентилем (7). Вентили

(3,4 и 7) имеют проходное сечение 20 мм.

Система газонаполнения состоит из 8 вентилей (8-15), газопроводов и

баллонов. Гибкие полиэтиленовые газопроводы соединяют вентили (8-13) и

баллоны с гелием, неоном, аргоном, ксеноном, хлористым водородом, смесью

хлористого водорода с гелием соответственно. Вентиль (14) является

выхлопным, а (15) – резервным. Через вентиль (16) к системе подключен

стрелочный вакуумметр (17) для измерения низких парциальных давлений

газовых компонент. Вакуумметр ВО-1227, класса точности 0,25 позволял

измерять давления от 2 мм рт.ст. до атмосферного. Для измерения давлений,

больших 1 атм., служил манометр (18).

Через вентиль (19) и газопровод (20) компоненты рабочей смеси

поступают в камеру лазера. Давление рабочей смеси контролируется манометром

(21). Манометры МО-11202, класса точности 0,4, позволяли измерять

абсолютное давление от 1 атм. до 5 атм. При используемых рабочих давлениях

(2-4 атм.) погрешность измерений составляла менее 1%.

Методика приготовления рабочей смеси заключается в следующем. При

открытых вентилях (3), (7), (16) и (19) насос (1) откачивает камеру лазера

до давления (10-2 мм рт.ст. Для обеспечения более высокого вакуума,

например, при обезгаживании лазерной камеры, включался насос (2),

открывался вентиль (4), а вентиль (3) закрывался. При достижении

необходимого разрежения вентилем (7) отключалась вакуумная система от

системы газонаполнения, выключались насосы, и начиналось приготовление

рабочей смеси. Первой напускают ту компоненту, которая имеет наименьшее

парциальное давление. Дальше напуск газов осуществляется в очередности

возрастания парциального давления компонент. Низкие парциальные давления

измеряются вакуумметром (17). Поскольку в смеси используется давление

хлористого водорода (1 мм рт.ст., то для повышения точности измерений

использовался не чистый HCl, а его смесь с гелием в соотношении 1:19,

которая предварительно приготавливалась. Перед напуском буферного газа

(гелий, неон, аргон) вентиль (16) закрывался и вакуумметр (17) отключался

от системы. В экспериментах, использовались газы следующей степени чистоты:

Хе – 99,9987%, HCl – 99,4%, Ar – 99,98%, Ne – 99,99%, He – 99,99%.

Источник ИВН обеспечивает на выходе регулируемое постоянное

напряжение до 50 кВ и максимальный ток 20 мА. Контроль высокого напряжения

осуществлялся киловольтметром класса точности 1,5. При используемых рабочих

напряжениях 30-40 кВ, ошибка составляла около 2%.

Система управления лазером содержит генераторы Г1 и Г2, и блоки

поджигов разрядников РУ1 и РУ – БП1 и БП2 соответственно (см. рис1.3 и

1.4.). В качестве Г1 и Г2 использовались генераторы Г5-54 или их аналоги.

Блоки поджига разрядников формируют импульсы высокого напряжения амплитудой

40 кВ, длительностью 30 нс и фронтом нарастания (10 нс.

Описанный выше лазер работает следующим образом. Предварительно

лазерная камера вакуумируется, после чего приготавливается рабочая смесь.

От источника высокого напряжения через зарядные резисторы R1 и R2

заряжаются накопительные емкости С1 и С2 (или С1), а через R3 и R4 –

емкость Спр. Генератор импульсов Г1 запускает блок поджига БП1.

Синхроимпульсом запускается генератор Г2, который через регулируемую

задержку запускает блок поджига БП2, и осциллограф 6ЛОР-04. БП1 поджигает

разрядник в контуре возбуждения предыонизации РУ1 и емкость Спр разряжается

на промежуток катод-электрод предыонизации. Блок БГ2 запускает разрядник

системы возбуждения основного разряда РУ. Введение задержки между запуском

БП1 и БП2 позволяет осуществить предыонизацию активной среды до начала

основного разряда. После срабатывания РУ (в случае LC-контура) емкость С1

через L1 заряжает С0. После пробоя межэлектродного промежутка, С0 через L0,

а С1 через L0 + L1 разряжаются на него. В случае LC-инвертора после

срабатывания РУ на емкости С2 происходит инверсия напряжения, емкости С1 и

С2 включаются последовательно, напряжение на них удваивается. Дальнейшие

процессы аналогичны условиям работы LC-контура.

В работе осуществлялась одновременная регистрация энергии,

длительности и формы импульса генерации, временного поведения разрядного

тока и напряжения, спектрального состава излучения. Излучение лазера с

помощью двух кварцевых пластинок делилось на три пучка (рис. 2.). Основной

пучок, содержащий 85% энергии генерации направлялся в калориметр ИМО-2Н.

Так как сечение лазерного пучка (3,5 х 2) см2 было больше диаметра входного

окна ИМО-2Н, то лазерный пучок подфокусировался кварцевой линзой (Л) с

фокусным расстоянием 600 мм. В некоторых экспериментах регистрировалось

распределение энергии по сечению пучка генерации и суммированием

определялась полная энергия излучения. Для контроля калориметров ИМО-2Н

применялось образцовое средство измерения энергии и мощности ОСИЭМ.

Измерение энергии генерации проводилось путем усреднения 10

экспериментальных значений. Для исключения ошибок каждая серия повторялась

дважды. Во избежание старения рабочей смеси эксперименты проводились с

ограниченным числом импульсов генерации, после чего смесь менялась. Второй

пучок, отделенный кварцевой пластинкой (П1), направлялся в спектрограф СТЭ-

1. Третий пучок, от кварцевой пластинки (П2), попадал на вакуумный фотодиод

ФЭК-22 СПУ, сигнал с которого подавался на осциллограф. Перед фотодиодом

устанавливались ослабители (О). Измерение электрических и оптических

сигналов производилось шестилучевым осциллографом 6ЛОР-04. Он позволял

одновременно регистрировать до шести однократных быстропротекающих

процессов с их взаимной временной привязкой. Погрешность осциллографа как

по оси времени, так и по оси процесса составляла (5% на диапазон.

Большинство измерений было произведено при развертках 250 нс и 500 нс, при

этом погрешность составляла (12,5 нс и (25 нс соответственно.

Напряжение на обострительной емкости регистрировалось с помощью

резистивного делителя, содержащего высоковольтное R5 и измерительное R6

плечо (см. рис.1.). Измерительное плечо равнялось 75 Ом. Высоковольтное

плечо выбиралось таким, чтобы амплитуда исследуемого сигнала, поступающего

на отклоняющие пластины осциллографа, соответствовала диапазону линейного

изменения чувствительности.

Измерения разрядного тока проводились в основном поясом Роговского,

хотя применялись в отдельных случаях и шунты. Пояс Роговского представлял

собой торроидальную катушку внешним диаметром 40 мм и внутренним 6 мм,

калиброванную на образцовом разрядном контуре. Пояс располагался на одном

из вводов излучателя у заземленной шины.

Разработанная экспериментальная установка, позволяла проводить

исследование систем возбуждения и предыонизации эксимерных лазеров и их

макетирование, оптимизацию их параметров и поиск эффективных режимов

возбуждения, а также исследовать влияние компонентного состава активной

среды и ее давления на выходные характеристики генерации. Используемый в

установке макет эксимерного лазера, благодаря секционированию элементов,

позволял производить оперативную смену типа системы возбуждения и

регулировку их параметров, изменять условия и режимы коммутации, управлять

задержкой между основным разрядом и предыонизацией. Это позволило провести

сравнительные исследования влияния различных факторов на работу эксимерных

лазеров при одинаковых условиях.

Следует отметить, что система регистрации, созданная для исследования

описанного выше макета электроразрядного эксимерного лазера, является

универсальной. Она использовалась для работы с рядом других макетов и

экспериментальных образцов электроразрядных эксимерных лазеров. Причем это

осуществлялось путем простого переключения датчиков системы регистрации на

исследуемый объект. Обработка результатов исследований осуществлялась с

использованием компьютеров.

Эксперименты, результаты которых представлены ниже, проведены на

рабочей смеси (е:Хе:НС1 (3040:15:1) при давлении 4 атм и зарядном

напряжении Uо = 34 кВ. Состав рабочей смеси и ее давление были выбраны

после предварительной оптимизации.

1.1.3. Исследование влияния типа предыонизации активной среды

на генерационные характеристики ХеС1-лазера

1.1.3.1. Предыонизация с отдельным контуром возбуждения

В настоящем разделе представлены результаты исследования влияния

задержки между основным разрядом и разрядом предыонизации на энергию

генерации мощного XeCl-лазера, а также результаты оптимизации параметров

контуров возбуждения разряда с емкостной и искровой предыонизацией.

В лазерах на галогенидах инертных газов предыонизация разрядом,

ограниченным диэлектриком, имеет потенциальные преимущества, поскольку по

сравнению с предыонизацией искрой или скользящим разрядом, она в меньшей

степени разлагает активную смесь и тем самым продлевает срок ее службы

[10]. Кроме того, обеспечивается более однородная подсветка УФ-излучением

основного разрядного промежутка по сравнению с искровой предыонизацией.

Однако меньшая по сравнению с сильноточной искрой эффективность образования

УФ-излучения и ограниченный ресурс работы диэлектрика, сдерживают широкое

применение этого вида предыонизации. Это приводит к тому, что в большинстве

электроразрядных эксимерных лазеров, выпускаемых серийно, применяется, как

правило, искровая предыонизация. Таким образом, увеличение эффективности и

ресурса работы предыонизации за счет разряда, ограниченного поверхностью

диэлектрика, является актуальной задачей при разработке и создании мощных

электроразрядных эксимерных лазеров.

На рис.4,а представлены типичные осциллограммы тока разряда емкостной

предыонизации (1) напряжения на обострительной емкости С0 (2), тока

основного разряда (3) и импульса генерации (4) с взаимной временной

привязкой. Анализ осциллограмм тока в цепи предыонизации показывает, что

разряд Спр на емкость, образованную диэлектриком на поверхности ЭП - Сд

через разрядный промежуток сетчатый катод-поверхность пленки ЭП носит

колебательный характер с периодом Т~[pic] ~ 70 нс. Это указывает на то, что

активное сопротивление разрядного контура LпрCпр значительно меньше

волнового сопротивления. При таком режиме ввода энергии максимальная

амплитуда напряжения Uд, возникающего на диэлектрике электрода

предыонизации, близка к удвоенному зарядному напряжению на Спр, что

накладывает жесткие требования на материал диэлектрика.

На рис.4,б приведены зависимости энергии генерации XeCl-лазера от

величины задержки между началом основного разряда и началом разряда

предыонизации. Кр. 1 соответствует резонатору с зеркалом с А1 покрытием, а

кр. 2 – с многослойным диэлектрическим (Rотр (100%) и были получены на

системе возбуждения типа LC-инвертор (рис.1б). Кр.3 соответствует системе

возбуждения типа LC-контур (рис.1а). Параметры контура возбуждения

предыонизации: Lпр = 50 нГн, Спр = 6 нФ. Как видно оптимальная задержка

начала тока основного разряда составляет ~100 нс. Ее уменьшение приводит к

резкому снижению эффективности генерации и значительному росту

неоднородности разряда. При малых задержках концентрация свободных

электронов в межэлектродном промежутке к моменту начала основного разряда

мала, что является причиной неоднородного разряда, низкой энергии генерации

и ее нестабильности. Увеличение задержки выше оптимального значения, также

сопровождается резким снижением энергии генерации, что обусловлено

следующими процессами. Во-первых, предыонизация осуществляется наиболее

жесткой составляющей излучения емкостного разряда, которая обладает

относительно высокой интенсивностью в течение первых 100-150 нс, т.е. на

стадии формирования и развития разряда. Во-вторых, поток проникающих

электронов генерируется при наличии высокой напряженности электрического

поля, которая существует только на стадии формирования разряда

предыонизации. В третьих, разряд предыонизации существует до тех пор, пока

потенциалы на поверхности пленки и на Спр не сравняются. Из осциллограмм

(рис.4,а) следует, что через ~ 0,5 мкс потенциалы Спр и поверхности пленки

выравниваются и разряд фактически прекращается. В четвертых, происходит

уменьшение концентрации электронов из-за рекомбинации и прилипания.

Все дальнейшие эксперименты проводились только с использованием LC-

инвертора.

На рис.2,в представлены зависимости энергии генерации XeCl-лазера от

величины задержки начала тока основного разряда относительно начала тока

разряда емкостной предыонизации при различном содержании активных компонент

смеси. Видно, что с уменьшением содержания НС1 и Хе в два раза величина

оптимальной задержки уменьшается до 60 нс. Кроме того, при задержках,

больших оптимальных, энергия генерации также выше (кр.2). Это связано с

тем, что при одинаковой интенсивности источника предыонизации необходимая

концентрация свободных электронов в активной среде с меньшим содержанием

галогеноносителя достигается раньше, так как уменьшается концентрация

частиц, к которым они прилипают.

На рис.5,а представлена зависимость выходной энергии лазера от

напряжения питания емкостной предыонизации U0. Задержка основного разряда

относительно начала предыонизации имела оптимальное значение, равное

100 нс. При увеличении напряжения питания предыонизации от 15 до 35 кВ

энергия генерации лазера возрастает от 0,4 до 0,65 Дж. На рис.5,б приведена

зависимость энергии генерации от величины индуктивности в контуре

возбуждения предыонизации Lпр при емкости предыонизации Cпр=6,6 нФ. Видно,

что уменьшение Lпр приводит к возрастанию выходной энергии, которое

обусловлено ростом тока разряда, и сокращением фронта импульса

предыонизации. Зависимость энергии генерации лазера от величины емкости в

цепи, возбуждения предыонизации Спр при оптимальном значении Lпр = 50 нГн

приведена на рис.6,в.

Теперь рассмотрим некоторые особенности присущие емкостной

предыонизации. Уравнение для величины тока I, протекающего в контуре

предыонизации имеет вид:

[pic] (5) где 2?=Rпр/Lпр;

Rпр - сопротивление плазмы в цепи предыонизации; [pic]=[pic]. Это уравнение

решалось при разных начальных условиях.

1. Начальный ток I(0)=0; начальное напряжение на диэлектрике, то

есть на емкости Сд равно нулю, то есть UCд=0. Тогда решение имеет вид

[pic][pic] (6)

где [pic]. Выражение (6) хорошо иллюстрирует зависимость энергии

генерации от Cпр, Lпр и U0 (рис.5). После первого же импульса предыонизации

диэлектрик зарядится до напряжения UCд=U0Cпр/(Cпр+Cд). Эти заряды могут

стекать с диэлектрика, но могут и оставаться на нем. Предположим, что

заряды не стекли и к началу следующего импульса предыонизации остались.

Тогда решаем (5) при следующих начальных условиях.

2. Начальный ток I(0)=0; начальное напряжение на диэлектрике, то

есть UCд(0)= U0Cпр/(Cпр+Cд). Тогда решение имеет вид

[pic][pic] (7)

В этом случае амплитуда тока имеет максимум при Спр=Сд/2, где Сд ~ 2

нФ. Так как Cпр ~ 6 нФ, а Cд ~ 2 нФ, то этот случай не соответствует

действительности. Предположим, что с диэлектрика стекает часть заряда.

Тогда к началу следующего импульса предыонизации на нем остается некоторое

напряжение и надо решать (5) при следующих начальных условиях.

3. Начальный ток I(0)=0; начальное напряжение на диэлектрике, то

есть UCд(0)= KU0Cпр/(Cпр+Cд). Где К- коэффициент меньший единицы. Тогда

решение имеет вид

I=[pic] (8)

В этом случае амплитуда тока имеет максимум при Спр=Сд/(3К-1).

Обратим внимание на то, что амплитуда тока имеет максимум в зависимости от

Спр лишь при значении параметра K > 1/3. Если K < 1/3, то максимума нет

и с ростом Спр амплитуда тока монотонно увеличивается. В наше случае

максимум энергии генерации в зависимости от Спр не наблюдался, а имела

место монотонная зависимость, значит величина K < 1/3 при интервале между

импульсами генерации ~ 5 секунд. Величина K имеет некоторое конечное

значение, так как при работе с емкостной предыонизацией часто наблюдалось

резкое превышение энергии первого импульса генерации над последующими.

Кроме того регистрировалось очень сильное падение величины энергии

генерации при уменьшении интервала между импульсами до 1 с. Полученные

данные надо учитывать при оптимизации генерационных характеристик

эксимерных лазеров с емкостной предыонизацией, работающих в частотном

режиме. По осциллограмме тока предыонизации можно определить величину

затухания ?, а по ней сопротивление плазмы в цепи предыонизации Rпр. В

нашем случае Rпр=0,2 Ом. Это соответствует концентрации электронов nе ~ 10

14 см-3. Значит концентрация электронов в плазме разряда предыонизации на

порядок меньше, чем в цепи основного разряда. Емкостный разряд с такими

параметрами плазмы представляет сам по себе большой интерес с точки зрения

физики высокочастотных разрядов высокого давления.

На рис.6,а представлены осциллограммы тока разряда искровой

предыонизации (1), напряжения на обострительной емкости (2), тока через

разрядный промежуток (3) и импульса генерации (4) с взаимной временной

привязкой. После срабатывания разрядника РУ1 (осц.1), УФ-излучение разряда

предыонизации из-под сетчатого катода облучает активную среду в основном

разрядном промежутке. За время задержки основного разряда происходит

зарядка обострительной емкости. После достижения пробойного напряжения в

межэлектродном промежутке формируется объемный разряд и происходит разрядка

обострительной и накопительной емкостей (осц. 3). Импульс генерации

длительностью ~70 нс по основанию наблюдается на первом пике разрядного

тока (осц.4).

Зависимость энергии генерации от задержки между началом тока

основного разряда и началом импульса тока предыонизации представлена на

рис.6,б. Резонатор был образован "глухим" зеркалом с алюминиевым (кр.1) или

диэлектрическим (кр.2) покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.

Напряжение питания предыонизации изменялось от 15 до 25 кВ. Как видно,

величина задержки ? от 0 до 100 нс оказывает сильное влияние на выходную

энергию генерации. Максимальное значение энергии генерации 0,8 Дж,

соответствует ?=100-200 нс. В интервале ?=300-600нс энергия генерации

постепенно снижается. Такое поведение энергии генерации XeCl-лазера можно

объяснить следующим образом. При малых временах задержки концентрация

фотоэлектронов в основном разрядном промежутке к моменту начала основного

разряда мала, что приводит к нестабильности разряда и малой энергии

генерации. Оптимальная предыонизация среды осуществляется в течении первых

100-150 нс после пробоя разрядника РУ1, т.е. во время формирования и

развития искровых разрядов. В это время излучается жесткое УФ и мягкое

рентгеновское излучение, наблюдается наибольшее проникновение электронов

сквозь сетчатый катод в основной разрядный промежуток. Полная длительность

тока предыонизации составляла несколько микросекунд, а устойчивая генерация

наблюдалась при задержках до 700 нс. Это говорит о том, что хотя разряд

предыонизации существует длительное время, эффективная предыонизация

осуществляется в течение короткого временного промежутка. Некоторое

расширение диапазона оптимальных задержек при использовании искровой

предыонизации по сравнению с емкостной обусловлено более длительным

существованием ионизирующего фактора за счет роста тока искр.

Зависимость энергии генерации от задержки при ее значениях, больших

оптимального, можно объяснить, исходя из двух механизмов. Во-первых, по

истечении нескольких сотен наносекунд ионизирующий фактор ослабевает, во-

вторых, при таких задержках кроме ионизации среды происходят также

фотохимические реакции с участием молекул примесей, продукты которых могут

поглощать ионизирующее излучение, а также накапливаться и отрицательно

влиять на разряд, его стабильность и энергию генерации. Подтверждением

данного вывода может служить [3], в которой предварительное облучение

активной среды XeCl-лазера осуществляется излучением другого XeCl-лазера.

Показано, что при задержках основного разряда в диапазоне 100-150 нс

относительно разряда предыонизации происходит нейтрализация частиц,

обладающих сильным поглощением генерируемого излучения. Наличие поглощающих

примесей в виде ионов [pic] и радикалов OH- обнаружено в активной среде

лазера методом флуоресцентной спектроскопии [11].

На рис 6,в представлены зависимости энергии генерации от задержки

между началом тока разряда искровой предыонизации и началом тока основного

разряда при различных напряжениях питания. При постоянном напряжении

питания предыонизации (15 кВ) кр. 1 соответствует зарядному напряжению в

цепи возбуждения основного разряда 26 кВ, а кр. 2 и 3 – 30 и 34 кВ

соответственно. Как видно, с увеличением зарядного напряжения энергия

генерации возрастает, но оптимальная величина ? = 100-200 нс сохраняется.

Также несколько расширяется область оптимальных задержек. Таким

образом, в результате проведенных исследований определена величина

оптимальных задержек между началом разряда предыонизации и основным

разрядом. Наиболее интенсивное ионизирующее действие емкостной

предыонизации существует в течение первых ~ 200 нс, а искровой в течение ~

250 нс после ее начала.

1.1.3.2. Автоматическая емкостная предыонизация

В ряде случаев в серийных лазерах для простоты работы используют

совмещенные системы питания предыонизации и основного разряда [10].

Изменим схему питания на рис.1. Рассмотрим питание предыонизации,

когда электрод предыонизации присоединен непосредственно к аноду через

индуктивность Lпр. В этом случае предыонизация у нас будет осуществляться

автоматически при подаче импульса напряжения на основные электроды лазера.

До пробоя основного разрядного промежутка напряжение на электродах лазера

равно напряжению на обострительной емкости С0, то есть равно напряжению

холостого хода.

U=U0(1-cos (t)

(9)

где ( - частота напряжения холостого хода. При этом мы считаем, что

Сд 50 МВт)

и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего

используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них

снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [16] и во-

вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным

электродам.

Ниже в разделе 1.2.2 приведены результаты исследования выходных

характеристик генерации XeCl-лазера с возбуждением только LC-контуром,

(хотя был частично исследован и LC-инвертор [17-20]) при изменении его

параметров в широком диапазоне [21-25]. Эти исследования позволяют

определить оптимальные параметры системы возбуждения для достижения

максимальной энергии, мощности и КПД генерации, получения гладкого

временного профиля импульса, а также сформулировать критерии, по которым

можно целенаправленно управлять характеристиками генерации эксимерных

лазеров.

1.2.2 Влияние параметров LC-контура на

энергию генерации ХеС1-лазера.

Применению LC-контура в качестве системы возбуждения эксимерных

лазеров посвящен ряд работ [26-32]. В [28] исследовано влияние на энергию

генерации отдельных параметров разрядного контура. В [29] – проведена

оптимизация схемы возбуждения, изучено влияние индуктивности контура на

энергию генерации и исследована зависимость выходной энергии и полной

эффективности ХеСl-лазера от отношения накопительной к обострительной

ёмкостей С0/С1.

В работах [30,31] приведены результаты исследования влияния величины

обострительной емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера. Показано, что

существует оптимальное значение обострительной емкости, при которой

выходная энергия максимальна. Однако если в [30] энергия генерации имеет

максимальное значение при С0(0,2С1, то в [31] при С0(0,5 С1.

В [33] показано, что энергия генерации максимальна при соотношении

С0/С1(0,6, причем максимальная эффективность в этом случае достигается при

минимальном напряжении.

В [32] эксперименты проводились при трех значениях С1 и изменении С0

в пределах 0,1С1-0,7С1.Найдено, что для всех значений С1 оптимальное

отношение С0/С1 лежит в диапазоне 0,3-0,5.

Из анализа публикаций следует, что оптимальное соотношение

обострительной и накопительной емкостей лежит в диапазоне 0,2-0,6. Обращает

на себя внимание столь большое различие полученных разными авторами

оптимальных значений отношения С0/С1. Это может быть связано с тем, что

данное соотношение зависит от индуктивности L1, через которую происходит

зарядка C0 от С1, а также потерь при коммутации, прикладываемого

напряжения. Максимальное напряжение, до которого заряжается С0 от С1 при

изменении С0 от 0,1С1 до С1, может линейно изменяться от (2U0 до (U0, где

U0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С0 изменяется

также напряжение, прикладываемое к лазерным электродам, и соответственно

энерговклад в активную среду. Поэтому для каждого конкретного случая

необходимо определять оптимальные значения давления смеси, зарядного

напряжения, величины С1, С0, L1 и L0.

Описанная ситуация имеет место при большом значении L1. При величине

L1, сравнимой с L0, положение, вероятно, изменится, поэтому представлялось

целесообразным изучить работу LC-контура с обострительной емкостью при

L1> L2, причем в

начальный момент времени напряжение на обострительной емкости максимально и

I1(0)=I2(0)=0.

Тогда в решении (22) коэффициент В>>A; при условии, что ?22[pic]?2;

[pic]22[pic][pic]2; (здесь [pic]2 и ?2 соответственно частота и затухание

колебаний во втором контуре, если его считать изолированным). В этом случае

как расчетная (см. рис. 8), так и экспериментальная осциллограммы тока

описываются выражением

I2(t)= Bexp(-[pic]2t)cos([pic]2t +[pic]2+[pic]2)

(23)

Из данной осциллограммы величины R2 и L2 легко определяются по

стандартным формулам для C2L2R2-цепочки.

Следует отметить, что предложенная методика определения R2 и L2 имеет

существенный недостаток. В реальном разряде через межэлектродный промежуток

сопротивление R2 зависит от времени. В процессе пробоя величина R2 меняется

от сотен мегаом до сотых долей ома. Однако на квазистационарной стадии

разряда R2 можно считать постоянным. Длительность квазистационарной стадии

можно оценить по осциллограмме импульса генерации лазера. При этом способ

определения L2 и R2 сводится к следующему. Из участка осциллограммы тока

I2(t) или напряжения U2(t) (см. рис.22) определяем период колебаний,

который соответствует дуговой стадии разряда. Пренебрегая сопротивлением

разряда, из выражения для периода колебаний T=[pic] легко найти

индуктивность L2. Затем по участку осциллограммы соответствующей

квазистационарной стадии разряда нетрудно определить и величину R2.

Из вышеизложенного следует, что расчетные осциллограммы не могут

описывать процесс нарастания тока I2(t) в интервале времени от момента

достижения пробойного напряжения на обострителе до момента максимального

Страницы: 1, 2