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

Страницы: 1, 2, 3, 4