Исследование системы возбуждения электроразрядного эксимерного лазера выполненной по типу LC-инвертора

HeXe + h( ( Xe+ + He

(25)

8.Реакции с примесями, например:

HCl + O2 ( 4ClO2 + 2H2O

(26)

Xe* + O2 ( XeO

(27)

Xe* + H2O ( XeO + H2

(28)

Они обусловлены тем, что несмотря на строгие требования к чистоте

газов, газовая смесь может содержать до 1% О2,N2 H2,CO2,H2O. Вода является

главной вредной примесью в газовых смесях эксимерных лазеров. Из одной

молекулы фтора получается 4 молекулы агрессивного фтороводорода:

F2 + 2H2O ( 4HF + O2

(29)

Кроме вышеприведенных реакций в плазме протекает еще значительное

количество побочных, которые в основном уводят энергию из основного канала.

Все полезные возбужденные состояния достаточно короткоживущие,

дополнительно тушатся при взаимных столкновениях и столкновениях с другими

образованиями в плазме. Тем не менее, можно считать, что основные реакции,

приводящие к образованию возбужденных галогенидов инертных газов, протекают

достаточно быстро и эффективно. Учитывая все эти процессы, а так же потери

в схеме возбуждения, можно оценить, что в реальных устройствах в

образованиe молекул ХеСl, в лучшем случае вкладывается только 8-10%

энергии, запасенной первоначально в накопительных емкостях [7].

1.3. Формирование объемного однородного

разряда в активной среде ЭЭЛ

В образовании эксимерных молекулы ХеСl участвуют атомы Хе, молекулы

НСl на возбужденных колебательных уровнях и ион Сl.- Возбуждаются и

образуются все эти компоненты в электрическом разряде, в балластном газе Не

или Ne при высоком давлении. Оптимальная напряженность поля при давлениях 1-

5 атм составляет 103-105 В/см. Длина же активного объема должна быть

порядка 10-100 см для получения эффективного усиления. Чтобы обойти эту

проблему создания устройств с рабочим напряжением более 1000 КВ применяется

поперечный разряд, при котором излучение распространяется поперек

возбуждающего тока. Наиболее перспективными для накачки эксимерных лазеров

является поперечный разряд, при котором в объемной стадии реализуются

мощности накачки порядка 1 МВт/см3, при давлении рабочей смеси порядка

одной атмосферы [1].

При разрядке емкостного накопителя на разрядный промежуток можно

выделить на осциллограмме напряжения три характерных участка:

1. Предпробойная стадия, длительность которой составляет обычно 50-100

нс. В этой стадии напряжение на промежутке увеличивается и перед пробоем в

несколько раз превышает статическое пробивное. За счет предварительной

ионизации на этой стадии начинает формироваться объемный разряд .

2. Стадия быстрого спада напряжения - ее длительность порядка 10 нс.

Во время этой стадии ток через промежуток увеличивается на несколько

порядков, а напряжение уменьшается (от превышающего статически пробивное,

до напряжения в несколько раз меньшего статического пробивного). В течение

этой стадии заканчивается формирование объемного разряд.

3. Квазистационарная стадия, длительность которой зависит от многих

параметров и может превышать 1 мкс. При разряде в инертных газах из-за

влияния процессов ступенчатой ионизации напряжение в квазистационарной

стадии существенно ниже статического пробивного, тогда как в азоте это

напряжение приблизительно равно статическому пробивному [1] .

На практике, первая трудность с которой мы сталкиваемся – создание

однородного разряда вдоль всей длинны электродов. Неоднородность, стримеры

в разряде, во-первых, вносят искажения в оптическую плотность газа и в

таких условиях очень затруднительно получить лазерный луч хорошего

качества. Во-вторых, в точках пространственной неоднородности очень

быстро достигается высокая температура плазмы, нарушаются условия

образования эксимерных молекул и инверсной заселенности. В-третьих,

проводимость каналов стримеров очень высока и растет лавинообразно.

Поэтому рассогласование импедансов схемы возбуждения и нагрузки, т. е.

плазма разряда, достигается значительно раньше, чем энергия будет вложена в

эту плазму. Даже в случае успешного поджига разряда, идеальной его

однородности характер разряда таков, что ведет к лавинообразному

образованию носителей заряда и далее к резкому падению сопротивления.

Поэтому в лазерах с самостоятельным зарядом пытаются создать условия, при

которых энергия вкладывается в плазму в течении очень коротких времен,

порядка 10-20 нс., пока сопротивление плазмы достаточно велико.

Существует два механизма превращающих непроводящий газ между

электродами в хорошо проводящую плазму. Это классический пробой Таунсенда и

стримерный пробой.

Время установления самостоятельного разряда по Таунсенду равно времени

пробега ионов от анода к катоду. Для 4-х сантиметрового промежутка это

время составляет порядка 10-4 с., т. е. за это время разряд становится

самостоятельным за счет ионной бомбардировке катода. Если же положительную

связь устанавливает фотоэмиссия с катода, то это время составляет величину

порядкa 10-6 с.

Стримерный пробой развивается значительно быстрее. Стример развивается

под действием сильного поля объемного разряда из одной или нескольких

лавин, локализованных в пространстве. Объемный заряд образуется вследствие

относительно низкой подвижности положительных ионов по сравнению с

электронами. В некоторой критической точке, где поле пространственного

заряда становится сравнимым с приложенным, начинает формироваться стример.

После коллапса отрицательного заряда на аноде в прилегающей области

остается положительный пространственный заряд, который дает начало

стримеру, направленному к катоду. Оба стримера движутся значительно

быстрее, чем электроны в поле, приложенном к разрядному промежутку.

Увеличение скорости происходит вследствие усилeния поля пространственным

зарядом, напряженность поля которого значительно больше приложенного к

электродам. Электроны, образованные в окружающем газе сильным полем хвоста

стримера, втягиваются в ствол начальной лавины, что ведет к еще большему

росту числа носителей. Когда отрицательно заряженная голова движется к

аноду, она оставляет за собой положительно заряженный хвост, который тоже

растет и ускоряется, пока анод и катод не окажутся соединенными плазменным

шнуром. Теоретически время установления самостоятельного разряда

благодаря стримерному пробою составляет 2*10-6 для 4-х сантиметрового

промежутка. На практике стримерный пробой развивается за время порядка 10-9

с. из-за нелинейного роста числа носителей в каналах лавин [7].

Итак, стримеры развиваются слишком быстро и разрушают однородность

плазмы. Для устранения этого эффекта применяются различные методы

предионизации. В начальной стадии в межэлектродном пространстве образуется

некоторое количество электронов, дающие начало перекрывающимся лавинам.

Сильное перекрытие голов лавин не только выравнивает результирующую

плотность плазмы, но и сглаживает локальные градиенты поля

пространственного заряда, что полностью тормозит образование стримеров.

Данная модель достаточно груба, так как в ней не учитывается конечная

скорость нарастания поля на электродах. В реальных устройствах она

значительно меньше скорости образования стримеров. Тем не менее

качественную картину эта модель описывает правильно.

Объемный разряд при повышенных давлениях формируется только при

многоэлектронном инициировании. Условие формирования однородного разряда

при повышенных давлениях можно сформулировать следующим образом. Во-первых,

необходимо, чтобы начальная концентрация электронов, создаваемых внешним

ионизатором была ne0>r1/3, где r критический радиус головки электронной

лавины, при достижении которой начинает формироваться стример. Во-вторых,

из-за того что предыонизатор обычно действует ограниченное время и

начальные электроны из-за дрейфа уходят из слоя около катода толщиной х,

необходимо, чтобы х < r. Тогда удается избежать формирования стримера из-за

недостаточного перекрытия лавин в обедненном электронами слое у катода.

Таким образом применение предыонизации позволяет создавать начальные

электроны в газовом объеме и (или) на катоде, из которых развиваются

электронные лавины а при перекрытии отдельных лавин (скорость развития

лавин зависит от приложенного электрического поля) формируется однородный

разряд при повышенных давлениях. Но даже в случае создания оптимальных

условий (быстрое нарастание напряжения, достаточное количество электронов

предионизации) самостоятельный разряд в плазме принципиально неустойчив из-

за лавинообразного роста плотности носителей и сильной нелинейности вольт-

амперной характеристики. Это обстоятельство ставит ряд проблем при создании

конкретных систем возбуждения.

Длительность объемной стадии разряда при повышенных давлениях

определяется многими факторами (удельный энерговклад, состав и давление

смеси, профиль, материал и состояние поверхности электродов и т. д. )

однако причиной контракции разряда, как правило, является катодная

неустойчивость [6].

1.4.Генерационные характеристики электроразрядных эксимерных лазеров

с возбуждением LC–инвертора

В настоящее время получена на двухатомных эксимерных молекулах:

XeF*, KrF*, ArF*,XeBr*, XeCl*, KrCl*, ArCl*, KrBr*, XeI*, а также на

трехатомных. Диапазон длин волн, на которых получена генерация

простирается от видимого спектра (500 нм), до вакуомного ультрофиолета (175

нм). Спонтанное излучение также наблюдалось на большом количестве

двухатомных и трехатомных молекул галогенидов благородных газов: (NeF*,

NeXeBr*, и др.). Некоторые из них также будут использованы для получения

стимулированного излучения.

XeCl-лазер.впервые о получении генерации на эксимерных молекулах

сообщалось еще в 80х годах [2]. Генерация наблюдалось при возбуждении

пучком электронов с энергией 300 кэВ и плотностью тока пучка 150 А/см смеси

Ar-Cl2-Xe, в лазерной камере с активной средой, длина которой, 15 см.

Максимальная энергия излучения составила примерно 50 мкДж, при очень низкой

эффективности. Использование более мощной установки с параметрами

электронного пучка Т=1,2МэВ, i=142кА, (=50 нс, не дало существенного

изменения энергии излучения. В тоже время, энергия излучения на молекулах

KrF*и XeF*,полученная на этой установке, была на несколько порядков

больше. Впервые высокая эффективность эксимерного лазера была показана

после подбора хлорносителя как при вовозбуждении пучком электронов, так и

при комбинированной накачке [17]. Наибольшие энергии излучения достигались

в смеси Ar-Xe-CCl4.Были построены зависимости удельной энергии излучения

((), длительности излучения ([pic]() и времени задержки импульса излучения

относительно накачки (t) от давления рабочей смеси [6].А также зависимости

удельной энергии излучения и КПД от плотности тока пучка. Была получена

удельная энергия излучения до 10 нДж/см [pic] а КПД около 4%. Время

запаздывания импульса излучения относительно накачки не превышало 5 нс,

при давлении 4 атм..Максимальные КПД достигались при плотности тока (

75А/см[pic],а при дальнейшем ее увеличении, КПД лазера уменьшался. XeCl-

лазер эффективно работает при возбуждении микросекундным электронным

пучком смеси на длине волны 308 нм, при давлении 4 атм.;была получена

удельная энергия излучения 3 мДж/с и КПД (5%.

Эффективная генерация на молекулах XeCl* при накачке микросекундным

электронным пучком достигается в смеси Ar-Xe-CCl[pic].При использовании

поперечной схемы накачки энергия излучения была равной [pic]100Дж, удельная

энергия до 10 нДж\см[pic] и КПД до 4%. А при использовании буферного газа

аргона и широкоаппертурного резонатора при малых мощностях накачки ,

энергия излучения на атомарных переходах ксенонам может превышать

энергию излучения XeCl*.

XeCl-лазер эффективно работает при комбинированной накачке. Это

вытекает при изучении зависимости энерговклада, удельной энергии излучения

и КПД относительно суммарной энергии, вложенной в газ пучком и разрядом от

зарядного напряжения емкостного накопителя.

Основным каналом образования молекул XeCl* является ионная

рекомбинация ионов Xe*, Xe[pic]*и отрицательных ионов Cl.

Отметим, что рабочие смеси XeCl-лазера с галогеноносителем HCl имеют

наибольший ресурс работы из всех эксимерных лазеров.

2.Теоретический расчет схемы накачки электроразрядного эксимерного лазера,

выполненной по типу LC-инвертора

2.1. Описание схемы LC-инвертора

Известно, что для эксимерных лазеров требуется относительно

высокий уровень интенсивности накачки. В электроразрядных эксимерных

лазерах интенсивность накачки составляет от нескольких десятых до

нескольких единиц МВт/см3 причем, для различных типов эксимерных лазеров

оптимальные значения этого параметра, определяемые с точки зрения

максимальной эффективности накачки существенно различны.

При прочих равных условиях возбуждения эксимерных лазеров

оптимальная мощность энерговклада может зависеть от типа используемой

электрической схемы возбуждения (LC-инвертор, емкостная перезарядка,

системы с высоковольтным предимпульсом и т. д.).

В настоящей работе рассмотрена схема возбуждения элекроразрядного

эксимерного лазера, выполненная по типу LC-инвертора. Данная схема (рис.3)

имеет ряд преимуществ. К ним относят возможность увеличение напряжения на

разрядном промежутке, способствующего улучшению однородности разряда и

повышения эффективности энерговклада в активную среду при небольших

зарядных напряжениях, снижение нагрузки на коммутатор и повышение его срока

службы, так как он не включается в цепь последовательно и через него не

проходит вся запасаемая энергия.

Расчет производился для эксимерного электроразряного лазера,

описанного в (10(. На рис.3 представлена его принципиальная электрическая

схема. Излучатель представляет собой диэлектрическую разрядную камеру,

внутри которой располагается профилированный цельнометаллический анод (А),

сетчатый катод (К) и электрод предыонизации (Э). Предыонизация активной

среды в межэлектродном промежутке (МП) осуществлялась излучением емкостного

разряда из-под сетчатого катода при подаче импульса высокого напряжения на

электрод предыонизации. Такое расположение системы предыонизации позволяет

максимально приблизить источник ионизирующего излучения к зоне основного

разряда и достичь однородного распределения начальных электронов в МП.

Основной разрядный объем составляет 90х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На

торцах разрядной камеры располагается резонатор лазера, который образован

плоским зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.

Возбуждение поперечного разряда осуществляется системой, выполненной по

типу LC-инвертора, принципиальная схема которой также представлена на

рис.3. Она включает НЕ С1 и С2, которые от источника постоянного высокого

напряжения через резистор R заряжались до напряжения Uo. После срабатывания

коммутатора РУ, в качестве которого используется управляемые разрядники РУ-

65, через L2 происходит инверсия напряжения на С2, и через индуктитвность

L1 осуществляется зарядка обострительной емкости (ОЕ) Со до напряжения,

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

минимально возможной для данной конструкции индуктивностью Lо. Разряд

предыонизации возбуждаетя от отдельного LC-контура включающего Спр –

накопительную емкость, Lпр – индуктивность в контуре предыонизации, РУ1 –

коммутатор. Спр заряжается от источника постоянного высокого напряжения

через резисторы R3 и R4 до напряжения Uo. Энергия генерации измерялась

калориметром ИМО-2Н, а напряжение на Со, ток разряда, форма и длительность

импульса генерации - осциллографом 6ЛОР-04 с помощью резистивного делителя

Д (R1-R2), поясов Роговского ПР1 и ПР2 и вакуумного фотодиода ФЭК-22СПУ.

Эксперименты, результаты которых представлены ниже, проведены на рабочей

смеси (е: Хе: НС1 (3040:22,5:1,5) при давлении 4 атм. и зарядном напряжении

Uо = 38 кВ.

Для рассчета параметров схемы LC-инвертора (рис.3), заменим

данную схему упрощенной эквивалентной, представленной на (рис.8).

Рис.3. LC-инвертор.

Найдем токи и напряжения в режиме холостого хода (рис.5). Для этого

запишем уравнения Киргоффа для двух контуров (рис.5).

Рис.4. Упрощенная схема LC-

инвертора.

Рис.5.Упрощенная схема LC-инвертора для холостого хода.

[pic]

(30)

Уравнения (30) перепишем в виде

[pic] (31)

Исходя из выбранного направления токов (рис.4) можно записать

следующее уравнение:

[pic] (32)

Продифференцируем его по времени:

[pic] (33)

Значения производных токов I0 и I2 из (31) подставим в (33):

[pic][pic]+[pic]) (34)

Используем тот факт, что

[pic] (35)

а так же учтем, что

[pic] (36)

В итоге получим систему из 6 дифференциальных уравнений

[pic]

[pic][pic]+[pic] (37)

[pic]

В системе (37) под сопротивлением понимается сопротивление

коммутатора. Очевидно, оно не является величиной постоянной во времени.

Зададим сопротивление коммутатора таким образом, что за время порядка 20-

30нс оно изменяется от 10 Ом до 0.2 Ом:

[pic] (38)

Продифференцируем полученное выражение и добавим его в систему (37)

[pic] (39)

Задачу нахождения токов I0-I2 и напряжений U1-U3 будем решать при

следующих начальных условиях:

[pic] (40)

Используя аналогичную методику, решим задачу для полной схемы LC-

инвертора (рис.4) . В итоге получим систему из 8 дифференциальных уравнений

для нахождения токов I0-I4 и напряжений U1-U3:

[pic] (41)

[pic]

Где под R2 подразумевается сопротивление разрядного

Страницы: 1, 2, 3