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-
