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
значения напряжения, когда I1(t)= I2(t). Для того, чтобы сделать это была
предложена следующая модель. В системе уравнений, описывающих LC-контур,
величина сопротивления межэлектродного промежутка R2 считается зависящей от
времени. Тогда чтобы замкнуть систему уравнений вводится дополнительное
уравнение для изменения плотности электронов во времени
[pic][pic][pic], (24)
где ne – концентрация электронов; We – дрейфовая скорость электронов;
[pic], [pic] – соответственно коэффициент ударной ионизации и прилипания
электронов на единицу длины. Известно [48], что между величинами [pic]/P и
Е/P существует довольно сложная функциональная зависимость (Р – общее
давление смеси; Е – напряженность электрического поля в межэлектродном
промежутке; Е=U/d; где d – расстояние, а U – напряжение между электродами).
Вблизи пробойного напряжения эту зависимость можно аппроксимировать
линейной типа
[pic]=К(U-Uпр)/d, (25)
где Uпр – пробойное напряжение разрядного промежутка, определяемое
составом (парциальным давлением компонент) лазерной смеси [49]; К –
коэффициент, величина которого подбирается эмпирически из сравнения
расчетной и экспериментальной осциллограмм напряжения на обострительной
емкости. Величина дрейфовой скорости электронов равна We=[pic]Е, где [pic]
– подвижность электронов, которая считается независимой от Е и определяется
давлением буферного газа (данные по Uпр и [pic] взяты из [49]).
Сопротивление межэлектродного промежутка в этом случае выражается
через концентрацию электронов следующим образом
R(t)= [pic], (26)
где е–заряд электрона; S–площадь электродов.
Тогда система уравнений, описывающая LC-контур, приобретает вид:
[pic];
[pic];
[pic]; (27)
[pic];
[pic].
Система уравнений (27) решается при определенных начальных условиях
(начальный момент времени соответствует условию U2 = Uпр). Как известно в
режиме холостого хода напряжение на обострительной емкости изменяется по
закону
U2(t)=[pic], (28)
где U0–зарядное напряжение; ?1=R1/2L1; [pic]=[pic];
[pic]; [pic]. Приравнивая U2(t)=Uпр, определим время начала пробоя tпр,
решая трансцендентное уравнение. Теперь напряжение на накопительной емкости
С1 и токи I1, I2 определим из соотношений:
U1(tпр)=U0-[pic]; (29)
I1(tпр)=U0[pic]; (30)
I2(tпр)=[pic]; (31)
R(0)= [pic]. (32)
Таким образом, система уравнений (27) решается при следующих
