электронов предыонизации в разрядном объеме.
ne > (4De Xкр/(др)-3/2,
(15)
где De и (др – коэффициент диффузии и дрейфовая скорость электронов, а
Xкр– критическое расстояние. Оценка минимальной концентрации начальных
электронов дает значение ~106-108см-3. Причем, повышение начального уровня
предыонизации и напряжения на электродах, а также увеличение скорости его
нарастания всегда способствует улучшению однородности разряда.
Учёными исследовалась зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от
уровня предыонизации. Показано, что выходная энергия не зависит от уровня
предыонизации, когда ne > 108см-3. При ne~107см-3 она уменьшается на 10%, а
при ne ~106см-3 наполовину. Данное снижение уровня предыонизации приводит к
значительному нарушению однородности разряда и уменьшению энергии
генерации. Концентрация электронов предыонизации при отсутствии напряжения
между лазерными электродами может быть представлена
[pic], [pic] (16)
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]. (17)
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 (15). Рассмотрим два случая.
1. Осутствует внешнее электрическое поле Е/N=0. В этом случае величина
? ~ 10-10 -10-11 см-3/с . 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], (18)
?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
2.Основные схемы возбуждения ЭЭЛ
Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие
сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-
контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения
используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых.
Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы возбуждения на
основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1 Дж, а при
импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж , формировать длинные
импульсы генерации, успешно управлять их формой и длительностью, иметь
высокую генерационную эффективность. Однако такие требования к LC-контуру
как минимальная индуктивность, использование специальных конденсаторов и
низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их применение, особенно когда
необходимы высокие мощности генерации (>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 и во-вторых, они позволяют вдвое
увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным электродам.
В технике возбуждения газоразрядных лазеров в основном используется
три типа электрических схем: так называемая схема Блюмляйна (рис. 2а),
схема с перезарядкой емкостей (рис.2б) и генератор Маркса(рис. 2в).
Недостатком схемы Блюмляйна является трудность согласования импедансов
нагрузки и контура возбуждения. Но зато существует
теоретическая возможность удвоения напряжения на нагрузке. Кроме того, при
оптимальных параметрах согласования нагрузка на коммутатор низка, т. к.
коммутируется только емкость С1, которая в большинстве случаев в 2-3 раза
меньше С2.
Схема с перезарядкой емкостей (рис. 2б) наиболее сильно нагружает.
коммутатор (тиратрон), т. к. коммутируемая емкость С1 больше С2. Кроме
того, в случае согласованной нагрузки напряжение на ней падает более чем
вдвое по сравнению с начальным напряжением на накопительной емкости С1.
Генератор Маркса применяется в мощных лазерных установках, где
основной упор сделан на энергетические, а не частотные характеристики, т.
к. в этом типе схемы возбуждения в качестве коммутаторов используются
искровые разрядники, не позволяющие работать с частотами выше 10 Гц.
Итак, мы остановились на схеме Блюмляйна, которая, как показывает
анализ, наиболее эффективна для применения в лазерах средней мощности, с
запасаемой в емкостях энергией порядка 10 - 20 Дж. Рассмотрим подробнее
работу этой схемы (рис. 3) переходные процессы, начинающиеся в схеме после
включения тиратрона Т, описываются нелинейным дифференциальным уравнением
пятого порядка. Дело упрощается, если моделировать процесс пробоя
межэлектродного промежутка ступенчатой кривой (рис. 4), где сопротивление
нагрузки падает до 0, 5-0, 3 Ом в момент начала лавинных процессов. Это
приближение сильно упрощает уравнения и довольно хорошо описывает работу
схемы.
Качественно картина работы схемы возбуждения выглядит так:
первоначально емкости С1 и С2 заряжаются от источника питания до напряжения
U0. После включения коммутатора Т в контуре 1 начинается довольно медленный
процесс переразрядки емкости C1 с характерным временем [pic](L1c1), где L1
- индуктивность тиратрона. Этот контур в основном определяет крутизну
нарастания напряжения на нагрузке - межэлектродном промежутке. В идеальном
случае процесс инвертирования заряда на С1 проходит полностью, и в момент
пробоя емкости С1 и С2 оказываются соединенными последовательно, напряжение
на нагрузке удваивается по сравнению с начальным U0. Реально же из-за
довольно медленного процесса, тормозимого конечными переходными
характеристиками тиратрона, нарастание напряжения на нагрузке недостаточно
быстро (около 70 нc), и пробой происходит без существенного перенапряжения.
Длительность импульса тока, следовательно и плотность тока, определяет
контур 11 с характерным временем
[pic]
Как показывают эксперименты, можно пожертвовать скоростью нарастания
напряжения и, подсоединив параллельно нагрузке емкость С3, уменьшить за
счет взаимоиндукции L2 и L3 эффективную индуктивность разрядного контура,
тем самым ускорить процессы энерговклада в плазму. Этот метод оказался
довольно эффективным и позволил поднять кпд лазера в 1, 5 раза.
Практически все схемы возбуждения можно получить исходя из двух
основных схем LC-контур и LC-инвертор :
2.1. Использование LC-контура для возбужденияэлектроразрядных эксимерных
лазеров
Применению LC-контура в качестве системы возбуждения эксимерных
лазеров посвящен ряд работ. Было исследовано влияние на энергию генерации
отдельных параметров разрядного контура, 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.
Из результатов исследования влияния величины обострительной
емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера стало ясно, что существует
оптимальное значение обострительной емкости, при которой выходная энергия
максимальна.
Ведущими инжинерами доказано, что энергия генерации максимальна при
соотношении С0/С1(0,6, причем максимальная эффективность в этом случае
достигается при минимальном напряжении.
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
