Исследование системы возбуждения электроразрядного эксимерного лазера выполненной по типу LC-инвертора
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].
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10