Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
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<10L0 (L0~3нГн). В большинстве случаев уменьшение L1 ниже 10L0 связано со значительными конструктивными трудностями, поэтому этот диапазон изменений L1 был практически не исследован.
Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1 обострительную емкость C0 (см. рис.7,а). Так как С1 перезаряжается на С0 через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с сопротивлением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение потерь на коммутаторе. С целью выяснения влияния сопротивления коммутатора на энергию генерации лазера исследовалась ее зависимость от числа параллельно включенных разрядников РУ-65. Исследования проводились на смеси НСl:Хе:Ne–1:15:1960, при общем давлении 2,6 атм. и зарядном напряжении до 40 кВ. Величины накопительной и обострительной емкостей были равны 70 нФ. Индуктивность L1 в этой серии экспериментов была постоянной и равнялась ~35нГн, что достигается сменой токоведущих шин. Зависимость энергии генерации от числа параллельно включенных коммутаторов представлена на рис.8. Из рисунка видно, энергия генерации лазера при замене одного разрядника на шесть возросла в 2 раза, при неизменной величине остальных параметров системы возбуждения и предыонизации. Следовательно, данный прирост энергии генерации обусловлен только фактом уменьшения коммутационных потерь. Поэтому, все дальнейшие исследования были проведены при использовании шести параллельно включенных разрядников.
На рис.9 представлены зависимости энергии генерации ХеСl - лазера от величины индуктивности L1. Состав активной смеси и ее давление соответствовали оптимальным значениям, полученным в [34]. Задержка начала тока основного разряда относительно начала импульса предыонизации соответствовала оптимальной и составляла ~100 нс. Результаты, представленные на рисунке получены при значениях величины С1=300 нФ – (а), 225 нФ – (б), 150 нФ – (в) и 75 нФ – (г). На всех четырех рисунках кр. 1 соответствует С0=3,6 нФ, кр. 2 – 25 нФ, кр. 3 – 52 нФ и кр. 4 – 70 нФ. Из представленных графиков видно, что при величине обострительной емкости С0 в несколько нанофорад (кр.1) увеличение индуктивности L1 от 11 нГн до 33 нГн приводит к уменьшению энергии генерации лазера примерно вдвое во всех четырех случаях. Такое же поведение обнаруживает и зависимость Eген от индуктивности L1 при величине С0=25 нФ (кр.2). Однако ход кривых изменяется при С0 =52 нФ. Если при С1=300,225 и 150 нФ с ростом индуктивности L1 энергия генерации уменьшается, то при С1=75 нФ с ростом L1 она возрастает (см. рис.9,г. кр.3). Дальнейшее увеличение С0 существенно изменяет ход зависимостей Eген от индуктивности L1. При Со=70 нФ и С1=300 и 225 нФ энергия генерации лазера практически не зависит от индуктивности L1,а при С1=150 и 75 нФ она возрастает с ростом L1, причем значительно (рис.7 г, кр. 4).
На рис.10 представлены зависимости энергии генерации ХеСl-лазера от величины обострительной емкости С0 при изменении величины индуктивности в контуре перезарядки L1=11 нГн (а), 23 нГн (б), 33нГн (в). Кривая 1 соответствует С1=300 нФ, 2 – 225 нФ, 3 – 150 нФ и 4 – 75 нФ. Из рис.10,а видно, что энергия генерации лазера с ростом С0 от 3,6 нФ до 70 нФ при минимально возможном значении L1=11 нГн плавно уменьшается при всех значениях С1. Иное поведение кривых наблюдается при L1=23 нГн (б) и 33 нГн (в). Уменьшение энергии генерации происходит только до значений С0~30-40 нФ, после чего она возрастает.
С целью обобщения полученных результатов и более наглядного представления влияния различных параметров LC-контура на генерационные характеристики ХеСl- лазера на рис.11 представлены объемные поверхности, иллюстрирующие одновременную зависимость Еген от изменения индуктивности L1 и обострительной емкости С0 при значениях накопительной емкости С1=300 нФ (а) и С1=75 нФ (б). На данных поверхностях можно проследить все описанные ранее закономерности.
На рис.12 приведены осциллограммы импульсов напряжения на обострительной емкости (1), разрядного тока (2) и импульса генерации (3) при С1=300 нФ, L1=11 нГн. Состав и давление смеси, а также зарядное напряжение – прежние. Из рисунка видно, что рост С0 существенным образом влияет на напряжение, ток разряда и импульс генерации. Возрастание С0 приводит к увеличению колебательной структуры импульсов.
Проанализируем полученные результаты. Существующие способы предыонизации активной среды эксимерных лазеров позволяют получать начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их плотности в момент начала генерации ~1015-1016см-3 [35]. Это значит, в разряде существует стадия его формирования, в течение которой концентрация электронов возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии, преимущественно за счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке, происходит экспоненциальный рост концентрации электронов. При этом, как показано в [26], время поддержания высокой напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-20 наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии: стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту концентрации электронов. Это можно сделать, как показано в [36,37], путем значительного уменьшения напряженности электрического поля на стадии энерговклада, т.е. уменьшения E/N до значения (E/N)*. В работе [38] формирование разряда осуществлялось с помощью высоковольтного предымпульса, а энерговклад в него производился от низкоомной формирующей линии с пониженным напряжением. Была достигнута энергия генерации 4,2 Дж при КПД~4,2%. Уменьшение напряженности электрического поля можно достичь путем последовательного включения стабилизирующих элементов (балластных резисторов, нелинейных индуктивностей), а также созданием систем возбуждения с изменяющимся во времени по определенному закону импульсом напряжения.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19