Введение к работе
Актуальность темы. Практическое использование газоразрядной плазмы, в том числе в качестве активной среды лазеров, сталкивается с проблемой подавления неустойчивости ее стационарного однородного состояния.
Исследования положительного столба тлеющего разряда низкого давления в инертных газах позволили выделить ряд возможных механизмов его неустойчивости. Внешне их существование проявляется в падающей вольт-амперной характеристике (ВАХ). Как правило, отрицательное динамическое сопротивление плазмы является результатом совместного действия нескольких физических механизмов, вклады которых в отрицательную крутизну ВАХ изменяются в зависимости от условий поддержания разряда. Поэтому установление причин падающей ВАХ в конкретной ситуации сталкивается со значительными трудностями. В частности, отсутствует удовлетворительное описание вольт-амперных характеристик гелий-неоновых лазеров с возбуждением активной среды разрядом постоянного тока, несмотря на многолетний опыт их разработки и промышленного производства.
Особенность используемого в качестве активной среды гелий-неоновых лазеров положительного столба тлеющего разряда заключается в превышении длины релаксации энергетического спектра электронов над диаметром разрядного канала. Изучение реализации различных механизмов неустойчивости в таких условиях представляет повышенный интерес в связи с развитием в последние годы самосогласованной нелокальной теории газоразрядной плазмы.
Цель настоящей работы заключается в выделении вкладов различных физических процессов в отрицательное динамическое сопротивление положительного столба разряда низкого давления в гелии и гелий-неоновой смеси.
Основой для достижения цели исследований является разделение процессов в низкотемпературной плазме по их временам релаксации. Последнее осуществляется путем экспериментального и теоретического изучения линейной реакции положительного столба на внешнее возмущение гармоническим сиг-
налом малой амплитуды и требует последовательного решения следующих задач:
измерение комплексного сопротивления положительного столба в узком разрядном канале;
разработка теоретической модели модулированного положительного столба с нелокальной функцией распределения электронов по энергии;
- синтез линейной схемы замещения плазмы по перемен
ному току и определение зависимости ее параметров от условий
поддержания разряда;
идентификация процессов, формирующих частотную зависимость импеданса положительного столба, и разделение механизмов неустойчивости по их инерционности;
исследование различных форм проявления неустойчивости положительного столба.
Научная новизна результатов работы
-
Разработана методика измерения комплексного сопротивления1 единицы длины положительного столба, исключающая влияние методических погрешностей, вызванных задержкой сигнала в распределенной системе "низкотемпературная плазма - внешний проводник" и отражением падающей волны от катодной области разряда.
-
На основе теоретического анализа модулированного режима положительного столба с учетом нелокальности энергетического спектра электронов получена схема замещения газоразрядной плазмы, адекватно описывающая частотную зависимость ее комплексного сопротивления в диапазоне частот 30 -2000 кГц.
-
Осуществлено экспериментальное разделение вкладов различных процессов в газоразрядной плазме в ее отрицательное динамическое сопротивление путем синтеза схемы замещения положительного столба по экспериментально измеренной частотной зависимости его импеданса.
4. Теоретически обосновано и экспериментально под
тверждено существование механизма неустойчивости, связанно
го с наличием в плазме пространственного заряда ионов и его
влиянием на баланс скоростей рождения и гибели заряженных
частиц.
5. Показана роль ступенчатой ионизации атомов элек
тронным ударом с участием их резонансных состояний как ме
ханизма усиления бегущих страт в положительном столбе.
-
Получено условие развития неустойчивости в активной длинной линии "низкотемпературная плазма - внешний проводник".
-
Доказана возможность компенсации высокочастотных механизмов неустойчивости плазмы за счет реакции Пеннинга, реализующейся в случае введения в состав газа легкоионизи-руемых примесей.
Достоверность научных выводов работы подтверждается соответствием между экспериментальными и теоретическими результатами, использованием дополняющих друг друга методов исследований положительного столба, а также результатами испытаний активных элементов гелий-неоновых лазеров.
Научно-практическое значение результатов работы
-
Разработанный метод экспериментального исследования газоразрядной плазмы позволяет получить уникальную информацию о кинетике ионизации в положительном столбе и процессе формирования энергетического спектра электронов.
-
Сформулирован критерий, ограничивающий возможные конструкции излучателей и являющийся необходимым элементом разработки одномодовых гелий-неоновых лазеров с повышенной выходной мощностью.
3. Обоснован способ индивидуального прогнозирования
срока службы гелий-неоновых лазеров, основанный на измере
нии тока разряда, соответствующего порогу параметрической
неустойчивости бегущих страт. Его реализация впервые позво
ляет осуществить неразрушаїощии контроль качества активных
элементов на стадии их производства и в процессе эксплуата
ции.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Вклады различных физических процессов в отрицательное динамическое сопротивление газоразряднойплазмымо--"гут быть; экспериментально разделены на основе-7синтеза схемы
замещения по измеренной частотной зависимости комплексного сопротивления положительного столба.
2. Влияние пространственного заряда ионов на ионизаци
онный баланс в положительном столбе тлеющего разряда низ
кого давления в гелии и гелий-неоновой смеси приводит к сни
жению напряженности продольного электрического поля в слу
чае увеличения силы тока и является механизмом, ответствен
ным за высокочастотную неустойчивость низкотемпературной
плазмы.
-
Составляющая отрицательного динамического сопротивления разряда в активных элементах гелий-неоновых лазеров, связанная с влиянием пространственного заряда на ионизационный баланс в плазме, вызывает конвективную неустойчивость активной длинной линии "плазма - внешний проводник".
-
Реакция Пеннинга, возникающая при введении в разрядный канал легкоионизируемых примесей, частично компенсирует неустойчивости плазмы, проявляющиеся в возбуждении бегущих страт и волн в системе "плазма - внешний проводник".
Апробапия работы и публикации. Результаты диссертационной работы были представлены на Всесоюзной конференции "Методы и средства диагностирования изделий электронной техники" (Москва, 1989), семинаре "Динамические и флуктуа-ционные процессы в лазерах и лазерных измерительных системах" (Москва, 1989), конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993), XXII международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Хобокен, США, 1995), 4-й международной школе-семинаре "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1995).
По материалам диссертации опубликованы 8 печатных работ, включая 2 изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 107 наименований. Она изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков.
