Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Среди газовых лазеров особое место занимают СС^-лазеры, являющиеся одними из наиболее распространенных и эффективных лазеров высокой мощности. В большинстве С02-лазеров накачка осуществляется электрическим разрядом. Развитие техники конвективного охлаждения привело к тому, что поверхность, окружающая разряд, больше не служит стоком теплового потока, поэтому конфигурация и условия существования разряда стали гораздо более разнообразными. В газоразрядных камерах (ГРК) со сложной геометрией электродов и газового потока можно рассчитывать на получение достаточно полных представлений о свойствах активной среды и ее эффективности только при применении развитых методов диагностики пространственных распределений характеристик активной среды.
В импульсных системах при энерговкладах более
0.3 Дж/(см атм) и длительностях импульса возбуждения менее 1 мкс используемые модели расчета лазерных параметров, основанные на представлении о формировании модовых колебательных температур, приводят к значительному расхождению с экспериментом, что препятствует в указанных условиях корректным оценкам населенностей колебательных уровней и выбору оптимальных условий возбуждения. В связи с этим является актуальным использование поуровневого подхода для описания асимметричной моды V3 С02 и моды ^-
Задача получения неконтрагированного однородного разряда при повышенных давлениях является ключевой при создании лазеров на С02- В контрагированном разряде повышенного давления особую
роль играют приэлектродные слои, которые являются инжекторами заряженных частиц в положительный столб. Часто образованию шнуров в разряде повышенного давления, характерного для мощных технологических лазеров, предшествует появление анодных токовых пятен. Вследствие этого большой интерес, с точки зрения достижения предельных энерговкладов и однородности разряда, представляют исследования прианодной области разряда, а также состояния поверхности анода. Этот интерес вызван не только тем, что прианодная область разряда сравнительно мало изучена. Исследования влияния анодных пленок важны для получения однородного неконтрагированного разряда без применения громоздких и энергоемких технических устройств.
Решению этих проблем посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы.
1. Развитие метода ИК-люминесценции (ИКЛ) для диагностики
активной среды технологических С02-лазеров; разработка
математической модели ИКЛ для количественного анализа
результатов экспериментальных измерений, учитывающей
поглощение излучения в холодных областях ГРК и атмосфере.
-
Исследование причин понижения выходной мощности (Х^-лазера при повышенных энерговкладах на основе анализа кинетики возбуждения активной среды в рамках уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод V3 С02 и N2.
-
Исследование неустойчивостей в прианодной области тлеющего разряда повышенного давления в виде анодных токовых пятен.
Защищаемые прл.ож
Автор выносит на защиту:
1. Математическая модель метода И К- люминесценции, учитыва
ющая поглощение излучения в холодных слоях ГРК и атмосфере,
позволяет на основе экспериментально измеренных интенсивностей
ИКЛ в полосах 2.7 и 4.3 мкм получать значения колебательных
температур в объединенной (Т^) и асимметричной (Тд) модах
молекул СС>2. С ее помощью восстановлены значения колебательных
температур T-J2 и Тз исходя из экспериментально измеренных
интенсивностей ИКЛ в TEA- и технологическом С2 -лазерах.
-
При больших энерговкладах (~1Дж/(см-атм) за 1 мке) в активную среду СС^-лазера наиболее вероятным механизмом понижения выходной мощности является наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня. Для анализа кинетики возбуждения активной среды была разработана уточненная модель колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод V3 С02 и N2.
-
В зависимости от величины полного тока I, протекающего через анодное пятно, можно выделить две области: область малых токов К1п (1п- критическое значение тока, зависящее от характеристической энергии электронов Dg/ne), где плотность тока в центре пятна логарифмически увеличивается с ростом тока и при этом сильно зависит от диффузии электронов; область больших токов 1>1п, где выполняется закон нормальной плотности тока и влиянием диффузии можно пренебречь.
-
Продемонстрирована возможность образования кольцевых токовых структур на аноде, подтверждаемая известными из литературы экспериментами.
5. Наличие критического значения распределенного сопротивления однородного слабопроводящего покрытия на поверхности анода приводит к полному подавлению анодных токовых пятен в тлеющем разряде в N2 и смеси N2 :Не.
Научная новизна и практическая ценность.
Разработана кинетическая модель СС^-лазера, возбуждаемого самостоятельным тлеющим разрядом при повышенных давлениях, основанная на уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод v3 СО2 и N2, пригодная для получения результатов, количественно согласующихся с экспериментом при экстремально высоких, в том числе и импульсных, энерговкладах. Показано, что при больших энерговкладах (~1Дж/см -атм за 1 мкс) в активную среду СС^-лазера наиболее вероятным механизмом понижения выходной мощности является наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня.
Предложена методика расчета колебательных температур объединенной и асимметричной мод С<>2 молекул из экспериментально измеренных интенсивностей ИК-люминесценции в полосе 2.7 и 4.3 мкм, учитывающая поглощение излучения при его переносе через среду с неоднородными термодинамическими параметрами. На основе предложенной методики разработано программное обеспечение для ИК-флюориметра, с помощью которого исследована динамика изменения колебательных температур в TEA С02-лазере и получены пространственные распределения колебательных температур в ГРК быстропроточного технологического С02-лазера ТЛ-5 с перекрестной геометрией электродов вдоль потока. Исходя из полученных распределений оценено время релаксации верхнего лазерного уровня, сеидетель-
ствующее о наличии сильных релаксантов в лазерной смеси.
Разработана численная двумерная нестационарная модель прианодной области тлеющего разряда повышенного давления, учитывающая как поперечные, так и продольные составляющие процессов диффузии электронов и положительных ионов, а также наличие анодной пленки и отражение электронов от поверхности анода.
Впервые показано, что в зависимости от величины полного тока, протекающего через пятно, можно выделить две области: область сравнительно малых токов К1п (1р - критическое значение, зависящее от характеристической энергии электронов De/ne), где плотность тока в центре пятна логарифмически увеличивается с ростом тока и при этом сильно зависит от диффузии электронов; область больших токов 1>1П, где выполняется закон нормальной плотности тока и влиянием диффузии можно пренебречь.
Впервые численно получена сложная анодная токовая структура в виде центрального пятна и обрамляющего его кольца. Кольцевая структура реализовывалась только в случае постановки граничных условий на достаточно определенном расстоянии от центра, зависящем от полного тока, протекающего через разряд.
Впервые исследовано влияние анодных оксидных пленок на возмущение в тлеющем разряде повышенного давления в виде анодных токовых пятен; показано, что существует критическое значение величины распределенного сопротивления пленки, выше которой анодное токовое пятно распадается. Величина критического сопротивления зависит от соотношения между параметрами, а именно: полной силы тока и характерного расстояния между соседними
/
пятнами. Высокое стабилизирующее действие наработанной на поверхности анода оксидной пленки дает возможность снизить величину балластных сопротивлений и повысить КПД мощных технологических лазеров.
Показан сравнительно более слабый рост падения потенциала в центре токового пятна на АОП при увеличении ее сопротивления, что снижает вероятность пробоя пленки.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Научно - исследовательского центра по технологическим лазерам, на Всесоюзной конференции "Лазерные технологии" /Вильнюс, 1988/, IX Международном симпозиуме GCU92/ Гераклион, Греция, 1992/, XI Международной конференции ESCAMPIG /Санкт-Петербург, 1992/. конференции "Лазерные технологии-93", /Шатура, 1993/, конференции "Физика и техника плазмы" /Минск, 1994/.
Вклад автора. Все результаты в диссертации получены автором лично или в соавторстве при непосредственном его участии.
Структура.И об-ьем .работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 134 страницах машинописного текста, иллюстрированного 30 рисунками и 2 таблицами, список цитированной литературы включает 102 наименования.
