Введение к работе
Актуальность темы.
СОг-лазеры являются одним из типов газовых
лазеров наиболее широко применяемых в различных
областях науки, техники и технологии в настоящее время.
Разработаны разнообразные методы возбуждения С02
лазеров: возбуждение электрическим самостоятельным,
несамостоятельным, ВЧ разрядами; а так же химический и
газодинамический методы возбуждения. Известно, что
сочетание таких параметров как: высокие пиковая, средняя
мощность и удельная энергетика, КПД, возможность
работы в непрерывном и импульсно-периодическом
режиме, наиболее полно отвечающие требованиям
различных технологических процессов, реализованы при
возбуждении С02-лазера несамостоятельным разрядом,
поддерживаемым электронным пучком
(электроионизационный метод возбуждения). При таком методе возбуждения создание плазмы в разрядном промежутке осуществляется пучком высокоэнергетичных электронов, а энергия вводится в газовую среду на стадии несамостоятельного разряда при напряженности поля оптимальной для передачи энергии на верхний лазерный уровень молекул СОг- Однако, такие СОг-лазеры не нашли широкого применения и используются лишь как экспериментальные исследовательские установки. Причиной этого является наличие в составе лазера ускорителя электронов, что приводит к появлению у него ряда недостатков: сложность конструкции и эксплуатации (радиационная опасность), небольшой срок службы из-за разрушения фольги, разделяющей вакуумный и газовый тракт ускорителя (порядка 10ч. в безостановочном
режиме). Поэтому разработка методов возбуждения С02-лазеров несамостоятельным разрядом, сочетающих достоинства электроионизационного с долговечностью и надежностью в работе, отсутствием радиационной опасности остается актуальной задачей.
Одним из возможных путей решения данной задачи является использование для создания плазмы вместо электронного пучка самостоятельного разряда малой длительности. Такие разряды получили название комбинированных, и для их осуществления предложен ряд методов, отличающихся развязкой электрических цепей самостоятельного и несамостоятельного разрядов.
В 1972 г. Рейли [1], а в 1973 г. Хиллом [2] был предложен метод возбуждения комбинированного разряда, в котором развязка цепей питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов осуществлялась при помощи индуктивности (в 1989 г. Сегуином [3] была показала возможность получения таких разрядов в больших ~40л объемах активной среды). Однако, гфинцшшальньш недостатком предложенного метода стало то, что индуктивность, установленная в цепи питания несамостоятельного разряда, ухудшает его однородность, устойчивость и, следовательно, снижает предельную энергетику. Использование индуктивности требует резистивной стабилизации разряда, что значительно снижает КПД и удельную энергию излучения лазера (менее 200 Вт/л).
В 1977 г. Генераловым с сотрудниками [4] был предложен пространственно-емкостной метод развязки цепей питания. В данном методе для увеличения удельной энергетики разряда необходимо увеличивать емкость, развязывающую цепи питания, а это требует использования диэлектриков с высокой относительной диэлектрической проницаемостью (є). Как показали исследования, разряд в промежутках с электродами, изготовленными из материалов с высоким є (например титанид бария «2000)
5 имеет резко неоднородную структуру и контрагируется при удельных энерговкладах менее 0,1 Дж/см3.
Общим недостатком обоих методов является то, что для развязки цепей питания вьшужденно используются элементы, существенно ограничивающие ток и удельную энергетику несамостоятельного разряда. Сняв эти ограничения, возможности метода комбинированного возбуждения разряда можно было бы раскрыть в полной мере.
Основываясь на изложенном выше, в работе была поставлена следующая цель;
Создать высокоэффективные импульсно-
периодические СОг лазеры, возбуждаемые
комбинированным разрядом, с высокой удельной мощностью, изменяемой формой и длительностью импульса излучения.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи исследований:
Разработать надежные в работе системы возбуждения комбинированного разряда, обеспечивающие высокую удельную энергетику разряда.
Исследовать влияние на предельные энергетические характеристики комбинированного разряда параметров газовой среды, режимов ввода энергии в газ, элементов электрических цепей питания и пространственных параметров разрядного промежутка.
Исследовать генерационные характеристики активной среды СОг лазера, возбуждаемого комбинированным разрядом, и влияние на эти характеристики параметров газовой среды, режимов ввода энергии.
Научная новизна.
1. Предложены и экспериментально обоснованы системы возбуждения комбинированного разряда для
импульсно-периодических ССЬ-лазеров, где впервые реализована совокупность следующих параметров:
в импульсно-периодическом режиме энергия, затрачиваемая на возбуждение самостоятельного разряда, составляет 1-КЗ% от энергии, введенной в газовую среду на стадии несамостоятельного разряда;
удельная энергия импульса несамостоятельного разряда достигает 0,15 Дж/(см3*атм.);
удельная средняя мощность несамостоятельного разряда-150 Вт/(см3*атм.);
- пиковая мощность импульсов излучения превышает
среднюю мощность излучения в 10 раз;
- удельная пиковая мощность импульса излучения -
100 Вт/(см3*атм.);
удельная средняя мощность излучения 10 Вт/(см3*атм.).
2. Показано, что КПД С02 лазера при импульсно-
периодическом комбинированном возбуждении активной
среды достигает:
- 22% в режиме полной замены газа;
- 10% при работе в отпаянном (~3*107 включений)
режиме.
3. Впервые для импульсно-периодического
электроразрядного лазера с комбинированной системой
возбуждения разработана методика расчета параметров
накопителя, питающего несамостоятельный разряд, с
учетом параметров возбуждаемой среды и процессов,
ведущих к контракции разряда.
4. Установлено, что небольшие добавки водорода в
рабочую смесь газов импульсно-периодического СОг
лазера, возбуждаемого комбинированным разрядом,
повышают энергию, рассеянную в активном объеме, и
7 энергию излучения, предложено объяснение причин повышения энергетики несамостоятельного разряда.
5. Продемонстрирована возможность изменения
формы импульса излучения за счет изменения режимов
ввода энергии в газ.
6. Найдены оптимальные для получения
максимальной энергии накачки и излучения составы и
давления рабочих смесей газов, режимы возбуждения
активной среды.
7. Разработана методика получения нанодисперсных
порошков сложных соединений и смесевых составов
материалов при их испарении излучением импульсно-
периодического СОг лазера, возбуждаемого
комбинированным разрядом, и последующей конденсации
в потоке воздуха; в экспериментах получены порошки
Zr02, стабилизированные Y203, и смеси таких порошков с
порошками А1203, со средним размером частиц 15 нм и
удельной поверхностью 65-75 м^г; показано, что
импульсный режим излучения в 3-6 раз более эффективен
для получения таких нанопорошков, чем непрерывный при
той же средней мощности излучения.
Научная и практическая значимость работы.
-
Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при создании мощных газовых лазеров с высокими удельными энергетическими характеристиками, перестраиваемой формой, длительностью и частотой следования импульсов излучения, высоким ресурсом работы.
-
Предложенные системы возбуждения позволяют модернизировать уже существующие лазерные установки для перевода их в режим импульсно-периодического излучения большей мощности (что продемонстрировано при модернизации лазера "ХЕБР-1А", проводимой на ПО "УОМЗ", г.Екатеринбург)
3. Предложенная методика расчета параметров
накопителя, питающего несамостоятельный разряд, с
учетом параметров возбуждаемой среды и процессов,
ведущих к контракции разряда, используется при расчете
элементов импульсно-периодических лазеров,
возбуждаемых комбинированным разрядом.
4. Разработанная методика получения нанопорошков
с помощью импульсно-периодического СОг лазера,
возбуждаемого комбинированным разрядом, используется
при производстве наноразмерных порошков сложных
соединений и смесевых составов различных материалов с
узким диапазоном дисперсии.
Защищаемые положения:
-
Предложены и экспериментально обоснованы системы возбуждения импульсно-периодического комбинированного разряда, обеспечивающие его высокие удельные энергетические характеристики при напряженностях электрического поля оптимальных для накачки С02 лазеров.
-
Методика расчета оптимальных параметров накопителя, питающего несамостоятельный разряд, с учетом характеристик возбуждаемой среды и процессов, ведущих к контракции разряда.
3. Результаты исследований предельных
энергетических характеристик импульсно-периодического
СОг лазера, накачиваемого комбинированным разрядом,
позволившие установить условия, при которых
достигается:
удельная средняя мощность несамостоятельного разряда ~150 Вт/(см3*атм.);
удельная энергия импульса несамостоятельного разряда ~0,15 Дж/(см3*атм.);
- КПД в режиме полной замены газа 22%, при работе в
отпаянном (~3* 107 включений) режиме 10%.
4. Результаты исследований по влиянию добавок
водорода и СО в рабочую смесь газов на энергетику
импульсно-периодического СС"2 лазера, возбуждаемого
комбинированным разрядом.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на
следующих конференциях: VII конференция по физике
газового разряда (Самара, 1994); П Международная
конференция "Импульсные газовые лазеры на переходах
атомов и молекул" (Томск, 1995); VHI конференция по
физике газового разряда (Рязань, 1996); International
Symposium PLASMA'97 "Research and Applications of
Plasmas" (Poland, Jarnoltowek near Opole, 1997); 11-th ШЕЕ
International Pulsed Power Conference (Maryland USA,
Baltimore, 1997); Ш Международная конференция
"Импульсные газовые лазеры на переходах атомов и
молекул" (Томск, 1997); International Conference on
LASERS'97 (New Orleans, Louisiana, USA, 1997); 12-th
International Conference on High-Power Particle Beams
BEAMS'98 (Haifa, Israel, 1998); Fourth International
Conference on Nanostructured Materials NANO'98
(Stockholm, Sweden, 1998) VI Международная конференция
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ^ (Шатура, 1998);
Всероссийская конференция по физике
низкотемпературной плазмы ФНТП-98, ПЛАЗМА ХХ-ый ВЕК (Петрозаводск, 1998); ГХ конференция по физике газового разряда (Рязань, 1998); 4-th International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'99 (Tomsk, 1999).
Публикации.
Результаты работы полностью опубликованы в 8 статьях, 10 сборниках докладов и их тезисов, защищены тремя патентами Российской Федерации. Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации, составляет 21 наименование.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, приложения и заключения. Полный ее объем составляет 112 страниц, включая 41 рисунок, 1 таблицу и список литературы, насчитывающий 110 наименований.
