1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ

1.1. Влияние системы предыонизации на работу XeCl-лазера

1.1.1. Общая характеристика систем предыонизации

Одним из важнейших факторов, влияющих на работу электроразрядных эксимерных лазеров, является предыонизация активной среды [1-3]. Она оказывает существенное влияние на устойчивость разряда, его однородность, длительность объемной стадии, стабильность генерации и ресурс работы лазера. В [4] показано, что предварительное ультрафиолетовое (УФ) облучение газового объема сокращает время развития пробоя, способствует формированию объемного разряда. С увеличением интенсивности облучения уменьшается напряженность поля, при которой возникает диффузный разряд. Происходит это потому, что УФ-ионизация создает некоторое начальное количество свободных электронов, которые становятся центрами инициирования разряда. Для всех газоразрядных лазеров, использующих поперечный разряд, важное практическое значение имеет решение вопроса о минимальной плотности электронов предыонизации и однородности их распределения, необходимой для формирования однородного разряда. В случае малого количества начальных электронов происходит независимое развитие рождаемых ими лавин. В окрестности каждой лавины нарастает искажение внешнего поля потенциалом пространственного заряда, который возникает в ходе ионизационного размножения частиц в лавине [4]. После прохождения лавиной некоторого критического расстояния она порождает стример. Формирование однородного разряда достигается в случае, когда пробой газоразрядного промежутка происходит при одновременном развитии множества электронных лавин и их взаимном перекрытии до того, как они пройдут критическое расстояние. При этом искажающее действие поля пространственного заряда каждой отдельной лавины будет подавлено коллективным действием остальных лавин во всем объеме. В [5] показано, что существует критическое расстояние между начальными электронами предыонизации, которое определяет минимальное значение концентрации электронов предыонизации в разрядном объеме.

ne > (4De Xкр/uдр)-3/2, (1)

где De и uдр – коэффициент диффузии и дрейфовая скорость электронов, а Xкр – критическое расстояние. Оценка минимальной концентрации начальных электронов дает значение ~106-108 см-3. Причем, повышение начального уровня предыонизации и напряжения на электродах, а также увеличение скорости его нарастания всегда способствует улучшению однородности разряда [6].

В [7] исследовалась зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от уровня предыонизации. Показано, что выходная энергия не зависит от уровня предыонизации, когда ne > 108 см-3. При ne~107 см-3 она уменьшается на 10%, а при ne ~106 см-3 наполовину. Данное снижение уровня предыонизации приводит к значительному нарушению однородности разряда и уменьшению энергии генерации. Согласно [7] концентрация электронов предыонизации при отсутствии напряжения между лазерными электродами может быть представлена

, (2)

где ne - концентрация электронов предыонизации; nHCl - концентрация молекул НCl; b – эффективная скорость диссоциативного прилипания электронов к НС1; S0 - скорость образования электронов под действием внешнего ионизатора. Тогда

. (3)

Из (3) видно, что концентрация электронов выходит на насыщение при ne = S0/bnHCl c постоянной времени t0 = 1/bnHCl. Оценим порядок величин определяющих величину выражения (3). Рассмотрим два случая.

1. Осутствует внешнее электрическое поле Е/N=0. В этом случае величина β ~ 10-10 -10-11 см-3/с [1]. Концентрация молекул HCl в основном колебательном состоянии ~ 1016 см-3. Тогда t0 = 1/bnHCl ~ 10-6 c. Если S0 = 1015 см-3/с, то концентрация электронов возрастает до ne ~ 109 см-3 за время порядка t0.

2. На электроды лазера подается импульс напряжения. В этом случае Е/N отлично от нуля, что приводит к тому, что электроны начинают приобретать энергию от электрического поля, а электронная температура Те начинает расти и отрываться от температуры нейтральных частиц. Электронная температура Те ~ E/N. Поэтому по мере роста E/N увеличивается вероятность возбуждения нейтральных атомов электронами. Процессы прилипания еще полностью доминируют над процессами ионизации, то есть нет развития электронных лавин, но уже идет накопление нейтральных атомов в возбужденных состояниях. Это приводит к тому, что увеличивается величина S0, так как теперь ионизироваться УФ- подсветкой могут частицы не только из основного, но и возбужденного состояния (при этом предыонизация вкладывает в активную среду туже энергию, что и ранее, но увеличивается концентрация электронов). Тогда концентрация электронов описывается выражением

, (4)

γne - увеличение выхода электронов. Можно показать, что уменьшение порога пробоя основного лазерного промежутка под действием предыонизации обусловлено действием именно этого механизма. Таким образом, предыонизация активной среды осуществляется не мгновенно, а в течение определенного времени t. В этой связи важно определить оптимальное время действия предыонизации и установить взаимосвязь τ с энергетическими характеристиками XeCl-лазера при различных типах предыонизации. Поэтому представляется целесообразным провести комплексное исследование влияния параметров и режима работы контура предыонизации на генерационные характеристики лазера.

1.1.2. Условия и техника эксперимента

Исследования проводились на эксимерном электроразрядном лазере, излучатель и система предыонизации активной среды которого выполнены аналогично описанным в [8] и представлены на рис.1. Излучатель представлял собой диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой располагались профилированный цельнометаллический анод (А), сетчатый катод (К) и электрод предыонизации (ЭП). Предыонизация активной среды в межэлектродном промежутке (МП) осуществлялась излучением разряда из-под сетчатого катода при подаче импульса высокого напряжения на электрод предыонизации. Такое расположение системы предыонизации позволило максимально приблизить источник ионизирующего излучения к зоне основного разряда и достичь однородного распределения начальных электронов в МП. Основной разрядный объем составлял 90х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На торцах разрядной камеры располагался резонатор лазера, который был образован плоским зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.

Возбуждение поперечного разряда осуществлялось системой возбуждения (СВ), выполненной по типу LC-контура (рис.1,а) и LC-инвертора (рис.,1б). Например, LC-инвертор [9] включал накопитель энергии (НЕ) на С1 и С2, которые от источника постоянного высокого напряжения через резисторы R1 и R2 заряжались до напряжения Uo. После срабатывания коммутатора РУ, в качестве которого использовались управляемые разрядники РУ-65, через L2 происходила инверсия напряжения на С2, и через индуктивность L1 осуществлялась зарядка обострительной емкости (ОЕ) Со до напряжения, близкого к двойному зарядному. ОЕ Со была подключена к электродам лазера с минимально возможной для данной конструкции индуктивностью Lо.