Существование квазистационарной стадии объемного разряда обусловлено, в основном, двумя факторами: диссоциативным прилипанием электронов к галогеноносителю и зависимостью констант скоростей реакций возбуждения и ионизации инертного газа от параметра E/N, определяющего образование электронов в разряде. При этом уравнение непрерывности для электронов разряда [12] имеет вид

, (16)

где ne–плотность электронов, t– время, x– расстояние от катода. измеряемое в направлении приложенного однородного электрического поля, W– скорость дрейфа электронов, а и – соответственно коэффициенты ударной ионизации и прилипания электронов. Из уравнения (16) следует, что пространственно однородный стационарный заряд может существовать при . Действующее значение отношения (E/N)* при котором было получено теоретически, путем численного решения уравнения Больцмана и нахождения распределения электронов по энергиям. Для смесей лазеров на галогенидах инертных газов типичное расчетное значение E/N=10-16-10-17 В∙см2, что хорошо согласуется с экспериментом. Ток в стационарном режиме разряда

(17)

где U– выходное напряжение, а Z0– характеристический импеданс источника.

В однородном разряде ток и плотность электронов связаны соотношением

(18)

где S– площадь поперечного сечения разряда, e – заряд электрона и W*– скорость дрейфа электронов при E/N=(E/N*). Отсюда

(19)

В случае когда к межэлектродному промежутку прикладывается импульс высокого напряжения, между электродами возникнет электрическое поле, ускоряющее свободные электроны, созданные источником предыонизации. При этом, если величина E/N больше, чем (E/N)*, плотность электронов увеличивается. Формирование электронной лавины приводит к росту плотности электронов от ее начального уровня, созданного источником предыонизации (обычно 106-108 см-3), до значений 1013-1016 см-3, которые существуют в течение времени горения импульсного тлеющего разряда. Нарастание тока прекращается, когда величина E/N в разряде уменьшается до величины (E/N)*, после чего разряд переходит в стационарную стадию.

Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых за рубежом. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации ³1 Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж [13], формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и длительностью [14], иметь высокую генерационную эффективность [15]. Однако такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт) и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [16] и во-вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным электродам.

Ниже в разделе 1.2.2 приведены результаты исследования выходных характеристик генерации XeCl-лазера с возбуждением только LC-контуром, (хотя был частично исследован и LC-инвертор [17-20]) при изменении его параметров в широком диапазоне [21-25]. Эти исследования позволяют определить оптимальные параметры системы возбуждения для достижения максимальной энергии, мощности и КПД генерации, получения гладкого временного профиля импульса, а также сформулировать критерии, по которым можно целенаправленно управлять характеристиками генерации эксимерных лазеров.

1.2.2 Влияние параметров LC-контура на энергию генерации ХеС1-лазера.

Применению LC-контура в качестве системы возбуждения эксимерных лазеров посвящен ряд работ [26-32]. В [28] исследовано влияние на энергию генерации отдельных параметров разрядного контура. В [29] – проведена оптимизация схемы возбуждения, изучено влияние индуктивности контура на энергию генерации и исследована зависимость выходной энергии и полной эффективности ХеСl-лазера от отношения накопительной к обострительной ёмкостей С0/С1.

В работах [30,31] приведены результаты исследования влияния величины обострительной емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера. Показано, что существует оптимальное значение обострительной емкости, при которой выходная энергия максимальна. Однако если в [30] энергия генерации имеет максимальное значение при С0~0,2С1, то в [31] при С0~0,5 С1.

В [33] показано, что энергия генерации максимальна при соотношении С0/С1~0,6, причем максимальная эффективность в этом случае достигается при минимальном напряжении.

В [32] эксперименты проводились при трех значениях С1 и изменении С0 в пределах 0,1С1-0,7С1.Найдено, что для всех значений С1 оптимальное отношение С0/С1 лежит в диапазоне 0,3-0,5.

Из анализа публикаций следует, что оптимальное соотношение обострительной и накопительной емкостей лежит в диапазоне 0,2-0,6. Обращает на себя внимание столь большое различие полученных разными авторами оптимальных значений отношения С0/С1. Это может быть связано с тем, что данное соотношение зависит от индуктивности L1, через которую происходит зарядка C0 от С1, а также потерь при коммутации, прикладываемого напряжения. Максимальное напряжение, до которого заряжается С0 от С1 при изменении С0 от 0,1С1 до С1, может линейно изменяться от ~2U0 до ~U0, где U0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С0 изменяется также напряжение, прикладываемое к лазерным электродам, и соответственно энерговклад в активную среду. Поэтому для каждого конкретного случая необходимо определять оптимальные значения давления смеси, зарядного напряжения, величины С1, С0, L1 и L0.

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.