Зависимость энергии генерации от величины обострительной емкости

1 - L1=11 нГн; 2– L1=23 нГн;

С1=75 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.9

С0=70 нФ (рис.5,б) сравнительно высокая энергия достигается за счет предымпульса и самой высокой мощности энерговклада по отношению к остальным рассмотренным случаям. Таким образом, наибольшая энгергия генерации достигается при реализации режима работы LC-контура с автоматическим предымпульсом.

1.3. Результаты и обсуждение

Проанализируем полученные результаты. Существующие способы предыонизации активной среды эксимерных лазеров позволяют получать начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их плотности в момент начала генерации ~1015-1016см-3 [14]. Это значит, в разряде существует стадия его формирования, в течение которой концентрация электронов возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии, преимущественно за счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке, происходит экспоненциальный рост концентрации электронов. При этом, как показано в [15], время поддержания высокой напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-20 наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии: стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту концентрации электронов. Это можно сделать, как показано в [16,17], путем значительного уменьшения напряженности электрического поля на стадии энерговклада. В работе [18] формирование разряда осуществлялось с помощью высоковольтного предымпульса, а энерговклад в него производился от низкоомной формирующей линии с пониженным напряжением. Была достигнута энергия генерации 4,2 Дж при КПД~4,2%.

При малых величинах обострительной емкости С0 (см. рис.2) основная её функция состоит в формировании объемного разряда. За время ~40 нс, она заряжается от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем разряжается на межэлектродный промежуток за время ~30 нс. При столь высоком перенапряжении (>70 кВ /3,5 см·4 атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной емкости С1. На осциллограммах напряжения на разряде и мощности энерговклада (рис.2,а) видна незначительная колебательная структура, обусловленная наличием С0, однако на импульсе генерации она не сказывается, так как эти колебания малы. Уменьшение С0 до нескольких нанофарад позволило разделить во времени формирование разряда и его возбуждение. Этот эффект достигнут благодаря тому, что разрядка С0 осуществляется при напряжении в ~2 раза большем, чем напряжение на С1 и длится ~30 нс, а разрядка С1 фактически начинается после того, как С0 разрядилась. Уменьшение L1 до 11 нГн позволило осуществить возбуждение активной среды непосредственно от накопительной емкости С1 импульсом длительностью ~100 нс.

С увеличением обострительной емкости С0 ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд, мощность которого сравнима с мощностью энерговклада от С1. Кроме того, так как волновое сопротивление контура L0С0 превышает активное сопротивление плазмы в межэлектродном промежутке, то разряд С0 имеет колебательный характер. Так как L0С0<(L1+L0)С1, то наложение токов разряда обострительной и накопительной емкостей приводит к колебательному суммарному энерговкладу. При С0=15 нФ на импульсе напряжения на разряде видна колебательная структура, а при С0=37 нФ наблюдается явный колебательный разряд (см. рис.3 и рис.4). Колебательный характер энерговклада отрицательно сказывается на однородности и длительности объемной стадии разряда. Отметим, что экспериментальные осциллограммы были получены для напряжения на обострительной емкости, а не на разрядном промежутке. Так как расчетные и экспериментальные осциллограммы этих напряжений практически совпадают (при учете переходной характеристики делителя напряжения R5-R6, рис.8), то можно ожидать, что реальное напряжение на разрядном промежутке достаточно точно описывается расчетными осциллограммами (рис.10-11).

Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что уменьшение обострительной емкости С0 до значений (~0,05) С1, при одновременном уменьшении индуктивности L1 в цепи зарядки С0 от С1 до минимально возможной величины, позволяет сформировать для возбуждения активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный (~2U0) для формирования разряда и длинный (~6 кВ) для энерговклада в него. На стадии энерговклада Е/P ~ 0,6/(см тор), при таких условиях фактически не происходит размножения электронов, а только компенсируются их потери в процессах прилипания и рекомбинации.

При получении расчетных осциллограмм нами делалось допущение, что пробой разрядного промежутка начинается в тот момент, когда напряжение на разрядном промежутке (обострительной емкости) достигает максимального значения. Для того, чтобы определить как влияет выбор начала момента пробоя разрядного промежутка (то есть пробойного напряжения) на расчетные осциллограммы был сделан соответствующий расчет, результаты которого представлены на рис12. Из представленных зависимостей видно, что изменение пробойного напряжения с 68 кВ (рис.1.а) до 45 кВ (рис.12,в) приводит к существенному изменению вида расчетных осциллограмм. Поэтому для уточнения нашей модели расчета LC-контура необходимо задаваться пробойным напряжением конкретного разрядного промежутка для определенного состава газовой смеси.

Расчетные осциллограммы

С1=75 нФ; С0=3,6 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L1=11 нГн; L0=5 нГн; LS=1 нГн; U0(t)-напряжение на С0; I(t)-ток через разряд; U(t) напряжение на разряде; Φ(t)-разность потенциалов на разряде.

Рис. 10

Расчетные осциллограммы

С1=75 нФ; С0=15 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L1=11 нГн; L0=5 нГн; LS=1 нГн; U0(t)-напряжение на С0; I(t)-ток через разряд; U(t) напряжение на разряде; Φ(t)-разность потенциалов на разряде.

Рис.11

Расчетные осциллограммы