CC BY
30
УДК 621.373.826
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СО-ЭИЛ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ФОРМИРУЮЩЕЙ
LC - линии
© 1999 B.C. Казакевич, К.В. Морозов, А.Л. Петров, Г.Н. Попков Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Описывается электроионизационный СО-лазер (СО-ЭИЛ) с питанием основного разряда от формирующей LC-линии, что позволяет значительно снизить роль сверхупругих столкновений электронов разряда с колебательно-возбужденными молекулами СО. Обнаружено различие между временными зависимостями мощности излучения СО-ЭИЛ с питанием от формирующей LC-линии и СО-ЭИЛ с емкостным накопителем энергии. Показано, что при прочих равных условиях КПД СО-ЭИЛ
с формирующей LC-линией (h ~ 22%, Т = 140 К для смеси CO:N2 = 1:19) выше КПД лазера с емкостным накопителем энергии (~15%). . Отмечается, что использование формирующей LC-линии делает возможным значительно увеличить число колебательно-вращательных линий в спектре излучения такого лазера по сравнению с СО-ЭИЛ с емкостным накопителем энергии. Обсуждается механизм этого различия. Делается вывод о том, что использование LC-линии для накачки позволяет значительно (до 105 раз) снизить вероятность разрушения титановой фольги, которая разделяет электронную пушку СО-ЭИЛ и разрядную камеру, по сравнению с СО-ЭИЛ с емкостным накопителем энергии.
Среди мощных электроразрядных лазеров замкнутого рабочего цикла основная роль до настоящего времени принадлежит электроразрядным С02 -лазерам. Созданные в конце 60-х годов и непрерывно совершенствуемые, они широко используются в различных областях науки и техники. Высокие выходные характеристики в сочетании с относительной простотой устройства на долгие годы обеспечили постоянный интерес к этим лазерам. Однако, электро-разрядным С02 -лазерам становится все труднее, а иногда и просто невозможно, выполнять все возрастающие требования лазерной технологии. Это является причиной быстрого развития в последнее время других типов лазеров. Одним из таких перспективных типов лазеров для технологии может оказаться электроразрядный лазер на окиси углерода.
Созданный практически одновременно с С02 -лазерами на базе однотипной техники, электроразрядный СО-лазер для реализации своих принципиально значительно более высоких выходных характеристик требует охлаждения рабочей среды до криогенных температур. В начале становления
лазерной технологии, в период быстрого развития и совершенствования С02 -лазеров, работающих при комнатной температуре, это было большим недостатком. Именно поэтому в течении более чем двадцати лет, в то время как электроразрядные С02-лазеры широко использовались в лазерной технологии, разработка С0-лазеров ограничивалась лишь созданием лабораторных макетов.
0сновная задача исследователей того времени состояла в изучении кинетики этого лазера и достижении его предельных выходных характеристик. К концу 70-х годов в некоторых лабораториях, в основном США и СССР, был выполнен ряд исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию мощных электро-разрядных С0-лазеров с высокими выходными параметрами. 0днако, открытый рабочий цикл электроразрядных С0-лазеров принципиально не позволял говорить о них, как о технологических лазерах.
Работы Самарского филиала ФИАН по созданию опытного образца электроиони-зационного лазера (СО ЭИЛ) на окиси углерода с закрытым рабочим циклом явились продолжением работ по С0-ЭИЛ, прово-
димых в лаборатории КРФ Физического института им. П.Н.Лебедева с 1972г. Развитие этих работ в СФ ФИАН и полученные при этом практические результаты позволили спроектировать и в 1990г. запустить импульсно-периодическую установку (ИП С0-ЭИЛ), на которой можно было бы проводить физические исследования и технологические эксперименты.
Помимо рекордно высокой эффективности излучения (^~50%) и удельного энергосъема (до 150 200 Дж/л-Амага) [1-5], су-
ществует еще ряд причин, по которым ИП С0-ЭИЛ может представлять интерес для практического использования:
- на вдвое меньшей по сравнению с С02-лазером длине волны излучения С0-ЭИЛ значительно выше эффективность поглощения лазерного излучения обрабатываемым материалом;
- при одинаковых энергетических параметрах импульсов СО и С02 - лазеров эффект экранировки излучения СО - лазера плазменным факелом, возникающим на поверхности обрабатываемого материала значительно ниже, чем для излучения С02 - лазера;
- физика процессов, происходящих в активной среде С0-ЭИЛ при импульсной накачке, позволяет получать в режиме свободной генерации импульсы излучения с мощностью от нескольких десятков киловатт до единиц мегаватт при относительно небольшом изменении мощности возбуждения;
- очень широкий спектр излучения импульсного СО - ЭИЛ (1~5-6.3мкм излучение основной частоты, 1~2.7-3.3мкм - излучение первого обертона) делает перспективным его использование в лазерохимии.
Вместе с тем, СО-ЭИЛ свойственны два крупных недостатка. Об одном из них, характерном для СО - ЭИЛ, принципиальной необходимости глубокого охлаждения активной среды, говорилось выше. Второй недостаток, свойственный всем ЭИЛ - это низкая надежность выходного окна электронной пушки. При этом если первый недостаток определяется физикой процессов, происходящих в активной среде СО - ЭИЛ, то второй - представляет чисто техническую проблему. Од-
нако без решения этой технической проблемы электроионизационные лазеры (не только СО-ЭИЛ!) рискуют навсегда остаться лишь лабораторными установками. При этом актуальность решения этих задач для ИП СО-ЭИЛ связана с тем, что только практическая реализация высоких выходных характеристик при высокой надежности установки делает этот технически сложный тип лазеров (при средней мощности излучения до 1520 кВт) привлекательным для использования в промышленности.
Таким образом, при разработке и проектировании ИП СО-ЭИЛ перед нами стояло две основные задачи: обеспечить достаточно высокую надежность работы установки при сохранении высокой эффективности ее работы.
На первом этапе работы были проведены исследования зависимости эффективности работы СО-ЭИЛ от длительности импульса возбуждения с целью выбора оптимальных условий накачки.
Само существование зависимости выходных энергетических характеристик СО-ЭИЛ в режиме свободной генерации от длительности импульса возбуждения связано с теми элементарными процессами, которые протекают в его активной среде при импульсной накачке. С одной стороны, для достижения порога генерации в СО-ЭИЛ необходимо создать определенный запас колебательных квантов, что, при заданной мощности возбуждения, требует импульса накачки определенной длительности. С другой стороны, увеличение длительности импульса возбуждения, помимо роста вкладываемой в колебательные степени свободы молекул СО энергии, будет приводить к росту температуры активной среды, что приведет к уменьшению величины коэффициента усиления слабого сигнала и, как следствие, ухудшению генерационных характеристик лазера. Поэтому со стороны короткой накачки при заданной мощности, вкладываемой в разряд, минимальная длительность возбуждения определяется условием достижения порога генерации, а со стороны больших длительностей возбуждения накачка СО-ЭИЛ ограничена пере-
гревом рабочей среды.
Из сказанного следует, что для СО-ЭИЛ в данных условиях постановки эксперимента должна существовать оптимальная с точки зрения достижения максимального КПД величина длительности импульса возбуждения.
Эксперименты проводились на имеющейся в СФ ФИАН моноимпульсной лазерной установке с активным объемом 100x5x3см3. Резонатор лазера длиной 150см был образован глухим медным зеркалом с радиусом кривизны 500см и плоскопараллельной пластиной из А8ва с коэффициентом отражения 50% с просветляющим интерференционным покрытием. Плотность рабочей среды (СО:К2=1:9) составляла
0.5Амага. Температура газа (90К) поддерживалась с помощью системы принудительной вентиляции с точностью ±1 К. Трехкаскадный генератор Аркадьева-Маркса с ударной емкостью 0.13мкФ обеспечивал напряжение 150^180кВ на катоде электронной пушки в течение импульса длительностью 10^500мкс. Меняя мощность накала катода, можно было изменять плотность тока электронного пучка J за алюминиевой фольгой толщиной 40мкм до 10мА/ см2 , что позволяло изменять величину
Рис.1.3ависимость КПД генерации кот длительности импульса возбуждения при различных значениях приведенной напряженности электрического поля Е/И. Плотность тока электронного пучка]=3мА/см2 П - Е/М=3.5кВ/смхАмага, РВл =3.5кВт/см3 хАмага А - Е/Ы=3.1кВ/смхАмага, Р_ =3.0кВт/см3 хАмага
’ Вл.
7 - Е/Ы=2.5кВ/смхАмага, Р„ =2.0кВт/см3 хАмага
’ Вл.
мощности накачки Рвл вкладываемой в разряд энергии. Емкость батареи конденсаторов основного разряда равнялась С = 66мкФ.
На рис.1 представлена зависимость ^()
КПД генерации от длительности импульса возбуждения, измеренная при разных значениях величины приведенной начальной
напряженности Ее у ^N
электрического
поля ( N -плотность молекул в среде). Как и следовало ожидать, с момента достижения порога КПД генерации быстро растет, достигая максимального значения, а затем падает. Причем этот спад происходит быстрее при больших начальных значениях величины приведенной напряженности
электрического поля Ее у IN Так, при
Ее у !N = 2.5кВ/смхАмага КПД генерации падает вдвое от своего максимального значения за 180мкс, в то время как при
Ее у !N = 3,5кВ/смхАмага это происходит
за 100мкс. Полученные результаты могут быть объяснены, исходя из существующей модели заселения колебательных уровней молекулы СО в электрическом разряде [4,6]. Достижение порога генерации в СО-ЭИЛ требует создания определенного запаса колебательных квантов. При прочих равных условиях, с увеличением мощности накачки время достижения порога генерации будет уменьшаться. Так, порог генерации при
Ее, f/N= 2.5кВ/смхАмага (РвД = 2кВт/ смхАмага) достигается за 40мкс. Увеличение начального значения Ее.у /N до 3.1кВ/
смхАмага (Р„. = 3кВт/см хАмага) приводит
к уменьшению времени достижения порога генерации вдвое - до 20мкс. С другой стороны, уменьшение времени достижения порога генерации с ростом мощности накач-
ки должно быть ограничено временем У-У обмена между колебательными уровнями молекулы СО. Действительно, с увеличением Ее до 3.5кВ/смхАмага
(С =3.5кВ/см хАмага) время достижения
порога генерации практически не увеличивается.
Как отмечалось выше, при заданной мощности накачки уменьшение величины КПД при больших длительностях возбуждения должно быть связано с перегревом смеси. Особенно сильно этот эффект проявляется с ростом мощности возбуждения. Например, в том диапазоне значений-
Ее у IN при которых проводились эксперименты (Ее у IN = 2.5-3.5кВ/смхАма-
га), эффективность возбуждения колебательных уровней молекулы СО монотонно растет с ростом Ее.у /N [7Ъ а КПД генерации достигал своего максимального
значения (Л() = 33%) при Ее у IN =
3.1кВ/смхАмага. Это связано с тем, что небольшое увеличение эффективности на-
качки колебательных уровней молекулы СО с ростом Ее у IN
не может компенси-
Рис. 2. Зависимость КПД генерации к от длительности импульса возбуждения при различных значениях ионизации активной среды. Приведенная напряженность электрического поля Е/И = 3.1 кВ/смх Амага • - ]=5мА/см2 , РВл =5.5кВт/см3 хАмага А - 1=3мА/см2, Р =3.0кВт/см3 хАмага
’ Вл.
7 - 1=0.9мА/см2, Р =1.0кВт/см3 хАмага
’ Вл.
ровать влияния роста температуры газа за счет увеличения мощности возбуждения. Этот вывод подтверждается результатами эксперимента, в котором мощность накачки варьировалась изменением величины ионизации активной среды лазера (Рис.2). Как видно из рис.2, с увеличением мощности возбуждения абсолютное значение величины КПД незначительно растет, достигая величины % = 33% ( Р<ш = 5.5кВт/см3
х Амага, J = 5мА/см2 ), и одновременно происходит резкое сужение того диапазона длительностей накачки, в котором наблюдается этот высокий КПД.
Так, при указанных выше значениях мощности накачки, КПД генерации падает вдвое от максимального при увеличении длительности накачки на 40мкс. С другой стороны, при накачке лазера импульсами малой
мощности (Рш = 1кВт/см3 хАмага, J =
0.9мА/см2 ), эта величина остается практически постоянной в течение ~300мкс.
При проведении экспериментов ыла выявлена очень интересная и практически важная закономерность, связанная с выбором оптимальной в данных условиях возбуждения длительности накачки. Эта закономерность выявилась при анализе временных характеристик излучения.
Форма импульсов излучения СО-ЭИЛ в зависимости от длительности импульсов накачки представлена на рис.3а-в. Как отмечалось ранее [8-10,1], конец импульса накачки характеризуется особенностью -всплеском генерации. Следует отметить, что если при мощной накачке происходит снижение мощности генерации к концу импульса возбуждения, то работа СО-ЭИЛ при малых уровнях накачки происходит практически без снижения интенсивности генерации. Как видно из рис 3а-в, основная энергия генерации СО-ЭИЛ излучается после прекращения накачки. Сами же условия, которые обусловливают величину этой энергии
* 1 1 1 І 1 1
1 1—1—
І- ^1 і 1 а
Рис. 3. Осциллограмма изменения мощности излучения СО-ЭИЛ от времени (верхняя кривая) при различных условиях возбуждения. Нижняя кривая - осциллограмма импульса напряжения на катоде электронной
пушки. Е/И = 3.1 кВ/смХ Амага
а) - 1 = 30мкс, Р =90Дж/лхАмага, ] = 3мА/см2, развертка - 50мкс/дел
б) - 1 = 75мкс, Р =220Дж/лхАмага, ] = 3мА/см2, развертка - 50мкс/дел
в) - 1 = 100мкс, Р =560Дж/лхАмага, ] = 5мА/см2, развертка - 50мкс/дел
И, в конечном счете, эффективность 7 22 -
температура активной среды и населенность колебательных уровней - создаются в процессе возбуждения и определяются в
момент вл прекращения накачки. Поскольку отражением этих меняющихся в процессе накачки условий является мощность
генерации Р (/ ) лазера, то оказыва-
' о.//-. /
ется, что возбуждение СО-ЭИЛ импульсами с длительностью ^ , при накачке
которыми достигается максимальная величи-
на
Р
ген , и есть условие, при котором достигается максимальная величина эффективности . Продолжение накачки хотя
и увеличивает удельный энерговклад, однако, ведет лишь к снижению КПД СО-ЭИЛ. Очевидно, однако, что перегрев рабочей смеси не может являться прямой причиной снижения КПД СО-ЭИЛ, поскольку после прекращения накачки, мощность излучения не только достигает своего первоначального значения, но может и превышать его (Рис.Эв).
Таким образом, если работа СО-ЭИЛ с максимальной эффективностью требует реализации условий, при которых не наблюдается спад мощности излучения в процессе накачки, необходимо установить причину этого спада.
Анализ результатов показал, что причиной снижения мощности генерации к концу импульса накачки является наличие ударов второго рода (сверхупругих столкновений) в плазме электроионизационного разряда. В этом случае полученные результаты можно объяснить следующим образом. На первом (см. рис. 3в), начальном этапе возбуждения, когда колебательные уровни молекул не заселены и колебательная температура Ту уровней низка, происходит эффективная передача энергии от электронов разряда, имеющих
среднюю энергию Еое (электронную температуру Те ), которая определяется в основном приведенной напряженностью поля
Ее у IN, к невозбужденным молекулам СО
и создается инверсная населенность. Поскольку на этом этапе колебательная температура Ту на всех уровнях молекулы СО
меньше средней температуры Те, влияние
ударов второго рода не проявляется. Этот этап характеризуется ростом колебательной
температуры Ту высоко расположенных
уровней и ростом мощности излучения.
На втором этапе, когда происходит выравнивание температур Те и Тл., начинают
сказываться удары второго рода. Часть запасенной колебательной энергии отбирается электронами разряда. На этом этапе рост мощности излучения замедляется, достигая максимума.
На третьем этапе, когда из-за разряда батареи конденсаторов температура Те продолжает снижаться, а колебательно-колебательный (У-У) обмен молекул стремится увеличить инверсную населенность уровней и соответственно колебательную температуру
Ту, в полной мере начинают проявляться
эффекты, связанные с ударами второго рода. На данном этапе эти эффекты стремятся выровнять температуры Ту и Те. Третий этап
характеризуется падением мощности излучения вплоть до окончания действия импульса накачки.
На четвертом, последнем этапе, когда прекращается накачка, т. е. прекращается возбуждение нижних колебательных уровней электронным ударом, на фоне продолжающихся процессов УУ - обмена и УТ-релакса-ции происходит сначала рост мощности генерации, а затем ее падение.
Полученные результаты позволяют сделать важный в практическом отношении вывод: оптимальная накачка возможна лишь при выполнении для всех колебательных уровней
условия Те ) Ту, которое, вообще говоря, не
выполняется в СО-ЭИЛ в течение всего импульса возбуждения при использовании ем-костныгх накопителей энергии. С уменьшением газовой температуры Т величина приведенной напряженности электрического
поля Ее у IN , для которой несущественны удары второго рода, возрастает. Однако при накачке СО-ЭИЛ, осуществляемой разрядом батареи конденсаторов, эти условия трудно реализовать в полной мере. При небольшой емкости батареи конденсаторов начальное напряжение может превысить статическое напряжение пробоя, а при достаточно большой емкости остаточная энергия, запасенная в батарее, оказывается настолько
большой (до ~ 80%), что вероятность электрического пробоя разрядного промежутка после импульса накачки, вызывающего разрушение разделительной фольги, значительно увеличивается. С этой точки зрения наилучшим может оказаться режим питания СО-ЭИЛ при разряде искусственной формирующей ТС -линии на согласованную нагрузку. Очевидно, что полученная в этих условиях форма импульса излучения не должна иметь характерного “провала”.
Использование емкостных накопителей энергии при создании и исследовании экспериментальных СО-ЭИЛ в конце 70-х - начале 80-х годов было обусловлено несколькими причинами. Во-первых, существовавшие к моменту проведения экспериментов теоретические представления о работе СО-ЭИЛ требовали лишь того, чтобы накачка газовой среды осуществлялось при таких значениях Ее у ! N, при которых обеспечивается эффективное возбуждение колебательных уровней [11,7], а поскольку этот диапазон
Ее у IN достаточно широк, использование емкостных накопителей энергии оказывалось вполне оправданным. Во-вторых, емкостной накопитель как источник энергии очень удобен, так как не требует согласования с сопротивлением разрядного промежутка, которое при проведении исследовательских работ может изменяться в широких пределах. И, наконец, в-третьих, немаловажной
Рис.4. Внешний вид импульсно-периодического электроионизационного СО-лазера замкнутого цикла без теплоизоляционной защиты
причиной являлось также то, что данный импульсный источник питания технически наиболее прост в исполнении и реализуется с минимальными материальными затратами.
Таким образом, на создаваемом в СФ ФИАН импульсно-периодическом электроио-низационном СО -лазере в качестве источника питания основного разряда была выбрана искусственная формирующая ТС -линии лестничного типа. Результаты последующих исследований показали правильность такого выбора.
Лазерная установка (Рис.4) позволяла работать с максимальной длительностью импульсов накачки ~ 90мкс при частоте следования импульсов до 10 Гц. Отсутствие криогенного теплообменника с необходимыми параметрами ограничивало среднюю мощность генерации в импульсно-периодическом режиме на уровне 1 кВт. Формирующая линия с волновым сопротивлением Р = 17.3 Ом была разработана и изготовлена на основе конденсаторов ИК-100 - 0.4 с емкостью
С = 0.4мкФ и катушек с индуктивностью Т = 120 мкГн. Максимальная приведенная напряженность электрического поля
Ее / / N составляла 4 кВ/смхАмага. В экспериментах использовался неустойчивый резонатор с коэффициентом увеличения М = 1.4. Переднее и заднее медное зеркала имели соответственно диаметры 65 и 120 мм и
радиусы кривизны ^ = 4 и 19 м. Объем разрядного промежутка (9х9х100 см3 ) на 27% превышал объем резонатора. Температура и плотность рабочей среды (смесь СО : N = 1 : 9(19)) составляли соответственно 140К и 0.5 Амага. Тепловая развязка резонатора обеспечивалась с помощью двойных СаГ2 -окон на выходе резонатора с вакуумированным промежутком между ними. Юстировка резонатора СО-ЭИЛ осуществлялась с помощью внешнего Не - №-лазера, излучение которого проходило через отверстие диаметром 1 мм в заднем зеркале. Во время работы лазера через это отверстие с помощью фотосопротивления ве - Аи регистрировались временные характеристики излучения СО-ЭИЛ (рис. 5)
1 а
н V 1 1 к
I \ 1н
б
Ц * ь. л 1.
/
в
г 4 V М 1
Г > Ч
Рис. 5. Форма импульсов излучения СО-ЭИЛ с питанием от формирующей ЬС-линии при длительностях накачки ? = 21 (а), 42 (б) и 63 мкс (в). Смесь СО: Ы2 = 1:9, Т-140 К,
Р. = 2.6 кВт/см3Х Амага, развертка - 50 мкс/дел
при различных длительностях накачки Тр .
Как видно из рис. 5.в, мощность излучения СО-ЭИЛ при накачке от формирующей
ТС -линии, после достижения своего максимального значения (~200 кВт) постоянна в течение всего импульса возбуждения. Небольшой спад мощности излучения (~ 5%) наблюдался лишь при самой большой в наших условиях длительности накачки ~90 мкс. Эта ситуация качественно отличается от той, которая имеет место в СО-ЭИЛ с емкостными накопителями энергии, когда наблюдается заметный “провал” мощности излучения (—100%) к концу импульса накачки в широком диапазоне длительностей возбуждения. Анализируя временные характеристики излучения СО-ЭИЛ, следует также отметить факт, на который ранее внимание не обращалось: форма импульса излучения лазера во время накачки гораздо более плавная, чем после прекращения накачки (рис.5). Этот факт характерен для накачки как от формирующей линии, так и от емкостных накопителей энергии [3,12,13]. Отмеченные особенности временных характеристик излучения также могут быть объяснены при учете существования сверхупругих соударений в активной среде
СО-ЭИЛ в процессе возбуждения. Для многоуровневой системы, какой является молекула окиси углерода, всплеск генерации на каком-либо колебательно-вращательном переходе в любом случае означает резкое возрастание колебательной температуры молекул, находящихся в соответствующих колебательных состояниях. При этом, поскольку
электронная температура Те, определяемая
приведенной напряженностью электрического поля, в условиях, типичных для работы СО-ЭИЛ, редко превышает ~8000К [7], легко реализуются условия, при которых данная колебательная температура превышает электронную, что приводит к резкой интенсификации процессов сверхупругих соударений и снижению колебательной температуры. Таким образом, электроны разряда как бы “следят” за тем, чтобы колебательная температура уровней не испытывала резких скачков. Именно поэтому во время импульса накачки форма импульса излучения имеет вид плавной кривой. Окончание возбуждения рабочей среды приводит к исчезновению электронов накачки и прекращению “контроля” за колебательной температурой уровней. В этом интервале времени совокупность процессов УУ-обмена, УТ-релаксации, спонтанного, вынужденного излучения и газовой динамики может значительно усложнить временную форму импульса излучения.
Тот факт, что при накачке от формирующей ТС - линии мощность генерации в течение импульса возбуждения постоянна, может быть объяснен тем, что колебательная энергия, запасенная на рабочих уровнях, является слабо меняющейся величиной [14], а уход энергии из системы колебательных уровней в результате УТ- релаксации и сверхуп-ругих соударений электронов разряда и колебательно-возбужденных молекул при выбранных нами начальных условиях накачки несущественен. В этих условиях выходная мощность излучения целиком определяется мощностью накачки. Поэтому при постоянной мощности возбуждения мощность излучения также будет постоянной, и лишь при больших длительностях накачки, когда в результате нагрева среды начинает сильнее проявлять-
ся эффект УТ-релаксации, наблюдается небольшое снижение мощности излучения к концу импульса возбуждения. Выбор нами начальных условий накачки, при которых несущественно влияние сверхупругих соударений, приводит к тому, что мощность излучения СО-ЭИЛ после прекращения накачки никогда не превышает мощность излучения в процессе возбуждения. А быстрое прекращение накачки проявляется лишь в появлении в этот момент небольшого “всплеска” на импульсе излучения, особенно хорошо заметном при “длинной” (свыше 50 мкс) накачке (рис. 5в). Важно отметить, что такой же небольшой “всплеск” на импульсе излучения дают и теоретические расчеты, учитывающие удары второго рода [15].
Наличие или отсутствие в процессе возбуждения сверхупругих соударений оказывает влияние и на выходные энергетические характеристики излучения СО-ЭИЛ. Поскольку при прочих равных условиях вероятность сверхупругих взаимодействий растет с ростом номера колебательного уровня, то использование в качестве накопителя энергии искусственной формирующей линии позволяет в момент окончания накачки получить населенность высокорасположенных колебательных уровней, более высокую, чем
£□*1 (А*) 5а
44)
30
20
ю
о и 100 т»(мкс)
Рис. 6. Зависимость энергии импульсов излучения СО-ЭИЛ <2 от длительности импульсов возбуждения t р при начальном напряжении на формирующей ЬС -линии Ц0 = 31кВ(1) и 27 кВ(2) (смесь СО:Ы2=1:9, Т=140К)
та, которая может быть реализована при применении емкостных накопителей энергии. Таким образом, общий запас энергии в системе колебательных уровней при использовании искусственной формирующей линии оказывается выше, чем при применении емкостных накопителей, что, безусловно, должно сказываться на выходных энергетических характеристиках излучения СО-ЭИЛ.
Сказанное подтверждает анализ выходных энергетических характеристик СО-ЭИЛ. Зависимость энергии импульсов излучения лазера от длительности импульсов возбуждения при накачке от формирующей ТС -линии представлена на рис.6. Видно, что после достижения порога генерации выходная энергия линейно растет с ростом длительности накачки вплоть до определенного момента, а затем резко падает. Этот момент, различный для разных удельных мощностей накачки, определяется, очевидно, началом возрастающего влияния УТ-релаксации и связан с перегревом лазерной смеси.
Максимальная выходная энергия излучения определяется рабочим напряжением на разрядном промежутке, т. е. мощностью накачки, и в условиях проведения эксперимента растет с ростом этих величин. Максимальная выходная энергия в импульсе, достигнутая на данной установке к настоящему времени, составляет 360 Дж при физическом
КПД Ц = 22% (Т = 140 К, смесь СО:К2 - 1:19).
Следует обратить внимание на то, что указанная эффективность импульсного СО-ЭИЛ наибольшая из известных нам при данной рабочей температуре. Таким образом, накачка СО-ЭИЛ в условиях, обеспечивающих значительное снижение роли сверхупру-гих взаимодействий, при прочих равных условиях позволяет достигнуть больших КПД излучения. Полученный результат представляет очевидный практический интерес, так как позволяет в ряде случаев отказаться от использования жидкого азота в качестве хладагента и перейти к применению в импульсно-периодических СО-ЭИЛ более дешевых фреоновых холодильников при сохранении достаточно высокой эффективности генерации.
Существенное влияние способ накачки влияет также на спектр излучения ИП СО-ЭИЛ. Сама возможность влияния сверхуп-ругих соударений на спектр излучения СО-ЭИЛ обусловливается тем, что спектр излучения очень сильно зависит от степени возбуждения (колебательной температуры) колебательных уровней. Даже незначительные изменения в степени возбуждения этих уровней могут привести к появлению или исчезновению целых колебательных полос излучения, изменению числа вращательных подуровней в пределах одной полосы, перераспределению энергии по спектру.
Наблюдение и идентификация колебательно-вращательных переходов в спектре излучения СО-ЭИЛ с точностью до 0.1 см-1 проводились по методике, представленной в работе [16]. Разложение в спектр лазерного излучения осуществлялось дифракционной решеткой 100x150 мм (ё = 100 мм-1), спектр регистрировался в фокальной плоскости вогнутого сферического зеркала с Г = 4м.
Сравнение спектров излучения СО-ЭИЛ-ЬС (рис.7а) и СО-ЭИЛ с емкостным
м II hEkl 1C . IE II «г Pi'll nil HZ IГ1Р 13 1Z ■]
w-l H И Ч Ф-Г M 1И 11-11 rin>
.-'Г'.п ПОП Its 0 lt0» LB01 1ТИ
■Kn'l
duJti-tral
№
i____i -i 11 .11_________J_____I_I_I
jii к iz i■ ii и и ii t: ir 13it
Им т-i i-r :■ PH ivid 17-n >hl
___________i__________i___________i__________i____________________
:\nn 20D» I '■'■'j I'lrtn 1HH L?f0
Wi
Рис. 7. Спектр излучения СО-ЭИЛ-LC (a) с питанием от формирующей LC-линии и СО-ЭИЛ-С(б) с питанием от емкостного накопителя энергии при CO:N2 = 1:9, T = 140K(a), T = 100K(6)
накопителем энергии (СО-ЭИЛ-С) (рис.7б) выявляет их существенное различие [16]. Во-первых, несмотря на то, что энерговклады в рабочую среду в обоих случаях практически одинаковы (360 и 350Дж/лхАмага), а начальная температура среды в СО-ЭИЛ-С ниже (~100К), при одинаковом пороговом коэффициенте усиления спектр излучения СО-ЭИЛ-ЬС оказывается существенно шире, причем это расширение происходит в коротковолновую область. Во-вторых, максимум распределения энергии по спектру также сдвинут в сторону меньших длин волн. Как мы полагаем, такое различие также объясняется влиянием расселения сильно возбужденных колебательных уровней молекулы СО электронным ударом в процессе возбуждения СО-ЭИЛ-С. Известно, что высокий КПД в СО-ЭИЛ-С обеспечивается при удельном энерговкладе 400^800Дж/лхАмага [5]. Однако при возбуждении СО-ЭИЛ-С часть этой энергии накачки через сверхупругие соударения должна превращаться в тепло, снижая эффективность работы СО-ЭИЛ. Очевидно, что чем ниже электронная температура в разряде, тем значительнее этот эффект.
Расчеты показывают [17] , что в СО-
ЭИЛ-ЬС электронная температура Те, равная в начале импульса накачки 7200 К, к концу импульса возбуждения (через 90 мкс) возрастала до 8500 К. В случае СО-ЭИЛ-С электронная температура изменялась от 5900 К в начале импульса накачки до 6200 К в конце импульса возбуждения (через 50 мкс). Этот рост не столь велик, что связано с заметным падением напряженности электрического поля при разряде батареи конденсаторов с
Ее / / N = 3 кВ/смхАмага в начале импульса накачки до 1.7кВ/см-Амага в его конце. Таким образом, развитие генерации в СО-ЭИЛ-С происходило на фоне более низкой электронной температуры, что, как следствие влияния ударов второго рода, обусловливало меньшее возбуждение колебательных уровней. Предполагая, как и в [11], что распределение молекул СО по колебательным уровням совпадает с триноровским распределением [6] от нулевого вплоть до нижнего
колебательного уровня Vmin (минимум три-
норовского распределения близок к этому уровню), участвующего в генерации, можно определить эффективную колебательную температуру 0* = т/25утп (8=0.0059)
характеризующую триноровское распределение молекул СО. Простые расчеты показывают, что для выбранных условий работы СО-ЭИЛ-С и СО-ЭИЛ-ЬС эффективная колебательная температура 0 была равна соответственно 1700К и 4500 К. В этих условиях становится понятно, почему при одинаковых энерговкладах и пороговых коэффициентах усиления спектр излучения СО-ЭИЛ-ЬС шире и богаче спектра излучения СО-ЭИЛ-С. Более высокая колебательная температура уровней, т. е. большая степень колебательного возбуждения, обеспечивает большие коэффициенты усиления слабого сигнала для колебательно-вращательных переходов.
Итак, в условиях возбуждения, когда обеспечиваются одинаковые удельный энерговклад и пороговый коэффициент усиления, накачка СО-ЭИЛ-ЬС позволяет получить генерацию в более широком спектральном диапазоне и на большем числе колебательновращательных переходов, чем в случае СО-ЭИЛ-С. Так, в экспериментах, выполненных на СО-ЭИЛ-ЬС, генерация наблюдалась на 41 колебательно-вращательном переходе в спектральном диапазоне 1779^ 2021 см-1, что соответствовало колебательным переходам
V — V -1:4®3, ..., 13—>12. В СО-ЭИЛ-С [16] генерация наблюдалась на 23 колебательно-вращательных переходах в спектральном диапазоне 1771^1923 см-1, что соответствовало колебательным переходам
V —— V — 1:7—6, .... 13 — 12.
Как отмечалось выше, крупным недостатком емкостных накопителей энергии является большая вероятность пробоя разрядного промежутка СО-ЭИЛ после импульса накачки с последующим разрушением разделительной фольги. Использование формирующей ТС -линии для питания разряда в
импульсном СО-ЭИЛ позволяет практически полностью избежать этого негативного последствия пробоя. Хотя в течение импульса накачки пробой разрядного промежутка по-прежнему возможен, однако характер этого пробоя меняется: из-за рассогласования волнового сопротивления линии и сопротивления нагрузки электрическая мощность в канале пробоя уменьшается, а сам процесс пробоя растягивается на несколько сотен микросекунд. При этом следует иметь в виду и то, что для обеспечения одинаковых условий накачки энергия, запасенная в формирующей
ТС -линии, должна быть в несколько раз меньше энергии, запасенной в емкостном накопителе. Все это ведет к снижению последующего теплового воздействия на фольгу в процессе пробоя и резко увеличивает надежность работы всей лазерной установки в целом. Можно ввести величину т , равную отношению среднего числа импульсов накачки (в импульсно-периодическом режиме) при
использовании формирующей ТС -линии к среднему числу импульсов накачки при применении емкостного накопителя, которые можно осуществить до разрушения фольги и выхода СО-ЭИЛ из строя. Анализ работы данного импульсно-периодического СО-ЭИЛ и имеющегося в нашем распоряжении моноимпульсного СО-ЭИЛ с активным объемом ~ 1 л позволяет установить, что т ~ 105. При этом фактически причиной разрушения фольги становится не пробой разрядного промежутка, а невнимательность оператора, допускающего работу электронной пушки СО-ЭИЛ в нерасчетном режиме. Использование систем блокировки на промышленном образце электронной пушки, на наш взгляд, разрешило бы и эту проблему.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. создан прообраз технологического импульсно-периодического СО-ЭИЛ, в котором использование для накачки формирующей ТС -линии позволяет значительно снизить роль сверхупругих столкновений электронов разряда и колебательно-возбужденных молекул СО;
2. ^и ^очих paвныx уоловиях КПД CO-ЭИЛ, ишользующего фоpмиpующую TC -
линию (h = 22% ^и Т = 140 К для cмеcи CO : N2 = 1:9), выше КПД лaзеpa c емкостными накопителями энеpгии (~ 15%);
3. ^пользование фоpмиpующей TC -линии дает возможность в pяде алучаев пе-pейти к техниче^и более пpоcтым фpеоно-вым холодильникам ^и cоxpaнении достаточно вьгсокой эффективности генеpaции;
4. paзличия в cпектpax излучения элект-pоионизaционныx CO-лaзеpов, в котоpыx ^пользуются paзные cxемы импульотого питания, могут быть объягаены влиянием cвеpxупpугиx cоудapений электpонов paзpя-да c колебательно-возбужденными молекулами CO. Большая ^иведенная натяженность электpичеcкого поля ^и paботе CO-ЭИЛ-LC по cpaвнению c CO-ЭИЛ-C позволяет уменьшить влияние cвеpxупpугиx cоудapений и, cоответcтвенно, достичь большей колебательной темпеpaтуpы уpовней. Нaпpимеp, в наших экcпеpиментax эффективная колебательная темпеpaтуpa ві*, xapaктеpизующaя тpи-
ноpовcкое pacпpеделение молекул CO по колебательным уpовням, окaзaлacь paвной 4500К для Ш-ЭИЛ-LC и 1700 К для CO-ЭИЛ-C.
5. иcпользовaние фоpмиpующей TC -линии позволяет значительно (до 105 paз) cнизить веpоятноcть paзpушения paздели-тельной фольги в ^оце^е пpобоя paзpядно-го ^омежутка и тем caмым увеличить надежность paботы CO-ЭИЛ по cpaвнению c CO-ЭИЛ c емкостными накопителями энеpгии.
Aвтоpы выpaжaют блaгодapноcть Г.ВЖу-кову за помощь в доведении экcпеpиментов.
CПИCOK ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mann M.M, Rice D.K.,Eguchi R.G. IEEE, J. Quant. Electron,1974, QE-10, рр.б82-б85.
2. Boness M.J.W., Center R.E. J. Appl. Phys.. 48, 2705 (1977).
3. Басов Н.Г., Данилытев B.A., Ионин A.A. и др. Квантовая электpоникa. б,1215(1979).
4. Данилытев B.A., Керимов O.M., Ковш И.Б.
В кн.: Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника (М., ВИНИТИ, 1977, т. 12).
5. Ионии А.А., Ковш И.Б., Соболев В.А. и др. В кв.: Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника (М., ВИНИТИ, 1984, т. 32).
6. Treanor C.E., Rich J. W., Rehm R.G. J.Chem. Phys..1968. v.48. pp. 1798-1807.
7. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Марченко В.С. и др. Москва, Препринт ИАЭ-2810, М. 1977.
8. Mann M.M. CO Electrical discharge Lasers.-
AIAA 13th Aerospase Sciences Meeting
(Pasadena Calif. January 20-22, 1975, AIAA Paper, No75-34.
9. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Ионин А.А. и др. Квантовая электроника, 1979. Т.6, с.1208-1214.
10. Басов Н.Г., Данилыгчев В.А., Ионин А.А. и др. Квантовая электроника, 1979, Т.6. Т6. с. 1215-1222.
11. Басов H.r., Долинина B.K, Сучков A.Ф. и др. Пpепpинт ФИАН №1 (M., 197б).
12.Казакевич B.C., Михайлов Ф.Г., Петров A.Л., Сидоренко И.Г. Пpепpинт ФИАН № 197 (M., 1990).
13.Kazakevich V.S., Mikhailov F.G., Petrov A.L., Sidorenko G. J. Sov. Laser Res., 12, 335(1991).
14. Гордиец Б.ф., Ocunов A.И., Шелепин ЛЛ. Кинетиче^ие ^оце^ы в газах и моле-куляpные лaзеpы , M., Наука, 1987
15. AраcлановШ.Ф., Федосов A.A. В кн.: Вы-чиcлительные методы в физиче^ой газовой динамике. Казань, изд-е Казанного унивеpcитетa, 1989, c.31.
16.Басов H.r., Казакевич B.C., Ковш И.Б. Квантовая электpоникa, 9, 7б3 (1982).
17. Жуковr.B., Казакевич B.C., Морозов KB., Попков KB., Квантовая электpоникa, 24, №3, 20б-208 (1997).
FUNCTIONING PECULIARITIES OF PULSED ELECTRON-BEAM-CONTROLLED (EBC) CO LASER, WHICH IS PUMPED BY LC TRANSMISSION LINE
© 1999 V.S. Kazakevich, K.V. Morozov, A.L. Petrov, G.N. Popkov
Samara Branch of Physics Institute named for P.N.Lebedev of Russian Academy ofSciences
Electron-beam-controlled (EBC) CO laser, whose main discharge is pumped by LC transmission line, is described. The usage of the line allows to decrease considerably significance of hyper-elastic collisions between discharged electrons and vibrationally excited CO molecules. The difference between output radiation time-dependencies of EBC CO laser supplied by LC transmission line and those dependencies for the laser, which is equipped with capacitor bank, was detected. It is demonstrated that under the same conditions the efficiency of laser pumped by LC transmission line (h » 22% at T = 140K for proportion of mixture CO :N2 = 1:19) was higher then the efficiency of laser with capacitor bank (h » 15%). It is noted that comparing with laser equipped with capacitor the use of LC transmission line makes it possible to increase the quantity of vibrational-rotary lines of laser radiation spectrum significantly. The mechanism of this difference is discussed. It is concluded that comparing with laser equipped with capacitor bank the use of LC transmission line for pumping allows to decrease considerably (by a factor of ~105) the destruction probability of titanium foil, which separates the electron gun of EBC CO from the laser discharge chamber.
