Многоканальный осветитель на основе наносекундного разряда в азоте при атмосферном давлении для диагностики быстропротекающих плазменных процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Вовченко, Евгений Дмитриевич

• Вовченко, Евгений Дмитриевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Вовченко, Евгений Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Основные физические принципы работы азотного лазера.

1.2. Методы возбуждения и конструкции электроразрядных азотных лазеров.

1.3. TEA азотный лазер и проблема стабилизации разряда.

1.4. Применение азотного лазера для диагностики импульсной плазмы.

1.5.Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальные условия и средства диагностики физических процессов в TEA N2 лазере.

2.1. Конструкция электроразрядного модуля TEA N2 лазера.

2.2. Принципы работы электроразрядного модуля и синхронизация с внешними устройствами.

2.3. Средства и методы диагностики.

Глава 3. Результаты исследований режимов возбуждения и характеристик лазерного излучения.

3.1. Исследование режимов разряда в канале TEA азотного лазера.

3.2. Влияние физических параметров на энергию лазерного излучения.

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик лазерного излучения

Глава 4.Использование TEA азотного лазера для диагностики импульсных плазменных объектов различного типа.^

4.1. Разработка экспериментального образца TEA азотного лазера.

4.2. Интерферометр со сдвигом волнового фронта.

4.3. Визуализация процессов в высоковольтном искровом разряде атмосферного давления.

4.4. Визуализация динамики развития капиллярного разряда в воздухе при атмосферном давлении.

4.5. Диагностика микропинчевого разряда на установке ПФМ

4.6. Многоканальный осветитель на основе TEA азотного лазера.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоканальный осветитель на основе наносекундного разряда в азоте при атмосферном давлении для диагностики быстропротекающих плазменных процессов»

Для исследования импульсной плазмы широко применяются методы лазерной рефракционной диагностики, основанные на зависимости оптического показателя преломления плазмы от ее плотности. Эти методы исследования различаются информативностью, сложностью реализации, стоимостью применяемой лазерной аппаратуры и являются в настоящее время хорошо развитой областью диагностики плазмы, которой посвящены подробные обзоры [1-4]. Однако и среди них присутствует ряд диагностик, требующих дополнительного развития. К их числу следует отнести лазерные методы многокадровой интерферометрии и теневого фотографирования, которые позволяют визуализировать динамику однократных импульсных процессов в плазме с дискретными задержками между отдельными кадрами.

Значительную сложность при многокадровом лазерном зондировании представляет визуализация поведения плотной импульсной плазмы при малых временах её существования. Плотная короткоживущая плазма формируется, например, при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом [5] и в импульсных разрядах типа Z - пинч [6]. Плазменная установка подобного типа, с образованием в микропинчевом разряде плазменной точки, функционирует и на кафедре «Физика плазмы» (МИФИ).

I о л < 7

Исследование наиболее плотной см" ) компоненты плазмы микропинчевого разряда, существующей в течение очень короткого (/р~1-М00 не) времени, предъявляет к лазерным осветителям особые требования. Из них наиболее важным является использование ультрафиолетового (УФ) диапазона зондирования, обеспечение высокого временного (~1 не) разрешения при точности синхронизации не хуже 1-г5 не, формирование нескольких лазерных пучков, задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд.

При таких малых временах наблюдения, единственной возможностью для получения серии кадров за время одного разряда является формирование нескольких лазерных пучков, разделенных в пространстве за счет небольших отклонений от направления зондирования и задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд. В этом случае выбор лазерного осветителя особенно важен, поскольку во многом определяет как возможности диагностической аппаратуры, так и ее стоимость.

Среди лазерных осветителей этого диапазона наибольшее развитие получили диагностические системы, использующие третью или четвертую гармоники мощных Nd-лазеров. Применение методов частотной конверсии и временной селекции позволяет эффективно преобразовывать длинноволновое излучение Nd-лазера в ультрафиолетовый диапазон и управлять временными характеристиками излучения. Для формирования последовательности зондирующих импульсов широко используются оптические задержки. К недостаткам подобного подхода следует отнести сложность аппаратуры, высокие требования к качеству и расходимости исходного лазерного пучка, ограничение максимальной задержки величиной ~20 не, определяемой длиной пути.

Альтернативным вариантом осветителя являются эксимерные лазеры и лазеры на молекулярном азоте. К их достоинствам следует отнести прямую генерацию УФ излучения наносекундной длительности. Однако, бесспорно уступая эксимерным лазерам по энергии излучения, азотные лазеры проще по конструкции, формируют более короткий лазерный импульс 1 не), а в их рабочей среде отсутствуют токсичные компоненты. Кроме того, азот значительно дешевле инертного газа и более устойчив к воздействию электрического разряда. Таким образом, для построения системы многокадрового зондирования плотной короткоживущей плазмы наиболее привлекательным источником излучения является азотный лазер.

Ультрафиолетовому излучению азотного лазера (А, = 337 нм) соответствует переход С3яи (v =0) —» BlTig (v =0) между колебательными уровнями возбужденных электронных состояний на второй положительной системе азота [7]. Механизм перевода молекул азота на уровень С3пи из основного состояния X3£g+ основан на электронном ударе. Для накачки 5 используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой электроразрядный канал лазера. Эффективность трансформации электрической энергии в лазерное излучение зависит от величины разрядного тока и скорости заселения верхнего возбужденного состояния С3пи, время жизни т которого чрезвычайно мало. Короткий импульс лазерного излучения формируется на переднем фронте тока, который может либо совпадать с направлением излучения (продольный разряд), либо протекать перпендикулярно к нему (поперечный разряд).

Анализ различных типов азотных лазеров показал, что значительно упрощает конструкцию лазера и повышает его характеристики применение схемы возбуждения поперечным разрядом, для которой имеет место наиболее эффективная передача запасенной электрической энергии в разряд. Лазеры с поперечным возбуждением работают как при пониженном [8,9], так и при атмосферном давлении [10,11]. Однако для диагностики плотной короткоживущей плазмы наибольший интерес представляет лазер с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (TEA азотный лазер). Его отличает высокий уровень пиковой мощности, простота конструкции и возможность формирования лазерного излучения без применения оптического резонатора. Это дает большие преимущества при создании многоканального осветителя, который обычно собирается из набора однотипных TEA азотных лазеров. Количество лазерных каналов определяется числом требуемых кадров [12]. Такое построение системы многокадрового оптического зондирования позволяет оперативно управлять задержкой между кадрами, минимальное значение которой ограничено разбросом запуска лазерных каналов.

Однако отечественный рынок лазерной техники представлен только несколькими моделями азотного лазера, работающими при пониженном давлении и обладающих большой длительностью лазерного импульса (~10нс) [13]. В связи с этим, несмотря на очевидные достоинства TEA азотных лазеров, их использование в схемах оптического зондирования крайне ограничено из-за отсутствия промышленных аналогов. Следует также отметить, что обеспечение оптимальных условий для эффективной генерации достигается при атмосферном давлении только в достаточно узком диапазоне параметров возбуждения, и реализация такого режима сопряжена с определенными трудностями. Серьезной проблемой является синхронизация многоканального лазера с импульсными плазменными объектами, обладающими собственными задержкой и разбросом, при малой величине задержки между кадрами. Отсутствие низко индуктивных (~10нГн) коммутаторов с рабочим напряжением, равным 25 - 30, при импульсных токах ~ 1-10 кА и разбросе включения ~ 1 не делает невозможным повторение зарубежных аналогов без ухудшения их характеристик.

Данная работа посвящена созданию на основе TEA азотного лазера эффективного диагностического прибора, в том числе в многоканальном варианте, который обладает простой конструкцией, низкой стоимостью и может быть изготовлен в исследовательской лаборатории без привлечения специальных технологий. Кроме того, для расширения возможностей диагностики, лазерный осветитель следует дополнить оптическим интерферометром, что, в свою очередь, требует проведения дополнительных исследований.

Целью работы является комплексное изучение физических процессов, влияющих на энергетические, временные и оптические характеристики излучения в TEA азотном лазере, разработка и апробация лазерного интерферометра на импульсных плазменных установках, а также оптимизация конструкции многоканального осветителя и методов его синхронизации с короткоживущими плазменными объектами. Для этого необходимо: Провести исследование пространственной структуры и динамики развития поперечного наносекундного разряда в канале азотного лазера, а также границ его устойчивости при атмосферном давлении и различных значениях перенапряжения между электродами.

Провести исследование влияния параметров электрического возбуждения, элементов конструкции и геометрии разрядного промежутка на энергию излучения и временные характеристики TEA азотного лазера.

Разработать экспериментальный образец TEA азотного лазера и провести комплексное исследование его рабочих характеристик; применить разработанный лазер для визуализации быстропротекающих процессов в плазме импульсных разрядов различного типа.

Разработать лазерный интерферометр для исследования плазменных объектов с большими градиентами электронной плотности и апробировать его при диагностике плотной короткоживущей плазмы, формируемой сильноточным микропинчевым разрядом.

Оптимизировать методы синхронизации TEA азотного лазера с плазменными объектами наносекундной длительности и разработать оптимальную конструкцию многоканального лазерного осветителя.

В первой главе диссертации проводится обзор результатов экспериментального исследования ультрафиолетовых (А,=337 нм) электроразрядных лазеров на молекулярном азоте. Основное внимание уделено лазерным осветителям с поперечным возбуждением при атмосферном давлении, их характеристикам, конструкциям и применению для диагностики импульсной плазмы.

Большое значение для повышения эффективности работы TEA азотного лазера представляет увеличение скорости ввода электрической энергии в поперечный разряд, использующийся для накачки активной среды. Важным элементов конструкции лазера, оказывающим непосредственное влияние на этот процесс, является генератор импульсных напряжений (ГИН). В связи с этим, в конструкции TEA азотного лазера предпочтительно применять ГИН на плоской формирующей линии Блюмляйна, который обеспечивает очень высокие скорости нарастания разрядного тока.

Серьезной проблемой является также низкая устойчивость объемного разряда в канале TEA азотного лазера. Создание некоторой предварительной ионизации разрядного промежутка и перенапряжения на электродах приводит к объемной форме протекания разрядного тока и определяет особенности получения лазерной генерации. Разработаны эффективные методы стабилизации локальных неустойчивостей, которые имеют большое практическое значение для формирования мощного безыскрового разряда. Хотя полученные данные достаточно хорошо согласуются с моделью многоэлектронного инициирования, объясняющей объемное протекание тока, полного представления о механизме формирования объемного самостоятельного разряда при атмосферном давлении нет.

Во второй главе приводится описание макета TEA азотного лазера, выполненного на основе плоской формирующей линии Блюмляйна, а также выбранных (в соответствии с целью работы) средств и методов диагностики. Данные методики были использованы для: исследования режимов наносекундного разряда, формируемого в канале TEA азотного лазера; исследования влияния физических параметров в TEA азотном лазере на энергию излучения; исследования энергетических, временных и оптических характеристик разработанного экспериментального образца TEA азотного лазера.

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований режимов возбуждения и характеристик лазерного излучения вышеизложенными методами.

Четвертая глава посвящена результатам применения разработанного TEA азотного лазера для диагностики плазмы в импульсных разрядах различного типа. Приводятся также результаты создания конструкции многоканального лазерного осветителя.

В заключении сформулированы основные выводы из диссертации.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Вовченко, Евгений Дмитриевич

3.1.2. Результаты исследования временных характеристик разряда Результаты регистрации лазерного излучения и диффузного свечения разряда в азоте показали, что появление лазерного импульса совпадает с началом свечения объемного разряда (рис. 3.4). Наблюдалось увеличение длительности свечения при замене азота на воздух. Колебательный характер осциллограмм объясняется наложением электромагнитной наводки от разрядной цепи на полезный сигнал ФЭУ 30.

Рис. 3.4. Фотоэлектрическая регистрация наносекундного поперечного разряда при атмосферном давлении: 1 - спонтанное излучение разряда в азоте; 2- спонтанное излучение разряда в воздухе; 3 - лазерный импульс: Л

О 40 80 120 160 не

Проведено исследование временного поведения электрических характеристик разряда (импульсного напряжения между электродами и разрядного тока) при напряжениях питания формирующей линии UQ= 10-25 кВ и межэлектродных зазорах d = 2-5 мм. Пример таких осциллограмм, иллюстрирующих работу лазера при U0 = 17 кВ и d = 3 мм, приведен на рис. 3.5. а б

Рис. 3.5. Типичные осциллограммы временного поведения электрических характеристик разряда при U = 17 кВ, d-Ъ мм: напряжение на разрядном промежутке (а); разрядный ток (б). Стрелкой отмечен момент формирования лазерного импульса.

Временное поведение напряжения на электродах, измеренное с помощью высоковольтного емкостного делителя, представлено на рис. 3.5 а. На этом рисунке момент пробоя в разрядном канале, соответствующий формированию лазерного импульса, отмечен стрелкой и фиксировался по резкому сбросу напряжения между электродами. Временной ход разрядного тока (3.5 б) определялся по сигналу с магнитного зонда. Первый отрицательный пик соответствует моменту пробоя разрядника, а второй -началу протекания тока через разрядный промежуток.

Из осциллограмм, полученных при различных значениях напряжения питания формирующей линии 6г0=Ю-20кВ, по форме импульса напряжения определялось время нарастания переднего фронта импульса /,„ а по сопоставлению с осциллограммами тока также задержка относительно начала пробоя, т.е. время формирования разряда/ф, представленное на рис. 3.6.

7"ф,НС 50

40

30

20

10

12 14 16 18 20 U,kB

Рис. 3.6. Зависимость времени формирования разряда от напряжения питания при различных расстояниях между электродами

Наличие на импульсе плоской вершины показывало, что /,,</ф и пробой наступал при достижении напряжением U (/) своего максимального значения, равного напряжению питания формирующей линии U0. Соотношение между временем формирования разряда /ф и временем нарастания переднего фронта импульса напряжения /н определяло эффективность формирования перенапряжения на разрядном промежутке. Для количественных оценок удобно использовать коэффициент перенапряжения

V = Un/UCT, (ЗЛ> где U„ - импульсное напряжения в момент пробоя; Ucr - напряжение статического пробоя, определяемое из эксперимента (рис.3.7).

Очевидно, что для увеличения значения р наряду с повышением зарядного напряжения на формирующей линии важно обеспечить условие и<А|>, т.е. стремиться к увеличению скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке dU (t)/d t. U

14

12 10 8

Рис.3.7. Зависимость напряжения статического пробоя от расстояния между электродами

Таким образом, полученные результаты позволяют установить разумную нижнюю границу для длительности переднего фронта возбуждающего импульса напряжения. Так например, для С/о =20 кВ и /ф = 20 не скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке должна

I "У быть не менее 10 В/с. Наблюдаемое в экспериментах ухудшение, однородности разряда при затягивании фронта нарастания импульсного ■ напряжения обусловлено уменьшением значения р. В свою очередь, величина dU (t)/d t зависит от индуктивности разрядника и волнового сопротивления формирующей линии лазера.

Обобщение результатов экспериментального исследования пространственной структуры разряда и временного поведения его электрических характеристик позволило определить границы начальных условий, необходимых для формирования объемного безыскрового разряда. Так, при U0< 10 кВ (Р~1) формируется только искровой пробой. Интервал напряжений С/0 = 10-16 кВ (Р< 1,5) соответствует переходному режиму между искровыми разрядами и объемной формой протекания разрядного тока. При р> 1,8 формируется устойчивый однородный объемный разряд. ст, кВ

•

2 3 4 5 d, мм

Полученные данные представлены на рис. 3.8. в виде зависимости величины Р от расстояния между электродами.

3

-1,8 1 объемнь ш разряд

- 1,4 иск Ра d, от

0,2 0,3 0,4

Рис. 3.8. Минимальные значения коэффициента перенапряжения Р при формировании объемного разряда в канале TEA азотного лазера

Условия формирования разряда, соответствующие точкам, лежащим выше кривых на графиках, приводят к объемной форме разряда, а ниже - к искровому пробою. Полученные результаты позволяют обоснованно формулировать требования к параметрам электрической системы возбуждения TEA азотного лазера в зависимости от выбранного напряжения питания формирующей линии. Для устойчивого формирования объемного безыскрового разряда необходимо обеспечить скорость нарастания импульсного напряжения на разрядном промежутке не менее 0,8 - 1,0 кВ/нс.

3.2. Влияние физических параметров на энергию лазерного излучения

Разработка простого и компактного TEA азотного лазера, в первую очередь, связана с повышением эффективности его работы. Поэтому, кроме обеспечения условий, необходимых для создания объемного безыскрового разряда, важно рассмотрение физических процессов, ответственных за эффективное формирование лазерного излучения.

3.2.1. Основные принципы повышения энергии лазерного излучения

Для накачки активной среды используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой канал лазера. Механизм перевода молекул азота на уровень С*пи из основного состояния X3I.g+ основан на электронном ударе. Эффективность этого процесса определяет КПД и энергетические характеристики лазера и напрямую зависит от параметров электрического возбуждения.

Отличительным свойством ультрафиолетового азотного лазера является формирование импульса излучения непосредственно на переднем фронте разрядного тока. Очевидно, что в этом случае энергия лазерного излучения зависит от скорости ввода электрической энергии в разряд и величины разрядного тока, а послепробойные процессы не оказывают заметного влияния на пиковые характеристики одиночного лазерного импульса.

Эти факторы, определяющие эффективность формирования генерации, позволили рассмотреть несколько возможных путей повышающих энергию излучения TEA азотного лазера. К ним относятся: повышение напряжения питания и уменьшение индуктивности разрядного контура; увеличение перенапряжения и стабилизация разряда при атмосферном давлении; оптимизация геометрии разрядного промежутка и секционирование электродов; модификация разрядной поверхности электродов.

1. Повышение напряжения питания и уменьшение индуктивности разрядного контура. Практически всегда в некотором диапазоне наблюдается линейный рост энергии излучения при увеличении напряжения питания Uq на формирующей линии лазера. Нижняя граница напряжения питания определяется порогом генерации и, как правило, лежит в области Uq МИ„=12-Т5 кВ. При значительном увеличении напряжения питания пробой может наступить раньше, чем импульсное напряжение достигнет своего максимального значения. Нарушение условия t„< 1ф (см. раздел 3.1.2) и определяет верхний диапазон напряжения питания, который обычно лежит в области £/о макс =25-30 кВ. Повысить энерговклад и увеличить разрядный ток на стадии пробоя можно за счет снижения индуктивности разрядного контура. Ограничивает этот процесс сопротивление плазмы импульсного разряда.

2. Увеличение перенапряжения и стабилизация разряда при атмосферном давлении. С ростом давления Р и при сохранении параметра EIP, определяющего вероятность возбуждения, следует ожидать увеличения заселенности возбужденного состояния С37Ги и энергии лазерного излучения. При атмосферном давлении такой режим требует обеспечения многократного перенапряжения на разрядном промежутке и подавления локальных искровых пробоев, которые снижают величину полезного тока, протекающего через объемную зону разряда. Однако импульсная мощность TEA азотного лазера выше, чем в лазерах, работающих при пониженном давлении. Обязательная стабилизация разряда за счет эффективной предыонизации является необходимым условием повышения энергии излучения.

3. Оптимизация геометрии разрядного промежутка и секционирование электродов. Энергия излучения TEA азотного лазера зависит от многих параметров разрядного промежутка: формы, состояния поверхности, длины и взаимного расположения электродов. Повышение энергии излучения связано с увеличением длины лазерного канала. Для снижения потерь, связанных с быстрой депопуляцией состояния С37Ги в длинных лазерных каналах, широко применяется режим бегущей волны. Широкие возможности для варьирования геометрией разрядного промежутка предоставляет также секционирование электродов. Важную роль для эффективной работы лазера играет выбор ширины разрядного промежутка.

4. Модификация разрядной поверхности электродов. При оптимизированных параметрах возбуждения и геометрии разрядного промежутка повышение разрядного тока может быть достигнуто за счет модификации разрядной поверхности электродов, связанной с увеличением ее эмиссионной способности.

3.2.2. Экспериментальные результаты.

Была проведена серия предварительных экспериментов, в которых при различных зарядных напряжениях формирующей линии исследовалась зависимость энергии излучения W от расстояния между электродами d (рис.3.9). Для значений напряжения питания С/о= 21-23 кВ максимальное значение энергии излучения, соответствующее оптимальному расстоянию между электродами don , достигается при величине Е/Р~ 80 В-см^-тор""1, причем увеличение напряжения ведет к увеличению значения don. При d> 4,5 мм происходит срыв генерации.

1) ° - 21 кВ (2) о - 23 кВ (3) о - 25 кВ

Рис. 3.9. Зависимость энергии излучения W от расстояния между электродами d при различных зарядных напряжениях

Объемный разряд в TEA азотном лазере крайне неустойчив. Значительное уменьшение энергии излучения происходит при развитии в лазерном канале локальных искровых пробоев, шунтирующих объемный разряд. К уменьшению энергии приводит также перераспределение тока в результате параллельного соединения двух разрядных промежутков: лазерного канала с межэлектродным зазором </i=3,3mm (в котором формировалась генерация) и шунтирующего его дополнительного

75 воздушного промежутка. Обобщенные результаты представлены на рис. 3.10 и указывают на прямую зависимость между энергией излучения и объемной формой протекания разрядного тока. На этом рисунке приведена также ошибка измерений.

1,0 0>8 0.6 Н 0,4 0 2 А W

W.

3,5 макс d2 ,мм

4,0

4,5

1,0-1 0,8 0,6^ 0,4 0 2

3,0

3,5 d

2 , ММ

4,0

4,5

Рис. 3.10. Энергия излучения TEA N2- лазера с межэлектродным зазором Ji=3,3 мм в зависимости от расстояния di между электродами в дополнительном разряде, шунтирующем основной разряд. Шунтирование искровым разрядом (а); шунтирование объемным разрядом (б).

При отсутствии резонатора у TEA азотного лазера большое влияние на энергию излучения оказывает геометрия разрядного объема. Перераспределение энергии излучения в двух направлениях за счет изменения угла между электродами иллюстрирует рис. 3.11. Была реализована конструкция, в которой на одном конце разрядного промежутка расстояние между электродами фиксировалось d2=3,1 мм, а на другом -изменялось в интервале d\=2,l - 3,4 мм. При приближении к границам этого интервала в более узкой области лазерного канала формируется искровой пробой, что приводит к уменьшению общей энергии излучения Wi + W2. Её максимальное значение достигается при параллельном расположении электродов и соответствует равенству энергий излучения с обоих концов лазерного канала. W

Рис. 3.11. Энергетические характеристики лазерного излучения при изменении угла между электродами

Обобщенные результаты измерений зависимости энергии излучения от длины L лазерного канала в диапазоне L = 5 - 60 см представлены на рис. 3.12. Значительный коэффициент усиления приводит к насыщению активной среды уже на длине L ~ 20 см. Для снижения потерь связанных с насыщением применялся режим бегущей волны (кривая 1), реализованный за счет варьирования угла между электродами (L = 60 см, d = 3,5 мм). Остальные результаты (кривые 2-4) получены для параллельных электродов {d = 4 мм) при повышении плотности накачки на стадии пробоя. При ограничении активной зоны разряда перегородкой наблюдался более резкое уменьшение величины W (кривая 3) по сравнению с простым

77 уменьшением длины электродов (кривая 2). Введение перегородки не изменяло плотность разрядного тока, а лишь ограничивало размер области, в которой формировалось лазерное излучение. Прямое уменьшение величины L приводило к повышению плотности тока. Максимальные значения энергии достигнуты за счет обеспечения более точной юстировки разрядного промежутка (кривая 4) при секционировании электродов (в лазерную головку последовательно были установлены три пары 10-сантиметровых электродов).

Рис. 3.12. Зависимость энергии излучения от длины активной зоны разряда 1 - режим бегущей волны, L = 60 см; 2 - изменение длины электродов L = 6-35 см; 3 - ограничение активной зоны разряда при L = 35 см перегородкой; 4 - секционирование электродов (длина секции 10 см)

Дальнейшее повышение энергии излучения было достигнуто за счет модификации разрядной поверхности катода. В частности, при использовании медных катодов, эмитирующая поверхность которых имеет развитый микрорельеф [111], наблюдалось почти двукратное увеличение энергии излучения по сравнению с необработанными образцами. Модифицированная поверхность имела неупорядоченную структуру и состояла из большого числа микроконусов, полученных методом плазменной обработки.

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик лазерного излучения

Экспериментальное исследование характеристик лазерного излучения было выполнено на макете TEA азотного лазера. Приводятся результаты спектрального состава, формы и длительности лазерного импульса, когерентности, расходимости, структуры поля излучения и энергии. 3.3.1. Спектральный состав излучения.

Кроме генерации на длине волны 337 нм (переход v=0 —>v =0, где v и v - колебательные уровни электронных состояний С пи и В ng) обнаружена слабая генерация на линии сателлита с длиной волны, равной 357 нм t it переход v=0—»v=l). Отношение интенсивности излучения на основной линии /337 к интенсивности излучения сателлита /357 равно 15. Исследования проводились по методике, описанной в разделе 2.3.2 и основанной на измерении ширины входной щели ФЭУ (т.е. чувствительности измерений), при которой достигалось равенство амплитуд импульсов А| = А2, регистрируемых без прохождения излучения через фильтр БС-7 и после его прохождения. С учетом соотношения (2.5) была получена следующая оценка отношения интенсивностей:

337

Ь2Т2-Ъ{)ц2 Ь2Г[2Т2 Л5

357 Jyrii ~ ~ ' (3-2) где Ь\ =0,03 мм, 62=0,62 - соответственно средние значения ширины щели в каждой серии экспериментов. Другие данные, необходимы для поведения такого расчета, представлены в таблице 3.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отметим основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы.

1. При различных значениях перенапряжения на разрядных электродах исследованы пространственная структура, время формирования и динамика электрических характеристик наносекундного разряда в канале TEA азотного лазера, а также определены условия существования его объемной формы.

2. Исследованы энергетические характеристики излучения TEA азотного лазера в зависимости от:

- величины перенапряжения между электродами, длины электродов, их взаимного расположения в безыскровом режиме разряда;

- влияния локальных пробоев, шунтирующих основной разрядный ток;

- структуры разрядной поверхности электродов.

3. Разработан экспериментальный образец TEA азотного лазера и исследованы характеристики излучения, определяющие возможности его применения в теневых и интерферометрических исследованиях быстропротекающих плазменных процессов.

4. При использовании разработанного TEA азотного лазера в качестве осветителя проведены теневые исследования плазмы в импульсных разрядах различного типа:

- капиллярном разряде, при взаимодействии плазменного факела с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях;

- искровом разряде, при затухании разряда и восстановлении электрической прочности в межэлектродном промежутке.

5. Разработана и апробирована на плазменной установке с сильноточным микропинчевым разрядом интерферометрическая аппаратура, отличительной особенностью которой является объединение преимущества сдвиговой интерферометрии (компактность и переменная чувствительность) с простой конструкцией TEA азотного лазера.

6. Разработан многоканальный TEA Ы2-лазерный осветитель с запуском всех лазерных каналов от общего разрядника, исследованы его временные характеристики и апробирован метод формирования последовательности лазерных импульсов с расширением диапазона задержек до 5-И 00 не.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Вовченко, Евгений Дмитриевич, 2004 год

1. Душин Л.А., Павличенко О.С. Исследование плазмы с помощьюлазеров. М.: Атомиздат, 1968. - 143 с.

2. Пятницкий Л.Н. Лазерная диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1976. -424 с.

3. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Лазерные методы исследования плазмы. -Л.: Наука, 1977.-221 с.

4. Климкин В.Ф., Папырин А.Н., Солоухин Р.И. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. — Новосибирск: Наука, 1980. 208 с.

5. Диагностика плотной плазмы/Под. ред. Н.Г. Басова. М.: Наука, 1989 - 368 с.

6. Семенов О.Г. Электронные и ионные потоки в мощных импульсных разрядах (обзор) препринт № 42, М.: ФИАН, 1979 - 64 с.

7. Singh J.P., Thakur S.N. Nitrogen laser-A review, J.Sci. and Industr.Research, 1980, V.39, pp.613-624.

8. C.A. Massone et. al. A high power, short pulse-width, low pressure N laser.-J.Phys.:Sci. Instr., 1986, E 19, N 6,p.471.

9. Lai C., Thakur S.N. A simple preionized transversely excited low pressure N2 laser.- Indian. J. Phys., 1986, В 60, N 2, p. 205.

10. Ю.Сонин А.Ю. Субнаносекундный УФ азотный TEA лазер Квантовая электроника, 1994, № 3, с. 213-215.

11. Той T.Y., Yap S.S., Siew W.O A compact low-voltage TEA N2-laser Meas. Sci. Technol., 1999,№ 10, p. 101-104.

12. Hirano K., Shimoda K., Emori S. System for a multiframing interferometry and its application to a plasma focus experiment Rev.Sci.Instrum., 1979, V.50, №10, p. 1236 - 1238.

13. З.Зубов В.В., Федоров Ю.И. Импульсные ультрафиолетовые лазеры на азоте Электронная промышленность, 1981, вып. 5-6, с. 85.

14. M.Heard H.G. Ultra-violet gas laser at room temperature -Nature, 1963, v. 200, № 4907, p. 667.

15. Heard H.G., High-power ultraviolet gas laser Bull. Am. Phys. Soc., 1964, v. 9, № l,p. 65.16.3велто О. Физика лазеров М.: Мир, 1979.

16. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры УФН, 1971, т. 105, вып.4, с. 645.

17. Энциклопедия низкотемпературной плазмы /Под ред. В.Е. Фортова — М.: Наука, 2000, t.IV, с. 275.

18. Howorth J.R. J. Phys. Atom, molec. Phys. 1972, v. 5B, p. 402.

19. Georges J.C. J. Phys. Atom, molec. Phys. 1976, v. 9B, p. 2153.

20. Willet C.S. An introduction to gas lasers: Population inversion mechanisms (Pergamon Press Ltd, Oxford) 1974, p. 342-362.

21. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов -М.: Наука, 1980-406 с.

22. Cartwright D.C. Phys. Rev. 1970, v. 2A, p. 1331.

23. Gerry E.T. Pulsed-molecular-nitrogen laser theory Appl. Phys. Lett., 1965, v. 7, p. 6.

24. Leonard D.A. Saturation of the molecular nitrogen second positive laser transition Appl. Phys. Lett., 1965, v. 7, p. 4-6.

25. AH A.W., Kolb A.C. Theory of the Pulsed Molecular Nitrogen Laser Appl. Opt., 1967, v. 6, p. 2115-2119.

26. Shipman J.D., Kolb A.C., Anderson A.D., Ali A.W. NRL Rept., 1966, p. 6444.

27. Shipman J.D., Kolb A.C. IEEE J. Quantum Electron., 1966, QE2, p. 298.

28. AH A.W. A study of the nitrogen laser power density and some design considerations -Appl. Opt., 1969, v. 8, p. 993-996.

29. Rither P., Kimel J.D. Appl. Opt. 1976, v. 15, p. 756.31 .Rither P., Kimel J.D. Appl. Pulsed UV nitrogen laser: its intensity and linewidth Opt. - 1976, v. 15, p. 1117-1119.

30. Бычков Ю.И., Савин B.B., Тарасенко В.Ф. Газовые лазеры -Новосибирск, Наука, 1977, с. 224-238.

31. Dreyfus R.W., Hodgson R.T. Electron beam excitation of the nitrogen laser -Appl. Phys. Lett., 1972, v. 20, p. 195.

32. Andersson & Tobin Physica Scripta, 1974, v. 9, p.7.

33. Ericsson K.G., Lidholt L.R. Ultraviolet source with repetitive subnanosecond kilowatt pulses Appl. Opt., 1968, v. 7, p. 211.

34. Phillips D., West J. Am. J. Phys., 1970, v. 38, p. 655.

35. Lal C., Thakur S.N., Studies on an excited N2-laser Indian J. Phys., 1985, v. 59B, p. 129-137.

36. Проворов A.C., Салмин B.B. Компактный Ыг-лазер с магнитным сжатием Квантовая электроника, 1993, 20, № 6, с. 608-610.

37. Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Азотный лазер с накачкой продольным разрядом от индуктивного и емкостного накопителей энергии Квантовая электроника, 1998, 25, № 12, с. 1087-1090.

38. Feldman М. Below P., Raab F, Metcalf Н. Improvements to a home-built nitrogen laser Appl. Opt., 1976, v. 17, p. 774.

39. Schenck P., Metcalf H. Bull. Am. Phys. Lett., 1972, v. 10, p. 475.

40. Schenck P., Metcalf H. Appl. Opt., 1973, v. 12, p.183.

41. Тарасенко В.Ф. Азотный лазер с системой питания на тиратроне ПТЭ, 1974, № 1, с. 172-174.

42. Lisicki Е., Lukaszewicz М. Influence of some cavity parameters on the experimental performance of nitrogen lasers Optica Applicata, 1979, v. IX, № 4, p. 243-248.

43. Zimek Z, Rodgers M. The construction and properties of a compact high-power N2 laser J. Technical Physics, 1979, v. 20, № 4, p. 493-998.

44. Будзяк А., Иванов И.Н., Ляшенко В.И. и др. Мощный импульсный ультрафиолетовый лазер на азоте Препринт ОИЯИ, Дубна, 1979, № 13-12778.

45. Армичев А.В., Рукевич Л.Б., Фогельсон Т.Б. и др. Мощный ультрафиолетовый отпаянный лазер Электронная промышленность, 1981, вып. 5-6, с. 83-85.

46. Rickwood K.R., Serafetinides А.А. Semiconductor preionized nitrogen laser Rev. Sci. Instrum., 1986, v. 57, № 7, p. 1299.

47. Silva Reis., Dias Tavares, Massone C.A., Chaghtai M. A high power, short pulse-width, low pressure N2 laser J. Phys. E: Sci. Instrum., 1986, v. 19, p. 471-473.

48. Бан Xe Сок, Ляшенко В.И., Щербаков Ю.А. и др. Повышение эффективности работы азотного лазера Препринт ОИЯИ, Дубна, 1987, № 13-87-415.

49. Ляшенко В.И., Чан Ань By, Щербаков Ю.А. и др. Исследование работы азотного лазера управляемого керамическим тиратроном Препринт ОИЯИ, Дубна, 1989, № 13-89-747.

50. Geller М., Altman D.E., Temple Т.А. Some considerations in the design of a high power, pulsed N2 laser Appl. Opt., 1968, v. 17, p. 2232.

51. Bergmann H.M. Sealed-off, miniature, high-power nitrogen laser-J. Phys.E: Sci. Instrum., 1977, v. 10, № 12, p. 1210-1212.

52. Nagata Itsuo, Yoshitake Kimura, A compact high-power nitrogen laser J. Phys. E: Sci. Instrum., 1973, v. 6, p. 1193-1195.

53. Udrea E., Udrea M. A compact nitrogen laser Rev. Roum. Phys., 1980, v. 25, № 9, p. 983-985.

54. Baer T. Appl. Opt. 1976, v. 15, p. 2953.

55. Wang C. Rev. Sci. Instr. 1976, v. 47, p. 92.

56. Аракелян B.C., Аветисян А.А., Атабекян В.Г., Мхитарян В.М., Пахлавуни В.В. Компактный оптический квантовый генератор на азоте с высокой пиковой мощностью ПТЭ, 1981, № 2, с. 187-188.

57. Jitsuno Т. , Mitani Т., Nakaya Т. A high-power TEA N2 laser using a modified Marx generator J. Phys. D: Appl. Phys., 1979, v. 12, p.1503- 1507.

58. Jitsuno T. A multi-stage TEA N2 laser J. Phys. D: Appl. Phys., 1980, v. 13, p. 1405-1411.

59. Shipman J.D. Travelling wave excitation of high power gas lasers Appl. Phys. Let. 1967, v. 10, p. 3.

60. Basting D., Schafer P.F., Steyer R. A simple high power nitrogen laser -Opto-Electronics, 1972, v. 4, p. 43.

61. Godard B. A very simple high-power high efficiency N2 UV laser IEEE J. Quant. Electr., 1974, v. QE-10, p. 147.

62. Dymaczewski H., Mischke W., Przybylski M. Ultravoilet nitrogen lasers -Postepy Fizyki, 1978, v. 29, p. 617-634.

63. Saikan S. Japen J. Appl. Phys., 1976, v. 15, p. 187.

64. Salzmann H., Strohwald H. High power, subnanosecond pulse from a TEA nitrogen laser with traveling wave excitation- Opt. Commun., 1974, v. 12, p. 370-372.

65. Salzmann H., Strohwald H. Picosecond UV pulses from gas discharges in pure nitrogen at pressure up to 6 atm Appl. Phys. Lett., 1976, v. 28, p. 272.

66. Herden W. Compact high power subnanosecond nitrogen and "open air" lasers at 760 torr Phys. Lett., 1975, v. 54A, № 1, p. 96-98.

67. Patel B.S. Compact high-power TEA N2 laser Rev. Sci. Instr., 1978, v. 49, №9, p. 1361-1363.

68. Bergmann H.M. Appl. Phys. Lett., 1974, v. 25, p. 654.

69. Bergmann H.M., Hasson V., Preusser D. Pulsed corona excitation of high-power UV nitrogen lasers at pressure of 0-^3 bar, Appl. Phys. Lett. 1975, v. 27, p. 553.

70. Bergmann H.M. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1976, v. 9, p. 982.

71. Bergmann H.M., Hasson V., Brink J. Novel stabilization and pulsing techniques for direct and traveling-wave excitation of high-pressure UV nitrogen laser Opt. Commun., 1976, v. 18, № 1, p. 180-181.

72. Bergmann H.M. J. Appl. Phys., 1976, v. 47, p. 10.

73. Bergmann H.M., Penderis A.J. Miniaturized atmospheric pressure nitrogen laser-J. Phys. E: Sci. Instrum., 1977, v. 10, 602-604.

74. Bergmann H.M., Hasson V. Gain, fluorescence and energy extraction characteristics of photostabilised atmospheric pressure UV nitrogen lasers -J. Phys. D: Appl. Phys., 1978, v. 11, p. 2341-2351.

75. Bergmann E.E., Eberhart N. IEEE J. Quant. Electr.,1973, v. 9QE, p. 853.

76. Bergmann E.E. UV TEA laser with 760-torr N2, Appl. Phys. Lett. 1976, v. 28, № 2, p. 84.

77. Bergmann E.E. Compact TEA N2 laser Rev. Sci. Instrum., 1977, v. 48, № 5, p. 545-546.

78. Bergmann E.E. Coherent UV from a TEA N2 laser system Appl. Phys. Lett., 1977, v.31,№ 10, p. 661-663.

79. Мазуренко Ю.Т., Удальцов B.C. Субнаносекундный лазер на молекулярном азоте Известия АН СССР, сер. Физическая, 1981, т.45, № 2, с. 396-398.

80. Kurnit N.A., Tubbs S.J., Bidhichand К. et al. Photopreionization of the 3371 pulsed N2 laser, IEEE J. Quant. Electr. 1975, april, p. 174-176.

81. Bergmann H.M. Ultraminiature high-power gas discharge lasers, Rev. Sci. Instr. 1979, v. 50, № 1, p. 59-63.

82. Bergmann H.M. Ultraminiature high-power gas discharge lasers excited throught high dielectric constant ceramic materials Rev. Sci. Instr. - 1980, v. 51, №3, p. 384-385.

83. Долгов Г.Г., Мандельштам С.Л. ЖЭТФ, 1953, т. 24, № 6, с. 691-698.88.3ахаренков Ю.А., Склизков Г.В., Шиканов А.С. Применение сдвиговойинтерферометрии для диагностики плотной неоднородной плазмы, Физика плазмы 1980, т. 6, вып. 2, с. 453-462.

84. Sadowski М., Ugniewski S. Plasma refraction measurements by means of a laser differential interferometer J. Tech. Physics, 1976, v. 17, № 4, p. 365 - 376.

85. Денус С., Ерохин A.A., Захаренков Ю.А., Писарчик Т., Покора JI., Склизков Г.В., Шиканов А.С. Лазерное зондирование неоднородной плотной плазмы, Физика плазмы 1982, т. 8, вып. 6, с. 1292.

86. Наврот В., Покора Л. Азотная лазерная система «генератор-усилитель» для интерферометрических исследований плазмы, Квантовая электроника 1982, т.9, № 7, с. 1499-1503.

87. Vlad V.I., Udrea M.V., Рора D. UV pulsed interferometry and holography in the nanosecond range using a nitrogen laser, 14 International Congress on the high speed photography and photonics, Moskow, 1980, p. 1-6.

88. E. Bar-Avraham, A. Fisher, F. Mako et al A fast interferometer using a nitrogen laser for a dense plasmas, IEEE Transaction on Plasma Science -1978, v. ps-6, № 3, p. 296-299.

89. Schmidt H., Salzmann H.,Strohwald H. Interferometry using subnanosecond pulses from TEA nitrogen lasers Appl. Opt., 1975, v. 14, № 9, p.2250.

90. Hirano К., Shimoda К., Hamada F. Detailed study of dynamic behavior of a focused plasma by N2-laser interferometry, Japanse J. Appl. Phys. 1978, v. 17, №9, p. 1619-1623.

91. Ruckle В, Uber den Zusammenhand Zwischen Neutronen production und1.stabilit ten am Plasmafocus Institut Pr Plasmaforschung der Universit t Stutgart, 1981, Jan., IPF-81 -1.

92. Аранчук Л.E., Боголюбский С.Л., Вихарев В.Д. Многомодульный азотный лазер для диагностики плазмы, создаваемой с помощью генераторов РЭП Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 10, с. 2098.

93. Ю2.Анацкий А.И. Частотные характеристики импульсных водородных коммутаторов, Обзор ОВ-43 Л.: НИИЭФА, 1981. -23 с.

94. ЮЗ.Козодаев А. М. Электрические управляемые вентили для формирования мощных импульсов тока. М., Атомиздат, 1975, с. 64.

95. Калюжный В., Лахно А., Регулируемый высоковольтный преобразователь -Радио, 1978,№8, с.59.

96. Введенский Ю.В., Тиратронный генератор наносекундных импульсов с универсальным выходом Известия вызов СССР, Радиотехника, 1959, № 2, с. 249.

97. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И., Техника и практика спектроскопии М., Наука, 1976, с. 321.

98. Аркатов Ю.М., Вацет Н.И., Волощук В.И. и др., Делитель для измерения высоковольтных наносекундных импульсов ПТЭ, 1980, №1, с. 125-126.

99. Доброневский О.В., Справочник по радиоэлектронике, Киев, «Вища школа», 1978, с. 7.

100. Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., МИФИ, 1999, 432 с.

101. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.-М.: Наука, 1981, с.313.

102. Беграмбеков Л.Б., Захаров A.M. , Пустобаев А.А. Многоострийный автоэмиссионный катод В сб. Мощные физико-энергетические системы, Москва, Энергоатомиздат, 1988, стр. 41-48.

103. Эртель X. Физика быстропротекающих процессов. .-М.:Мир, 1971. -т.З, с. 103-208.