Широкоапертурный ТЕ-СО2-лазерный усилитель высокого давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат технических наук Дюблов, Андрей Алексеевич

• Дюблов, Андрей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дюблов, Андрей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Методы формирования объемного разряда при высоком давлении

1.2. Методы предыонизации

1.3. Анализ конструкций разрядных камер и высоковольтных источников накачки.

Выводы

Постановка задач исследования

Глава 2. Численное моделирование процесса усиления при прохождении лазерного импульса через активную зону разряда импульсного

ТЕ-СОг-лазерного усилителя

2. 1. Выбор теоретической модели

2 .2. Анализ усиления коротких импульсов

Выводы

Глава 3. Поиск и оптимизация конструктивных вариантов широкоапертурного импульсного ТЕ-СОг-лазерного усилителя

3.1. Анализ конструктивных вариантов и обоснование конструкции усилителя

3.2. Оптимизация контура основного разряда

3.3. Моделирование процессов рентгеновской предыонизации

Выводы

Глава 4. Исследование широкоапертурного импульсного

ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления

4.1. Описание широкоапертурного импульсного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления

4.2. Исследование рентгеновской предыонизации

4.3. Исследование условий формирования разряда

4.4. Исследование коэффициента усиления

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Широкоапертурный ТЕ-СО2-лазерный усилитель высокого давления»

Интерес к созданию и использованию пикосекундных тераватгных СО2-лазерных систем обусловлен новыми возможностями в решении ряда фундаментальных и прикладных задач, связанных с применением излучения десятимикронного диапазона, таких как лазерное ускорение заряженных частиц, исследование процессов туннельной ионизации атомарного газа, использование в мод-селективной лазерохимии, когда резонансное возбуждение моды в ИК-поле ^ тераватгных импульсов происходит в условиях сильного нарушения внутримолекулярного равновесия, что стимулирует химическую активность молекулы, и ряде других. Причем эффективность воздействия лазерного импульса проявляется по достижению некоего значения мощности. Так, фокусирование тераваттного лазерного пучка в ЗОмкм пятно дает интенсивность 1017Вт/см2 , что соответствует напряженности электрического поля ЮГВт/см, что в четыре раза превышает напряженность электрического поля, получаемую в традиционных ускорителях заряженных частиц [63].

Формирование широкого спектра усиления, позволяющего без искажений усиливать пикосекундный импульс в активной среде СО2 усилителя, происходит за счет перекрытия линий соседних колебательно-вращательных переходов при столкновительном уширении. Полное перекрытие линий достигается при давлении порядка Юатм. При более низких давлениях спектр усиления является модулированным либо распадается на отдельные линии. Выходная энергия импульсного лазера с заданным объемом рабочей области зависит от числа возбужденных молекул, находящихся в этом объеме, а следовательно, от давления газа. Длительность импульса определяется главным образом временами релаксации возбужденных молекул. Поскольку эти времена уменьшаются с ростом давления, длительность импульса также оказывается зависящей от давления газа. В результате пиковая мощность возрастает пропорционально квадрату давления. Таким образом, при более высоких давлениях в лазерах одинаковых объемов удается получать импульсы большей энергии при более высокой импульсной мощности и меньшей длительности.

Большинство работ в области С02-лазеров высокого давления (р>7 атм) выполнено на усилительных модулях с возбуждением активной среды объемным самостоятельным разрядом и предварительной ионизацией среды в объеме разрядного промежутка. Параметры лазеров, достигаемые с помощью такого метода возбуждения, близки к соответствующим параметрам лазеров с несамостоятельным разрядом. В то же время лазеры с объемным самостоятельным разрядом проще по конструкции и отличаются рядом преимуществ в эксплуатации.

Электроразрядные ТЕ-СОг-лазеры высокого давления принципиально практически не отличаются по конструкции от ТЕА-СОг-лазеров. Однако, при переходе к высоким давлениям возникают особенности, состоящие в следующем:

1.С ростом давления растет пробойное напряжение и напряжение, необходимое для поддержания Е/р на оптимальном уровне (~ 20-60 кВ/сматм). Здесь Е -напряженность электрического поля в рабочем промежутке, р - давление рабочей газовой смеси. При этом возрастают требования к однородности поля в промежутке.

2.При повышении давления возникает проблема обеспечения равномерной предыонизации разрядного промежутка вследствие сильного поглощения УФ-излучения в активной среде. Поэтому использование УФ источников, таких как открытая искра и скользящий поверхностный разряд, находит применение только в случаях малых апертур ~ 10x10мм. Предыонизация рентгеновским излучением позволяет формировать объемный разряд в системах с большими апертурами.

3.Повышение давления приводит к сокращению времени формирования локализации разряда тл. Для формирования однородного разряда длительность стадии основного ввода энергии должна быть меньше тл. Радикальным методом борьбы с контрагированием разряда в лазерах с самостоятельным разрядом является ограничение времени энерговклада.

Создание широкоапертурного 10x1 Ох 100см) ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления (<10атм), кроме вышеперечисленных особенностей, имеет также и особенности, связанные с конструктивным решением разрядной камеры большого объема, в которой рабочая газовая смесь находится под высоким давлением, в связи с чем при разработке конструкции необходимо учитывать требования, предъявляемые к сосудам и аппаратам, работающим при избыточном внутреннем давлении. Необходимость повышения рабочего напряжения так же накладывает дополнительные требования к обеспечению электрической прочности изоляционных промежутков и элементов разрядной камеры.

Целью настоящей работы является исследование условий для получения объемного самостоятельного разряда и оптимизация элементов широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя с рабочим объемом 10x1 Ох 100см при давлении рабочей смеси до Юатм. Создание эффективного предыонизатора. Создание и исследование нового широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления.

Научная новизна:

1. Впервые разработан и создан образец широкоапертурного (100x100мм) ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления (до 10 атм) с рентгеновской предыонизацией.

2. Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований эффективности рентгеновской предыонизации разрядного объема широкоапертурного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления. Продемонстрирована возможность получения начальной концентрации электронов ~109-см"3 в разрядном промежутке большой апертуры при высоком давлении рабочей газовой смеси с использованием рентгеновской предыонизации.

3. Экспериментально исследован коэффициент усиления слабого сигнала в широкоапертурном ТЕ-СОг-лазерном усилителе высокого давления с рентгеновской предыонизацией в зависимости от давления и состава рабочей газовой смеси.

Практическая значимость. Работа по созданию и исследованию широкоапертурного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления проводилась в рамках «Программы по реализации альтернативных методов ускорения заряженных частиц» для ООО «НИФ ОПТОЭЛ». Акт о внедрении результатов диссертационной работы прилагается.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке широкоапертурных ТЕ-СОг и эксимерных лазерных усилителей высокого давления с рентгеновской предыонизацией.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- новое схемное решение разрядной камеры широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого (£10атм) давления с рентгеновской предыонизацией, при котором камера вакуумного диода размещается внутри оболочки корпуса разрядной камеры, что позволяет оптимизировать расстояние от выводного окна вакуумного диода до разрядного промежутка, а также использовать оболочку корпуса разрядной камеры в качестве дополнительной защиты в случае разрушения разделительной фольги выводного окна вакуумного диода;

- система формирования коротких высоковольтных (-1MB) импульсов основного разряда широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления с рентгеновской предыонизацией, включающая в себя перестраиваемую водяную формирующую линию, обеспечивающая возможность эффективного согласования импедансов разрядного контура с разрядным объемом; результаты численного моделирования эффективности рентгеновской предыонизации при давлении газовой смеси в рабочем объеме усилителя до Юатм;

- анализ особенностей расчета профиля высоковольтного электрода в контуре основного разряда широкоапертурной лазерной системы, предполагающий использование результатов расчета распределения напряженности электростатического поля с учетом влияния металлического корпуса разрядной камеры, в дополнение к традиционной методике;

- результаты экспериментальных исследований работы рентгеновского предыонизатора, продемонстрировавшие возможность получения начальной концентрации электронов ~109-см"3 в разрядном промежутке большой апертуры при высоком давлении рабочей газовой смеси с использованием рентгеновской предыонизации;

- результаты оптимизации электрических параметров системы формирования высоковольтных импульсов, позволившие впервые получить устойчивый объемный самостоятельный разряд в диапазоне давлений газовой смеси 5-10атм при разрядном объеме 10х10х100см3=10л; I

- исследования коэффициента усиления слабого сигнала широкоапертурного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого (<10атм) давления с рентгеновской предыонизацией, составивший 0,019см"1 для давления газовой смеси Юатм.

ООО "Научно-инновационная Scientific&lnnovation company фирма "Оптоэл" Optoel Ltd.

197101, Санкт-Петербург, Россия, ул. Саблинская, 14 14, Sablinskaya str., St Petersburg, 197101, Russia tel./fax: [phone]

• АКТ о внедрении результатов диссертационной работы Дюблова А.А. «Широкоапертурный ТЕ-СОг - лазерный усилитель высокого давления»

Разработанный в рамках диссертации Дюблова А.А. лазерный усилитель с апертурой 10x10x1 ООсмЗ и давлением рабочей газовой смеси до Юатм установлен и сдан в эксплуатацию в Брукхэвенской национальной лаборатории, США. Упомянутый усилитель используется в международных программах по исследованию взаимодействия электронов с электромагнитным излучением оптического диапазона.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Дюблов, Андрей Алексеевич

Выводы f /

1. Проведены исследования эффективности формирования рентгеновского излучения рентгеновским предыонизатором в зависимости от материала окна. Исследования показали, что в данном случае оптимальным является использование Ti фольги толщиной 80мкм.

2. Проведены исследования рентгеновского предыонизатора. Определены оптимальные значения накопительной емкости и зарядного напряжения высоковольтного генератора рентгеновского предыонизатора. Определен оптимальный зазор вакуумного диода.

3. Определены требования ' к взаимному позиционированию взрывоэмиссионного катода и сеточного анода вакуумного диода предыонизатора.

4. Проведены исследования и оптимизация параметров системы формирования высоковольтных импульсов основного разряда, что позволило получить устойчивый объемный разряд.

5. Впервые получен устойчивый объемный самостоятельный разряд в диапазоне давлений газовой среды 5-Юатм при разрядном объеме 8,5х10х100см3=8,5л.

6. Исследован коэффициент усиления широкоапертурного импульсного ТЕ-С02-лазерного усилителя высокого давления с рентгеновской предыонизацией.

Заключение

1. Проведен анализ конструктивных вариантов исполнения разрядной камеры широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления. Предложена новая компоновка основных элементов широкоапертурного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления.

2. Разработана структурная схема высоковольтного генератора импульсов основного разряда (~1 MB) с использованием формирующей водяной линии. Определены требования к основным основным элементам разрядного контура. Показана необходимость использования расчетов распределения напряженности электростатического поля с учетом влияния металлического корпуса разрядной камеры при определении профиля высоковольтного электрода в дополнение к традиционным методам расчета.

3. Впервые создан широкоапертурный (10x1 Ох 100см3) ТЕ-СОг-лазерный усилитель высокого (до Юатм) давления с рентгеновской предыонизацией.

4. Проведено численное моделирование процессов рентгеновской предыонизации. Проведены исследования рентгеновского предыонизатора. Показана эффективность использования титановой фольги толщиной 80мкм для изготовления выводного окна рентгеновского предыонизатора. Продемонстрирована возможность получения начальной концентрации электронов порядка ~109-см"3 в разрядном промежутке большой апертуры при высоком давлении рабочей газовой смеси с использованием рентгеновской предыонизации.

5. Проведены исследования и оптимизация параметров системы формирования высоковольтных импульсов основного разряда. По результатам экспериментальных исследований определены оптимальные значения накопительной емкости (35 нФ) и обостряющей емкости (14 нФ) водяной формирующей линии.

6. Впервые получен устойчивый объемный самостоятельный разряд в диапазоне давлений газовой среды 5-Юатм при разрядном объеме 10х10х100см3=10л.

7. Исследован коэффициент усиления широкоапертурного импульсного ТЕ-СОг-лазерного усилителя высокого давления с рентгеновской предыонизацией.

Максимальное значение коэффициента усиления, полученное при давлении Юатм, составило 0,019см"1 для удельного энерговклада порядка 58Дж/л-атм. Состав газовой смеси для максимального значения на Юатм СОг^гНе = 1:0,5:18,5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дюблов, Андрей Алексеевич, 2003 год

1. Pogorelsky I.V., Ben-Zvi I., Meshkovsky I.K., Pavlishin I.V., Dyublov A.A. et. al.// " The first picosecond terawatt C02 laser". Int. Conf. Laser Optics'98. June 22-26. 1998. St. Petersburg. Proc. SPIE. 1998- V.3683.-p. 15-24.

2. Arnesson J., Kneubuhl F. K." Future laser-driven particle accelerators".// Infrared Phys.- 1985.-V.25.-p.121.

3. Corkum P.B., Burnett N.H., Brunei F. // Phys. Rev. Lett.- 1989.-V.62.- p. 1259.

4. Летохов В. С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах.- М.: Наука, 1983.- с.408.

5. Платоненко В. Т., Таранухин В. Д. Когерентное усиление световых импульсов в средах с дискретным спектром.// Квантовая электроника.- 1983.- т. 10.- N11.- с. 2246-2257.

6. Орловский В. М., Осипов В. В., Соловьев В. С. // Квантовая электроника.- 1981.8.- с. 389.

7. Alcock A., Fedosejevs J., Walker A., Gain'characteristics of a Multiatmosphere UV-preionized C02 laser. // IEEE J. Quantum Electron.- 1975.- V.QE-II.-p.767.

8. Midorikawa K., Wakabayashi K., Nakamura K. et. al. Discharge parameters of a high-pressure, ultraviolet-preionized, transversely excited C02 laser. //J. Appl. Phys.- 1982.-V.53.- p.3410-3417.

9. Карлов H.B., Кислецов А. В., Ковалев И. О. и др. Плавно перестраиваемый по частоте С02 лазер высокого давления с плазменным катодом. // Квантовая электроника.- 1987.- т. 14.- N1.- с.216-218.

10. ЬМазуренко Ю. Т., Рубинов Ю. А., Шахвердов П. А. Импульсный СОг лазер с плавной перестройкой частоты излучения. // Оптико-мех. Промышленность.-1979.- N6.-C.25-28.

11. Bonnie R. G. М., Witteman W. J., High pressure X-ray preionized TEMA-C02 laser. // Appl. Phys. В.- 1987.- V.44.- p.37-39.

12. Baranov G. A., Kuchinskii A. A., Tomashevitch V. P., Tomashevitch P. V. Development of exitation system for a large area high pressure C02 amplifier. // Plasma device and operations.- 1997.-V.5.- p.199-213.

13. Биглов 3. А., Гордиенко В. M. Мощные пикосекундные лазеры десятимикронного диапазона. • '

14. A. J. Beaulieu, Transversely exited atmospheric pressure C02 lasers. Appl. Phys. Lett., v. 16, p. 504-505, June 1970.

15. Борисов B.M., Гладуш Г.Г., Степанов ЮЛО. Фотоионизация в импульсном С02 -лазере.// Квантовая электроника, 1977,Т. 4, № 4, с. 809-813.

16. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Веденов А.А. и др. Получение распределенного электрического разряда в импульсном С02 лазере и некоторые особенности лазерного излучения - Препр. ИАЭ - 2248, м. 1972.

17. Лафламм А.К. Возбуждение лазеров на С02 двойным разрядом при атмосферном давлении // ПНИ, 1970, т. 41, № 11, с, 48-51.

18. Мазуренко Ю.Т., Рубинов Ю.А., Шахвердов П.А. Новый метод возбуждения однородного разряда в С02 лазерах повышенного давления // Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 10, с. 2335-2338.

19. Richardson М.С., Alcock A.J., Leopold К.А. А 300-J multigigawatt С02 laser // IEEE J. Quant. Electron., 1973, v. 9,1 2, p. 236-243.

20. Павловский А.И., Босамыкин B.C., Карелин В.И., Никольский B.C. Электроразрядный ОКГ с инициированием в активном объеме// Квантовая электроника, 1976, т. 3, № 3, с. 601-604.

21. Басманов В.Ф., Босамыкин B.C., Карелин В.И. и др. Высокоэффективный электроразрядный С02- лазер с энергией излучения 500 Дж // ЖТФ, 1982, т. 52,в. 1, с. 128-130.

22. Андреев С.И., Белоусова И.М., Дашук П.Н. и др. Плазмолистовой С02- лазер // Квантовая электроника, 1976, т. 3, № 8, с. 1721-1726.

23. Бычков Ю.И., Зарослов Д.Ю., Карлов Н.В., Кузьмин Г.П., и др. Инициирование мощного несамостоятельного разряда в молекулярных газах ультрафиолетовым излучением от плазменного катода // Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 8, с.1718-1721.

24. Баранов В. Ю., Борисов В. М., Ратников Е. В., Сатов Ю. А., Судаков В. В. Об изменении параметров фотоионизационного С02-лазера при увеличении давления до Юатм. //Квантовая электроника.- 1976.- т.З.- № 3.- с. 651-653.

25. Карнюшин В.Н., Солоухин Р.И. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах. М., АТОМИЗДАТ, 1981,200 с.

26. Ефимовский С. В., Жигалкин А. К. Электроразрядный С02-лазер высокого давления с плавной перестройкой частоты и узкой линией генерации. // Квантовая электроника.- 1982.- т.9- № 1.- с. 158-160.

27. Дашук П.Н., Кулаков С.Д., Кучинский А.А. и др. Использование мягкого рентгеновского излучения наносекундного скользящего разряда в системах предыонизации // ЖТФ, 1987, Т. 57, в.1, с. 5057.

28. Василевский М.А., Родичкин В.А., Ройфе И.М., Янкин Е.Г. Создание потока излучения с использованием взрывоэмиссионного катода большой площади // ЖТФ, 1985, т. 55, в. 6, с. 1118- 1122.

29. Агалаков Ю. Г., Рубинов Ю. А. // ЖТФ.- 1988.- 58.- с. 1933.- № 1.- с. 158-160.

30. Басов Н.Г., Беленов Э.М., Данилычев В.А. Электроионизационные лазеры. // ЖЭТФ, 1973, т. 64, в.1, с. 108-121.

31. Бычков Ю.И., Карлова Е.К., Карлов Н.В. и др. Импульсный СОг- лазер с энергией излучения 5 кДж // Письма в ЖТФ, 1976, -по 2, в.5, с. 212-216.

32. Бугаев С.П., Бычков Ю.И., Ковальчук Б.М. и др. СО2- лазер с несамостоятельным разрядом в импульсно- периодическом режиме // Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 4, с. 897-899.

33. Попонин В.П, Шанский В.Ф. Импульсные С02- лазеры с несамостоятельным разрядом / Обзор ОК-9, Л. ННИИЭФА, 1976.

34. R. Wood: Proc. IEEE. 62. -р.355- 1974.

35. Manes R. R., Seguin H. S. // Journ. Appl. Phys. 1972. V.43. p.5073.

36. Hoffman J. M., Bingham F. W., Noreno J. В. I I Journ. Appl. Phys. 1974. V.45 p. 1798.

37. Баранов В. Ю., Борисов В. М., Напартович А. П. И др. // Публ. Курчатовского Института Атомной Энергии. 1974. Препринт №2398.

38. Пономаренко А. Г., Солоухин Р. И., Тищеико М. Н. // Прикладная Механика и Техническая Физика. 1975. №5 (93). с. 120.

39. Judd О.Р.//Journ. Appl. Phys. 1974. V.48. p. 4572.

40. Смит К., Томсон Р. Численное моделирование газовых лазеров.// М. Изд. «Мир», 1981,515с.

41. Аверьянов Н. Е., Балошин Ю. А. // Журнал технической спектроскопии. 1981. т.35. №1. с.47-53.

42. Аверьянов Н. Е., Балошин Ю. А. // Журнал технической физики. 1980. т.50. №9. с. 1929-1934.

43. Feldman B.J.//IEEE Journ. Quant. Electr. 1973. V.9. №11. P. 1070-1078.

44. Физические величины: Справочник/ Бабичев А.П., Бабушкина Н.А. и др.; под. ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З./ М.; Энергоатомиздат, 1991, с.550.

45. К выбору оптимальных форм изоляторов высоковольтных импульсных устройств с водяной изоляцией./ Ушаков В.Я., Муратов В.М. и др.// Электричество. 1980. №5. с. 167-171.

46. Горячкин Д.А., Иртуганов В.М., Калинин В.П. и др. С02- лазеры атмосферного и сверхатмосферного давления с самостоятельным разрядом.// Изв. АН СССР. Сер. Физическая, 1982, т. 46, №10, с. 1877-1885.

47. Carlson L.R. et al. Helios: a 15 TW carbon dioxide laser fusion facility. IEEE J. Quant. Electr. 1981, v.QE-17, No. 9, p. 1662-1667.

48. Yamanka Ch. Et al. IEEE J. Quant. Electr., 1981, v. QE-17, p. 1678-1688.

49. Yamagiwa Т., Endo F., Ozawa J. Effect of ribs on surface discharge in sulfur hexaftoride gas.// Gaseous Dielec. Proc. Int. Symp., Knoxville, Tenn., May 3-7, 1987. New York, 1987.Vol.5, p.560-566.

50. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1994,496 с.

51. Chang T.Y. Improved uniform-field electrode profiles to TEA laser and high voltage application // Rev. Sci. Instrum., 1973, v. 44, №4, p.405-407.

52. Ernst G.J. Uniform-field electrodes with minimum width. // Jpt. Commun., 1984, v.49, №4, p.275-277.

53. R.J.M. Bonnie at al., J.Appl.Phys. 65 (12) 1989, p.4521.

54. Wm.J. Weigele, Atomic Dfta Tables, 5,1973, p.51.

55. Ищенко В. H., Лисицын В. Н. и др. Электроразрядный С02-лазер высокого давления. // Квантовая электроника. 1975. т. 2. №7. с. 1374-1378.

56. Гордейчик А. Г., Кучинский А. А. и др. Импульсный СОг-лазер с накачкой объемным самостоятельным разрядом и предыонизацией мягким рентгеновским излучением.//Квантовая электроника. 1991. т. 18. №10. с. 1173-1175.

57. Апполонов В. В., Байцур Г. Г. И др. Письма в ЖТФ, 1985, 12, с. 1262.

58. Апполонов В. В., Байцур Г. Г. И др. Квантовая электроника, 1987,14, с. 135.I

59. Апполонов В. В., Байцур Г. Г. И др. Квантовая электроника, 1987,14, 220.

60. Иванов В.И. Курс дозиметрии. Изд. 2-е. М. Атомиздат, 1970. с. 57.