СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В HF/DF ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ ХИМИЧЕСКОМ ЛАЗЕРЕ
METHOD TO STABILISE VOLUME CHARGE IN HF/DF PULSE-PERIODIC CHEMICAL LASER

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HF/DF импульсно-периодических химических лазеров (HF/DF-ИПХЛ).
2
2
2
В HF/DF-ИПХЛ активная среда создается путем инициирования реакции F+H(D) в заранее перемешанной газовой среде, содержащей указанные активные компоненты, внешним источником. Наиболее эффективным для инициирования импульсных газовых лазеров является использование импульсного высоковольтного объемного электроразряда. При подаче импульсного напряжения на электроды в активной среде возникает объемный разряд, который инициирует химическую реакцию, являющуюся источником возникновения колебательно-возбужденных излучающих молекул, генерирующих импульс лазерного излучения. Стабильность лазерных характеристик зависит от однородности электрического разряда в активной среде лазера. Для формирования однородного объемного разряда необходимо применение высокоинтенсивной предионизации разрядного промежутка, соблюдение жестких требований к профилю электродов и точности их плоскопараллельной установки. Одной из причин, приводящих к нарушению однородности разряда, формируемого между металлическими электродами, является появление катодных пятен, представляющих собой очаги неустойчивости.
Известен способ стабилизации разряда, посредством одно- или двумерной системой иглообразующих электродов, каждый из которых замкнут на дугогасительную нагрузку - сопротивление или индуктивность, где разряд в мощном нецепном лазере стабилизируется опозитной системой многолезвийных электродов, в которой локальная неустойчивость подавляется индивидуальной индуктивностью, подключенной к каждой пластине (Аксенов Ю.Н., Борисов В.П., Бурцев В.В. и др. «Импульсно-периодический DF-лазер с мощностью генерации 400 Вт», ж. «Квантовая электроника», т.31, №4, 2001, с.290-292). К недостаткам таких систем стабилизации следует отнести неоднородность разряда, имеющая масштаб шага между пластинами, стриммер-эффекты, возникающие на остриях, что приводит к неоднородности инициирования и плотности излучения в ближней зоне, а также к усложнению схемы разрядного контура. Для создания условий быстрой дислокации волновых возмущений нужно, чтобы стенки газового тракта, включающего разрядную камеру с активным объемом, представляли собой гладкостенный канал.
0
r
Для стабилизации объемного разряда при инициировании плазмохимических реакций могут быть использованы полупроводниковые керамические барьеры, покрывающие металлические электроды разрядной камеры. Выбор удельной емкости барьеров  определяет величину удельного энерговклада в разряд и тем самым влияет на генерационные характеристики газового лазера (ε - электрическая постоянная, ε - относительная диэлектрическая проницаемость, d - толщина барьеров).
2
Известен способ стабилизации объемного разряда, который осуществляется посредством применения барьеров, соединенных с металлическим электродом, обладающим емкостным сопротивлением (Спичкин Г.Л. «Импульсный высоковольтный объемный разряд в элегазе», ж. «Журнал Технической Физики», изд-во “Наука”, т.56, №10, 1986, с.1923-1932). В барьерах, изготовленных из титаната бария, стабилизация разряда происходит следующим образом: в области локального роста плотности тока разряда растет емкостной ток смещения на барьере и емкостное падение напряжения, в результате этого падает локальная напряженность электрического поля в активной среде и разряд стабилизируется. Недостатками способа стабилизации объемного разряда посредством барьеров, имеющих емкостную проводимость, являются: ограничения предельной плотности тока объемной фазы разряда Ip≤0,1-1,0 кА/см до появления искровой фазы, контрагирования разряда; появления вторичных неустойчивостей, связанных с саморазрядом барьерных электродов, имеющих емкостное сопротивление. Все это определяет низкие удельные характеристики лазеров.
Задачей настоящего изобретения является повышение удельных характеристик, энергии излучения HF/DF-ИПХЛ путем эффективного разрядного инициирования.
2
Сущность изобретения заключается в том, что способ стабилизации объемного разряда в HF/DF импульсно-периодическом химическом лазере включает подачу импульсного напряжения, при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/смна барьерные электроды, связанные с металлическими электродами, причем барьерные электроды обладают полупроводниковыми свойствами, сочетающими емкостное и активное сопротивления, где активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного, равным 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода, равной 1800-2200.
2
3
-7
2
2
j
0
j
Для решения поставленной задачи был разработан материал барьеров, обладающий полупроводниковыми свойствами, сочетающими в себе емкостное и активное сопротивления и одновременно удовлетворяющими условиям стабилизации разряда при высокой плотности тока и стойкости материала в агрессивной среде лазера. Указанное сочетание свойств материала барьеров было достигнуто путем легирования титаната бария рядом редкоземельных металлов. В ходе проведения технологических и экспериментальных работ было установлено, что добавка 0,3 ат.% ниобия к титанату бария обеспечивает плотность тока в объемную фазу разряда в лазерную смесь до 1 кА/см, что эквивалентно удельному энерговкладу в объемную фазу разряда до 200 Дж/см. Подбор материала барьерных электродов, сочетающих в себе активное и емкостное сопротивление, производился с учетом выполнения условия: t≤ε, t=ε·ε·ρ - время саморазряда барьеров; ε - диэлектрическая проницаемость материала барьеров; ρ - объемное сопротивление материала барьеров; τ характеризует время развития неустойчивости в разряде ~10 с. Выполнение этого условия обеспечивает быстрое прекращение разряда и препятствует появлению вторичных неустойчивостей. В качестве материала барьеров использовался титанат бария с легирующей добавкой ниобия, обладающий относительной диэлектрической проницаемостью ~2000. Такой материал имеет объемное сопротивление ~50 Ом/см. Были разработаны и изготовлены барьерные электроды из титаната бария с добавкой ниобия с размерами активной поверхности 4,5×10 см, а также конструкция сборных панелей, состоящих из ряда соединенных электродов с активной площадью поверхности 4,5×37 см. Сборные панельные конструкции встраивались, как элементы, в корпус разрядной камеры.
2
2
6
2
2
2
2
2
Способ стабилизации объемного разряда в HF/DF-ИПХЛ осуществляется в разрядной камере следующим образом. В герметичную разрядную камеру, представленную на чертеже, включающую диэлектрический корпус 1, панели с полупроводниковыми барьерами 2 и окна для вывода излучения 3, подается непрерывный поток газовой смеси F/O/SF/H(D) определенного состава и давления. Одновременно посредством высоковольтного зарядного устройства 4 производится зарядка накопительных конденсаторов генератора импульсного напряжения 5. После перемешивания компонентов фторводородной (дейтериевой) смеси с помощью специальных смесительных устройств в потоке подается команда на коммутацию генератора импульсного напряжения. Импульс напряжения подается на металлические электроды - основной 6 и промежуточный 7 и полупроводниковые барьерные электроды 2 разрядной камеры. В активной среде возникает объемный разряд с высокой степенью однородности, который инициирует реакцию F+H(D) и генерацию импульса лазерного излучения, который выводится через флюоритовые окна 3. Процесс подачи напряжения, возникновения объемного разряда и генерации лазерного излучения производится с заданной частотой.
2
3
3
m
m
В результате экспериментальных исследований, проведенных на образце HF/DF-ИПХЛ, имеющих составные панельные барьерные электроды и большой разрядный промежуток, установлено, что емкостно-резистивный механизм стабилизации объемной фазы разряда приводит к повышению средней плотности тока разряда до 1 кА/см, т.е. примерно в десять раз по сравнению с лазерной установкой, имеющей емкостной механизм стабилизации, что обеспечивает рост удельных характеристик от ~4 Дж/см(η~4%) до ~40 Дж/см (η до 78% в зависимости от энерговклада в разряд). Данный механизм стабилизации разряда позволяет повысить предельное давление рабочей смеси до появления контрагирования ~в 1,5 раза.
Успешная апробация данного способа стабилизации объемного разряда позволяет создать конструкцию разрядных камер с большим активным объемом для HF/DF-ИПХЛ большой мощности.