Особливості плазмової кінетики в жевріючому розряді в багатокомпонентних газових сумішах - Автореферат

Велика кількість кінетичних реакцій, що відбуваються в таких середовищах, часто зумовлює специфічний вигляд функції розподілу електронів за енергіями (ФРЕЕ), а також утворення нових речовин, відкриваючи таким чином широкі можливості для створення середовищ з унікальними, якісно новими властивостями. Моделювання плазмокінетичних процесів, що мають місце в середовищі, разом з розрахунком функції розподілу електронів і параметрів жевріючого розряду дає можливість визначити оптимальний компонентний склад і тиск робочої газової суміші, а також найбільш сприятливі умови функціонування фізичних систем. Крім того, вивчення цих взаємозвязків відкриває можливості для керування властивостями середовищ на основі багатокомпонентної плазми, створення багатофункціональних приладів, наприклад, багатохвильових джерел випромінювання. Таким чином, в дослідженнях кінетики багатокомпонентної плазми можна виділити такі актуальні напрямки: одержання середовищ з якісно новими властивостями, що можуть бути основою для створення перспективних приладів і технологій; Оптимізація параметрів сумішей і схеми збудження KRF - і ARF-лазерів дозволила істотно покращити ефективність вкладу енергії в розряд і одержати рекордні на сьогоднішній день вихідні характеристики KRF - і ARF-лазерів на гелієвих сумішах - енергії випромінювання 1 Дж при ккд ~ 2%.Так, наприклад, використання багатокомпонентних сумішей, що містять інертний і електронегативний гази, дозволило вперше одержати стаціонарне середовище з інверсним розподілом електронів за енергіями, що зумовило відємну рухливість електронів. Багатокомпонентні газові середовища знайшли широке застосування в квантовій електроніці, наприклад, в He: Ne-лазері, де неон є робочою речовиною, а гелій - донором енергії збудження; в ексимерних лазерах на галогенідах інертних газів, де випромінюючі молекули формуються в ході гарпунної реакції між збудженим атомом інертного газу і молекулою галогену. При числовому моделюванні динаміки розряду і випромінювання ексимерного лазера рівняння електричного кола розвязувались разом з рівнянням Больцмана для функції розподілу електронів в двочленному наближенні і системою кінетичних рівнянь для нейтральних, збуджених та заряджених частинок плазми і фотонів. Підвищення тиску суміші еквівалентне зменшенню "ефективного" електричного поля в розряді Е/р, що визначає вигляд функції розподілу електронів за енергіями і, відповідно, швидкості електронних процесів. Одночасне підвищення зарядної напруги і тиску суміші призводить до того, що "ефективне" електричне поле в розряді Е/р залишається практично незмінним, так же як і значення швидкісних констант процесів збудження, іонізації і ступінчатої іонізації атомів криптону, які відповідають за генерацію електронів.Досліджено вплив плазмової кінетики в активних середовищах ексимерних KRF-, ARF - і XECL-лазерів на їх вихідні характеристики, а також одержано перспективне середовище із стаціонарною інверсною ФРЕЕ в суміші азоту з електронегативними газами. Проведено числове моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерних KRF - і ARF-лазерах на основі гелієвих сумішей, що збуджуються електричною схемою типу LC-інвертор з метою покращення їх характеристик. Проведені теоретичні дослідження дозволили створити ексимерні лазери з ккд ? 2%, в той час як максимальний ккд, одержаний дотепер в суміші Не: Kr: F2, складає 1,1%, а в суміші Не: Ar: F2 - 0,44%. Досліджено залежності енергії випромінювання лазерів від повного тиску робочої суміші, співвідношення концентрацій інертного газу і галогеноносія, а також величини зарядної напруги. Цей факт дозволяє знизити потужність накачки ексимерного лазера, проте може призводити до зменшення енергії генерації за рахунок нерівномірної передіонізації активного середовища.

Основний зміст роботи

Досліджено вплив плазмової кінетики в активних середовищах ексимерних KRF-, ARF - і XECL-лазерів на їх вихідні характеристики, а також одержано перспективне середовище із стаціонарною інверсною ФРЕЕ в суміші азоту з електронегативними газами.

Серед основних результатів дисертаційної роботи головними є: 1. Проведено числове моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерних KRF - і ARF-лазерах на основі гелієвих сумішей, що збуджуються електричною схемою типу LC-інвертор з метою покращення їх характеристик. Проведені теоретичні дослідження дозволили створити ексимерні лазери з ккд ? 2%, в той час як максимальний ккд, одержаний дотепер в суміші Не: Kr: F2, складає 1,1%, а в суміші Не: Ar: F2 - 0,44%.

2. Досліджено залежності енергії випромінювання лазерів від повного тиску робочої суміші, співвідношення концентрацій інертного газу і галогеноносія, а також величини зарядної напруги. Обґрунтовано необхідність збільшення тиску робочої суміші із підвищенням зарядної напруги з метою забезпечення однорідної передіонізації середовища.

3. Розглянуто вплив буферного газу (гелію чи неону) на кінетику розряду і випромінювання ексимерних лазерів. Показано, що заміна гелію на неон супроводжується істотним зниженням потенціалу запалення розряду. Цей факт дозволяє знизити потужність накачки ексимерного лазера, проте може призводити до зменшення енергії генерації за рахунок нерівномірної передіонізації активного середовища.

4. Вперше проведено аналіз плазмової кінетики в активному середовищі ексимерного лазера в залежності від параметрів електричної схеми збудження типу LC-інвертор. Це дало можливість оптимізувати вклад енергії в розряд і збільшити енергію випромінювання лазера в 1,5-2 рази.

5. Вперше показано можливість створення конкурентноспроможного ХЕС1-лазера з використанням низькотоксичного хімічно інертного галогеноносія фреон-12 СС12F2. Порівняльний аналіз кінетики розряду і випромінювання в ексимерних ХЕС1-лазерах на сумішах Не: Хе: НС1 і Не: Хе: СС12F2 показав, що енергії випромінювання, які досягаються в цих активних середовищах, є приблизно однаковими.

6. Розраховано функції розподілу електронів за енергіями в сумішах азоту з електронегативними газами в жевріючому розряді з порожнистим катодом. Виявлено можливість формування стаціонарної ФРЕЕ з інверсією в інтервалі енергій 2-6 ЕВ і істотною часткою електронів, що відповідають інверсній ділянці.

1. А.Г. Калюжная, А.В. Рябцев, А.И. Щедрин. Особенности функции распределения электронов в тлеющем разряде с полым катодом в смесях азота с электроотрицательными газами. ЖТФ. 2003. - Т.73, вып.1. - С.42-45.

2. А.М. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.В. Рябцев, А.А. Жупиков. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного KRF-лазера на смеси He-Kr-F2. Квантовая электроника. 2004. - Т.34, №10. - С.901-906.

3. М.Г. Зубрілін, Г.Г. Калюжна, І.А. Попов, А.І. Щедрін. Порівняльні характеристики ексимерних XECL-лазеров на сумішах He/Xe/HCL і He/Xe/CCL2F2. Український фізичний журнал. 2005. - Т.50, №5. - С.922-930.

4. А.М. Ражев, А.А. Жупиков, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная. Влияние параметров системы возбуждения и активной среды на эффективность эксимерных электроразрядных лазеров. - Украинский физический журнал. 2005. - Т.50, №9. - С.922-929.

5. А.М. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.А. Жупиков. Влияние параметров возбуждения и активной среды на эффективность эксимерного электроразрядного ARF лазера. Квантовая электроника. 2005. - Т.35, №9. - С.799-804.

Цитована література.

1. Баженов В.Ю., Рябцев А.В., Солошенко И.А. и др. Исследование функций распределения электронов по энергиям в тлеющем разряде с полым катодом в азоте и кислороде // Физика плазмы. - 2001. - Т.27, № 9. - С.859-864.