Управление энергетическими и временными характеристиками излучения XECL лазеров и эксиламп (стр. 2 )

Апробация диссертации и информация об использовании ее результатов

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, съездах и симпозиумах:

5-я Международная научно-техническая конференция, 2004 г., Беларусь. International Conference on Lasers, Applications, and Technologies, LAT-2005, 2005, St. Petersburg, Russia. VII International Conf. Atomic and Molecular pulsed lasers, 2005, Tomsk, Russia. Laser and Fiber-optical Networks Modeling (LFNM’2006), 2006, Kharkov, Ukraine. 5th International Conference on Plasma Physics and Plasma Technolodgy (PPPT 5) Minsk, Belarus, 2006. VI Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии», Гродно, Беларусь, 2006. Квантовая Электроника (КЭ’2006), VI-я Международная научно-техническая конференция, 2006 г., Минск, Беларусь. International Conference on Lasers, Applications, and Technologies. ICONO/LAT 2007, 2007, Minsk, Belarus. International Conf. Atomic and Molecular pulsed lasers. AMPL-2007, 2007, Tomsk, Russia. VII Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии» (ЛФиOТ’2008), 2008, г. Минск, Беларусь. Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL’2008), 2008 Alushta, Crimea, Ukraine. II Конгресс физиков Беларуси, 2008 г., Минск, Беларусь. IX Международная конференция Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул, 2009 г., Томск, Россия. Belarus - Lithuania seminar, September 2009, Vilnus, Lithuania. Междунаpодная научная конференция «Физика импульсных pазpядов в конденсиpованных сpедах», 2009, Николаев, Украина. Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL’2010), 2010 Sevastopol, Crimea, Ukraine. Квантовая Электроника (КЭ’2010), 8-я Международная научно-техническая конференция, 2010 г., Минск, Беларусь. VIII Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии», (ЛФиOТ’2010), 2010 г., г. Минск, Беларусь. «Физика импульсных pазpядов в конденсиpованных сpедах», 2011 г., Николаев, Украина. III Конгресс физиков Беларуси, 2011 г, Минск, Беларусь. Laser and Fiber-optical Networks Modeling (LFNM’2011), 2011, Kharkov, Ukraine. International Conf. Atomic and Molecular pulsed lasers, 2011, Tomsk, Russia,. IХ Международная конференция «Лазерная физика и оптические технологии» (ЛФиOТ’2012), 2012, Гродно, Беларусь. 7th International Conference on Plasma Physics and Plasma Technolodgy (PPPT 7) 2012, Minsk, Belarus. IV Конгресс физиков Беларуси, 2013, Минск, Беларусь. XVI Международная научная конференция "Физика импульсных pазpядов в конденсиpованных сpедах", 2013 , Николаев, Украина. Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL’2013), 2013, Ukraine, Sudak. International Conf. Atomic and Molecular pulsed lasers. XI Международная конференция AMPL-2013, 2013, Russia, Tomsk. Квантовая электроника (КЭ'2013) 9-я Международная научно-техническая конференция , БГУ, 2013, Минск, Беларусь. International Conference on Lasers, Applications, and Technologies. ICONO/LAT 2013, 2013, Moscow, Russia. 7-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение 2014», 2014 г., БНТУ, Минск, Беларусь. XII Международная конференция AMPL-2015, 2015, Russia, Tomsk. 8th International Conference on Plasma Physics and Plasma Technolodgy (PPPT 8) 2015, Minsk, Belarus. Квантовая электроника (КЭ'2015) 10-я Международная научно-техническая конференция, 2015 г., БГУ, Минск, Беларусь.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих методик. Методика моделирования XeCl эксиламп емкостного разряда с коаксиальным излучателем (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.). Методика моделирования плазменных источников излучения тлеющего разряда с коаксиальным излучателем (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.). Методика компьютерного моделирования электроразрядных XeCl эксиламп на основе барьерного разряда в частотном режиме при возбуждении LC контуром (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.). Методика компьютерного моделирования генерационных параметров конкретного макета элетроразрядного XeCl лазера (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.). Методика компьютерной оптимизации параметров макета источника излучения на основе барьерного разряда по заданным параметрам системы возбуждения (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.). Методика компьютерной оптимизации параметров излучателя и общего давления среды по параметрам системы возбуждения импульсного тлеющего разряда и зарядному напряжению (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении № 03-8/251 от 20.11. 2013 г.). Установка для облучения биологических объектов излучением XeCl лазера (Гродненский госуниверситет, Акт о внедрении г.).

Опубликование результатов диссертации

Основные результаты диссертации опубликованы в 46 научных работах: 13 статей в реферируемых журналах согласно п.18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь (общим объемом 8 авторских листов), в 28 статьях в сборниках научных трудов, 3 в тезисах докладов, 2 авторских свидетельствах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения и библиографического списка.

Объем диссертации составляет 150 страниц, в том числе содержит 108 рисунков на 43 страницах, 2 таблицы, список использованных источников из 138 наименований, а также список публикаций автора, состоящий из 46 работ.

Основное содержание работы

Первый раздел носит обзорный характер. В нем кратко описаны основные этапы исследования характеристик газоразрядной плазмы эксимерных лазеров и эксиламп. Необходимым условием зажигания объемного разряда при высоком давлении является присутствие в разрядном промежутке достаточного количества электронов предыонизации. Значительную роль в формировании генерационных характеристик электроразрядных эксимерных лазеров играет система возбуждения поперечного разряда: LC - контур, LC – инвертор, накопительные линии. Наилучшие генерационные параметры получены в широкоапертурных эксимерных лазерах с низкоимпендансными накопительными линиями при использовании рельсовых разрядников. Очень мало выполнено исследований по моделированию конкретных образцов эксимерных лазеров для различных применений.

Высокая эффективность эксиламп по сравнению с эксимерными лазерами обусловлена тем, что энергия электрического поля посредством возбуждения и ионизации частиц преобразуется в оптическое излучение без существенных потерь вследствие поглощения компонентами рабочей среды. Поэтому свойства и характеристики эксиламп нуждаются в дальнейшем исследовании. Есть трудности при определении оптимальных эксплуатационных режимов эксиламп, существующие практические образцы эксиламп обладают еще малой эффективностью и требуют совершенствования параметров. Компьютерное моделирование эксиламп в ряде работ проводилось без учета процесса регенерации Cl2 и HCl, что позволяет определить эмиссионные характеристики только в моноимпульсном режиме работы, а экстраполяция результатов на частотный режим была невозможна. Здесь же приведен краткий обзор литературных источников по применению эксимерных лазеров в стоматологии.

Во втором разделе описан макет электроразрядного XeCl лазера, разработанного для абляционной обработки биологических объектов. Исследованы и оптимизированы его генерационные характеристики. Система возбуждения, представляющая собой LC контур, содержит накопительную емкость С1 и обострительную емкость С0.

Исследована зависимость энергии и длительности импульса генерации от величины обострительной емкости, состава и общего давления смеси, величины зарядного напряжения (рисунок 1).

В результате оптимизации установлено, что при накопительной емкости С1=100 нФ наибольшая величина энергии генерации 30 мДж достигается при величине обострительной емкости С0=32 нФ и зарядном напряжении 25 кВ. В оптимальной смеси с буферным газом Не (1 Торр HCl, 15 Торр Хе и 2,4 атм Не) была получена энергии импульса Е=15 мДж при длительности 10 нс (τ=5 нс по полувысоте). При использовании оптимальной смеси на основе Ne (1 Торр HCl, 15 Торр Хе и 2,8 атм Nе) энергия генерации составила Е=30 мДж при длительности 15 нс (τ=7,5 нс по полувысоте).

а – кривая 1 – 10 Торр Хе; кривая 2 – 15 Торр Хе; кривая 3 – 20 Торр Хе; (U=25 кВ; общее давление 2,8 атм.); б – U=25 кВ; (парциальное давление HCl 1 Торр, Хе 15 Торр);

в - общее давление 2,8 атм., парциальное давление HCl 1 Торр, Хе 15 Торр,

г – кривая (э) экспериментальная; кривая (т) расчетная; общее давление 2,8 атм., парциальное давление HCl 1 Торр, Хе 15 Торр, U=25 кВ

Рисунок 1. – Зависимость энергии генерации от состава смеси (а) от общего давления смеси (б), от зарядного напряжения (в) и от обострительной емкости (г)

Исследованы также временные параметры импульса генерации в зависимости от величины обострительной емкости. Показано, что длительность объемной стадии разряда не превышает 125 нс.

Приведено описание методики моделирования эклектроразрядного XeCl-лазера с системой возбуждения на основе LC - контура. Для нахождения функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) численно решалось кинетическое уравнение Больцмана в двучленном приближении с использованием известной программы «Bolsig+». Активная среда и система возбуждения моделировалась системой уравнений, которая решалась при помощи MathCad. Выполнено компьютерное моделирование макета электроразрядного XeCl-лазера с целью исследования возможности управления энергетическими и временными параметрами генерации. Установлено, что для получения соответствия между экспериментальными и расчетными данными, в теоретической модели необходимо учитывать конечную длительность объемной стадии разряда (125 нс) и зависимость контурных индуктивностей от величины обострительной емкости (рисунок 1г).

Из экспериментальных и расчетных данных следует необходимость увеличения длительности объемной стадии разряда, что приведет как к росту энергии генерации, так и КПД. Кроме того, для повышения энергии генерации и КПД необходимо использовать разрядники с меньшим сопротивлением.