Управление энергетическими и временными характеристиками излучения XECL лазеров и эксиламп (стр. 4 )

6. При больших величинах накопительной емкости мощность излучения при увеличении частоты возбуждающих импульсов выходит на некоторый постоянный уровень (рисунок 6 б).

1 –Cl2 1 Торр, 9 Торр Xe; 2 –Cl2 2 Торр, 8 Торр Xe; 3 –Cl2 3 Торр, 7 Торр Xe;

а – Накопительная емкость С1=0,2 нФ, площадь сечения разряда S=2 см2;

б – Накопительная емкость С1=5 нФ, площадь сечения разряда S=0,25 см2

Рисунок 6. – Зависимость мощности излучения от частоты повторения импульсов

В пятом разделе приведены результаты экспериментального исследования по обработке зубной ткани излучением XeCl-лазера с длительностью импульса 7,5 и 10 нс. Установлено, что при длительности импульса генерации (по полувысоте) 7,5 нс порог абляции эмали зуба составляет ~ 0,3 Дж/cм2 (40 МВт/см2) и при плотности энергии 0,15 Дж/cм2 (20 МВт/см2) происходит эффективное удаление только зубного камня и абляция зубной эмали не происходит (рисунок 7).

Рисунок 7. – Зависимость глубины кратера в зубной эмали (1) и зубном камне (2) от плотности энергии (а) и от плотности мощности (б) при длительности импульса 7,5 нс

Показано, что при длительности импульса генерации (по полувысоте) 10 нс порог абляции эмали зуба составляет ~ 0,4 Дж/cм2 (40 МВт/см2) и при плотности энергии 0,2 Дж/cм2 (20 МВт/см2) происходит эффективное удаление зубного камня, но порог абляция эмали зуба не достигается (рисунок 8).

Рисунок 8. – Зависимость глубины кратера в зубной эмали (1) и зубном камне (2) от плотности энергии (а) и от плотности мощности (б) при длительности импульса 7,5 нс

Заключение

Основные научные результаты диссертации

1.  Разработана методика моделирования и программа для расчета энергетических и временных характеристик электроразрядных XeCl лазеров и эксиламп с системой возбуждения на основе LC-контура. Методика отличается тем, что скоростные коэффициенты реакций с участием электронов определяются при помощи программы Bolsig+ для различных параметров разряда, а программа для расчета написана в MathCad. Новизна заключается в том, что учтен процесс регенерации молекул галогеноносителя в промежутке между импульсами возбуждения, что позволяет моделировать частотный режим работы [5–6; 8–10; 12–19; 21- 24; 27–30; 33; 38; 42;43; 45; 46].

2.  Создан макет электроразрядного XeCl лазера для абляционной обработки биологических объектов. Установлены оптимальные парциальные давления рабочей смеси (Nе - 2,8 атм, HCl - 1 Торр, Хе - 15 Торр), при которых получена энергия генерации 30 мДж при длительности импульса по полувысоте 7,5 нс. Исследованы и оптимизированы генерационные характеристики эксимерного лазера [1-4; 8].

3.  Разработана конструкция XeCl эксилампы емкостного разряда и определен оптимальный состав активной среды: HCl:Xe:He=2,5:20:77,5 (общее давление 100 Торр), обеспечивающие среднюю мощность излучения эксилампы ~ 0,6 Вт, при светимости 30 мВт/cм2. При этом с 1 см3 активной среды съем мощности излучения составил 74 мВт, что в 2 раза превосходит удельную мощность излучения эксиламп тлеющего разряда низкого давления (30-35 мВт/см3).

Создана XeCl эксилампа тлеющего разряда и определен оптимальный состав активной среды (2.5 Торр НС1, 25 Торр ксенона, 72,5 Торр неона), позволившие достичь средней мощности излучения ~1,25 Вт при эффективности ~ 6 %. Светимость эксилампы составляла 80 мВт/cм2, при этом с 1 см3 активной среды снималась мощность излучения ~ 300 мВт, что на порядок превосходит удельную мощность излучения известных эксиламп тлеющего разряда низкого давления.

Разработана конструкция XeCl эксилампы барьерного разряда средней мощности излучения ~ 2,5 Вт (при частоте повторения импульсов F=50 Гц). Светимость эксилампы составила 20 мВт/cм2, энергосъем ~ 25 мВт/см3 при эффективности 12 %.

Разработаны конструкции, созданы и оптимизированы параметры эксиламп емкостного, тлеющего и барьерного разряда [7; 11; 13; 20; 26; 32; 35; 37].

4.  Выполнено компьютерное моделирование эмиссионных характеристик XeCl эксиламп тлеющего разряда для бинарных смесей молекул Cl2 и атомов Хе и общем давлении 10 Торр. Для смеси Cl2:Xe=0,5:9,5 при малых значениях накопительной емкости (0,2-0,5 нФ) и площади поперечного сечения разряда S>2,5 см2 эффективность эксиламп может достигать 20 %, при энергии в импульсе ~ 0,02 Дж. Применение смесей обедненных донором галогена ведет к росту КПД при сравнительно небольшой энергии импульса, а использование смесей с большим содержанием доноров галогена увеличивает энергию отдельного импульса, но снижает КПД [5–7; 9; 10; 12].

5.  Разработана методика расчета оптимальной частоты следования импульсов излучения XeCl эксиламп, обеспечивающей максимум выходной мощности излучения [5–7; 9; 10; 12].

6.  Определены пороговые плотности мощности и энергии излучения XeCl лазера, обеспечивающие эффективную абляцию зубного камня и эмали зуба человека при различной длительности импульса. Установлено, что при длительности импульса генерации (по полувысоте) 7,5 нс порог абляции эмали зуба составляет ~ 0,3 Дж/cм2 (40 МВт/см2) и при плотности энергии 0,15 Дж/cм2 (20 МВт/см2) происходит эффективное удаление только зубного камня и абляция зубной эмали не происходит. Показано, что при длительности импульса генерации (по полувысоте) 10 нс порог абляции эмали зуба составляет ~ 0,4 Дж/cм2 (40 МВт/см2) и при плотности энергии 0,2 Дж/cм2 (20 МВт/см2) происходит эффективное удаление зубного камня, но порог абляции эмали зуба не достигается [8; 13; 31; 33; 36; 39-41; 44].

Рекомендации по практическому использованию результатов

Разработанная методика моделирования может быть применена для оптимизации эмиссионных характеристик конкретных образцов XeCl лазеров и эксиламп.

Методика моделирования может быть использована для прогнозирования мощности излучения и КПД в зависимости от параметров системы возбуждения и состава активной среды.

Практическая значимость исследований по эксилампам заключается в создании экспериментальных образцов компактных XeCl эксиламп тлеющего разряда и эффективных эксиламп барьерного разряда. Практическая значимость разработанного макета электроразрядного XeCl лазера состоит в применении его для медико-биологических исследований в частности в стоматологии и установления порогов абляции зубной ткани.

Список публикаций соискателя

Статьи в реферируемых журналах

1.  Ануфрик,  характеристики XeCl-лазера с возбуждением LC-инвертором / , , К. Ф. Зноско // ЖПС. –1999. –Т. 66, № 5. – С. 702–707.

2.  Anufrik, S. S. Investigation of energy and temporal characteristics of XeCl-laser generation / S. S. Anufrik, A. P. Volodenkov and K. F. Znosko // Lithuanian Physics Journal. – 1999. – V. 39, № 4–5. – Р. 374–380.

3.  Ануфрик,  системы предыонизации на энергию генерации XeCl-лазера / , , // Оптический журнал. – 2000. – Т. 67, № 11. – С. 38–45.

4.  Anufrik, S. S. The XeCl laser with the adjustable shape and duration of generation pulse / S. S. Anufrik, A. P. Volodenkov, K. F. Znosko // Вестник Харьковского национального университета имени . Сер. Радиофизика и электроника. – 2011. – № 000, вып. 19. – С. 3–10.

5.  Anufrik, S. S. Modeling of the active medium based on XeCl molecules with allowance for the halogencarrier regeneration process / S. S. Anufrik, A. P. Volodenkov, K. F. Znosko //Russian Physics Journal. – 2012. – V. 54, № 11. – Р. 1264–1271.

6.  Ануфрик, моделирование эмиссионных характеристик XeCl эксиламп на бинарных смесях / , А. П. Володенков, // Веснік Гродзенскага дзяржаўнага ўніверсітэта ім. Янкі Купалы. Сер. 2, Математика. Физика. Информатика. – 2012. – № 3.- C. 98–106.

7.  Ануфрик, эмиссионных характеристик XeCl-эксилампы барьерного разряда / , , // Электроника Инфо. – 2014. – № 1. – С. 53–56.

8.  Ануфрик, генерационных характеристик макета XеCl-лазер для абляционной обработки зубной ткани / , А. П. Володенков, // Известия НАН РБ. Сер. физ.-мат. наук. – 2014. – № 3. – С. 107–112.

9.  Anufrik, S. Modeling of emission characteristics of XeCl excilamps in pulse-periodic mode of work / S. Anufrik, A. Volodenkov, K. Znosko // High temperature material processes. – 2014. –V. 18, № 3. – Р. 181–196.

10.  Anufrik, S. Simulation of parameters of excilamps excited by capacitance discharge / S. Anufrik, A. Volodenkov, K. Znosko // High temperature material processes. – 2014. – V. 18, № 3. – Р. 165–180.

11.  Ануфрик, С. С. XeCl-эксилампы барьерного и емкостного разряда / С. С. Ануфрик, , // Веснік Гродзенскага дзяржаўнага ўніверсітэта імя Янкі Купалы. Сер. 2, Математика. Физика. Информатика. – 2015. – № 1. – С. 113–123.

12.  Ануфрик, моделирования XeCl-эксилампы тлеющего разряда / , , // Электроника Инфо. –2015. – № 10. – С. 55–58.

13.  Ануфрик, абляционного воздействия УФ лазерного излучения различной длительности на зубные ткани / С. С.  Ануфрик, А. П. Володенков, // Электроника Инфо. – 2015. – № 10 . – С. 59–63.