Ионные лазеры на парах металлов с разрядом с полым катодом (стр. 3 )

Wi = ξi*W+ = 2pξiòW+(r)*r*dr = 2pξiNбуф(0)òòQ+(E)*f(E, r)*Ö2E/m * r*dEdr

0 R E

РПК при импульсной накачке. Установление тлеющего разряда происходит за времена порядка единиц и десятков мкс и поэтому в режиме возбуждения И. л. п. м. с РПК импульсами микросекундной длительности в течении короткого импульса тока большой амплитуды (t~порядка 0,1…5мкс при плотности тока до 1…10 А*см-2) параметры плазмы нестационарны, а именно: происходит монотонное снижение UКТП от начального, в момент пробоя, значения 2-3 кВ (в несколько раз превышающего стационарное значение, устанавливающееся через несколько десятков мкс), имеет место и начальное достаточно сильное поле ОС с напряженностью до 102В*см-1, а также - монотонный рост плотности тепловых электронов, снижение их Те. Число быстрых электронов через 1-2 мкс насыщается, поэтому при t³1мкс эффективность накачки падает.

Высокая начальная энергия первичных электронов обеспечивает повышенную длину их пробега, что позволяет использовать катоды большого диаметра (до 3…5 см).

В частотно-периодическом режиме с ростом частоты следования импульсов свыше нескольких десятков кГц за счет накопления тепловых электронов в плазме ОС растет предимпульсная проводимость разрядного промежутка, что снижает UКТП и пиковую скорость возбуждения буферного газа.

2. Энергетические и спектральные характеристики И. л. п. м. с РПК

В табл. 1 для каждого металла, на ионных переходах которого наблюдалась генерация в И. л. п. м. с РПК, приведена температура, соответствующая давлению насыщающих паров 0,1 Торр, близкому к оптимальному для большинства лазеров с поперечными типами разряда.

Для большинства веществ (Hg, Cd, Zn, I, Se, As, Tl и др.), использовался наиболее простой метод - термоиспарение (возгонка) вещества путем его нагрева. Для Сu, Ag, Аu, Al, Ni, Sn и Рb, требующих более высокой температуры, для введения атомов металла использовалось распыление в разряде поверхности катода, который изготовлялся из рабочего вещества (катодное распыление). Снизить рабочую температуру удавалось также подбором химического соединения с меньшей температурой испарения, в состав которого входят атомы данного металла и при диссоциации которого в разряде освобождаются нужные атомы.

2.1. Непрерывные и квазинепрерывные И. л. п. м. с РПК и термоиспарением

Термоиспарение как способ создания паров металла в разрядном объеме использовалось в первых лазерах с РПК и успешно применяется для веществ с рабочей температурой до 1100°С. К таким веществам относятся Hg, Cd, Zn, I, Se, As, Tl. Этот способ позволяет независимо регулировать и оптимизировать как давление паров металла, так и мощность накачки. Разрядные трубки как правило работали в режиме ”саморазогрева” током разряда за счет энергии ионов, бомбардирующих поверхность катода (иногда даже требовалось принудительное охлаждение катода). Мощность излучения на отдельных линиях превышала 10…100 мВт при удельном значении в несколько десятков милливатт с см3.

Катоды и аноды И. л. п. м. с РПК и термоиспарением, как правило, изготавливались из материалов с минимальным катодным распылением: молибдена, тантала, нержавеющей стали, кoвара, и даже - из графита-материала с максимальным UКТП.

Типы конфигурации разрядных промежутков. Все многообразие конструкций разрядных трубок распадается на два основных типа: "продольно-поперечный" и "поперечный", определяющих распределение электрического поля и траекторию движения электронов в полости катода (см., рис.1).

В разрядных трубках И. л. п. м. с РПК и термоиспарением "продольно-поперечного" типа секции полого катода и анодные секции располагались поочередно (pис.3,a), либо использовался "перфорированный катод" (трубчатый катод с отверстиями в боковой поверхности для проникновения разряда внутрь катодной полости) (рис. 3,6). Конструкция, в которой катод является внешне оболочкой разрядной трубки, а аноды расположены напротив отверстий в катоде, получила название "флейтовая" (рис.3,в). Диаметр отверстий в катоде с одной стороны, не должен быть малым с тем, чтобы при данном давлении газа полость катода не была «закрыта» для проникновения в нее разряда, т. е. между краями отверстия не должно возникать "эффекта полого катода". С другой стороны, диаметр не должен быть и слишком велик, что снижает эффект полого катода в катодной полости вблизи отверстий. Каждая секция катода и каждый анод подключались к источнику тока через отдельное балластное сопротивление. Для предотвращения горения разряда на наружную поверхность катода, она либо изолировалась керамическим покрытием, либо расстояние от нее до анода выбиралось малым и соизмеримым с шириной КТП.

Рабочий металл помещался в один или несколько нагреваемых испарителей, либо находился в виде проволоки или гранул внутри анода, реже катода. Для введения паров из испарителя в полость катода и для ”запирания” паров внутри катодной полости использовалось также явление катафореза. При этом зажигался разряд между крайними катодными секциями и дополнительными анодами в концевых участках трубки, расположенными вблизи оптических окон трубки, которые тем самым защищались от запыления металлом.

Т. к. во всех случаях у трубок продольно-ноперечного типа анод расположен у торца катодной полости, то распределения j и UКТП, а следовательно - энергия и число первичных электронов неоднородны по длине катода: максимальны вблизи анода, и снижаются по мере удаления от него, что схематически показано на рис. 1,а. Это создает оптимальные условия для возбуждения только на относительно небольшом участке трубки, и не позволяет получить максимальную мощность генерации. Другой отрицательной особенностью продольно-поперечной конструкции, что также видно из рис. 1,а,- является и наличие сильного продольного поля ЕОС в ОС, которое обеспечивает необходимый дрейф электронов на анод. Поэтому по мере продвижения вглубь катодной полости потенциал плазмы относительно катода и величина UКТП падают, что в соответствии с положительным дифференциальным сопротивлением РПК определяет снижение плотности тока эмиссии катода. Заметим, что наряду с неоднородным распределением скорости возбуждения и ионизации газа, в ОС РПК продольно-поперечного типа возникает и неоднородность в продольном распределении паров металла, вызванная катафорезом в поле ЕОС.

Разрядные трубки И. л. п. м. с РПК "поперечного" (см., рис.1,б и 3,г) типа являются свободными от неоднородности разряда и имеют протяженный вдоль оптической оси трубки (сплошной или секционированный) анод, расположенный вдоль катодной полости. Полость может быть либо цилиндрической с продольной щелью для проникновения в нее разряда, либо в виде продольного паза в катодном блоке. Важнейшие параметры разряда-плотность тока j с поверхности катода (характеризующая плотность потока эмитируемых электронов) и величина UКТП, характеризующая начальную энергию первичных электронов в ОС, однородны по длине.

В трубке, показанной на рис.3,г, цилиндрическая катодная полость в массивном (для лучшего охлаждения и большего энерговклада) металлическом блоке через продольную щель сообщалась со второй "анодной" полостью, в которой располагался секционированный анод, чем исключается горение на наружную поверхность катода в принципе. Зазор между анодными секциями заполнялся керамикой, что обеспечивало продольную однородность разрядного промежутка. Число секций анода n при данном разрядном токе трубки I и при значении предельного тока imax (при котором еще отсутствует дугообразование), будет n³J/imax. Для исключения паразитного разряда, все зазоры между нерабочими поверхностями катодного блока и системой анодов делались меньшими толщины КТП. Стеклянные штенгели с ”анодными” вводами в трубку использовались еще и как резервуары-испарители для металла, пары которого попадали в катодную полость, и удерживались внутри катодного блока за счет катафореза с помощью капиллярных запирающих секций и дополнительных анодов в концевых участках трубки. Трубка находилась в режиме "саморазогрева", а балластные резисторы анодных секций являлись еще и нагревателями испарителей. Давление паров при этом оказывается пропорциональным току секции, что при возрастании импеданса РПК с увеличением давления паров обеспечивает дополнительную пассивную стабилизацию этого давления на уровне, заданном величиной резистора и током секции, а также - пассивную стабилизацию тока разряда. Схема регулирования давления паров использует в качестве обратной связи зависимость напряжения от давления паров и осуществляется по отклонению напряжения от оптимума.

Сравнение мощностей излучения разрядных трубок продольно-поперечной и поперечной конструкции показывает, что для большинства лазерных линий, которые имеют близкое к линейному нарастание мощности с ростом тока (от порога до насыщения), при оптимальном токе разряда, мощность в "поперечной" конструкции выше примерно в 1,8 раза. Это объясняется аксиальной неравномерностью плотности тока и UКТП: а именно, для "глубинных" участков катода плотность тока ниже оптимальной, а для ближайших к аноду - выше оптимальной. Играет также роль неравномерность аксиального распределения и плотности паров. Более высоким (в 1,3-1,5 раза для разных линий) оказывается и к. п.д.

Помимо ”запирания” паров в трубке катафорезом, для He-Cd И. л. п. м. с РПК осуществлялась циркуляция кадмия в режиме тепловой трубы. Кадмий конденсировался на концах разрядной трубки (подобной рис.3,б), где температура превышала 320°С (точка плавления кадмия), и возвращался в жидкой фазе по мелкой металлической сетке к середине катода за счет капиллярных сил.

л. п. м. с РПК в непрерывном и квазинепрерывном режимах. Квазинепрерывный режим при малой (50-100Гц) частоте следования миллисекундных импульсов в И. л. п. м. с РПК использовался с целью оптимизации мощности накачки и достижения максимальной мощности генерации. Амплитуда импульса тока при этом могла быть сделана большей, чем в непрерывном режиме, а условия возбуждения переходов в течении импульса соответствовали непрерывному режиму. Однако в таких экспериментах даже при максимальных плотностях тока (до 300 мА/см2) лишь для немногих переходов удалось достичь тока насыщения, мощность же излучения остальных продолжала возрастать при увеличении тока.