СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗЫСКРОВОГО РАЗРЯДА В ПЛОТНЫХ ГАЗАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК H01J33/02 H01S3/977 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в физической электронике, квантовой электронике, спектроскопии, плазмохимии, диагностических измерениях.

Известны способы получения безыскрового разряда в плотных газах, заключающиеся в том, что между первым электродом и вторым электродом, которые образуют основной разрядный промежуток, осуществляют предыонизацию газа, затем зажигают основной разряд между первым электродом и вторым электродом, при этом предыонизацию газа осуществляют фотонами, электронами или другими частицами высокой энергии.

Известен способ получения безыскрового разряда в плотных газах (Жуликов А.А., Ражев А.М. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0.5 Дж на основе буферного газа Не. - Квантовая электроника. 1997. Т.24. №8. С.683-687), заключающийся в том, что между первым электродом и вторым электродом, которые образуют основной разрядный промежуток, осуществляют предыонизацию газа, затем зажигают основной разряд между первым электродом и вторым электродом, при этом для предыонизации используют фотоны от вспомогательных разрядов, которые формируют одновременно в виде искр между стержневыми электродами путем подачи на стержневые электроды высоковольтного импульса. Стержневые электроды размещают в один ряд на каждой из двух отдельных, вытянутых вдоль основного разряда диэлектрических пластинах, которые помещают с двух сторон сбоку и вблизи от основного разрядного промежутка в единой газонаполненной камере с основным разрядным промежутком. Основной разряд между первым электродом и вторым электродом зажигают путем подачи на первый электрод и второй электрод второго высоковольтного импульса с определенной экспериментально оптимальной временной задержкой относительно вспомогательных разрядов.

Недостатки способа. Недостаточно высокая устойчивость основного разряда к искрообразованию, из-за малой эффективности предыонизации газа от искровых разрядов. Это ограничивает энерговклады в основной разряд и сказывается, например в лазерах, на выходных параметрах лазерного излучения. Срок службы лазеров, возбуждаемых с помощью этого способа, ограничивается разрушением (обгоранием) электродов искровых промежутков. Кроме того, продукты обгорания искровых электродов загрязняют газ, что требует смены газа в основном разрядном промежутке.

Известно устройство (Жуликов А.А., Ражев А.М. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0.5 Дж на основе буферного газа Не. - Квантовая электроника. 1997. Т.24. №8. С.683-687), реализующее данный способ для эксимерных лазеров, содержащее первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, источник для предварительной ионизации газа в основном разрядном промежутке и импульсный высоковольтный источник питания, при этом источник для предварительной ионизации газа в основном разрядном промежутке выполняют в виде искровых промежутков. Искровые промежутки выполняют стержневыми электродами, которые размещают в один ряд на каждой из двух отдельных, вытянутых вдоль основного разряда диэлектрических пластинах (в данном устройстве - по 45 шт. на каждой из пластин). Диэлектрические пластины размещают с двух сторон сбоку и вблизи от основного разрядного промежутка в единой газонаполненной камере с основным разрядным промежутком. Искровые промежутки включают между собой параллельно и последовательно с основным разрядным промежутком со стороны первого электрода. Параллельно с основным разрядным промежутком дополнительно подсоединяют блок обостряющих емкостей. Импульсный высоковольтный источник питания подключают минусом к стержневым электродам, не подключенным к первому электроду разрядного промежутка, а плюсом ко второму электроду основного разрядного промежутка. Схема электрического питания обеспечивает зажигание основного разряда относительно разрядов для предыонизации газа в основном разрядном промежутке с оптимальной задержкой (в данном устройстве - 170 нс).

Подобные устройства широко используются для технологических эксимерных лазеров, необходимая высокая частота следования импульсов которых достигается высокой скоростью прокачки газа, до нескольких десятков м/с, поперек основного разрядного промежутка и требует уменьшения ширины основного разряда вдоль прокачки газа до величины ˜1 мм.

Недостатки таких устройств. Недостаточно высокая устойчивость основного разряда к искрообразованию, из-за малой эффективности предыонизации газа от искровых разрядов, вследствие удаленности их расположения относительно основного разрядного промежутка. Из-за этого эффективность предыонизации дополнительно падает с увеличением ширины основного разряда, что не позволяет возбуждать лазеры с большим объемом. Неустойчивость основного разряда особенно проявляется при высокой частоте следования импульсов. Срок службы лазеров с этим устройством ограничивается разрушением (обгоранием) электродов искровых промежутков. Кроме того, продукты обгорания искровых электродов загрязняют газ, что требует дополнительного увеличения скорости прокачки газа.

Известно устройство (Андраманов А.В., Кабаев С.А., Лажинцев Б.В. и др. Компактный XeF - лазер с частотой следования импульсов 4 кГц и многосекционным разрядным промежутком. - Квантовая электроника. 2005. Т.35. №4. С.311-315) для эксимерного лазера с искровой предыонизацией для получения безыскрового разряда в плотных газах, в котором дополнительно для повышения устойчивости основного разряда прибегают к продольному (вдоль оптической оси лазера) попарному секционированию первого электрода и второго электрода основного разрядного промежутка (в данном устройстве - 25 секций с шагом 10 мм) с емкостно-индуктивной развязкой между секциями, что еще больше усложняет устройство.

Устойчивость основного разряда с таким устройством повышается, но остается недостаточно высокой, из-за малой эффективности предыонизации газа от искровых разрядов, вследствие удаленности их расположения относительно основного разрядного промежутка. Срок службы лазеров с этим устройством также ограничивается разрушением (обгоранием) электродов искровых промежутков, а продукты обгорания искровых электродов загрязняют газ, что требует дополнительного увеличения скорости прокачки.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому способу является способ получения безыскрового разряда в плотных газах (Бычков Ю.И., Коновалов И.Н., Тарасенко В.Ф. Лазер на смеси Ar-Xe-NF₃ с разрядом стабилизированным короткоимпульсным пучком электронов. - Квантовая электроника. 1979. Т.6. №5. С.1004-1009), заключающийся в том, что между первым электродом и вторым электродом, которые образуют основной разрядный промежуток, осуществляют предыонизацию газа и зажигают основной разряд между первым электродом и вторым электродом путем подачи высоковольтного импульса минусом на первый электрод и плюсом на второй электрод, при этом для предыонизации газа используют релятивистский электронный пучок (сотни кэВ), который формируют в отдельной вакуумной камере с помощью стандартной ускорительной техники и направляют в основной разрядный промежуток в газонаполненной камере через фольгу, служащую также первым электродом для основного разряда. Основной разряд зажигают путем подачи на первый электрод и второй электрод высоковольтного импульса одновременно с током пучка электронов.

Известно устройство (Бычков Ю.И., Коновалов И.Н., Тарасенко В.Ф. Лазер на смеси Ar-Xe-NF₃ с разрядом, стабилизированным короткоимпульсным пучком электронов. - Квантовая электроника. 1979. Т.6. №5. С.1004-1009), реализующее данный способ для эксимерных лазеров, содержащее первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, источник для предварительной ионизации газа в основном разрядном промежутке и импульсный высоковольтный источник питания, при этом источник для предварительной ионизации газа в основном разрядном промежутке выполнен в виде обычного ускорителя электронов в отдельной вакуумной камере. Вакуумная камера соединяется через фольгу (в данном устройстве - толщиной 25 мкм) с газонаполненной камерой основного разрядного промежутка. Фольга служит для проникновения электронного пучка в основной разрядный промежуток и как первый электрод для основного разряда. Импульсный высоковольтный источник питания подключают минусом к первому электроду и плюсом ко второму электроду основного разрядного промежутка. В ускорителе электронов используют многоострийный катод, работающий на автоэлектронной и взрывной эмиссии электронов.

Недостатки этого способа получения безыскрового разряда в плотных газах и устройства для его осуществления состоят в следующем. Требуется система откачки газа в вакуумной камере ускорителя электронов, обеспечивающая высокий вакуум в ней. Высокая энергия электронов пучка, которая необходима для прохождения электронов через фольгу с малыми энергетическими потерями, требует привлечения сложной техники генераторов импульсных напряжений в сотни кВ и защиты обслуживающего персонала от сопутствующего рентгеновского излучения. При меньших энергиях электронов (<100 кэВ) она поглотится фольгой, что приведет к ее разрушению. Малый коэффициент использования энергии электронов для ионизации газа, из-за слабого взаимодействия электронов высокой энергии с газом, что требует повышения плотности электронов пучка для обеспечения необходимой степени предыонизации газа. Острия катода ускорителя электронов обгорают, и срок службы ускорителя сокращается. Кроме того, продукты распыления катода ускорителя электронов нарушают вакуум, и продукты распыления необходимо удалять из вакуумной камеры ускорителя за время между импульсами, что ограничивает частоту следования импульсов ускорителя. Случайно возникшая искра в основном разрядном промежутке может разрушить фольгу, что приведет к выходу ускорителя электронов из строя, из-за возникновения сильноточного дугового разряда в разгерметизированной вакуумной камере ускорителя с большим разрушением электродов ускорителя. Устройство в целом получается достаточно сложным, громоздким и неспособным работать с высокой частотой следования импульсов. Из-за перечисленных недостатков способ и устройство для его осуществления не нашли широкого применения и используются в уникальных устройствах лазеров с большим объемом возбуждения.

Техническим результатом изобретений является повышение устойчивости основного разряда за счет более эффективной предыонизации газа в основном разрядном промежутке от источника предыонизации, расположенном в самом объеме основного разряда, при этом не требуется какая-либо система откачки газа (отсутствует вакуумная камера), не требуется привлечение сложной техники генераторов импульсных напряжений в сотни кВ и защита обслуживающего персонала от сопутствующего рентгеновского излучения (используется низковольтный пучок электронов), система слаботочной предыонизации, используемая в изобретении, не вносит дополнительных загрязнений в газ. Достигнутая устойчивость основного разряда позволила в гораздо более простых, по сравнению с существующими, устройствах увеличить удельные энерговклад и мощность в основной разряд на порядок. Срок службы устройства выше, чем в известных устройствах, в том числе в наиболее широко используемых устройствах с искровой предыонизацией, из-за отсутствия в источниках предыонизации газа процессов, приводящих к разрушению электродов в них.

Технический результат в предлагаемом способе получения безыскрового разряда в плотных газах достигается тем, что между первым электродом и вторым электродом, которые образуют основной разрядный промежуток, осуществляют предыонизацию газа и зажигают основной разряд между первым электродом и вторым электродом, путем подачи высоковольтного импульса минусом на первый электрод и плюсом на второй электрод, при этом предыонизацию газа осуществляют с помощью пучка низкоэнергичных электронов, фотонов и электронов плазмы, которые получают непосредственно в самом объеме основного разряда, причем пучок низкоэнергичных электронов, фотоны и электроны плазмы создают с помощью барьерного открытого разряда, подавая высоковольтный импульс между первым электродом, выполненным в виде сетки, который располагают на поверхности диэлектрика, и дополнительным электродом, который располагают на противоположной стороне диэлектрика, а основной разряд зажигают не раньше зажигания барьерного открытого разряда, причем барьерный открытый разряд и основной разряд зажигают в единой газонаполненной камере.

Устойчивость основного разряда повышается с ростом напряжения горения барьерного открытого разряда.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащем первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, причем первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к сетчатому первому электроду и плюсом ко второму электроду и служит для зажигания основного разряда, дополнительный импульсный высоковольтный источник питания для барьерного открытого разряда подсоединен плюсом к сетчатому первому электроду, а минусом к дополнительному электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащем первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, причем первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к дополнительному электроду, а плюсом ко второму электроду, дополнительно к нему подсоединены два последовательно соединенные конденсатора или блок последовательно соединенных конденсаторов, равномерно распределенных вдоль основного разрядного промежутка, среднюю общую точку которых подсоединяют к сетчатому первому электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в устройстве для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащем первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, причем первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к сетчатому первому электроду и плюсом ко второму электроду и дополнительному электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.

Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства с планарным расположением электродов для барьерного открытого разряда и основного разряда с отдельными импульсными высоковольтными источниками питания для них. На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда и схема измерений параметров барьерного открытого разряда и основного разряда с отдельными импульсными высоковольтными источниками питания барьерного открытого разряда и основного разряда. На фиг.3 приведены примеры осциллограмм напряжения и тока основного разряда в смеси He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=2.5 атм для устройства, представленного на фиг.2. На фиг.4 изображен вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда, запитываемого импульсом напряжения с измененной полярностью от общего с основным разрядом импульсного высоковольтного источника питания, и схема измерений параметров обоих разрядов. На фиг.3 приведены примеры осциллограмм напряжений и токов барьерного открытого разряда и основного разряда в смеси He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=3 атм для устройства, представленного на фиг.4.

На чертежах показаны: 1 - сетчатый первый электрод; 2 - второй электрод; 3 - основной разрядный промежуток (область основного разряда); 4 - диэлектрик; 5 - дополнительный электрод; 6 - стрелками отмечено направление распространения электронов пучка; 7 и 8 - импульсные высоковольтные источники питания. Они служат для зажигания барьерного открытого разряда и основного разряда; 9 - часть устройства в увеличенном масштабе; 10 - знаками плюс условно изображен положительный объемный заряд в области катодного падения потенциала; А - размер отверстий в сетчатом первом электроде; R₁, R₂ - резистивный делитель напряжения для измерений импульса напряжения основного разряда; R₃ - сопротивление для измерений импульса тока основного разряда; R₄, R₅ - резистивный делитель напряжения для измерений импульса напряжения барьерного открытого разряда; R₆ - сопротивление для измерений импульса тока барьерного открытого разряда; 11, 12 - осциллограммы импульсов напряжения и тока для основного разряда; τ - промежуток времени (соответствующая часть осциллограммы импульса тока для основного разряда заштрихована) эффективного энерговклада в основной разряд; U_MD, I_MD - напряжение и ток для основного разряда; 13 - импульсный высоковольтный источник питания. Он служит для зажигания барьерного открытого разряда и основного разряда; R₇, R₈ - резистивный делитель напряжения для измерений единого импульса напряжения барьерного открытого разряда и основного разряда; U_MD, _BD - единое напряжение для барьерного открытого разряда и основного разряда; I_BD - ток для барьерного открытого разряда; 14 - единая осциллограмма импульса напряжения для барьерного открытого разряда и основного разряда; 15 - осциллограмма импульса тока для барьерного открытого разряда.

Рассмотрим качественно, путем оценок, физику процессов, относящихся к предлагаемому изобретению.

Сущность предлагаемого способа получения безыскрового разряда в плотных газах рассмотрим на примере работы предложенного устройства для осуществления этого способа и изображенного на фиг.1, обращая внимание на возможные применения разряда, в первую очередь, для эксимерных лазеров с высокой частотой следования импульсов.

В основе способа лежит более эффективная предыонизация газа в основном разрядном промежутке, которая обеспечивается пучком низкоэнергичных электронов, фотонами и электронами плазмы, получаемых непосредственно в объеме основного разряда у катода. Источником такой предыонизации может служить барьерный открытый разряд, который и используется в предлагаемых устройствах, реализующих данный способ.

До десятков Торр в обычном открытом разряде с металлическими электродами и разрядным промежутком d<1 мм эффективно формируются электронные пучки, извлекаемые через сетчатый анод. Энергия электронов w_e соответствует приложенному к разрядному промежутку напряжению U:

w_e≈eU, (1)

где е - заряд электрона, если d<l, или d˜l - длины области катодного падения потенциала. Если сетчатый электрод использовать как катод основного разряда, то электроны пучка, вышедшие за сетку, подхватятся основным разрядом, обеспечивая перекрытие формирующихся в основном разряде электронных лавин и тем самым стабилизируя основной разряд. Из области открытого разряда, дополнительно, идет подсветка фотонами основного разрядного промежутка. Однако давление эксимерных лазеров р=1-3 атм, что требует увеличить рабочее давление открытого разряда на 2 порядка. Обсудим, какие проблемы возникают для открытого разряда при переходе к повышенным давлениям, например гелия, причем в условиях аномального тлеющего разряда, который быстро формируется в разряде для рассматриваемых условий высокого давления.

Длина области катодного падения потенциала - l из формулы для параметра подобия:

Р_Hel=0.48 Торр·см, (2)

где p_He - давление гелия, для p_Не=3 атм составит всего 2 мкм. Организовать разрядный промежуток d˜l, чтобы энергия электронов пучка соответствовала (1) приложенному к разрядному промежутку напряжению U, затруднительно. Если же будет d≫l, то энергия электронов пучка определится не величиной приложенного к разрядному промежутку напряжения U (1), а катодным падением потенциала U_cf, которое, например, при напряжении питания 20 кВ может составить всего 200 В, из-за «размазывания» U по всей длине d, преимущественно за областью катодного падения потенциала: w_e≈eU_cf≪U.

Для нашей цели высокая энергия электронов пучка необязательна, но глубина проникновения L в газ электронов с энергией 200 эВ, сформированных в области катодного падения потенциала при p_Не=3 атм, согласно формуле, справедливой для U_cf=100-10⁴ В:

p_HeL=6,5·10^-4(eU_cf)^1.54 Торр·см, (3)

где eU_cf берется в эВ, мала - L=10 мкм. Для выхода электронов за сетчатый электрод длина d должна быть также слишком мала d<L=10 мкм.

Кроме того, для U_cf=200 В, p_Не=3 атм поле у поверхности катода:

E_c=2U_cf/l, (4)

(полагается типичный, близкий к линейному, спад поля в области катодного падения потенциала в сторону от катода) составит E_c=2·10⁶ В/см и разряд без катодных пятен сохранится менее 10 нс. Обычный разряд может быть устойчив и с катодными пятнами, но для малых d пятно сразу перекроет промежуток d и возникнет искра.

Таким образом, обычный открытый разряд для нашей цели непригоден.

Посмотрим, как перечисленные проблемы решаются с барьерным открытым разрядом.

Обычный барьерный разряд с одним или двумя электродами, покрытыми диэлектриком, обладает повышенной устойчивостью к искрообразованию. Но, в традиционном исполнении устройства для барьерного открытого разряда, который формируют в промежутке d между поверхностью диэлектрика, прикрывающего металлический катод барьерного открытого разряда, и сетчатым анодом барьерного открытого разряда, перечисленные проблемы остаются прежними.

Решить перечисленные проблемы удалось в барьерном открытом разряде, фиг.1, где сетчатый первый электрод - 1 (анод для барьерного открытого разряда) располагается непосредственно на поверхности диэлектрика - 4.

Здесь поверхностный разряд по диэлектрику в пределах отверстий А затруднен, из-за скомпенсированности тангенциальной составляющей электрического поля, вследствие близкого расположения перемычек сетчатого первого электрода - 1.

Далее. Сетчатый первый электрод - 1 экранирует проникновение сильного поля вглубь за сетчатый первый электрод - 1. Положительный заряд - 10 в области катодного падения потенциала дополнительно экранирует поле. В результате силовые линии электрического поля, перпендикулярные поверхности диэлектрика - 4, коротким путем замыкаются на перемычки сетчатого первого электрода - 1, что уменьшает «размазывание» U и повышает катодное падение потенциала, в области которого всегда выполняются условия «убегания» электронов пучка.

Наконец здесь, ток случайной неоднородности быстро снижает местную напряженность электрического поля, заряжая поверхность диэлектрика - 4 размером в одно отверстие, и тем самым предотвращается развитие слабой неоднородности в искру (эффект, подобный секционированию разряда).

С таким барьерным открытым разрядом в устройстве, в котором сетчатый первый электрод - 1 имел отверстия А=0.17 мм, получены пучки электронов с энергией до 10 кэВ при атмосферном давлении гелия. Для увеличения длительности импульса тока, которая определяется временем зарядки диэлектрика - 4 током разряда, использовался диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ε≈1000 (конденсаторная керамика). Для нашей цели большая продолжительность барьерного открытого разряда необязательна и можно использовать, например, стекло (ε≈10), которое было использовано в опытах с предложенным устройством, или обычную керамику.

Размер отверстий А в сетчатом первом электроде - 1 определяет ход силовых линий электрического поля с перемычек сетчатого первого электрода - 1 на поверхность диэлектрика - 4. Их усредненную длину можно условно принять за эффективную длину разрядного промежутка d_BD, грубо - d_BD ˜A/2. Чем меньше А, тем короче силовые линии, меньше «размазывание» U, выше катодное падение потенциала и энергия электронов пучка.

Оценим "размазывание" U, исходя из измерений в опытах с обычным разрядом между металлическими электродами в условиях: p_Не=100 Торр, d=7.4 мм, U=3.3 кВ, - когда, согласно (2) l составляет 1/157 часть d. «Размазывание» U оказалось не столь уж велико: U_cf≈0.5U=1.65 кВ. Для p_Не=3 атм, когда l=2·10^-3 мм, U_cf≈0.5U будет, если d_BD=l·157≈0.3 мм или А=0.6 мм.

Сетчатый первый электрод - 1 можно получить на поверхности диэлектрика - 4, например, напылением металла толщиной в несколько мкм. Но для нашей цели, когда сетчатый первый электрод - 1 служит одновременно катодом для основного разряда, тонкий слой металла сетчатого первого электрода постепенно разрушится в процессе катодного распыления. Поэтому за приемлемую толщину сетчатого первого электрода - 1 можно принять δ=0.1-0.2 мм. Для рассмотренного выше случая с энергией электронов eU_cf=1.65 кэВ, глубина их проникновения в газ согласно формулы (3) для p_Не=3 атм составит L=0.26 мм, т.е. пучок выйдет за пределы толщины сетчатого первого электрода - 1, если δ<0.26 мм, что вполне приемлемо.

Для реальных условий разряда границы приведенных оценок могут быть уточнены опытным путем. Дополнительными источниками электронов предыонизации для области основного разряда - 3 служат электроны от фотоионизации газа и электроны самой плазмы барьерного открытого разряда, которые извлекаются полем основного разряда по мере выравнивания потенциалов поверхности диэлектрика - 4 и сетчатого первого электрода - 1 в процессе зарядки поверхности диэлектрика - 4 в области отверстий в сетчатом первом электроде - 1. Обеспечивающая наибольшую устойчивость основного разряда оптимальная задержка его зажигания от импульсного высоковольтного источника питания - 8, подключаемого к сетчатому первому электроду - 1 и второму электроду - 2 основного разряда, относительно зажигания барьерного открытого разряда от импульсного высоковольтного источника питания - 7, подключаемого плюсом к сетчатому первому электроду - 1 и минусом к дополнительному электроду - 5, подбирается опытным путем и зависит от состава используемого газа.

Предлагаемый способ получения безыскрового разряда в плотных газах предполагает еще один режим работы барьерного открытого разряда с измененной полярностью питания, когда сетчатый первый электрод - 1 служит катодом барьерного открытого разряда, а дополнительный электрод - 5 - анодом барьерного открытого разряда. В этом случае электронный пучок, инжектируемый в область основного разряда - 3, формируется в области катодного падения потенциала части поверхности сетчатого первого электрода - 1, обращенной в сторону области основного разряда. Дополнительно, электронами предыонизации для основного разряда служат электроны от фотоподсветки из области барьерного открытого разряда и из плазмы, формирующейся в полостях отверстий в сетчатом первом электроде - 1 в результате взаимодействия в них встречных электронных пучков от внутренних поверхностей перемычек сетки с газом (как в полом катоде). Устойчивость барьерного открытого разряда по отношению к искрообразованию здесь также сохраняется в результате снижения местной напряженности электрического поля в процессе зарядки током слабой неоднородности поверхности диэлектрика - 4, ограниченной близлежащими от места возникновения неоднородности отверстиями сетчатого первого электрода - 1. Здесь также обеспечивающая наибольшую устойчивость основного разряда оптимальная задержка его зажигания от импульсного высоковольтного источника питания - 8, подключаемого к сетчатому первому электроду - 1 и второму электроду - 2 основного разряда, относительно зажигания барьерного открытого разряда от другого импульсного высоковольтного источника питания - 7, подключаемого минусом к сетчатому первому электроду - 1 и плюсом к дополнительному электроду - 5, подбирается опытным путем и зависит от состава используемого газа.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ получения безыскрового разряда в плотных газах, с планарным, а на фиг.2 вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда, оба устройства с отдельными импульсными высоковольтными источниками питания для барьерного открытого разряда и основного разряда.

Устройство содержит: сетчатый первый электрод - 1 и второй электрод - 2, которые образуют основной разрядный промежуток (область основного разряда) - 3. Сетчатый первый электрод - 1 расположен на поверхности диэлектрика - 4, на противоположной стороне которого расположен дополнительный электрод - 5. Все эти элементы помещены в единую камеру. Кроме того, устройство содержит импульсный высоковольтный источник питания - 7 для барьерного открытого разряда, который подсоединен плюсом к сетчатому первому электроду -1 и минусом к дополнительному электроду - 5 и отдельный импульсный высоковольтный источник питания - 8 для основного разряда, который подсоединен минусом к сетчатому первому электроду - 1 и плюсом ко второму электроду - 2.

Устройство работает следующим образом. Камеру заполняют рабочим газом. Путем подачи импульса напряжения от импульсного высоковольтного источника питания - 7 плюсом на сетчатый первый электрод - 1 и минусом на дополнительный электрод - 5 зажигают барьерный открытый разряд, который электронным пучком, фотонами и электронами плазмы барьерного открытого разряда осуществляет предыонизацию газа в основном разрядном промежутке - 3. Затем через обеспечивающую наибольшую устойчивость основного разряда оптимальную задержку зажигают основной разряд, путем подачи импульса напряжения от импульсного высоковольтного источника питания - 8, подключаемого минусом к сетчатому первому электроду - 1 и плюсом ко второму электроду - 2 основного разряда.

Устройство, фиг.2, с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда и с отдельными импульсными высоковольтными источниками питания для барьерного открытого разряда и основного разряда испытывали в опытах со стандартной смесью ArF-лазера: Не:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=2.5 атм. Объем занимаемый основным разрядом составлял V=d_MD×a×b≈8×1×30=240 мм³, где d_MD - расстояние между сетчатым первым электродом - 1 и вторым электродом - 2, а - ширина основного разряда (оценивалась визуально по свечению основного разряда), b - длина основного разряда. Сетчатый первый электрод - 1 (плоская сетка из нержавеющей стали: геометрическая прозрачность - 0.5, отверстия А=1 мм, толщина δ=0.2 мм) плотно обвернут вокруг стеклянной трубки диаметром 5 мм. В трубку с отверстием диаметром 3 мм вставляли плотно к стенке трубки дополнительный электрод - 5 из металлической фольги. Для измерений импульсов напряжения барьерного открытого разряда и основного разряда использовали резистивные делители напряжения R₁, R₂ и R₄, R₅. Для измерений импульсов тока барьерного открытого разряда и основного разряда использовали сопротивления R₆ и R₃.

Импульс напряжения для основного разряда подавали с регулируемой задержкой t_d относительно начала импульса напряжения для барьерного открытого разряда. В условиях опыта: смесь He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=2.5 атм, - получены осциллограммы импульсов напряжения U_MD - 11 и тока I_MD - 12 основного разряда, представленные на фиг.3. Оптимальная задержка t_d соответствовала моменту окончания первого полупериода тока барьерного открытого разряда и составила 60 нс. Барьерный открытый разряд был настолько слаб, что в отсутствие основного разряда не вызывал свечения газа заметного глазом. Амплитудные значения напряжения и тока на электродах барьерного открытого разряда составили: U_BD=11 кВ (длительность переднего фронта - 35 нс), I_BD=12 А. Реальные значения напряжения и тока самого барьерного открытого разряда меньше регистрируемых U_BD, I_BD. В период протекания барьерного открытого разряда в результате зарядки поверхности диэлектрика - 4 не занятой перемычками сетки идет процесс выравнивания потенциала этой части поверхности диэлектрика - 4 и сетчатого первого электрода - 1, что снижает реальное значение напряжения на самом барьерном открытом разряде. Регистрируемый ток барьерного открытого разряда дополнительно включает в себя ток зарядки поверхности диэлектрика - 4, занятой перемычками сетчатого первого электрона - 1. Для повышения эффективности предыонизации следует использовать более крутой фронт ubd.

Энерговклад в устойчивый основной разряд, определенный по осциллограммам U_MD, I_MD, фиг.3, за промежуток времени наиболее эффективного энерговклада τ=12 нс (соответствующая часть осциллограммы импульса тока для основного разряда заштрихована) составил 2.5 Дж/см³ при средней мощности Р=210 МВт/см³, что на порядок выше, чем в известных устройствах.

С устройством, в котором, в отличие от представленного на фиг.2, использовали единый импульсный высоковольтный источник питания, который подключали минусом к дополнительному электроду - 5 и плюсом ко второму электроду - 2 и, дополнительно, к двум последовательно соединенным конденсаторам, среднюю общую точку которых подключали к сетчатому первому электроду - 1 (емкостной делитель напряжения для высоковольтного питания барьерного открытого разряда и основного разряда), были получены осциллограммы напряжения и тока для основного разряда в смеси He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=3 атм, практически совпадающие с осциллограммами импульсов напряжения - 14 и тока - 12 основного разряда, представленными на фиг.5. Энерговклад в устойчивый основной разряд, определенный по этим полученным осциллограммам, за промежуток времени наиболее эффективного энерговклада τ=18 нс составил 2 Дж/см³ при средней мощности Р=110 МВт/см³. Емкость конденсатора, подключенного к сетчатому первому электроду - 1 и дополнительному электроду - 5 (C_BD≈4.7 нФ) на порядок превышала емкость конденсатора, подключенного к сетчатому первому электроду - 1 и второму электроду - 2 (C_BD≈0.4 нФ). Энергозатраты на барьерный открытый разряд составляли ˜10%, поскольку конденсатор C_BD≈4.7 нФ заряжался до напряжения на порядок ниже, подаваемого от импульсного высоковольтного источника питания, а энергия запасенная в конденсаторе растет как квадрат напряжения ее зарядки.

На фиг.4 изображен вариант предлагаемого устройства с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда, заляпываемого импульсом напряжения с измененной полярностью от общего с основным разрядом импульсного высоковольтного источника питания, и схема измерений параметров обоих разрядов.

Устройство содержит: сетчатый первый электрод - 1 и второй электрод - 2, которые образуют основной разрядный промежуток (область основного разряда) - 3. Сетчатый первый электрод - 1 расположен на поверхности диэлектрика - 4, на обратной стороне которого расположен дополнительный электрод - 5. Все эти элементы помещены в единую камеру. Кроме того, устройство содержит импульсный высоковольтный источник питания - 13 для барьерного открытого разряда и основного разряда, который подсоединен плюсом к дополнительному электроду - 5 и второму электроду - 2, а минусом к сетчатому первому электроду - 1.

Устройство работает следующим образом. Камеру заполняют рабочим газом. С подачей импульса напряжения от импульсного высоковольтного источника питания - 13 плюсом к дополнительному электроду 5 и одновременно к второму электроду - 2, а минусом к сетчатому первому электроду - 1 вначале зажигается барьерный открытый разряд, затем с началом эффективной предыонизации газа в основном разрядном промежутке - 3 электронным пучком, фотонами и электронами плазмы барьерного открытого разряда, зажигается разряд в основном разрядном промежутке - 3.

Устройство, фиг.4, с коаксиальным расположением электродов для барьерного открытого разряда и с измененной полярностью питания барьерного открытого разряда от единого импульсного высоковольтного источника питания для барьерного открытого разряда и основного разряда испытывали в опытах со стандартной смесью ArF-лазера: He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=3 атм. Использовали ту же, что и в предыдущих опытах газоразрядную камеру и элементы в ней. Объем занимаемый основным разрядом составлял V=d_MD×a×b≈8×1×30=240 мм³. Сетчатый первый электрод - 1 (плоская сетка из нержавеющей стали: геометрическая прозрачность - 0.5, отверстия А=1 мм, толщина δ=0.2 мм) плотно обвернута вокруг стеклянной трубки диаметром 5 мм. В трубку с отверстием диаметром 3 мм вставлен плотно к стенке трубки дополнительный электрод - 5 из металлической фольги. Для измерений единого импульса напряжения барьерного открытого разряда и основного разряда использовали резистивный делитель напряжения R₇, R₈. Для измерений импульсов тока барьерного открытого разряда и основного разряда использовали сопротивления R₆ и R₃.

В условиях опыта: смесь He:Ar:F₂=80:20:0.3 давлением р=3 атм, - получены, фиг.5, осциллограммы единого импульса напряжения барьерного открытого разряда и основного разряда U_MD, _BD - 14, тока I_MD - 12 основного разряда и тока барьерного открытого разряда I_BD - 15. Так же, как и в предыдущих опытах, реальные значения напряжения и тока самого барьерного открытого разряда меньше регистрируемых U_{MD, BD}, I_BD. В период протекания барьерного открытого разряда в результате зарядки поверхности диэлектрика не занятой перемычками сетки идет процесс выравнивания потенциала этой части поверхности диэлектрика - 4 и сетчатого первого электрода - 1, что снижает реальное значение напряжения на самом барьерном открытом разряде. Регистрируемый ток барьерного открытого разряда дополнительно включает в себя ток зарядки поверхности диэлектрика - 4 занятой перемычками сетчатого первого электрода - 1.

Автоматическое зажигание барьерного открытого разряда раньше основного разряда объясняется следующим обстоятельством. В обычном разрядном промежутке d с металлическими электродами при приложении к нему постоянного напряжения зажигание разряда (электрический пробой разрядного промежутка) происходит при напряжении U_b, зависящем от величины параметра pd - кривая Пашена. Кривая имеет минимум, например, для гелия (U_b)_min=220 В при p_Hed≈4 Торр·см, и далее линейно растет с увеличением pd. Для усредненной и условной длины разрядного промежутка d_BD˜А/2=0.5 мм барьерного открытого разряда и длины промежутка dMD=8 мм основного разряда напряжение зажигания барьерного открытого разряда будет в d_MD/d_BD=16 раз ниже напряжения зажигания основного разряда. Реально, это отношение будет еще выше, поскольку между перемычками сетчатого первого электрода - 1 и поверхностью диэлектрика - 4, ограниченной отверстиями сетчатого первого электрода - 1, имеются гораздо меньшие пути развития барьерного открытого разряда и он, начавшись там, будет инициировать разряд на соседних участках поверхности диэлектрика - 4. Импульсное зажигание барьерного открытого разряда произойдет при большем U_b, чем при подаче постоянного напряжения, и с временной задержкой относительно начала импульса напряжения. Чем выше скорость нарастания приложенного напряжения (круче передний фронт приложенного напряжения), тем при большем напряжении произойдет зажигание барьерного открытого разряда. Отсюда следует, что для повышения эффективности предыонизации в основном разряде следует использовать более крутой фронт импульса напряжения барьерного открытого разряда. При пологом фронте зажигание барьерного открытого разряда произойдет при меньшей величине U_b, а после его зажигания в результате зарядки поверхности диэлектрика - 4 током барьерного открытого разряда на нем будет сохраняться невысокое напряжение горения, что снизит эффективность предыонизации.

Благодаря в 2 раза более крутому фронту импульса U_{MD, BD}, фиг.5, чем в опытах с устройством, представленном на фиг.2 (там длительность переднего фронта для U_BD составляла 35 нс), предыонизация оказалась настолько высокой, что основной разряд зажигался почти одновременно с подачей импульса напряжения (сравнить с осциллограммами на фиг.3). Аналогичная картина наблюдалась и в опытах с емкостным делителем напряжения для барьерного открытого разряда и основного разряда. Иными словами, в этих случаях предыонизация обеспечивает зажигание основного разряда в виде несамостоятельного разряда.

С этим устройством энерговклад в устойчивый основной разряд, определенный по осциллограммам U_{MD, BD}, I_MD, фиг.3, за промежуток времени наиболее эффективного энерговклада τ=18 нс (соответствующая часть осциллограммы импульса тока для основного разряда заштрихована) составил 2 Дж/см³ при средней мощности Р=110 МВт/см³.

С устройством, в котором была использована та же полярность питания для барьерного открытого разряда и основного разряда, что и в устройстве, представленном на фиг.4, но с отдельными импульсными высоковольтными источниками питания для барьерного открытого разряда и основного разряда, была получена та же устойчивость основного разряда.

Изобретение относится к квантовой электронике, спектроскопии, плазмохимии. Способ получения безыскрового разряда в плотных газах заключается в зажигании основного разряда между первым и вторым электродами путем подачи высоковольтного импульса минусом на первый электрод и плюсом на второй электрод, при этом предыонизацию газа осуществляют с помощью пучка низкоэнергитичных электронов, фотонов и электронов плазмы, которые получают непосредственно в самом объеме основного разряда, причем пучок низкоэнергитичных электронов создают с помощью барьерного открытого разряда, подавая высоковольтный импульс между первым электродом, выполненным в виде сетки, который располагают на поверхности диэлектрика, и дополнительным электродом, который располагают на противоположной стороне диэлектрика, а основной разряд зажигают не раньше зажигания барьерного открытого разряда, причем барьерный открытый разряд и основной разряд зажигают в единой газонаполненной камере. Устройство содержит первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, причем первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к сетчатому первому электроду и плюсом ко второму электроду и служит для зажигания основного разряда, дополнительный импульсный высоковольтный источник питания для барьерного открытого разряда подсоединен плюсом к сетчатому первому электроду, а минусом к дополнительному электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере. Технический результат: повышение устойчивости основного разряда за счет более эффективной предыонизации газа в основном разрядном промежутке от источника предыонизации, расположенном в самом объеме основного разряда. 4 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения безыскрового разряда в плотных газах, заключающийся в том, что между первым электродом и вторым электродом, которые образуют основной разрядный промежуток, осуществляют предыонизацию газа и зажигают основной разряд между первым электродом и вторым электродом, путем подачи высоковольтного импульса минусом на первый электрод и плюсом на второй электрод, отличающийся тем, что предыонизацию газа осуществляют пучком низкоэнергичных электронов, фотонами и электронами плазмы, которые получают непосредственно в самом объеме основного разряда, причем пучок низкоэнергичных электронов фотоны и электроны плазмы создают с помощью барьерного открытого разряда, подавая высоковольтный импульс между первым электродом, выполненным в виде сетки, который располагают на поверхности диэлектрика, и дополнительным электродом, который располагают на противоположной стороне диэлектрика, а основной разряд зажигают не раньше зажигания барьерного открытого разряда, причем барьерный открытый разряд и основной разряд зажигают в единой газонаполненной камере.2. Устройство для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащее первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, отличающееся тем, что первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к сетчатому первому электроду и плюсом ко второму электроду и служит для зажигания основного разряда, дополнительный импульсный высоковольтный источник питания для барьерного открытого разряда подсоединен плюсом к сетчатому первому электроду, а минусом к дополнительному электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.3. Устройство для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащее первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, отличающееся тем, что первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к дополнительному электроду, а плюсом ко второму электроду, дополнительно к нему подсоединены два последовательно соединенные конденсатора или блок последовательно соединенных конденсаторов, равномерно распределенных вдоль основного разрядного промежутка, средняя общая точка которых подсоединена к сетчатому первому электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.4. Устройство для получения безыскрового разряда в плотных газах, содержащее первый электрод и второй электрод, которые образуют основной разрядный промежуток, импульсный высоковольтный источник питания, отличающееся тем, что первый электрод выполнен в виде сетки и расположен на поверхности диэлектрика, на противоположной стороне которого размещен дополнительный электрод, а импульсный высоковольтный источник питания подсоединен минусом к сетчатому первому электроду и плюсом ко второму электроду и дополнительному электроду, причем сетчатый первый электрод, второй электрод, дополнительный электрод и диэлектрик размещены в единой газонаполненной камере.