СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В HF/DF ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОМ ХИМИЧЕСКОМ ЛАЗЕРЕ Российский патент 2012 года по МПК H01S3/38 H01S3/95 

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HF/DF импульсно-периодических химических лазеров (HF/DF-ИПХЛ).

В HF/DF-ИПХЛ активная среда создается путем инициирования реакции F₂+H₂(D₂) в заранее перемешанной газовой среде, содержащей указанные активные компоненты, внешним источником. Наиболее эффективным для инициирования импульсных газовых лазеров является использование импульсного высоковольтного объемного электроразряда. При подаче импульсного напряжения на электроды в активной среде возникает объемный разряд, который инициирует химическую реакцию, являющуюся источником возникновения колебательно-возбужденных излучающих молекул, генерирующих импульс лазерного излучения. Стабильность лазерных характеристик зависит от однородности электрического разряда в активной среде лазера. Для формирования однородного объемного разряда необходимо применение высокоинтенсивной предионизации разрядного промежутка, соблюдение жестких требований к профилю электродов и точности их плоскопараллельной установки. Одной из причин, приводящих к нарушению однородности разряда, формируемого между металлическими электродами, является появление катодных пятен, представляющих собой очаги неустойчивости.

Известен способ стабилизации разряда, посредством одно- или двумерной системой иглообразующих электродов, каждый из которых замкнут на дугогасительную нагрузку - сопротивление или индуктивность, где разряд в мощном нецепном лазере стабилизируется опозитной системой многолезвийных электродов, в которой локальная неустойчивость подавляется индивидуальной индуктивностью, подключенной к каждой пластине (Аксенов Ю.Н., Борисов В.П., Бурцев В.В. и др. «Импульсно-периодический DF-лазер с мощностью генерации 400 Вт», ж. «Квантовая электроника», т.31, №4, 2001, с.290-292). К недостаткам таких систем стабилизации следует отнести неоднородность разряда, имеющая масштаб шага между пластинами, стриммер-эффекты, возникающие на остриях, что приводит к неоднородности инициирования и плотности излучения в ближней зоне, а также к усложнению схемы разрядного контура. Для создания условий быстрой дислокации волновых возмущений нужно, чтобы стенки газового тракта, включающего разрядную камеру с активным объемом, представляли собой гладкостенный канал.

Для стабилизации объемного разряда при инициировании плазмохимических реакций могут быть использованы полупроводниковые керамические барьеры, покрывающие металлические электроды разрядной камеры. Выбор удельной емкости барьеров определяет величину удельного энерговклада в разряд и тем самым влияет на генерационные характеристики газового лазера (ε₀ - электрическая постоянная, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость, d - толщина барьеров).

Известен способ стабилизации объемного разряда, который осуществляется посредством применения барьеров, соединенных с металлическим электродом, обладающим емкостным сопротивлением (Спичкин Г.Л. «Импульсный высоковольтный объемный разряд в элегазе», ж. «Журнал Технической Физики», изд-во “Наука”, т.56, №10, 1986, с.1923-1932). В барьерах, изготовленных из титаната бария, стабилизация разряда происходит следующим образом: в области локального роста плотности тока разряда растет емкостной ток смещения на барьере и емкостное падение напряжения, в результате этого падает локальная напряженность электрического поля в активной среде и разряд стабилизируется. Недостатками способа стабилизации объемного разряда посредством барьеров, имеющих емкостную проводимость, являются: ограничения предельной плотности тока объемной фазы разряда Ip≤0,1-1,0 кА/см² до появления искровой фазы, контрагирования разряда; появления вторичных неустойчивостей, связанных с саморазрядом барьерных электродов, имеющих емкостное сопротивление. Все это определяет низкие удельные характеристики лазеров.

Задачей настоящего изобретения является повышение удельных характеристик, энергии излучения HF/DF-ИПХЛ путем эффективного разрядного инициирования.

Сущность изобретения заключается в том, что способ стабилизации объемного разряда в HF/DF импульсно-периодическом химическом лазере включает подачу импульсного напряжения, при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см² на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами, причем барьерные электроды обладают полупроводниковыми свойствами, сочетающими емкостное и активное сопротивления, где активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного, равным 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода, равной 1800-2200.

Для решения поставленной задачи был разработан материал барьеров, обладающий полупроводниковыми свойствами, сочетающими в себе емкостное и активное сопротивления и одновременно удовлетворяющими условиям стабилизации разряда при высокой плотности тока и стойкости материала в агрессивной среде лазера. Указанное сочетание свойств материала барьеров было достигнуто путем легирования титаната бария рядом редкоземельных металлов. В ходе проведения технологических и экспериментальных работ было установлено, что добавка 0,3 ат.% ниобия к титанату бария обеспечивает плотность тока в объемную фазу разряда в лазерную смесь до 1 кА/см², что эквивалентно удельному энерговкладу в объемную фазу разряда до 200 Дж/см³. Подбор материала барьерных электродов, сочетающих в себе активное и емкостное сопротивление, производился с учетом выполнения условия: t≤ε_j, t=ε₀·ε·ρ - время саморазряда барьеров; ε - диэлектрическая проницаемость материала барьеров; ρ - объемное сопротивление материала барьеров; τ_j характеризует время развития неустойчивости в разряде ~10^-7 с. Выполнение этого условия обеспечивает быстрое прекращение разряда и препятствует появлению вторичных неустойчивостей. В качестве материала барьеров использовался титанат бария с легирующей добавкой ниобия, обладающий относительной диэлектрической проницаемостью ~2000. Такой материал имеет объемное сопротивление ~50 Ом/см. Были разработаны и изготовлены барьерные электроды из титаната бария с добавкой ниобия с размерами активной поверхности 4,5×10 см², а также конструкция сборных панелей, состоящих из ряда соединенных электродов с активной площадью поверхности 4,5×37 см². Сборные панельные конструкции встраивались, как элементы, в корпус разрядной камеры.

Способ стабилизации объемного разряда в HF/DF-ИПХЛ осуществляется в разрядной камере следующим образом. В герметичную разрядную камеру, представленную на чертеже, включающую диэлектрический корпус 1, панели с полупроводниковыми барьерами 2 и окна для вывода излучения 3, подается непрерывный поток газовой смеси F₂/O₂/SF₆/H₂(D₂) определенного состава и давления. Одновременно посредством высоковольтного зарядного устройства 4 производится зарядка накопительных конденсаторов генератора импульсного напряжения 5. После перемешивания компонентов фторводородной (дейтериевой) смеси с помощью специальных смесительных устройств в потоке подается команда на коммутацию генератора импульсного напряжения. Импульс напряжения подается на металлические электроды - основной 6 и промежуточный 7 и полупроводниковые барьерные электроды 2 разрядной камеры. В активной среде возникает объемный разряд с высокой степенью однородности, который инициирует реакцию F₂+H₂(D₂) и генерацию импульса лазерного излучения, который выводится через флюоритовые окна 3. Процесс подачи напряжения, возникновения объемного разряда и генерации лазерного излучения производится с заданной частотой.

В результате экспериментальных исследований, проведенных на образце HF/DF-ИПХЛ, имеющих составные панельные барьерные электроды и большой разрядный промежуток, установлено, что емкостно-резистивный механизм стабилизации объемной фазы разряда приводит к повышению средней плотности тока разряда до 1 кА/см², т.е. примерно в десять раз по сравнению с лазерной установкой, имеющей емкостной механизм стабилизации, что обеспечивает рост удельных характеристик от ~4 Дж/см³ (η_m~4%) до ~40 Дж/см³ (η_m до 78% в зависимости от энерговклада в разряд). Данный механизм стабилизации разряда позволяет повысить предельное давление рабочей смеси до появления контрагирования ~в 1,5 раза.

Успешная апробация данного способа стабилизации объемного разряда позволяет создать конструкцию разрядных камер с большим активным объемом для HF/DF-ИПХЛ большой мощности.

Способ включает подачу импульсного напряжения на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами. Импульсное напряжение подают при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см² на барьерные электроды, обладающие полупроводниковыми свойствами, сочетающими активное и емкостное сопротивления. Активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного электрода, равной 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода равным 1800-2200. Технический результат заключается в повышении удельных характеристик энергии излучения. 1 ил.

Способ стабилизации объемного разряда в HF/DF импульсно-периодическом химическом лазере, включающий подачу импульсного напряжения на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами, отличающийся тем, что импульсное напряжение подают при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см² на барьерные электроды, обладающие полупроводниковыми свойствами, сочетающими активное и емкостное сопротивления, где активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного электрода, равным 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода, равной 1800-2200.