Эффективность формирования убегающих электронов в различных типах поперечных газовых разрядов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Оглавление.

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ литературных источников. Постановка задачи.

1.1. Лазеры на парах металлов с накачкой активной среды убегающими электронами.

1.2. Типы разрядов, используемые для возбуждения лазерных сред в режиме убегающих электронов.

1.2.1. Отрицательное свечение разряда постоянного тока.

1.2.2. Разряд с полым катодом.

1.2.3. Емкостный высокочастотный разряд.

1.3. Генерация электронных пучков в газах среднего давления.

1.3.1. Возбуждение электронным пучком активных сред лазеров.

1.3.2. Общие условия получения быстрых электронов в газовом разряде.

1.3.3. Электронные пучки в поперечном высокочастотном разряде.

1.3.4. Генерация электронных пучков в открытом разряде.

1.3.5. Механизмы генерации электронного пучка.

1.4 Эффективность формирования электронного пучка.

1.4.1. Эффективность ЭП в РПК и ПВЧР.

1.4.2. Эффективность в открытом разряде.

1.5. Выводы. Постановка задачи.

Глава 2. Методы исследования газового разряда с убегающими электронами.

2.1. Оптические и электрические методы исследования.

2.1.1. Методы регистрации оптического излучения.

2.1.2. Экспериментальная установка.

2.1.3. Обоснование выбора типа газа.

2.1.4. Конструкция ВЧ генераторов.

2.2. Измерения универсальных зависимостей методом погасания разряда

2.3. Методы измерения электрических параметров разряда.

2.3.1. Методы измерения вводимой в разряд ВЧ мощности, тока и напряжения.

2.3.2. Методика зондовых измерений.

2.4. Численные методы исследования убегающих электронов.

2.4.1. Метод Монте-Карло.

2.4.2. Расчет средних параметров.

2.4.3. Использование объектно-ориентированного подхода для моделирования столкновительных процессов разряда.

Глава 3. Убегающие электроны в несамосогласованных электрических полях различной конфигурации.

3.1. Убегающие электроны в однородном поле.

3.1.1. Общая постановка задачи.

3.1.2. Расчет средних параметров в однородное поле с малыми величинами Е/р.

3.1.3. Верификация метода Монте-Карло в области больших Е/р.

3.2. Уравнение баланса энергии в однородном поле.

3.2.1. Уравнения баланса энергии с учетом однократной ионизации в одномерном случае.

3.2.2. Уравнение баланса энергии с учетом реакции образования двукратно заряженных ионов.

3.2.3. Соотношение мощностей элементарных процессов в однородном поле.

3.2.4. Уравнение баланса энергии в зоне убегания электронов.

3.3. Убегающие электроны в неоднородных несамосогласованных электрических полях.

3.3.1. Баланс энергии в неоднородном несамосогласованном поле.

3.3.2. Эффект нелокальности в неоднородных полях.

3.4. Убегающие электроны в неоднородных полях.

3.5. Связь мощности УЭ с экспериментально измеряемыми величинами.

3.5.1. Связь мощности УЭ с ФРЭЭ.

3.5.2. Связь мощности УЭ с эффективностью образования электронного пучка.

3.5.3. Связь мощности УЭ с оптически измеряемыми характеристиками.

Глава 4 . Убегающие электроны в самосогласованных полях поперечного разряда.

4.1. Самосогласованная модель поперечного разряда.

4.1.1. Постановка самосогласованной задачи поперечного разряда.

4.1.2. Технология трубок поля.

4.2. Расчет вольтамперных характеристик поперечного разряда.

4.2.1. Нормальный режим поперечного разряда.

4.2.2. Расчет вольтамперных характеристик поперечного разряда. Аномальный режим.

4.2.3. Влияние двукратных ионов на ВАХ.

4.2.4. Верификация расчетов по катодному пятну нормального разряда.

4.2.5. Исследование универсальных характеристик поперечного разряда методом погасания.

4.2.6. Модифицированные апроксимационные зависимости ВАХ. Влияние материала катода.

4.3. Влияние на ВАХ изменения различных параметров.

4.3.1. Влияние коэффициента вторичной эмиссии на ВАХ.

4.3.2. Влияние внешнего пучка электронов на ВАХ разряда.

4.4. Исследование пространственного распределения интенсивностей атомарных и ионных линий гелия в поперечном разряде.

4.4.1. Расчет интенсивности свечения различных линий в прикатодных зонах поперечного разряда.

4.4.2. Вычисление основных параметров разряда по пространственному распределению ионной линии 4686 А Не+*.

Глава 5. Убегающие электроны при управлении свойствами разряда.

5.1. Постановка задачи о взаимном влиянии противоположных разрядов.

5.1.1. Моделирования разряда между двумя плоскими независимыми катодами.

5.1.2. Моделирования разряда между двумя плоскими связанными катодами. Разряд в полом катоде.

5.2. Моделирование емкостного высокочастотного разряда.

5.3. Взаимодействие убегающих электронов с металлическими и диэлектрическими поверхностями в разряде.

5.3.1. Отражение и поглощение убегающих электронов на металлических и диэлектрических поверхностях.

5.3.2. Зажигание вторичного разряда на металлических и диэлектрических поверхностях.

5.4. Условие самоподдержания разряда. Разные типы разрядов.

5.5. Эффективность образования УЭ в основных поперечных типах разряда.

Актуальность темы. Повышение мощности, коэффициента полезного действия и надежности лазеров открывает все более широкие перспективы их использования в современных технологических процессах, поэтому указанная задача является весьма важной для квантовой электроники. В последнее время она успешно решалась с помощью газовых лазеров на парах металлов с поперечными типами разряда [1]. Здесь существует уже достаточно зарекомендовавший себя класс газоразрядных лазеров на ионных переходах металлов [2,3]. При этом они достаточно эффективны и работают при сравнительно небольшой мощности накачки. Благодаря специфике расположения уровней в таких лазерах можно получить непрерывную генерацию в видимом, ИК и УФ диапазонах спектра [4]. В этих лазерах наиболее полно реализуются такие свойства газовых лазеров, как высокая монохроматичность, когерентность, направленность излучения, низкий уровень шумов выходного излучения, т.е. весь тот набор параметров, который определяет свойства лазерного излучения. За последние годы достигнуты значительные успехи в разработке газоразрядных лазеров на парах металлов с поперечными типами разряда, в которых накачка активной среды происходим убегающими электронами (УЭ), формирующимися непосредственно в приэлектродных зонах газового разряда. Наиболее распространенным типом разряда, использующим для накачки активных сред лазеров эффект убегающих электронов, является разряд с полым катодом (РПК) [3-5]. К настоящему времени генерация в РПК наблюдается более чем на 200 ионных переходах видимого диапазона в спектрах 20 металлов. Генерация получена как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы. Интерес к лазерам с полым катодом непрерывного действия особенно возрос после того, как было показано, что они могут служить эффективными источниками многоцветного излучения [6], т.е. излучать одновременно на нескольких, разнесенным в различные участки оптического спектра, длин волн.

В работе [7] для возбуждения активной среды лазеров на парах металлов в режиме УЭ впервые был использован поперечный высокочастотный разряд (ПВЧР) с внешними электродами. Достоинства лазеров с ПВЧР, такие как большой набор длин волн генерации, простота и надежность конструкции разрядных трубок, позволили сделать эти лазеры удачным дополнением к широко распространенным в настоящее время катафорезным лазерам и лазерам с полым катодом. В дальнейшем был опубликован ряд работ [8-13], касающихся этого типа разряда, в которых было показано, что по ряду параметров лазеры с ПВЧР превосходят лазеры с РПК [2,3], по другим -уступают. В серии работ [5,9,14,15] была предпринята попытка объяснения этого экспериментально наблюдаемого факта. Был введен суммарный КПД ионных лазеров с передачей энергии от буферного газа и проанализированы члены, определяющие этот КПД: где щ, г]2 - эффективность преобразования энергии разряда в энергию быстрых электронов и энергии быстрых электронов в энергию ионов (или возбужденных атомов) буферного газа соответственно; г]з - эффективность передачи энергии от буферного газа атомам металла с возбуждением их на верхний лазерный уровень; г]4 - эффективность преобразования энергии ионов металла на верхнем лазерном уровне в энергию лазерного излучения; цкв - квантовый КПД перехода.

И если относительно трех последних членов, характеризующих суммарный КПД, особых вопросов нет, то вопросы касательно эффективности преобразования энергии электрического поля в энергию убегающих пучковых электронов, на наш взгляд, до настоящего времени остаются открытыми. Это связано с тем, что в работах [5,9,14] КПД преобразования энергии электрического поля в энергию убегающих пучковых электронов напрямую связывается с коэффициентом вторичной электронной эмиссии у и связанным с этим изменением напряжения на разрядной трубке. Однако известно, что напряжение на разрядной трубке не однозначно связано с коэффициентом у, а зависит от давлений буферного газа и паров металла, типа разряда, воздействия на катодные зоны разряда внешних факторов и др. В работах [5,9,14] не учитывалось влияние всех этих факторов на формирование убегающих электронов (УЭ) и эффективности их образования.

Интерес к поперечным типам разряда с УЭ еще более усилился после того, как для накачки активных сред был предложен сначала разряд типа «полый анод-катод» (ПАК) [16], а затем и открытый разряд (ОР) [17-20]. Уже в первых работах был реализован режим с эффективностью УЭ более 50% [22,23]. В последних работах эффективность преобразования внешней энергии в энергию электронного пучка приближается к своему пределу - 9597% [24,25].

Наиболее широкое технологическое применение поперечный разряд нашел в процессах напыления пленок сложных оксидов [27-33].

Классический поперечный разряд [26] мало используется для накачки активных сред лазеров на парах металлов, хотя его потенциальные возможности явно далеко не исчерпаны.

В последних работах [14,24,25,125-128] ведется широкая дискуссия об эффективности преобразования энергии электрического поля в энергию УЭ. Связано это с широкомасштабным использованием разряда с УЭ как в лазерной физике, так и ряде технологических применений [32,74]. Поэтому, задача исследование эффективности формирования убегающих электронов в различных типах поперечных разрядов ионных лазерах на парах металлов в настоящее время является крайне актуальной.

Исходя та этого, целью настоящей работы являлось:

Исследование эффективности формирования убегающих электронов в различных типах поперечных газовых разрядов. Выяснение и изучение оптимальных режимов формирования убегающих электронов для возбуждения активных сред ионных лазеров на парах металлов в поперечном разряде.

Заключение.

В результате проделанной работы:

1. Из анализа уравнения баланса энергии предложен и обоснован параметр, характеризующий эффективность формирования убегающих электронов в ионных лазерах на парах металлов с различными типами поперечных разрядов. Проведено экспериментальное подтверждение правильности выбранного параметра. Проведено сравнительное исследование на эффективность формирования УЭ различного типа поперечных разрядов для лазеров.

2. В качестве детектора, характеризующего эффективность формирования убегающих электронов в ионных лазерах на парах металлов с различными типами поперечных разрядов использована ионная линия гелия 4686 А Не+*. Было экспериментально обосновано такое предложение.

3. В широком диапазоне токов, напряжений и коэффициентов вторичной ионной эмиссии методом Монте-Карло проведен самосогласованный расчет ВАХ различных типов поперечного разряда. Расчеты проведены как без учета, так и с учетом реакции образования двукратных ионов гелия прямым электронным ударом. Из анализа экспериментальных и рассчитанных ВАХ показано, что в аномальном режиме роль двукратной ионизации становится определяющей. Было записано и проверено уравнение баланса энергии элементарных процессов электронного ансамбля с учетом двукратной ионизации атомов гелия прямым электронным ударом.

4. Исследовано взаимодействие УЭ с металлическими и диэлектрическими поверхностями. Показано, что эти взаимодействие сводится к двум основным эффектам:

• отражению УЭ от поверхности и влияния, отраженных УЭ на основной разряд. По проявлениям этот эффект близок к разряду полого катода;

• накоплению заряженных частиц на поверхности изолированного большого зонда, росту заряда на нем и зажиганию вторичного самостоятельного разряда, энергию на который доставляют УЭ, которые «пробивают» потенциальный барьер наведенного электрического поля за счет большой направленной энергии. И тот и другой эффекты способны воздействовать на основной разряд по типу разряда с полым катодом.

5. Предложены схемы увеличения эффективности формирования убегающих электронов в ионных лазерах на парах металлов с различными типами поперечных разрядов. Проведены оценочные расчеты потенциальных возможностей открытого разряда.

6. После проведенного сравнения эффективности образования убегающих электронов для различных типов поперечного разряда выяснилось, что наибольшей эффективностью обладает ОР.