Физика процессов в ионных лазерах на парах металлов с полым катодом различных конфигураций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Специализированный совет Д 003.52.06 по физико-математическим наукам

На правах рукописи

ШИНЧЕНКО Галина Анатольевна

ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ В ИОННЫХ ЛАЗЕРАХ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ С ПОЛЫЙ КАТОДОМ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону 1994

Работа выполнена в Ростовском государственном университете

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор СЗМ Мирослав Францсвич кандидат физико-математических наук

ИВАНОВ Игорь Григорьевич

Официальные оппоуентьсдоктор физико-математических наук

профессор НАЛШЕВ Владимир Александрович кандидат физико-математических наук ЗИНЧЕНКО Сергей Павлович

Ведущая организация: НИИ Газоразрядных приборов, г.Рязань.

Защита состоится ___ 1934 г. в__Цн____ часов

на заседании специализированного совета Д 063.52.00 в Ростовском государственном университете по адресу:

344104, г.Ростов-на Дону,пр.Стачки, 194, НИИ физики при РГ9, ауд.411

С диссертацией мохно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу:

г. Ростов-на-Дону, ул. Пуакинская, 148.

Автореферат разослан "_ _______19134 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д.003,52.00 канд.физ.-мат.наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ '

Актуальность темы. Газовые лазеры на парах металлов с разрядом в полом катоде СРПК) занимают среди газоразрядных лазеров особое место. Прегде всего это связано с особыми свойствами плазмы РПК - наличием группы высокоэнергетических электронов, существование которой в конечном счете приводит к эффективному возбуждении ионных уровней металла и обеспечивает в этом типе разряда: инверсии и генерации на большем числе переходов,чем в положительном столбе (ПС), большие, чем в ПС, коэффициенты усиления и выходную мощность на переходах, способных генерировать в том и другом тине разряда.

Интерес к лазерам с разрядом в полом катоде особенно возрос после того, как было показано, что они могут служить эффективными источниками многоцветного излучения, т.е. излучать одновременно на нескольких длинах волн. В частности, в лазере на парах кадмия генерация осуществлена на длинах волн, соответствующих трем основным цветам видимого спектра: синему, зеленому и красному. Получение трехцветной генерации повлекло за собой задачу оптимизации условий работы лазера на всех трех линиях одновременно и на каждой из них в отдельности, для решения которой необходимо детально рассмотреть физические процессы, приводящие к реализации инверсии населенностей на кахдом из трех переходов.

Стремление получить большую мощность, и повысить стабильность генерации привело к создании множества различных конструкций лазеров с РПК. Но до сих пор нет единого мнения о преимуществах той или другой из них, так как недостаточно изучены физические процессы, происходящие в плазме РПК, а также имеет место недостаток

экспериментальных данных, необходимых для сравнения различных типов конструкций лазерных трубок.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию ионных лазеров на парах "металлов с РПК различных конфигураций,излучающих в видймом диапазоне длин волн. Она имеет своей целью изучить физические процессы в радиально и аксиально неоднородной плазме лазеров с полни катодом и на основе этих исследований выяснить преимущества и недостатки той или' другой конструкции РПК и использовать полученные результаты для оптимизации трехцветной генерации а также генерации на каждой линии в отдельности в лазере на парах кадмия.

Для достижения указанной цели были поставлен« и ревени следующие задачи :

1. а) на основе решения кинетического уравнения для разряда в полом катоде в смеси инертный газ-пары металла с учетом эволюции характера движения быстрых электронов,рассчитать локальные и интегральные скорости возбуждения ионных линий металла, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом, при различных разрядных условиях;

б) используя рассчитанные интегральные скорости возбуждения линий, определить и теоретически обосновать оптимальные, по давлениям компонентов разрядной смеси, условия накачки линий, заселяемых тем и другим процессом;

в) используя радиальные профили скорости возбуждения лазерных линий этими реакциями, теоретически обосновать оптимальные поперечные размеры лазерных трубок для получения генерации на каждой из линий как в непрерывном.так и в импульсном режиме роботы РПК.

2. а) С целью выяснения преимуществ и недостатков различных конструкций РПК исследовать и сравнить в поперечной и продольно-

поперечной конструкции такие локальные параметры плазмы как: катодное падение напрязения, плотность тока, концентрации электронов и электронную температуру при различных разрядных условиях;

б) определить характер влияния локальных параметров плаз-ми на мощность непрерывной генерации линий 442 нх, 534/538 нм и 636 нм СсШ как в режиме раздельной, так и совместной генерации.

3. С учетом проведенных исследований выбрать наиболее под-ходящуи конструкцию РПК и обеспечить в ней оптимальные разрядные условия в смеси кадиий-гелий.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

1. В результате решения кинетического уравнения для разряда с полым катодом в смеси буферный газ-пары металла и экспериментального исследования интенсивностей ионных линий металлов, сделан вывод о том, что:

а) возбуждение ионних линий металла, верхние уровни которых заселяются перезарядкой и пеннинг-процессом, определяется быстрыми электронами, имевшими различный характер двизения, а именно: направленный пучок для первых и диффузионное облако для вторых.

б) различие по оптимальному для генерации давлению буферного газа для переходов, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом,в ионных лазерах с РПК обуславливается именно различным характером движения электронов, определяющих скорость того и другого процесса.

2. Увеличение напряжения на трубке при переходе от непрерывного режима работы РПК к импульсному, слабо сказывается на форме радиального профиля интенсивности линий, возбуждаемых пеннинг-процессом^ отличие от перезарядочных линий. Поэтому равномерное по диаметру свечение пеннинговских линий и в импульсном

- б -

и в непрерывном режимах получается при сравнительно небольших диаметрах катода.

3. Появление в импульсном разряде с полым катодом вторичных высокоэнергетических электронов, образующихся в результате актов ионизации, обуславливает увеличение мощности и'КПД генерации на переходах, верхние' уровни которых, заселяются пеннинг-процессоа.

4. На основе проделанных измерений и решения уравнения баланса энергий для электронного газа в разряде с полым катодом выявлена связь электронной температуры с напряженностью аксиального электрического поля, -которое имеет место в отрицательном свечении РПК продольно-поперечной конфигурации.

5. На основе исследования локальных параметров плазмы РНК продольно-поперечной конфигурации и сравнения их с параметрами "чисто" поперечной обосновано преимущество "чисто" поперечной с точки зрения увеличения мощности трехцветной лазерной генерации.

Основные положения и результаты, пинисиыые на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования радиальных профилей интенсивностей ионных линий кадмия и ртути в смеси гелий-пары металла в разряде с полым катодом, а также решение кинетического уравнения и рассчитанные на его основе локальные скорости возбуждения этих линий позволили установить, что:

а) возбуждение ионных линий металла, верхний уровень которых заселяется перезарядкой, определяется в основном электронами, имеющими узконаправленный характер движения, функция распределения которых анизотропна;

б) возбуждение ионных линий металла, верхний уровень которых засоляется пеннинг-процоссоы - элоктронахи, имоющнйи диффузионный

характер движения, функция распределения которых близка к изотропной.

в) различие по оптимальному для генерации давлению буферного газа для переходов, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом в ионных лазерах с полый катодом обуславливается именно различным характером движения электронов,определяющих скорость того и другого процесса.

2. Анализ характера движения быстрых электронов и радиальных профилей скорости возбуждения ионных линий металлов в импульсном РПК показывает, что:

а) появление в импульсном разряде с полым катодом вторичных высокоэнергетических электронов, образуищихся в результате актов ионизации, обуславливает увеличение мощности и КПД генерации на переходах, верхние уровни которых заселяются пеннинг-процессом;

б) увеличение напряжения на трубке при переходе от непрерывного режима работы к импульсному, в отличие от перезарядочных линий, слабо сказывается на форме радиального профиля интенсивности линий, заселяемых пеннинг-процессом. Поэтому равномерное по диаметру свечение псннинговских линий и' в импульсном и в непрерывном режимах получается при сравнительно .небольших диаметрах катода.

3. Преимущество лазерной трубки с РПК поперечной конструкции перед продольно-поперечной обуславливается тем. что из-за неоднородности плотности тока по длине катода, которое имеет место з продольно-поперечной конструкции, в ней невозможно достижение оптимальной для генерации плотности тока на каждом участке полого катода. Поэтому использование лазерной трубки с РПК поперечной конструкции позволяет в режиме раздельной генерации при оптимальных для каждой линии разрядных условиях увеличить мощность и КПД генерации по сравнении с продольно-поперечной примерно в 1.8 и 1.3-1.5 раза для синей, зеленой и красной линий С(Ш соответ-

ственно.а в режиме совместной генерации увеличить оптимальный для нее ток примерно в 1.5 раза и поднять тем самым мощность совместного излучения на различных линиях. *

Практическая значимость работы. Практическая значимость ра-' боты состоит в том, что:

1. Обосновано преимущество лазерных трубок с РПК поперечной конфигурации перед продольно-поперечной.

2, Проведенные исследования позволили создать конструкцию He-Cd лазера с РПК,- для которой мощность излучения в непрерывном рехиме работы составила на линии 442 нм - 115 мВт,534/538 нм - 45 мВт и на 636 нм - 10 мВт, что находится в соответствии с последними мировыми достиаенияни.

Апробация работы. Резултаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986 г), Иегду-народной научной студ. конференции по физической оптике ( Санкт-Петербург, 1992г.), 1U Всесопзной конференции по физике газового разряда С Махачкала, 1988 г.), III International Conferention "Lasers and their applications" ( Plovdiv , Bulgaria, 1988 ), 11-ом Всесоюзном научно-техническом семинаре" Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков,1990 г.), Всесоюзном научном семинаре "НИЛС-92" (Волгоград, 1992 г.), Международной конференции "Оптика лазеров - 93" (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 160 стра-

ницпх машинописного текста, иллюстрируется 47 рисунками, содертит 4 таблицы, состоит из введения, четырех глав, Прилохения, Заключения и списка литературы из 154 наименований.

Краткое содержание работы. В соответствии с основными задачами, поставленными в работе, материал но главам распределяется следующим образом.

В первой главе рассмотрено современное состояние исследований и разработок ионных газоразрядных лазеров с РПК на парах металлов. Проанализированы результаты применения различных конструкций разрядных трубок и.полученные.в них характеристики ионных лазеров с РПК. Рассмотрен современный уровень теоретических разработок, позволяющих рассчитывать скорость накачки лазерных линий в РПК,

В конце -главы на основе проведенного анализа сформулированы основные задачи настоящей работы.

Во второй главе рассматриваются радиальные неоднородности в поазме ионных лазеров на парах металлов с РПК .

В начале главы приведены методика и результаты расчетов ФРЗЗ в РПК,проведенных впервые для двухкомпонентной смеси:буферннй газ -пары металла, с учетом эволюции характера движения внсокознерге-тических электронов. Для этого в первом параграфе рассматривается механизм формирования ФРЗЗ в РПК. Рассуждения основываются на том, что в отрицательном свечении (ОС) в полом катоде (ПК) возбуждение и ионизация газа осуществляется быстрыми электронами, набравшими энергию в катодном темном пространстве (КТП) и проведшими его без столкновений. Проникая в глубь ОС, высокознергетические электроны ионизуют в основном атомы гелия.

Анализ сечений упругих и неупругих процессов позволяет сделать вывод о том, что в области энергий более 70 эВ частота воз-

буждения атомов гелия пренебрежимо мала по сравнению с частотой их ионизации, упругими взаимодействиями в этой области также можно пренебречь.Поскольку рассеяние электронов в результате неупругого столкновения происходит в малый угол, движение.быстрых электронов, покинувших КТП, будет носить характер пучка, направленного к центру катодной полости, пока в результате неупругих взаимодействий с гелием они не охладятся от oUx( ell* - энергии.приобретаемая электроном в КТП. Ик - катодное падение потенциала, е - заряд электрона ) до 70 эВ.

При энергиях менее 70 зВ частота упругих столкновений превы-иает частоту неупругих.В результате упругого взаимодействия электрон рассеивается в произвольном направлении, и таким образом, направленный характер его движения утрачивается. Поскольку между двумя неупругими столкновениями электрон несколько раз меняет направление движения, то характер движения быстрого электрона в области энергий £ < 70 эВ можно полагать диффузионным.

Возбуждение же атомов гелия в метастабильное состояние осуществляется как раз быстрыми электронами из области энергий от 20 до 70 эВ.а ионизация - в основном обладающими энергией выше 70 эВ.

Во втором параграфе на основе физической модели, построенной в первом, записывается кинетическое уравнение для области энергий 70 зВ <£< eU и для £<70 эВ, в результате решения которого находится локальная функция распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) в смеси буферный газ-пары металла.Показано,что для £ > 70эВ она анизотропна, а для £.< 70 эВ близка к изотропной.

В третьей и четвертом параграфе результаты количественного исследования ФРЗЗ были использованы для расчета радиальных зависимостей скоростей возбуждения линий, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом, что позволило объяснить как индивидуальные особенности,так и общие закономерности накачки линий 442 нм, 534/

- Ii -

538 ни, 636 им" Cdll и 615 нм Hgll в непрерывном РПК.

Следупщие' два параграфа посвящены методике получения и сравнению с расчетными результатов экспериментального исследования ра> '

диальных профилей спонтанного излучения атомных линий гелия и линий металлов 442 нм Cdll, возбуждаемой в непрерывном РПК пеннинг-процессом, и 534/538 нм Cdll, 615 нм Hgll.возбуждаемых перезарядкой.Результаты сравнения подтверждают достоверность выводов, сделанных в четвертом параграфе.

ж

В пестом параграфе показано, что рассуждения, приведенные для непрерывного режима работы РПК, применимы и к режиму возбуждения импульсами тока микросекундной длительности.

Далее показано, что учет влияния электрических полей,которые имеют место в ОС при возбуждении РПК импульсами тока, слабо сказывается на форме радиального профиля скорости перезарядки из чего делается вывод о том, что они не оказывают существенного влияния на скорость процесса перезарядки в импульсном РПК.

Третья глава посвящена исследованию параметров плазмы в трубках с РПК продольно-поперечной конструкции.

В первом параграфе описаны экспериментальные методы, которые применялись при исследованиях.Распределение плотности тока исследовалось нами спектральным методом посредством измерения интенсивности излучения линии 471.3 нм Hei по длине катода.- ДалЬе показано, что, зная вольт-амперную характеристику РПК поперечной конфигурации и аксиальное распределение катодного падения потенциала для продольно-поперечной, можно восстановить значения плотности тока в каждой точке по длине катодного сегмента в продольно-поперечной конструкции. По изменению напряжения между одиночным зондом и анодом, при варьировании расстояния между ними, и выражении

Щ = Up - U

СгдеЦк- катодное падение потенциала,Цр- напряжение на разряде, Ц- разность потенциалов между зондом и анодом) восстанавливалось распределение величина катодного падения потенциала вдоль катода. Плотность заряженных частиц и электронная температура исследовались методом двойного зонда, по методике развитой для повышенных давлений газа.

Во втором параграфе приведены результаты измерений аксиального распределения токовой плотности, величины катодного падения потенциала, напряженности продольного электрического поля, плотности тока с единицы поверхности, электронной температуры в полок катоде продольно-поперечной конфигурации при варьировании полного разрядного тока,давления буферного газа, паров металла и поперечного размера катодной полости.

В третьем параграфе исследуются причины явлений,происходящих в плазме РПК продольно-поперечной конфигурации при варьировании разрядных условий.

Показано, что отличительной особенностью этого типа РПК является наличие достаточно сильного (до 20 В/см » чистом буфпрнш. газе и 5-7 В/см в смеси буферный газ-параи мстллла) лксилльногс электрического поля. Наличие электрического поля и ОС продольно-поперечного РПК обуславливается уменьшением величины катодного п; дения потенциала при продвижении от анода вглубь полости. Неравш мерность катодного падения потенциала также приводит к неоднородному распределении плотности разрядного тока вдоль катодного сег мента.

Уменьшение влияния эффекта полого катода приводит к тому,чт при увеличении давления гелия и поддержании полного разрядног тока неизменным уменьшается продольный градиент плотности тока Напряженность поля при этом падает,так как снижается динамическо сопротивление разряда.

При введении в разряд паров металла динамическое сопротивление разряда уменьшается, в результате чего напряженность поля'па-дает, Увеличение катодного падения потенциала обуславливает усиление эффекта полого катода, и неоднородность плотности тока возрастает.

При уменьшении диаметра катода динамическое сопротивление разряда возрастает, в результате чего растет напряженность поля. Увеличение катодного падения потенциала приводит к усилению эффекта полого катода, и неоднородность плотности тока увеличивается.

В четвертом параграфе рассматриваются результаты измерений концентрации электронов.

Неоднородность плотности тока по длине катода обуславливает тот факт, что плотность электронов в центре полости на 1-1.5 порядка низе, чем у края. При варьировании величин полного тока и давлений гелия и кадмия концентрация электронов в различных частях полости изменяется прямопропорционально изменении плотности тока.

Последний параграф главы посвящен исследованию электронной температуры в продольно-поперечном РПК.

На основе решения уравнения баланса энергий для электронного газа для тех токовых режимов работы РПК, когда в ОС имеет место достаточно сильное электрическое поле, рассчитаны величины электронной температуры. Показано, что в этом случае основным источником нагрева электронного газа является джоулев .нагрев полем, а охлаждение осуществляется в основном за счет упругих столкновений с нейтральными атомами. Далее проводится сравнение концентрации электронов в плазме ОС и ПС при одинаковых значениях разрядного тока в том и другом случае. Поскольку плотность электронов в ОС при малых токах оказывается выше, здесь более интенсивно, чем в ПС, идет охлаждение электронного газа, и поэтому электронная темпера-

тура оказывается ниже, несмотря на наличие электрического поля.

В четвертой главе исследуются оптимальные условия генерации лазеров на парах металлов с полым катодом. Основное содержание главы составляет рассмотрение влияния радиальных и аксиальных неоднородностей параметров плазмы разряда в полом катоде на мощность генерации лазерных линий.

В первом параграфе представлены экспериментально полученные зависимости мощности генерации ионных He-Cd и He-Cd-Нц лазеров на линиях 442 нм, 534/538 нм. 636 нм Cdll и 815 нм Hgll от плотности тока, давления паров металла и давления буферного газа.

Дальнейшее рассмотрение посвящено индивидуальным процессам, участвующим в накачке каждой конкретной лазерной линии и приводящим к различию в оптимальных условиях накачки. Показано, что оптимум по плотности тока для всех исследуемых линий кроме 442 нк Сd11 обуславливается процессами деиозбуждсния верхних лазерные уровней медленными электронами, концентрации которых линейно возрастает с ростом плотности тока. Причем в большей степени электронное девозбуждение сказывается на расселении верхнего 6 гС?/2)э/: уровня линии 636 нм Cdll..

Оптимальное давление паров металла для перезарядочных лини( 534/538 нм, 636 нм Cdll, 615 нм Hgll выше, чем для пеннинговскоу линии 442 нм Cdll.Это объясняется тем, что для электронов с энергией 20-70 эВ, соответствующей максимальному сечению возбуждена метастабильных состояний 2 гелия, а значит и определенная скорость накачки пеннинг-процессом, относительные потери энергии н; атомах металла (что является паразитным процессом с точки зрени: накачки верхнего лазерного уровня 442нм) выше, чем для электроно! с энергиями £ > 70 эВ. Другими словами, ФРЗЭ в области меньши: энергий более чувствительна к наличии паров.

Влияние девозбуждения верхнего лазерного уровня медленным)

" - 15 -

электронами, концентрация которых растет с увеличением давления буферного газа, определяет сравнительно невысокое оптима'льное давление буферного газа для линии 636 нм С<Ш. Для линий' 442 ни и 534/538 нм С с! 11 разница в оптимальных давлениях обуславливается различным характером движения быстрых электронов, определявших, в конечном счете, скорость накачки пеннинговских и перезарядочних линий,а именно, диффузионное облако и направленный пучок соответственно,

3 третьем параграфе рассчитаны скорость заселения верхних уровней пеннинговских и перезарядочних переходов при различных диаметрах катода и непрерывном и импульсном режима:; работы лазера.Показано, что оптимальный диаметр катода в непрерывном режиме составляет 2-4 мм. В импульсном: для перезарядочных линий более 1 см, для пеннинговских - 3-4 мм,

В четвертом параграфе показано,что увеличение мощности и КПД на линии 442 нм СШ, при переходе от непрерывного режима работы лазера к импульсному связано'с возникновением высокоэнергетических вторичных электронов, образующихся в результате ионизации атомов рабочей смеси, энергии которых достаточно для возбуждения атомов гелия и ступенчатой ионизации атомов кадмия.

В пятом параграфе производится сравнение эффективности возбуждения ионных лазерных переходов в полом катоде ' поперечной и продольно-поперечной конфигураций. Показано,что из-за наличия неоднородности плотности тока в продольно-поперечной конструкции РПК нет возможности получить оптимальные по плотности разрядного тока условия во всех точках катодной полости. В результате чего использование поперечной конструкции позволяет в режиме раздельной генерации при оптимальных для каждой линии условиях получить мощность и КПД генерации по сравнению с продольно-поперечной на синей линии в 1.8 раза,а для зеленых и красной в 1.5 и 1.3 раза соответ-

- iß -

ствекно, а в режиме совместной генерации увеличить оптимальный для нее ток примерно в 1.5 раза и поднять тем самым суммарную мощность излучения на различных линиях.

Максимальные полученные нами мощности непрерывной генерации на линиях 442 нм, 534/538 нм и 636 нм Сd11 в лазерной трубке поперечной конструкции составили 115 мВт, 45 мВт и 13 мВт соответственно.

В приложении дано описание программы, составленной на языке Турбо Паскаль 7 для расчета локальной скорости возбуждения ионных уровней металла, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом,также приводится полный текст программы.

В заключении сформулированы основные результаты исследований настоящей работы.

Оснозные результаты работы.

1. В.результате решения кинетического уравнения для разряда с полым катодом в смеси буферный газ-пары металла получена локальная функция распределения электронов по энергии, на основе которой для линий, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом, рассчитаны радиальные профили скорости возбуждения и затем сравнены с измеренными экспериментально. На основе произведенных расчета и эксперимента сделан вывод о том, что:

а) скорость заселения перезарядочных переходов в ионах металла определяется в основном электронами, имеющими нправленный характер движения, ФРЭЭ которых анизотропна:

б) скорость заселения пеннинговских переходов в ионах металла -электронами, имеющими диффузионный характер движения, ФРЗЭ которых близка к изотропной,

2. Электрические поля, присутствующие в отрицательном све-

чении в разряде с полым катодом, возбуждаемом импульсами тока микросекундной длительности, оказывают слабое влияние на интенсивность линий возбуждаемых перерезарядкой.

3, На основе анализа характера движения быстрых электронов и рассмотрения особенностей возбуждения РПК в импульсном режиме показано, что увеличение напряжения, прикладываемого к разрядной трубке,и соответственно увеличение напряжения катодного падения в импульсном по сравнении с непрерывным режимом,по-разному сказывается на форме радиальных профилей скорости возбуждения ионных линий металлов, накачиваемых перезарядкой и пеннинг-процессом, а именно :

а)в импульсном РПК минимум скорости возбуждения перезарядочных линий у центральной оси катодной полости появляется при гораздо больших диаметрах разрядной трубки чем в непрерывном, при одинаковых давлениях рабочей смеси в том и другом случае;

б) форма радиального профиля интенсивности линий, заселяемых пеннинг-процессом, определяется в основной давлением рабочей смеси, поэтому равномерное по диаметру свечение как в импульсном, так в непрерывном режимах получается при одинаковых, сравнительно небольших диаметрах трубок. а

4. В диапазоне разрядных условий, соответствующих работе ионных лазеров на парах металлов в стационарном РНК продольно-поперечной конфигурации исследовано распределение по длине катода таких параметров разряда как плотность тока, величина катодного падения потенциала, напряженность электрического поля, концентрация электронов и электронная температура.

¡). Установлено.что плотность тока,концентрация электронов и катодное падение потенциала неравномерно распределены по длине катода.

6. В ОС РПК имеет место аксиальное электрическое поле, ко-

торов при изменении поперечного размера катода от 2 до 4 мм, уменьиается от 6 до 3 В/си в смеси гелий-кадмий и соответственно от 20 до 6 В/см в чистом гелии,

7. Неоднородность распределения плотности тока,концентрации электронов и величины катодного падения потенциала уменьшается с возрастанием полного тока на анод.При этом снижается напряженност аксиального электрического поля.

8. Увеличение давления гелия приводит к выравниванию по дли не катода распределения плотности тока, концентрации электронов и величины катодного падения потенциала.Напряженность злпктрическог поля в этом случае уменыгается.

Э. Увеличение давления паров металла приводит к возрастаниг

неоднородности плотности тока и концентрации электронов. *

10. При одинаковой средней плотности тока в том и другом а чае в РПК, имеющем меньший поперечный размер, продольный градиент плотности тока, концентрации электронов и величины катодного потенциала падения больше.

11. При варьировании величины полного тока, а также давлен? буферного газа и паров металла во всем диапазоне значений,соответствующих работе лазеров на парах металлов.полного выравнивани! параметров разряда по длине катода в продольно-поперечном РПК не происходит, поэтому на каждом участке полого катода затруднителы создать одинаковые разрядные условия.

12. На основе проделанных измерений и решения уравнения балг са энергий для электронного газа в разряде с полым катодом, показано, что джоулев нагрев электронного газа электрическим полем, в ОС продольно-поперечного РПК, не увеличивает электронную температуру до значений, соответствующих такой-же напряженности пол:, в ПС.Это происходит потом'л, что отток энергии от электронного газа, находящегося в единице объема ОС, обуславливающийся упру-

'Г

гимн столкновениями с атомами, больше, чем в ПС, из-за более высокой концентрации электронов.

13. Различие по оптимальному для генерации давлении буферного газа для переходов, заселяемых перезарядкой и пеннинг-про-цессом в ионных лазерах с РПК обуславливается различным характером движения электронов, в конечном счете, определяющих скорость того и другого процесса, а именно направленный пучок для первых и диффузионное облако для вторых.

14. Появление высокоэнергетических вторичных электронов, образующихся в результате актов ионизации , при переходе от непрерывного режима работы РПК к импульсному обуславливает увеличение мощности и КПД генерации на переходах, для которых основным механизмом заселения верхних уровней является пеннинг-процесс.

15. Из-за неоднородности плотности тока по длине катодного сегмента в продольно-поперечной конструкции РПК невозможно достижение оптимальной для генерации плотности тока в каждой точке полого катода, что обуславливает большую мощность генерации в поперечной конструкции РПК по сравнении с продольно-поперечной при равных значениях средней плотности тока близких к оптимальной.Использование поперечной конструкции позволяет в режиме раздельной генерации при оптимальных для каждой линии разрядных условиях увеличить мощность и КПД генерации примерно в 1.8 и 1.3-1.5 раза для синей, зеленой и красной линий соответственно, а в режиме совместной генерации увеличить оптимальный для нее ток примерно в 1.5 раза и поднять тем самым на столько же мощность совместного излучения на.различных линиях.

16. Проведенные исследования позволили создать конструкцию Не-С(1 лазера с РПК, для которой мощность излучения в непрерывном режиме работы составила на линии 442 нм - 115 мВт,534/538 нм - 45

«Вт и на 636 нн - 13 мВт.

Основные результаты диссертационной работа опубликованы в

следующих работах:

1. Калинченко Г.А., Вайнер В.В, Иванов И.Г.' ФРЗЗ и скорость возбуждения смеси гелий-пары металлов в разряде с полым катодом. - Тезисы доклада Всесоюзн. совещания "Инверсная заселенность и _генерация на переходах в атомах и молекулах", г. Томск, 1386 г., с. 274.

2. Калинченко Г.Й., Вайнер В.В., Иванов И.Г,

- Тезисы доклада Международной научной студ. конференции по физической оптике, г,Санкт-Петербург, 1932г., с. 16.

3. Калинченко Г.А., Вайнер В.В., Иванов И.Г.. Сэм К.Ф. Электрические и плазменные параметры радиально и аксиально неоднородного разряда в смеси гелия с парами металлов. -Тезисы доклада IU Всесоюзной конференции по физике газового разряда, г. Махачкала, 1983 г., с. 76-77.

4. Uiner U.U., Ivanov I.С., Kalinchenko G.fl. Sen H.F. Discharge radial and axial uniformity in He-Cd three-colour hollow-cathode lasers.- Pre. Ill Int. Conf."lasers and their applications", Plovdiv , Bulgaria, 1988, p. 6-7.

б. Калинченко Т.п., Вайнер B.B., Иванов И.Г. Оптимальные условия генерации трехцветных ионных лазеров на парах металлов с полым катодом. - Зурнал прикладной спектроскопии, 1989г., т.50, N 6, с. 901-905.

6. Калинченко Г.п., Вайнер В.В., Иванов Й.Г. Радиальные характеристики при разряде с полым катодом в смеси гелий-пары металлов. - Физика плазмы, т.16, H 4, 1989 г., с. 450466.

7. Вайнер В.В., Иванов И.Г., Калинченко Г.п., Сэм М.Ф. Многоцветные ионные лазеры на парах металлов с малым уровнем