Многоканальный осветитель на основе наносекундного разряда в азоте при атмосферном давлении для диагностики быстропротекающих плазменных процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

ВОВЧЕНКО Евгений Дмитриевич

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЯДА В АЗОТЕ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПЛАЗМЕННЫХПРОЦЕССОВ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

Москва 2004

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

доцент Савёлов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник, Христофоров Олег Борисович

кандидат физико-математических наук, Базанов Алексей Аркадьевич

Ведущая организация: Государственный Научный Центр

Российской Федерации «Институт теоретической и экспериментальной физики», Москва

Защита состоится "26 " февраля 2004 г. в час. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДОП. 130.05 в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, дом 31, тел. 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ Автореферат разослан

2004 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь

диссертационного совета /Ут/г Евсеев И.В.

2004-4

25067 Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований

Для исследования динамики импульсной плазмы активно используются теневые и интерферометрические методы оптического зондирования с лазерным источником подсветки. Особую сложность представляет визуализация быстропротекающих плазменных процессов в мощных импульсных разрядах типа Z-пинч (плазменный фокус, низкоиндуктивная вакуумная искра, многопроволочные лайнеры). Отсутствие достаточно хорошей пространственной и временной воспроизводимости в поведении плазмы пинчевых разрядов требует применения многокадровой регистрации. В этом случае необходим тщательный выбор и оптимизация источника подсветки, поскольку исследование наиболее плотной компоненты плазмы, существующей в течение очень короткого (/р~1-=-100 не) времени, предъявляет к лазерным осветителям особые требования. Из них наиболее важным является использование ультрафиолетового (УФ) диапазона зондирования, обеспечение высокого временного разрешения при высокой точности синхронизации, формирование нескольких лазерных пучков, задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд.

В схемах оптического зондирования наиболее широко используются оптические линии задержки и лазерные осветители на основе третьей или четвертой гармоники мощных Nd-лазеров. К их недостаткам следует отнести сложность аппаратуры, высокие требования к качеству и расходимости исходного лазерного пучка, необходимость перестройки оптической схемы при изменении задержки между кадрами.

Альтернативным вариантом ультрафиолетового источника является азотный лазер с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (TEA азотный лазер). Перспективность применения TEA азотного лазера для многокадрового зондирования плотной импульсной плазмы основана на непосредственном формировании УФ излучения (А.=337,1 нм) малой длительности (~1 не) и возможности получения генерации в однопроходном режиме, т.е. без использования резонатора. Конструкция азотного лазера значительно проще конструкции твердотельного лазера и не содержит сложных оптических элементов. Особенно большие преимущества это дает при создании многоканального осветителя, который обычно собирается из набора однотипных лазеров. Количество лазерных каналов определяется числом требуемых кадров. Такое построения системы многокадрового оптического зондирования позволяет оперативно управлять задержкой между кадрами, причем минимальное значение задержки ограничено разбросом запуска лазерных каналов. Следует также о т что 01

ективной а -

| БИБЛИОТЕКА 1 I СПтрСиг^! | 3

« 09 V»j «КГГ1 t

ции при атмосферном давлении достигаются лишь в достаточно узком диапазоне параметров возбуждения, и реализация такого режима обычно сопряжена с определенными трудностями. Несмотря на очевидные достоинства TEA азотных лазеров, их использование в схемах оптического зондирования крайне ограничено из-за отсутствия промышленных аналогов.

Таким образом, создание на основе TEA азотного лазера эффективного диагностического прибора для визуализации динамики быстропротекающих плазменных процессов в объектах наносекундной длительности является актуальной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является комплексное изучение физических процессов, влияющих на энергетические, временные и оптические характеристики излучения в TEA N2 лазерном осветителе; создание образца прибора и его апробация в теневых и интерфе-рометрических исследованиях импульсной плазмы; разработка многоканального осветителя и оптимизация его конструкции для синхронизации с короткоживущими плазменными объектами.

Автор выносит на защиту следующие, содержащие научную новизну, основные результаты:

1. Результаты комплексного исследования пространственной структуры, электрических характеристик и времени формирования поперечного наносекундного разряда в канале TEA N2 лазерного осветителя, полученные при различных формах существования разряда и условиях его возбуждения.

2. Данные об энергии излучения TEA азотного лазера, полученные при различных значениях напряжения на формирующей линии лазера и при варьировании параметров разрядного промежутка: длины электродов, их взаимного расположения и состояния разрядной поверхности;

3. Результаты и комплексного исследования энергетических, временных и оптических характеристик лазерного излучения разработанного диагностического TEA азотного лазера.

4. Результаты применения разработанного TEA азотного лазера в схемах теневого фотографирования при визуализации процессов:

- взаимодействия плазмы капиллярного разряда атмосферного давления с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях;

- восстановления электрической прочности воздушного промежутка в искровых разрядах атмосферного давления при различных значениях энергии, вкладываемой в разряд;

5. Апробацию разработанной интерферометрической аппаратуры, объединяющей TEA азотный лазер и сдвиговый интерферометр Бейтса, на плазменной установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» в режимах микропинчевания разряда.

6. Результаты исследования временных характеристик многоканального TEA N2 лазерного осветителя, формирующего последовательность зондирующих импульсов с регулируемой величиной задержки, равной 5+100 не, и запуском всех каналов от общего разрядника.

Научная и практическая значимость работы

1. Сочетание простой конструкции TEA азотного лазера, его низкой стоимости, возможности изготовления в исследовательской, лаборатории без привлечения специальных технологий и достигнутых характеристик излучения позволяет рекомендовать его в качестве диагностического средства для визуализации быстропротекаю-щих плазменных процессов. Разработанные экспериментальные образцы TEA азотного лазера переданы и используются в ряде ведущих научных организаций: ЦНИИРТИ (г. Москва), ТРИНИТИ (г. Троицк), РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров), ГНИЙ прикладной механики и электродинамики МАИ (г. Москва), ИТЭФ (г. Москва), филиал ВЭИ (г. Истра), Солтановский институт ядерных исследований (г. Варшава).

2. Сопоставление данных о процессах протекающих в электроразрядном канале TEA азотного лазера с результатами регистрации характеристик лазерного излучения позволяет обоснованно изменять и оптимизировать электрические параметры системы возбуждения и целенаправленно выбирать элементы конструкции.

3. Лазерный модуль с низкоиндуктивными элементами разрядного контура является удобным экспериментальным стендом для разработки методов формирования объемного поперечного разряда в лазерах на различных газовых смесях.

4. Решение задачи точной синхронизации между каналами TEA азотного при изменении задержек в интервале t3=5+100 не обеспечивает возможность для детального исследования короткоживущих плазменных объектов методом многокадрового зондирования.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

• I и П Всесоюзных семинарах «Физика быстропротекающих плазменных процессов» (1986 и 1989 г.г., Гродно);

• II и IV Всесоюзных школах-семинарах «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» (1985 и 1989 г.г., Николаев);

• 7 Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (1988 г., Москва);

• Зональном научно-техническом семинаре «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» (1988 г., Челябинск);

• Всесоюзном семинаре «Физические методы исследования прозрачных неоднородно-стей» (1989 г., Москва);

• IV и V Всесоюзных конференциях по физике газового разряда (1988 г., Махачкала; 1990 г., Омск) и VIII и IX конференциях по физике газового разряда (1996, 1998 г.г., Рязань);

• IV и V Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазме (1986 г., Алушта; 1990 г., Минск).

• XX, ХХП и ХГП международных конференциях «Явления в ионизованных газах (ICPIG)» (1991 г., Пиза, Италия; 1995 г., Хобокен, США; 1997 г., Тулуза, Франция).

• П международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (1997 г., Минск, Беларусь).

• I и П Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмодинамике (1989 г., п.Джан-Туган; 1991 г., п. Кацивели) и Ш, IV, V, VI Межгосударственных симпозиумах по радиационной плазмодинамике (1994,1997,2000,2003 г.г., Москва);

• Международных симпозиумах «Плазма - 97» и «Плазма - 99» (1997 г., Ополе, Польша; 1999 г., Варшава, Польша).

• Международном конгрессе по физике плазмы (1998 г., Прага, Чехия).

• I, П Российском семинаре "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды" (1998,2000 г.г., Москва);

• 4ой и 6ой сессиях МИФИ (2001 и 2003 г.г., г. Москва);

• XXI Международном симпозиуме по физике ионизованных газов (2002 г., г. Сокобаня, Югославия);

• XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (2003 г., г. Звенигород, Моск. обл.);

• X Всероссийской конференции по диагностике высокотемпературной плазмы (2003 г., Троицк, Моск. обл.).

Публикации-

Основное содержание диссертации опубликовано в печатных работах. Их

список представлен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Работа изложена на 11% страницах машинописного текста, содержит рисунка и список литературы из наименований.

Содержание работы

Во введении кратко рассмотрены основные требования, предъявляемые к источникам лазерного излучения при построении систем многокадрового зондирования плотной короткоживущей плазмы, в которых применяются теневые и интерферометрические методы исследования. Отмечена перспективность реализации многоканального осветителя на основе TEA азотного лазера. Обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы.

В главе 1 рассматриваются принципы работы и основные результаты исследования ультрафиолетовых (Х=337,1 нм) электроразрядных лазеров на молекулярном азоте. Главное внимание уделено лазерным осветителям с поперечным возбуждением при атмосферном давлении и их применению для диагностики плотной импульсной плазмы.

Излучение азотных лазеров соответствует переходу между колеба-

тельными уровнями возбужденных электронных состояний на второй положительной системе азота. Механизм перевода молекул азота на уровень из основного состояния X3 основан на электронном ударе. Поскольку переход С3я„-»В3яг является самоограниченным, для получения лазерной генерации необходимо создать инверсную заселенность за время меньшее, чем время жизни состояния С37г„ , равное т - 40 нс. Для импульсной накачки используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой канал лазера. Лазерный импульс формируется на переднем фронте импульса разрядного тока, который может либо совпадать с направлением излучения (продольный разряд), либо протекать перпендикулярно к нему (поперечный разряд). Более высокую мощность лазерного излучения (0,1-1 МВт) позволяют получать схемы с поперечным возбуждением, которые обеспечивают эффективную передачу запасенной электрической энергии в разряд. Такие лазеры работают как при пониженном давлении (ТЕ азотный лазер), так и при атмосферном давлении (TEA азотный лазер).

Для диагностики плотной короткоживущей плазмы наибольший интерес представляют TEA азотные лазеры. По существующим представлениям увеличение рабочего давления приводит к повышению пиковой мощности генерации и уменьшению длительности

лазерного импульса т. Кроме того, поперечное возбуждение при атмосферном давлении значительно упрощает конструкцию лазера и обеспечивает высокую эффективность его работы даже без применения оптического резонатора. В связи с этим, одним из наиболее важных элементов конструкции лазера, оказывающим непосредственное влияние на характеристики излучения, является генератор импульсных напряжений (ГИН). Использование в конструкции TEA азотного лазера ГИН на плоской формирующей линии Блюм-ляйна обеспечивает наиболее высокие скорости нарастания разрядного тока и более предпочтительно. К повышению выходной мощности лазера и снижению влияния на длительность лазерного импульса длины канала приводит использование режима «бегущей волны». В этом случае волна возбуждения разрядного тока распространяется вдоль лазерного канала с фазовой скоростью равной скорости распространения лазерного излучения. В свою очередь, это указывает на исключительно важную роль времени формирования разряда в процессах накачки.

Серьезной проблемой является низкая устойчивость объемного разряда в канале TEA N2-лазера. Пробой осуществляется в условиях острой конкуренции между объемной формой протекания тока и развитием стримеров и требует применения методов стабилизации разряда. Создание некоторой предварительной ионизации разрядного промежутка и перенапряжения на электродах приводит к объемной форме протекания разрядного тока и определяет особенности получения лазерной генерации. В настоящее время разработаны эффективные методы стабилизации локальных неустойчивостей, которые имеют большое практическое значение для формирования мощного безыскрового разряда. Несмотря на существование моделей, в которых делается попытка объяснения объемного протекания тока, полного представления о механизме формирования объемного самостоятельного разряда при атмосферном давлении нет. Достигаемый в экспериментах к.п.д. TEA азотного лазера существенно ниже теоретического.

Активная разработка TEA азотных лазеров связана с их применением в диагностике плотной короткоживущей плазмы (зондирующему излучению с длиной волны X = 337,1 нм соответствует критическая плотность Nc— 9,8 -Ю21 см"3). Для исследования

плазмы, формируемой разрядами типа Z- пинч, в ряде исследовательских лабораторий за рубежом созданы экспериментальные образцы TEA азотного лазера. На основе этих конструкций, представляющих собой набор из однотипных лазеров, были построены системы многокадрового зондирования, в которых использовались различные методики теневого фотографирования, а также интерферометры Маха - Цендера. Диапазон регистрируемой

электронной плотности плазмы составил величину Ne = 10IS - 1019 см"3. Величина задержки между кадрами регулировалась в пределах 10-100 не.

Таким образом, анализ литературных данных показал перспективность построения на основе TEA азотного лазера диагностических систем для многокадрового зондирования плотной короткоживущей плазмы. Поскольку объемная форма разряда при атмосферном давлении неустойчива, необходима оптимизация режимов возбуждения. Отсутствие высоковольтных низкоиндуктивных коммутаторов с субнаносекундным разбросом включения стимулирует поиск альтернативных методов синхронизации. Этими обстоятельствами и продиктована постановка задачи в рамках диссертационной работы.

Глава 2 посвящена описанию макета TEA азотного лазера и средств диагностики, выбранных в соответствии с целью работы.

Основой макета TEA азотного лазера является высоковольтный электроразрядный модуль, конструкция которого показана на рис.1. Модуль состоит из плоской формирующей линии Блюмляйна, разрядника и электродной системы. Полосковая линия Блюм-ляйна изготовлена из листа двухстороннего фольгированного гетинакса с размерами 700x520 мм2 и, при толщине 1,5 мм, способна выдерживать рабочие напряжения до 30 кВ. Узкий протяженный канал лазера образован двумя рельсовыми электродами, разрядные поверхности которых имеют цилиндрический профиль с радиусом 5 мм. Поперечное сечение канала показано на рис. 16. Длина электродов, в зависимости от задач диагностики, может изменяться в достаточно широких пределах Z=i5+5-50 см, при ширине разрядного промежутка d=2+6 мм. Для коммутации полосковой линии использовался трехэлектрод-ный искровой разрядник с искажением поля. На его управляющий электрод с помощью делителя подается напряжение, равное половине напряжения питания лазерного модуля.

Рис. 1. Электроразрядный модуль TEA N2-лазера. Расположение электродов и разрядника на полосковой линии Блюмляйна (а), поперечное сечение электродов и кюветы (б)

Для уменьшения интегрального вклада энергии в разряд за все время протекания тока емкость формирующей линии выбрана небольшой (5 нФ), а максимально запасаемая линией энергия составляет величину порядка 1 Дж. При этом, на начальной стадии формирования пробоя, разрядный ток может достигать величины нескольких килоампер, поскольку волновое сопротивление линии достаточно мало и равно 0,4 Ом.

Принципиальная электрическая схема электроразрядного модуля TEA N2 - лазера приведена на рис. 2. Пунктирной линией выделены плоская формирующая линия Блюм-ляйна и газовый разрядник, образующие вместе генератор импульсных напряжений (ГИН). Линия заряжалась от высоковольтного источника постоянного напряжения через сопротивления Rt и R2 до напряжения U. С помощью омического делителя (сопротивления R3 и R) на управляющем электроде разрядника устанавливалось напряжение, равное Пробой в разряднике инициировался высоковольтным импульсом напряжения, который подавался с выхода блока синхронизации лазера на управляющий электрод разрядника через разделительную емкость С.

(6-26) кВ А.(6 -12) кВ

Рис. 2. Принципиальная электрическая- схема Рис. 3. Размещение средств диагностики электроразрядного модуля TEA азотного лазера при регистрации электрических характе-(RI = 5 MOM, R = 100 MOM, R3 = R4 = 200 МОМ, ристик разряда С = 470пФ)

После коммутации формирующей линии на разрядном промежутке формировалось быстронарастающее импульсное напряжение, приводившее к развитию скользящего разряда по поверхности диэлектрика между электродами (см. рис. 16). С помощью скользящего разряда осуществлялась предыонизация разрядного промежутка. В результате значительного перенапряжения между электродами в лазерном канале формировался сильноточный разряд с небольшим сопротивлением плазмы г « Ri.

Кроме визуальных использовались следующие методы диагностики: фотоэлектрическая регистрация спонтанного и вынужденного излучений разряда с помощью фотоумножителя ФЭУ 30; электротехнические измерения импульсных напряжений и токов с на-носекундным временным разрешением; фотографирование интегрального свечения разря-

да. Измерение импульсных напряжений проводилось с помощью емкостного делителя, а исследование временного поведения разрядного тока осуществлялось с помощью магнитного зонда (рис. 3). Для регистрации импульсных сигналов использовался осциллограф С9-4А и принимались меры для защиты от интенсивной электромагнитной наводки.

Исследования формы и длительности лазерного импульса проводились методом фотоэлектрической регистрации. В качестве приемника излучения использовался помехоустойчивый фотоприемник ФЭК-22СПУ-М. Для исследования энергии излучения применялось несколько дополняющих один другого диагностических методов: регистрация излучения с помощью болометра, фотоэлектронная регистрация и регистрация с помощью линейного ПЗС-детектора. При фотографировании поля излучения TEA азотного лазера использовалась «черно-белая» пленка МИКРАТ-300 и цветная пленка КОДАК. Определение длины когерентности лазерного излучения было выполнено с помощью интерферометра Фабри - Перо, спектральный диапазон которого расположен в области 220+360 нм. Толщина воздушного промежутка между зеркалами интерферометра последовательно увеличивалась от одного до десяти миллиметров, приводя, в конечном счете, к «размытию» интерференционных полос. Кроме фотографирования, каждая интерферограмма регистрировалась линейным ПЗС -детектором, что позволяло оценить контрастность полос.

В главе 3 приведены результаты экспериментального исследования режимов нано-секундного разряда в канале TEA азотного лазера и комплексного исследования энергетических, временных и оптических характеристик лазерного излучения.

Исследовались разряды в азоте и воздухе. В обоих случаях, при одинаковых условиях возбуждения, внешний вид разряда имел схожую пространственную структуру. Лазерная генерация на линии 337,1 нм во всех экспериментах наблюдалась только при работе с азотом.

Наносекундный поперечный разряд атмосферного давления формировался при коэффициенте перенапряжения - импульсное напряжение на электродах, - напряжение статического пробоя. От величины р зависит пространственная структура разряда. При относительно невысоких напряжениях между электродами соответствующих значениям независимо от условий предыонизации, развивался один или несколько искровых каналов, отличавшихся высокой интенсивностью свечения. Генерация лазерного излучения при этом не возникала. Увеличение напряжения до значений приводит к реализации переходного режима с более сложной пространственной структурой. Наблюдается формирование нескольких искровых каналов, которые накладываются на возникающую область объемного свечения,

регистрируется слабая генерация. В этом режиме характер разряда определяется начальными условиями: уровнем предыонизации и степенью однородности электрического поля вдоль лазерного канала. В результате дальнейшего повышения напряжения и точной юстировки электродов, обеспечивающей их параллельность, число искровых каналов резко возрастает, интенсивность их свечения падает, а интенсивность свечения объемного разряда и энергия лазерного излучения увеличиваются. Устойчивый однородный объемный разряд наблюдается при и £20 кВ. При расстоянии между электродами d= 0,3 см это соответствует напряженности электрического поля в зазоре и величине перенапряжения Р ^ 1,8. В этих условиях объемная форма тока обусловлена развитием волны ионизации, которая формируется до перехода начальной стадии стриммерного пробоя в искровую форму. Визуально, между электродами наблюдалось сине-фиолетовое свечение, напоминающее тлеющий разряд постоянного тока. Интенсивность этого свечения практически не менялась вдоль лазерного канала и незначительно возрастала для разряда в азоте, по сравнению с разрядом в воздухе.

Рис. 4. Типичные осциллограммы временного поведения характеристик разряда

Осциллограммы временного поведения характеристик разряда, иллюстрирующие работу лазера (рис. 4), получены при напряжениях U=10-25кВи межэлектродных зазорах d = 2-5мм. Результаты регистрации лазерного излучения и диффузного свечения разряда в азоте показали, что появление лазерного импульса совпадает с начатом свечения объемного разряда (рис. 4 а). Наблюдалось увеличение длительности свечения разряда при замене азота на воздух. Колебательный характер осциллограмм объясняется наложением электромагнитной наводки от разрядной цепи на полезный сигнал ФЭУ 30. Длительность лазерного импульса (рис. 4 б), равная тг ~3 не, зависит лишь от крутизны разрядного тока и практически не изменяется при различных значениях Временное поведение напряжения на электродах, измеренное с помощью высоковольтного емкостного делителя, представлено на рис. 4 в. На этом рисунке момент пробоя в разрядном канале, соответствующий формированию лазерного импульса, отмечен стрелкой и фиксировался по резкому сбросу напряжения между электродами. Временной ход тока (рис. 4 г) определялся по сигналу с магнитного зонда Первый отрицательный пик соответствует моменту пробоя разрядника, а второй - началу протекания тока через разрядный промежуток.

(1)о-21 «В <2).-23«В (3). ■25 «а

200 160 \У, мкДж ,— \

120 V д

80 40 г } <1,мм

1.0 2 0 3.0 4.0 $.0

Рис. 5. Зависимость времени формирования разряда от напряжения питания при различных расстояниях между электродами

Рис. 6. Зависимость энергии излучения от расстояния между электродами при различных напряжениях питания формирующей линии

По задержке между передним фронтом в импульсах напряжения и тока измерено время формирования ^ объемного разряда при различных значениях напряжения и расстояния между электродами (рис.5). Полученные результаты позволяют установить разумную нижнюю границу для длительности переднего фронта возбуждающего импульса напряжения, которая должна быть меньше величины уменьшающейся с ростом импульсной перенапряженности промежутка Так например, для U=20 кВ и ^ = 20 не скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке должна быть не менее 1012В/нс. Для каждого значения напряжения питания U максимальное значение энергии излучения, соответст-

вующес оптимальному расстоянию между электродами don (рис. 6), достигается при величине Е/Р ~ 80 Всм ~'-тор~1, причем увеличение напряжения ведет к увеличению значения cto При d > 4,5 мм происходит срыв генерации.

Объемный разряд в TEA азотном лазере крайне неустойчив. Значительное уменьшение энергии излучения происходит при развитии в лазерном канале локальных искровых пробоев, шунтирующих объемный разряд. К уменьшению энергии излучения приводит также перераспределение тока в результате параллельного соединения двух разрядных промежутков: лазерного канала с межэлектродным зазором d1=3,3 мм (в котором формировалась генерация) и шунтирующего его дополнительного воздушного промежутка. Обобщенные результаты рис. 7 указывают на прямую зависимость между энергией излучения и объемной формой протекания разрядного тока. На этом рисунке приведена также ошибка измерений.

3,5 4,0 4,5 3,0 3,5 4,0 4,5

а) шунтирование искровым разрядом б) шунтирование объемным разрядом

Рис. 7. Энергия излучения TEA N2 - лазера с межэлектродным зазором d=3,3 мм в зависимости от расстояния d2 между электродами в дополнительном разряде, шунтирующем основной разряд

При отсутствии резонатора у TEA азотного лазера большое влияние на энергию излучения оказывает геометрия разрядного объема. Перераспределение энергии излучения в двух направлениях за счет изменения угла между электродами иллюстрирует рис. 8. Была реализована конструкция, в которой на одном конце разрядного промежутка расстояние между электродами фиксировалось d2=3,1 мм, а на другом -изменялось в интервале d1=2,7 - 3,4 мм. При приближении к границам этого интервала в более узкой области лазерного канала формируется искровой пробой, что приводит к уменьшению общей энергии излучения W1 + W2. Её максимальное значение достигается при параллельном расположении электродов и соответствует равенству энергий излучения с обоих концов лазерного канала.

Обобщенные результаты измерений зависимости энергии излучения от длины L лазерного канала в диапазоне L = 5 - 60 см представлены на рис. 9. Значительный коэффициент усиления приводит к насыщению активной среды уже на длине L ~ 20 см. Для снижения потерь связанных с насыщением применялся режим бегущей волны (кривая 1), реализованный за счет варьирования угла между электродами (L = 60см, d = 3,5 мм). Остальные результаты (кривые 2-4) получены для параллельных электродов (d - 4 мм) при повышении плотности накачки на стадии пробоя. Максимальные значения энергии достигнуты при секционировании электродов за счет обеспечения более точной юстировки разрядного промежутка (кривая 4). На энергию излучения влияло и состояние разрядной поверхности катода. При использовании медных катодов, эмитирующая поверхность которых после плазменной обработки имела развитый микрорельеф, наблюдалось почти двукратное увеличение энергии излучения по сравнению с необработанными образцами. Состояние же разрядной поверхности анода практически не влияло на параметры излучения.

Проведено экспериментальное исследование характеристик лазерного излучения, формируемого в электроразрядном канале TEA Nr-лазера: спектрального состава, когерентности, структуры поля излучения, расходимости. Кроме генерации на длине волны X = 337 нм имеет место слабая генерация на линии сателлита (X = 357 нм) при отношении интенсивностей, равном Длина когерентности лазерного излучения оп- -

ределена из анализа видности интерференционных картин, полученных с помощью интерферометра Фабри-Перо, и равна ¡„^ ~ 1 см. Распределение энергии излучения в поперечном сечении лазерного пучка, зарегистрированное с помощью линейного пл.с. детектора, однородно в центральной области поля излучения.

При фотографировании поля излучения обнаружена «волокнистая» структура: на основной фон накладывалось большое число очень узких полос, повторяющих форму разрядной поверхности электродов. Однако их присутствие не оказывает заметного влияния на обработку интерферограмм, поскольку ширина интерференционных полос обычно значительно больше, чем период следования «волокнистой» структуры. Угловая расходимость лазерного пучка зависит от длины L и ширины d лазерного канала. При L - 60 см и d=3,5 мм измеренные значения угла расходимости а||=7 мрад (в плоскости развития разряда) и =5 мрад (в перпендикулярном направлении) хорошо согласуются с оценкой определяемой геометрией разрядного промежутка.

Таким образом, оптимизация режима возбуждения и геометрии разрядного объема позволяет осуществлять целенаправленный выбор параметров L, d, а и разрабатывать для многоканального осветителя компактные конструкции TEA азотных лазеров.

Глава 4 посвящена применению TEA азотного лазера для диагностики плазмы, формируемой в импульсных разрядах различного типа, а также разработке конструкции многоканального лазерного осветителя.

Экспериментальный образец TEA азотного лазера (рис. 10) имеет габаритные размеры 750x650x160 мм и изготовлен на основе конструкции электроразрядного модуля, описанной выше. Разрядный канал имеет длину L=60 см, при ширине разрядного промежутка d= 3,5 мм. Электроды установлены в негерметизированную кювету, изготовленную из плексигласа. Электроразрядный модуль помещен в блок из плексигласа, на верхнем основании которого крепились схемы высоковольтного источника питания.

При синхронизации лазера с внешними устройствами аппаратная задержка и разброс задержки определялись временными характеристиками высоковольтного разрядника, коммутирующего полосковую линию Блюмляйна. Оптимизации его параметров позволила получить нестабильность запуска, равную t = ±10 не. Схема формирования высоковольтного импульса, управляющего разрядником лазера, выполнена на основе высоковольтного тиратрона ТГИ-400/16, который работал в нестандартном режиме. Увеличение амплитуды и крутизны импульса напряжения, прикладываемого к сетке тиратрона, обеспечило точность запуска, равную t ~ 2 не, а варьирование напряжения накала позволило уменьшить суммарную задержку и перейти в наносекундный диапазон. Для запуска

тиратрона разработан генератор высоковольтных импульсов, выполненный на цепочке из нескольких соединенных последовательно транзисторов КТ 940А, работающих в режиме лавинного пробоя.

Рис. 10. Внешний вид экспериментального образца TEA азотного лазера

Для апробации TEA азотного лазера методами теневого фотографирования визуализированы процессы в искровом разряде атмосферного давления после высоковольтного (~16 кВ) пробоя разрядного промежутка с межэлектродным зазором, равным 5 мм. Для исследования динамики процессов применялся режим съемки с введением регулируемой задержки от разряда к разряду в схему управления одноканальным TEA азотным лазером Синхронизации с конкретными фазами осуществлялась при запуске лазера импульсным напряжением, которое формировалось на емкостном делителе в момент пробоя разрядного промежутка. В экспериментах обеспечена точность синхронизации не хуже ± 10 не при времени экспозиции, равном 3 не. Проведенные теневые измерения показали (рис. 11), что в ранней стадии (t3 =0,1+2 мке) происходит резкое расширение искрового канала от 0,1 до 3 мм, приводящее к формированию ударной волны. При задержке лазерного импульса подсветки относительно начала разряда, равной t3 - 3 мке, наблюдается отрыв фронта ударной волны от искрового канала и перемещение его со скоростью 105 см/с в периферийную область разряда (см. рис. 11 б). На этой стадии расширение искрового канала прекращается. Плазменный шнур находится в квазистационарном равновесии с окружающим его воздухом. В заключительной стадии (t3>30 мке) однородность плазменного канала нарушатся. Хорошо наблюдаются области турбулентного возмущения (рис. 11 в,г). Шнур «разваливается» на отдельные замкнутые области и, при t3 =10 мс, разрядный промежуток оптически полностью очищается.

С помощью разработанного TEA азотного лазера проведено детальное исследование процессов формирования и распространения в воздухе плазменного факела Объект представляет собой протяженную (~15+20 см), долгоживущую (~10мс) струю плазмы, окруженную разогретой газовой оболочкой, и формируется у торца узкого диэлектрического канала при возбуждении капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС) Основные условия формирования разряда накопительная емкость 800 мкФ, рабочее напряжение 300 В, диаметр капилляра 1 мм, длина капилляра 3 мм

Рис. 11 Теневые фотографии динамики искрового канала t, = 3 мкс (a), f, = 7 мкс (б), Г3 = 50 мкс (в), /,= 100 мкс (г),

В экспериментах используется методика теневого фотографирования с TEA азотным лазером, примененная ранее для визуализации искрового разряда. Все задержки рассматриваются относительно высоковольтного импульса напряжения, инициирующего пробой в капилляре Исследования проводились в широком временном интервале который условно можно разбить на четыре этапа Первый этап (начальная стадия) ограничен интервалом 0 < t3 <50 мкс, в течение которого создаются условия для формирования плазменного факела Для визуализации этой стадии были получены теневые изображения (рис 12 ) приэлектродной области КРИС при диаметре поля визуализации 25 мм. Газодинамическое истечение плазмы из отверстия в диэлектрическом капилляре сопровождается образованием сферической ударной волны

При задержке 5 мкс, происходит отрыв фронта ударной волны от границ плазмообразова-ния и быстрый уход в периферийную область со скоростью ~4104 см/с (рис. 12 а-в)

На втором этапе (стадия роста) главную роль играют электродинамические силы. Его начало (рис 12 г) соответствует интервалу задержек t3 =50+100 мкс, когда расширение плазменного образования переходит в направленное движение плазменной струи по оси капилляра с начальной скоростью -104см/с (рис. 12д,е) В результате нарастания разрядного тока начинается интенсивный рост факела в продольном направлении и образование плазменной струи, вокруг которой формируется область нагретого воздуха (рис 13 а,г). Факел окружается «шубой»-газодинамически возмущенной газовой оболочкой, обусловленной большой разницей температур в приосевой зоне разряда и окружающем воздухе.

г д е

Рис. 13. Визуализация различных стадий плазменного фахела: тенеграммы (а-в); компьютерная обработка (г-е). Диаметр поля визуализации 50 мм. Стадия роста, задержка 1 мс (а, г); квазистационарное равновесие, задержка 4 мс (б, д); турбулизация «шубы», задержка 6 мс (в,е)

Третий этап (квазистационарная стадия) характеризуется переходом в режим рав-ыовесия с окружающим газом (рис. 13 б,д). Продолжительность этого периода соответствует интервалу задержек 3+6 мс и совпадает со временем существования разрядного тока. Четвертый этап (заключительный) начинается с турбулизации «шубы», которая проявляется на тенеграммах (рис. 13 в, е) в виде изменения характерного размера локальных не-однородиостей. Основная часть тепла отводится за счет возрастания эффективного коэффициента теплопередачи, связанного с зарождением вихревого движения газа, вызывая быстрое остывание разрядного канала. Полное восстановление исходного состояния газа наблюдается через 12 мс.

Размещение на пути распространения плазменной струи тонкой фольги приводит к прожиганию в ней отверстия диаметром 1+2 мм, дальнейшему росту факела и восстановлению первоначальной структуры (рис. 14 а, б). Размеры отверстия в фольге на порядок меньше, чем размер «шубы» и соответствуют «керну» -наиболее плотной центральной области плазменного образования. Замена фольги на диэлектрическую пленку ограничивает дальнейший рост факела. Наличие же в диэлектрике даже небольшого отверстия (~ 1 мм), которое совмещено с осью капилляра, обеспечивает беспрепятственное прохождение струи плазмы через преграду (рис. 14 в).

а б в

Рис. 14. Взаимодействие плазменного факела с преградой. Прожигание фольги (а, б); прохождение через отверстие в диэлектрике (в)

Применение лазерного осветителя с оптическим интерферометром поперечного сдвига значительно расширило возможности разработанной диагностической аппаратуры. Реализованы две модификации интерферометра Бейтса с формированием бокового сдвига механическим и оптическим способом. В первом случае сдвиг осуществляется за счет наклона и перемещения самих зеркал и приводит к малому рассогласованию между плечами интерферометра Во втором случае в плечо интерферометра установлена плоскопараллельная пластина, поворот которой вокруг горизонтальной и вертикальной осей (перпендикулярных направлению луча) приводит к сдвигу в соответствующих направлениях. Использование сдвигового интерферометра обеспечает регулирование чувствительности измерений, компактность конструкции и возможность размещения оптического прибора за пределами плазменного объекта.

Разработанная лазерно-интерферометрическая аппаратура применялась для оптического зондирования плазмы на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра» (НВИ). Цель экспериментов - демонстрация возможностей лазерной аппаратуры для диагностики плотной высокотемпературной плазмы. Электроразрядный промежуток НВИ

выполнен по классической схеме, с плоским катодом и анодом в форме иглы Пробой промежутка осуществляется за счет поперечной инжекции «формлазмы» от четырех вспомогательных источника эрозионного типа, расположенных симметрично оси разряда, и обеспечивает начальную фазу развития микропинчевого разряда

1.J MlbW ^

JKWUbl 1>е< ПЛЯ)ЧЫ

Рис 15 Сдвиговая интерферограмма разряда на установке типа «низкоиндуктивная вакуумная искра»

Эксперименты проводились при следующих параметрах установки начальном вакууме ~10-4Торр, емкости накопительной батареи С=3-"-12мкф, рабочем напряжении разрядном токе и времени его нарастания Т/4 ~ 2 мке Дина-

мика процессов, протекающих в межэлектродном промежутке, исследовалась методами теневого фотографирования и сдвиговой интерферометрии На интерферограммах, одна из которых представлена на рис 15, получена визуализация динамики продвижения токового фронта вдоль боковой поверхности и торца анода в область разрядного промежутка. Данный режим получен при сильной эрозии электродов и внешне носит ярко выраженный "плазменно-фокусный" характер

Серьезным препятствием для построения из разработанных TEA азотных лазеров многоканального осветителя явилась низкая точность запуска лазерных каналов (± 10 не) относительно внешнего управляющего импульса. Принципиальное уменьшение разброса между лазерными каналами достигнуто в результате перехода от традиционного

набора одноканальных лазеров к конструкции с последовательным пробоем лазерных каналов при запуске всей системы от одного управляющего разрядника (рис 16)

Рис.16. Конструкция многоканального лазера с последовательным пробоем разрядных промежутков

Полосковая линия Блюмляйна с размерами 350x800 мм2 разделена тремя парами электродов (1=25 см) на четыре секции. Разрядные цепи полосковой линии Блюмляйна можно рассматривать как схемы с сосредоточенными емкостями, поскольку измеренное время нарастания переднего фронта напряжения на разрядных промежутках ^ ~10 не больше, чем время прямого и обратного распространения волны напряжения в секциях линии. В этом случае интервалы следования лазерных импульсов обусловлены временем формирования разряда в каналах лазера и изменяются в достаточно узком диапазоне задержек (10Л-20 наносекунд). Попытка его расширения за счет варьирования параметрами ита. ¿неизбежно приводила к снижению энергии излучения (см. рис. 5,6).

Рис.17. Многоканальный ТЕАК2-лазер с параллельно-последовательным запуском разрядных модулей

Расширение диапазона задержек было достигнуто в предложенной нами схеме с параллельно-последовательным запуском разрядных модулей (рис. 17), объединенных одной полосковой линией (С0-С6 секции линии, К- вспомогательные обострители). В отличие от лазера с последовательным пробоем, в этой конструкции осветителя лазерные каналы запускаются независимо друг от друга, но с некоторыми задержками относительно общего управляющего разрядника. Значения этих задержек определяются временем фор-

мирования разряда в дополнительных разрядниках-обостригелях, включенных последовательно с разрядными промежутками, и могут варьироваться в гораздо более широких пределах (г=1+100 не), чем в лазерных каналах. Это стало возможным благодаря пространственному разделению областей генерации лазерного излучения (электроразрядный канал) и его задержки (разрядник-обостритель).

Разработанный многоканальный осветитель на основе TEA азотного лазера с параллельно-последовательным запуском лазерных модулей отличает возможность гибкого изменения задержек между лазерными импульсами от единиц до десятков наносекунд простота конструкции и отсутствие оптических элементов.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Исследованы пространственная структура и динамика электрических характеристик наносекундного разряда в канале TEA азотного лазера, а также определены границы его объемной формы при различных значениях перенапряжения на разрядных электродах.

2. Исследованы энергетические характеристики излучения TEA азотного лазера:

- зависимость энергии излучения от величины перенапряжения между электродами, длины электродов, их взаимного расположения в безыскровом режиме разряда;

- влияние на энергию излучения локальных пробоев, шунтирующих основной разрядный ток;

- возможность увеличения энергии излучения за счет формирования микроконусной структуры разрядной поверхности электродов.

3. Разработан экспериментальный образец TEA азотного лазеры и исследованы характеристики излучения, определяющие возможности его применения в теневых и интерферометрических исследованиях быстропротекающих плазменных процессов.

4. Проведена апробация разработанного TEA азотного лазера при визуализации быс-тропротекающих плазменных процессов взаимодействия плазмы капиллярного разряда с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях и восстановления электрической прочности в искровых разрядах атмосферного давления в импульсных разрядах различного типа.

5. Разработана и апробирована на плазменной установке с сильноточным микропинче-вым разрядом интерферометрическая аппаратура, отличительной особенностью кото-

рой является объединение преимущества сдвиговой интерферометрии (компактность и переменная чувствительность) с простой конструкцией TEA азотного лазера.

6. Разработан многоканальный TEA азотный лазер с запуском всех каналов от общего разрядника и апробирован метод формирования задержек между каналами с возможностью оперативного регулирования величины задержки в интервале 5+100 не.

Основные результаты, полученные автором, опубликованы в

следующих работах:

1. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Многоканальный азотный TEA лазер как источник света для многокадровой интерферометрии плотной нестационарной плазмы - Тез. докл. IV Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986, с. 19.

2. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Тельковский В. Г., TEA азотный лазер для исследоаа-ния короткоживущей плотной плазмы - Тез. докл. I Всесоюзного семинара «Физика быстропротекающих плазменных процессов», Гродно, 1986, с.53 - 54.

3. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Мощный импульсный ультрафиолетовый лазер, возбуждаемый сильноточным поперечным разрядом в азоте при атмосферном давлении. - Сб. Мощные физико-энергетические системы, М., Энергоатомиздат, 1988, с. 57 - 64.

4. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Стенин В. Я., Шевченко П. В., Измерение параметров излучения субнаносекундного ультрафиолетового TEA N2 лазера линейным ПЗС детектором - Тез. докл. VII Всесоюзной конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, 1988, с. 38.

5. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Использование TEA N2 лазера для многокадровой интерферометрии короткоживущих плазменных объектов - Тез. докл. зонального научно-технического семинара «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях», Челябинск, 1988, с. 43 - 44.

6. Вовченко Е.Д., Визуализация послепробойных процессов в искровом разряде атмосферного давления - Тез. докл. IV Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала, 1988, часть 1, с. 23 - 24.

7. Вовченко Е. Д., Савелов А. С, Многоканальный диагностический TEA азотный лазер с пикосекундным разбросом между импульсами генерации - Тез. докл. П Всесоюзного семинара «Физика быстропротекающих плазменных процессов», Гродно, 1989, с. 24.

8. Башутин О. А., Вовченко Е. Д., Дубровская И. В., Савелов А. С, Стенин В. Я., Шевченко П. В., Яковлев А.В. Лазерный интерферометрический комплекс для пространственно-временной диагностики нестационарной плазмы - Тез. докл. V Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Минск, 1990, с. 138 -139.

11. Вовченко Е. Д., Савелов А. С. Формирование комбинированного TEA разряда с объемной фазой - Тез. докл. V Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Омск, 1990, с. 75-76.

12. Fetisov I.K., Khodachenco G.V., Korolev L.V., Mozgiin D.V., Ushakov A.G., Vovchenko E.D. "Investigation of plasma dynamics and post-discharges processes in the pulse arc at atmospheric pressure" "- Proc. of XX Int Conf. of Phen. in Ion Gases (ICPIG), Pisa, Vol. 6,1327-1328,(1991).

13. Vovchenko E.D., Bashutin OA, Savjolov A.S., Zdanov S.K., Kirko D.L., Smirnov V.M. "Dynamic of plasma jet formation using a quasistationary discharge at atmospheric pressure"- Proc. of XX Int. Conf; of Phen. in Ion Gases (ICPIG), Pisa, Vol. 6, 1375-1376, (1991).

14. Вовченко Е.Д., Власов А.Л. Особенности формирования объемного разряда в диагностическом TEA N2 лазере.- В сб.: Приборы и методы диагностики плазмы и поверхности стенок плазменных установок, М., Энергоатомиздат, 1991, с. 69.

15. Вовченко Е.Д., Савелов АС., Суханов АА, Цыганкова Н.Е. Сдвиговый интерферометр для диагностики плотной плазмы - В сб.: Приборы и методы диагностики плазмы и поверхности стенок плазменных установок, М, Энергоатомиздат, 1991, с. 59-68.

16. Башутин ОА, Вовченко Е.Д., Савелов А.С. Динамика плазменных процессов в электроразрядном канале TEA азотного лазера - Тез. докл. Ш Межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодинамике, М, 1994, с. 170-171.

17. Bashutin O.A., Vovchenko E.D., Savjolov A.S. Laser interferometry for remote diagnostics of thermonuclear plasma - Biannual Report 93-94, МЕРЫ, Moscow, Russia, 1995, pp. 3843.

18. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Kurnaev VA, Savjolov A.S. Studies of the transversal discharges in atmospheric pressure nitrogen laser - Proc. XXII Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Hoboken, New Jersey, USA, August 1995, part 3, pp. 79-80.

19. Башутин ОА, Вовченко Е.Д., Ли Джэн Хун, Савелов А.С. Требования к формированию и развитию поперечного разряда при оптимизации TEA N2 лазера -Тез. докл. VIII конференции ФГР-96, часть 1, с.11-13.

20. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Savjolov A.S., Zh.H. Lee, Phenomenology of the pulse glow discharge in the diagnostic TEA nitrogen laser - Proc. Intern. Symposium PLASMA-97, Opole, Poland, June 10-12,1997, v.l, p.469-472.

21. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Kurnaev VA, Savjolov A.S., Zh.H. Lee, A diagnostic laser apparatus for investigation of plasma in a wide range of electron densities - Proc. of XXIII Int. Conf on Phen. in Ion. Gases (ICPIG), Toulouse, France, July 17-22, 1997, v.IV, p. 112113.

22. Башутин ОА, Вовченко ЕД, Савелов А.С., Влияние поверхности катода на суперлюминесценцию наносекундного поперечного разряда в азоте при атмосферном давлении" - Труды П Межд. конф. "Физика плазмы и плазм, технол.", Минск, Беларусь, 15-19 сентября, 1997, т. 1, стр. 24-27.

23. БашутияОА, Вовченко Е.Д, Долгов А.Н., Кадетов ВА, Ли Джэн Хун, Саве-лов А.С., Влияние параметров вспомогательного разряда на характеристики плазмы микрогшнча -Тез. докл. IV Межгосуд. симпоз. по радиационной плазмодинамике (РПД-97), Подмосковье, 22-24 октября, 1997, с.46.

24. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Sayjolov A.S., Kadetov VA., Zh.H. Lee, Optical diagnostics of the plasma dynamics in vacuum spade - Proc. Intern. Congress on Plasma Phys-ics,Czech Rep., Prague, 1998,Vol.22C, p. 1021-1022.

25. Ватутин ОЛ., Вовченко Е.Д., Ли Джэн Хун, Савелов А.С., Сивко ПА Визуализация радиальной структуры "плазменного факела в установившейся и заключительной стадиях существования разряда - Тез. докл. DC конф. по физике газового разряда, Рязань, 1998,ч.2,с.77-79.

26. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Kadetov VA, Prokhorovich D.E., Sayjolov A.S., Zh.H. Lee, Micropinch with lateral discharge initiation. J. Technical Physics, Special Supplement Vol.XL,Nol, 1999,p.283-286.

27. Bashutin OA, Vovchenko E.D., Kozin G.I., Kuznetsov A.P., Savjolov A.S., Novel active double-channel laser interferometer. J. Technical Physics, Special Supplement VolXL, Nol, 1999,p.407-410.

28. Башутин OA, Вовченко Е.Д., Козин Г.И., Кузнецов А.П., Савёлов А.С., Двухканаль-ный интерферометр на основе внутрилазерной регистрации отраженного излучения. "Измерительная техника", 7,1999, с. 36-39.

29. Башутин ОА, Вовченко Е.Д., Кадетов ВА, Коротаев К.Н., Ли Джэн Хун, Прохорович Д.Е., Савёлов А.С., Сивко ПА, Исследование динамики микропинчевого разряда и эрозии электродов. - Препринт МИФИ, 015-98,32 стр.

30. Башутин ОА, Вовченко Е.Д., Кадетов ВА, Ли Джэн Хун, Прохорович Д.Е., Савёлов А.С., Сивко ПА, Динамика излучающего микропинчевого разряда и процессы на его электродах - Тезисы докл. V Межд. Симпоз. по радиационной плазмодинамике, июнь 2000 г., Москва, с.108-109.

31. Вовченко Е.Д., Савёлов А.С., Сивко ПА., Лазерный комплекс для исследования плотной импульсной плазмы, Материалы П Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», 20-22 июня, 2000, Москва, с.46-48.

32. Bashutin OA, Vovchenko E.D., KozinG.I., Kuznetsov A.P., Lebedinsky M.O., Sayjolov A.S. Laser apparatus for plasma diagnostics in a wide range of electron densities -Contrib. papers of 21 International Symposium on Physics of Ionized Gases, August 2002, Sokobanja, Yugoslavia, pp. 534-537.

33. Аверин М.С., Башутин ОА., Вовченко Е.Д., Савелов A.C., Савелов СЛ. Двухканаль-ный TEA №-лазер для визуализации импульсной плазмы в субнаносекундном диапазоне - Тез.докл. X Всесоюзной конференции лДиагностика высокотемпературной плазмы», Троицк, 2003, с. 67-68.

34. Вовченко Е.Д., Ли Сань Вэй, Прохорович Д.Е., Савёлов А.С. Динамика разряда низкоиндуктивной вакуумной искры с радиально-симметричным плазменным инициированием - Тез. докл. VI Межгосударственного симпозиума по радиационной плазмо-динамике, Москва, 2003, с. 139-141.

* 17 51

РНБ Русский фонд

2004-4 25067

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Основные физические принципы работы азотного лазера.

1.2. Методы возбуждения и конструкции электроразрядных азотных лазеров.

1.3. TEA азотный лазер и проблема стабилизации разряда.

1.4. Применение азотного лазера для диагностики импульсной плазмы.

1.5.Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальные условия и средства диагностики физических процессов в TEA N2 лазере.

2.1. Конструкция электроразрядного модуля TEA N2 лазера.

2.2. Принципы работы электроразрядного модуля и синхронизация с внешними устройствами.

2.3. Средства и методы диагностики.

Глава 3. Результаты исследований режимов возбуждения и характеристик лазерного излучения.

3.1. Исследование режимов разряда в канале TEA азотного лазера.

3.2. Влияние физических параметров на энергию лазерного излучения.

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик лазерного излучения

Глава 4.Использование TEA азотного лазера для диагностики импульсных плазменных объектов различного типа.^

4.1. Разработка экспериментального образца TEA азотного лазера.

4.2. Интерферометр со сдвигом волнового фронта.

4.3. Визуализация процессов в высоковольтном искровом разряде атмосферного давления.

4.4. Визуализация динамики развития капиллярного разряда в воздухе при атмосферном давлении.

4.5. Диагностика микропинчевого разряда на установке ПФМ

4.6. Многоканальный осветитель на основе TEA азотного лазера.

Для исследования импульсной плазмы широко применяются методы лазерной рефракционной диагностики, основанные на зависимости оптического показателя преломления плазмы от ее плотности. Эти методы исследования различаются информативностью, сложностью реализации, стоимостью применяемой лазерной аппаратуры и являются в настоящее время хорошо развитой областью диагностики плазмы, которой посвящены подробные обзоры [1-4]. Однако и среди них присутствует ряд диагностик, требующих дополнительного развития. К их числу следует отнести лазерные методы многокадровой интерферометрии и теневого фотографирования, которые позволяют визуализировать динамику однократных импульсных процессов в плазме с дискретными задержками между отдельными кадрами.

Значительную сложность при многокадровом лазерном зондировании представляет визуализация поведения плотной импульсной плазмы при малых временах её существования. Плотная короткоживущая плазма формируется, например, при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом [5] и в импульсных разрядах типа Z - пинч [6]. Плазменная установка подобного типа, с образованием в микропинчевом разряде плазменной точки, функционирует и на кафедре «Физика плазмы» (МИФИ).

I о л < 7

Исследование наиболее плотной см" ) компоненты плазмы микропинчевого разряда, существующей в течение очень короткого (/р~1-М00 не) времени, предъявляет к лазерным осветителям особые требования. Из них наиболее важным является использование ультрафиолетового (УФ) диапазона зондирования, обеспечение высокого временного (~1 не) разрешения при точности синхронизации не хуже 1-г5 не, формирование нескольких лазерных пучков, задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд.

При таких малых временах наблюдения, единственной возможностью для получения серии кадров за время одного разряда является формирование нескольких лазерных пучков, разделенных в пространстве за счет небольших отклонений от направления зондирования и задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд. В этом случае выбор лазерного осветителя особенно важен, поскольку во многом определяет как возможности диагностической аппаратуры, так и ее стоимость.

Среди лазерных осветителей этого диапазона наибольшее развитие получили диагностические системы, использующие третью или четвертую гармоники мощных Nd-лазеров. Применение методов частотной конверсии и временной селекции позволяет эффективно преобразовывать длинноволновое излучение Nd-лазера в ультрафиолетовый диапазон и управлять временными характеристиками излучения. Для формирования последовательности зондирующих импульсов широко используются оптические задержки. К недостаткам подобного подхода следует отнести сложность аппаратуры, высокие требования к качеству и расходимости исходного лазерного пучка, ограничение максимальной задержки величиной ~20 не, определяемой длиной пути.

Альтернативным вариантом осветителя являются эксимерные лазеры и лазеры на молекулярном азоте. К их достоинствам следует отнести прямую генерацию УФ излучения наносекундной длительности. Однако, бесспорно уступая эксимерным лазерам по энергии излучения, азотные лазеры проще по конструкции, формируют более короткий лазерный импульс 1 не), а в их рабочей среде отсутствуют токсичные компоненты. Кроме того, азот значительно дешевле инертного газа и более устойчив к воздействию электрического разряда. Таким образом, для построения системы многокадрового зондирования плотной короткоживущей плазмы наиболее привлекательным источником излучения является азотный лазер.

Ультрафиолетовому излучению азотного лазера (А, = 337 нм) соответствует переход С3яи (v =0) —» BlTig (v =0) между колебательными уровнями возбужденных электронных состояний на второй положительной системе азота [7]. Механизм перевода молекул азота на уровень С3пи из основного состояния X3£g+ основан на электронном ударе. Для накачки 5 используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой электроразрядный канал лазера. Эффективность трансформации электрической энергии в лазерное излучение зависит от величины разрядного тока и скорости заселения верхнего возбужденного состояния С3пи, время жизни т которого чрезвычайно мало. Короткий импульс лазерного излучения формируется на переднем фронте тока, который может либо совпадать с направлением излучения (продольный разряд), либо протекать перпендикулярно к нему (поперечный разряд).

Анализ различных типов азотных лазеров показал, что значительно упрощает конструкцию лазера и повышает его характеристики применение схемы возбуждения поперечным разрядом, для которой имеет место наиболее эффективная передача запасенной электрической энергии в разряд. Лазеры с поперечным возбуждением работают как при пониженном [8,9], так и при атмосферном давлении [10,11]. Однако для диагностики плотной короткоживущей плазмы наибольший интерес представляет лазер с поперечным возбуждением при атмосферном давлении (TEA азотный лазер). Его отличает высокий уровень пиковой мощности, простота конструкции и возможность формирования лазерного излучения без применения оптического резонатора. Это дает большие преимущества при создании многоканального осветителя, который обычно собирается из набора однотипных TEA азотных лазеров. Количество лазерных каналов определяется числом требуемых кадров [12]. Такое построение системы многокадрового оптического зондирования позволяет оперативно управлять задержкой между кадрами, минимальное значение которой ограничено разбросом запуска лазерных каналов.

Однако отечественный рынок лазерной техники представлен только несколькими моделями азотного лазера, работающими при пониженном давлении и обладающих большой длительностью лазерного импульса (~10нс) [13]. В связи с этим, несмотря на очевидные достоинства TEA азотных лазеров, их использование в схемах оптического зондирования крайне ограничено из-за отсутствия промышленных аналогов. Следует также отметить, что обеспечение оптимальных условий для эффективной генерации достигается при атмосферном давлении только в достаточно узком диапазоне параметров возбуждения, и реализация такого режима сопряжена с определенными трудностями. Серьезной проблемой является синхронизация многоканального лазера с импульсными плазменными объектами, обладающими собственными задержкой и разбросом, при малой величине задержки между кадрами. Отсутствие низко индуктивных (~10нГн) коммутаторов с рабочим напряжением, равным 25 - 30, при импульсных токах ~ 1-10 кА и разбросе включения ~ 1 не делает невозможным повторение зарубежных аналогов без ухудшения их характеристик.

Данная работа посвящена созданию на основе TEA азотного лазера эффективного диагностического прибора, в том числе в многоканальном варианте, который обладает простой конструкцией, низкой стоимостью и может быть изготовлен в исследовательской лаборатории без привлечения специальных технологий. Кроме того, для расширения возможностей диагностики, лазерный осветитель следует дополнить оптическим интерферометром, что, в свою очередь, требует проведения дополнительных исследований.

Целью работы является комплексное изучение физических процессов, влияющих на энергетические, временные и оптические характеристики излучения в TEA азотном лазере, разработка и апробация лазерного интерферометра на импульсных плазменных установках, а также оптимизация конструкции многоканального осветителя и методов его синхронизации с короткоживущими плазменными объектами. Для этого необходимо: Провести исследование пространственной структуры и динамики развития поперечного наносекундного разряда в канале азотного лазера, а также границ его устойчивости при атмосферном давлении и различных значениях перенапряжения между электродами.

Провести исследование влияния параметров электрического возбуждения, элементов конструкции и геометрии разрядного промежутка на энергию излучения и временные характеристики TEA азотного лазера.

Разработать экспериментальный образец TEA азотного лазера и провести комплексное исследование его рабочих характеристик; применить разработанный лазер для визуализации быстропротекающих процессов в плазме импульсных разрядов различного типа.

Разработать лазерный интерферометр для исследования плазменных объектов с большими градиентами электронной плотности и апробировать его при диагностике плотной короткоживущей плазмы, формируемой сильноточным микропинчевым разрядом.

Оптимизировать методы синхронизации TEA азотного лазера с плазменными объектами наносекундной длительности и разработать оптимальную конструкцию многоканального лазерного осветителя.

В первой главе диссертации проводится обзор результатов экспериментального исследования ультрафиолетовых (А,=337 нм) электроразрядных лазеров на молекулярном азоте. Основное внимание уделено лазерным осветителям с поперечным возбуждением при атмосферном давлении, их характеристикам, конструкциям и применению для диагностики импульсной плазмы.

Большое значение для повышения эффективности работы TEA азотного лазера представляет увеличение скорости ввода электрической энергии в поперечный разряд, использующийся для накачки активной среды. Важным элементов конструкции лазера, оказывающим непосредственное влияние на этот процесс, является генератор импульсных напряжений (ГИН). В связи с этим, в конструкции TEA азотного лазера предпочтительно применять ГИН на плоской формирующей линии Блюмляйна, который обеспечивает очень высокие скорости нарастания разрядного тока.

Серьезной проблемой является также низкая устойчивость объемного разряда в канале TEA азотного лазера. Создание некоторой предварительной ионизации разрядного промежутка и перенапряжения на электродах приводит к объемной форме протекания разрядного тока и определяет особенности получения лазерной генерации. Разработаны эффективные методы стабилизации локальных неустойчивостей, которые имеют большое практическое значение для формирования мощного безыскрового разряда. Хотя полученные данные достаточно хорошо согласуются с моделью многоэлектронного инициирования, объясняющей объемное протекание тока, полного представления о механизме формирования объемного самостоятельного разряда при атмосферном давлении нет.

Во второй главе приводится описание макета TEA азотного лазера, выполненного на основе плоской формирующей линии Блюмляйна, а также выбранных (в соответствии с целью работы) средств и методов диагностики. Данные методики были использованы для: исследования режимов наносекундного разряда, формируемого в канале TEA азотного лазера; исследования влияния физических параметров в TEA азотном лазере на энергию излучения; исследования энергетических, временных и оптических характеристик разработанного экспериментального образца TEA азотного лазера.

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований режимов возбуждения и характеристик лазерного излучения вышеизложенными методами.

Четвертая глава посвящена результатам применения разработанного TEA азотного лазера для диагностики плазмы в импульсных разрядах различного типа. Приводятся также результаты создания конструкции многоканального лазерного осветителя.

В заключении сформулированы основные выводы из диссертации.

3.1.2. Результаты исследования временных характеристик разряда Результаты регистрации лазерного излучения и диффузного свечения разряда в азоте показали, что появление лазерного импульса совпадает с началом свечения объемного разряда (рис. 3.4). Наблюдалось увеличение длительности свечения при замене азота на воздух. Колебательный характер осциллограмм объясняется наложением электромагнитной наводки от разрядной цепи на полезный сигнал ФЭУ 30.

Рис. 3.4. Фотоэлектрическая регистрация наносекундного поперечного разряда при атмосферном давлении: 1 - спонтанное излучение разряда в азоте; 2- спонтанное излучение разряда в воздухе; 3 - лазерный импульс: Л

О 40 80 120 160 не

Проведено исследование временного поведения электрических характеристик разряда (импульсного напряжения между электродами и разрядного тока) при напряжениях питания формирующей линии UQ= 10-25 кВ и межэлектродных зазорах d = 2-5 мм. Пример таких осциллограмм, иллюстрирующих работу лазера при U0 = 17 кВ и d = 3 мм, приведен на рис. 3.5. а б

Рис. 3.5. Типичные осциллограммы временного поведения электрических характеристик разряда при U = 17 кВ, d-Ъ мм: напряжение на разрядном промежутке (а); разрядный ток (б). Стрелкой отмечен момент формирования лазерного импульса.

Временное поведение напряжения на электродах, измеренное с помощью высоковольтного емкостного делителя, представлено на рис. 3.5 а. На этом рисунке момент пробоя в разрядном канале, соответствующий формированию лазерного импульса, отмечен стрелкой и фиксировался по резкому сбросу напряжения между электродами. Временной ход разрядного тока (3.5 б) определялся по сигналу с магнитного зонда. Первый отрицательный пик соответствует моменту пробоя разрядника, а второй -началу протекания тока через разрядный промежуток.

Из осциллограмм, полученных при различных значениях напряжения питания формирующей линии 6г0=Ю-20кВ, по форме импульса напряжения определялось время нарастания переднего фронта импульса /,„ а по сопоставлению с осциллограммами тока также задержка относительно начала пробоя, т.е. время формирования разряда/ф, представленное на рис. 3.6.

7"ф,НС 50

40

30

20

10

12 14 16 18 20 U,kB

Рис. 3.6. Зависимость времени формирования разряда от напряжения питания при различных расстояниях между электродами

Наличие на импульсе плоской вершины показывало, что /,,</ф и пробой наступал при достижении напряжением U (/) своего максимального значения, равного напряжению питания формирующей линии U0. Соотношение между временем формирования разряда /ф и временем нарастания переднего фронта импульса напряжения /н определяло эффективность формирования перенапряжения на разрядном промежутке. Для количественных оценок удобно использовать коэффициент перенапряжения

V = Un/UCT, (ЗЛ> где U„ - импульсное напряжения в момент пробоя; Ucr - напряжение статического пробоя, определяемое из эксперимента (рис.3.7).

Очевидно, что для увеличения значения р наряду с повышением зарядного напряжения на формирующей линии важно обеспечить условие и<А|>, т.е. стремиться к увеличению скорости нарастания напряжения на разрядном промежутке dU (t)/d t. U

14

12 10 8

Рис.3.7. Зависимость напряжения статического пробоя от расстояния между электродами

Таким образом, полученные результаты позволяют установить разумную нижнюю границу для длительности переднего фронта возбуждающего импульса напряжения. Так например, для С/о =20 кВ и /ф = 20 не скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке должна

I "У быть не менее 10 В/с. Наблюдаемое в экспериментах ухудшение, однородности разряда при затягивании фронта нарастания импульсного ■ напряжения обусловлено уменьшением значения р. В свою очередь, величина dU (t)/d t зависит от индуктивности разрядника и волнового сопротивления формирующей линии лазера.

Обобщение результатов экспериментального исследования пространственной структуры разряда и временного поведения его электрических характеристик позволило определить границы начальных условий, необходимых для формирования объемного безыскрового разряда. Так, при U0< 10 кВ (Р~1) формируется только искровой пробой. Интервал напряжений С/0 = 10-16 кВ (Р< 1,5) соответствует переходному режиму между искровыми разрядами и объемной формой протекания разрядного тока. При р> 1,8 формируется устойчивый однородный объемный разряд. ст, кВ

•

2 3 4 5 d, мм

Полученные данные представлены на рис. 3.8. в виде зависимости величины Р от расстояния между электродами.

3

-1,8 1 объемнь ш разряд

- 1,4 иск Ра d, от

0,2 0,3 0,4

Рис. 3.8. Минимальные значения коэффициента перенапряжения Р при формировании объемного разряда в канале TEA азотного лазера

Условия формирования разряда, соответствующие точкам, лежащим выше кривых на графиках, приводят к объемной форме разряда, а ниже - к искровому пробою. Полученные результаты позволяют обоснованно формулировать требования к параметрам электрической системы возбуждения TEA азотного лазера в зависимости от выбранного напряжения питания формирующей линии. Для устойчивого формирования объемного безыскрового разряда необходимо обеспечить скорость нарастания импульсного напряжения на разрядном промежутке не менее 0,8 - 1,0 кВ/нс.

3.2. Влияние физических параметров на энергию лазерного излучения

Разработка простого и компактного TEA азотного лазера, в первую очередь, связана с повышением эффективности его работы. Поэтому, кроме обеспечения условий, необходимых для создания объемного безыскрового разряда, важно рассмотрение физических процессов, ответственных за эффективное формирование лазерного излучения.

3.2.1. Основные принципы повышения энергии лазерного излучения

Для накачки активной среды используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой канал лазера. Механизм перевода молекул азота на уровень С*пи из основного состояния X3I.g+ основан на электронном ударе. Эффективность этого процесса определяет КПД и энергетические характеристики лазера и напрямую зависит от параметров электрического возбуждения.

Отличительным свойством ультрафиолетового азотного лазера является формирование импульса излучения непосредственно на переднем фронте разрядного тока. Очевидно, что в этом случае энергия лазерного излучения зависит от скорости ввода электрической энергии в разряд и величины разрядного тока, а послепробойные процессы не оказывают заметного влияния на пиковые характеристики одиночного лазерного импульса.

Эти факторы, определяющие эффективность формирования генерации, позволили рассмотреть несколько возможных путей повышающих энергию излучения TEA азотного лазера. К ним относятся: повышение напряжения питания и уменьшение индуктивности разрядного контура; увеличение перенапряжения и стабилизация разряда при атмосферном давлении; оптимизация геометрии разрядного промежутка и секционирование электродов; модификация разрядной поверхности электродов.

1. Повышение напряжения питания и уменьшение индуктивности разрядного контура. Практически всегда в некотором диапазоне наблюдается линейный рост энергии излучения при увеличении напряжения питания Uq на формирующей линии лазера. Нижняя граница напряжения питания определяется порогом генерации и, как правило, лежит в области Uq МИ„=12-Т5 кВ. При значительном увеличении напряжения питания пробой может наступить раньше, чем импульсное напряжение достигнет своего максимального значения. Нарушение условия t„< 1ф (см. раздел 3.1.2) и определяет верхний диапазон напряжения питания, который обычно лежит в области £/о макс =25-30 кВ. Повысить энерговклад и увеличить разрядный ток на стадии пробоя можно за счет снижения индуктивности разрядного контура. Ограничивает этот процесс сопротивление плазмы импульсного разряда.

2. Увеличение перенапряжения и стабилизация разряда при атмосферном давлении. С ростом давления Р и при сохранении параметра EIP, определяющего вероятность возбуждения, следует ожидать увеличения заселенности возбужденного состояния С37Ги и энергии лазерного излучения. При атмосферном давлении такой режим требует обеспечения многократного перенапряжения на разрядном промежутке и подавления локальных искровых пробоев, которые снижают величину полезного тока, протекающего через объемную зону разряда. Однако импульсная мощность TEA азотного лазера выше, чем в лазерах, работающих при пониженном давлении. Обязательная стабилизация разряда за счет эффективной предыонизации является необходимым условием повышения энергии излучения.

3. Оптимизация геометрии разрядного промежутка и секционирование электродов. Энергия излучения TEA азотного лазера зависит от многих параметров разрядного промежутка: формы, состояния поверхности, длины и взаимного расположения электродов. Повышение энергии излучения связано с увеличением длины лазерного канала. Для снижения потерь, связанных с быстрой депопуляцией состояния С37Ги в длинных лазерных каналах, широко применяется режим бегущей волны. Широкие возможности для варьирования геометрией разрядного промежутка предоставляет также секционирование электродов. Важную роль для эффективной работы лазера играет выбор ширины разрядного промежутка.

4. Модификация разрядной поверхности электродов. При оптимизированных параметрах возбуждения и геометрии разрядного промежутка повышение разрядного тока может быть достигнуто за счет модификации разрядной поверхности электродов, связанной с увеличением ее эмиссионной способности.

3.2.2. Экспериментальные результаты.

Была проведена серия предварительных экспериментов, в которых при различных зарядных напряжениях формирующей линии исследовалась зависимость энергии излучения W от расстояния между электродами d (рис.3.9). Для значений напряжения питания С/о= 21-23 кВ максимальное значение энергии излучения, соответствующее оптимальному расстоянию между электродами don , достигается при величине Е/Р~ 80 В-см^-тор""1, причем увеличение напряжения ведет к увеличению значения don. При d> 4,5 мм происходит срыв генерации.

1) ° - 21 кВ (2) о - 23 кВ (3) о - 25 кВ

Рис. 3.9. Зависимость энергии излучения W от расстояния между электродами d при различных зарядных напряжениях

Объемный разряд в TEA азотном лазере крайне неустойчив. Значительное уменьшение энергии излучения происходит при развитии в лазерном канале локальных искровых пробоев, шунтирующих объемный разряд. К уменьшению энергии приводит также перераспределение тока в результате параллельного соединения двух разрядных промежутков: лазерного канала с межэлектродным зазором </i=3,3mm (в котором формировалась генерация) и шунтирующего его дополнительного

75 воздушного промежутка. Обобщенные результаты представлены на рис. 3.10 и указывают на прямую зависимость между энергией излучения и объемной формой протекания разрядного тока. На этом рисунке приведена также ошибка измерений.

1,0 0>8 0.6 Н 0,4 0 2 А W

W.

3,5 макс d2 ,мм

4,0

4,5

1,0-1 0,8 0,6^ 0,4 0 2

3,0

3,5 d

2 , ММ

4,0

4,5

Рис. 3.10. Энергия излучения TEA N2- лазера с межэлектродным зазором Ji=3,3 мм в зависимости от расстояния di между электродами в дополнительном разряде, шунтирующем основной разряд. Шунтирование искровым разрядом (а); шунтирование объемным разрядом (б).

При отсутствии резонатора у TEA азотного лазера большое влияние на энергию излучения оказывает геометрия разрядного объема. Перераспределение энергии излучения в двух направлениях за счет изменения угла между электродами иллюстрирует рис. 3.11. Была реализована конструкция, в которой на одном конце разрядного промежутка расстояние между электродами фиксировалось d2=3,1 мм, а на другом -изменялось в интервале d\=2,l - 3,4 мм. При приближении к границам этого интервала в более узкой области лазерного канала формируется искровой пробой, что приводит к уменьшению общей энергии излучения Wi + W2. Её максимальное значение достигается при параллельном расположении электродов и соответствует равенству энергий излучения с обоих концов лазерного канала. W

Рис. 3.11. Энергетические характеристики лазерного излучения при изменении угла между электродами

Обобщенные результаты измерений зависимости энергии излучения от длины L лазерного канала в диапазоне L = 5 - 60 см представлены на рис. 3.12. Значительный коэффициент усиления приводит к насыщению активной среды уже на длине L ~ 20 см. Для снижения потерь связанных с насыщением применялся режим бегущей волны (кривая 1), реализованный за счет варьирования угла между электродами (L = 60 см, d = 3,5 мм). Остальные результаты (кривые 2-4) получены для параллельных электродов {d = 4 мм) при повышении плотности накачки на стадии пробоя. При ограничении активной зоны разряда перегородкой наблюдался более резкое уменьшение величины W (кривая 3) по сравнению с простым

77 уменьшением длины электродов (кривая 2). Введение перегородки не изменяло плотность разрядного тока, а лишь ограничивало размер области, в которой формировалось лазерное излучение. Прямое уменьшение величины L приводило к повышению плотности тока. Максимальные значения энергии достигнуты за счет обеспечения более точной юстировки разрядного промежутка (кривая 4) при секционировании электродов (в лазерную головку последовательно были установлены три пары 10-сантиметровых электродов).

Рис. 3.12. Зависимость энергии излучения от длины активной зоны разряда 1 - режим бегущей волны, L = 60 см; 2 - изменение длины электродов L = 6-35 см; 3 - ограничение активной зоны разряда при L = 35 см перегородкой; 4 - секционирование электродов (длина секции 10 см)

Дальнейшее повышение энергии излучения было достигнуто за счет модификации разрядной поверхности катода. В частности, при использовании медных катодов, эмитирующая поверхность которых имеет развитый микрорельеф [111], наблюдалось почти двукратное увеличение энергии излучения по сравнению с необработанными образцами. Модифицированная поверхность имела неупорядоченную структуру и состояла из большого числа микроконусов, полученных методом плазменной обработки.

3.3. Результаты экспериментального исследования характеристик лазерного излучения

Экспериментальное исследование характеристик лазерного излучения было выполнено на макете TEA азотного лазера. Приводятся результаты спектрального состава, формы и длительности лазерного импульса, когерентности, расходимости, структуры поля излучения и энергии. 3.3.1. Спектральный состав излучения.

Кроме генерации на длине волны 337 нм (переход v=0 —>v =0, где v и v - колебательные уровни электронных состояний С пи и В ng) обнаружена слабая генерация на линии сателлита с длиной волны, равной 357 нм t it переход v=0—»v=l). Отношение интенсивности излучения на основной линии /337 к интенсивности излучения сателлита /357 равно 15. Исследования проводились по методике, описанной в разделе 2.3.2 и основанной на измерении ширины входной щели ФЭУ (т.е. чувствительности измерений), при которой достигалось равенство амплитуд импульсов А| = А2, регистрируемых без прохождения излучения через фильтр БС-7 и после его прохождения. С учетом соотношения (2.5) была получена следующая оценка отношения интенсивностей:

337

Ь2Т2-Ъ{)ц2 Ь2Г[2Т2 Л5

357 Jyrii ~ ~ ' (3-2) где Ь\ =0,03 мм, 62=0,62 - соответственно средние значения ширины щели в каждой серии экспериментов. Другие данные, необходимы для поведения такого расчета, представлены в таблице 3.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отметим основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы.

1. При различных значениях перенапряжения на разрядных электродах исследованы пространственная структура, время формирования и динамика электрических характеристик наносекундного разряда в канале TEA азотного лазера, а также определены условия существования его объемной формы.

2. Исследованы энергетические характеристики излучения TEA азотного лазера в зависимости от:

- величины перенапряжения между электродами, длины электродов, их взаимного расположения в безыскровом режиме разряда;

- влияния локальных пробоев, шунтирующих основной разрядный ток;

- структуры разрядной поверхности электродов.

3. Разработан экспериментальный образец TEA азотного лазера и исследованы характеристики излучения, определяющие возможности его применения в теневых и интерферометрических исследованиях быстропротекающих плазменных процессов.

4. При использовании разработанного TEA азотного лазера в качестве осветителя проведены теневые исследования плазмы в импульсных разрядах различного типа:

- капиллярном разряде, при взаимодействии плазменного факела с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях;

- искровом разряде, при затухании разряда и восстановлении электрической прочности в межэлектродном промежутке.

5. Разработана и апробирована на плазменной установке с сильноточным микропинчевым разрядом интерферометрическая аппаратура, отличительной особенностью которой является объединение преимущества сдвиговой интерферометрии (компактность и переменная чувствительность) с простой конструкцией TEA азотного лазера.

6. Разработан многоканальный TEA Ы2-лазерный осветитель с запуском всех лазерных каналов от общего разрядника, исследованы его временные характеристики и апробирован метод формирования последовательности лазерных импульсов с расширением диапазона задержек до 5-И 00 не.

1. Душин Л.А., Павличенко О.С. Исследование плазмы с помощьюлазеров. М.: Атомиздат, 1968. - 143 с.

2. Пятницкий Л.Н. Лазерная диагностика плазмы. М.: Атомиздат, 1976. -424 с.

3. Зайдель А.Н., Островская Г.В. Лазерные методы исследования плазмы. -Л.: Наука, 1977.-221 с.

4. Климкин В.Ф., Папырин А.Н., Солоухин Р.И. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. — Новосибирск: Наука, 1980. 208 с.

5. Диагностика плотной плазмы/Под. ред. Н.Г. Басова. М.: Наука, 1989 - 368 с.

6. Семенов О.Г. Электронные и ионные потоки в мощных импульсных разрядах (обзор) препринт № 42, М.: ФИАН, 1979 - 64 с.

7. Singh J.P., Thakur S.N. Nitrogen laser-A review, J.Sci. and Industr.Research, 1980, V.39, pp.613-624.

8. C.A. Massone et. al. A high power, short pulse-width, low pressure N laser.-J.Phys.:Sci. Instr., 1986, E 19, N 6,p.471.

9. Lai C., Thakur S.N. A simple preionized transversely excited low pressure N2 laser.- Indian. J. Phys., 1986, В 60, N 2, p. 205.

10. Ю.Сонин А.Ю. Субнаносекундный УФ азотный TEA лазер Квантовая электроника, 1994, № 3, с. 213-215.

11. Той T.Y., Yap S.S., Siew W.O A compact low-voltage TEA N2-laser Meas. Sci. Technol., 1999,№ 10, p. 101-104.

12. Hirano K., Shimoda K., Emori S. System for a multiframing interferometry and its application to a plasma focus experiment Rev.Sci.Instrum., 1979, V.50, №10, p. 1236 - 1238.

13. З.Зубов В.В., Федоров Ю.И. Импульсные ультрафиолетовые лазеры на азоте Электронная промышленность, 1981, вып. 5-6, с. 85.

14. M.Heard H.G. Ultra-violet gas laser at room temperature -Nature, 1963, v. 200, № 4907, p. 667.

15. Heard H.G., High-power ultraviolet gas laser Bull. Am. Phys. Soc., 1964, v. 9, № l,p. 65.16.3велто О. Физика лазеров М.: Мир, 1979.

16. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры УФН, 1971, т. 105, вып.4, с. 645.

17. Энциклопедия низкотемпературной плазмы /Под ред. В.Е. Фортова — М.: Наука, 2000, t.IV, с. 275.

18. Howorth J.R. J. Phys. Atom, molec. Phys. 1972, v. 5B, p. 402.

19. Georges J.C. J. Phys. Atom, molec. Phys. 1976, v. 9B, p. 2153.

20. Willet C.S. An introduction to gas lasers: Population inversion mechanisms (Pergamon Press Ltd, Oxford) 1974, p. 342-362.

21. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов -М.: Наука, 1980-406 с.

22. Cartwright D.C. Phys. Rev. 1970, v. 2A, p. 1331.

23. Gerry E.T. Pulsed-molecular-nitrogen laser theory Appl. Phys. Lett., 1965, v. 7, p. 6.

24. Leonard D.A. Saturation of the molecular nitrogen second positive laser transition Appl. Phys. Lett., 1965, v. 7, p. 4-6.

25. AH A.W., Kolb A.C. Theory of the Pulsed Molecular Nitrogen Laser Appl. Opt., 1967, v. 6, p. 2115-2119.

26. Shipman J.D., Kolb A.C., Anderson A.D., Ali A.W. NRL Rept., 1966, p. 6444.

27. Shipman J.D., Kolb A.C. IEEE J. Quantum Electron., 1966, QE2, p. 298.

28. AH A.W. A study of the nitrogen laser power density and some design considerations -Appl. Opt., 1969, v. 8, p. 993-996.

29. Rither P., Kimel J.D. Appl. Opt. 1976, v. 15, p. 756.31 .Rither P., Kimel J.D. Appl. Pulsed UV nitrogen laser: its intensity and linewidth Opt. - 1976, v. 15, p. 1117-1119.

30. Бычков Ю.И., Савин B.B., Тарасенко В.Ф. Газовые лазеры -Новосибирск, Наука, 1977, с. 224-238.

31. Dreyfus R.W., Hodgson R.T. Electron beam excitation of the nitrogen laser -Appl. Phys. Lett., 1972, v. 20, p. 195.

32. Andersson & Tobin Physica Scripta, 1974, v. 9, p.7.

33. Ericsson K.G., Lidholt L.R. Ultraviolet source with repetitive subnanosecond kilowatt pulses Appl. Opt., 1968, v. 7, p. 211.

34. Phillips D., West J. Am. J. Phys., 1970, v. 38, p. 655.

35. Lal C., Thakur S.N., Studies on an excited N2-laser Indian J. Phys., 1985, v. 59B, p. 129-137.

36. Проворов A.C., Салмин B.B. Компактный Ыг-лазер с магнитным сжатием Квантовая электроника, 1993, 20, № 6, с. 608-610.

37. Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Азотный лазер с накачкой продольным разрядом от индуктивного и емкостного накопителей энергии Квантовая электроника, 1998, 25, № 12, с. 1087-1090.

38. Feldman М. Below P., Raab F, Metcalf Н. Improvements to a home-built nitrogen laser Appl. Opt., 1976, v. 17, p. 774.

39. Schenck P., Metcalf H. Bull. Am. Phys. Lett., 1972, v. 10, p. 475.

40. Schenck P., Metcalf H. Appl. Opt., 1973, v. 12, p.183.

41. Тарасенко В.Ф. Азотный лазер с системой питания на тиратроне ПТЭ, 1974, № 1, с. 172-174.

42. Lisicki Е., Lukaszewicz М. Influence of some cavity parameters on the experimental performance of nitrogen lasers Optica Applicata, 1979, v. IX, № 4, p. 243-248.

43. Zimek Z, Rodgers M. The construction and properties of a compact high-power N2 laser J. Technical Physics, 1979, v. 20, № 4, p. 493-998.

44. Будзяк А., Иванов И.Н., Ляшенко В.И. и др. Мощный импульсный ультрафиолетовый лазер на азоте Препринт ОИЯИ, Дубна, 1979, № 13-12778.

45. Армичев А.В., Рукевич Л.Б., Фогельсон Т.Б. и др. Мощный ультрафиолетовый отпаянный лазер Электронная промышленность, 1981, вып. 5-6, с. 83-85.

46. Rickwood K.R., Serafetinides А.А. Semiconductor preionized nitrogen laser Rev. Sci. Instrum., 1986, v. 57, № 7, p. 1299.

47. Silva Reis., Dias Tavares, Massone C.A., Chaghtai M. A high power, short pulse-width, low pressure N2 laser J. Phys. E: Sci. Instrum., 1986, v. 19, p. 471-473.

48. Бан Xe Сок, Ляшенко В.И., Щербаков Ю.А. и др. Повышение эффективности работы азотного лазера Препринт ОИЯИ, Дубна, 1987, № 13-87-415.

49. Ляшенко В.И., Чан Ань By, Щербаков Ю.А. и др. Исследование работы азотного лазера управляемого керамическим тиратроном Препринт ОИЯИ, Дубна, 1989, № 13-89-747.

50. Geller М., Altman D.E., Temple Т.А. Some considerations in the design of a high power, pulsed N2 laser Appl. Opt., 1968, v. 17, p. 2232.

51. Bergmann H.M. Sealed-off, miniature, high-power nitrogen laser-J. Phys.E: Sci. Instrum., 1977, v. 10, № 12, p. 1210-1212.

52. Nagata Itsuo, Yoshitake Kimura, A compact high-power nitrogen laser J. Phys. E: Sci. Instrum., 1973, v. 6, p. 1193-1195.

53. Udrea E., Udrea M. A compact nitrogen laser Rev. Roum. Phys., 1980, v. 25, № 9, p. 983-985.

54. Baer T. Appl. Opt. 1976, v. 15, p. 2953.

55. Wang C. Rev. Sci. Instr. 1976, v. 47, p. 92.

56. Аракелян B.C., Аветисян А.А., Атабекян В.Г., Мхитарян В.М., Пахлавуни В.В. Компактный оптический квантовый генератор на азоте с высокой пиковой мощностью ПТЭ, 1981, № 2, с. 187-188.

57. Jitsuno Т. , Mitani Т., Nakaya Т. A high-power TEA N2 laser using a modified Marx generator J. Phys. D: Appl. Phys., 1979, v. 12, p.1503- 1507.

58. Jitsuno T. A multi-stage TEA N2 laser J. Phys. D: Appl. Phys., 1980, v. 13, p. 1405-1411.

59. Shipman J.D. Travelling wave excitation of high power gas lasers Appl. Phys. Let. 1967, v. 10, p. 3.

60. Basting D., Schafer P.F., Steyer R. A simple high power nitrogen laser -Opto-Electronics, 1972, v. 4, p. 43.

61. Godard B. A very simple high-power high efficiency N2 UV laser IEEE J. Quant. Electr., 1974, v. QE-10, p. 147.

62. Dymaczewski H., Mischke W., Przybylski M. Ultravoilet nitrogen lasers -Postepy Fizyki, 1978, v. 29, p. 617-634.

63. Saikan S. Japen J. Appl. Phys., 1976, v. 15, p. 187.

64. Salzmann H., Strohwald H. High power, subnanosecond pulse from a TEA nitrogen laser with traveling wave excitation- Opt. Commun., 1974, v. 12, p. 370-372.

65. Salzmann H., Strohwald H. Picosecond UV pulses from gas discharges in pure nitrogen at pressure up to 6 atm Appl. Phys. Lett., 1976, v. 28, p. 272.

66. Herden W. Compact high power subnanosecond nitrogen and "open air" lasers at 760 torr Phys. Lett., 1975, v. 54A, № 1, p. 96-98.

67. Patel B.S. Compact high-power TEA N2 laser Rev. Sci. Instr., 1978, v. 49, №9, p. 1361-1363.

68. Bergmann H.M. Appl. Phys. Lett., 1974, v. 25, p. 654.

69. Bergmann H.M., Hasson V., Preusser D. Pulsed corona excitation of high-power UV nitrogen lasers at pressure of 0-^3 bar, Appl. Phys. Lett. 1975, v. 27, p. 553.

70. Bergmann H.M. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1976, v. 9, p. 982.

71. Bergmann H.M., Hasson V., Brink J. Novel stabilization and pulsing techniques for direct and traveling-wave excitation of high-pressure UV nitrogen laser Opt. Commun., 1976, v. 18, № 1, p. 180-181.

72. Bergmann H.M. J. Appl. Phys., 1976, v. 47, p. 10.

73. Bergmann H.M., Penderis A.J. Miniaturized atmospheric pressure nitrogen laser-J. Phys. E: Sci. Instrum., 1977, v. 10, 602-604.

74. Bergmann H.M., Hasson V. Gain, fluorescence and energy extraction characteristics of photostabilised atmospheric pressure UV nitrogen lasers -J. Phys. D: Appl. Phys., 1978, v. 11, p. 2341-2351.

75. Bergmann E.E., Eberhart N. IEEE J. Quant. Electr.,1973, v. 9QE, p. 853.

76. Bergmann E.E. UV TEA laser with 760-torr N2, Appl. Phys. Lett. 1976, v. 28, № 2, p. 84.

77. Bergmann E.E. Compact TEA N2 laser Rev. Sci. Instrum., 1977, v. 48, № 5, p. 545-546.

78. Bergmann E.E. Coherent UV from a TEA N2 laser system Appl. Phys. Lett., 1977, v.31,№ 10, p. 661-663.

79. Мазуренко Ю.Т., Удальцов B.C. Субнаносекундный лазер на молекулярном азоте Известия АН СССР, сер. Физическая, 1981, т.45, № 2, с. 396-398.

80. Kurnit N.A., Tubbs S.J., Bidhichand К. et al. Photopreionization of the 3371 pulsed N2 laser, IEEE J. Quant. Electr. 1975, april, p. 174-176.

81. Bergmann H.M. Ultraminiature high-power gas discharge lasers, Rev. Sci. Instr. 1979, v. 50, № 1, p. 59-63.

82. Bergmann H.M. Ultraminiature high-power gas discharge lasers excited throught high dielectric constant ceramic materials Rev. Sci. Instr. - 1980, v. 51, №3, p. 384-385.

83. Долгов Г.Г., Мандельштам С.Л. ЖЭТФ, 1953, т. 24, № 6, с. 691-698.88.3ахаренков Ю.А., Склизков Г.В., Шиканов А.С. Применение сдвиговойинтерферометрии для диагностики плотной неоднородной плазмы, Физика плазмы 1980, т. 6, вып. 2, с. 453-462.

84. Sadowski М., Ugniewski S. Plasma refraction measurements by means of a laser differential interferometer J. Tech. Physics, 1976, v. 17, № 4, p. 365 - 376.

85. Денус С., Ерохин A.A., Захаренков Ю.А., Писарчик Т., Покора JI., Склизков Г.В., Шиканов А.С. Лазерное зондирование неоднородной плотной плазмы, Физика плазмы 1982, т. 8, вып. 6, с. 1292.

86. Наврот В., Покора Л. Азотная лазерная система «генератор-усилитель» для интерферометрических исследований плазмы, Квантовая электроника 1982, т.9, № 7, с. 1499-1503.

87. Vlad V.I., Udrea M.V., Рора D. UV pulsed interferometry and holography in the nanosecond range using a nitrogen laser, 14 International Congress on the high speed photography and photonics, Moskow, 1980, p. 1-6.

88. E. Bar-Avraham, A. Fisher, F. Mako et al A fast interferometer using a nitrogen laser for a dense plasmas, IEEE Transaction on Plasma Science -1978, v. ps-6, № 3, p. 296-299.

89. Schmidt H., Salzmann H.,Strohwald H. Interferometry using subnanosecond pulses from TEA nitrogen lasers Appl. Opt., 1975, v. 14, № 9, p.2250.

90. Hirano К., Shimoda К., Hamada F. Detailed study of dynamic behavior of a focused plasma by N2-laser interferometry, Japanse J. Appl. Phys. 1978, v. 17, №9, p. 1619-1623.

91. Ruckle В, Uber den Zusammenhand Zwischen Neutronen production und1.stabilit ten am Plasmafocus Institut Pr Plasmaforschung der Universit t Stutgart, 1981, Jan., IPF-81 -1.

92. Аранчук Л.E., Боголюбский С.Л., Вихарев В.Д. Многомодульный азотный лазер для диагностики плазмы, создаваемой с помощью генераторов РЭП Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 10, с. 2098.

93. Ю2.Анацкий А.И. Частотные характеристики импульсных водородных коммутаторов, Обзор ОВ-43 Л.: НИИЭФА, 1981. -23 с.

94. ЮЗ.Козодаев А. М. Электрические управляемые вентили для формирования мощных импульсов тока. М., Атомиздат, 1975, с. 64.

95. Калюжный В., Лахно А., Регулируемый высоковольтный преобразователь -Радио, 1978,№8, с.59.

96. Введенский Ю.В., Тиратронный генератор наносекундных импульсов с универсальным выходом Известия вызов СССР, Радиотехника, 1959, № 2, с. 249.

97. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И., Техника и практика спектроскопии М., Наука, 1976, с. 321.

98. Аркатов Ю.М., Вацет Н.И., Волощук В.И. и др., Делитель для измерения высоковольтных наносекундных импульсов ПТЭ, 1980, №1, с. 125-126.

99. Доброневский О.В., Справочник по радиоэлектронике, Киев, «Вища школа», 1978, с. 7.

100. Лукьянов С.Ю., Ковальский Н.Г., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., МИФИ, 1999, 432 с.

101. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.-М.: Наука, 1981, с.313.

102. Беграмбеков Л.Б., Захаров A.M. , Пустобаев А.А. Многоострийный автоэмиссионный катод В сб. Мощные физико-энергетические системы, Москва, Энергоатомиздат, 1988, стр. 41-48.

103. Эртель X. Физика быстропротекающих процессов. .-М.:Мир, 1971. -т.З, с. 103-208.