Планарные разряды с управляемой энергией электронов как источники накачки активных лазерных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

АЗАРОВ АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ

ПЛАНАРНЫЕ РАЗРЯДЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ КАК ИСТОЧНИКИ НАКАЧКИ АКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД

Специальность 01.04.21 -лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Московского Физико-Технического Института (Государственного Университета) и в Физическом Институте им. П.Н. Лебедева РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор, Очкин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, Ионин Андрей Алексеевич (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН)

кандидат физико-математических наук, Минеев Александр Петрович (Институт общей физики РАН)

Ведущая организация:

физический факультет

Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Защита состоится <

3 0> (¡¿ШЁ^ 2004 г. в {О 1

часов на заседании

Диссертационного Совета К212.156.05 при Московском физико-техническом институте по адресу:

141700, г. Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д. 9, Московский физико-технический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

,< II > от^Я

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

2004 г.

СМ. Коршунов

М9&1

альность темы

Газовый разряд реализуется в многочисленных формах, и это широко используется в различных технологиях и устройствах, таких как источники света, средства накачки активных сред газовых лазеров, плазмо-химических реакторах, и коммутирующих элементах электрических цепей. Такое многообразие применений газового разряда связано с широким диапазоном параметров плазмы, создаваемой в различных газовых разрядах, и широким диапазоном плазмообразующих газов, геометрий, электрических параметров и энерговкладов в разряд.

Специфика наших исследований определяется геометрией разряда - в последние несколько лет внимание привлекают так называемые планарные и коаксиальные стационарные разряды с большой площадью электродов и малым межэлектродным промежутком. Они оказались удобными, в частности, в разработках мощных планарных (щелевых) непрерывных лазеров, работающих при средних (~ 10-100 Торр) давлениях, и для создания плазменных дисплеев. Интерес к планарным системам обусловлен тем, что в них лучше осуществляется теплоотвод, они позволяют работать при больших давлениях газа, поэтому энерговклад в планарных разрядах может быть значительно выше, чем в традиционных продольных разрядах.

Планарные системы особенно актуальны при создании газовых лазеров, так как увеличение плотности активной среды и уровня энерговклада увеличивает мощность лазерной генерации. Более того, для некоторых лазерных систем, в которых, например, инверсия населенностей уровней создается в процессе трехчастичного взаимодействия, генерация при малом давлении просто невозможна. Одновременно с увеличением энерговклада необходимо решать задачу об обеспечении устойчивого и однородного горения разряда и эффективного охлаждения газа. Перегрев газа ведет к развитию неустойчивостей разряда, а в молекулярных лазерах и к срыву

(ИЮ. НАЦИОНАЛЬНА* !

БММИОТСКА I

генерации из-за разрушения инверсии населенностей уровней. Планарные системы позволяют эффективно решать эти вопросы.

Кроме обеспечения высокого уровня энерговклада очень важно, особенно в лазерных системах, обеспечивать эффективный вклад энергии в возбуждение именно рабочих уровней активной среды. Для этого необходимо управлять энергией электронов, которая определяется параметром Е/Ы - величиной приведенного электрического поля. Если, например, требуется усилить механизмы, связанные с возбуждением электронных оболочек или ионизации частиц, то желательно увеличивать Е/Ы, т.к. типично средняя энергия электронов в самостоятельном разряде меньше энергии максимума сечения возбуждения и ионизации. Если же разряд используется, например, для многочисленных задач, связанных с возбуждением молекулярных колебаний, характерна обратная ситуация, поскольку здесь задействованы малоэнергетичные электроны.

Самостоятельные разряды являются самосогласованными системами, и приведенная напряженность электрического поля определяется балансом рождения и гибели зарядов. Возможность управления параметром Е/Ы в них мала, при Е/Ы меньше определенного значения ионизация становится слишком малой, и разряд гаснет, при Е/Ы больше определенного значения развиваются разрядные неустойчивости. Поэтому создание разрядов с управляемой энергией электронов особенно актуально. Цель работы

Работа посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям планарных разрядов с развитой поверхностью электродов и малым межэлектродным расстоянием с управляемой энергией электронов и физических предпосылок для их возможных применений при разработке нового поколения эффективных компактных газовых лазеров. Защищаемые положения:

1. При малых межэлектродных промежутках происходит уменьшение нормальной плотности тока самостоятельного разряда. Эффект связан с зависимостью ион-электронной эмиссии с поверхности катода от поля и, как следствие, с появлением минимума на вольтамперной характеристике катодного слоя, в области, не предсказываемой классической теорией катодного слоя тлеющего разряда. Данная зависимость позволяет объяснить эффект нормальной плотности тока как формирование области повышенной эмиссии, достаточной для поддержания тока разряда при уменьшении площади, занимаемой разрядом. Предельный энерговклад в самостоятельный планарный разряд в нормальной форме определяется электрическими характеристиками катодного слоя, а в аномальной форме предельный энерговклад ограничивается развитием неустойчивостей.

2. Неустойчивость несамостоятельного разряда с емкостной предионизацией в планарной геометрии связана с ионизационно-перегревным механизмом. Динамика развития неустойчивостей может быть теоретически описана, а их граница в условиях СО2 лазера соответствует энерговкладам, превышающим допустимые для поддержания инверсии из-за нагрева газа. Управление величиной приведенного электрического поля, средней энергией электронов и величиной предельного энерговклада может осуществляться за счет изменения мощности предионизации. Исследованный несамостоятельный разряд с емкостной предионизацией может быть использован как эффективный источник накачки молекулярных лазеров, обеспечиваемая им мощность лазерной генерации и достигаемый КПД сопоставимы с ВЧ накачкой.

3. Область катодного падения аномального тлеющего разряда может быть использована в качестве эффективного источника быстрых электронов. Устойчивое горение разряда в аномальной форме может обеспечиваться как за счет ограничения площади металлического катода диэлектриком, так и за счет использования диэлектрического катода. Получаемые пучки быстрых

электронов могут использоваться для накачки газовых лазеров среднего

давления на атомарных переходах.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Экспериментально установлен эффект ограничения нормальной плотности тока в самостоятельных плоских разрядах при коротких межэлектродных промежутках. Дана физическая интерпретация эффекта, установлены ограничения классической теории катодного слоя.

2. Исследован лабораторный макет квазинепрерывного планарного волноводного СО2-лазера, использующего комбинацию емкостной импульсной предионизации поперечным барьерным разрядом с частотой повторения ~ 1020 кГц и накачки поперечным несамостоятельным разрядом с металлическими электродами, к которым прилагается постоянное напряжение. Достигнуты предельные энергетические лазерные параметры, определяемые тепловым ограничением инверсии;

3. Разработана модель, описывающая границы устойчивости квазинепрерывного несамостоятельного планарного разряда с импульсно-периодической предионизацией;

4. Предложен способ непрерывной генерации электронных пучков малой апертуры в газе среднего давления, основанный на эффекте «убегания» электронов в катодном слое аномального тлеющего разряда с металлическим катодом малой площади, ограниченной диэлектриком. Изучено распространение в газе пучков электронов, получаемых с помощью такого источника;

5. Изучена возможность импульсно-периодической генерации электронных пучков широкой апертуры в газе среднего давления, основанная на эффекте «убегания» электронов в катодном слое аномального тлеющего разряда с диэлектрическим катодом и близко расположенным сетчатым анодом. Исследовано распространение пучков электронов, получаемых с помощью такого источника, в газе;

6. Получена и исследована генерация на переходах атомарного Хе в области 2 мкм при возбуждении электронным пучком, инжектируемым в газ из области катодного падения открытого барьерного разряда. Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 научных статьях в журналах «Квантовая электроника», «Краткие сообщения по физике ФИАН» и «Лазерные исследования в России», в 2 препринтах ФИАН и в одном патенте на изобретение.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы докладывались на XLI, XLII и XLIV научных конференциях МФТИ (г. Долгопрудный, 1998, 1999 и 2001 гг.), на XXVII Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород, 2000), на международных конференциях IQEC/LAT 2002 (Москва, 2002) и ESCAMP1G 16/ ICRP 5 (г. Гренобль, Франция, 2002), а также на 16-ом Национальном Симпозиуме Центра по Физике Плазмы Нидерландов NNV/CPS (г. Люнтерен, Нидерланды, 2004). Личный вклад автора

Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены самим автором, либо при его непосредственном участии.. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, списка публикаций по теме работы, включает 53 иллюстраций, список цитируемой литературы из 224 наименований. Общий объем диссертации 123 страницы. Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели, новизна и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию самостоятельного планарного разряда постоянного тока с малым межэлектродным промежутком. Исследования такого типа разряда были стимулированы двумя факторами: во-первых, представлял интерес вопрос о возможности использования прикатодной области тлеющего разряда постоянного тока для накачки газовых лазеров на атомарных переходах, например, Хе-лазера; во-вторых, понимание физических процессов в катодном слое существенно для анализа и интерпретации экспериментальных данных об устойчивости разряда и предельном уровне энерговклада.

В начале главы проводится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям самостоятельного тлеющего разряда, формулируются понятия нормального режима горения и нормальной плотности тока, излагаются существующие подходы к построению численных и аналитических моделей катодного слоя и точки зрения на природу нормальной плотности тока.

Далее описываются экспериментальная установка, методика измерений и полученные экспериментальные результаты. В экспериментах исследовались разряды в гелии, аргоне и воздухе при средних давлениях ~ 1- 100 Торр в нормальной и аномальной формах. Разряды зажигались между двумя плоскими электродами длиной 6 см, ширина которых в различных экспериментах составляла 4, 6 или 8 мм, изготовленными из стали, алюминия или меди. Расстояние между электродами варьировалось от 0.18 до 4.5 мм. В предложенной конструкции положительный столб в разряде отсутствовал, что позволяло связывать измеренные электрические характеристики непосредственно со слоем катодного падения, а геометрия разряда допускала использование одномерного приближения для теоретического анализа.

В экспериментах измерялись напряжение, ток и площадь, занимаемая разрядом, которая определялась по длине светящейся области вблизи катода.

Также изучалось пространственное распределение свечения вдоль разрядного промежутка.

Для теоретического описания катодного слоя необходимо знать эффективный коэффициент электронной эмиссии с катода у, который сильно зависит от сорта и чистоты газа, материала катода и его обработки, а также от напряженности электрического поля на катоде. Поэтому для разряда в аргоне с медными электродами была экспериментально получена кривая Пашена, из которой после усреднения данных была определена эффективная зависимость У(Е/Р)

Было экспериментально

обнаружено, что для всех исследованных сочетаний газ -материал катода приведенная нормальная плотность тока разряда в коротких промежутках - минимум

на кривой Пашена, падает с уменьшением p.d, как показано на рис. 1 для разряда в аргоне с медными электродами при давлении р=9.2 (1) и 38.6 Торр (2). При больших p.d величина ,)п/р2 выходит на постоянное значение. Катодное падение же во всех случаях остается постоянным в пределах погрешности измерений. Этот экспериментальный факт не предсказывается теорией Энгеля - Штеенбека (4).

Исследования показали, что максимальный энерговклад в такой разряд достигается в аномальной форме и ограничивается развитием разрядных неустойчивостей на аноде, носящих вид ярких, регулярно расположенных пятен. При дальнейшем увеличении энерговклада на месте пятна зажигается

1 ' I

1 . .*■.'.......'........................

О 1 2 3 4 5 6 7

р.а, Торр см

Рис. 1

дуговой разряд. Пятна возникают, если плотность тока превышает определенное значение, которое зависит от давления и длины промежутка.

Для теоретического объяснения наблюдаемого эффекта падения _)'п/р2 была построена численная модель катодного слоя в одномерном дрейфовом приближении - модификации теории Энгеля-Штеенбека. Единственное, но существенное отличие заключается в том, что коэффициент электронной эмиссии считался не постоянным, а зависящим от поля. Расчеты проводились для разряда в аргоне с медными электродами. В модели использовалась зависимость у(Е/р), определенная экспериментально. Также проводились расчеты с постоянным значением у для сопоставления с результатами других авторов, полученных в модели Энгеля-Штеенбека. Построенная численная модель позволяет рассчитывать характеристику «напряжение-плотность тока» («ВАХ») катодного слоя для различных приведенных длин промежутка ф^). Нормальному режиму горения тлеющего разряда сопоставлялась точка минимума на «ВАХ» катодного слоя. В работе показано, что учет зависимости у(е/р) ведет расширению области существования минимума на «ВАХ» в сторону меньших p.d, чем предсказывается теорией Энгеля-Штеенбека. Определенные таким образом приведенные нормальные плотности тока приведены на рис. 1 для расчетов с учетом зависимости у(Е/р) (3) и с постоянным значением у=0.02 (4). Как видно из рисунка, учет зависимости у(Е/р) позволяет получить хорошее согласие результатов численного моделирования (3) с экспериментом (1,2) даже в простейшей модели.

Анализ критерия существования нормального разряда где е -

основание натуральных логарифмов, выводящегося в рамках классической одномерной дрейфовой теории, также приводит к выводу, что учет зависимости у(е/р) расширяет область существования нормального разряда. Это позволяет дать новую интерпретацию эффекта нормальной плотности тока: по мере накопления объемного заряда поле на катоде увеличивается, что приводит к

увеличению эмиссии с катода, и для поддержания тока разряда меньшей площади, чем в случае темного разряда, где поле объемного заряда мало.

В конце главы проводится сопоставление выводов из построенной модели с другими существующими точками зрения, и анализируются эффекты, не включенные в модель, которые могли бы повлиять на интерпретацию экспериментальных данных.

Эксперименты по получению лазерной генерации в Хе на длине волны ~2 мкм не увенчались успехом. С нашей точки зрения это связано с тем, что хотя в катодной области присутствуют быстрые электроны, необходимые для возбуждения высоколежащих уровней Хе, их концентрация мала для возникновения лазерной генерации, особенно в режиме нормального тлеющего разряда. С переходом в аномальную форму разряда происходит увеличение энергетики и концентрации электронов в катодном слое, но в аномальной форме разряд теряет стабильность. Поэтому были исследованы другие конструкции планарных разрядов с управляемой энергией электронов.

Вторая глава содержит материалы исследований квазинепрерывного несамостоятельного разряда с импульсно-периодической предионизацией барьерным разрядом. Эти эксперименты проводились в связи с необходимостью создания разряда для накачки молекулярных переходов с возможностью регулируемого энерговклада в разряд, управления параметром E/N и, следовательно, энергетикой электронов. В первой части главы формулируются основные требования, предъявляемые к таким разрядным системам, и дается обзор существующих методов накачки молекулярных лазеров на примере СО2 лазера, а также показана перспективность использования планарных систем для накачки такого класса устройств.

В качестве экспериментальной установки выступал действующий макет компактного планарного СО2 лазера. Постоянное напряжение до 1500 В прикладывалось к двум медным электродами длиной 19 см и шириной 2 мм, расстояние между которыми варьировалось от 10 до 40 мм. По бокам вдоль

наибольшего размера системы располагались две пластины из оксида алюминия (А12О3), на внешние стороны которых наклеивались полые алюминиевые электроды. К алюминиевым электродам прикладывалось импульсное напряжение до 10 кВ с длиной импульса 2 мке, шириной фронта 50 нс и частотой повторения до 30 кГц. Между медными электродами зажигался квазинепрерывный несамостоятельный разряд, который поддерживался за счет ионизации импульсным барьерным разрядом. Большинство экспериментов велось в смеси CO2:N2:He (1:1:8) при давлении до 50 Торр.

Измерялись ВАХ разряда при различных давлениях и мощностях предионизации барьерным разрядом Wp, определяемой напряжением, прикладываемым к барьерному разряду, и частотой следования импульсов. В большинстве экспериментов частота следования импульсов фиксировалась, а Wp изменялась за счет прикладываемого напряжения. Разряд горел в форме, аналогичной нормальной форме самостоятельного разряда, т.е. свечение на катоде занимало лишь часть доступной поверхности. Свечение же положительного столба было распределено однородно по всему промежутку. Напряжение разряда оставалось практически неизменным, а ток имел глубокую (до 80%) модуляцию. Из ВАХ разряда, измеренных при разных длинах промежутка несамостоятельного разряда, была определена величина катодного падения ~ 300 В. Она хорошо согласуется с величиной нормального катодного падения 330 В, измеренной независимо в установке, описанной в первой главе. Это дало возможность пересчитать полученные ВАХ разряда на положительный столб.

Основные экспериментальные результаты данной части работы можно проиллюстрировать с помощью рис. 2. На рис. 2а точками показаны ВАХ положительного столба при давлении смеси 50 Торр, частоте следования импульсов 18 кГц и Wp=12.5 (1) и 50 Вт (2). Длина разрядного промежутка в условиях рисунка составляла ~15 мм. Крайние точки соответствуют предельным энерговкладам, при которых разряд терял устойчивость и

переходил в форму дугового. Кривые (3) и (4) соответствуют уровню равной мощности, вкладываемой в положительный столб, 100 и 200 Вт соответственно. Для кривых (3) и (4) построены значения Е^ при вкладываемой мощности 100 и 200 Вт - кривые (5) и (6) соответственно. При построении кривых Е^ учитывалось, что установившаяся температура газа при энерговкладе 100 Вт составляет 450 К, а при 200 Вт - 600 К. Таким образом, продемонстрирована возможность управления параметром Е/ТС и предельным энерговкладом, при котором развиваются неустойчивости, за счет изменения мощности предионизации. Из рис. 2а видно, что при вкладываемой мощности, например, 100 Вт и ""=50 Вт Е^ (рис. 2а (5)) примерно в 1.6 раз меньше, чем при ""=12.5 Вт. Измеренные зависимости мощности лазерной генерации (1) и вкладываемой в несамостоятельный разряд мощности (2) приведены на рис. 26 - в смеси С02:К2:Ые (1:1:8) при давлении 50 Торр, частоте следования импульсов 18 кГц, ""=50 Вт и длине разрядного промежутка -15 мм. Было обнаружено, что при высокой мощности предионизации мощность генерации ограничивается перегревом среды, а устойчивое горение разряда сохраняется. Достигнута максимальная мощность генерации ~36 Вт. КПД лазера падает с увеличением мощности от 20% до 13%.

Для теоретического описания исследуемого разряда была построена численная модель положительного столба с учетом дрейфа электронов и ионов постоянном электрическом поле, процессов ионизации и рекомбинации, амбиполярной диффузии зарядов, нагрева и теплопроводности газа. В качестве подгоночного параметра в модели используется число электронов, создаваемое в единице объема за один импульс предионизации. Это число считалось пропорциональным мощности предионизации при фиксированной частоте и нормировалось таким образом, чтобы рассчитанный ток совпал с измеренным при мощности предионизации 12.5 Вт и напряжении 600 В. На рис. 2а сплошными линиями даны рассчитанные ВАХ положительного столба при Wp=12.5 и 50 Вт (1 и 2). Построенная модель также позволяет рассчитывать пространственное распределение температуры газа и концентрацию электронов вдоль зазора барьерного разряда (наименьшего размера системы). Из результатов расчета видно, что 50 Вт, вкладываемых в барьерный разряд, достаточно для поддержания концентрации электронов в центральной части разряда на уровне ~5*1010-10" см-3. Модель предсказывает, что при превышении энерговкладом определенного значения, и температура и ток разряда начинают быстро нарастать уже после нескольких импульсов предионизации, т.е. развивается ионизационно-перегревная неустойчивость. Границы устойчивости разряда, предсказываемые моделью, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Далее в работе строится аналитическая модель развития неустойчивостей в положительном столбе, основанная на линейной теории возмущений применительно к системе уравнений, описывающих электронную концентрацию и температуру газа. Анализ выражения для инкремента неустойчивости, полученного из данной системы уравнений, позволяет вывести критерий устойчивости разряда в следующей форме:

где S, - усредненное по времени и пространству число электронов в единице объема, производимых источником предионизации; j - плотность тока разряда, е - подвижность электронов, - коэффициент теплопроводности газа, К -усредненная по времени и пространству частота ионизации, Т - температура газа. Т.е., в первом приближении можно считать, что предельная плотность тока, определяющая предельный энерговклад, у х ос , что согласуется с

экспериментальными данными о границе устойчивости разряда относительно уровня энерговклада.

Таким образом, основными выводами этой части работы являются следующие утверждения: энергетика электронов, определяемая параметром Е/Ы, и предельный энерговклад в несамостоятельный планарный разряд с емкостной предионизацией могут регулироваться за счет мощности предионизации; увеличение мощности предионизации позволяет поддерживать устойчивое горения разряда даже при таком энерговкладе, когда лазерная генерация прекращается из-за термического разрушения инверсии населенностей уровней. Достигаемые при такой накачке мощность и КПД лазерной генерации в исследованной конструкции С02 лазера сопоставимы с ВЧ накачкой при близких геометрических размерах активной среды, но при этом энергия электронов и энерговклад в разряд могут регулироваться независимо.

В третьей главе описываются исследования по генерации пучков в гелии в слое катодного падения аномального разряда с ограниченной площадью металлического катода. Эти исследования были связаны с необходимостью создания разрядных условий, в которых в активной среде формируется высокая концентрация электронов с повышенной энергией, близкой к оптимальной для возбуждения атомарных уровней. Для решения этой задачи было предложено использовать пучок быстрых электронов. В первой части главы формулируется актуальность использования пучка быстрых электронов для накачки активных

сред и приводится обзор существующих методов получения электронных пучков и акцентируется внимание на необходимости разработки методов генерации пучка непосредственно в рабочем газе. В качестве возможного решения проблемы предлагается использовать эффект «убегания» электронов в газе в сильном электрическом поле. Однако создание такого сильного электрического поля в газе сопряжено с рядом технологических сложностей, поэтому для их преодоления было предложено использовать микро-разряд, в котором устойчивое горение сильно аномального разряда обеспечивается за счет ограничения рабочей площади катода.

Предложенная и опробованная нами конструкция состоит из стальной пластины, служащей катодом и покрытой слоем эмали со всех сторон. В диэлектрике - слое эмали толщиной -0.15 мм - с одной из сторон пластины сделано отверстие диаметром -0.65 мм, высверленное вплоть до поверхности стальной пластины. Такое устройство катода ограничивает его активную площадь до ~0.3 мм2 , что позволяет разряду гореть в сильно аномальном режиме, когда напряжение горения может до 10 раз превышать величину нормального катодного падения. Медная фольга с отверстием ~ 3 мм, служащая анодом, наклеена на слой диэлектрика соосно с отверстием в нем. Разряд питается от источника постоянного напряжения до 1500 В.

В канале в диэлектрике формируется катодный слой, и в нем производится пучок быстрых электронов, которые проникают в газ за анодом, где поле отсутствует, и возбуждают свечение газа в форме факела, как показано на рис. 3 для гелия при давлении 18 Торр и напряжении разряда 560 В. Распределение свечения получено на длине волны 587.6 нм. Верхняя граница рисунка соответствует положению анода.

В экспериментах

измерялись ВАХ разряда при давлении гелия -1-100 Торр, пространственное распределение свечения при различных давлениях и напряжениях, с помощью ПЗС линейки. Анализ ВАХ разряда при различных давлениях показал, что нагревом газа можно пренебречь, а устойчивое горение разряда сохраняется при напряжении до1500 В. Длина светящейся области, пропорциональная глубине проникновения электронов в газ, возрастает с увеличением напряжения и уменьшением давления. Глубина проникновения электронов в газ определялась по длине светящейся области следующим образом: из двумерного распределения свечения (рис. 3) восстанавливалась интенсивность свечения на оси разряда в самом разряде (для оси Зх-мерного распределения свечения), расстояние, на котором восстановленная интенсивность уменьшалась в 10 раз и принималось за глубину проникновения быстрых электронов в газ. Вычисленная таким образом приведенная глубина проникновения p.R, где р - давление газа, R - глубина проникновения, согласуется с эмпирической формулой, в которой полагается p.R~E2, если энергию электронов Е считать равной e*U, где е - заряд электрона, U -напряжение горения разряда. Например, при напряжении горения разряда 560 В глубина проникновения p.R=3.6 Торр*см.

1.5 ГО 0.5 0.0 С.5 1 0 1.5 X. ММ

Рис.3

Сравнение полученных результатов: максимального напряжения горения разряда, плотности разрядного тока - с работами других авторов, в которых описываются альтернативные конструкции микро-разрядов, демонстрирует существенные преимущества предложенной конструкции. Например, ограничение рабочей площади катода существенно облегчает переход в аномальную форму разряда и способствует устойчивому его горению при больших напряжениях, поэтому в достигается непрерывная генерация пучка электронов с энергией до ~ 1.5 кэВ.

Однако источник быстрых электронов такого типа способен возбуждать сравнительно небольшой объем активной среды, недостаточный для создания лазера. С другой стороны, показана принципиальная возможность создания устойчивого самостоятельного сильно аномального тлеющего разряда и генерации быстрых электронов непосредственно в рабочем газе, а проведенные эксперименты послужили толчком к созданию альтернативного источника быстрых электронов, описываемого в следующей главе.

Четвертая глава посвящена исследованию генерации быстрых электронов в слое катодного падения аномального разряда с диэлектрическим катодом и близко расположенным сетчатым анодом. В начале главы приводится обзор работ, посвященных генерации пучков электронов в открытых разрядах, в которых также используется эффект «убегания» в катодном слое аномального разряда. Основные трудности при создании таких генераторов быстрых электронов широкой апертуры заключаются в обеспечении устойчивого горения разряда и предотвращении разрушения или провисания анодной сетки из-за нагрева, что приводит к закорачиванию разрядного промежутка. Для решения этих проблем предложено использовать открытый барьерный разряд, в котором металлический катод заменен на электрод, покрытый слоем диэлектрика

Разрядная камера в описываемых экспериментах состояла из керамической трубки с диэлектрической проницаемостью £~ 4, длиной ~ 21 см, внутренним

диаметром ~ 2 см и толщиной стенки ~ 2 мм, на концы которой наклеивались кварцевые выходные окошки, расположенные под углом Брюстера. На внешнюю поверхность трубки наклеивалась медная фольга, служившая одним из электродов. Внутренняя поверхность керамической трубки являлась виртуальным катодом, а заземленная цилиндрическая сетка, вставленная внутрь трубки с зазором ~ 1.5 мм - анодом. Постоянное высокое напряжение до ~ 20 кВ подавалось на внешний электрод. Энергозапасающим элементом служила емкость стенки керамической трубки, которая сначала заряжалась до высокого напряжения, а затем быстро разряжалась через газовый промежуток. В качестве коммутирующего элемента использовался тиратрон ТГИ1 1000/25. В экспериментах измерялись ток разряда, ток пучка, пространственное распределение свечения газа внутри трубки с помощью ПЗС линейки и временная структура свечения с помощью ФЭУ 58. При изучении лазерной генерации разрядная камера помещалась в резонатор, образованный двумя зеркалами, помещенными вне камеры. Мощность лазерной генерации измерялась с помощью калориметра ИМО-2 и фотодиода PD25-02. Напряжение на разрядном промежутке и ток разряда вычислялись из осциллограммы наблюдаемого тока, используя эквивалентную электрическую схему установки. Эксперименты велись в Не, Хе, смеси Не:Хе (30:1) и других благородных газах и их смесях при давлении —1-100 Торр.

Прямое измерение напряжения на разрядном промежутке и на камере было невозможно, но при условии разделения во времени тока смещения, связанного с перезарядкой емкостей соединительного кабеля и стенки камеры, и электронно-ионного тока разряда, было возможно вычисление напряжения на разрядном промежутке из измеренной осциллограммы тока с учетом эквивалентной электрической схемы разряда. Такое разделение токов наблюдалось при небольших давлениях газа менее ~10-20 Торр, при этом вычисленное максимальное напряжение на разрядном промежутке составляло ~ 0.8 от зарядного. Максимальный ток разряда достигал ~ 87 А при длительности

по основанию ~ 60 нс, а по полуширине - 40 нс. Моменту максимума тока соответствовало напряжение на разрядном промежутке, равное примерно половине от максимального. Ток пучка электронов измерялся с помощью коллектора, который дополнительно вставлялся внутрь разрядной камеры. Эффективность генерации пучка по току уменьшалась от 16% при малых давлениях (~20 Торр Не) до 6% при больших (~60 Торр Не). Апертура пучка составляла ~ 100 см2. Концентрация электронов в пучке ~ 108 см'3, а их энергия ~ 10 кВ.

Проводились исследования пространственного и временного распределения видимого спонтанного свечения газа, в которых найдено, что при малых напряжениях или больших давлениях интенсивность свечения практически экспоненциально спадает к центру камеры, а в центре свечение отсутствует. При увеличении напряжения или уменьшении давления длина светящейся области увеличивается, пока свечение однородно не заполнит внутренний объем камеры. При дальнейшем увеличении напряжения или уменьшении давления интенсивность свечения возрастает от анодной сетки к центру камеры, где располагается наиболее яркая часть свечения. Измеренная длительность импульса видимого спонтанного свечения (на полувысоте) составляет ~ 200 нс, что в несколько раз длиннее импульса тока. Это объясняется постоянной времени ФЭУ ~150 нс и временем радиационного распада возбужденных состояний Не.

В экспериментах получена лазерная генерация в смеси Не:Хе (30:1) и чистом Хе. Исследования показали, что лазерная генерация начинается в момент, соответствующий примерно максиму тока разряда. Полуширина импульса лазерной генерации составляла ~ 20 не. Пиковая мощность генерации ~ 3 Вт, а энергия импульса ~ 0.1 мкДж при зарядном напряжении камеры 11.3 кВ и давлении смеси 7.4 Торр. Лазерная генерация начиналась при зарядном напряжении, превышающем определенное пороговое значение, зависящее от давления газа. При увеличении напряжения мощность генерации

увеличивается, но при больших напряжениях выходит на насыщение. Исследования зависимости мощности генерации от давления газа при фиксированном напряжении показали, что для каждого зарядного напряжения существует оптимальное давление, при котором мощность

генерации максимальна.

При увеличении зарядного напряжения и мощность генерации и оптимальное давление увеличиваются, как показано на рис. 4 для напряжений 5.4 и 13.6 кВ в смеси (1, 2) и в чистом Хе (3, 4). Частота следования импульсов в условиях рисунка составляла 2.5 кГц

Средняя мощность генерации увеличивается пропорционально частоте следования импульсов и составляет ~ 0.1 - 0.2 мВт/кГц. Распределение мощности излучения по радиусу лазерного пучка практически однородное. В режиме без протока газа мощность генерации падает со временем ~10-20 минут и полностью прекращается примерно через 1 час непрерывной работы. Это связано с загрязнением газа. Спектральные исследования с помощью узкополосных светофильтров привели к выводу, что генерация происходит на длине волны 2.03 мкм.

Экспериментально найдено, что максимум мощности генерации достигается при однородном заполнении камеры спонтанным свечением. Оценка глубины проникновения электронов в газ при их энергии, определяемой напряжением на разряде в момент максимума тока, по соотношению р.Я-Е2

дает, что этому соответствуют условия, когда глубина проникновения примерно равна внутреннему диаметру камеры. Такая оценка верна только при умеренных зарядных напряжениях ~ 5 кВ, и оцененное из таких соображений оптимальное давление согласуется с экспериментом. При больших зарядных напряжениях >10 кВ оцененное оптимальное давление значительно превосходит экспериментально измеренное. Это связано с тем, что при больших давлениях максимальное напряжение на разрядном промежутке уменьшается.

Таким образом, экспериментально подтверждена возможность генерации быстрых электронов непосредственно в рабочем газе для накачки активных сред лазеров на атомарных переходах.

В заключении приводятся основные выводы работы.

В приложении 1 описывается конечно-разностная схема расчета для использованной в первой главе модели катодного слоя самостоятельного разряда.

Приложение 2 содержит вывод условия устойчивости несамостоятельного планарного разряда с комбинированным возбуждением, которое описывается во второй главе.

Возможные погрешности при оценке длины пробега пучковых электронов в газе по приведенной в литературе методике, используемой в третьей и четвертой главах, обсуждаются в приложении 3. Основные выводы работы

1. Выяснены условия заполнения электродов током, разграничение нормальных и аномальных режимов, проведено изучение эффекта нормальной плотности тока в коротких промежутках. В планарном разряде с малым межэлектродным промежутком осуществляется режим с пониженной по отношению к классической нормальной плотностью тока, которая уменьшается с уменьшением длины разрядного промежутка. Наблюдаемое падение плотности тока может быть объяснено зависимостью коэффициента ион-

электронной эмиссии от величины электрического поля на катоде, которое устанавливается в соответствии с распределением объемной плотности заряда в промежутке и соответствует оптимальным условиям для ионизационного размножения электронов в катодном слое.

2. Определены границы объемной устойчивости несамостоятельного планарного разряда с емкостной предионизацией. Установлено, что основным механизмом развития неустойчивостей положительного столба является ионизационно-перегревная неустойчивость. Показано на примере макета квазинепрерывного компактного СО2 лазера, что с помощью импульсно-периодической предионизации барьерным разрядом устойчивое горение несамостоятельного разряда может достигаться при энерговкладе, превышающем пороговое значение, при котором за счет нагрева газа разрушается инверсия населенностей уровней. Достигаемая мощность и КПД лазерной генерации сопоставимы с ВЧ накачкой.

3. В слое катодного падения аномального тлеющего разряда возможна генерация пучков быстрых электронов в газе среднего давления с энергией до величины катодного падения потенциала. Стабильное горение сильно аномального разряда может обеспечиваться за счет использования металлического катода небольшой площади, ограниченного диэлектриком, либо за счет использования диэлектрического катода. Продемонстрирована возможность накачки газовых лазеров на атомарных переходах с накачкой пучком быстрых электронов, производимых в катодной области открытого барьерного разряда на примере лазерной генерации на атомарных переходах Хе в области 2 мкм.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

[1] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Планарный разряд постоянного тока в газе среднего давления. II Препринт ФИАН №55, М., 1998

[2] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Планарный разряд постоянного тока в газе среднего давления. II Материалы XLI научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной науки». том 1, Долгопрудный, 1998.

[3] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Непрерывная генерация пучков быстрых электронов в газе среднего давления. II Материалы XLII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной науки», том 1, Долгопрудный, 1999.

[4] Азаров А.В., Митько С В., Очкин В.Н., Генератор электронного пучка. -Патент RU#2172573 Cl, стр. 1-10, (2000)

[5] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Непрерывная генерация пучков быстрых электронов в аномальном тлеющем разряде в газе среднего давления. II Материалы XXVII Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород, 2000, стр. 236.

[6] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Генерация пучков быстрых электронов в газе среднего давления. II Материалы XLIV научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной науки», том 1, Долгопрудный, 2001

[7] Azarov A.V., Kuznetsov A.A., Mitko S.V., Ochkin V.N., High repetiton rate non-self-sustained discharges at elevated gas pressures. II Proceedings of the ESCAMPIG 16 / ICRP 5 Conference, Grenoble, France, 14-18 July, 2002, vol. 1, p. 77.

[8] Azarov A.V., Mitko S.V., Ochkin V.N., An open barrier discharge as a source of kiloelectronvolt electron beam in moderate pressure gases. II Proceedings of the ESCAMPIG 16 / ICRP 5 Conference, Grenoble, France, 14-18 July, 2002, vol. 2, p. 305.

[9] Azarov A.V., Mitko S.V., Ochkin V.N., An open barrier discharge as Xe laser pumping source. II Proceedings of the IQEC / LAT 2002 Conference, Moscow, Russia, June22-27,2002.

[10] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Xeлазер с накачкой быстрыми электронами, генерируемыми в барьерномразряде. I/Квантовая электроника вып. 32, N° 8,2002, стр. 675-679

[11] Азаров А. В., Митько СВ., Очкин В.Н., Нормальная плотность тока тлеющего разряда среднего давления в коротких промежутках. ИКраткие сообщения по физике ФИАН вып. 4,2002, с. 14-23.

[12] Азаров А.В., Митько СВ., Очкин В.Н., Савинов С.Ю., Несамостоятельный щелевой разряд как эффективный метод накачки активныхлазерныхсред. IIКвантовая электроника вып. 33, У 5,2003, стр. 419-424.

[13] Азаров А.В., Очкин В.Н., Ороли коэффициента эмиссии в нормальном тлеющемразряде. I/Препринт ФИАН № 30, М., 2 0 0 3.

[14] Azarov A.V., Mitko S.V., Ochkin V.N., Open barrier discharge as Xe laser pumpingsource. IIProc. SPIE vol. 5137,2003, p. 227-234.

[15] Azarov A.V., Ochkin V.N., Effect ofthefield dependence ofthe coefficient of ion-electron emission on the characteristics of a normal cathode discharge. IIJ. Russian Laser Research vol. 25, lV 2,2004, стр. 138-155.

[16] Azarov A.V., Peters P.J.M., Boiler K.-J., Influence ofthe secondary electron emission coefficient on the value of normal current density in small gap glow discharges. II Proc. of the 16th NNV/CPS - symposium. Lunteren, the Netherlands, 2004, p.20.

[17] Azarov A.V., Peters P.J.M., Boiler K.-J., Pulsed longitudinal self-sustained and non-self-sustained discharges with pre-ionisation by transversal barrier discharge. IIProc. ofthe 16th NNV/CPS - symposium. Lunteren, the Netherlands, 2004, p. 13.

Азаров Антон Вшдимирович

ПЛАНАРНЫЕ РАЗРЯДЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ КАК ИСТОЧНИКИ НАКАЧКИ АКТИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД

Подписано в печать 05 1004 Формат 60ч84 1/16 Печать офсетная Уел печ л 1,5 Уч -изд л 1,5 Тираж 70 экз Заказ Л" ф-

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) Отдел автоматизированных издательских систем * ФИЗТЕХ -ПОЛИГРАФ" 141700, Московская обл, г Долгопрудный, Институтский пер, 9

«И927*

РНБ Русский фонд

2005-4 16329

Введение.

Глава 1. Самостоятельные планарные разряды и нормальная плотность тока.

1.1 Нормальная плотность тока - история и постановка вопроса.

1.2 Экспериментальная установка.

1.3 Инициирование разряда.

1.4 Плотность катодного тока при различных р.ё.

1.5 Аномальный режим горения разряда.

1.6 Распределение интенсивности видимого свечения по поперечному сечению разряда в аномальном режиме горения.

1.7 Численная модель разряда и ее параметры.

1.8 Результаты численного моделирования разряда.

1.9 Обсуждение результатов. Сравнение экспериментальных данных с результами расчета.

1.10 Резюме к главе 1.

Глава 2. Несамостоятельный планарный разряд с комбинированным возбуждением -свойства и применение для СОг лазера

2.1 Проблемы оптимизации электрических параметров в активных средах мощных молекулярных лазеров.

2.2 Экспериментальная установка.

2.3 Экспериментальные результаты.

2.4 Моделирование разряда.

2.5 Результаты расчета электрических параметров разряда.

2.6 Границы устойчивости разряда.

2.7 Упрощенный анализ устойчивости положительного столба.

2.8 Обсуждение результатов.

2.9 Резюме к главе 2.

Глава 3. Непрерывная генерация пучка быстрых электронов в микро-разряде.

3.1 Генерация быстрых электронов - обзор существующих методик.

3.2 Конструкция микро-разряда для генерации пучка.

3.3 Экспериментальная установка.

3.4 Экспериментальные результаты и их обсуждение.

3.5 Обсуждение результатов, сравнение с результатами других авторов.

3.6 Резюме к главе 3.

Глава 4. Генерация пучка быстрых электронов большой площади в открытом барьерном разряде и его использование для накачки газовых лазеров на атомарных переходах.

4.1 Открытые разряды как генераторы быстрых электронов.

4.2 Экспериментальная установка и методика измерений.

4.3 Электрические характеристики разряда.

4.4 Видимое спонтанное свечение газа.

4.5 Лазерные характеристики.

4.6 Обсуждение результатов.

4.7 Резюме к главе 4. 100 Заключение. 101 Список публикаций. 103 Список цитируемой литературы. 105 Приложение 1. 114 Приложение 2. 117 Приложение 3.

Газовый разряд реализуется в многочисленных формах, и это широко используется в различных технологиях и устройствах, таких как источники света, средства накачки активных сред газовых лазеров, плазмохимических реакторах, и как коммутирующих элементах электрических цепей (газонаполненные приборы, например, тиратроны). Такое многообразие применений газового разряда связано с широким диапазоном • параметров плазмы, создаваемой в различных газовых разрядах, и широким диапазоном плазмообразующих газов, геометрий, электрических параметров и энерговкладов в разряд.

Разрядное напряжение может варьироваться от десятков - нескольких сотен вольт (дуговые разряды) до десятков - сотен киловольт (коронные разряды, тлеющие разряды в газах высокого давления), и даже до мегавольт (в т.ч. природные гигантские разряды -молнии). Разрядные токи в самостоятельных разрядах могут составлять от микроампер до сотен килоампер. Соответственно, энерговклад в газовых разрядах может достигать величины в сотни киловатт и более. Концентрация заряженных частиц в плазме разряда может меняться от ~ 1010 до - 1022 см'3, степень ионизации газа от ~ 10"8 до ~ 10"1, средняя

I 1 л энергия частиц от ~ 10* до ~ 10 -10 эВ. В большинстве случаев средняя энергия электронов мала 1 эВ) и определяется подвижностью, но в сильных электрических полях электроны могут переходить в режим «убегания» и набирать энергию ~ 102 - 104 эВ. Соответственно, и функция распределения электронов по энергии может существенно отличаться от распределения Максвелла.

Все это разнообразие проявлений газового разряда определяется различными механизмами эмиссии, процессами ионизации и гибели заряженных частиц (рекомбинация, гибель на стенках камеры и прочее), баланса; энергий, которые, в свою очередь, сильно зависят от концентрации газа и распределения электрического поля, различных тепловых эффектов. Подбором макроскопических параметров: подходящей электрической схемы питания разряда, геометрии разрядной камеры, химического состава и давления газа и т.д. -можно реализовать условия, наиболее подходящие для решения поставленной задачи, например, накачки активной среды газового лазера.

В последнее время обсуждаются- и реализуются разряды с малым промежутком и развитой поверхностью (разрядные дисплейные панели, мощные компактные волноводные планарные лазеры, сильноточные коммутаторы) с эффективным теплоотводом. Это, как правило, устройства при повышенных давлениях. В этой ситуации первостепенными становятся явления вблизи электродов, устойчивость разрядных структур, уровней возможного энерговклада в разряд. Этим вопросам посвящена данная работа, что определяет ее актуальность.

Цель работы - экспериментальные и теоретические исследования разрядов пониженной размерности - с развитой поверхностью электродов и малым зазором и физических предпосылок для их возможных применений при разработке нового поколения эффективных компактных газовых лазеров.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

- выяснение условий заполнения поверхности электродов и объема разряда током, разграничение нормальных и аномальных режимов, определение предельного уровня энерговклада в. самостоятельном разряде в планарной геометрии, изучение эффекта нормальной плотности тока в коротких промежутках;

- определение границ объемной устойчивости в сочетании с возможностями управления величиной приведенного электрического поля и энергией электронов в несамостоятельных разрядах с емкостной предыонизацией, установление механизмов развития неустойчивостей, установление соотношения предельных энерговкладов по отношению к устойчивости разряда и механизму инверсии (на примере планарного волноводного СОг лазера);

- создание генератора пучков быстрых электронов в катодных областях разряда в газе среднего давления и возможности использования электронного пучка для накачки лазерных сред (на примере лазера на атомарных переходах Хе в области 2 цм).

Научная новизна и практическая ценность

1. Экспериментально установлен эффект ограничения нормальной плотности тока в самостоятельных плоских разрядах при коротких межэлектродных промежутках. Дана физическая интерпретация эффекта, установлены ограничения классической теории катодного слоя.

2. Исследован лабораторный макет квазинепрерывного планарного волноводного СО2-лазера, использующего комбинацию емкостной импульсной предыонизации поперечным барьерным разрядом; с частотой повторения ~ 10-20 кГц и накачки поперечным несамостоятельным- разрядом с металлическими электродами, к которым прилагается постоянное напряжение. Достигнуты предельные энергетические лазерные параметры, определяемые тепловым ограничением инверсии;

3. Разработана модель, описывающая границы устойчивости квазинепрерывного несамостоятельного планарного разряда с импульсно-периодической предыонизацией;

4. Предложен способ непрерывной генерации электронных пучков малой апертуры в газе среднего давления, основанный на эффекте «убегания» электронов в катодном слое аномального тлеющего разряда с металлическим катодом малой площади, ограниченной диэлектриком. Изучено распространение в газе пучков электронов, получаемых с помощью такого источника;

5. Изучена возможность импульсно-периодической генерации электронных пучков широкой апертуры в газе среднего давления, основанная на эффекте «убегания» электронов в катодном слое аномального тлеющего разряда с диэлектрическим катодом и близко расположенным сетчатым анодом. Исследовано распространение пучков электронов, получаемых с помощью такого источника, в газе;

6. Получена и исследована генерация на переходах атомарного Хе в области 2 /ш при возбуждении электронным пучком, инжектируемым в газ из области катодного падения открытого барьерного разряда.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При малых межэлектродных промежутках происходит уменьшение нормальной плотности тока самостоятельного разряда. Эффект связан с зависимостью ион-электронной эмиссии с поверхности катода от поля и, как следствие, с появлением минимума на вольтамперной характеристике катодного слоя, в области, не предсказываемой классической теорией катодного слоя тлеющего разряда. Данная зависимость позволяет объяснить эффект нормальной плотности тока как формирование области повышенной эмиссии, достаточной для поддержания тока разряда при уменьшении площади, занимаемой разрядом. Предельный энерговклад в самостоятельный планарный разряд в нормальной форме определяется электрическими характеристиками катодного слоя, а в аномальной форме предельный энерговклад ограничивается развитием неустойчивостей на аноде.

2. Неустойчивость несамостоятельного разряда с емкостной; предыонизацией в планарной геометрии связана с ионизационно-перегревным механизмом. Динамика развития неустойчивостей может быть теоретически описана, а их граница в условиях СОг лазера соответствует энерговкладам, превышающим допустимые для поддержания инверсии из-за нагрева газа. Управление величиной приведенного электрического поля, средней энергией электронов и величиной предельного энерговклада может осуществляться за счет изменения мощности предыонизации.

3. Область катодного падения аномального тлеющего разряда может быть использована в качестве эффективного источника быстрых электронов. Устойчивое горение разряда в аномальной форме может обеспечиваться как за счет ограничения площади металлического катода диэлектриком, так и за счет использования диэлектрического катода. Продемонстрирована генерация пучка электронов с энергией в диапазоне 102-104 эВ и ^ получена лазерная генерация на атомарных переходах Хе в области 2 /ж с накачкой пучком электронов с апертурой ~ 100 см2. Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной Конференции по Плазменным Технологиям, объединенной с Европейской Конференцией по Атомной и Молекулярной Физике Ионизованных Газов ЕБСАМРЮ 16/ КЖР 5 (г. Гренобль, Франция, 2002), Международной Конференции по Квантовой Электронике, объединенной с Конференцией по Лазерам, Приложениям и Технологиям К^ЕС / ЬАТ 2002 (Москва, 2002), Всероссийской ХХУП Звенигородской Конференции по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2000), ХЫ, Х1Л и ХЫУ Научных конференциях МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной науки» (г. Долгопрудный, 1998; 1999,2001), 1б-ом Национальном Симпозиуме Центра по Физике Плазмы Нидерландов (г. Люнтерен, Нидерланды, 2004), семинарах Отдела Оптики Низко-Температурной Плазмы Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва, 1998 - 2002) и семинарах Группы Лазерной Физики и Нелинейной Оптики Университета Твенте (г. Энсхеде, Нидерланды, 2002 * - 2004).

Публикации по теме работы

Материалы, раскрывающие основное содержание диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в т.ч. в 4 научных статьях, в материалах 7 научных конференций (в т.ч. в 2 международных), 2 препринтах ФИАН и одном патенте на изобретение. Список публикаций приведен в заключительной части диссертации. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, списка публикаций по теме работы, включает 51 иллюстрацию, список цитируемой литературы из 224 наименований. Общий объем диссертации 123 страницы. Содержание работы

Заключение.

В диссертационной работе излагаются результаты экспериментальных и теоретических исследований разрядов пониженной размерности - с развитой поверхностью электродов и малым зазором и физических предпосылок для их возможных применений при разработке нового поколения эффективных компактных газовых лазеров.

Выяснены условия заполнения электродов током, разграничение нормальных и аномальных режимов, проведено изучение эффекта нормальной плотности тока в коротких промежутках. Показано, что в планарном разряде с малым межэлектродным промежутком осуществляется режим с пониженной по отношению к классической нормальной плотностью тока, которая уменьшается с уменьшением длины разрядного промежутка. Наблюдаемое падение плотности тока может быть объяснено зависимостью коэффициента ион-электронной эмиссии от величины электрического поля на катоде, которое устанавливается в соответствии с распределением объемной плотности заряда в промежутке и соответствует оптимальным условиям для ионизационного размножения электронов в катодном слое.

Определены границы объемной устойчивости несамостоятельного планарного разряда с емкостной предыонизацией. Установлено, что основным механизмом развития неустойчивостей положительного столба является ионизационно-перегревная неустойчивость. Показано на примере макета квазинепрерывного компактного СОг лазера, что с помощью импульсно-периодической предыонизации барьерным разрядом устойчивое горение несамостоятельного разряда может достигаться при энерговкладе, превышающем пороговое значение, при котором за счет нагрева газа разрушается инверсия населенностей уровней.

Показано, что в слое катодного падения аномального тлеющего разряда возможна: генерация пучков быстрых электронов в газе среднего давления с энергией до величины катодного падения потенциала. Стабильное горение сильно аномального разряда может обеспечиваться за счет использования, металлического катода небольшой площади, ограниченного диэлектриком, либо за счет использования диэлектрического катода.

Получена генерация в области 2 |хм на атомарных переходах Хе с накачкой пучком быстрых электронов, производимых в катодной области открытого барьерного разряда.

В заключение я считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю В.Н. Очкину за всестороннюю поддержку и внимательное руководство, сотрудникам Физического Института им. П.Н. Лебедева: С.Ю. Савинову, С.Н. Цхаю, П.Л. Рубину за многочисленные и конструктивные обсуждения экспериментальных и теоретических результатов и помощь в проведении экспериментов. Особую благодарность я бы хотел выразить И.П. Южаковой за неоценимую помощь в организационных вопросах и В.Л. Бухтиярову, мастеру-механику Отдела Оптики Низко-Температурной Плазмы ФИАН за помощь в создании экспериментальных установок.

Особую признательность я выражаю C.B. Митько, который являлся моим научным руководителем в период обучения в МФТИ и побудившим меня, к исследованию планарных разрядов. Его помощь в организации экспериментов и интерпретации полученных данных неоценима.

Я также признателен всем сотрудникам кафедры квантовой радиофизики МФТИ, на которой я проходил обучение, особенно Л.П. Преснякову, A.B. Масалову, В.Н. Сорокину, И.Л. Бейгману.

1. Gas lasers — recent developments and future prospects. Ed. by Witteman W. J., Ochkin V. N. Kluwer Acad. Publishers, 1996, p. 365

2. Kuznetsov A.A., Novgorodov M.Z., Ochkin V.N., et al., Compact scaled-of RF-acted C02 lasers. /I Proc. SPIE vol. 4165,2000, pp. 140.

3. Sobel A. // IEEE Trans. Plasma Sei. vol. 19,1991, pp. 1032

4. Auday G., Guillot Ph., Galy J., Secondary emission of dielectrics used in plasma display panels. II J. Appl. Phys. vol. 88, № 8,2000, pp. 4871-4874.

5. Callegari Th., Ganter R., Boeuf J.P., Diagnostics and modeling of a macroscopic plasma display panel cell. II J. Appl. Phys. vol. 88, V 7,2000, pp. 3905-3913.

6. Ikeda Y., Verboncoeur J.P., et al., Global modeling of a dielectric barrier discharge in Ne-Xe mixtures for an alternating current plasma display panel. И J. Appl. Phys. vol. 86, Л/0 5, 1999, pp. 2431-2441.

7. Bergmann H.M. von, Miniature TEA nitrogen laser with diffraction-limited sub-nanosecond output pulses. И J. Phys. E: Sei. Instr. vol. 15,1982, pp. 807-809.

8. Brink DJ., Hasson V., Compact megawatt helium-free TEA HF, DF lasers. И J. Phys. E: Sei. Instr. vol. 13, 1980, pp. 553-556.

9. Cohn D.B., Transverse self-sustained discharge C02 laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 26, Л/0 9, 1975, pp. 508-509.

10. Райзер Ю.П., Шнейдер M.H., Яценко H.A., Высокочастотный емкостной разряд. М., Наука, 1995, с. 69.

11. Ilukhin В.1., Ochkin V.N., et al. // Quantum Electronics vol. 28, Л/0 6, 1998, p. 497.

12. Райзер Ю.П., Шнейдер M.H. // Физика плазмы вып. 17, Л/° 11,1991, с. 1362.

13. Lieberman М.А., Lichtenberg A.J., Principles of Plasma Discharges and Material Processing. John Wiley & Sons inc. New York, 1994, p. 450.

14. Lachambre J.L., Macfarlane J., et al., A transversely rf excited C02 waveguide laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 32, V 10,1978, pp. 652-653.

15. Smith P.W., A waveguide gas laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 19, № 5, 1971, pp. 132-134.

16. Ochkin V.N., Tskhai S.N., et al., Lifetime tests of the RF pumped atomic Xenon lasers. И Preprint FLAN № 40. -M., 1999

17. Илюхин Б.И., Очкин B.H., и др., О механизме действия непрерывного Хе-лазера с ВЧ накачкой. II Препринт ФИАН № 58. М., 1997

18. Райзер Ю.П., Физика газового разряда. М., Наука, 1992, с. 252-292,536

19. Грановский B.JL, Электрический ток в газе. Установившийся ток. М., Гл. изд. ф.-м. лит., 1971, с. 235, 292

20. Бохан П.А., Колбычев Г.В. // ЖТФ вып. 51, N° 9,1981, с. 1823.

21. Колбычев Г.В., Самышкин Е.А. // Квантовая электроника вып. 10,Л/° 2,1983, с. 437.

22. Арланцев С.В., Борович Б.Л., и др. // Квантовая электроника вып. 21, № 9,1994, с. 824.

23. Акишев Ю.С., Дятко H.A., Напартович А.П., и др. // ЖТФ вып. 59, № 8,1989, с. 14.

24. Faraday М., Experimental Researches in Electricity (from 1820 onwards). Brit. Roy. Soc., 1860. (цитируется no 30]).

25. Hittorf W., Über die Elektrizitätsleitung der Gase (The electrical conductivity of gases). И Pogg. Ann. Pkysik, vol.136,1869. (цитируется no 30]).

26. Goldstein E., Über elektrische Entladungen in verdünnten Gasen (Electrical discharges in ratified gases). -Monatsber. Berl. Akad., 1876. (цитируется no 30]).

27. Crookes W., Materie oder der vierte Aggregutzustand (Radiating matter or the fourth state of aggregation). -German translation published in Leipzig, 1879. (цитируется no 30]).105

28. Hertz H., Versuche iiber die Glimmentladung. (Experiments on the glow discharge). Il Wied. Ann. Pkysik, vol. 19, 1883. (цитируется no 30]).

29. Schuster A., The discharge of electricity through gases. II Proc. Roy. Soc, vol.47,1890. (цитируется no 30]).

30. Lenard P.E.A. von, On cathode rays. Nobel Prize Lectrure, 1906.

31. Skinner C.A., The cathode fall in gases. H Phys. Rev. vol. 6, jV° 2,1915, pp. 158-165.

32. Rubens S.M., Henderson J. E., The characteristics and function of anode spots in glow discharges. H Phys. Rev. vol. 58,1940, pp. 446-457.

33. Loeb L.B., The role of the cathode in discharge instability. II Phys. Rev. vol. 76, V 2, 1949, pp. 255-259.

34. Warren R., Field measurements in glow discharges with a refined electron beam probe and automatic recording. II Phys. Rev. vol. 98,W0 6, 1955, pp. 1650-1658.

35. Davis W.D., Vanderslice T.A., Ion Energies at the Cathode of a Glow Discharge. I I Phys. Rev. vol. 131, 1963, pp. 219-228.

36. Gill P., Webb C.E., Negative glow and positive column discharges for helium metal-vapor lasers a comparison. II J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 10,1977, pp. 2235-2244.

37. Hartmann W., Gundersen M.A., Origin of anomalous emission in superdense glow discharge. II Phys. Rev. Lett, vol. 60, 23,1988, pp. 2371-2374.

38. Den Hartog E.A., Doughty D.A., Lawler J.E., Laser optogalvanic and fluorescence stydies of the cathode region of a glow discharge. II Phys. Rev. A vol. 38, Л/0 5, 1988, pp. 2471-2491.

39. Szapiro В., Rocca J J., Electron emission from glow-discharge cathode materials due to neon and argon ion bombardment. И J. Appl. Phys. vol. 65, № 9,1989, pp. 3713-3716.

40. Den Hartog E.A., O'Brian T.R., Lawler J.E., Electron temperature and density diagnostics in a helium glow discharge. //Phys. Rev. Lett. vol. 62, № 13,1989, pp. 1500-1503.

41. Donko.Z., Rozsa K., et al. Modeling and measurements on an obstructed glow discharge in helium. //Phys. Rev. E vol. 49, 4,1994, pp. 3283-3289.

42. Rozsa K., Gallagher A., Donko A., Excitation ofAr lines in the cathode region of a dc discharge. II Phys. Rev. E vol. 52, 1,1995, p. 913-918.

43. Auday G., Guillot Ph., et al. Experimental study of the effective secondary emission coefficient for rare gases and copper electrodes. //J. Appl. Phys. vol. 83, V 11, 1998, pp. 5917-5921.

44. Jelenkovic В .M., Phelps A. V., Cathode fall-dominated Ar discharge. Transient and steady-state experiments. // J. Appl. Phys. vol. 85, № 10,1999, p. 7089-7096.

45. Скакун B.C., Ломаев М.И., и щ>.,КгС1 и XeCl эксилампы с мощностью излучения 1.5 кВт, возбуждаемые тлеющим разрядом. II Письма в ЖТФ вып. 28, JV0 21,2002, с. 42-47.

46. Бохан А.П., Бохан П.А., Закревский Дм., Эффективная генерация электронных пучков в аномальном разряде с повышенной фотоэмиссией катода. И Письма в ЖТФ вып. 29, Л/° 20,2003, с. 81-87.

47. Сорокин А.Р., Оценка вклада фотоэлектронов в КПД открытого разряда. И Письма в ЖТФ вып. 29, V 20, 2003, с. 1-4.

48. Skinner С.А., Simplified theory of the cathode fall in gases with application to plates and wires. II Phys. Rev. vol. 12, V 2, 1918, p. 143-157.

49. Compton K.T., Morse P.M., Theory of normal cathode fall in glow discharges. И Phys. Rev. vol. 30,1927, p. 305317.

50. Morse P.M., A theory of the electric discharge through gases. II Phys. Rev. vol. 31,1928, p. 1003-1017.

51. Engel A. von, Steenbeck M., Electrische Gasentladungen. Ihre Physik und Technik. Vol. II. Springer, Berlin, 1934.

52. Warren R., Interpretation of field measurements in the cathode region of glow discharges. U Phys. Rev. vol. 98, bP 6,1955, p. 1658-1664.

53. Auer P.L., Hurwitz H. Jr., Tamor S., Theory of the cathode sheath in a low-density gas discharge. II Phys. Rev. vol. lll,A/°4, 1958, p. 1017-1028.

54. Ward A.L., Effect of Space Charge in Cold-Cathode Gas Discharges. II Phys. Rev. vol. 112, Л/0 6, 1958, p. 18521857.

55. Hull A. W., Cathode spot. И Phys. Rev. vol. 126, Л/0 5, 1962, p. 1603-1610.

56. Nahemov M., Wainfan N. Ward A. L., Formation of the cathode fall in a pulsed glow discharge. II Phys. Rev vol. 137, N° 1,1965, p. 56-60.

57. Boeuf J.P., Marode E., A Monte Carlo analysis of an electron swarm in a nonuniform field The cathode region of a glow discharge in helium. И J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 15,1982, p. 2169-2187.

58. Abril I., Gras-Marti A., et al., Energy distributions of particles striking the cathode in a glow discharge. II Phys. Rev. A vol. 28, 6, 1983, p. 3677-3678.

59. Lawler J. E., Equillibration distance of ions in cathode fall. И Phys. Rev. A vol. 32, № 5, 1985, p. 2977-2980.

60. Doughty D.A., Den Hartog E.A., Lawler J.E., Current balance at the surface of cold cathode. И Phys. Rev. Lett, vol. 58, № 25, 1987, p. 2668-2671.

61. Райзер Ю. П., Шнейдер M. H. // Физика плазмы вып. 15, N° 3,1989, с. 318.

62. Kolobov V. I., Fiala A., Transition from a Townsend discharge to a normal discharge via two-dimensional modeling. // Phys. Rev. E vol. 50, A^ 4,1994, p. 3018-3032.

63. Рубин П.Л., Нормальная плотность катодного тока в тлеющем разряде. // Краткие сообщения по физике ФИАН 9,2000, с. 25-32.

64. Donko Z., Apparent secondary-electron emission coefficient and the voltage-current characteristics of argon glow discharges. II Phys. Rev. E vol. 64, TV0 2,2001, p. 1-9.

65. SijaSid D.D., Ebert U., Transition from Townsend to glow discharge. Subcritical, mixed, or supercritical characteristics. II Phys. Rev. E vol. 66,2002, p. 1-12.

66. Arslanbekov R.A., Kolobov V.I., Two-dimentional simulations of the transition from Townsend to glow discharge and subnormal oscillations. // J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 36,2003, p. 2986-2994.

67. Novoselov Y.N., Mesyats G.A., Kuznetsov D.L., Plasma-chemical oxidation of SO2 in air by pulsed electron beams. И J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 34,2001, p. 1248-1255.

68. Guo Y.-B., Hong F. Ch.-N., Radio-frequency microdischarge arrays for large-area cold atmospheric plasma generation. И Appl. Phys. Lett. vol. 82, bP 3,2003, p. 337-339.

69. Engel A. von, Ionized Gases. Clarendon, Oxford, 1965.

70. Moussou P., Marode E., The DC gas discharge structure as a thermodynamic minimum. II J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 25, 1992, p. 1205-1209.

71. Баранов В.Ю., Веденов A.A., Низьев В.Г. II Теплофизика высоких температур вып. 10, 1972, с. 1156.

72. Веденов А.А., Физика электроразрядных СО^-лазеров. М., Энергоиздат, 1982.

73. Гладуш Г.Г., Самохин А.А. // Прикладная механика и техническая физика вып. 5, 1981, с. 15.

74. Мелехин В.Н., Наумов Н.Ю. // Письма в ЖТФ вып. 12, 1986, с. 99.

75. Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. // Письма в ЖТФ вып. 13, 1987, с. 452.

76. Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. // Теплофизика высоких температур вып. 26,1988, с. 428.

77. Райзер Ю.П. // Теплофизика высоких температур вып. 24, 1986, с. 984.

78. Клярфельд Б. Н., Гусева А. Г., Покровская-Соболева А. С. // ЖТФ вып. 36, У 4,1966, с. 707.

79. Сканави Г.И., Физика диэлектриков (область сильных полей). М. ГИФМЛ, 1958. с. 142

80. Islamov R.Sh., Gulamov E.N. // IEEE Trans. Plasma Sci. vol. 26, rf 1, 1998, p. 7.107

81. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

82. Сорокин А.Р., Открытый разряд: структура, развитие, роль фотоэмиссии. И ЖТФ вып. 68, № 3, 1998, с. 33-38.

83. Сорокин А.Р., Формирование электронных пучков в открытом разряде. И Письма в ЖТФ вып. 26, № 24, 2000, с. 89-94.

84. Бохан А.П., Бохан П.А., Механизм эмиссии электронов в открытом разряде. I/ Письма в ЖТФ вып. 27, У 6,2001, с. 7-12.

85. Бохан П.А., Закревский Дм., Высокоэффективная генерация электронных пучков в открытом разряде без анодной сетки. II Письма в ЖТФ вып. 28, Л*0 2,2002, с. 74-80.

86. Сорокин А.Р., Является ли открытый разряд фотоэлектронным 2. II Письма в ЖТФ вып. 28, N° 9,2002, с. 14-20.

87. Бохан П.А., Закревский Дм., Механизм аномально высокой эффективности генерации электронного пучка в открытом разряде. II Письма в ЖТФ вып. 28,14° 11,2002, с. 21-27.

88. Сорокин А.Р., Комментарии к измерениям КПД формирования электронных пучков в отрытом разряде. И Письма в ЖТФ вып. 29, Л/° 4,2003, с. 86-94.

89. Сорокин А.Р., Атом-электронная эмиссия с катода в тлеющем разряде. Пример открытого разряда. И Письма в ЖТФ вып. 29, № 17,2003, с. 1-7.

90. Phelps А.V., Petrovid Z. // Plasma Sources Sci. Technol. vol. 8,1999, p. R21.

91. Hut M.S., Lee J.K., et al. The effective coefficient of secondary electron emisssion in plasma display panel. И IEEE Trans, on Plasma Sci. vol. 29, № 5,2001, p. 861-863.

92. Лисовский B.A., Яковин С.Д. // ЖТФ вып. 70, /V0 6,2000, с. 58.

93. Абильсиитов Г.А., Велихов Е.П., и др., Мощные газоразрядные СС>2-лазеры и их применение в технологии. -М., Наука, 1984.

94. Виттеман В.Я., С02-лазер. Перевод с англ. к.ф.-м.н. В.В. Соковикова и к.ф.-м.н. Ю.Б. Удалова под ред. д.ф.-м.н. Н.Н. Соболева. М:, Мир, 1990.

95. Buchwald M.I., Jones C.R., et al., Direct optically pumped multiwavelenght C02 laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 29, 5,1976, p. 300-302.

96. Cool T.A., Stephens R.R., Efficient purely chemical cw laser operation. II Appl. Phys. Lett. vol. 16, A/0 2, 1970, p. 55-58.

97. Poehler Т.О., Shandor M., Walker R.E., High-pressure pulsed C02 chemical trahsfer laser. II Appl. Phys. Lett, vol. 20, A/0 12,1972, p. 497-499.

98. Poehler Т.О., Walker R.E., Leight J.W., High pressure chemical wavegiude laser. II Appl. Phys. Lett. vol. 26, У 10,1975, p. 560-561.

99. Fein M.E., Verdeyen J.T., Cherrington B.E., A thermaly pumped C02 laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 14, A/0 11, 1969, p. 337-340.

100. Cohn D.B., CO2 laser excited by preionized transverse discharge through a dielectric. И Appl. Phys. Lett. vol. 37, A/0 9,1980, p. 771-773.

101. Christensen C. P., Pulsed transverse electrodeless discharge excitation of a C02 laser. II Appl. Phys. Lett. vol. 34, Л/0 3,1979, p. 211-213.

102. Бакшт E.X., Орловский B.M., и др., Эффективный электроразрядный СО2 лазер с предгшпульсом, формируемым генератором с индуктивным накоплением энергии. // Письма в ЖТФ вып. 24, Л*0 4, 1998, с. 57-61.

103. Wood O.R. II, Smith P.W., et al., Excitation of trasversely excited C02 waveguide lasers. И Appl. Phys. Lett. vol. 27, Л/0 10, 1975, p. 539-541.

104. Jain R.K., Wood O.R. II, Characteristics of high-field preionized discharges for transversely excited waveguide lasers. II Appl. Phys. Lett. vol. 31, 4,1977, p. 260-263.

105. Smith P.W., Maloney P.J., Wood O.R. II, Waveguide TEA laser. И Appl. Phys. Lett. vol. 23, V 9, 1973, p. 524526.

106. Beaulieu A. J., Transversely excited atmospheric pressure C02 lasers. If Appl. Phys. Lett. vol. 16, TV0 2, 1970, p. 504-505.

107. Sylvan A., Bhandani P.K., Harrison R.G., Small solid-state switched pulser-sustainer TEA CO 2 laser. И Meas. Sci. Technol. vol. 2,1991, p. 49-53.

108. Brown C.O., Davis J.W., Closed-cycle performance of a high-power electric-discharge laser. II Appl. Phys. Lett, vol. 21, V 10,1972, p. 480-481.

109. Laflamme A.K., Double discharge excitation for atmospheric pressure C02 lasers. II Rev. Sci. Inst. vol. 41, Л/0 11,1970, p. 1578-1581.

110. Oreshkin V.F., Seregin A.M., et al., Pulsed CO2 laser with an X-ray preionizer based on a high-voltage low-pressure glow discharge. Quantum Electronics vol. 33, N° 12,2003, p. 1043-1046.

111. Kline L.E., Denes L.J., Pechersky M.J., Arc suppression in CO2 laser discharges. И Appl. Phys. Lett. vol. 29, 9,1976, p. 574-576.

112. Browne P.F., Webber P.M., A compact 50 J CO2 TEA laser with VUV preionisation and the discharge mechanism. // Appl. Phys. Lett. vol. 28, Л/0 11,1976, p. 662-664.

113. Alcock A.J., Leopold K., Richardson M.C., Continuously tunable high-pressure C02 laser with uv photopreionization. II Appl. Phys. Lett. vol. 23,1. Л/0 10, 1973, p. 562-564.

114. Douglas-Hamilton D.H., Feinberg R.M., Lowder R.S., Experimental and theoretical electron-beam-sustained C02 laser output at 200 and 300 К. И J. Appl. Phys. vol. 46, № 8,1975, p. 3566-3575.

115. Hill A.E., Uniform electrical excitation of large-volume high-pressure near-sonic C02-N2-He flowstream. И Appl. Phys. Lett. vol. 18, Л/0 5, 1971, p. 194-197.

116. Wiegand W.J., Nighan W.L., Influence of fluid-dynamics phenomena on the occurence of constriction in cw convection laser discharge. // Appl. Phys. Lett. vol. 26,1. Л/0 10,1975, p. 554-557.

117. Eckbreth A.C., Owen F.S., Flow conditioning in electric discharge convention lasers. II Rev. Sci. Inst. vol. 43, Af 7,1972, p. 995-998.

118. Deutsch T.F., Horrigan F.A., Rudko R.I., Cw operation of high-pressure flowing C02 lasers. II Appl. Phys. Lett, vol. 15,УЗ, 1069, p. 88-91.

119. Gibson A.F., Rickwood K.R., Walker A.C., A transversely excited multi-atmosphere CO2 waveguide laser. II Appl. Phys. Lett. vol. 31, 3,1977, p. 176-178.

120. Papayoanou A., Discharge-related limitations of CO2 optical gain in ТЕ channel waveguides. И Appl. Phys. Lett, vol. 31, Л/0 11,1977, p. 736-737.

121. Smith P.W., Maloney P.J., Wood O.R. II, The role ofE p in waveguide C02 ТЕ lasers. И Appl. Phys. Lett. vol. 31,Л°'И, 1977, p. 738-740.

122. Ochkin V.N., Witteman W.J., et al. // Appl. Phys. B: Lasers and Optics vol. 63, № 6,1996, p. 1432.

123. Кузнецов A.A., Новгородов M.3., Очкин B.H., и др. // Оптика атмосферы и океана вып. 10, Л'0 11, 1997, с. 1296.

124. Кузнецов А. А., Новгородов М. 3., Очкин В. Н., и др. // Квантовая электроника вып.30,7^5,2000, с. 399.

125. Reilly J.P. // J. Appl. Phys. vol. 43, У 8,1972,р.34И.

126. Hill A. E. // Appl. Phys. Lett. vol. 22, № 12,1973, p. 670.

127. Генералов H.A., Зимаков В.П., Косынкин В.Д., и др. // Квантовая электроника вып. 9, № 8,1982, с. 1549.

128. Айбатов JI.P., Орлов Б.В., и др. // Радиотехника и электроника вып. 7,1986, с. 1352.109

129. Колесников Н.Ю., Орлов Б.В., и др. // Квантовая электроника вып. 7, У 7,1986, с. 1352.

130. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т., Физические явления в газоразрядной плазме. М., Наука, 1987, с. 160

131. Ulrich A., Niepi С., et al. Lasers in dense gases pumped by low-energy electron beams. // J. Appl. Phys. vol. 86, У 7, 1999, p. 3525-3529.

132. Alekseev S.B., Orlovskii V.M., Tarasenko V.F., Atmospheric-pressure C02 laser with an electron-beam-initiated discharge produced in a working mixture. II Quantum Electronics vol. 33, Л/0 12,2003, p. 1059-1061.

133. Novoselov Yu.N., Mesyats G.A., Kuznetsov D.L., Plasma-chemical oxidation of S02 in air by pulsed electron beams. II J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 34,2001, p. 1248-1255.

134. Ionin A.A., Klimachev Yu.M., Napartovich A. P., et al. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures- singlet delta oxygen production. II J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 36,2003, p. 982-989.

135. Новоселов Ю.Н., Филатов И.Е., Закономерности удаления паров стирола из воздуха импульсным пучком электронов. И ЖТФ вып. 73, № 12,2003, с. 95-98.

136. Басов Н. Г., Данилычев В. А. // УФН вып. 148 , 1986, с. 55.

137. Месяц Г.А., Осипов В.В., Тарасенко В.Ф., Импульсные газовые лазеры. М. Наука, 1991, с. 29.

138. Searles S.K., Hart G.A., Stimulated emission at 281,8 nmfrom XeBr. И Appl. Phys. Lett. vol. 27, A/0 4, 1975, p. 243-245.

139. Ewing J.J., Brau C.A., Laser action on the 2Epll2 2Epll2 bands ofKrF and XeCl.ll Appl. Phys. Lett. vol. 27, A/0 6, 1975, p. 350-352.

140. Hoffman J.M., Hays A.K., Tisone G.C., High-power uv noble-gas-halide lasers. II Appl. Phys. Lett. vol. 28, A/0 9, 1976, p. 538-539.

141. Mangalo J.A., Jacob J.H., Electron-beam-controlled discharge pumping of the KrF laser. II Appl. Phys. Lett. vol. 27,TV0 9, 1975, p. 495-498.

142. Osgood R.M., Mooney D.L., Nonchemical HF pulse laser pumped by e-beam-sustained dsicharge. II Appl. Phys. Lett. vol. 26, N° 4,1975, p. 201-204.

143. Fisher C.H., Center R.E., Threshold power density measurements for electron-beam sustained discharge excitation ofXeFandKrF. II Appl. Phys. Lett. vol. 31, A/0 2,1977, p. 106-108.

144. Brown R.T., Nighan W.L., Instability onset in electron-beam-sustained KrF laser discharges. II Appl. Phys. Lett, vol. 32, A/0 11, 1978, p. 730-730.

145. Long W.H. Jr., Discharge stability in e-beam-sustained rare-gas halide lasers. II J. Appl. Phys. vol. 50, jV° 1, 1979, p. 168-172.

146. Brown R.T., Nighan W.L., Stability enchancement in electron-beam-sustained excimer laser discharges. II Appl. Phys. Lett. vol. 35, A/0 2, 1979, p. 142-144.

147. Casey M., Smith P.W., Hutchinson M.R., High-power-density electron-beam-sustained laser. II Rev. Sci. Inst, vol. 54, A/0 4, 1983, p. 458-462.

148. Kushner M.J.', Pindroh A.L., Discharge constriction, photodetachment, and ionization instabilities in electron-beam-sustained discharge excimer lasers. II J. Appl. Phys. vol. 60, A/0 3, 1986, p. 904-914.

149. Yoder M.J., Legner H.H., et al., Theoretical and experimental performance of a high-power cw electron-beam-sustained electric laser. II J. Appl. Phys. vol. 49, N° 6, 1978, p. 3171-3180.

150. Harris M.R., Willetts D.V., Generation of, and tolerance to, dissociation products in an electron-beam sustained carbon dioxide laser. И J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 24,1991, p. 1563-1770.

151. Terrill H. M„ Loss of velocity of cathode rays in matter. И Phys. Rev. vol. 22, № 2, 1923, p. 101-108.

152. Vollrath R. E., 500 kilovolt cathode rays. II Phys. Rev. vol. 38, 1931, p. 212-216.

153. Neher H.V., Scatering of high velocity electrons by thin foils. И Phys. Rev. vol. 38, 1931, p. 1321-1341.110

154. Dyke W.P., Trolan J.K., Field emission: large current densities, space charge and the vacuum arc. И Phys. Rev. vol. 89, JV° 4, 1953, p. 799-808.

155. Dyke W.P., Trolan J.K., et al. The field emission initiated vacuum arc. I. Experiments on arc initiation. И Phys. Rev. vol. 91,/V0 5,1953, p. 1043-1054

156. Murphy E.L., Good R.H., Thermionic emission, field emission and the transition region. II Phys. Rev. vol. 102, Л/°6,1956, p. 1464-1473.

157. Бор H., Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество. Избранные научные труды, т.1. М. Наука, 1970, с. 63.

158. Giovanelly R. G. // Phil. Mag. vol. 40,1949, p. 206.

159. Сивухин Д.В., Вопросы теории плазмы, вып. 4. М. Атомиздат, 1964, с. 84.

160. Dreicer Н., Electron and Ion Runaway in a Fully Ionized Gas. I*. II Phys. Rev. vol. 115, V 2,1959, p. 238-249.

161. Бабич Л.П., Лойко T.B., Цукерман B.A., Высоковольтный наносекундный разряд в плотных газах при больших перенапряжениях, развивающийся в режиме убегания электронов. II УФЫ вып. 160, № 7, 1990, с. 4982.

162. Гуревич А.В., Зыбин К.П., Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. II УФН вып. 171, JV0 11,2001, с. 1177-1199.

163. Станкевич Ю. Л. // ЖТФ вып. 40, № 4, 1970, с. 1476.

164. Базелян Э.М., Райзер Ю.П., Искровой разряд. М. МФТИ, 1997, с. 30-32.

165. Тарасова Л. В., Худякова Л. И., и др. // ЖТФ вып. 46, № 3,1974, с. 564.

166. Ардашев С.В., Борович Б.Л., Голубев Л.Е. и др. // Кв. электроника вып. 21, 1994, с. 824.

167. Mingolo N., Gonzalez C.R., et al. Stabilization of a cold cathode electron beam glow discharge for surface treatment. И J. Appl. Phys. vol. 82, № 8,1997, p. 4118-4129.

168. Oks E.M., Shanin P.M., Development of plasma cathode electron guns. II Phys. Plasma vol. 6, № 5, 1999, p. 1649-1654.

169. Бориско B.H., Петрушеня A.A., Особенности генерации низкоэнергетических электронных пучков большого сечения из плазменного источника электронов пеннинговского типа. II ЖТФ вып. 73, /V0 1,2003, с. 8690.

170. Тарасенко В.Ф., Шпак В.Г., и др., Субнаносекундные пучки электронов, сформированные в газовом диоде. II Письма в ЖТФ вып. 29, Л/° 21,2003, с. 1-6.

171. Алексеев С.Б., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф., Пучек электронов, сформированный в газонаполненном диоде при атмосферном давлении воздуха и азота. И Письма в ЖТФ вып. 29, Л/° 10,2003, с. 29-35.

172. Алексеев С.Б., Орловский В.М., и др., О формировании пучка электронов в гелии при повышенном давлении. II Письма в ЖТФ вып. 29, № 16,2003, с. 45-53.

173. Бохан П.А., Сорокин А.Р. // ЖТФ вып. 55, № 1, 1985, с. 88.

174. Гуманец В.И., Коваль Н.Н., Месяц Г.А., и др., // Письма в ЖТФ вып. 17, /V0 23,1991, с. 26.

175. Сорокин А. Р. // Письма в ЖТФ вып. 17, № 23, 1991, с. 92.

176. Сорокин А. Р., Бохан П. А. // Письма в ЖТФ вып. 20, У 17, 1994, с. 86.

177. Apollonov V.V., Yamschikov V.A. // Ргос. SPIE vol. 3889, Eds 2000, p. 739.

178. Berry H. G., Roesler F.L., Excitation of ionized helium states in a cooled hollow-cathode discharge. II Phys. Rev. A vol. 1,/V°5,1970, p. 1504-1517.

179. Tochigi K., Maeda Sh., Hirose Ch., Optogalvanic observation of ionization waves in hollow-cathode discharges. //Phys. Rev. Lett. vol. 57, /V0 6, 1986, p. 711-714.

180. Ayers E.L., Benesch W., Shapes of atomic-hydrogen lines produced at a cathode surface. II Phys. Rev. A vol. 37, 1,1988, p. 194-199.

181. Arbel D., Bar-Lev Z., et al., Collisionless instability of the cathode sheath in a hollow-cathode discharge. II Phys. Rev. Lett. vol. 71, V 18, 1993, p. 2919-2922.

182. Donko Z. //Phys. Rev. E vol. 57, № 6,1998, p. 7126.

183. Osipov I., Rempe N., A plasma-cathode electron source designed for industrial use. II Rev. Sci. Inst. vol. 71, V 4,2000, p. 1638-1641.

184. Gleizer J.Z., Krokhmal A., et al. High-current electron beam generation by a pulsed hollow cathode. II J. Appl. Phys. vol. 91, N° 5,2002, p. 3431-3434.

185. Mills R.L., Nansteel M., Ray P.C., Bright hydrogen-light source due to a resonant energy transfer with strontium and argon ions. II New J. Phys. vol. 4,2002, p. 701-7028

186. Бурдовицин B.A., Куземченко M.H., Оке E.M., Об электрической прочности ускорительного промежутка плазменного источника электронов в форваккумном диапазоне давлений. И ЖТФ вып.72, Л/° 7, 2002, с. 134-136

187. Schoenbach К. Н., Verhappen R., et al., Microhollow cathode discharges. II Appl. Phys. Lett. vol. 68, N° 1,1996, p. 13-15.

188. Jain К. K., Boggasch E., et al., Experimental investigation of a pseudospark-produced high-brightness electron beam. U Phys. Fluids В vol. 2, /V0 10,1990, p. 2487-2491.

189. Hartmann W., Kirkman G.F., Gundersen M.A., Current quenching in the pseudospark. II Appl. Phys. Lett. vol. 58, /V0 6,1991, p. 574-576.

190. Ding B.N., Myers T.J., Rhee M.J., Time-resolved energy spectrum of a pseudospark-produced electron beam. И Rev. Sci. Inst. vol. 64, № 6, 1993, p. 1442-1444.

191. Destler W.W., Segalov Z., et al., High power, high brightness electron beam generation in a pulse-line driven pseudospark discharge. И Appl. Phys. Lett. vol. 62, Л/0 15, 1993, p. 1739-1741.

192. Anders A., Anders S., Gundersen M.A., Electron emission from pseudospark cathodes. II J. Appl. Phys. vol. 73, Л/°6,1994, p. 1494-1502.

193. Ramaswamy K., Destler W.W., et al. Characterization of electron beams generated in a high-voltage pulse-line-driven pseudospark discharge. II J. Appl. Phys. vol. 75, Л/0 9,1994, p. 4432-4437.

194. Mehr Т., Tkotz R., et al., The bottleneck in pseudospark discharges. II J. Appl. Phys. vol. 79, Л/0 2, 1996, p. 625630.

195. Frank K., Christiansen J., et al., Acceleration of electrons to >0.5 MeV during space-charge neutralization of a 20 keV transient electron beam. И Appl. Phys. Lett. vol. 68, N° 10,1996, p. 1424-1426.

196. Ramaswamy K., Destler W.W., Rodgers J., A high-voltage triggered pseudospark discharge experiment. II J. Appl. Phys. vol. 80, 9, 1996, p. 4887-4895

197. Dewald E., Frank K., et al. Intense electron beams produced in pseudospark and PCOHC for beam-plasma interaction experiments. //Nuclear Instr. & Meth. Phys. Research. Sec. A vol. 415,1998, p. 614-620.

198. Ramaswamy K., Destler W.W., Rodgers J., Microwave generation in a high voltage triggered pseudospark discharge experiment. If J. Appl. Phys. vol. 83, № 7,1998, p. 3514-3520.

199. Yin H., Phelps A.D.R., et al., Single-gap pseudospark discharge experiments. II J. Appl. Phys. vol. 90, V 7,2001, p. 3212-3218.

200. Yin H., Phelps A. D. R., et al., Propagation and post-acceleration of a pseudospark-sourced electron beam. II J. Appl. Phys. vol. 91, Л^0 8,2002, p. 5419-5422.

201. Proc. APP Spring Meeting Bad Honnef, 2001, pp. 117-121, 151-154,187-190,217-220.

202. El-Habachi A., Schoenbach K.H., Emission of eximer radiation from direct current, high-pressure hollow cathode discharges. II Appl. Phys. Lett. vol. 72, /V0 1, 1998, p. 22-24.

203. Stark R.H., Schoenbach K.H., Direct current glow discharges in atmospheric air. II Appl. Phys. Lett. vol. 74, Л/0 25, 1999, p. 3770-3772.

204. Biborosch L.D., Bilwatsch O., et al., Microdischarges with plane cathodes. II Appl. Phys. Lett. vol. 75, №25, 1999, p. 3926-3928.

205. Stark R.H., Schoenbach K.H., Direct current high-pressure glow discharges. II J. Appl. Phys. vol. 85, № 4, 1999, p. 2075-2080.

206. Kurunczi P., Shah H., Becker K., Hydrogen Lyman-a and Lyman-b emission from high-pressure microhollow cathode discharges in Ne-H2 mixtures. И J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. vol. 32, 1999, p. 651-658

207. El-Habachi A., Schoenbach K.H., et al., Series operation of direct current xenon cloride excimer sources. II J. Appl. Phys. vol. 88, 6,2000, p. 3220-3224.

208. Leipold F., Schoenbach K.H., Electron density measurements in an atmospheric pressure air plasma by means of infrared heterodyne inteiferometry. И J. Phys. D: Appl. Phys. vol. 33,2000, p. 2268-2273.

209. Moselhy M., Schoenbach K.H., et al., Resonant energy transfer from argon dimers to atomic oxygen in microhollow cathode discharges. И Appl. Phys. Lett. vol. 78, № 7,2001, p. 880-882.

210. Moselhy M., Schoenbach K.H., et al., Xenon excimer emission from pulsed microhollow cathode discharges. II Appl. Phys. Lett. vol. 79, Л/0 9,2001, p. 1240-1242.

211. Guo Y.-B., Hong F.Ch.-N., Radio-frequency microdischarge arrays for large-area cold atmospheric plasma generation. И Appl. Phys. Lett. vol. 82, № 3,2003, p. 337-339.

212. Park H. II, Lee Т. II, et al., Formation of large-volume, high-pressure plasmas in microhollow cathode discharges. II Appl. Phys. Lett. vol. 82, Л/0 19, 2003, p. 3191-3193.

213. Moselhy M., Schoenbach K.H., Excimer emission from cathode boundary layer discharges. II J. Appl. Phys. vol. 95, Л/° 4,2004, p. 1642-1649.

214. Кюри M., Радиоактивность. ОГИЗ. MJL, 1947, c.60.

215. Диагностика плазмы. Сб. под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М., Мир, 1967, с.453.

216. Бохан П.А., Колбычев Г.В. // Письма в ЖТФ вып. 6, Л/° 7, 1980, с. 418.

217. Bokhan Р.А., Sorokin A.R. // Opt. and Quant. Electron, vol. 23, 1991, p. 523.

218. Ковалев A.C., Манкелевич Ю.А., и др. // Физика плазмы вып. 18, У 8,1992, с. 1076.

219. Сорокин А.Р. // Письма в ЖТФ вып. 65, № 5,1995, с. 189.

220. Rozsa К., Janossy М., et al. // Opt. Commun. vol. 23, № 2,1977, p. 162.

221. Isaacs G.G. // Electronics Lett. vol. 4, № 19, 1968, p. 405

222. Rossa J.J., Meyer J.D., Farrell M.R., Collins G.J. // J. Appl. Phys. vol. 56, V 3,1984, p. 790.

223. Илюхин Б.И., Очкин B.H., Цхай C.H., и др. // Квантовая электроника вып. 25, Л/° 6,1998, с. 512.

224. Mitko S.V., Udalov Y.B., Peters P.J.M., Ochkin V.N., Boiler K.-J., Generation of powerful electron beams in a dense gas with a dielectric-barrier-discharge-based cathode. II Appl. Phys. Lett. vol. 83, N° 14,2003, p. 2760-2762.