Разряды по поверхности феррита и их применения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. Лебедева

На правах рукописи

МИТЬКО Сергей Васильевич

УДК 537.52: 533.9: 621.3.038.8

РАЗРЯДЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ФЕРРИТА И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ (01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Физическом Институте им. ГГ.Н. Лебедева Российской Академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

В.Н. ОЧКИН

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

И.Б. ТИМОФЕЕВ, МГУ

кандидат физико-математических наук Л.Д. МИХЕЕВ, ФИАН

Ведущая организация - Институт проблем механики РАН

Защита состоится " 29 " сентября 1997 г. в

часов на заседании специализированного Совета № 2 Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 117924, ГСП-1, Москва, В-333, Ленинский пр-т. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИРАН

Автореферат разослан " _" ______ 1997 г .

Ученый секретарь Совета,

кандидат физико-математических наук

В.А: ЧУЕНКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для решения целого ряда научно-технических задач, таких как осуществление промышленных процессов фотосинтеза и фотолиза различных соединений, внедрение новых технологических процессов в фотолитографии с повышенным пространственным разрешением, оптическая накачка лазеров видимого и УФ диапазонов, а также для исследований процессов взаимодействия мощных потоков излучения с веществом в различных агрегатных состояниях, требуются высокоинтенсивные источники УФ и ВУФ излучений.

Среди многообразия лазерных, люминесцентных, синхротронных

источников излучения высокой спектральной яркости наибольшей

технической простотой отличаются электроразрядные источники света

с нагревом излучающей плазмы до температуры в несколько

2

электронвольт током высокой плотности (1-^100 кА/см ) .

Широкое практическое применение, в том числе для накачки твердотельных и жидкостных лазеров, нашли в настоящее время ламповые источники света видимого и ближнего УФ спектральных диапазонов ' с ограничением токового канала разряда твердой прозрачной стенкой (стекло, кварц). Однако, увеличение энерговклада в такие " разряды / с целью повышения излучаемой мощности в УФ и ВУФ областях спектра ограничивается как прочностными свойствами стенки, так и падением ее пропускания.

Ограничение на величину энерговклада снимается при использовании открытых разрядов в газе и вакууме. Одиим из существенных вопросов организации открытых излучающих разрядов является их инициирование. Если малые напряжения пробоя и строгая пространственная локализация излучающего канала разряда в лампах, обычно заполняемых ксеноном, достигаются за счет малой электрической прочности газа и заполнения плазмой всей разрядной трубки при большой длительности разряда, то способ инициирования открытого разряда должен обеспечивать хелаему» пространственную конфигурацию разрядного канала и небольшое напряжение пробоя (200-600 В/см) при работе в атмосфере газовой смеси, в том числе сильно электроотрицательной, состав которой диктуется технологическими требованиями.

Наиболее распространенным способом инициирования открытых

разрядов является электрический взрыв проводников - тонких проволочек и фолъг. Технически источники с инициированием разряда при электровзрыве проводника длиной ~ 1 м являются простыми и надежными устройствами с хорошо воспроизводимыми параметрами. Характерные яркостные температуры в видимой и УФ областях спектра составляют 30-^50 кК при обеспечении знерговхлада в разряд 200^-500 Дж/см за времена 5-^-10 мкс. Эффективность. преобразования электрической энергии в световую достигает 50%. Однако, необходимость замены проводника от импульса к импульсу в значительной степени ограничивает широкое практическое применение таких источников, -используемых, в основном, в практике научных лабораторий.

Значительный прогресс в создании мощных УФ излучателей был

достигнут в последние годы благодаря применению открытых

поверхностных разрядов, позволяющих реализовать импульсно

2 3

периодические режимы работы при вводе удельных энергий 10

4

Дж/см и ресурсе более 10 импульсов. Наибольшее внимание привлек метод инициирования поверхностного разряда, основанный на пробое последовательных разрядных промежутков при их перенапряжении. Однако, использование множества разрядных элементов, присущее данному методу, значительно увеличивает габариты устройства, снижая технологичность и надежность конструкции и увеличивая ее стоимость. Поэтому актуальной является задача исследования альтернативных технологически простых устройств инициирования протяженных излучающих разрядов, обеспечивающих

импульсно-периодические режимы работы источника.

Не менее важным для широкого практического использования является вопрос о " прогнозировании характеристик излучающих поверхностных разрядов на основании данных о питающем разряд контуре и используемой смеси газов. Хотя основные закономерности Физики электроразрядных источников света были установлены к середине 70-х годов в результате исследования ламповых и открытых цилиндрически симметричных разрядов, их прямое использование применительно к поверхностным разрядам наталкивается на существенные трудности, связанные с принципиально неодномерным распределением газодинамических, электрических и излучательных

характеристик поверхностного разряда.

В соответствии с этим, целью диссертационной работы являлось:

1. Исследование перспективных способов организации протяженных излучающих разрядов с заданной конфигурацией разрядного канала при импульсно-периодическом инициировании разряда по поверхности ферритов.

2. Экспериментальное исследование электрических, газодинамических и излучательных характеристик таких разрядов и создание физической модели, позволяющей прогнозировать параметры поверхностных разрядов при их использовании в качестве источников излучения.

3. Применение источников света на основе разрядов по поверхности феррита к решению ряда задач квантовой электроники фотоионизации молекулярных газов . и оптической накачке газовых лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Исследованы физические процессы инициирования газового разряда по поверхности высокоомного ' феррита с модифицированным поверхностным слоем. Установлены закономерности формирования времен запаздывания от момента приложения напряжения до развития сильноточной фазы поверхностного разряда.

2. Предложен и реализован способ инициирования поверхностного разряда с помощью дугового разряда, скользящего по поверхности проводника. Изучен физический механизм формирования такого разряда, построена модель явления.

3. Развита расчетная схема, позволяющая прогнозировать свойства источников света на основе поверхностных разрядов.

4. Осуществлена оптическая накачка ультрафиолетового (342 нм) ^(В'-А') и эксимерного ХеГ(С-А) (480 нм) лазеров с помощью источников света на основе разрядов по поверхности Феррита. На основе разработанной полузмпирической модели ХеК(С--А) лазера определены его предельные характеристики при накачке излучением поверхностного разряда и указаны пути оптимизации параметров лазера.

Практическая значимость работы:

Результаты работы могут быть использованы при разработке мощных излучателей импульсно - периодического действия с нужными для практики характеристиками в УФ и ВУ<6 спектральных диапазонах.

Защищаемые положении:

1. Механизмом инициирования газового разряда по поверхности NiZn и LiZn ферритов является тепловой пробой тонкого приповерхностного слоя, образующегося при плавлении и рекристаллизации исходного феррита.

2. Механизмом распространения плазменного фронта разряда, скользящего по поверхности проводника, является термическая ионизация газа при теплопроводностной передаче энергии от плазмы к холодному газу перед фронтом.

3. Разработанная расчетная схема двухмерной нестационарной газовой динамики с учетом переноса энергии излучением позволяет прогнозировать характеристики источников света на основе поверхностных разрядов в плотном газе.

4. Использование поверхностных разрядов по ферриту позволяет создать высокояркостный источник света импульсно-периодического действия с протяженным.телом свечения.и яркостной температурой

30 кК в ВУФ области спектра.

5. Полуэмпирическая модель ХеР(С-А)-лазера с- накачкой излучением одноканального поверхностного разряда позволяет о единых позиций проанализировать эффективность лазеров данного типа в широком диапазоне условий, определить предельные параметры лазера, указать пути оптимизации существующих конструкций.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на семинарах отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН и группы квантовой электроники университета Твенте (Нидерланды); XV Международном симпозиуме по физике ионизованных, газов (Загреб, 1990); VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991); II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике РПД - 91 (Москва, 1991); XII Европейской конференции по атомной и молекулярной физике ионизованных газов

(Нуурвяйкерхут, Нидерланды, 1994); Международной конференции по лазерам и электрооптике CLE0-94 (Амстердам, Нидерланды, 1994); Симпозиуме НАТО "Газовые лазеры - достижения и перспективы" (Москва, 1995); XI Международной симпозиуме по газовым потокам и химическим лазерам и конференции по лазерам высокой мощности (Эдинбург, Великобритания, 1996)

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения,'4 глав, заключения, двух приложений и списка литературы йз 87 наименований. Общий объем работы 168 страниц, в том числе 59 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены физические вопросы инициирования газового разряда по поверхности высокоомного HiZn феррита. Аннотируются предшествующие исследования по использованию Ферритов для инициирования поверхностных разрядов. Показана их недостаточность для установления механизма инициирования.

Описаны оригинальные способы получения на поверхности Феррита слоев с повышенной проводимостью, самым простым из которых является нанесение на Феррит графитовой полоски с последующим ее нагревом до ~ 1000 К при пропускании тока ~ 0,3 А." Установлена термическая природа модификации поверхности феррита, связанная с его плавлением и последующей рекристаллизацией.

Приводятся результаты экспериментального исследования электрических и теплофизических свойств системы

феррит-модифицированный поверхностный слой. Показано, что слой обладает типичной для полупроводников температурной зависимостью вольт-амперной характеристики с энергией активации проводимости 0,1 эВ, которая практически не зависит от способа формирования слоя.

Описаны эксперименты по инициированию поверхностного разряда

в атмосферном воздухе. Изучена динамика тока через слой в предпробойной фазе разряда, экспериментально обнаружена сильная зависимость напряжения поверхностного пробоя иь от постоянной времени разрядной цепи т, представленная на рис.1 (точки - разряд конденсатора емкостью 3 мкФ на слой шириной 4 мм при расстоянии между электродами 3,5 см).

Рассмотрена теория теплового пробоя модифицированного слоя на поверхности феррита. С учетом реальных электрических и теплофизических характеристик системы феррит-слой определено пробивающее поле ~ 140 В/см при питании разряда источником постоянного напряжения. Сформулировано уравнение для динамики температуры поверхности с учетом ' конечной емкости питающего разряд конденсатора. Напряжение теплового пробоя в нестационарном случае определено как наряжение, ' при превышении которого достигаемая в процессе разряда конденсатора температура поверхности резко возрастает. Результаты расчетов по тепловому пробою слоя сопоставлены с экспериментальными данными по инициированию поверхностного разряда. На • основе

удовлетворительного согласия эксперимента и расчета (сплошная линия на рис.1) сделан вывод о том, что напряжение инициирования поверхностного разряда соответствует напряжению теплового пробоя. Этим объясняется слабая зависимость напряжения инициирования от сорта и давления окружающего феррит газа.

Исследован вопрос о времени формирования поверхностного разряда в газовой фазе.. Эксперименты велись в воздухе, азоте и аргоне в диапазоне давлений 1-^750 Тор. Время формирования определялось по резкому падению напряжения на ' разрядном промежутке при инициировании разряда. Измерения тока и напряжения разряда сопровождались исследованием динамики нагрева поверхности Феррита. Температура поверхности в диапазоне- 8004-2000 К определялась по интенсивности свечения раскаленного

модифицированного слоя. Установлено, что время формирования разряда в различных газах монотонно растет с повышением давления, стремясь к постоянной для всех газов величине при высоких давлениях. Сопоставление с условиями пробоя по Пашену показало, что при низких давлениях основной причиной пробоя является

Рис. 1.

- ÛOÛOO -1

- >t»» -z

- -t-H-Ы- -3 орпао -4

- -5

------6

2.0 1.5

о \

21.0

0.5

_1_I_R^-.ÇT 1_!_I_I_1_I_I_L

D

□

+ t>

D

t>

I>

d-/ о

750 1000 1250 Еа, В/см

Рис. 2.

снижение плотности окружающего газа при его нагреве. В области

высоких давлений определяющую роль играют процессы испарения

феррита с инжекцией в разрядный промежуток частиц с низким

потенциалом ионизации, а также созданием несамостоятельной

проводимости в газе при термоэмиссии электронов и ионов. Время

запаздывания пробоя Td при этом не зависит от рода и давления

окружающего газа и связано с напряженностью приложенного поля Ei 4

соотношением Td-Ei = const.

Во второй главе рассматриваются особенности формирования дугового разряда, скользящего по поверхности проводника в атмосфере различных газов. Приведены литературные данные о предшествующих наблюдениях такой формы-разряда на границе раздела газ-водный электролит, газ-твердое тело при изменении проводимости проводника в пределах 10_бт102 0мт^см-1. Сделан вывод о том, что, несмотря относительную простоту реализации (малые напряжения формирования, широкий выбор проводников в различных агрегатных состояниях), разряд по поверхности проводника остается малоизученным явлением.

Описаны эксперименты по исследованию разряда по поверхности бруска NiMn феррита (0,1x1x7,5 см), обладающего.проводимостью 0,5 Ом ■'"■см-1. Эксперименты велись в атмосфере аргона и воздуха при давлении 0,25-^-1 атм. Разряд конденсатора 0,1-^-1 мкФ с напряжением заряда до 15 кВ сопровождался формированием, плазменного фронта, движущегося от электрода отрицательной полярности со скоростью u ~ 500 м/с. Измерялись вольт-амперные характеристики разряда, динамика движения плазменного фронта, распределение напряженности электрического поля перед.■фронтом. Установлен факт значительного (более 10 раз) усиления электрического поля в головке плазменного канала по отношению к среднему полю в разрядном промежутке Еа, которое определяется как отношение напряжения на электродах к расстоянию между плазменным фронтом и анодом. Зависимость между скоростью фронта и и полем Еа представлена на рис.2, где данные 1-3 относятся к воздуху при давлениях'1, 0,5 и 0,25 атм соответственно, а данные 4 получены в аргоне при давлении 1 атм. Экспериментальные данные удовлетворительно аппроксимируются соотношением u=k(Ea-Ec), где

к и Ее - постоянные, зависящие от рода и давления газа.

Рассмотрены характеристики скользящего разряда для инициирования протяженных плазменных образований - время перекрытия разрядного промежутка волной ионизации и энергия, затрачиваемая на инициирование сильноточной фазы разряда. Установлен критерий перекрытия разрядного промежутка к-го-С-(ЕЬ-Ес)=1, где т-ь - напряженность поля перекрытия, С емкость питающего конденсатора, го - погонное сопротивление проводника. Сделан вывод о предпочтительном применении данного способа инциирования в высокоэнергетичных установках . с относительно большой емкостью накопителя.

Описана модель формирования" плазменного канала поверхностного разряда для области полей вблизи порога его возникновения Е~Ес. Кривые 5,6 на рис.2 соответствуют результатам расчетов скорости движения плазменного фронта для аргона и воздуха атмосферного давления. Показано, что определяющую роль в Формировании разряда играет теплопроводностный механизм передачи энергии от -плазмы к окружающему холодному газу и его последующая термическая ионизация.

Третья глава посвящена прогнозированию характеристик излучающих поверхностных разрядов на основе их численного моделирования. Рассмотрение ведется на примере импульсного разряда в атмосферном воздухе.

Обосновывается применимость модели локального

термодинамического равновесия - ЛТР к описанию плазмы импульсного разряда в плотном газе. Проводится анализ литературных данных об~ условиях столкновительности плазмы и временах релаксации в поступательных и внутренних степенях свободы составляющих ее частиц. Показано, что в плазме центральной зоны разряда сверхмикросекундной длительности при напряженности электрического поля 100-5-400 В/см, обеспечивающей уровень яркостных температур разряда 20-г40 кК, реализуются условия ЛТР.

Проводится анализ системы уравнений магнитной гидродинамики с учетом излучения применительно к разряду в плотном газе. Показано, что в большинстве практически интересных случаев стадия основного энерговыделения (первый полупериод разрядного тока)

может быть описана в рамках обычной газодинамики с учетом джоулева энерговыделения и переноса энергии излучением. При этом распределение напряженности электрического поля по сечению канала разряда однородно, давление магнитного поля пренебрежимо мало, применим закон Ома без учета скорости движения среды, что существенно упрощает численное моделирование разряда.

В методических целях приводится сводка литературных данных

по термодинамическим и транспортным свойствам • воздушной плазмы.

Рассматриваются внутренняя энергия е, давление р, проводимость с

и электронная теплопроводность горячего воздуха. В области

-4

температур 16+70 кК и относительных плотностей воздуха 10 вычисляются усредненные по Планку коэффициенты поглощения света для спектральных групп ^<17.6 нм и Х>176 нм. Корректность расчетов проверяется сравнением с имеющимися' литературными данными для температур меньших 20 кК.

Результаты численного моделирования сопоставлены с экспериментальными данными. Исследовался поверхностный разряд в атмосферном воздухе с длиной разрядного промежутка 5- см и начальном напряжении на питающем конденсаторе до 5 кВ. Емкость конденсатора варьировалась от 100 до 300 мкФ.. Для инициирования разряда использовалось описанное выше явление-дуги, скользящей по поверхности проводящего Н1Ип феррита. Измерялись ток, напряжение, динамика! расширения канала разряда с. помощью скоростной фотографической установки ВФУ-1. Яркостные температуры разряда .в спектральных интервалах 314*35 нм, 366±32=нм, 450±40 нм, 520±37 нм измерялись с помощью калиброванного по эталонному источнику ЭВ-45 фотоэлемента с набором светофильтров. Измерения' яркостных температур проводились как вдоль (на расстоянии 10 мм от поверхности феррита), так и поперек оси канала разряда с пространственным разрешением ~ 2 мм. На рис.3, демонстрирующем применимость используемой методики к прогнозированию свойств источников света с ' поверхностным разрядом, представлены экспериментальные (сплошные кривые и точки) и расчетные (штрихи) временные зависимости тока ,1, радиуса полуцилиндрического разрядного канала г, яркостной температуры Т разряда при использовании конденсатора емкостью 300 мкФ и напряжением заряда

t, МКС

Рис. 3.

5 кв. Данные 1,2 соответствуют яркостной температуре на длине волны 450 нм при наблюдении соответственно вдоль и поперек оси разрядного канала. Данные 3 - яркостная температура на 314 нм при поперечном направлении наблюдения. Кривые 4,5 - яркостные температуры на длине волны 4 50 нм в направлении поперек оси разряда, рассчитанные для коэффициентов отражения поверхности феррита 0,5 и 0 соответственно. Данные 6 - •рачет яркостной температуры на 450 нм для направления вдоль оси разряда.

В четвертой главе описаны эксперименты по применению разрядов по поверхности феррита ,в устройствах фотоионизации молекулярных газов и источниках оптической накачки газовых лазеров ультрафиолетового и видимого диапазонов.

Проведено сравнение ионизационной эффективности свободного искрового разряда (ИР), разряда по поверхности феррита (РФ) и разряда, скользящего по поверхности диэлектрика (СР). Концентрация фотоэлектронов, создаваемая исследуемыми источниками в азоте и смеси (^¡^¡Не [1:1:8] при изменении давления газа от 0,5 до 1,1 атм, измерялась с помощью ионизационной камеры на расстоянии 10 см от источника. Установлено, что эффективности РФ и СР практически совпадают при работе в .... различных • газах атмосферного давления. РФ выгодно отличается от СР существенно меньшими напряжениями инициирования при равной эффективности, что важно при создании компактных устройств высокого давления.

Выполнены эксперименты по оптическому возбуждению, ультрафиолетового (342 нм) лазера на молекулярном иоде с помощью поверхностного разряда по ферриту. Открытый разряд длиной 46 см развивался в рабочей среде лазера, состоящей из 3 Тор ^ и 3 атм . Длительность первого полупериода разрядного тока с амплитудой 110 кА составляла 10 мкс. Максимальная энергия генерации составила 4 Дж. Длительность импульса генерации совпала с длительностью первого полупериода разрядного тока. Сопоставление с параметрами лазерной генерации, полученными при накачке лазера разрядом, инициированным электровзрывом тонкой (0,05 мм) вольфрамовой проволочки, показало, что потоки излучения в полосу накачки практически совпадают при различных способах инициирования разряда, причем несомненным преимуществом

поверхностлого разряда является возможность его реализации в импульсно-периодическом режиме.

Описаны две конструкции ХеР(С-А) - лазера с оптической накачкой, в которых источником излучения служит разряд по поверхности высокоомных и низкоомных ферритов. Источником питания служила конденсаторная батарея емкостью 5 мкФ и напряжением заряда 45 хВ. В первой конструкции разряд накачки длиной 50 см, инициированный при тепловым пробое активированного слоя поверхности - феррита, развивался вблизи стенки тефлоновой

лазерной трубки диаметром 5 см в смеси паров Хе?^ и буферных газов :Аг [1:3] при полном давлении 0,7 атм. Перед напуском в лазерную трубку рабочая смесь готовилась в отдельной смесительной камере. Резонатор лазера был образован плоским выходным и сферическим (К=10 м) отражающим зеркалами, расположенными на расстоянии 218 см друг от друга. Коэффициент пропускания выходного зеркала составлял 4% в спектральной области вблизи 480 нм. Во второй конструкции рабочая смесь готовилась непосредственно в лазерной камере, представляющей стеклянную трубу диаметром 30 см и длиной 150 см с фланцами из нержавеющей стали, на которых расположены соединения для откачки и напуска газов, узлы крепления лазерных зеркал. Накачка лазера осуществлялась с помощью разряда по поверхности низкоомного ЬЦМп-феррита длиной 90 см. Плоско-параллельный резонатор был образован двумя зеркалами диаметром 8,5 см с коэффициентами отражения 0,99 и 0,95, расположенными на расстоянии 174 см друг от друга'. Применялась смесь буферных газов И^Аг [1'-3] при полном давлении 0,65 атм. Исследовались электрические, и излучательные характеристики разрядов накачки, параметры генерации лазера. Показано, что эффективность преобразования электрической энергии, запасенной в конденсаторной батарее, в световую, в полосе накачки лазера 130^180 нм, составляет "10%. Максимальные энергии лазерных импульсов составили 41 мДж для первой и 225 мДж для второй конструкции.

Развита полуэмпирическая модель ХеЕ(С-А) лазера с накачкой излучением одноканального поверхностного разряда и приводятся результаты расчетов его генерационных характеристик. Расчеты

основаны на экспериментально измеренной мощности излучения разряда в полосе накачки лазера и проведены как для условий наших экспериментов, так и экспериментов других авторов. Показано, что вследствие малости ненасыщенного коэффициента усиления, достигаемого экспериментально, энергия генерации сильно зависит от коэффициента заполнения резонатора k=La/Lc, где La и Lc длина активной среды и резонатора соответственно. Бри к=1 технический К.П.Д. лазера (отношение энергии генерации к энергии накопителя) практически не зависит от уровня энерговклада в разряд накачки, изменяющегося в диапазоне 55-^500 Дж/см и

_3

составляет в оптимальных условиях (2,5-^-3)-10 . Развитая модель позволила проанализировать эффективность описанных в литературе крупномасштабных лазерных установок и дать рекомендации по ее повышению.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Установлен механизм инициирования разряда по поверхности NiZn Феррита с активированным поверхностным слоем. Плавление и рекристаллизация феррита приводят к образованию тонкого приповерхностного слоя с измененной кристаллической структурой. Проводимость слоя, имеющая характерную для полупроводников температурную зависимость, на много порядков превосходит проводимость исходного феррита. Инициирование газового разряда определяется достижением, условий теплового пробоя слоя под действием протекающего по нему тока. При низком давлении окружающего газа разряд, возникает .за счет понижения плотности газа при повышении его температуры, В области больших давлений определяющую роль в инициировании разряда играют ' процессы испарения материала феррита с инжекцией в разрядный промежуток частиц с низким потенциалом ионизации. Время запаздывания пробоя rd в этой области "не зависит от рода и давления окружающего газа

и связано с напряженностью приложенного поля Ei соотношением

4

Td-Ei = const. Возможность импульсно-лериодического инициирования разряда связана с установлением динамического равновесия между .-эрозионным разрушением поверхности и образованием нового поверхностного слоя с измененной структурой при термическом воздействии плазмы газового разряда. Ресурс источника

зпределяется эрозионным механизмом и может быть оценен исходя из размеров исходного феррита и скорости эрозии ~ 0,2 мкм/имп при энерговкладе ~ 100 Дж/см.

2. Установлен механизм формирования разряда, скользящего по поверхности проводника. При напряженностях приложенного электрического поля вблизи порога возникиовения разряда определяющую роль в процессе распространения плазмы по поверхности проводника играет термическая ионизация газа перед плазменным фронтом при теплопроводностной передаче энергии от плазмы к газу. При достаточно большой проводимости плазмы происходит усиление поля перед ее фронтом. При этом основным механизмом может стать процесс . ударной ионизации газа в электрическом поле на фронте плазмы. Выгодной особенностью этого метода инициирования является широкий выбор пригодных для его реализациии проводников как в жидком, так и в твердом агрегатном состояниях, отсутствие жестких требований на скорость нарастания импульса приложенного напряжения.

3. Реализован алгоритм численного решения двухмерной нестационарной задачи о динамике поверхностного разряда в плотном газе с учетом переноса энергии излучением. Проведено сопоставление результатов комплексного экспериментального исследования газодинамических, электротехнических и иэлучательных характеристик модельного поверхностного разряда в атмосферном воздухе с результатами численного моделирования, продемонстрировано их удовлетворительное соответствие. Развитая методика- позволяет проводить оптимизационные расчеты источников излучения на основе мощных поверхностных разрядов. При этом возможно рассмотрение как многоканальных разрядов, так и проведение расчетов разряда над поверхностью со сложным профилем, что принципиально невозможно при использовании одномерных методик.

4. Фотоионизационные эффективности разряда, инициируемого при тепловом пробое поверхности феррита, и разряда, скользящего по поверхности диэлектрика, практически совпадают при работе в различных газах атмосферного давления. Разряд по ферриту выгодно отличается от традиционного разряда, скользящего по диэлектрику,

существенно меньшими напряжениями инициирования при равной эффективности, что важно, в частности, при создании компактных лазерных устройств высокого давления.

5. Продемонстирована возможность применения поверхностного разряда по ферриту для оптической накачки *)-лаэеРа (342 нм).' Показано, что импульсно-периодический источник излучения на основе поверхностного разряда по энерго - мощностным характеристикам в импульсе не уступает одноразовым источникам на основе взрывающихся проводников.

6. Созданы конструкции ХеР(С-А)-лазера с накачкой излучением поверхностных разрядов по ферриту, проведено комплексное исследование электрических и излучательных характеристик разрядов накачки, параметров активной среды лазера, генерационных характеристик. Развита полуэмпирическая модель лазера. На основании сравнения данных моделирования с результатами эксперимента установлено,- что эффективность XeF(C-A) лазера с широкополосной оптической накачкой излучением одноканального открытого разряда практически не зависит от уровня энерговклада в разряд накачки, изменяющегося в диапазоне 55 - 500 Дж/см. Максимальная величина коэффициента . преобразования энергии

_3

накопителя в лазерную генерацию составляет (2, 5-^3)-10

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. C.B. Митько, В.Н. Очкин, A.B. Парамонов, А.П. Широких. Разряд, инициируемый ферритом. Условий пробоя и применение для оптической накачки .^-лазера. Краткие сообщ. по физике.

1989, N. 11. С. 47-49. ~ '

2. S.V. Mitko, V.N. Ochkin, A.V. Paramonov, A.P. Shirokikh. Discharge formation near the ferrite surface. XV Summer School & Int. Simp, on Physics of Ionized Gases. Zagreb,

1990, P. 326-327.

3. B.I. Ilukhin, S .V .Mitko , V ..N .Ochkin, A.V. Paraoonov, A.P. Shirokikh. Ferrite induced breakdown. Mechanizm of induction by thermal surface explosion. Journal of Russ. Laser Res.,

. 1990, N. 12. P. 64-80. Препринт ФИАН No 120, 1990, 44c.

4. C.B. Митько , В.Н. Очкин, A.B. Парамонов , А.П. Широки>

Высокояркостный газовый разряд вдоль поверхности проводника. Материалы VIII Всес. конф. по Физике Плазмы, Минск, 1991, 4.Z, С. 97.

>. Н.Ю. Зернова, С.В. Митько, В.Н. Очкин, д.В. Парамонов. Фотоионизация молекулярных газов излучением открытых импульсных разрядов. Материалы VIII Всес. конф. по Физике Низкотемпературной Плазмы, под. ред. О.Г. Мартыненко, Минск, 1991, Ч.Ш, С. 137-139.

5. С.В. Митько, А.В. Парамонов, А.П. Широких. Сравнение излучательных характеристик мощных электрических разрядов, инициируемых ферритом и взрывающейся проволочкой. II Всес. симпозиум по радиационной плазмодйнамике РПД - 91, МГТУ, 1991, 4.1, С. 35-37.

С.В. Митько, В.Н. Очкин, П.Д. Рубин. Электрический пробой вблизи нагретой током поверхности феррита. ЖТФ, 1993, Т. 63, Вып. 8, С. 32-40.

1. S.V. Mitkc, F.A. van Goor, А.R. van der Hoist, W.J. Witteman, V.N. Ochkin. Formed-Ferrite plasma source for optical pumping the XeF(C-A) laser. Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics CLE0-94. Amsterdam,-1994, P.61 CTuB2 0845

J. S.V. Mitko, A.V. Paranonov, F.A. van Goor , V.N. Ochkin, W.J.Witteman. Sliding surface discharge on a conducting surface. XII European Sect. Conf. on Atomic and Molec. Phys. of Ionized Gases. ESCAMPIG-94. Noorwijkerhout, 1994, P. 264-265.

J. S.V.' Mitko, F.A. van Goor, V.N. Ochkin, W.J. Witteman. Optical pumping and ferrite flash discharges. Proc. of the NATO Res. Workshop. ARW 950443 on Gas Lasers-Recent Developments and Future Prospects. Kluwer Academic Publishers, 1996 P. 185-204.

L. C.B. Митько, А.В. Парамонов, В.Н. Очкин, Ф.А. ван Гуур, В.Я. Виттеман. Дуговой разряд, скользящий по поверхности проводника. Препринт ФИАН No 50. М., 1996, 26с.

2. S.V. Mitko, V.N. Ochkin. Dynamics of a radiating surface discharge, Journal of Russian Laser Reseach, 1996,V.17, N.3, P. 259-285.