автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Теоретическое исследование разрядной области технологических СО2 лазеров

•Б ОЛ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ЛАЗЕРАМ

На правах рукописи УДК 621.373.826

ГУЛАМОВ Эхтирам Нифтали оглы

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЯДНОЙ ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ С02 -ЛАЗЕРОВ

Специальность 05.27.03 • квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ШАТУРА -1994

Работа выполнена в Научно-Исследовательском Центре по технологическим лазерам Российской Академии Наук.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор В. Я. ПАНЧЕНКО; кандидат физико-математических наук Р. Ш. ИСЛАМОВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А. И. ОСИПОВ; кандидат физико-математических наук В.Г.НИЗЬЕВ.

Ведущая организация - Троицкий институт инновационных и

термоядерных исследований .

Защита состоится " & " сай-с 1995 года в /Ч

часов на заседании Диссертационного Совета К200.14.01 в Научно -Исследовательском Центре по технологическим лазерам РАН.

Адрес: 140700, Московская обл., г. Шатура, ул. Святоозерская, 1. Научно-Исследовательский Центр по технологическим лазерам РАН, ученому секретарю Диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НИЦТЛ РАН. Автореферат разослан "_"___1994 года

Ученый секретарь Диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель

науки и техники РФ ^^(Жш^Л— Л' А- новии.киЙ

гг. 4 г.

с

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Среди газовых лазеров особое место занимают С02-лазеры, являющиеся одними из наиболее распространенных и эффективных лазеров высокой мощности. В большинстве С02-лазеров накачка осуществляется электрическим разрядом. Развитие техники конвективного охлаждения привело к тому, что поверхность, окружающая разряд, больше не служит стоком теплового потока, поэтому конфигурация и условия существования разряда стали гораздо более разнообразными. В газоразрядных камерах (ГРК) со сложной геометрией электродов и газового потока можно рассчитывать на получение достаточно полных представлений о свойствах активной среды и ее эффективности только при применении развитых методов диагностики пространственных распределений характеристик активной среды.

В импульсных системах при энерговкладах более

о

0.3 Дж/(см атм) и длительностях импульса возбуждения менее 1 мкс используемые модели расчета лазерных параметров, основанные на представлении о формировании модовых колебательных температур, приводят к значительному расхождению с экспериментом, что препятствует в указанных условиях корректным оценкам населенностей колебательных уровней и выбору оптимальных условий возбуждения. В связи с этим является актуальным использование поуровневого подхода для описания асимметричной моды уз СО2 и моды N2-

Задача получения неконтрагированного однородного разряда при повышенных давлениях является ключевой при создании лазеров на СС>2. В контрагированном разряде повышенного давления особую

роль играют приэлектродные слои, которые являются инжекторами заряженных частиц в положительный столб. Часто образованию шнуров в разряде повышенного давления, характерного для мощных технологических лазеров, предшествует появление анодных токовых пятен. Вследствие этого большой интерес, с точки зрения достижения предельных энерговкладов и однородности разряда, представляют исследования прианодной области разряда, а также состояния поверхности анода. Этот интерес вызван не только тем, что прианодная область разряда сравнительно мало изучена. Исследования влияния анодных пленок важны для получения однородного неконтрагированного разряда без применения громоздких и энергоемких технических устройств.

Решению этих проблем посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы.

1. Развитие метода ИК-люминесценции (ИКЛ) для диагностики активной среды технологических С02-лазеров; разработка математической модели ИКЛ для количественного анализа результатов экспериментальных измерений, учитывающей поглощение излучения в холодных областях ГРК и атмосфере.

2. Исследование причин понижения выходной мощности СС^-лазера при повышенных энерговкладах на основе анализа кинетики возбуждения активной среды в рамках уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод уз СО2 и Ы2.

3. Исследование неустойчивостей в прианодной области тлеющего разряда повышенного давления в виде анодных токовых пятен.

Защищаемые полялишия.

Автор выносит на защиту:

1. Математическая модель метода И К- люминесценции, учитывающая поглощение излучения в холодных слоях ГРК и атмосфере, позволяет на основе экспериментально измеренных интенсивностей ИКЛ в полосах 2.7 и 4.3 мкм получать значения колебательных температур в объединенной (Т^) и асимметричной (Тд) модах молекул СС>2. С ее помощью восстановлены значения колебательных температур Т^ и Тд исходя из экспериментально измеренных интенсивностей ИКЛ в TEA- и технологическом С©2 -лазерах.

2. При больших энерговкладах (~1Дж/(см3-агм) за 1 мке) в активную среду СС^-лазера наиболее вероятным механизмом понижения выходной мощности является наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня. Для анализа кинетики возбуждения активной среды была разработана уточненная модель колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод V3 COg и N2.

3. В зависимости от величины полного тока I, протекающего через анодное пятно, можно выделить две области: область малых токов К1п (1п- критическое значение тока, зависящее от характеристической энергии электронов Dg/ne), где плотность тока в центре пятна логарифмически увеличивается с ростом тока и при этом сильно зависит от диффузии электронов; область больших токов 1>1п, где выполняется закон нормальной плотности тока и влиянием диффузии можно пренебречь.

4. Продемонстрирована возможность образования кольцевых токовых структур на аноде, подтверждаемая известными из литературы экспериментами.

5. Наличие критического значения распределенного сопротивления однородного слабопроводящего покрытия на поверхности анода приводит к полному подавлению анодных токовых пятен в тлеющем разряде в N2 и смеси N2 :Не.

Научная новизна и практическая ценность.

Разработана кинетическая модель С02-лазера, возбуждаемого самостоятельным тлеющим разрядом при повышенных давлениях, основанная на уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод v3 СО2 и N2, пригодная для получения результатов, количественно согласующихся с экспериментом при экстремально высоких, в том числе и импульсных, энерговкладах. Показано, что при больших

о

энерговкладах (~1Дж/см -атм за 1 мкс) в активную среду СС^-лазера наиболее вероятным механизмом понижения выходной мощности является наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня.

Предложена методика расчета колебательных температур объединенной и асимметричной мод СО2 молекул из экспериментально измеренных интенсивностей ИК-люминесценции в полосе 2.7 и 4.3 мкм, учитывающая поглощение излучения при его переносе через среду с неоднородными термодинамическими параметрами. На основе предложенной методики разработано программное обеспечение для ИК-флюориметра, с помощью которого исследована динамика изменения колебательных температур в TEA С02-лазере и получены пространственные распределения колебательных температур в ГРК быстропроточного технологического С02-лазера ТЛ-5 с перекрестной геометрией электродов вдоль потока. Исходя из полученных распределений оценено время релаксации верхнего лазерного уровня, сеидетель-

ствующее о наличии сильных релаксантов в лазерной смеси.

Разработана численная двумерная нестационарная модель прианодной области тлеющего разряда повышенного давления, учитывающая как поперечные, так и продольные составляющие процессов диффузии электронов и положительных ионов, а также наличие анодной пленки и отражение электронов от поверхности анода.

Впервые показано, что в зависимости от величины полного тока, протекающего через пятно, можно выделить две области: область сравнительно малых токов К1п (1р - критическое значение, зависящее от характеристической энергии электронов De/ne), где плотность тока в центре пятна логарифмически увеличивается с ростом тока и при этом сильно зависит от диффузии электронов; область больших токов 1>1П, где выполняется закон нормальной плотности тока и влиянием диффузии можно пренебречь.

Впервые численно получена сложная анодная токовая структура в виде центрального пятна и обрамляющего его кольца. Кольцевая структура реализовывалась только в случае постановки граничных условий на достаточно определенном расстоянии от центра, зависящем от полного тока, протекающего через разряд.

Впервые исследовано влияние анодных оксидных пленок на возмущение в тлеющем разряде повышенного давления в виде анодных токовых пятен; показано, что существует критическое значение величины распределенного сопротивления пленки, выше которой анодное токовое пятно распадается. Величина критического сопротивления зависит от соотношения между параметрами, а именно: полной силы тока и характерного расстояния между соседними

пятнами. Высокое стабилизирующее действие наработанной на поверхности анода оксидной пленки дает возможность снизить величину балластных сопротивлений и повысить КПД мощных технологических лазеров.

Показан сравнительно более слабый рост падения потенциала в центре токового пятна на АОП при увеличении ее сопротивления, что снижает вероятность пробоя пленки.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Научно - исследовательского центра по технологическим лазерам, на Всесоюзной конференции "Лазерные технологии" /Вильнюс, 1988/, IX Международном симпозиуме всиэг/ Гераклион, Греция, 1992/, XI Международной конференции ЕБСАМРЮ /Санкт-Петербург, 1992/, конференции "Лазерные технологии-93", /Шатура, 1993/, конференции "Физика и техника плазмы" /Минск, 1994/.

Вклад автора. Все результаты в диссертации получены автором лично или в соавторстве при непосредственном его участии.

Структура.И объем .работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 134 страницах машинописного текста, иллюстрированного 30 рисунками и 2 таблицами, список цитированной литературы включает 102 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Кратко охарактеризовано состояние вопросов, затрагиваемых в диссертационной работе, направление исследования, его актуальность, сформулированы основные положения диссертации и основные новые результаты, полученные в ней.

Первая гласа посвящена кинетике возбуждения активной среды С02-лазера в рамках уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики N2 и асимметричной моды уз СО2. Был проведен сравнительный анализ этой модели с традиционной пятитемпературной моделью с учетом и без учета энгармонизма в модах уз СО2 и N2 с точки зрения соответствия эксперименту. Эксперимент проводился в смеси СС^^.Не^М.'б при давлении 1.8 атм, где было получены генерационные характеристики импульсного СОо-лазера, представленные на рис.1

«з

(кривая 1), в диапазоне энерговкладов до 2 Дж/(см -атм) и длительностях импульса менее 1 мкс.

Алгоритм расчета был построен так, что в начале решалось кинетическое уравнение Больцмана для ФРЭЭ, затем определялись константы скорости возбуждения и девозбуждения нижних колебательных уровней СО2 и первых восьми колебательных уровней N2- На основе расчета ФРЭЭ и осциллограмм тока и напряжения разряда для каждого импульса рассчитывались зависимости от времени долей мощности разряда, идущих на возбуждение колебательных уровней СО2 и N2- Учитывались также упругие столкновения электронов с молекулами и возбуждение вращательных и электронных уровней, приводящие к повышению температуры газа. Полученная таким образом зависимость от времени учитывалась в системе кинетических уравнений, и проводился расчет интенсивности излучения и энергии за импульс.

В уточненной модели колебательных температур традиционное описание кинетики С02 в приближении колебательной температуры сохранено только для совместной релаксации энергий связанных симметричной и деформационной мод, распределение населен-ностей колебательных уровней которых описывается больцмановской функцией. Поскольку колебательные состояния симметричной и

деформационной мод связаны Ферми- резонансом. их колебательные температуры считались одинаковыми:

Населенности колебательных уровней N2 и асимметричной моды СС>2 находятся решением системы уравнений для населенностей отдельных уровней молекул. Система уравнений для двух взаимодействующих ангармонических осцилляторов хорошо известна и может быть записана в виде:

А

= яеУ +К.1

V . V V V

где слагаемые в правой части представляют собой скорости изменения населенностей соответствующих уровней в процессах возбуждения электронным ударом, \Л/-обмена, У/Т-релаксации и индуцированного излучения. Всего учитывалось по 30 уровней N2 и СО2 В расчетах в качестве параметра модели вводилась доля Т запасенной в электронных состояниях энергии, которая идет непосредственно на нагрев газа. На рисунке 1 (кривые 2 и 3) приведены результаты расчетов в рамках поуровневой модели

в, Дж/см3

Рис.1 Экспериментальная (1) и расчетные (2-при г=0.1; 3-при 2=0.2) зависимости энергии генерации от энерговклада. Темными кружками показаны результаты расчета в рамках поуровневой модели при г=0.1 и учете наработки атомарного кислорода. Рядом с точками указаны учитываемые в расчете доли атомарного кислорода в лазерной смеси.

при Z=0.1 и 0.2 соответственно. Расчет по развитой поуровневой модели предсказывает более высокие значения энергии излучения, чем измеряемые. Однако, при больших энерговкладах дополнительным каналом потерь энергии являются диссоциация молекул и наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня в разряде. Расчеты, учитывающие наработку сильных релаксантов верхнего лазерного уровня по мере возрастания энерговклада в виде атомарного кислорода (к® _ = 6.75*101* с"1-Topp'1), показывают хорошее 1 1

соответствие с экспериментом. На рисунке 1 темными кружочками показаны результаты расчета при Z=0.1 и учете наработки атомарного кислорода, рядом с точками указаны учитываемые в расчете доли атомарного кислорода в лазерной смеси.

В расчетах на основе пятитемпературной модели в таких же условиях наблюдается сильное различие экспериментальной и расчетной зависимостей, что может быть следствием роста эффектов энгармонизма в колебательной релаксации по мере увеличения уровня возбуждения. Хорошее соответствие между расчетом и экспериментом достигается лишь при экспериментально необоснованных больших значениях констант внутримодового W-обмена для N2, значительно превышающих константы W'-обмена между модами V3 С02 и N2.

Дальнейшее развитие кинетической модели для высокого уровня возбуждения в объемном самостоятельном разряде связано, в первую очередь, с уточнением каналов релаксации энергии, запасенной в электронных состояниях, и процессов образования сильных релаксантов верхнего лазерного уровня. Следует также иметь в виду, что при высоком уровне возбуждения электронных состояний молекул возможна заметная деформация ФРЭЭ, что может ощутимо влиять на скорость колебательного возбуждения и,

соответственно, на интенсивность лазерного излучения.

Вторая глава посвящена исследованию активной среды СО2-лазера методом ИК-люминесцентной диагностики. Проведен обзор методов диагностики активных сред лазеров с учетом недостатков и достоинств различных методов. Обоснован выбор ИК-люминесцентной диагностики в качестве инструмента, позволяющего контролировать процессы в активной среде технологического СО2-лазера.

Приведены данные по вероятностям переходов и уширению спектральных линий колебательно-вращательных переходов молекул СС>2, необходимые для расчета излучательных и поглощательных характеристик газовой смеси С02-лазера. Подробно описан используемый при расчетах метод определения колебательных температур молекул СО2. основанный на сравнении теоретических значений интенсивности ИК-люминесценции полос 4.3 мкм и 2.7 мкм. рассчитанных для различных колебательных температур Т-|2 (объединенной моды) и Т3 (асимметричной моды), с экспериментальными значениями. Расчет интенсивности излучения проводился в приближении неперекрывающихся вращательных линий. Была разработана методика расчета интенсивности ИК-люминесценции, учитывающая эффект пленения излучения на резонансных колебательно-вращательных переходах при прохождении через неоднородную по термодинамическим параметрам газовую среду.

Интерпретация экспериментальных данных по ИК-люминесценции С02-лазера с учетом поглощения в холодных слоях газа проводилась на основе сравнения с результатами численного моделирования кинетики процессов в разряде С02-лазера. Для

описания кинетики в активной среде использовалась уточненная модель (глава 1.), где динамика населенностей в асимметричной моде СО2 и в азоте рассчитывалась на основе поуровневого подхода. На основе такой модели были получены расчетные значения населенностей колебательных уровней. Были также рассчитаны относительные вклады в ИК излучение полос 4.3 и 2.7 мкм отдельных возбужденных колебательных уровней с учетом поглощения в условиях экспериментов. Расчет показал, что значительная часть излучения с нижних уровней СО2 поглощается. С использованием этих результатов была смоделирована кинетика ИК люминесценции полос 4.3 и 2.7 мкм молекул СО2 в разряде импульсного ТЕА СО2-лазера. В полосе 4.3 мкм получено хорошее согласие расчетов с экспериментом. Наблюдалось сильное расхождение между расчетом и экспериментом в полосе 2.7 мкм на начальной стадии импульса, что может быть объяснено совместным влиянием колебательной неравновесности в объединенной моде и наличием паров воды в газовой смеси. Показана важность учета паров воды в газе при определении температуры объединенной моды СО2 при измерениях в полосе 2.7 мкм,„ Путем сравнения экспериментально регистрируемой ИК люминесценции с численными расчетами на основе кинетической модели С02-лазера возможен анализ кинетики процессов возбуждения и релаксации молекулярного газа в разряде СС>2-лазера. Таким образом, показана возможность диагностики неравновесности распределения по колебательным состояниям молекул СС>2. у-

Методом ИК- люминесценции была исследована пространственная структура характеристик активной среды быстропроточного технологического С02-лазера с поперечным секционированием электродов, возбуждаемого самостоятельным

X, ск

Т. 'К

X, ем

экспериментальных

Рис.2. Зависимость значений интенсивности ИКЛ (а) в полосе 2,7 мкм (кр. 1) и 4,3 мкм (кр. 2); расчетных значений колебательных температур (б) в объединенной Т^ (*Р- 1) и асимметричной Т3 (кр. 2) модах от координаты X (вдоль потока газа).

тлеющим разрядом. По экспериментальным данным рассчитано пространственное распределение колебательных температур объединенной и асимметричной мод молекул С02 вдоль по потоку (рис.2). Наблюдается модуляция колебательной температуры асимметричной моды, повторяющая период секционирования катодов.

В третьей главе

исследуются возможные формы и параметры токовых структур, образующихся на поверхности анода в широком диапазоне изменения токов. Расчеты проводились на основе двумерной нестационарной мо-как продольные, так и поперечные

дели разряда, учитывающей составляющие диффузии электронов и положительных ионов:

dm

- + divre = т(к -ßn), + divFj = т(к - ßn),

Ге = -DeVm + mneVq> Г; = -D ¡Vn - nflj V<p

dt dt

Лф = —4 jce(n -m), J = е(Г; - Ге )

где m, n - концентрации электронов и положительных ионов соответственно; це, ц-, и De, Dj - их коэффициенты подвижности и диффузии; к - частота ионизации за счет соударений электронов с нейтральными частицами, ß - коэффициент электрон-ионной рекомбинации, <р - потенциал электрического поля, J - плотность тока.

В большинстве расчетов давление азота задавалось равным р=25 Topp. На оси положительного столба выполняется ионизаци-онно-рекомбинационный баланс. Пятно формировалось в случае, когда на поверхности анода задавалось локальное возмущение потенциала или задавалось начальное распределение ионов и токов, спадающее от оси разряда к периферии в несколько раз. Время установления стационарного пятна изменялось в пределах 200 -1000 мкс в зависимости от величины характеристической энергии электронов De/ne и пол

ного тока I. С ростом I и уменьшением характеристической энергии электронов время установления стационарного пятна увеличивалось.

J/P ,mA/( см Торр )

I. М А

Рис.3. Зависимость плотности тока на аноде в центре пятна от полного тока, протекающего через разряд, р=25 Topp: 1 - Dg/ne=1 эВ, 2 - Dg/ne=2 эВ.

Исследовано влияние полного тока I, протекающего через разряд на величину плотности тока на аноде и анодного падения потенциала в центре пятна при различных значениях Ое/це (рис.3). Анализ зависимости от I показывает, что можно выделить две области, в которых поведение плотности тока различно: область малых токов, где 1д1\ и область больших токов (область "плато"), где ¡/р^ не зависит от I (в пределах погрешности счета).

Показано, что характеристическая энергия электронов 0е/ре в разряде оказывает существенное влияние на распределение плотности тока на поверхности анода и ее величину в центре пятна в области малых токов. С ростом величины Ое/це плотность тока падает. Влияние Ое/ц.е в области больших токов несущественно и можно говорить, что в этой области при радиусе анодного пятна г>1р , где Ьц ■ р[см- Горр] £ (6.5 7.0) • I //е[зй] - характерный

диффузионный размер, выполняется закон нормальной плотности тока на аноде. Величина анодного падения потенциала во всем диапазоне изменения полного тока I остается неизменной и сопоставимой с величиной потенциала ионизации.

Рис.4. Распределение концентрации зарядов в анодной области тлеющего разряда в случае кольцевой токовой структуры при р=25 Topp, 1=1 А, D /ц =2 эВ, ß=6.0 Ю"7 см3/с.

1П -Ч

RO - концентрация зарядов ([R0]=10 см );

R - поперечный размер анодной области ([R]=cm); Z - продольный размер анодной области ([Z]=cm).

Расчеты показали возможность существования кольцевых анодных структур (рис.4 и 5). Кольцевые анодные структуры образовывались в случае, когда первоначально было сформировано центральное пятно. Кольцевая структура реализовыва-лась либо самостоятельно, при возникновении

возмущения потенциала на периферии анода, либо при задании первоначальных распределений ионов и электронов, имеющих кольцевую структуру. В обоих случаях кольцевая структура реализовывалась только в случае постановки граничных условий на достаточно определенном расстоянии от центра, зависящем от полного тока, протекающего через разряд.

В четвертой главе исследуются условия образования анодных оксидных пленок (АОП) и их влияние на устойчивость тлеющего разряда при повышенных давлениях, характерных для технологических С02-лазеров большой мощности. Проведен подробный анализ литературы, посвященной АОП.

Расчеты проводились на основе двумерной нестационарной модели разряда, представленной в главе 3. В модели также учитывалось наличие слабопроводящей пленки на аноде.

Разряд рассматривался между плоским анодом и положительным столбом. Сначала надлежащей постановкой начальных условий

2 2 2 J/р , мА/(см Topp )

Ua, В

О 1 2 Я, см 3

Рис.5. Радиальный профиль анодного падения потенциала (кр.1) и плотности тока на аноде (кр.2); р=25 Topp, 1=1 А, Ое/Це=2 эВ. ß=6.0-10"7 см3/с. Случай реализации кольцевой анодной структуры.

формировалось устойчивое анодное пятно. Затем в расчетах учитывалось нарушение эквипотенциаль-ности поверхности сла-бопроводящей однородной пленки за счет неравномерности распределения плотности тока.

Было исследовано поведение плотности тока на аноде в зависимости от сопротивления пленки. Получено, что существует

критическое сопротивление пленки, выше которой анодное токовое пятно распадается. Величина критического сопротивления зависит от соотношения между параметрами, а именно: полной силы тока и характерного расстояния между соседними пятнами (рис.6). При одинаковом характерном расстоянии между пятнами, величина критического сопротивления будет меньше в том случае, в котором величина тока больше. Таким образом, переход в однородную стадию происходит тогда, когда пятна начинают испытывать конкуренцию на поверхности анода. Полученные зависимости потенциала и плотности тока от поверхностного сопротивления пленки указывают на то, что с ростом пленки вероятность ее пробоя (и последующего шнурования)

2 2 2 i/Pr мА/(см.Торр )

0.4..

0.2

0

\l

\ \ 2\\ \\ V\ Ч •—Ч

г. Ч-1- h^-

0

2.5

5.0

Rp ,Ш-Ом-см-Торр

Рис.6. Зависимость плотности тока (j/p^) в центре пятна в NU от распределенного

9

сопротивления анодной пленки (R-p ):

1 - р = 25 Topp, I = 50 мА;

2 - р = 25 Topp, I = 25 мА.

слабо растет, устойчивость разряда по отношению к образованию пятен увеличивается.

На основании двумерных расчетов предложено объяснение наблюдающихся изменений однородности и устойчивости разряда, основанное на чисто электродинамических явлениях (нарушение эквипотенциальное™ и стабилизирующее действие АОП ) задолго до проявления объемных тепловых эффектов.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

1. Разработана кинетическая модель С02-лазера, возбуждаемого самостоятельным тлеющим разрядом при повышенных давлениях, основанная на уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики мод С02 и Ы2, пригодная для получения результатов, количественно согласующихся с экспериментом при экстремально высоких, в том числе и импульсных, энерговкладах.

2. Численно рассчитаны энергетические параметры излучения при энерговкладах вплоть до нескольких Дж/(см^-атм) ТЕ С02-лазера в рамках уточненной модели колебательных температур с учетом поуровневой кинетики тех же мод при наличии и отсутствии в активной среде сильных релаксантов верхнего лазерного уровня; проведено сравнение с традиционной пятитемпературной моделью с учетом и без учета энгармонизма в модах у3 С02, Ы2. Показано, что при больших энерговкладах (~1Дж/(см^-атм) за 1 мке) в активную среду С02-лазера наиболее вероятным механизмом понижения выходной мощности является наработка сильных релаксантов верхнего лазерного уровня.

3. Предложена методика расчета колебательных температур объединенной и асимметричной мод молекул С02 из экспериментально измеренных интенсивностей ИК-люминесценции в полосе 2.7 и 4.3 мкм, учитывающая поглощение излучения при его

переносе через среду с неоднородными термодинамическими параметрами.

4. Проведено сравнение данных по ИК/1 импульсного ТЕА СО? лазера с результатами численного моделирования кинетики И КГ полос 4.3 и 2.7 мкм молекул СО2 в рамках уточненной модели. Наблюдается сильное расхождение между расчетом и экспериментом в полосе 2.7 мкм на начальной стадии импульса, чтс может быть объяснено совместным влиянием колебательной неравновесности в объединенной моде и наличием паров воды е газовой смеси. Таким образом, показано, что путем сравнения экспериментально регистрируемой ИКЛ с численными расчетами на основе кинетической модели СО2- лазера возможен анализ кинетики процессов возбуждения, релаксации и диагностики неравновесности распределения по колебательным состояниям молекул СО2 в разряде лазера. В результате исследования пространственной структуры активной среды быстропроточного технологического СО2 -лазера с перекрестной системой электродов методом ИК-люминесцентной диагностики показана неоднородность возбуждения рабочего газа в ГРК.

5. Разработана численная двумерная нестационарная модель анодной области тлеющего разряда повышенного давления, учитывающая как поперечные, так и продольные составляющие процессов диффузии электронов и положительных ионов, отражение электронов от поверхности анода, а также наличие на аноде слабопроводящей оксидной пленки.

6. Исследовано влияние полного тока I, протекающего через пятно и диффузии электронов на параметры анодного токового пятна:

а) Анализ зависимости плотности тока в центре пятна от полного тока I через пятно показывает, что можно выделить две области, в

которых поведение j/p^ различно: область малых токов, где j/p2~/gl; и область больших токов (область "плато"), где j/p^ не зависит от I (в пределах погрешности счета).

б) Показано, что характеристическая энергия электронов De/ne в разряде оказывает существенное влияние на распределение плотности тока по поверхности анода и ее величину в центре пятна в области малых токов. С ростом величины De/ne плотность тока в центре пятна падает. Влияние De/{ie в области больших токов несущественно и можно считать, что в этой области выполняется закон нормальной плотности тока.

в) Величина полного тока 1п, при которой происходит переход из одной области в другую, определяется диффузией, и ее можно

оценить следующим образом: 1П = jn /p2-*-(LD -р)2, где Lp • р[см-Торр] = (6.5 + 7.5)- jDe / це[эВ] - характерный диффузионный размер, а jn/p^ - нормальная плотность тока.

7. Показано, что на аноде возможно образование сложных кольцевых токовых структур. Кольцевая структура реализовывалась только в случае постановки граничных условий на достаточно определенном расстоянии от центра, зависящем от полного тока, протекающего через разряд.

8. Исследовано влияние анодных оксидных пленок на возмущение в разряде в виде анодных токовых пятен. Показано, что существует критическое значение величины поверхностного сопротивления пленки, выше которой анодное токовое пятно распадается. Величина критического сопротивления зависит от соотношения между параметрами, а именно: полной силой тока и характерным расстоянием между соседними пятнами. При одинаковом характерном расстоянии между пятнами, величина критического

сопротивления будет меньше в том случае, в котором величина тока больше. Таким образом, переход в однородную стадию происходит тогда, когда пятна начинают испытывать конкуренцию на поверхности анода. На основании двумерных расчетов предложено объяснение наблюдающихся изменений однородности и устойчивости разряда, основанное на чисто электродинамических явлениях.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Абильсиитов Г.А, Баграташвили В.Н., Гордиенко В.М., Гуламов Э.Н., Исламов Р.Ш., Жерихин А.Н., Кубышкин А.П., Панченко В.Я. ИК-люминесцентная диагностика колебательно возбужденного молекулярного газа в разряде СС^-лазера.// Препринт НИЦТЛАН, Шатура, 1987, №31. 31 с.

2. Гуламов Э.Н., Исламов Р.Ш. Методика ИК-люминесцентной диагностики колебательно возбужденных молекул СО2 в многослойных средах.// В сб. "Лазерная технология", Вильнюс, 1988. вып. 6, с. 134-135.

3. Агалаков Ю.Г., Гуламов Э.Н., Исламов Р.Ш., Рубинов Ю.А. Рассмотрение кинетики возбуждения смеси CC>2-N2-He по уточненным моделям колебательных температур.// Квантовая электроника. 1989, т. 16. №4, с. 737-741.

4. Gulamov E.N., Islamov R.Sh., Zabelin A.M. Anodic oxide films influence on formation of anode spots and glow discharge stability.// Abstr. invited contrib. papers of Conf. ESCAMPIG-92. St.Petersburg, 1992, v.16F, p.429-430.

5. Гуламов Э.Н., Исламов Р.Ш.. Забелин A.M. Стабилизирующая роль анодных оксидных пленок в стационарном тлеющем разряде.//Физика плазмы, 1992. т.18, №9, с.1222-1227.

6. Gulamov E.N., Islamov R.Sh., Zabelin A.M. Effect of anodic oxide films on discharge stabilization in industrial lasers.// Abstr. of IX Int. Sympos. GCL-92, Heraclion, Creete, Greece,1992, р.МоВРб.

7. Gulamov E.N., Islamov R.Sh., Zabelin A.M. Anodic oxide films influence on formation of anode spots and glow discharge.// J.Phys. D: Appl. Phys., 1993, v.26, №9, p.1394-1397.

8. Gulamov E.N., Islamov R.Sh., Zabelin A.M. Effect of anodic oxide films on glow discharge spatial structure.// SPIE, 1993, v. 2257, p. 132-135.

9. Гуламов Э.Н., Исламов P.lil. Анодные кольцевые структуры.// Материалы конференции "Физика и техника плазмы", Минск, 1994, т.1, с.151-153.

10. Гуламов Э.Н., Исламов Р.Ш., Кубышкин А.П., Лобастое В.Н., Новодворский О.А., Панченко В.Я. ИК-люминесцентная диагностика технологического быстропроточного СС^-лазера с перекрестной системой электродов.// Квантовая электроника, 1994, т.21, №12, с. 1151-1156.

Напечатано в НИЦТЛ РАН