Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура

Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Курсовая работа

Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров

на основе LC-контура

Выполнил:

студент 4курса физико-

технического факультета

Зенько П.В.

Научный руководитель:

преподаватель кафедры

лазерной физики и

спектроскопии

Володенков А.П.

Гродно 2004

РЕФЕРАТ

Реферат курсовой работы «Исследование систем возбуждения эксимерных

лазеров на основе LC-контура» студента физико-технического факультета УО

Гродненский государственный университет имени Янки Купалы

Зенько П.В. Объем 50 с., 18 рис., 23 формул, 31 источников.

Ключевые слова:

Объемный разряд, система возбуждения, поперечный разряд, LC-контур,

энерговклад, расчетные осциллограмм, предымпульс

Объект исследования – электроразрядные эксимерные XeCl лазеры с

возбуждением LC-контуром для технологических применений.

Цель настоящей работы–создание математической модели эксимерного

лазера с системой возбуждения на основе LC-контура, экспериментальное и

теоретическое исследование оптимальных условий возбуждения электроразрядных

эксимерных лазеров, обеспечивающих максимальную их эффективность.

Нами было проведено теоретическое исследование работы системы

возбуждения активной среды. Разобраны особенности моделирования импеданса

разряда различными схемами замещения. Разработана методика расчета систем

возбуждения ХеСl лазера, выполненной по типу LC-контура, позволяющая

рассчитывать форму импульса напряжения на лазерных электродах и энерговклад

в активную среду в зависимости от параметров цепи возбуждения. Показано,

что для уточнения нашей модели расчета LC-контура необходимо задаваться

пробойным напряжением конкретного разрядного промежутка для определенного

состава газовой смеси.

Изучено влияние параметров контуров возбуждения на энергетические

характеристики эксимерных лазеров. Показано, что для уменьшения потерь

энергии в системе возбуждения необходимо применять многоканальную

коммутацию. Установлено, что наибольшая энергия генерации достигается в

случае реализации системами возбуждения режима работы с автоматическим

предымпульсом. Полученные результаты применены для конструирования систем

возбуждения технологических электроразрядных эксимерных лазеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

4

1. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров

на основе LC-контура

7

1.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на

основе LC-контура

7

1.2. Экспериментальное исследование систем возбуждения

на основе LC-контура

20

2. Процессы прилипания электронов в разряд 31

2.1. Автораспадные состояния двухатомных молекул

32

3. Динамика предыонизации.

39

Заключение

46

Список использованных источников 48

Введение

В настоящее время эксимерные лазеры являются лучшими источниками

когерентного излучения в ультрафиолетовой области спектра. Хотя класс

эксимерных лазеров весьма широк, наиболее перспективной является группа

импульсных газоразрядных лазеров высокого давления на галогенидах инертных

газов, излучающих на длинах волн, расположенных в ультрафиолетовой (УФ)

области спектра, в частности электроразрядный эксимерный ХеСl лазер (длина

волны генерации 308 нм). Данный класс лазеров отличают сравнительная

простота конструкции, возможность достижения высоких энергий генерации и

пиковой мощности, малой угловой расходимости и возможности получения узкой

спектральной полосы генерации.

Для многих практических применений эксимерных лазеров важнейшее

значение имеют такие характеристики как энергия, мощность, длительность и

форма импульса генерации, расходимость и однородность пространственного

распределения энергии. Они зависят от целого ряда факторов, однако

определяющую роль играет система возбуждения активной среды, обеспечивающая

однородность энерговклада и формирование его квазистационарной стадии.

Поэтому на сегодняшний день не вызывает сомнений актуальность проблемы

повышения эффективности электроразрядных эксимерных лазеров, улучшение их

энергетических и временных характеристик. Существенную помощь в решении

данной задачи может оказать моделирование процесса возбуждения эксимерных

электроразрядных лазеров, а также схем их накачки, сочетающее в себе

теоретические расчеты и экспериментальные данные. Развитие вычислительной

техники и создание новых расчетных программ позволило успешно моделировать

процесс возбуждения активной среды, появилась возможность теоретически, без

проведения дорогостоящего эксперимента исследовать зависимости вложенной в

активную среду энергии от широкого набора параметров цепи возбуждения,

выявлять оптимальные режимы возбуждения и набор параметров цепи

возбуждения, по заданным выходным характеристикам генерации.

Для повышения энергетических характеристик эксимерных лазеров

необходимо уменьшение потерь энергии в процессе его возбуждения. Для этого,

в первую очередь, необходимо уменьшить потери при коммутации высокого

напряжения. Одним из вариантов решения этой задачи является использование

многоканальной коммутации или использование параллельного включения

коммутаторов при их наносекундной синхронизации.

Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие

сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-

контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения

используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых

за рубежом. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы

возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1

Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж [1],

формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и

длительностью [2], иметь высокую генерационную эффективность [3]. Однако

такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование

специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их

применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт)

и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего

используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них

снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [4] и во-

вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным

электродам.

Ниже в разделах 1.1-1.2 приведены результаты исследования выходных

генерационных характеристик XeCl-лазера с возбуждением LC-контуром при

изменении его параметров в широком диапазоне [5-13]. Эти исследования

позволяют определить оптимальные параметры системы возбуждения для

достижения максимальной энергии, мощности и КПД генерации, получения

гладкого временного профиля импульса, а также сформулировать критерии, по

которым можно целенаправленно управлять характеристиками генерации

эксимерных лазеров.

Целью настоящего этапа являлось экспериментальное и теоретическое

установление оптимальных условий возбуждения электроразрядных эксимерных

лазеров.

1. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров

на основе LC-контура

1.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров

на основе LC-контура

Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную

емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1

обострительную емкость C0 (см. рис.1,а). Так как С1 перезаряжается на С0

через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с

сопротивлением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется

значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей

увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение

потерь на коммутаторе. Возможны следующие характерные режимы работы LC-

контура.

1. При малых величинах обострительной емкости С0 её основная функция

состоит в формировании объемного разряда. Она заряжается от накопительной

емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем быстро

разряжается на межэлектродный промежуток. При столь высоком перенапряжении

((5 кВ/(см атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется

однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на

стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко.

Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной

емкости С1.

2. При увеличением обострительной емкости С0 (при одновременном увеличении

L1) ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и

энерговклад в разряд. Причем его мощность сравнима с мощностью энерговклада

от С1.

3. Если величина обострительной емкости С0 становится одного порядка с

накопительной С1, то возможен режим работы с полной перезарядкой. В

LC-контур

а

б

а – электрическая схема; б – расчетная схема;

С1, С0 – накопительная и обострительная емкости; L1 и L0 – контурные

индуктивности; Сe - межэлектродная емкость; R(t) –сопротивление

междуэлектродного промежутка; LS – собственная индуктивность разряда; I1,

I2, Ir– токи через соответствующие элементы; U1 – напряжение на емкости C1;

U0– напряжение на емкости C0; Ue – разность потенциалов на емкости Ce; U –

напряжение на лазерных электродах; Rk – сопротивление разрядников.

Рис.1

этом случае вся энергия запасенная в С1 переходит в обостритель С0, причем

именно в таком режиме обеспечивается как правило максимальный К.П.Д. лазера

[14].

Нами была создана компьютерная программа расчета холостого и рабочего

режимов работы системы возбуждения на основе LC-контура. По расчетной

схеме на рис.1,б была составлена следующая система уравнений:

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

(1)

[pic]

[pic][pic]

где I1, I2, Ir– токи через соответствующие элементы (рис.1,б); U1 –

напряжение на емкости C1; U0– напряжение на емкости C0; Ue – разность

потенциалов на емкости Ce; U – напряжение на лазерных электродах; Rk –

сопротивление разрядников.

В расчетной схеме (рис.1,б) введена межэлектродная емкость Ce,

сопротивление разряда R(t) и собственная индуктивность разряда LS. Эти три

величины моделируют импеданс разряда. Напряженность электрического поля

[pic][pic] в разряде имеет две составляющие.

[pic]

(2)

Первое слагаемое в (2) является напряженностью электростатического

поля, обусловленного зарядами. Второе слагаемое вызвано переменным магнитым

полем. В квазистационарном прибижении вектор потенциал [pic] определяется

токами протекающими в системе, поэтому второе слагамое зависит от скорости

изменения токов и можно записать

[pic]

(3)

Зависимость сопротивления разряда от времени задавалась в следующем виде

[pic]

(4)

Такая зависимость сопротивления разряда от[pic] времени получается в

случае, если плотность электронов n удовлетворяет следующему уравнению.

[pic]

(5)

Где [pic] – эффективная частота ионизации; ? – коэффициент

рекомбинации. Решение уравнения (5) при начальном условии n(0)=np(начальная

концентрация электронов, то есть созданная предыонизацией) имеет следующий

вид

[pic]

(6)

где - [pic] стационарная концентрация электронов, достигаемая за

достаточно большой промежуток времени. Эффективная частота ионизации

зависит от ионизационного коэффициента ? и дрейфовой скорости электронов Vd

следующим образом.

[pic]

(7)

Представим ионизационный коэффициент ( в форме Таунсенда.

[pic]

(8)

Дрейфовую скорость электронов в следующем виде.

[pic]

(9)

Тогда на основании выражений (7-8) имеем

[pic]

(10)

Где Р – давление газа. То есть, в общем случае (при ?Р[pic]const)

частота ионизации зависит от давления газа Р и отношения Е/P. Поэтому, при

получении решения уравнения (5) в форме (6), подразумевалось, что величины

Р и Е/P постоянны. Удельное сопротивление плазмы ? равно

[pic]

(11)

На основании (6 и 11) имеем

[pic]

(12)

где [pic] - начальное удельное сопротивление (соответствует концентрации

электронов np ; [pic] - стационарное удельное спротивление (соответствует

концентрации электронов [pic]). Тогда в выражении (4)

[pic];

(13)

[pic]

(14)

где l расстояние между электродами; S площадь, занимаемая разрядом на

электроде. Таким образом выражение (4) строго выполняется только при

постоянном Е/P. Однако, оно успешно применятся для аппроксимации разрядного

сопротивления. Это связано с тем, что сопротивлении разрядной плазмы очень

быстро ~ 20 нс выходит на некоторый практически постоянный уровень. На этом

уровне скорость ионизационные процессы практически равна нулю (первый член

в правой части уравнения (5) обращается в ноль) и происходит медленная

рекомбинация плазмы по уравнению

[pic]

(15)

Решение этого уравнения при начальном условии n(0)=n0 имеет вид

[pic]

(16)

На основании (11-16) сопротивление разрядного промежутка меняется медленно

по закону

[pic]

(17)

Этим изменением мы пренебрегаем. При расчетах величина R1 бралась в

пределах 2-10 кОм; R0 ~ 0.1 Ом; ( ~ (1[pic]100)x107, Rk ~ (0,1[pic]1) Ом в

зависимости от числа используемых разрядников. При этом обеспечивалось

наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных осциллограмм. На рис.2-6

представлены расчетные осциллограммы напряжения U(t) на межэлектродном

промежутке и мощности P(t) энерговклада в разряд, полученные в результате

численного решения системы уравнений (1) при помощи стандартных программ

MathCard 7. Расчетные осциллограммы (рис.2-7) будут проанализированы

детально при обсуждении экспериментальных данных, полученных при тех же

параметрах системы возбуждения. На рис.6 показана зависимость мощности

энерговклада от времени при двух разных значениях сопротивления коммутатора

Rk.. Уменьшение сопротивления Rk в целом спосоствует росту мощности

энерговклада. На рис.7 предаставлены осциллограммы импульсов напряжения(U)

и разности потенциалов (Ue) на разрядном промежутке. Они получены при

разных L0 и LS, но L0+LS=const. При этом импульс напряжения на разряде не

меняется, а импульс разность потенциалов меняется. На практике, при

использовании делителя напряжения мы

Расчетные осциллограммы

а - L1=11 нГн; б – L1=23 нГн;

С1=75 нФ; С0=3,6 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.2

Расчетные осциллограммы

а - L1=11 нГн; б – L1=23 нГн;

С1=75 нФ; С0=15 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.3

Расчетные осциллограммы

а - L1=11 нГн; б – L1=23 нГн;

С1=75 нФ; С0=37 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.4

Расчетные осциллограммы

а - L1=11 нГн; б – L1=23 нГн;

С1=75 нФ; С0=70 нФ; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.5

Расчетные осциллограммы

а - Rk=0,9 Ом; б - Rk=0,6 Ом;

С1=75 нФ; С0=70 нФ; U0=40 кВ; L1=23 нГн; L0=5 нГн; LS=1 нГн

Рис.6

Расчетные осциллограммы

а - L0=5 нГн; LS=1 нГн; б – L0=3 нГн; LS=3 нГн; С1=75 нФ;

С0=70 нФ; L1=11 нГн; U0=40 кВ; Rk=0,3 Ом

Рис.7

измеряем импульс разности потенцилов на разряде. Поэтому расчетные

осцилограмы сравнивались с экспериментальными и определялись значения

параметров схемы замещения разрядного промежутка (рис.1,а).

1.2. Экспериментальное исследование систем возбуждения

на основе LC-контура

Исследования проводились на эксимерном электроразрядном лазере, излучатель

и система предыонизации активной среды которого выполнены аналогично

описанным в (14( и представлены на рис.8. Излучатель представлял собой

диэлектрическую разрядную камеру, внутри которой располагались

профилированный цельнометаллический анод (А), сетчатый катод (К) и электрод

предыонизации (ЭП). Предыонизация активной среды в межэлектродном

промежутке (МП) осуществлялась излучением разряда из-под сетчатого катода

при подаче импульса высокого напряжения на электрод предыонизации. Такое

расположение системы предыонизации позволило максимально приблизить

источник ионизирующего излучения к зоне основного разряда и достичь

однородного распределения начальных электронов в МП. Основной разрядный

объем составлял 115х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На торцах разрядной

камеры располагался резонатор лазера, который был образован плоским

зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.

Возбуждение поперечного разряда осуществлялось системой возбуждения,

выполненной по типу LC-контура (рис.1, рис.8). Разряд предыонизации

возбуждался от отдельного LC-контура включающего Спр – накопительную

емкость, Lпр – индуктивность в контуре предыонизации, РУ1 – коммутатор. Это

позволяло регулировать задержку между предыонизацией и основным разрядом с

помощью системы запуска разрядников РУ1 и РУ. Спр заряжалась от источника

постоянного высокого напряжения через резисторы R3 и R4 до напряжения Uo.

На рис.8 представлено сечение электрода емкостной предыонизации. Диэлектрик

на электроде предыонизации представлял собой шестислойное лавсановое

покрытие общей толщиной 0.3 мм. Отличительной особенностью предыонизации

Схема возбуждения электроразрядного эксимерного лазера

[pic]

Рис.8

являлось то, что емкостной разряд зажигался на большой площади

~(100х3) см2. Этим компенсировалась меньшая по сравнению с сильноточной

искрой эффективность образования ионизирующего излучения. Минимальный

радиус кривизны поверхностей электрода составлял 5 мм. Рабочая поверхность

электрода предыонизации находилась на расстоянии 3 мм от поверхности

основного сетчатого электрода, причем это расстояние в ходе экспериментов

могло изменяться от 1 до 6 мм. Разряд, обеспечивающий предыонизацию

основного разрядного промежутка, возникал между сетчатым катодом (К) и

поверхностью диэлектрика электрода предыонизации. Подача импульса

напряжения на электрод предыонизации осуществлялась по четырем вводам,

равномерно расположенным вдоль электрода предыонизации согласно

электрической схеме, представленной на рис.8.

Исследования проводились на смеси НСl:Хе:Ne–1:15:3040, при общем

давлении 4 атм. и зарядном напряжении до 40 кВ. Состав рабочей смеси и ее

давление были выбраны после предварительной оптимизации.

На рис.9 представлена зависимость энергии от величины обострительной

емкости, полученная при L1=11 нГн и L1=23 нГн.. Проанализируем расчетные

осциллограмм (рис.2-5) соответствующие таким же параметрам системы

возбуждения. Наибольшая величина энергии генерации ~ 0,7 Дж (L1=11 нГн)

была достигнута при С0=3,6 нФ. Анализ расчетной осциллограммы (рис.2,а)

показывает, что при указанных параметрах схемы возбуждения реализуется

Страницы: 1, 2