ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2007, том 102, № 1, с. 36-43
СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
УДК 621.373.826
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА, ИНИЦИИРУЕМОГО ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАВИН, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЛАЗЕРА НА ДИМЕРАХ КРИПТОНА
© 2007 г. Г. Н. Зверева*, М. И. Ломаев**, Д. В. Рыбка**, В. Ф. Тарасенко**
* Государственный оптический институт им. С И. Вавилова, 199034 Санкт-Петербург, Россия
** Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, 634055 Томск, Россия
E-mail: VFT@loi.hcei.tsc.ru
Поступила в редакцию 23.03.2006 г. В окончательной редакции 12.05.2006 г.
Теоретически и экспериментально исследованы излучательные и усилительные свойства плазмы объемного наносекундного разряда, формируемого при повышенных давлениях в криптоне. Теоретически показано, что в данном типе разряда возможно получение генерации при давлении криптона более 6-7 атм. В разрядном промежутке с катодом малого радиуса кривизны при повышенном давлении получен объемный разряд без предварительной ионизации и зарегистрировано интенсивное излучение димеров криптона с максимумом на длине волны 146 нм. Показано, что при возбуждении объемным разрядом, инициируемым пучком электронных лавин, не менее 90% энергии в области 120-540 нм излучается димерами криптона. При давлении криптона 1.5 атм получена энергия спонтанного излучения в полный телесный угол ~30 мДж и длительность импульса излучения на полувысоте ~240 нс.
PACS: 52.80.-s
ВВЕДЕНИЕ
Создание лазеров вакуумного УФ (ВУФ) диапазона [1-6] имеет важные научное и практическое значения, причем для применения в различных областях науки и техники более подходят лазеры с накачкой самостоятельным разрядом. Из лазеров ВУФ диапазона в настоящее время наибольшее распространение получил лазер на молекулярном фторе с длиной волны 157 нм [3-5]. Однако энергии излучения и КПД данного лазера относительно малы, а в рабочей смеси используется молекулярный фтор, который ядовит и активно взаимодействует с большинством материалов.
Весьма перспективны для создания лазеров ВУФ диапазона переходы димеров инертных газов [1, 2, 6]. Однако такие лазеры пока эффективно работают только при возбуждении пучком электронов [1, 2]. Только одна научная группа из Японии сообщала о получении генерации на ди-мерах криптона при возбуждении самостоятельным поперечным разрядом [6]. Объемный характер разряда при высоком давлении (до 9 атм) достигался за счет использования предыонизации от 102 искровых промежутков, установленных с двух сторон катода. Энергия излучения и эффективность лазера были при этом очень малыми, энергия излучения в импульсе не превышала 150 мкДж.
Известно также о формировании объемных разрядов при повышенных давлениях различных газов без применения источника дополнительной предыонизации. Впервые о таком разряде сообщалось, по-видимому, в работе [7]. На промежуток, образованный плоским анодом и "острий-ным" катодом, подавались наносекундные импульсы напряжения с амплитудой ~130 кВ. При атмосферном давлении воздуха в промежутке наблюдались "диффузные вспышки". Подобный тип разряда в [8] было предложено называть объемным разрядом, инициируемым пучком электронных лавин (ОРИПЭЛ). В недавних работах было показано, что удельная мощность энерговклада в ОРИПЭЛ может достигать 800 МВт/см3 [9], объемный характер разряда в гелии сохраняется при давлении 6 атм [9, 10], частота следования импульсов в пачках может достигать 1.5 кГц [11], в послесвечении данного типа разряда легко получить генерацию в ближней ИК области спектра на атомарных переходах ксенона [9, 12].
Цель данной работы состояла в теоретическом и экспериментальном изучении возможности получения генерации на димерах криптона в послесвечении ОРИПЭЛ.
Рис. 1. Фотографии разрядного промежутка (а), разряда
Масштаб для фотографий (б) и (в) увеличен в 1.6 раза.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ
Для исследования характеристик разряда была разработана камера, подготовлены система откачки и напуска газов, система регистрации излу-чательных и разрядных характеристик (подробно установка описана в [13]). На созданной установке проведены эксперименты по формированию разряда и регистрации амплитудно-временных и спектральных характеристик излучения в диапазоне от 120 до 500 нм. На разрядный промежуток подавались импульсы напряжения от генератора РАДАН-220 [14]. Генератор имел волновое сопротивление 20 Ом и формировал на разрядном промежутке импульс напряжения с амплитудой до ~220 кВ и длительностью на полувысоте ~2 нс при фронте импульса напряжения ~0.5 нс. Конструкция газового диода была традиционной (см., например, [11, 13]). Внутренний диаметр газовой камеры равнялся 48 мм. Использовались плоский анод и катод с малым радиусом кривизны (рис. 1а), что обеспечивало дополнительное усиление поля у катода. Катод был выполнен в виде трубки из стальной фольги диаметром ~6 мм и толщиной 50 мкм. Трубка закреплялась на металлическом стержне диаметром 5 мм. Плоский анод был выполнен из латунной пластинки и соединен с корпусом камеры через шунт из сопротивлений ТВО. Расстояние между катодом и анодом варьировалось в пределах от 4 до 16 мм.
Газовый диод заполнялся криптоном высокой чистоты. Свечение разряда фотографировалось цифровым фотоаппаратом. Спектры излучения регистрировались в области от 120 до 540 нм с помощью вакуумного монохроматора VM-502 (Acton Researcher Corp.). Временные характеристики излучения в отдельных спектральных диапазонах определялись с помощью ФЭУ (EMI 9781 B) монохроматора, который разрешал передний фронт сигнала длительностью ~3 нс и задний фронт длительностью ~30 нс. Для регистрации сигналов с токового шунта и ФЭУ применялся осциллограф TDS-3054 с полосой 0.5 ГГц (2.5 Гс/с).
в криптоне при давлении 1.2 (б) и 0.3 атм (в). Катод слева.
Измерения энергии излучения в импульсе проводились калиброванным фотоприемником фирмы "Ophir Optronics Inc". с фотоприемной головкой PE50BB. Для исключения влияния поглощения воздухом фотоприемная головка располагалась в откачиваемом объеме на расстоянии 10 см от продольной оси разрядного промежутка. При характерных размерах возбуждаемой области ~1 см для расчета доли излучения, падающей на фотоприемник, была использована модель точечного источника.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что в криптоне при давлении 0.3-1.5 атм легко сформировать объемный разряд без источника дополнительной предыонизации (ОРИПЭЛ). Фотография свечения разряда при давлении 1.2 атм показана на рис. 16. Как и в предыдущих работах [8-13], разряд был объемным (диффузным) и имел форму усеченного конуса. Только на катоде были видны яркие пятна, размер которых не превышал 1 мм. При формировании ОРИПЭЛ на осциллограмме тока разряда отсутствовал выброс тока противоположной полярности, что свидетельствует о полной передаче энергии от генератора к плазме разряда. Оценки энергии, вкладываемой в плазму разряда при давлении 1.2-1.5 атм, дали значение ~1 Дж. Оценки были сделаны по энергии, запасаемой в высоковольтной линии генератора и по току короткого замыкания. Удельная мощность энерговвода в центре разрядного промежутка при давлении 1.5 атм криптона была ~100 МВт/см3.
На рис. 1в приведена фотография контрагиро-ванного разряда, который наблюдался только в одном из 10-20 импульсов при давлении 0.3 атм. С увеличением давления и при сохранении межэлектродного расстояния 12 мм стабильно формировался объемный разряд. Контрагирование разряда на данной установке наблюдалось только при увеличении удельного энерговклада за счет
38
ЗВЕРЕВА и др.
I, отн. ед. 1.0
100
150
200 X, нм
I, отн. ед. Ц.
0.8
0.4
--------
Т1/2' нс ■750
450
150
Рис. 2. Спектры излучения разряда в криптоне при давлениях 1.2 (штрихи) и 1.5 атм (сплошная кривая).
уменьшения давления криптона и(или) за счет уменьшения межэлектродного промежутка.
На рис. 2 показан спектр излучения криптона при давлениях 1.2 и 1.5 атм, а на рис. 3 зависимость интенсивности и длительности импульса излучения димеров криптона от давления. При возбуждении ОРИПЭЛ было зарегистрировано мощное широкополосное излучение димеров криптона в ВУФ области спектра. Спектральная полуширина этой полосы для криптона при давлении 1.5 атм составила ~14 нм. Широкополосное излучение в УФ и видимой областях спектра имеет интенсивность, на порядок и более меньшую. Энергия излучения димеров криптона составила не менее 90% от всей энергии излучения в диапазоне от 120 до 540 нм. В случае контрагированно-го разряда значительная доля излучения приходится на УФ и видимую области спектра. Спектр излучения при контрагированном разряде был подобен спектру излучения короткоимпульсных криптоновых ламп [15].
Временной ход импульсов излучения на X = = 146 нм в объемном разряде при различных давлениях криптона представлен на рис. 4. Длительность импульса излучения на полувысоте при длительной работе на одной порции газа составляет ~175 и ~420 нс для давления соответственно 1.5 и 0.3 атм. Как известно, на мощность излучения димеров криптона и длительность импульса существенное влияние оказывает чистота газа. В наших экспериментах при первом импульсе на свежей порции газа наблюдалось увеличение амплитуды импульса излучения димеров криптона
0.2 0.6 1.0 1.4
р, атм
Рис. 3. Зависимости пиковой интенсивности излучения (1) и длительности импульса излучения на полувысоте (2) димеров криптона от давления.
на ~20% и его длительности на полувысоте на ~40%, осциллограмма 6 на рис. 4. По-видимому, это связано с десорбцией газа с электродов. Отметим, что благодаря короткой длительности импульса возбуждения димеры криптона излучают в послесвечении разряда, что является важным условием при создании плазменного лазера [16].
Измерения энергии излучения калориметром ОРНЖ дали величину энергии в полный телесный угол ~30 мДж и импульсную мощность излучения ~100 кВт для первого импульса на свежей смеси. Отметим, что полученные значения энергии излучения и мощности не являются предельными для данной установки, в частности, по причине наличия шунтирующего разряда с катододержателя
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.