ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 5, с. 435-447
ДИАГНОСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
УДК 537.52
2Б-МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ОБЪЕМНОГО НЕОДНОРОДНОГО РАЗРЯДА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ Ке/Хе/ИС1
© 2013 г. Ю. И. Бычков, С. А. Ямпольская, А. Г. Ястремский
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия e-mail:bych-yu@yandex.ru
Поступила в редакцию 07.11.2011 г.
Окончательный вариант получен 30.08.2012 г.
Выполнено исследование кинетических процессов формирования плазменного столба в газовой смеси №/Хе/НС1 при давлении 4 атм в неоднородном разряде на основе двумерной модели. Инициирование двух катодных пятен, с расстоянием между ними 0.7 см, осуществлялось искажением поверхности катода в локальных точках, что создавало повышенную напряженность поля в области катода. Рассмотрены три режима, отличающиеся зарядным напряжением, индуктивностью электрической схемы, напряженностью поля в локальных точках на катоде. Получены расчетные пространственно-временные распределения разрядного тока, концентрации электронов, атомов возбужденного ксенона, молекул НС1(у = 0) в основном состоянии, и НС1(у > 0) на колебательных уровнях энергии. Рассмотрено развитие разряда при увеличении концентрации электронов в диапазоне 104—1016 см-3, показано три характерных стадии изменения пространственного распределения тока. Выявлена зависимость ширины плазменного столба от энергии, вводимой в разряд. При уменьшении энергии ширина плазменного столба уменьшалась пропорционально, что обусловлено изменением во времени и пространстве скоростей процессов создания и гибели электронов. Расчетные зависимости площади плазменного столба от энергии, вводимой в разряд, согласуются с экспериментальными результатами.
Б01: 10.7868/80367292113050028
1. ВВЕДЕНИЕ
Одно из основных условий повышения энергии излучения и эффективности электроразрядных лазеров — улучшение пространственной однородности объемного разряда в газах высокого давления. Состояние исследований самостоятельных объемных разрядов представлено в обзоре [1], в котором рассмотрено формирование объемных разрядов высокого давления, и неустойчивости таких разрядов. Самостоятельные и несамостоятельные объемные разряды, создаваемые с использованием электронных пучков (ЭП), рассмотрены в обзоре [2]. В первых исследованиях лазерное излучение на эксимерных молекулах получено при накачке газовой среды ЭП с плотностью тока ] ~ 100—200 А/см2. С целью снижения плотности тока пучка в [3] впервые был применен разряд, поддерживаемый ЭП.
Пространственная структура разряда и развитие диффузных каналов в смесях инертных и электроотрицательных газов исследовались в [4, 5]. Обнаружено, что при увеличении энергии, поглощаемой в плазме, увеличивалась площадь горения объемного разряда и улучшалась его однородность.
Эволюция пространственных распределений заряженных и возбужденных частиц при неоднородном распределении напряженности поля в плазме электроразрядного ХеС1-лазера [6] исследовалась экспериментально и на основе одномерной модели. С ростом пе происходило уменьшение ширины разряда. Было представлено сравнение измеренного и расчетного пространственно-временного распределения концентрации электронов.
Экспериментальное исследование динамики развития разряда [7] в газовой смеси №/Хе/НС1 выявило, что при нарастании концентрации
электронов до пе ~ 1013 см—3 (слаботочный разряд су « 1 А/см2) создается устойчивый однородный объемный разряд без катодных пятен и без диффузных каналов. При плотности разрядного тока
у > 10 А/см2 (пе > 1014 см—3) на поверхности катода возникали плазменные образования (катодные пятна), над которыми формировался плазменный столб. С повышением мощности накачки увеличивалось число катодных пятен, и плазменный столб заполнял объем между электродами.
Слаботочный объемный разряд при у < 10 А/см2 с высокой пространственной однородностью ис-
пользовался в качестве стартового предварительного разряда [8—10] для возбуждения широкоап-ертурных газовых объемов. При исследовании пространственной структуры разряда [11—15] в объемных разрядах наблюдались макро- и микроканалы, которые слабо влияли на рост разрядного тока и спад напряжения на плазме, при этом уменьшалась длительность импульса излучения и снижалась эффективность лазера. По данным экспериментальных исследований [16] однородность разряда улучшалась, как при увеличении начальной концентрации пе, так и при увеличении скорости роста пе в начальной стадии разряда.
Впервые высокая эффективность ХеС1-ла-зера — 4.2%, относительно энергии, запасенной в конденсаторе, получена в [17] при использовании двухконтурной электрической схемы с двумя искровыми разрядниками. В основном контуре использовалась формирующая линия с волновым сопротивлением 0.1 Ом, при зарядном напряжении 16 кВ. Дополнительный контур генерировал предымпульс с напряжением 36 кВ, что в 4.5 раза больше, чем напряжение при максимальном токе. Получена энергия излучения 4.2 Дж в газовом объеме 1.2 л. Отмечена возможность оптимизации параметров и увеличения эффективности до 5%.
Эффективность ХеС1-лазера, составляющая 5% от запасенной энергии реализована [18] в газовом промежутке объемом 90 см3. Предымпульс с повышенным напряжением создавался резонансной перезарядкой обострительного конденсатора. При запасенной энергии 5.6 Дж, получена энергия излучения 0.28 Дж.
Исследования возможности получения максимальной эффективности [19—21] показали, что при увеличении геометрических размеров газового промежутка эффективность лазера снижается, в результате того, что уменьшается эффективность передачи энергии от конденсатора в разряд.
В [22—25] предымпульс длительностью ~ 15 нс создавался полупроводниковым прерывателем тока. Часть энергии основного конденсатора передавалась в индуктивность. Прерывание тока создавало 10-кратное увеличение амплитуды напряжения предымпульса по сравнению со стационарным напряжением на электродах. Моделирование таких разрядов [26, 27] показало, что за время предымпульса концентрация электронов
увеличивалась до пе ~ 10 см 3, а время запаздывания генерации относительно разрядного тока снижалось до 30 нс. Длительность импульса лазерного излучения увеличивалась до ~150 нс, как следствие улучшения однородности разряда и уменьшения времени развития генерации.
Экспериментальное исследование [28] возникновения катодных пятен, диффузных и мик-
роканалов выполнено в газовой смеси Ne/Xe/HCl
9 3
с n0 = 10 см-3, при плотности тока в максимуме 350 А/см2 и длительности фронта нарастания тока 10 нс. При t < 50 нс наблюдался однородный плазменный столб. Длительность однородной стадии разряда увеличивалась при снижении концентрации галогенида.
Исследование формирования прикатодной области на основе одномерной модели разряда в газовой смеси Ne/Xe/HCl [29] показало, что нарастание ne от 1012 до 1014 см-3 в слое катодного падения потенциала происходило за 10 нс, и напряженность поля увеличивалась до ~107 В/см.
Возникновение и пространственно-временная эволюция микроканала рассматривалась в [30] на основе двумерной модели разряда, в которой учитывалось временное и пространственное изменение напряженности поля, температуры газа в прикатодном слое и в столбе плазмы. Расчетная максимальная напряженность поля в области катода составила ~107 В/см.
При двумерном моделировании [31] получены расчетные данные, одновременного развития однородного разряда и одного диффузного канала, из которых следует, что при увеличении скорости нарастания тока, пространственная однородность разряда улучшалась.
До настоящего времени остаются недостаточно изученными динамика развития плазменного столба над катодными пятнами и физические процессы, определяющие пространственную структуру неоднородного разряда.
Цель данной работы состояла в детальном исследовании влияния кинетических процессов в газовом объеме на развитие неоднородного самостоятельного разряда в смесях Ne/Xe/HCl атмосферного давления при искажении электрического поля в газовом объеме катодными пятнами на поверхности электрода.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ И НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Исследования проводились в условиях, типичных для разрядов возбуждения XeCl лазеров (см. [33] и цитируемую там литературу): смесь газов Ne : Xe : HCl = 1000 : 10 : 1, давление 4 атм, длительность импульса тока на полувысоте 100-200 нс, удельная мощность накачки ~2-3 МВт/см3. Начальная напряженность электрического поля в разрядном промежутке, создаваемая напряжением на электродах, составляла Е ~ 10 кВ/см. Характерный размер катодного пятна R « 0.1 см [7].
0^-модель с полной кинетикой [32] успешно использовалась нами [33] для моделирования XeCl-лазеров в более широком диапазоне изме-
Таблица 1. Реакции и константы скоростей процессов
Реакции Константы скоростей, см-3 с-1 Процессы Лит.
1 е + Хе —► Хе+ + 2е Ки (расчет) Прямая ионизация [34]
2 е + Хе —► Хе* + е Кв (расчет) Возбуждение ксенона [35]
3 е + Хе* —- Хе+ + 2е Кси (расчет) Ступенчатая ионизация [36]
4 е + HCl (v = 0) —- е + HCl (v = 1) Кво1 (расчет) Возбуждение HCl (v = 1) [37]
5 е + HCl (v = 0) — Cl— + H Кпро (расчет) Прилипание электрона к HCl (v = 0) [38]
6 е + HCl (v = 1) — Cl— + H КПР1 (расчет) Прилипание электрона к HCl (v = 1) [39]
7 е + №Хе+ — Хе* + № КР = 8 х 10-8 Рекомбинация электрон-ионная [40]
8 Хе* + Хе* —- е + Хе + Хе+ Кпи = 4 х 10-10 Пеннинговская ионизация [32]
9 Хе* + HCl (v = 1) — Хе + H + Cl КД1 = 6 х 10-10 Диссоциация HCl (v = 1) [41]
10 Хе* + HCl (v = 0) — Хе + H + Cl КД0 = 6 х 10-10 Диссоциация HCl (v = 0) [42]
11 Хе* + HCl (v = 1) — Хеа* + H Кгар = 7 х 10-10 Гарпунная реакция [41]
нения начальных параметров разряда. Было получено хорошее согласие расчетных осциллограмм тока и напряжения, длительности импульса и энергии излучения, с экспериментальными данными при удельной энергии 50—350 Дж/л, длительности импульса 30—150 нс, удельной мощности 0.6—6 МВт/см3 и начальной концентрации молекул HCl(v = 0) (0.7—2.5) х 1017 см-3. Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных в столь широком диапазоне начальных параметров - достаточный аргумент того, что модель XeCl-лазера с полной к
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.