ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 102-108
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.373.826.038.823
ДВУХКАСКАДНАЯ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ
УСТАНОВКА "ТАНДЕМ"
© 2010 г. Д. А. Заярный, А. Ю. Льдов, Н. Н. Устиновский, И. В. Холин
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 Поступила в редакцию 06.11.2009 г.
Описана электроионизационная лазерная установка "Тандем", состоящая из двух лазеров с объемом активной области 10 л каждый, различающихся типом электронных пушек. В первом лазере используется пушка с холодным острийным катодом с плотностью электронного тока 1.7 А/см2 и длительностью импульса 5 мкс, во втором — с прямонакальным вольфрамовым катодом с регулируемой длительностью импульса электронного пучка.
1. ВВЕДЕНИЕ
Среди исследований последних двух десятилетий по созданию мощных лазеров на плотных газах можно выделить разработку лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов (библиографию см. в обзорах [1—3]). Помимо общих достоинств, характерных для всех газовых лазеров высокого давления, таких как дешевизна и высокая однородность активных сред, возможность возбуждения больших лазерных объемов и т.д., лазеры на инертных газах не оказывают вредного экологического воздействия на окружающую среду и обладают при этом удобным набором длин волн в видимой и ближней инфракрасной (и.к.) областях спектра (X = 0.585—3.65 мкм), весьма перспективным для практического использования в технологии, медицине, связи, лазерном мониторинге, локации и в других приложениях.
Особенно большие успехи достигнуты к настоящему времени в исследовании лазеров ближней и.к.-области спектра на переходах 5й—6р атома ксенона [1]. За более чем двадцатилетнюю историю таких исследований усилиями значительного числа научных групп в США, Европе и Японии при достойном участии отечественных ученых лазеры этого типа выведены по своим энергетическим характеристикам на качественно новый уровень, позволяющий им успешно конкурировать со всеми другими типами мощных лазерных систем.
Интенсивные исследования лазеров высокого давления на инертных газах продолжаются и сегодня [4—6], в частности, при использовании ядерной накачки [7—9]. Однако впервые по-настоящему высокие параметры выходного излучения (до 20 Дж) были достигнуты при использовании электроионизационного метода возбуждения Аг—Хе-смеси на установке ТИР-4 [10, 11], не предназначенной специально для исследования лазеров на инертных газах. Для полного и всесто-
роннего исследования лазеров этого типа и была создана специализированная установка "Тандем", описанная в данной работе.
Экспериментальные результаты, полученные на установке ТИР-4, продемонстрировали достаточно высокую эффективность электронно-пучкового и электроионизационного способов возбуждения при квазинепрерывной накачке больших объемов активной среды лазера на и.к.-переходах атома ксенона и могли послужить основой для проведения дальнейших исследований. Прежде всего анализ этих результатов позволил определить способы дальнейшего повышения энергетических характеристик наиболее эффективного лазера на Аг—Хе-смеси, работающего на одном из 5а—6р-переходов атома Хе с длиной волны излучения X = 1.73 мкм, соответствующей одному из наиболее прозрачных окон земной атмосферы.
1. В экспериментах было обнаружено, что при накачке электронным пучком удельные энергетические характеристики лазера повышаются при увеличении давления активной среды р. Было также показано, что при электроионизационной накачке параметр Е/р слабо зависит от давления, вследствие чего оказывается примерно пропорциональной давлению и мощность накачки от разряда. Таким образом, повышение давления рабочей смеси является эффективным способом увеличения энергосъема. Поскольку увеличение р сопровождается уменьшением проникающей способности электронов, для реализации этой возможности необходимо увеличить жесткость электронного пучка.
2. В первых наших экспериментах при достаточно высокой эффективности преобразования вложенной в разряд электрической энергии в лазерное излучение ~5% эффективность преобразования энергии, запасенной в конденсаторной батарее, не превышала пь ~ 1%. Наиболее существенная
причина малости пь заключалась в недостаточной электронной плотности N во втором полупериоде разрядного тока. Таким образом, для увеличения эффективности использования запасенной энергии необходимо обеспечить достаточно высокие значения N в разряде в течение всего импульса накачки разрядом. Получение необходимой N возможно либо путем уменьшения постоянной
времени разрядного контура 4ьС до значения, меньшего характерного времени релаксации возбужденных состояний ксенона (для мощного лазера с большой емкостью конденсаторной батареи этот путь встречает значительные технические трудности), либо путем увеличения длительности импульса электронного пучка до двух-трех полупериодов разрядного тока.
3. Для увеличения эффективности преобразования энергии, запасаемой в конденсаторной батарее, в лазерное излучение необходимо также уменьшать омические потери в элементах разрядного контура. Один из эффективных способов заключается в увеличении количества коммутирующих разрядников, работающих параллельно. При этом несколько уменьшается и индуктивность разрядного контура.
4. Для увеличения экспериментальных возможностей установку полезно сделать двухкас-кадной. При этом один каскад оснастить лазером с мощной электронной пушкой, рассчитанным на получение максимальных энергетических параметров выходного лазерного излучения, а другой каскад — с электронной пушкой меньшей мощности, но позволяющей регулировать длительность и плотность тока электронного пучка.
Все это было реализовано на специально созданной установке "Тандем", состоящей из двух электроионизационных лазеров — лазера с холодным острийным катодом электронной пушки и лазера с нагревным вольфрамовым катодом.
2. ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР С ОСТРИЙНЫМ КАТОДОМ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ
Конструктивно оба лазера с объемом активной области 10 л каждый были выполнены практически одинаково (рис. 1) и имели симметричное расположение относительно опорной плиты 7. Рассмотрим конструкцию левого по схеме лазера, оснащенного острийным катодом.
Конструкция лазера. При проектировании лазеров установки "Тандем" вертикальное направление распространения электронного пучка [11] было заменено на горизонтальное. Такая компоновка позволила расположить вертикально поддерживающую решетку с разделительной фольгой электронной пушки, что заметно уменьшило вероятность попадания между решеткой и фоль-
гой микрочастиц, повреждающих тонкую фольгу, и существенно повысить тем самым надежность установки.
Лазер состоит из двух герметичных камер 1 и 13, пристыкованных к разделительной плите 12, изготовленной из листа нержавеющей стали толщиной 20 мм. Камера 1, являющаяся корпусом электронной пушки, закреплялась неподвижно на станине 24, в то время как лазерная кювета 13 для удобства и оперативности обслуживания была установлена на подвижной тележке 23. Такая компоновка лазера позволяет откатывать кювету либо без разделительной плиты, открывая при этом блок крепления 15 фольги, предназначенной для ввода электронного пучка в активный объем, либо вместе с плитой, обеспечивая доступ к узлам электронной пушки. Таким образом, горизонтальное расположение электронной пушки и лазерной кюветы существенно упростило процесс переборки лазера и, несмотря на значительные размеры установки, обеспечило удобство ее обслуживания в отсутствие технического персонала с минимальными непроизводительными затратами времени.
Электронная пушка. Корпус электронной пушки был изготовлен из листовой нержавеющей стали толщиной 8 мм. Расстояние от холодного катода 4 до анода 6, выполненного в виде сетки из нержавеющей проволоки 00.3 мм, натянутой с шагом 5 мм над поверхностью разделительной плиты 12, могло регулироваться и составило в оптимальном варианте 12 см.
Рабочая поверхность катода шириной 10 и длиной 100 см была выполнена в виде плоскости, равномерно заполненной остриями с плотностью 9 острий/см2. Острия изготавливались из медной фольги толщиной 50 мкм и устанавливались таким образом, чтобы их вершины располагались заподлицо с отполированной рамкой, экранирующей края катода.
Два проходных изолятора 3 из оргстекла с профилем вакуумной части в виде "елочки" позволяли подводить к катоду импульсы напряжения амплитудой >350 кВ при длительности >5 мкс. Наружные вводы изоляторов для повышения электрической прочности были заполнены трансформаторным маслом. Откачка объема электронной пушки осуществлялась диффузионным насосом с азотной ловушкой до вакуума 10-5 Торр.
Лазерная кювета. Корпус лазерной кюветы 13 также изготавливался из листовой нержавеющей стали толщиной 8 мм. С торцов кювета была снабжена двумя световыми отверстиями 0140 мм (18) для установки зеркал или окон для вывода лазерного излучения. Выходные окна изготавливались из плоскопараллельных пластин BaF2, обладающего высоким коэффициентом пропускания во всем исследуемом диапазоне длин волн. Для предотвращения паразитной генерации были
Рис. 1. Поперечный разрез лазеров установки "Тандем". 1 — пушка с острийным катодом; 2 — пушка с нагревным катодом; 3 — высоковольтные изоляторы; 4 — острийный катод; 5 — нагревный катод; 6 — аноды пушек; 7 — опорная плита; 8 — г.и.н. пушки с нагревным катодом; 9 — накальный трансформатор; 10 — балластное сопротивление; 11 — измерительные сопротивления; 12 — разделительные плиты; 13 — кювета лазера с острийным катодом; 14 — кювета лазера с нагревным катодом; 15 — блоки крепления разделительных фольг; 16 — аноды лазерных кювет; 17 — проходные изоляторы из тефлона (по 6 на кювету); 18 — выходные окна; 19 — конденсаторные батареи; 20 — многоэлектродные управляемые разрядники; 21 — зарядные сопротивления; 22 — ошиновка конденсаторных батарей; 23 — тележки; 24 — станина; 25 — высоковольтный управляемый разрядник; 26 — магнитная катушка.
к г.и.н. пушки с острийным катодом
-и
предусмотрены переходники, позволяющие разворачивать выходные ок
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.