научная статья по теме МНОГОКАНАЛЬНЫЙ TEA N 2-ЛАЗЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ В НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ Физика

Текст научной статьи на тему «МНОГОКАНАЛЬНЫЙ TEA N 2-ЛАЗЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ В НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 82-86

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 533.9.082

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ TEA 1Ч2-ЛАЗЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ В НАНОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ

© 2004 г. М. С. Аверин, О. А. Башутин, Е. Д. Вовченко, Ли Сань Вэй*, Д. Е. Прохорович, А. С. Савелов, С. А. Савелов

Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 * Научно-исследовательский центр лазерного синтеза Китайской академии инженерной физики

КНР, 621900, Маньян Поступила в редакцию 31.07.2003 г.

После доработки 06.10.2003 г.

Обоснован выбор ультрафиолетового наносекундного TEA К2-лазера (X = 337 нм, тг ~ 3 нс) для многокадрового зондирования плотной импульсной плазмы и рассмотрено влияние элементов его конструкции на эффективность генерации. Исследованы параметры излучения при различных режимах формирования объемного разряда и рассмотрены пути повышения энерговклада. На основе оптимизированной конструкции лазерного модуля построен многоканальный осветитель, который имеет простое устройство и позволяет обеспечить запуск всех каналов от одного разрядника и гибкое изменение задержек в интервале t = 1-100 нс.

ВЫБОР ЛАЗЕРА ДЛЯ МНОГОКАДРОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

При визуализации динамики плазмы в мощных импульсных разрядах типа "2-пинч" (например, плазменный фокус, вакуумная искра) в связи с высокими плотностями N = 1017-1019 см3) и малыми временами развития процессов (¿р ~ 10-100 нс) к лазерным источникам подсветки предъявляются особые требования. Наиболее важными среди них являются: использование у.ф.-диапазона зондирования; формирование лазерных импульсов с длительностью порядка нескольких наносекунд и менее; высокая точность синхронизации. Кроме того, недостаточная пространственная и временная воспроизводимость параметров плазмы на ранних стадиях и до момента ее пинчевания обусловливает необходимость применения многокадровой регистрации.

При малых временах наблюдения единственной возможностью получения серии кадров в течение одного разряда является формирование нескольких лазерных пучков, разделенных в пространстве путем небольших отклонений от направления зондирования и задержанных друг относительно друга на несколько десятков наносекунд. В этом случае выбор лазера особенно важен, поскольку он во многом определяет как возможности диагностической аппаратуры, так и ее стоимость.

Среди лазерных осветителей наносекундного диапазона наиболее широкое развитие получили диагностические системы, использующие третью или четвертую гармоники мощных Кё-лазеров. Применение методов частотной конверсии и вре-

менной селекции позволяет эффективно преобразовывать длинноволновое излучение Ш-лазера в ультрафиолетовый диапазон и управлять временными характеристиками излучения. Для формирования последовательности зондирующих импульсов широко используются оптические линии задержки. К недостаткам подобного подхода следует отнести сложность аппаратуры, высокие требования к качеству исходного лазерного пучка, ограничение максимальной задержки величиной ~20 нс, определяемой доступной длиной пути.

Альтернативными вариантами осветителя являются эксимерные лазеры и лазеры на молекулярном азоте. К их достоинствам следует отнести прямую генерацию импульсов у.ф.-излучения субнаносекундной длительности. Это значительно упрощает конструкцию диагностической аппаратуры и позволяет расширить ее возможности за счет построения систем многокадрового зондирования, содержащих несколько лазерных каналов, число которых определяется числом требуемых кадров. В этом случае интервалы между снимками задаются временами задержек запуска лазерных каналов относительно друг друга [1].

Перечисленным выше условиям наиболее полно, по мнению авторов, удовлетворяют лазеры на молекулярном азоте. Бесспорно уступая эксимерным лазерам по энергии излучения, азотные лазеры проще по конструкции, и в их рабочей среде отсутствуют токсичные компоненты. Кроме того, азот значительно дешевле инертного газа и более устойчив к воздействию электрического разряда.

ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ TEA ^-ЛАЗЕРА

Ультрафиолетовому излучению азотного лазера (А = 337 нм) соответствует переход С3п„ (v' = 0) —-—»- B3ng (v'' = 0) между колебательными уровнями возбужденных электронных состояний на второй положительной системе азота [2]. Механизм перевода молекул азота на уровень C3nu из основ-

(а)

+ (20-25) кВ

ного состояния

х Зх:

g основан на электронном ударе. Для накачки используется мощный электрический разряд, равномерно заполняющий плазмой электроразрядный канал лазера. Эффективность трансформации электрической энергии в лазерное излучение зависит от разрядного тока и скорости заселения верхнего возбужденного состояния C3nu, время жизни т которого чрезвычайно мало. Короткий импульс лазерного излучения формируется на фронте нарастания тока, который может либо совпадать с направлением излучения (продольный разряд), либо протекать перпендикулярно к нему (поперечный разряд).

Наибольший интерес для диагностики плазмы представляет лазер с поперечным разрядом при атмосферном давлении (TEA К2-лазер). Он обеспечивает высокий уровень пиковой мощности, прост по конструкции и позволяет формировать лазерное излучение без применения оптического резонатора. Время существования инверсной населенности тинв для TEA К2-лазера не превышает нескольких наносекунд и ограничено условием тинв < (1/т + У)-1, где первое слагаемое есть вероятность спонтанной эмиссии, а второе - вероятность гашения (депопуляции) возбужденной молекулы азота [3]. Именно поэтому для очень быстрого ввода электрической энергии и увеличения тока разряда в конструкции лазера выгодно использовать низкоиндуктивную схему возбуждения, например на полосковой линии Блюмляйна.

Основным элементом TEA К2-лазера является высоковольтный электроразрядный модуль, конструкция которого показана на рис. 1. Полоско-вая линия Блюмляйна изготовлена из листа двухстороннего фольгированного гетинакса размером 700 х 520 мм и при толщине 1.5 мм может выдерживать рабочие напряжения до 30 кВ. Для устранения коронного разряда между верхними и нижней пластинами полосковой линии по периметру листа оставлены диэлектрические кромки шириной 50 мм. Узкий протяженный канал лазера образован двумя рельсовыми электродами, разрядные поверхности которых имеют цилиндрический профиль с радиусом 5 мм. Для уменьшения индуктивности разрядного контура электроды установлены непосредственно на полосковую линию. Фольга под ними немного выступает в область разрядного промежутка, образуя на полосковой линии дополнительные коронные электро-

Изолятор

Т ♦

Искровой разрядник

(б) 50 мм

Рис. 1. Конструкция электроразрядного модуля TEA ^-лазера (а) и трехэлектродного разрядника (б).

ды. Ширина зазора по поверхности гетинакса между кромками этих электродов равна 15-20 мм.

Длина канала, в зависимости от задач диагностики, может изменяться в достаточно широких пределах, I = 15-50 см, при ширине разрядного промежутка С = 2-5 мм. Разрядный канал помещен в негерметизированную кювету из органического стекла, соединенную шлангом с сосудом Дьюара, в котором находится жидкий азот. Для коммутации полосковой линии использован трехэлектродный искровой разрядник с искажением поля. На его управляющий электрод с помощью делителя подается напряжение, равное половине напряжения питания лазерного модуля. Емкость линии С = 5 нФ, волновое сопротивление X = 0.4 Ом. В линии запасается энергия ~1 Дж. Ток разряда достигает нескольких килоампер. Поскольку лазер работает в однопроходном режиме, зеркала резонатора отсутствуют. Простая конструкция обеспечивает высокий ресурс работы прибора, который главным образом ограничен износом тефлонового изолятора в управляющем разряднике.

Одноканальный вариант лазера использовался в качестве источника подсветки при визуализации микропинчевого разряда на установке ПФМ-72 [4]. Для построения многоканального варианта осветителя необходимо решить две задачи: во-первых, уменьшить размеры лазерного модуля без ухудшения характеристик излучения; во-вторых, обеспечить "жесткую" синхронизацию между каналами при малых задержках, I ~ 10-50 нс (поскольку разброс срабатывания разрядников в лазерных модулях составлял около ±10 нс).

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004

6*

... ... ... ... 1 ... ...

.. ..

... ... ... ... 1 . ... ... 1

1 ] ... ... .... .... .......1... 50 нс 1 ... .... .........

... ... ... ... .... .... ... ... ....

Рис. 2. Форма лазерного импульса.

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО МОДУЛЯ ТЕА ^-ЛАЗЕРА

Исследования временных и энергетических характеристик лазера были проведены на электроразрядном модуле TEA ^-лазера, описанном выше. Форма лазерного импульса регистрировалась PIN-детектором и выводилась на экран цифрового осциллографа (рис. 2). При варьировании напряжения питания и геометрии разрядного промежутка полуширина лазерного импульса ти ~ 5 нс не изменилась.

На рис. 3 представлены зависимости энергии лазерного излучения E от напряжения питания U и ширины разрядного промежутка d. В достаточно широком диапазоне наблюдается линейный рост величины E с увеличением напряжения питания лазера (рис. 3а), причем с возрастанием ширины разрядного промежутка скорость нарастания энергии увеличивается. При напряжениях U = = 19-21 кВ энергия слабо зависит от величины d. Однако при дальнейшем увеличении U максимальные значения энергии наблюдаются только в диапазоне d = 3-4 мм. При d > 4.5 мм происходит срыв генерации (рис. 36).

Объемный разряд в TEA ^-лазере крайне неустойчив. Поскольку его формирование протекает в условиях острой конкуренции между волновым и стримерным механизмами пробоя, необходима пре-

дыонизация разрядного промежутка. В предельных режимах работы прямое увеличение энергии, вкладываемой в разряд, ведет к развитию локального пробоя, поэтому требуется оптимизация разряда. Проведенные нами исследования особенностей формирования объемного разряда в канале лазера позволили наметить несколько путей повышения энерговклада при сохранении устойчивости разряд

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»