Исследование тлеющего разряда в СО2-лазере (стр. 2 из 2)
Рисунок 1.2 – Рассчет энергии импульса и мощности излучения.
2. Тлеющий разряд в СО2 лазаре
2.1 Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока
Несамостоятельный тлеющий разряд постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР) используется для создания активной среды в электроразрядных технологических СО2-лазерах с быстрым поперечным протоком газа с непрерывной мощностью от 1 до 40 кВт. Этот метод был впервые использован для накачки СО2-лазеров в работах Рейли[1] и Хилла[2], о значительных практических достижениях сообщали Шашаков с сотр. [3], Сеген с сотр. [4], а также Генералов с сотр. [4]
На рисунке 2.1 изображено два способа организации несамостоятельного разряда постоянного тока с ионизацией импульсно-периодическим разрядом (РПТ-ИР).
Рисунок 2.1 – Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока
В схемах, используемых в работах[1] напряжение импульсно-периодического разряда и напряжение несамостоятельного разряда (постоянное или также импульсное) подаются на одни и те же электроды, как показано на рисунке 2.1, вверху. Пространственная однородность разряда в этом случае обеспечивается путем секционирования электродов, а также введением дополнительной предыонизации.
В другой схеме, разработанной Генераловым [1] (Рисунок 2.1, внизу) напряжение самостоятельного импульсно-периодического разряда прикладывается к дополнительной паре электродов, представляющих собой металлические пластины большой площади, изолированные от разрядного промежутка слоями диэлектрика. Этот тип вспомогательного разряда называется безэлектродным или емкостным импульсно-периодическим разрядом ЕИР, или емкостной импульсной предыонизацией. Для ЕИР характерна высокая импульсная мощность, необходимая для того чтобы создать однородную ионизацию в разрядном объеме, заключенном между диэлектрическими пластинами, при сравнительно низкой средней по времени мощности. Возбуждение колебательных степеней свободы молекул в однородно ионизованной среде осуществляется стационарным несамостоятельным основным разрядом, который можно охарактеризовать как разряд постоянного тока с ионизацией безэлектродным (емкостным) импульсно-периодическим разрядом РПТ-ЕИР. Постоянное напряжение основного разряда прикладывается к металлическим электродам в форме трубок (катода и анода), расположенных на входе и выходе газового потока в разрядной камере. Поток направлен от катода к аноду, перпендикулярно оптической оси резонатора. Две оставшиеся стенки разрядной камеры имеют отверстия для выхода излучения к зеркалам, расположенным снаружи. Проходы многопроходного оптического резонатора расположены Z-образно для лучшего заполнения излучением объема разрядной камеры.
Эта схема была предложена и разрабатывалась в течение длительного времени. На базе этих исследований был спроектирован ряд промышленных СО2-лазеров «Лантан» мощностью от 1,5 до 5 кВт[4]. Кроме того, была создана экспериментальная лазерная установка «Циклон» мощностью 10 кВт[4]. Эти лазеры отличаются высоким КПД, хорошим качеством излучения, широкими возможностями для управления мощностью, низким потреблением рабочих газов и высокой надежностью.
Высокие эксплуатационные характеристики этих лазеров достигнуты благодаря особенностям применяемой схемы РПТ-ЕИР: оптической однородности, простой электродной системе, низкой плазмохимической активности и оригинальной схеме управления мощностью основного разряда.
Ниже приведено подробное описание физики РПТ-ЕИР и особенностей его применения в мощных технологических СО2-лазерах. Рассматриваются достигнутые результаты и перспективы дальнейшего развития данного метода.
Рисунок 2.2 – Взаимное расположение электродов и эквивалентная схема ЕИР
2.2 Безэлектродный импульсно-периодический разряд
Безэлектродный (емкостной) импульсно-периодический разряд (ЕИР) относится к сравнительно хорошо изученным объемным импульсным разрядам, широко используемым в импульсных газовых лазерах. Отличительной особенностью ЕИР является то, что электроды, на которые подается импульсное напряжение, изолированы от разрядного промежутка пластинами диэлектрика (Рисунок 2). Этот необычный тип разряда исследовался теоретически и экспериментально в связи с применениями в СО2-лазерах[3]. Чтобы лучше понять процессы в разряде, рассмотрим простую модель.
Полагаем, что импульс напряжения имеет ступенчатую форму с напряжением U0 и пренебрежимо коротким передним фронтом. Первоначальная плотность электронов Ne0 считается распределенной однородно в разрядном объеме. В импульсно-периодическом разряде заметная концентрация электронов остается от предыдущего импульса. Распределение потенциала в разрядном промежутке считается однородным, слои пространственного заряда вблизи диэлектрических пластин считаются тонкими, а падение напряжения на них мало по сравнению с U0. В этих предположениях можно рассматривать схему, показанную на Рисунке 3, как эквивалентную ЕИР. Электрическое сопротивление плазмы разряда Rg связано с плотностью свободных электронов Ne в плазме разряда, Cg – емкость разрядного промежутка, Cd – емкость диэлектрических пластин.
Это приближение аналогично так называемой электротехнической модели7. В этой модели изменение электрического поля, тока и плотности электронов в разряде описывается системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые легко интегрируются численно, и в результате получаются осциллограммы электрического поля в плазме, тока и плотности электронов, показанные на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – осциллограмма электрического поля в плазме[1]
Для дальнейшего понимания полезно вывести основные соотношения и сделать оценки на основе простого физического рассмотрения. Считаем величину напряжения U0 достаточно большой, чтобы в разрядном промежутке начался процесс лавинной ионизации.
Когда плотность электронов достигает заметной величины, в плазме начинает течь электрический ток, приводящий к разделению положительных и отрицательных зарядов в разрядном промежутке, заключенном между диэлектрическими пластинами, что, в свою очередь, ведет к экранированию электрического поля в плазме. Когда электрическое поле в плазме из-за процесса поляризации падает ниже определенной величины, ионизация практически прекращается. Характерное время поляризации плазмы в электротехнической модели можно записать как RgCd/2 где Rg – электрическое сопротивление плазмы, а Cd – электрическая емкость пластин диэлектрика. Условия прекращения ионизации могут быть, следовательно, определены как [1],
TidRgC. (1.1)
Достигнутая при этом плотность электронов пропорциональна проводимости плазмы[1]:
Nbf/RgfC/T1. (1.2)
На практике условие малости длительности фронта нарастания напряжения по отношению к характерному времени ионизации, определяемому величиной максимального значения приложенного напряжения U0P, обычно не выполняется, поскольку U0P, как правило, больше, чем требуется. Реальное электрическое поле в плазме из-за эффекта поляризации начинает снижаться до того, как приложенное к электродам напряжение достигнет максимального значения. Максимальная величина, до которой поднимается электрическое поле в плазме, зависит от скорости нарастания напряжения. Таким образом, и величина Ti, и длительность импульса тока, и амплитуда импульса тока определяются скоростью нарастания напряжения. Для более эффективной ионизации следует использовать импульсы напряжения с более крутым фронтом нарастания. При этом генератор должен обеспечивать достаточно высокую импульсную мощность и выдавать импульс тока соответствующей амплитуды. Ограничения, связанные с характеристиками выходной цепи импульсного генератора, приводят к уменьшению достижимой плотности свободных электронов в разряде.
2.3 Расчет КПД тлеющего разряда
Рисунок 2.4. Расчет КПД
Несамостоятельные разряды можно поддерживать при оптимальных для накачки рабочей среды и потому они обладают максимальными значениями ἠ=0,9 [3]. Поскольку свободные электроны в плазме имеют ограниченное время жизни, для поддержания квазистационарной концентрации электронов требуется определенная частота повторения импульсов. Основными процессами, приводящими к гибели свободных электронов в условиях непрерывного CO2-лазера, являются электрон-ионная рекомбинация и прилипание (образование отрицательных ионов). Времена жизни, определяемые этими процессами, лежат в пределах от 10 до 100 мкс, откуда требуемые частоты повторения импульсов – от 10 до 100 кГц.
Заключение
В данном курсовом проекте представлены результаты исследования тлеющего разряда в СО2-лазере.
В ходе выполнения проекта были рассмотрены основные характеристики СО2 лазера, его принцип работы, свойства тлеющего разряда, методы организации несамостоятельного разряда.
С помощью программы MATCAD был рассчитан КПД тлеющего разряда в СО2 лазере.
Список использованных литературных источников
1.Hill, A.E. Continuous uniform excitation of medium pressure CO2 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization, Applied Physics Letters 22, 1973 -673 p.
2.Н.А. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин, Ю.П. Райзер, Д.И. Ройтенбург. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. I. Конструкция и эксперимент. – Физика плазмы, 1977, т. 3. - 633 c.
3.Н.А. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин, Ю.П. Райзер, Н.Г. Соловьев. Быстропроточный технологический СО2-лазер комбинированного действия – Квантовая электроника, 1982, т. 9, -1557 c.
4.Велихов Е.П., Письменный В.Д., Рахимов А.Т. Несамостоятельный газовый разряд, возбуждающий непрерывные СО2-лазеры. – Успехи физических наук, 1977, том 122, вып. 3, - 447 c.