Исследование возможностей получения нанопорошков с помощью эксимерного лазера

Интенсивное развитие микроэлектроники и возможность эффективного применения в этой области электроразрядных импульсно-периодических эксимерных лазеров вызывает у исследователей интерес к дальнейшему изучению и совершенствованию таких типов лазеров. Основными требованиями предъявляемые к эксимерным лазерам являются: высокий КПД, надежность и компактность конструкции, а также продолжительное время работы в частотном режиме.

В настоящее время в литературе имеется большое количество экспериментальных и теоретических работ посвященных исследованиям импульсно-периодических электроразрядных XeCl-лазеров. В этих работах отмечается: сложность достижения высокого кпд лазера, формирующиеся низкокогерентного излучения в режиме свободной генерации, трудность удержания горения однородного объемного разряда в течение длительности накачки.

В последние годы в связи с развитием технологий синтеза наноструктурированных объемных материалов с улучшенными механическими и новыми электромагнитными и оптическими свойствами [1], значительное внимание уделяется получению наноразмерных порошков.

Значительный вклад в развитие этого научного направления внес Г. Глейтер, которым собственно впервые и был введен термин «наноструктурные материалы», означающий объекты со структурой, размеры зерен которой составляют менее 100 нм. Технологии получения подобных материалов, а также способы их мониторинга и диагностики получили название «нанотехнологии».

Анализ зарубежных исследований, проведенных в последние годы в области нанотехнологий, свидетельствует о высоких перспективах развития и последующего промышленного применения в машиностроении следующих технологий: изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы; создание наноструктурных инструментальных материалов для производства режущих инструментов, сочетающих высокие значения твердости и ударной вязкости; создание наноструктурных защитных износои коррозионно-стойких покрытий; создание полимерных композитов, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью. Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития нанотехнологий, которые позволяют получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности. Существует большое количество методов получения наноразмерных частиц, такие как: метод газовой конденсации, лазерный, высокоэнергетическое разрушение, термический синтез, термическое разложение и т. д. их подробный анализ приведен, например, в работах [2,3]

С нашей точки зрения, одним из наиболее перспективных способов получения нанопорошков из диэлектриков, является лазерный синтез. В связи с этим, целью настоящей работы является исследование возможностей получения нанопорошков с помощью эксимерного лазера.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Выявить влияние характеристик разряда на лазерное излучение, а также определить оптимальные условия горения разряда для получения высокого значения кпд и удельного энергосъема с активной среды.

2. Исследовать формирование угловой направленности и узкой спектральной линии выходного излучения в короткоимпульсном XeCl лазере, при использовании дисперсионного резонатора.

3. Исследовать возможность формирования качественного излучения в XeCl лазере и определить эффективность применения УФ излучения для получения нанопорошков.

1. Особенности работы и применения электроразрядных эксимерных лазеров

1.1 Способы создания активной среды электроразрядных эксимерных лазеров

лазер электроразрядный спектральный резонатор Впервые генерация на эксимерных молекулах получена в 1975 г. Излучательный переход в эксимерных молекулах происходит между верхним электронным состоянием, которое имеет потенциальный минимум, и нижним слабосвязанным состоянием, обуславливает широкую полосу усиления. Широкая полоса и малое время жизни молекулы в возбужденном состоянии порядка ~ 10^-8 — 10^-9 с, требуют для создания активной среды высоких энерговкладов ~10^-2 Дж/см³. Равномерное возбуждение при таких давлениях может достигаться несколькими способами. Например:

Пучком электронов.

Накачка разрядом, контролируемым пучком электронов.

Возбуждение самостоятельным разрядом с предварительной ионизацией.

Первые два способа накачки являются наиболее перспективными при получении импульсов излучения с энергией десятки-сотни джоулей.

При создании лазеров работающих с большой частотой повторения и высокой средней мощностью, более перспективны электроразрядные лазеры.

Одной из особенностей электроразрядных эксимерных лазеров (ЭЭЛ) это — сложность удержания объемного сильноточного разряда высокого давления в течение длительного времени, из-за развития неоднородностей в разряде приводящих к его контрагированию.

Накачка в таких лазерах осуществляется от генераторов, которые формируют импульс возбуждения в единицы-десятки наносекунд и напряжением в десятки и сотни киловольт. К таким схемам накачки относятся LCинвертор [7, 8] и схема с перезарядкой емкости на емкость [9−12].

Во всех схемах присутствуют 2 контура:

Контур с малой индуктивностью, включающий в себя обострительную (разрядную) емкость и разрядный промежуток.

Контур с большой индуктивностью, включающий в себя накопительную емкость и коммутирующие элементы.

Несмотря на схожесть элементов использующихся в схемах каждая схема имеет свои особенности использования.

LC — генератор

LC — генератор или генератор с инвертированием напряжения на накопительных емкостях.

LC — схема приведена на рис 1а. Накопительные конденсаторы С₁ и С₂ заряжаются через сопротивление R_з или индуктивность. При коммутации разрядника в контуре LC₁ начинается колебательный процесс и через время LC₁ происходит перезарядка емкости С₁, в результате на высоковольтном электроде возникнет напряжение больше напряжения пробоя разрядного промежутка.

К достоинствам этой схемы питания следует отнести небольшие значения питающих напряжений, более высокое по сравнению со схемой перезарядки емкости на емкость, нарастание напряжения на разрядном промежутке. Однако при перезарядке емкости С₁, через коммутатор начинает течь большой ток. Что накладывает свои условия на выбор коммутаторов, в качестве которых в такой схеме чаще всего используют искровой разрядник. Но такие разрядники имеют большие потери, малый срок службы, порядка 10⁵ импульсов. Кроме того, в данной схеме присутствует удвоенное число накопительных конденсаторов, что ведет к увеличению габаритов и стоимости изделия.

В настоящее время в литературе имеется большое количество экспериментальных результатов, полученных в результате исследований импульсно-периодических электроразрядных с автоматической УФ-предионизацией XeCl-лазеров. Например, в работе описан XeCl лазер с LC-генератором включающий в себя магнитное звено сжатия и тиратрон ТГИ 1−1000/25. В этом случае, схема возбуждения позволила реализовать фронт роста напряжения до 30 кВ, за время не более 80 нс, на имеющимся межэлектродном зазоре 21 мм. Полученная энергия в импульсе достигала 120 мДж, при КПД накопленной энергии в обострительных конденсаторах до 2%. В работах [14,15] авторами изучалось влияния величины предыонизации на устойчивость горения разряда, а также зависимость эффективности работы лазера от интенсивности накачки. Следует отметить, что в работе показывается, что при длительности импульса накачки ~ 20−30 нс для XeCl лазера, с увеличением мощности накачки от 1.25 до 3 МВт/см³, КПД лазера падает от 2.3 до 1.7%.

1.2 Системы прокачки рабочей смеси

В отличие от режима одиночных импульсов, импульсно периодический режим работы (ИПР) имеет свои особенности обусловленные влиянием возмущений, вызванные предыдущими разрядными импульсами на последующие. Согласно данное влияние вызывается следующими явлениями:

Адиабатического расширения пробки нагретого газа Влияния пограничных слоев на электродах Ударных волн Акустических колебаний

5. Изменение состава рабочей смеси Наличие возмущений плотности газа при ИПР, приводит к неоднородному распределению плотности газа в разрядном объеме, и как следствие происходит контрагирование разряда, приводящее к неоднородности распределения выходного излучения по сечению пучка, уменьшения выходной мощности излучения, к механическим повреждениям электродов и т. д. Для избежания выше перечисленных последствий, необходимо осуществлять смену газа в разрядном промежутке.

В работе проводится теоретическая оценка скорости прокачки газа в разрядном промежутке. Расчет показывает что, скорость прокачки должна быть таковой, чтобы к моменту начала следующего импульса успевала происходить смена газа в промежутке в полтора раза больше чем размер электродов в направлении прокачки. В этом случае влияние адиабатического расширения пробки нагретого газа от предыдущих разрядных импульсов на последующие, будет незначительно.

В работе исследовались различные конструкции камер прокачки изображенных на рис 2. Газовый поток, в обеих камерах создавался диаметральным вентилятором, который приводился в движение электродвигателем через магнитную муфту. Скорость потока в камере, а у заземленного электрода составляла 3 м/с, а у высоковольтного электрода 4−5 м/с (при 1500 об/мин). Рост мощности лазера при увеличении частоты прекращался при достижении частоты повторения импульсов 175 Гц. Авторы связывают это с тем, что пробка нагретого газа не успевает выйти из разрядного промежутка. В камере изображенной на рис 3б граничная частота составила порядка 400 Гц (скорость прокачки 24 м/с), а уменьшение мощности объяснялось влиянием акустических колебаний, для подавления которых необходимо устанавливать глушители.

Схемы прокачки рабочей смеси

1 — охлаждающий элемент; 2 — диаметральный вентилятор; 3 — электроды

Кроме скорости прокачки важным параметром является профиль газового потока в разрядном промежутке. В лазере, работающем в ИПР скорость прокачки в центре разрядного промежутка составляла 30 м/с и плавно спадала к краям. При этом мощность генерации, линейно возрастающая при увеличении частоты следования импульсов, спадала до нуля уже при частоте 20 Гц. При применении сглаживающей решетки (с прозрачностью 0.6) скорость потока составляла 6 м/с, а неоднородность не превышала 10%. При таких условиях частота следования импульсов без уменьшения мощности составляла 100 Гц.

Кроме наличия сглаживающей сетки на однородность газового потока влияет также форма конструкции камеры прокачки и плавность сопряжения электродов со стенками газового канала. В работе [19], была разработана камера прокачки изображенная на рис 3. В отличие от обычной системы прокачки, эта схема содержит вихреобразователь, в выходном патрубке. Аэродинамическая характеристика такого вентилятора имеет примерно в 3 раза большее относительное давление в области малых производительностей. Следует отметить что при, скорости прокачки газа 24 м/с (частота вращения вентилятора 5800 об/мин) при частоте повторения импульсов 6.1 кГц наблюдалось резкое падение мощности. Уменьшение мощности авторы связывают с образованием высокоионизированной плазмы (вследствие меньшей скорости прокачки у электродов), в приэлектродных слоях, которая искажает поле, формируемое электродами.

Схема прокачки газа азотного лазера

1 — катод, 2 — анод, 3 — обостряющая емкость, 4 — ножевой предыонизатор, 5 — диффузор, 6 — вихреобразователь, 7 — направляющие потока, 8 — диаметральный вентилятор, 9 — радиаторы охлаждения, 10 — электростатический фильтр, 11 — вход газа в электростатический фильтр

Камера подвергалась усовершенствованию, был введен дополнительный канал шириной 1.5 мм через который осуществлялась дополнительная продувка газовой смеси проходящей через электростатический фильтр. Что позволило повысить частоту до 11 кГц.

1.3 Основные реакции в лазерах на галогенидах инертных газов

В эксимерных лазерах на галогенидах инертных газов применяются различные смеси газов так, чтобы кинетика реакций с участием этих компонентов способствовала эффективному образованию рабочих молекул. Например, смесь газов в электроразрядном XeCl* лазере состоит из Ne, Xe и HCl в примерном отношении 1000:5:0,5.

Кинетика реакций в лазере на молекуле XeCl достаточно сложна. Участие в процессах многих частиц, и их продуктов — различных ионов, возбужденных частиц, всевозможных соединений этих элементов вызывает сотни реакций, каждая из которых характеризуется своей скоростью. Естественно, что абсолютно все реакции, протекающие в лазерной среде учесть невозможно, поэтому ограничиваются некоторым конечным набором реакций, имеющих значительное воздействие на процессы в активной среде. Но это всего лишь модель реальности, которая позволяет с некоторой точностью предсказать поведение активной среды. Например, модели современных исследований насчитывают до 400 реакций, которые разделены на группы по определенному признаку — единому физическому принципу данной группы. Выделяют 8 основных группы плазмо-химических реакций.

1) Таунсендовская ионизация — основная реакция, вызванная электрическим разрядом: Xe + e Xe⁺ + 2e.

При концентрации электронов менее 10¹³ см^-3 идет только таунсендовская ионизация, а ступенчатая ионизация начинает доминировать после 10¹⁴ см^-3, поскольку накапливается Xe^*. При ступенчатой ионизации возможен рост концентрации электронов в плазме при уменьшающейся напряженности электрического поля.

2) Возбуждение уровней HCl. Колебательные уровни HCl возбуждаются электронами с малой энергией HCl₍₀₎ + e HCl_(i) + e,

поэтому происходит увеличение концентрации молекул HCl₍₁₎, HCl₍₂₎ и HCl₍₃₎, а плотность молекул HCl₍₀₎ убывает.

3) Диссоциативное прилипание. HCl_(i) + e H + Cl^-.

Реакция каждого i-го уровня молекулы HCl (i) характеризуется определенной скоростью процесса. Обозначим константы скоростей реакций K_i для каждого i-го уровня молекулы HCl_(i). Следующее соотношение K_пр⁽⁰⁾пр⁽¹⁾<пр⁽²⁾<пр⁽³⁾ реакция с более высокого i-го состояния идет намного быстрее, чем с нижнего.

Динамика взаимодействия молекулы HCl c электроном выглядит так:

— Изначально имеется только концентрация молекул HCl₍₀₎;

— Затем с ростом концентрации электронов увеличивается количество возбужденных молекул HCl_(i) (2-я группа реакций);

— Скорость гибели электронов сильно возрастает с ростом концентрации HCl_(i) ввиду больших скоростей реакций с высших i-ых состояний.

В стационарном состоянии скорость рождения и гибели электронов равны, т. е. dn_e/dt=0. Развитие разряда характеризуется ростом концентрации электронов dn_e/dt>0, однако одновременно с развитием разряда происходит нарастание прилипания — уход электронов из плазмы. Но скорость ионизации в плазме продолжает увеличиваться за счет включения ступенчатой ионизации.

4) Ион-ионная рекомбинация. Сечение столкновения положительного иона Хе⁺ и отрицательного Сl ^- очень велико благодаря кулоновской силе притяжения.

Реакция Xe⁺ + Cl^- XeCl^** — играет существенную роль в образовании эксимерных молекул несмотря на то, что концентрации ионов Xe⁺ и Cl^- в плазме сравнительно невелики. Молекула XeCl^** образуется на высших возбужденных уровнях в соответствии с полной энергией системы состоящей из двух заряженных ионов Xe⁺ и Cl^- Такое состояние очень неустойчиво, вернее пока отдельные ионы находятся на расстоянии порядка 1 А считают, что они находятся в состоянии XeCl^**. При этом если система не потеряет часть энергии отталкивающие силы не позволят ионам образовать связь, т. е. оказаться в потенциальной яме. Потерять энергию молекула может в результате столкновения с некоторой частицей XeCl^** + Ne XeCl_(в) + kT.

В качестве М может выступать любая частица, но в основном эту роль играет Ne:

XeCl^** + Ne XeCl_(в) + kT.

Все условия должны быть такими, чтобы нарабатывалась максимальная концентрация рабочих эксимерных молекул XeCl_(в), т. е. константа скорости этой последней реакции должна быть достаточно велика, чтобы успеть до разлета ионов осуществить реакцию.

Неон легко вступает в реакцию с ксеноном: Xe⁺ + Ne XeNe⁺,

т.к. энергетически такое связанное состояние более выгодно. Эта реакция идет с большой скоростью. Значительное влияние оказывают реакции Xe⁺ + Xe Xe₂⁺,

XeNe⁺ + Cl^- XeCl^** + Ne,

причем последняя реакция вносит вклад в образование рабочих молекул.

5) Ионизация и диссоциация молекулы HCl.

HCl + e HCl⁺ + 2e — ионы молекулы HCl не принимают участие в образовании полезных молекул.

HCl₍₀₎ + e H + Cl + e — еще более неприятная реакция, т.к. для ее осуществления требуются электроны с малой энергией. Конечно, эти реакции обратимы, но не за время накачки.

Отрицательные эффект имеет образование устойчивой молекулы Cl + Cl Cl₂, которая достаточно агрессивно реагирует с примесями и стенками камеры и безвозвратно теряется из лазерной смеси. Кроме того она поглощает лазерное излучение, т. е. снижает энергосъем с устройства.

6) Тушение молекулы XeCl^* + M Xe + Cl + M.

В качестве М может выступать любая частица: атом, молекула или ион. Если скорости реакций этой группы окажутся высокими, то будет видно явное отрицательное влияние.

7) Поглощение лазерного кванта. HCl, Xe^*, Xe⁺ имеют поглотительные уровни энергии соответствующие энергии квантов излучения эксимерных молекул. Чем меньше будет их концентрация в плазме, тем меньше будет поглощение, и как следствие больше энергосъем. Эти компоненты появляются в плазме в процессе накачки, и при большой энергии накачки ограничивают мощность излучения сверху.

8) Спонтанный распад рабочих молекул XeCl_{(в, с)}.

XeCl^* hн + Xe + Cl.

Время жизни молекулы XeCl_{(в, с)} составляет ф = 13 нс. Пока не произошел распад необходимо индуцированно снять с нее возбуждение. Регулировка этого процесса — настройка резонатора, добротность которого должна быть достаточной для создания фотонной лавины и получения лазерного излучения.

1.4 Образование эксимерных молекул

Столкновения незаряженных частиц и образование молекулы XeCl*

1. Xe* + HCl (1) XeCl** + H

Основные реакции ион-ионной рекомбинации с образованием XeCl**

2. Xe⁺ + Cl^- XeCl**

3. NeXe⁺ + Cl^- XeCl** + Ne

В разряде имеется два основных процесса образования эксимерной молекулы XeCl*. Первым таким процессом считают ион-ионную рекомбинацию положительных атомных или молекулярных ионов благородных газов и отрицательных ионов галогена (реакции 2, 3). Константы скоростей этих реакции очень высоки, ввиду кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов.

В результате ион-ионной рекомбинации образуется неустойчивый комплекс XeCl**. Вернее считается, что существует XeCl**, пока Xe⁺ и Cl ^- находятся на расстоянии порядка межатомного, поскольку кинетической энергии Xe⁺ и Cl ^- достаточно, чтобы разлететься. Фактически для образования эксимерной молекулы XeCl (b, c) необходимо, за то время пока Xe⁺ и Cl ^- находятся на межатомном расстоянии отвести излишнюю энергию из состояния XeCl** столкновением с какой-нибудь частицой. Чаще всего такой частицей является атом буферного газа неона. Реакции колебательной релаксации обеспечивают такое девозбуждение, имея высокие константы скоростей.

Молекула XeCl** может быть сформирована в результате столкновений незаряженных частиц (1). Константы скоростей этих реакций на 3 порядка меньше констант ион-ионной рекомбинации, однако эти реакции имеют значительное влияние из-за более высоких концентраций реагирующих компонентов по сравнению с ион-ионной рекомбинацией. Также как и в первом случае необходимо релаксировать энергию XeCl** до состояния XeCl (b, c).

1.5 Электрические схемы ввода энергии в объемный разряд

При вводе энергии, первоначально запасенной в емкостном накопителе, в газовый объем лазера сопротивление межэлектродного промежутка уменьшается тем быстрее, чем больше вводимая электрическая мощность W_B. Таким образом, специфичность электрических схем, содержащих газоразрядный промежуток, состоит в наличии переменного сопротивления, разряда R_p, зависящего от параметров как схемы, так и самого самостоятельного объемного разряда.

Колебательный режим ввода энергии крайне нежелателен из-за увеличения времени ввода энергии _в и развития неустойчивостей в объемном разряде при _в > _ну.

Обычно в электроразрядных системах стремятся к режиму согласования, при котором

R_p

Решение задачи ввода в разряд определенной энергии E_в = CU₀²/2 за короткое время _в ~ _ну в режиме согласования (с учетом того факта, что использование очень высоких значений U_o технически неудобно) предполагает сведение к минимуму индуктивности разрядного контура L. Помимо использования схемы накачки с сосредоточенными L и С в технике формирования мощных электрических импульсов с амплитудой напряжения от нескольких единиц до нескольких сотен киловольт используют коаксиальные и полосковые линии.

Конкретная электроразрядная схема обычно содержит «ключ» (разрядник или тиратрон), при включении которого импульс напряжения передается на электроды газоразрядного промежутка. Такой ключ, отделяющий линию от протяженных электродов в случае одноканального исполнения, может резко ухудшать условия согласования и соответственно режим ввода энергии. Другим существенным недостатком использования системы ввода энергии, в которой емкостный накопитель отделен от электродов одноканальным разрядником, является различие индуктивности контуров для токов, протекающих в областях ближних и дальних по отношению к разряднику (рис. 4, а). Обеспечение пробоя разрядника многими синхронно развивающимися каналами в варианте схемы, изображенной на рис. 4, а, — задача довольно сложная.

Указанного недостатка частично лишена ЭЛС, изображенная на рис. 4, б, которая в настоящее время широко используется. ЭЛС содержит два контура — малоиндуктивный и контур с большей индуктивностью, определяемой наличием разрядника. Накопитель малоиндуктивного контура с емкостью С_о может быть выполнен в виде полосковой линии или набран из керамических конденсаторов, расположенных вдоль всей длины электродов. Этот накопитель импульсно заряжается при коммутации основного накопителя С (СС₀), и при достижении на С_о напряжения пробоя газового промежутка запасенная в Со, С энергия передается в разряд. Быстрое нарастание тока обусловлено малым ~ именно малоиндуктивного контура. Недостатком такой ЭЛС является медленное нарастание напряжения на газоразрядном промежутке, определяемое временем зарядки накопителя малоиндуктивного контура, что приводит к малому значению достигаемого перенапряжения К_п и обеднению прикатодной области начальными электронами. Следствием этого является ухудшение условий формирования объемного разряда.

В варианте ЭЛС, изображенной на рис. 4, в, малое время нарастания напряжения на электродах обеспечивается многоканальным разрядником. При импульсной, т. е. относительно быстрой, зарядке малоиндуктивного накопителя осуществление многоканального пробоя, как будет показано ниже, достигается сравнительно легко. Именно в подобной электроразрядной схеме получены рекордные уровни энергии генерации в моноимпульсном режиме.

Многообразие задач, в которых могут быть использованы эксимерные ЭЛС, определяет их конкретное устройство.

Принципиальные схемы электроразрядных лазерных систем

1.6 Объемный разряд в инертных газах и их смесях с галогеносодержащими молекулами

Сложные и многочисленные процессы, протекающие в импульсном газовом разряде, сильно зависят от параметров разряда, в частности от таких, как подводимое к разряду напряжение, давление и сорт газа. При малом перенапряжении (К_п = U/U_n= 1,01, где U - напряжение на электродах, U _пр — пробивное напряжение) и атмосферном давлении имеет место таунсендовский механизм пробоя в виде совокупности электронных лавин. В принципе, протекание тока в этом случае может иметь объемный характер. При низком давлении такой разряд обычно называют тлеющим. При перенапряжении К_п 1,1 лавина может переходить в стример-нитевидный канал, хорошо регистрируемый визуально. Если не предпринимать специальных мер, разряд при стримерном механизме пробоя обычно завершается развитием локализованной в пространстве искры.

Однородность протекания тока между протяженными электродами определяется рядом факторов, находящихся в довольно сложной взаимосвязи. К основным факторам следует отнести условия предварительной ионизации, режим ввода энергии в разряд, геометрию активного объема и тип электродов (металлический, плазменный). Условия предварительной ионизации включают прежде всего уровень создаваемой до начала развития основного разряда концентрации электронов п_ео и однородность их распределения в газоразрядном объеме. Режим ввода энергии определяется начальным перенапряжением К_п, временем ввода энергии в разряд _в, характерным значением электрической мощности, выделяемой в разряде (W_B = jE, где j — плотность тока; E-напряженность электрического поля). Геометрия активного объема, характеризуемая обычно параметром d/S (где d — межэлектродное расстояние; S — площадь электрода), в значительной степени определяет условия согласования волнового сопротивления схемы питания с сопротивлением ОР. Тип электродов, а также их профиль влияют на распределение поля в межэлектродном объеме и, в какой-то степени, на устойчивость ОР. Перечисленные факторы, определяющие характеристики протекания тока ОР, в свою очередь зависят от состава газовой смеси, давления, уровня вкладываемой мощности, требуемых параметров лазерного излучения, прежде всего его длительности.

1.7 Источники предыонизации газа

Влияние УФ-излучения искры на характер пробоя разрядного промежутка отметил еще Герц в 1887 г. В дальнейшем было показано, что предварительная подсветка газового объема уменьшает время развития пробоя, способствует формированию диффузного свечения на начальных этапах развития разряда. С увеличением интенсивности УФ-излучения уменьшается напряженность поля, при которой может возникнуть объемный разряд.

Важное практическое значение имеет вопрос о минимальной плотности электронов предыонизации, необходимой для однородного формирования разряда.

В предельном случае малого количества затравочных электронов происходит независимое развитие порождаемых ими лавин. Известно, что в окрестности отдельной лавины нарастает искажение внешнего поля полем пространственного заряда, который возникает в ходе ионизационного увеличения концентрации заряженных частиц в лавине. После того как лавина пройдет вдоль поля определенное расстояние и относительное искажение поля достигнет значения порядка единицы, дальнейшая ее эволюция будет носить так называемый стримерный характер, при котором она уже не будет конусообразно расширяться, а будет распространяться в виде канала.

Так же можно отметить, что необходимый для однородного пробоя уровень предыонизации можно снизить, если развитие разряда будет проходить при повышенном напряжении на промежутке, в частности, при более крутом фронте его нарастания. Другая закономерность состоит в том, что в заданных условиях по напряжению при увеличении уровня предыонизации выше значения, когда условие перекрытия лавин уже обеспечено, однородность пробоя продолжает повышаться.

Повышение как начального уровня предыонизации, так и подаваемого на электроды напряжения, или скорость его роста (что увеличивает частоту ионизации), также способствует улучшению однородности развития разряда, обычно нарушаемой объемным зарядом

В настоящее время для создания начальной концентрации электронов в газоразрядном объеме электроразрядных лазеров наиболее часто применяются источники УФ и рентгеновского излучения.

Источники УФ-излучения

можно подразделить на две группы: 1) слаботочные — разряды типа коронного или возникающего при зарядке распределенной емкости диэлектрика; 2) сильноточные — такие, как открытая искра или завершенный разряд по поверхности диэлектрика.

Использование более сильноточных источников УФ-излучения в виде ряда сильноточных искр, равномерно распределенных по длине электродов, позволило увеличить энерговклад и удельную энергию лазерного излучения приблизительно на порядок по сравнению с системой, в которой предыонизация осуществлялась коронным разрядом. Распределенность искровых источников (~ 20 шт.), создающих УФ-подсвеку, достигалась установкой сбоку вдоль каждой из сторон электродов с профилем Роговского ряда емкостей.

И в настоящее время именно электроразрядные лазерные системы с искровой сильноточной предыонизацией нашли широкое применение при создании лазеров с апертурой ~ 110 см².

При увеличении межэлектродного расстояния источники УФ излучения следует (во избежание каскадного пробоя) удалять на большое расстояние от основного промежутка. Это резко сказывается ни уровне предыонизации при использовании газовых смесей с большим коэффициентом поглощения УФ-излучения. Расположение источников сбоку от электродов ограничивает возможность увеличения и ширины основного разряда, так как в этом случае пробой основного газового промежутка происходит в областях, расположенных наиболее близко к источнику УФ-излучения В литературе предложено несколько процессов, объясняющих появление фотоэлектронов в газовом объеме при УФ-облучении. Коротко укажем некоторые из них.

1. Фотоэмиссия электронов из катода. Работа выхода для многих материалов, из которых изготовляются катоды, как правило, низка, поэтому фотоэмиссия может возникать при такой длине волны ультрафиолетового излучения, когда оно способно глубоко проникать в газ при высоком давлении.

2. Процесс двухступенчатой или многоступенчатой ионизации компонент газовой смеси, при котором на образование одного электрона затрачивается несколько фотонов.

3. Возбуждение атомов или молекул, способных при столкновении с другими тяжелыми частицами образовывать свободные электроны.

4. Фотоионизация примесей с достаточно низким потенциалом ионизации.

Рентгеновская предыонизация

К достоинствам предыонизации рентгеновским излучением можно отнести следующие: 1) увеличенная по сравнению с УФ-излучением глубина проникновенияквантов, что обеспечивает большую однородность распределения начальных электронов при увеличении межэлектродного расстояния, если рентгеновский предыонизатор расположен под одним из электронов; 2) рентгеновский источник может быть помещен достаточно далеко от газоразрядного объема, что при расположении его сбоку исключает развитие каскадного пробоя и расширяет возможности конструкторских решений; 3) исключается отрицательное влияние возмущений плотности газа, вызываемых искровым УФ-предыонизатором при импульсно-периодическом| режиме работы лазеров.

К недостаткам следует отнести: 1) технологически более сложное устройство рентгеновского предыонизатора по сравнению с источниками УФ-излучения; 2) наличие ограничений на длительность импульса рентгеновского предыонизатора и на концентрацию создаваемых начальных электронов.

Исторически первый и наиболее распространенный способ получения рентгеновского излучения состоит в бомбардировке вещества мишени заряженными частицами, ускоренными до достаточно большой энергии. При этом могут иметь место два механизма возникновения рентгеновского излучения.

При первом механизме рентгеновское излучение возникает как тормозное излучение заряженных частиц, взаимодействующих с полем атомов вещества. Спектр такого тормозного излучения имеет непрерывный характер, причем граничное значение длины волны не зависит от атомного номера вещества мишени и определяется только энергией заряженных частиц hv_гp = Е_кин.

Второй механизм состоит в возбуждении электронов внутренних электронных оболочек атомов вещества мишени и последующем излучении этих атомов. Спектр имеет линейчатый характер, однозначно определяемый атомным номером Z.

1.8 Некоторые особенности получения нанопорошков

Метод испарения вещества излучением лазера с последующей конденсацией пара известен с 1970 года. Однако из-за низкой производительности и высоких затрат энергии этот способ получения нанопорошков нашел применение лишь в лабораторных условиях [21,22]. Основная часть потерь энергии связана с поглощением и рассеиванием излучения плазмой и парами испаряемого материала над поверхностью мишени. Использование импульсных лазеров позволяет существенно увеличить производительность и снизить потери энергии за счет уменьшения длительности излучения и повышения частоты следования импульсов. При этом происходит более эффективный вынос паров из горячей зоны и обеспечивается уменьшение размера частиц [23,24].

В работе лазера показано, что испарение мишени импульсным СО₂ лазером является достаточно эффективным способом получения слабоагломерированных нанопорошков сложных соединений с характерным размером ~10 нм и узким распределением частиц по размерам. Анализ результатов показывает, что основным фактором, определяющим производительность установки, имеющей определенные характеристики, является удельная энергия, требующаяся для испарения материала.

В работе показывается, что импульсный режим излучения должен обеспечивать не только снижение размера частиц за чет увеличения интенсивности излучения и более эффективного выноса пара из горячей зоны, но и по крайней мере не более высокие затраты энергии, чем режим постоянного излучения. Связано это с тем, что вероятность элементарного акта испарения экспоненциально увеличивается с ростом температуры расплава, а значит и пиковой плотности мощности излучения (27)

Импульсный СО₂ лазер позволяет в 4 раза уменьшить размер частиц в воздухе с нормальными условиями при энергозатратах не выше, чем наиболее низкие значения, полученные для лазеров с постоянным излучением. Эффективность использования излучения для получения нанопорошка составляет менее 10%, ее можно улучшить, а производительность увеличить даже при той же средней мощности за счет уменьшения длительности излучения и повышения частоты следования импульсов

2. Исследование характеристик лазера и возможности получения нанопорошков

2.1Погрешности измерений

Все экспериментальные графики, приведенные в работе, построены по среднему значению из 36 измерений. Ошибка измерений большинства регистрируемых параметров определялась погрешностью используемых приборов. Систематическая ошибка измерений, вносимая приборами, не превышала 10%. При анализе спектральных линий или измерении расходимости, сначала определялась среднеквадратичная ошибка по формуле:

где, x — среднее значение измеряемых величин, х_i— измеряемая величина, n — число измерений.

А затем, задавая доверительную вероятность по Стьюденту (=0.95), вычислялась величина доверительного интервала:

В нашем случае суммарный интервал погрешностей измерений не превышал величину 1520%, что позволяет говорить о достоверности полученных в диссертационной работе результатов и выводов.

2.2 Исследование характеристик электроразрядного XeCl лазера

В экспериментах использовался электроразрядный XeCl лазер серии EL-500−100 разработанный в ЛГЛ ИСЭ СО РАН. Частота включения лазера до 100 Гц и энергией в импульсе 500 мДж, при КПД 2.8%. Принципиальная схема лазера представлена на рис 5.

Принципиальная электрическая схема лазера Для накачки лазера использована типичная двухконтурная схема. Предыонизация разрядного промежутка осуществлялась УФ-излучением, которое возникало при срабатывании искровых промежутков установленных в электрической цепи. Конденсатор С₁ = 107.2нФ (состоит из конденсаторов TDK UHV-6A, 2700 pF & 30 kV) заряжается от источника постоянного напряжения до U₀=4кВ. В качестве коммутатора используется тиратрон ТПИ3−10k/25. Оптимальное значение индуктивности первого контура L₁ = 100 нГ позволяет обеспечить эффективную перезарядку первого конденсатора на второй за сравнительно большое время ~150 нс. Конденсатор во втором контуре С₂=72нФ (состоит из конденсаторов TDK UHV-6A, 2700 pF & 30 kV) разряжается через плазму и обеспечивает накачку активной среды. Компоновка лазерной камеры и конденсаторов С₂ позволяет достигнуть малой индуктивности L₂= 4нГ, что обеспечивает малую длительность импульса накачки и большой ток в плазме до 65 кА.

Электроды, длина которых составляет 65 см, выполнены с радиусом закругления 4 см. Расстояние между ними — 2.5 см. Эффективная ширина разряда — 1 см. Использовалась газовая смесь Ne/Xe/HCl = 800/8/1, при полном давлении 3,8 атм.

Энергия генерируемого импульса излучения составляет 50 050 мДж, длительность импульса на уровне половины его мощности — 30 нс. Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 10×26 мм. Длина волны излучения 308 нм.

Длина резонатора 100 см, зеркало отражающее R₁ = 0,99, выходное зеркало R₂ = 0,08.

Рисунок 6. Фотография лазера EL-500−100

Технические характеристики эксимерного лазера EL-500-100

Наибольшая потребляемая мощность 5 кВт.

Зарядное напряжение на накопительной емкости составляет 22−24 кВ.

Лазер работает на смеси Ne: Xe: HCl — 800:8:1,

находящейся под абсолютным давлением 3.8 атм.

Энергия генерируемого импульса излучения составляет 50 050 мДж Длительность импульса на уровне половины его мощности — 30 нс.

Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 10×26 мм.

Длина волны излучения 308 нм.

Экспериментальные временные зависимости напряжения на конденсаторе С₂, тока текущего через конденсатор и мощность лазерного излучения представлены на рис.

В работе производились исследования энергии излучения лазера, в зависимости от: давления смеси, зарядного напряжения, а также измерялась зависимость энергии излучения от частоты срабатывания лазера для разных скоростей прокачки газа через разрядный промежуток.

Полученные в результате измерений зависимости представлены на графиках. В результате анализа полученных данных сделаны следующие выводы:

Из графиков зависимости энергии от частоты, представленных на рис. 8 видно, что зависимости различаются для разных скоростей прокачки смеси через газоразрядный промежуток. Это объясняется тем, что при увеличении частоты, при малой скорости прокачки не происходит полной смены смеси перед последующим импульсом, это способствует «старению» смеси и уменьшению выходной энергии в импульсе.

При увеличении давления в смеси (см. рис. 9), увеличивается выходная энергия излучения из-за влияния двух факторов: увеличивается эффективность передачи энергии из накопительной емкости в обострительную емкость, а также повышается сопротивления плазмы разряда, что увеличивает ее согласование с волновым сопротивлением контура накачки.

Зависимость энергии излучения от давления смеси для состава «старой» смеси Ne: Xe: HCl=952:8,6:1 при U=22 кВ На рис. приведены экспериментальные зависимости поведения энергии излучения и КПД лазера от зарядного напряжения.

Зависимость КПД лазера и энергии излучения от зарядного напряжения. Смесь Ne: Xe: HCl=900:8,6:1 при общем давлении p=3,9 атм Основной причиной снижения полного КПД лазера является уменьшение эффективности передачи энергии из емкости С₁ в С₂. Снижение внутренней эффективности при зарядном напряжении менее 18 кВ обусловлено малой удельной мощностью накачки

2.3 Формирование излучения с узкой спектральной линии в селективном резонаторе

Для формирования излучения с узкой спектральной линией генерации использовалась оптическая схема изображенная на рис. 11. Дифракционная решетка 2400 штрих/мм устанавливалась под углом автоколлимации и?17⁰27 для отражения в первом порядке. Для расширения падающего на решетку пучка до размера 10 мм и увеличения таким образом разрешающей способности перед ней размещался призменный телескоп с 5-кратным линейным увеличением по одной координате.

Сделаем оценочный расчет данной оптической схемы:

Для резонатора с призменным телескопом и дифракционной решеткой:

(2.3.1)

Где, — ширина линии пропускания резонатора

— длина волны излучения

— радиус гауссовой диафрагмы (₀=1 мм)

X-увеличение телескопа

— угол падения

A-угол, при вершине призмы Приведем табличные значения n и для нахождения dn и d:

=308 нм;

n=1,488;

=24,610⁵ нм^-1

=24,610⁵ tg30= 24,610⁵0,577=1,410⁶

==0,3 510⁹ = 3,510⁶

Для нахождения tg используем соотношения для дифракционной решетки:

запишем уравнения для дифракционной решетки, учитывая то, что при автоколлимационной установке решетки ():

2sin= (2.3.2)

m — номер спектрального порядка.

d — период решетки Угловая дисперсия решетки:

D_реш= (2.3.3)

Для автоколлимационной схемы:

D_реш=

2tg=D_реш (2.3.4)

Подставляя численные значения в формулу (2) найдем sin:

m=2

=30 810^-9 м

d=10^-3/2400 м

sin==0,739

=arcsin=47,66є

Найдем увеличение призменного телескопа X:

Увеличение одной призмы

X₁====1,491.5

Увеличения четырех призм (телескопа):

X= X₁⁴=1,5⁴5

Подставляя найденные значения в исходную формулу (2.3.1), получим:

=м;

В ходе эксперимента ширина спектральной линии генерации контролировалась с помощью воздушного интерферометра Фабри — Перо (расстояние между зеркалами 2 мм, коэффициент отражения зеркал 80%).

Фотография Интерференционная картина и распределение интенсивности интерференционных колец показана на рис 13. Известно, что расстояние между интерференционными кольцами составляет? л = л²/2T, где Т — база эталона. Расстояние между двумя соседними максимумами интенсивности составляет 3 мм. Измеренная ширина полосы на полувысоте интенсивности составляет 1 мм. Таким образом, расстояние в длинах волн между соседними кольцами составляет: ?л = л²/2T = (3.08Ч10^-7)²/2Ч2Ч10^-3 = 23.7 пм, а искомое значение ширины спектральной линии генерации будет соответствовать 8 пм.

Неизменность положения колец на интерферограммах в течение длительного времени свидетельствовала о достаточно высокой стабильности частоты генерации лазера. Энергия в импульсе составляла -0.1 мДж, что примерно в 4 раза меньше энергии генерации в таком же резонаторе, без дисперсионных элементов. Это объясняется потерями энергии на дисперсионных элементах.

Временная форма данного лазерного импульса показана на рис 14.

Оптическая схема экспериментальной установки

1 — АC излучателя; 2-диаграфмы предназначенных для сужения пространственного углового спектра излучения; 3 — полупрозрачное выходное зеркало; 4-призменный телескоп; 5-Дифракционная решетка 2400 штр/мм; 6 — Al — зеркало; 7,8 — кварцевая пластина; 9-ФЭК -22СПУ; 10-спектрограф; 11-положительная линза; 12-эталон Ф-П; 13 — фотоаппарат Фотография интерференционной картины полученной после эталона ИТ-28−30

Распределение интенсивности интерференционных полос

Временная форма лазерного импульса

2.4 Расчет характеристик вентилятора и свойств газового тракта лазера

Некоторые характеристики лазера, используемые в расчетах

Смесь:

Ne: Xe: HCl=1000:10:1 при P=4 атм

Плотность неона: _Ne=0,9 кгм³

Теплоемкость неона: c_pNe=1,03 ДжгК

Кинематическая вязкость неона при P=4 атм: _Ne=8,710^-6 м²с.

Разрядная камера:

Длина: l_к=950 мм

Диаметр: d_к=300 мм.

Вентилятор:

Длина: l_а=800 мм

Диаметр: d_а=80 мм.

Скорость вращения: n=2730 обмин.

Разрядный промежуток:

Длина: l_рп=560 мм

Ширина: ш_рп=10 мм

Высота: d_рп=24 мм

Теплообменник:

Толщина ребер:=1,5 мм

Высота ребер:=10 мм

Шаг ребер:=5,5 мм

Внутренний диаметр труб: d_внутр=10 мм

Внешний диаметр труб: d_внеш=16 мм.

Количество труб: 4 шт.

Количество ребер одной трубы: 130 шт.

Длина оребренной части трубы: l_тр=900 мм.

Коэффициент расхода. :

= (2.4.1)

где:

— производительность элементарной секции вентилятора, м³/сек.

— наружный диаметр рабочего колеса, м.

— длина элементарной секции, м.

— окружная (линейная) скорость на наружном диаметре, м/c.

Коэффициент давления:

(2.4.2)

где:

H — напор, создаваемый вентилятором, Па.

— плотность газовой смеси, кг/м³

_Ne=0,94=3,6 кгм³

Производительность элементарной секции вентилятора:

(2.4.3)

где:

— скорость газового потока в разрядном промежутке, м/с.

— межэлектродный зазор, м.

При частоте срабатывания лазера f=100 Гц и ширине разрядной области ш=1 см достаточная для устойчивой работы лазера трехкратная смена газа в разрядном промежутке будет достигаться при скорости газового потока:

=af3=0,11 005=5 м/с Для этой скорости оценки показывают, что потребляемая мощность составит десятки ватт, но из-за низкой скорости потока, нужна развитая поверхность теплообменника. Влияние скорости газа на температуру после теплообменника достаточно очевидно, поскольку увеличению скорости при постоянном подводе тепла соответствует больший коэффициент теплоотдачи от газа к трубам. Однако связь в данном случае не пропорциональна, т.к. количество переданного тепла определяется кроме того температурным напором, который при изменении скорости будет изменяться из-за изменения температуры на входе в теплообменник.

Поэтому используем вентилятор диаметром 80 мм при 2730 обмин.

При скорости вращения вентилятора n=2730 об/мин и диаметре рабочего колеса 80 мм:

U_а= м/с Экспериментально измеренная скорость воздушного потока в разрядном промежутке составляет 12 м/с.

Используя эти данные, получим:

Q_э=120,80,024=0,23 м³/с

==0,31

Для смеси Ne: Xe: HCl=1000:10:1 при P=4 атм Плотность смеси:

_гNe=0,94=3,6 кгм³

По аэродинамической характеристике вентилятора [29], рис 16. находим:

=2,6

Аэродинамическая характеристика вентилятора

Напор, создаваемый вентилятором, тратится на преодоление сопротивления тракта и на преодоление собственного сопротивления вентилятора.

=2,63,6=611,4 Па

Мощность электродвигателя, необходимая для привода вентилятора, составляет:

P_вент=_, (2.4.4)

где:

z — число элементарных секций в вентиляторе (z=1),

— КПД вентилятора (=0,45),

P_вент==312,5 Вт.

Учитывая КПД двигателя (мощность, потребляемая для привода вентилятора, при суммарном аэродинамическом сопротивлении тракта, равном H_{вентилятора}):

P_{реальное}=P=446 Вт

Некоторые зависимости для вентилятора

Принимая v_рп?u_а, найдем :

== .

Учитывая, что l_рп=l_вент, получим:

=, (2.4.5)

т.е. коэффициент расхода газа через разрядный промежуток пропорционален отношению межэлектродного зазора к диаметру вентилятора.

По аэродинамической характеристике вентилятора для d=0,08 (м) и =0,195, учтя, что z=1 и расписав Q и H, выражение (2.4.4) можно переписать в виде:

P_вент=

Подставив численные значения, а также найденные по аэродинамической характеристике коэффициент давления =2,6 и кпд =0,45, и учтя что, v_рп?u_а, получим:

P_вент==0,2u_a³ (2.4.6)

==4,68 (2.4.7)

Зависимость окружной (линейной) скорости на наружном диаметре рабочего колеса вентилятора u_а, м/c, напора H, создаваемого вентилятором, Па, мощности электродвигателя P, необходимой для привода вентилятора, Вт, от скорости вентилятора обмин.

Оценка аэродинамического сопротивления теплообменника

Аэродинамическое сопротивление оребрённых труб связано с их геометрическими характеристиками и набегающим потоком рабочей смеси газов следующими соотношениями [30]:

E_и=2,7zc_z(ld_э)^0,3Re^-0,25 (2.4.8)

E_и=P_тгv_г² (2.4.9)

d_э= (2.4.10)

Где:

E_и-аэродинамическое сопротивление

P_т-перепад давления на длине газового тракта теплообменника.

z-число поперечных рядов труб по направлению движения газа.

c_z -поправочный коэффициент для малорядных пучков труб в теплообменнике.

d_э — эквивалентный диаметр сжатого поперечного сечения

Re — критерий Рейнольдса

_г — кинематическая вязкость газа.

v_г — скорость газового потока в теплообменнике.

l — характерный линейный размер труб.

S₁ — поперечный шаг трубы в пучке труб.

— толщина ребер

— высота ребер

— шаг ребер

d_э===16,63 (мм) Скорость газа в тракте относится к скорости газа в разрядном промежутке как отношение площади сечения газа в разрядном промежутке к площади сечения газа в тракте.

S_рп=d_рпl_рп=0,0240,8=0,0192 (м²)