Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
В. А. Бурцев, М. А. Василевский, С. С. Козюче- нок, В. А. Родичкин, И. М. Ройфе, Б. А. Стеколь- ников, В. П. Томашевич, В. Ф. Шанский, Двухвол- новый мощный CO
2лазер, ЖТФ , 1983, том 53, вы- пуск 12, 2424–2425
Использование Общероссийского математического портала Math- Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользователь- ским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 139.59.245.186
2 ноября 2022 г., 22:36:55
-УДК 621.378.325 Журнал технической физики, т. 53, в. 12\ 1983
ДВУХВОЛНОВЫЙ МОЩНЫЙ С 02 Л А З Е Р
-В. А. Бурцев, М. А. Василевский, С. С. Козюченок, В. А. Родичкин, i f . ikf. Ройфе, Б. А. Стеколышков , В. П. Томашевич, В. Ф. Шанский
Д л я термоядерных исследований разработан мощный С 02 лазер с высокими энергети
ческими параметрами, работающий в режиме излучения на д в у х длинах волн 10.6 и 9 . 6 мкм I1] .
Лазер состоит из двух модулей, каждый из которых работает от самостоятельных источ
ников питания и содержит разрядную камеру и устройство ионизации — электронную пушку, создающую плоский пучок, вводимый в разрядную камеру через специальное окно, -"закрытое алюминиевой фольгой толщиной 30 мкм.
Активная зона определяется в модуле размерами разрядной камеры: окно для ввода
^пучка 1 0 0 X 6 0 0 мм, расстояние анод—катод до 100 мм.
Между активными зонами модулей располагалась специальная кювета, служащая для регулировки поглощения излучения в области 10.6 мкм. С этой целью объем кюветы за
полнялся SF6 (коэффициент поглощения 0.32 с м "1- т о р- 1 [2] ) , давление которого регулиро
валось. Контроль давления осуществлялся масляным U-образным манометром. Кювета ограничена по длине с одной стороны пластиной из B a F2, с другой — NaCl.
Основные особенности разработанной лазерной системы заключаются в следующем.
В мощных лазерных системах, как известно, повышается роль эффективности использова
ния энергии, запасаемой в источниках импульсного питания, и надежности работы разряд
н о г о промежутка и электронной пушки.
В [3] в аналогичной лазерной системе с этой целью использован согласованный режим
^работы ГИНа. В разработанной системе использована эта же идея, н о , кроме того, в трех
ступенчатом ГИНе разряда применена схема последовательной коррекции, обеспечивающая формирование прямоугольного импульса напряжения с амплитудой до 100 кВ на согласо
ванную нагрузку (разряд) с эквивалентным сопротивлением 1.8 Ом при длительности 1.8 мкс.
Емкость ГИНа в ударе 0.266 мкФ. Одним из разрядников ГИНа является межэлектродный
^промежуток разрядной камеры, что обеспечивает необходимую синхронизацию запуска ГИНа разряда электронным пучком. Следует отметить, что для обеспечения хорошей формы вершины импульса (для устранения выброса напряжения при включении разряда) разряд
ные резисторы ГИНа выбраны достаточно малыми. Ряд существенных особенностей имеют и электронные пушки установки.
Электронные пушки, необходимые для ионизации объема разрядной камеры, имеют параметры: энергия электронов до 200 кэВ, плотность тока ^ 1 А / с м3 в объеме разрядной камеры (при коэффициенте прозрачности системы — опорные решетки фольги—фольга—
•катодная сетка разрядной камеры — 0.55), длительность импульса тока 2.5 мкс.
При разработке электронных пушек необходимо было удовлетворить прежде всего 'такому требованию, как однородность пучка во времени (в течение импульса) и в простран
с т в е (в сечении выводного окна), что обеспечивает устойчивость основного разряда и умень
шает вероятность повреждения выводной фольги, т. е. обеспечивает надежность работы установки. Для этого в качестве источника электронов был разработан многоострийный
•катод из углеродных волокон с включенными последовательно с каждым из острий резисто
рами (см., например, [4] ) . Этот катод обеспечивает малое изменение за время импульса -эффективного межэлектронного расстояния (эмиттирующая поверхность катодной плазмы —
анод пушки), т. е. обеспечивает практически неизменное эквивалентное сопротивление ускорительного промежутка. Это дало возможность применить электростатическую фокуси
ровку, позволившую уменьшить расходимость пучка до 9°, а также увеличить коэффициент :вывода. Полная площадь сечения катода 9 0 X 5 8 0 мм, плотность размещения эмиттеров 0.5 с м- 2, размеры фокусирующего электрода пирсовской геометрии 2 7 0 X 7 6 0 мм. Остаточное -давление в ускорительном промежутке поддерживается на уровне 5 -10~5 Тор. Особенностью 'импульсного источника высокого напряжения электронной пушки на основе ГИНа (емкость
;в ударе 0.13 мкФ), обеспечивающего необходимый крутой фронт нарастания напряжения
; « 1 0 ~7 с), является использование специальной схемы с ферромагнитными элементами для
«среза напряжения на заднем фронте импульса. Применение отсечки повышает срок службы графитовых острий, а также надежность работы такого слабого звена, как анодная фольга.
<Схема срезания заднего фронта основана на использовании трех последовательно соединен- 2424
ных 14-витковых катушек, намотанных на сердечниках из пермаллоя 50 НП (наружный и внутренний диаметр 170 и 70 мм, ширина сердечника 60 мм). Укажем, что время закорачи
вания катодной плазмой межэлектродного промежутка, определяемое емкостью ГИНа без схемы среза, 12 мкс. При использовании в начале разработки для острий катода меди это время ненамного превышало длительность рабочего импульса, и при этом довольно часто имели место случаи прорыва анодной фольги на выводном окне.
Синхронность работы двух модулей установки определяется разбросом запуска элек
тронных пушек. Соединение через резистор поджигающих электродов разрядников ГИНов пушек позволило этот разброс уменьшить до 40 не.
В режиме генерации использовался неустойчивый конфокальный резонатор с увеличе
нием М=2 и зеркалами из меди. Диаметр выходного зеркала 45 мм. Выходное окно пред
ставляло собой пластинку из B a F2 толщиной 18 и диаметром 120 мм (к сожалению, при этом терялось до 40% излучения). Д л я измерения выходной энергии излучения часть и з л у -
Рис. 1. Рис. 2.
чения отводилась пластиной из того же материала, а затем фокусировалась вогнутым зерка
лом на калориметр ЭП-50. Разрядная камера заполнялась газовой смесью С 02 : N2 : Не—
= 2 : 1 : 3 под давлением 1 атм.
Основные характеристики работы лазерной системы сводятся к следующему.
Зависимость удельного эяерговклада @в к л и удельного энергосъема ( ?с н от приведенной напряженности электрического поля в разрядной камере E/N приведена на рис. 1. Видно, что максимальная величина ( Зв к л составляет 0.6 Д ж / с м3 -атм. При этом полная энергия из
лучения (после выходного окна) оказалась равной 630 Д ж . Следует отметить, что за время эксплуатации установки пробоев разрядного промежутка не наблюдалось.
При работе с кюветой (поглощающей излучение 10.6 мкм ячейкой), незаполненной рабочей средой, интенсивность излучения в области 9.6 мкм была несколько повышенной и составляла 17.5 от общей интенсивности, что объясняется высоким поглощением излуче
ния 10.6 мкм окна из B a F2.
Для измерения выходной энергии в двух различных областях излучения за выходным окном кюветы устанавливалась призма из NaCl, после которой излучение с помощью фо
кусирующего зеркала направлялось на два калориметра для длин.волн 10.6 и 9.6 мкм соот
ветственно.
На рис. 2 приведена экспериментальная зависимость отношения энергии излучения в области 9.6 и 10.6 мкм от давления s F6 в кювете. Как видно из этого рисунка, при давлении 4.2 Тор интенсивность излучения на обеих длинах волн одинакова. При этом пиковая мощ
ность ~ 5 . 5 ГВт.
Литература
{1] В. А. Бурцев. Вопросы атомной науки и техники. Термоядерный синтез, в. 1 (5), 17 (1980).
12] М. R. Green, P. D. Morgan, М. R. Sieurlst et al. J. P h y s . D: Appl. P h y s . , 13, 1399 (1980).
13] В. В. Аполлонов, Ф. В. Бункин, Ю. И. Бычков и др. Квант, электр., 8, 1331 (1981).
{4] М. А. Василевский, И. М. Ройфе, В, if. Энгелъко. ЖТФ, 51, 1183 (1981).
Поступило в Редакцию 12 февраля 1983 г.
0 9 Журнал технической физики, Кв 12, 1983 г. 2425
