10.4.2.2. Устойчивость разряда

Возбужденные состояния атомов инертного газа также сильно влияют на устойчивость разряда. Чтобы показать это, вычислим относительную плотность метастабильных состояний в условиях лазерной генерации. Плотность вводимой мощности для получения эффективной работы лазера составляет обычно Мощность разряда, которая идет непосредственно на образование метастабильных состояний, дается выражением

где — эффективность образования метастабильных состояний. Время жизни метастабилей определяется главным образом донором галогена . В присутствии при давлении смеси 2 атм время жизни метастабильного состояние инертного газа составляет около 15 нс. Если положить то стационарная плотность метастабилей М будет равна примерно а относительная их населенность При этих условиях скорость ионизации метастабильных состояний при электронном ударе равна по сравнению с величиной при ионизации основного состояния. Следовательно, в разряде лазера определяющим процессом ионизации является ионизация метастабильных состояний. Скорость образования и исчезновения электронов разряда не дается выражением

где — скорость образования электронно-ионных пар вследствие ионизации электронным пучком или УФ излучением, — скорость ионизации вторичными электронами, а — коэффициент прилипания. Скорость образования и тушения метастабильных состояний

записывается в виде

где — константа скорости образования метастабильных состояний при электронном ударе, — время жизни метастабильного состояния. Поскольку, как мы уже указывали выше, преобладающим процессом ионизации является ионизация метастабильных состояний, можно написать следующее выражение:

Уравнения (16) и (17) образуют систему двух нелинейных дифференциальных уравнений для С помощью теории возмущений можно показать [24], что эти уравнения имеют ненулевое стационарное решение для при выполнении следующего условия:

где — равновесная скорость ионизации. Из уравнения (16) очевидно, что этот критерий устойчивости может быть удовлетворен, только если Поэтому ясно, что разряд в лазере на галогенидах инертных газов, в котором имеет место предыонизация УФ излучением или электронным пучком, не будет устойчивым, поскольку электроны образуются до начала разряда.

Догерти и др. [24] решали численно систему нелинейных уравнений, аналогичных (16) и (17), в случае, когда плотность тока электронного пучка равнялась 2 А/см2 при энергии электронов В своих расчетах эти авторы учитывали также ионизацию Пеннинга и ионизацию атомов из основного состояния. Результаты этих расчетов представлены на рис. 17. Условие устойчивого разряда иллюстрируется на рис. 17, а; в этом случае скорость прилипания действительно несколько больше удвоенной равновесной скорости ионизации. Заметим, что ток разряда достигает постоянного значения асимптотически. Другой важной особенностью устойчивого разряда является то, что эффективность образования метастабильных состояний сохраняет значение выше 75%. Если при прочих равных условиях уменьшить скорость прилипания на 20%, то скорость

Рис. 17. (см. скан) Результаты численного расчета параметров разряда в условиях устойчивого и неустойчивого (б) горения.

ионизации увеличится и через 70 не станет больше, чем скорость прилипания. При этом ток разряда будет возрастать во времени быстрее, чем по экспоненте, и эффективность образования метастабильных состояний будет постепенно падать. На рис. 18 приведены осциллограммы тока, напряжения и флуоресценции для разряда в KrF-лазере, управляемого электронным пучком, в условиях устойчивого (фото а и в) и неустойчивого (фото ) режимов [24]. В этих экспериментах смесь в разрядной кювете имела давление

2 атм и состояла из Условия устойчивости разряда достигались, когда конденсатор емкостью заряжался до напряжения Следует заметить, что ток разряда приближается к своему стационарному значению, прежде чем заканчивается импульс тока электронного пучка. Когда напряжение на конденсаторе увеличивалось до разряд становился неустойчивым. Вначале ток разряда возрастает медленно и имеет

форму, весьма напоминающую кривую для тока разряда на рис. 17,б (случай неуйстойчивости). Прежде чем разряд разовьется в дуговой, ток его становится неустойчивым по всему объему газовой среды. Это подтверждается тем, что флуоресценция начинает увеличиваться через 40 не после момента быстрого нарастания тока.

Рис. 18. Экспериментальные результаты, иллюстрирующие условия устойчивого (а и в) и неустойчивого (б и г) горения разряда. Верхние осциллограммы на фото а и б соответствуют току электронного пучка; цена деления по оси ординат на фото а 0,24 А/см2, а на фото б 0.2 А/см2. Нижние осциллограммы на фото а и б показывают напряжение разряда с ценой деления по оси ординат Верхние осциллограммы на фото в и г представляют ток разряда с ценой деления по оси ординат 2,5 А/см2 (фото в) и 5 А/см2 (фото г). Нижние осциллограммы — флуоресценция на длине волны 2485 А На всех осциллограммах цена деления временнбй шкалы (ось абсцисс) равна 100 нс.

В разрядах с УФ предыонизацией электроны, образованные за счет фотоионизации, в процессе прилипания к галогенсодержащим молекулам с большой скоростью образуют отрицательные ионы галогена X- :

Отрицательные ионы в дальнейшем образуют легкоионизуемый источник электронов разряда [48]. Процесс отлипания электронов происходит главным образом при столкновениях с электронами разряда. Отрицательные ионы, исчезновение которых обусловлено рекомбинацией в промежутке времени между импульсами УФ предыонизации и разряда, приводят к более однородному пространственному распределению. Когда к разряду прикладывается

электрическое поле, плотность электронов очень быстро возрастает на несколько порядков величины и становится возможным ввод больших плотностей мощности.