13.2.2. Искровая предыонизация

По причинам, которые разъясняются в разд. 13.3, жесткий ультрафиолет в диапазоне 100 — 200 нм является наиболее полезным для предыонизации. Разряды с горячей искрой излучают в этом спектральном диапазоне более эффективно, чем коронные, и, как было найдено, для многих приложений искровая предыонизация оказывается более эффективной, чем предыонизация короной. В большинстве случаев используются следующие три конфигурации для искровой предыонизации, изображенные на рис. 2: свободные искры, искры на поверхности и направленные поверхностные разряды.

Свободная искра (рис. 2, а) имеет круглое поперечное сечение, а ее граница определяется гидродинамическими силами [24]. Свободные искры в типичных источниках УФ предыонизации аналогичны горячим искрам в небольших зазорах, используемых в двигателях внутреннего сгорания. Действительно, в качестве источников ультрафиолета использовались автомобильные искровые свечи [36, 100]. В типичном случае свободная искра имеет длину, равную нескольким мм, площадь поперечного сечения и объем, равный нескольким

Поверхностная искра (рис. 2, б) образуется между двумя электродами на диэлектрической поверхности. Исчерпывающий обзор

по искрам на поверхности сделан Беверли [19]. Такая искра взаимодействует с поверхностью, в результате чего сопротивление канала несколько увеличивается, а напряжение пробоя уменьшается по сравнению со свободной искрой [18, 19, 153]. Поверхностная искра имеет прямоугольное сечение, большая сторона которого параллельна поверхности [147].

Рис. 2. Типы искровых разрядов, используемых в качестве источников УФ предыонизации. а — свободная искра; б — искра на поверхности; в — направленный поверхностный разряд.

Направленный поверхностный разряд (рис. 2, в) может быть либо незавершенным, как показано слева на общем плане, либо завершенным, как это показано справа на том же плане. Завершенный направленный поверхностный разряд имеет физические свойства, близкие к свойствам поверхностной искры, с тем лишь различием, что он перекрывает существенно большие промежутки (вместо

миллиметров сантиметры). Незавершенный направленный поверхностный разряд аналогичен коронному разряду. В работе Андреева и др. [2] приводятся фото обоих типов направленного поверхностного разряда. Рассматривая конкретную геометрию электродов, мы видим, что сначала возникает незавершенный поверхностный разряд, а затем по мере роста напряжения он переходит в завершенный. По мере того как увеличиваются скорость нарастания и амплитуда приложенного напряжения, давление газа и емкость диэлектрической подложки, распределение как завершенного, так и незавершенного каналов поверхностных разрядов становится все более однородным [3, 13]. Скорость нарастания приложенного напряжения в опытах Андреева и др. [3] составляла Для поверхностных искр было использовано множество разнообразных диэлектрических материалов, таких, как пластинки стеклотекстолита [13, 121], силикатное стекло [1], керамика [19, 147], пластмасса [3, 153] и тефлон [149].

По сравнению со свободным искровым разрядом поверхностные искры и поверхностные разряды имеют ряд преимуществ, однако и один серьезный недостаток. Преимущества состоят в том, что 1) значительно уменьшается напряжение пробоя при той же длине зазора между электродами, поскольку возмущения поля, вызванные микроструктурой поверхности, облегчают пробой [3], 2) реализуется более высокая предельная яркость, ибо поверхность ограничивает искру и обеспечивает более высокую скорость потери электронов [1, 153], и 3) появляется возможность управлять спектром испускания искры в более широких пределах путем выбора диэлектрика с соответствующими свойствами [153]. Этим преимуществам противостоит тот недостаток, что диэлектрическая поверхность испаряется при каждом разряде, вследствие чего свойства искры меняются при ее многократном повторении. Зарослов и др. [153] обнаружили, что наблюдавшееся ими увеличение излучения жесткого ультрафиолета исчезало через несколько сотен импульсов. Впрочем, некоторые пластмассы, такие, как политетрафторэтилен и полихлортрифтор-этилен, при использовании их в качестве подложки испаряются без нежелательных последствий [94].

Плоские источники УФ излучения большой площади хорошо подходят для создания лазеров большого объема с УФ предыонизацией, как мы покажем в разд. 13.4. Источники УФ излучения большой площади изготавливаются обычно с помощью следующих двух основных способов: 1) создается несколько рядов, состоящих из множества коротких (длиной в несколько мм), свободных или поверхностных искровых разрядов (типичная

плотность составляет одну искру на квадратный сантиметр), и 2) создаются завершенные или незавершенные направленные поверхностные разряды большой площади. Поскольку электрические характеристики этих разрядов играют важную роль при проектировании УФ источников большой площади, ниже мы обсудим их более подробно.

Последовательные ряды искровых разрядов (рис. 2, с и б) действуют аналогично высоковольтному генератору Маркса [56]. К одному концу ряда последовательных разрядных промежутков прикладывается высоковольтный импульс. Высокое напряжение появляется на первом разрядном промежутке, и он пробивается. Этот пробой приводит к появлению высокого напряжения на втором промежутке, и процесс продолжается. Ток ограничивается небольшим током смещения, до тех пор пока не пробьется последний разрядный промежуток. При этом ток резко возрастает и разряжает конденсатор источника. Такие многоискровые разряды потребляют обычно значительно меньше энергии, чем тлеющий разряд, который они предыонизуют [121].

Норрис и Смит [107] изучали электрические характеристики источника, состоящего из линейки последовательно соединенных искровых разрядов, напряжение на которые подается от конденсатора Cs. Эти авторы с помощью экспериментов подтвердили, что минимальное напряжение, до которого следует заряжать конденсатор емкостью Cs, дается выражением

где Vb — напряжение пробоя последней искры в линейке, а — емкость (одинаковая для всех искр) между каждым промежуточным электродом и землей. Кроме того, Норрис и Смит под- твердили, что для искровых разрядов приблизительно выполняется закон Тэплера [56], согласно которому сопротивление искры на единицу длины в Ом/см записывается в виде

где — заряд, проходящий через искру. Результаты работ [41, 56, 107] показывают, что эмпирическая константа для искрового разряда лежит в пределах Меньшие значения относятся к смесям СО2-лазеров, обогащенным гелием, промежуточные — к азоту и воздуху, а большие — к аргону.

Для типичной искровой линейки, работающей в смеси СО2-лазера, обогащенной гелием, при см, из формулы (2) получаем Ом/см,

т.е. для искры длиной 2 мм мы имеем Ом. С целью согласования источника энергии с искровыми разрядами и получения затухающих импульсов тока Норрис и Смит [107] подсоединили к своей линейке из десяти искровых разрядов внешнее сопротивление. Дэн [41] применил другой подход, который состоит в подборе числа искр таким образом, чтобы их суммарное сопротивление соответствовало критическому затуханию, т.е.

где — последовательная индуктивность. Дэн обнаружил, что в случае и со значениями остальных параметров, указанными выше, Ом (т.е. число искровых разрядов оказывается равным 30), что согласуется с экспериментальными результатами, полученными Дэном. Ватанабе и др. [149] опытным путем показали, что для поверхностных искровых разрядов импульс тока с критическим затуханием обеспечивает наилучшую эффективность преобразования электрической энергии в оптическую.

Андреев и др. [2, 3] отметили, что направленный поверхностный разряд обеспечивает естественный способ создания источника УФ предыонизации большой площади. Эти авторы показали также возможность использования незавершенных поверхностных разрядов в лазере одновременно в качестве катода и источника предыонизации тлеющего разряда. Баранов и др. [13] с помощью последнего метода получили хорошие результаты в эксимерных лазерных смесях.