13.2.3. Предыонизация излучением высокой энергии

Для предыонизации самостоятельных лазерных разрядов были опробованы следующие четыре типа источников излучения высокой энергии: 1) радиоактивные источники, 2) ядерные источники, 3) пучки быстрых электронов и 4) рентгеновское излучение. Все источники, кроме радиоактивных, требуют относительно сложного экспериментального оборудования по сравнению с обычными источниками УФ предыонизации, использующими коронный или искровой разряд. Поэтому число работ, посвященных предыонизации излучением высокой энергии, существенно меньше. Предыонизация излучением высокой энергии обсуждается здесь для полноты картины, а также и потому, что в случае очень больших систем предыонизация рентгеновским излучением обладает определенными преимуществами.

13.2.3.1. Предыонизация с помощью радиоактивных источников

Эксперименты с радиоактивными источниками сдерживаются трудностями, сопряженными с использованием радиоактивных материалов. Бигио [20] описал серию экспериментов с использованием америция [241], излучающего а-частицы. Он обнаружил, что для большого числа смесей инертных газов и галогенидов инертных газов с помощью предыонизации а-частицами удалось увеличить максимальное рабочее давление импульсного самостоятельного разряда небольшого объема, при котором отсутствовало формирование дуги. Однако во многих исследованных смесях предыонизация а-частицами оказалась менее эффективной, чем УФ предыонизация.

13.2.3.2. Предыонизация с помощью ядерных источников

Применение нейтронов для предыонизации реализовалось либо путем нанесения на стенки разрядной трубки изотопа 10 В, либо путем заполнения разрядного объема газовой смесью, содержащей . В последнем случае объемная ионизация обеспечивается протонами и тритонами высокой энергии, которые появляются в реакции

Эту реакцию использовали в СО2-лазерах Гэнли и др. [57], Андриякин и др. [5], Мак-Артур [96] и Батырбеков и др. [15]. В этих экспериментах для установления разряда и получения лазерной генерации требовалось внешнее электрическое поле, т. е. нейтроны в действительности служили лишь в качестве источника предыонизации, а не накачки.

13.2.3.3. Предыонизация электронным пучком

Электронные пучки являются очень эффективными источниками электрической энергии для создания объемной ионизации. Нетрудно получить кпд генератора электронного пучка более 50%, в то время как типичные источники жесткого УФ и рентгеновского излучения имеют эффективность порядка 1%. В гл. 10 настоящей книги дается подробное рассмотрение ионизации с помощью электронного пучка (см. также работы Догерти [40] и Вуда [151]). Благодаря присущей им эффективности электронные пучки позволяют без особого труда получать высокие скорости объемной ионизации. В длинноволновых молекулярных лазерах, в которых накачиваются колебательно-возбужденные состояния, быстрые электроны являются плохим источником лазерной накачки. Вместо накачки

электронный пучок лишь создает электроны со скоростью, которая компенсирует их исчезновение. Энергия накачки лазера черпается из внешнего электрического поля, величина которого меньше порога лавинной ионизации. В лазерах видимого и УФ диапазонов, в которых накачка обусловливается возбуждением электронным ударом или рекомбинацией, электронные пучки представляют собой эффективные источники накачки и не возникает необходимости прикладывать внешнее поле.

Имеется несколько ранних работ, посвященных исследованию СО2-лазеров (например, работы Маркуса и др. [92] и Басова и др. [11]), в которых вместе с короткодействующим электронным пучком использовалось и внешнее электрическое поле. Однако в этих экспериментах внешнее поле было слишком низким, чтобы создать лавинную ионизацию, и начальная плотность электронов, производимых электронным пучком, спадала вследствие рекомбинации после окончания действия импульса электронного пучка.

Предыонизацию электронным пучком предложили Леваттер и Брэдфорд [83], а Бычков и др. [34] применили ее для увеличения объема при накачке лазеров на галогенидах инертных газов самостоятельным разрядом. Однако электронному пучку, используемому в качестве источника предыонизации, свойствен тот недостаток, что плотность создаваемой им ионизации оказывается пространственно-неоднородной [40]. Неоднородность предыонизации в направлении, перпендикулярном внешнему электрическому полю, приводит к возникновению неоднородного самостоятельного разряда, который мы рассмотрим в разд. 13.4. Поскольку при предыонизации электронным пучком имеется тенденция к образованию пространственно-неоднородного самостоятельного разряда, такой способ предыонизации представляется не очень удачным для накачки лазеров.

13.2.3.4. Предыонизация рентгеновским излучением

За последнее время опубликовано несколько работ, посвященных предыонизации рентгеновским излучением. Основной интерес к этим исследованиям можно объяснить теми преимуществами, к которым приводит высокая проникающая способность рентгеновских лучей. Например, для интенсивность рентгеновского излучения с энергией уменьшается в раз на длине соответственно 5, 13, 50 и 110 м [87]. Соответствующие длины поглощения быстрых электронов и УФ фотонов гораздо меньше. Кроме того, рентгеновское излучение легко проникает в твердые материалы. Физические процессы, связанные с предыонизацией

рентгеновским излучением, рассматриваются в работе Лина и Леваттера [87].

Преимущества использования излучения с высокой проникающей способностью заключаются в следующем: 1) появляется возможность значительного увеличения размеров разряда; 2) упрощаются конструкции окна и системы его охлаждения по сравнению с окнами, используемыми для ввода электронных пучков, так как рассеиваемая на окнах энергия значительно снижается; 3) исчезают проблемы, связанные с изменением состава газовой смеси, обусловленными искровыми источниками УФ предыонизации; 4) упрощается конструкция электродов и разрядной камеры, так как источник рентгеновского излучения может быть расположен на значительном расстоянии от разрядной камеры. Этим преимуществам противостоят недостатки: 1) оборудование, необходимое для предыонизации рентгеновским излучением, намного сложнее типичного оборудования для УФ предыонизации и 2) возможное биологическое действие рентгеновского излучения требует использования соответствующей защиты.

Предыонизацию рентгеновским излучением осуществили Лин и Леваттер [87] и Сумида и др. [142]. Описанный Лином и Леваттером [87] источник рентгеновского излучения большой площади был изготовлен путем введения в имеющуюся у них электронную пушку танталовой мишени. Измеренная этими авторами плотность электронов, создаваемая источником предыонизации, составляла более при этом плотность тока электронного пучка в рентгеновском источнике была довольно высокой — около 8 А/см2. Поскольку напряжение на электронной пушке было равно мощность, потребляемая рентгеновским источником предыонизации, оказалась весьма большой. Тем не менее эти эксперименты демонстрируют возможность реализации рентгеновских источников предыонизации большой площади.