13.3. Физические механизмы предыонизации УФ излучением
На начальном этапе изучения описанных в предыдущем разделе способов предыонизации для объяснения их действия было предложено множество физических механизмов, включая инжекцию фотоэлектронов, поверхностную фотоэмиссию и объемную фотоионизацию в одно- и двухступенчатых процессах. Серия исследований, проведенных в середине 1970-х гг. и посвященных в основном СО2-лазерам, привела к построению физической картины процесса предыонизации и к получению дополнительных данных, которые мы рассмотрим в этом разделе. Сначала дадим общий обзор, посвященный процессу предыонизации, а затем приведем обзор экспериментальных результатов.
На рис. 4 показаны физические процессы, которые приводят к предыонизации. Представленные в табл. 1 потенциалы ионизации и пороговые длины волн ионизующего излучения для широко используемых компонентов лазерных смесей были хорошо известны и до начала исследований физических механизмов предыонизации. Из экспериментально найденного спектра излучения искрового источника предыонизации, аналогичного изображенному на рис. 4, а, выяснилось, что фотоны, способные ионизовать в одноступенчатом процессе большинство компонентов газовой лазерной смеси, отфильтровываются на длине в несколько миллиметров в пределах искры. В смесях СО2-лазеров остальные фотоны при их прохождении через газовую смесь поглощаются молекулами СО2. Как показано на рис. 4, б, поглощение этими молекулами велико на длинах волн, меньших 160 нм, за исключением узкого спектрального окна с центром на длине волны 120 нм. На рис. 4, в приведен спектр
Рис. 4 (см. скан) Физические процессы, протекающие при УФ предыонизации а — излучение искры, б - поглощение молекулами СО2, в — используемая часть излучения искры, г - сечение фотоионизации
искры, получающийся после прохождения фотонов через слой газа СО2 толщиной 
. То, какими частицами определяется спектр поглощения, и сам спектр поглощения, как мы покажем ниже, зависят от состава газовой смеси. Почти во всех исследованных случаях процесс фотоионизации является преимущественно одноступенчатым [10] и прошедшие фотоны искры не могут ионизовать большинство компонент газовой смеси. Следовательно, частицы, подвергающиеся фотоионизации, должны иметь низкий потенциал ионизации. Для условий, изображенных на рис. 4, пороговая ионизационная длина волны для ионизуемых частиц должна
Таблица I. (см. скан) Потенциалы ионизации и максимальные длины волн прямой фотоионизации для обычно применяемых лазерных газов
быть больше 115 нм, т.е. потенциал ионизации этих частиц должен быть меньше 10,8 эВ. Многие углеводороды и другие соединения имеют достаточно низкий потенциал ионизации. Большинство из них, включая перечисленные в табл. 2, специально добавлялись к газовым лазерным смесям для увеличения уровня объемной предыонизации. На рис. 4, г приводится характерное сечение ионизации для легко ионизуемой примеси или присадки, имеющей порог ионизации, равный 140 нм (8,9 эВ).
Остальную часть этого раздела мы посвятим обсуждению некоторых имеющихся данных по таким вопросам, как 1) спектры испускания искровых разрядов, 2) поглощение ультрафиолетового излучения различными газами и частицами, применяемыми в лазерах и имеющими низкие потенциалы ионизации, 3) фотоионные спектры и 4) плотности электронов, создаваемые отдельными искровыми разрядами.
