14.2. Ионизационная неустойчивость, общая теория
14.2.1. История вопроса
Большой интерес к исследованию устойчивости электрических разрядов в газах проявлялся на протяжении многих лет [13]. В связи с разработкой молекулярных электроразрядных СО2- и
СО-лазеров возникло огромное число работ [20] по устойчивости разрядов. Эти исследования привели к построению относительно общей картины [14, 20] физических явлений, приводящих к неустойчивости мощных электрических разрядов большого объема. Согласно этой картине, общие свойства разрядной плазмы определяются сложной цепью связанных между собой процессов передачи энергии и взаимодействий с сохранением частиц. Поведение разрядной среды как единого целого можно представить в виде суперпозиции коллективных колебаний (звуковых, тепловых, ионизационных и т. д.), проявляющих как волновые, так и диффузионные свойства. Эти коллективные колебания в плазме постоянно возбуждаются пространственными и временными неоднородностями, характерными для разрядного механизма. В устойчивых разрядах такие колебания непрерывно подавляются процессами столкновений и переноса.
Применительно к лазерам процессы передачи энергии и взаимодействия с сохранением частиц используются для создания инверсии населенностей между определенными оптически связанными атомными или молекулярными возбужденными состояниями. Условия оптимальной работы лазера также приводят к ситуациям, когда эти процессы могут усиливать коллективные колебания в плазме разряда. Если усиление возникшего спонтанно коллективного колебания не подавляется, что обычно и имеет место, то вследствие взаимодействия между колебаниями оно может возрасти до столь большой величины, что в конце концов однородное состояние разрядной плазмы нарушится. Этот спонтанный переход из относительного однородного состояния к сильно неоднородному называется неустойчивостью разряда. Он является естественным следствием наиболее фундаментальных физических процессов, происходящих в плазме разряда. Как правило, неустойчивость проявляет себя расслоением или схлопыванием разряда.
В стратифицированном разряде [13, 20] плазма разделяется на чередующиеся слои с высокой и низкой плотностью, причем плоскости равной плотности ориентированы нормально к приложенному электрическому полю. В молекулярных СО2-лазерах стратифицирование разряда является результатом ионизационной неустойчивости, которая возникает вследствие определенного соотношения между величинами и между температурными зависимостями коэффициентов диссоциативного прилипания и констант скорости ионизации электронами (см. гл. 2 настоящей книги, а также работы [10, 14, 20, 25, 26]). При образовании страт в разряде действие лазера может прекратиться, однако обычно генерация продолжается, хотя и с меньшей эффективностью, причем выходное излучение
становится модулированным. При схлопывании разряда объем плдзмы сжимается или шнуруется в один или несколько небольших цилиндров или нитей, оси которых приблизительно параллельны приложенному электрическому полю. Шнурование разряда обычно прекращает работу лазера и ограничивает величину максимальной плотности мощности накачки, которая может быть достигнута в разряде. Поэтому шнурование разряда представляет собой наиболее серьезный ограничивающий фактор в технологии электроразрядных лазеров высокой мощности. В молекулярных лазерах схлопывание разряда обусловливается усилением тепловых колебаний плазмы за счет управляемых электронами процессов передачи энергии, протекающих с участием тяжелых частиц [14, 20—22]. В эксимерных лазерах схлопывание разряда является следствием ионизационной неустойчивости, рассмотрению которой и посвящена в основном данная глава. В настоящее время наиболее эффективным способом подавления обоих типов неустойчивости является внешнее управление процессом ионизации с помощью инжекции быстрых электронов в разряд [8]. Этот метод позволяет разорвать существующую в разряде связь между процессами образования электронов и нагрева. Разрыв такой связи позволяет влиять на эти процессы таким образом, что появляется возможность управлять нежелательными или дестабилизирующими последствиями конкретных столкновительных процессов, а также устранять их. Для управления неустойчивостями разряда успешно применялись высокочастотные электрические поля [11] и химические добавки [6].
