2.2.6. Неустойчивости разряда

Попытки увеличить выходную энергию электроразрядных лазеров путем увеличения вводимой электрической энергии неизбежно наталкиваются на ограничения, связанные с развитием неустойчивостей разряда. Такие неустойчивости причиняют неприятности, особенно в случае эксимерных лазеров на фторидах инертных газов, и являются предметом рассмотрения в гл. 14 настоящей книги. Ниже мы кратко укажем, какие из неустойчивостей связаны с при липанием или с образованием отрицательных ионов.

2.2.6.1. Ионизационная неустойчивость в разрядах CO2-лазеров

Локальное возмущение плотности электронов плазмы как обстоятельно показал Хаас [48], вызывает сильное возмущение Е (с обратным знаком) локального электрического поля. Коэффициент связи можно получить из условий непрерывности плотности тока

Так как для большинства газов обе частные производные от величины оказываются положительными, то и пр должны иметь противоположные знаки.

Если обозначить через R суммарную скорость образования электронов в различных процессах, то результирующее изменение возмущения можно записать в виде

Возмущение будет возрастать или уменьшаться в зависимости от того, положительной или отрицательной будет величина

Для разряда СО2-лазера в этом уравнении преобладающим оказывается последний член, так что необходимое условие возникновения неустойчивости имеет вид При этом, например, локальное уменьшение величины усиливается вследствие уменьшения скорости рождения электронов, вызываемого связанным с этим увеличением локального поля. В случае когда величины определяются лишь процессами одноступенчатой ионизации и прилипания, условие развития неустойчивости вместо уравнения принимает простой вид: где — коэффициенты соответственно прилипания и ионизации газа, а производные взяты для рабочих значений параметра E/N, определяемых условием Поскольку величина является возрастающей функцией от E/N, для развития неустойчивости необходимо, чтобы отношение возрастало с Это имеет место в таких газах, как или для которых порог диссоциативного прилипания достаточно высок, скажем более 3 эВ. В таких газах прилипание проявляется относительно слабо. В гораздо большей степени это проявляется у таких газов, как для которых в соответствующей области значений оказывается спадающей функцией от , следовательно, рассмотренный частный случай неустойчивости не может реализоваться.

Во всех известных случаях условие означает, что и для поддержания разряда в стационарном режиме горения необходимо присутствие дополнительных процессов образования электронов. В работах [70, 71] рассмотрена ситуация, когда образование электронов обеспечивается реакцией ассоциативного отлипания

Дуглас-Гамильтон и Майи [41] рассмотрели этот же тип неустойчивости для случая, когда высокоэнергетический электронный пучок действует как дополнительный внешний источник электронов.

2.2.6.2. Отрицательная вольт-амперная характеристика разряда

Динамический импеданс однородной разрядной среды можно представить в виде

и в стационарном случае условие позволяет нам написать следующее соотношение:

(Таким образом, мы получаем

Сравнение уравнений (11) и (15) показывает, что если то разряд, имеющий отрицательный динамический объемный импеданс, также будет подвержен локальным неустойчивостям. Дуглас-Гамильтон и Мани [41] обнаружили эту особенность в полученных ими результатах.

В тех разрядах, в которых имеет место многоступенчатый процесс ионизации, может реализоваться условие Рассмотрим, например, случай, когда R можно представить в виде

где — скорость образования электронов внешним источником, — частота ионизации, обусловленная -ступенчатым процессом, и — полная частота црилипания, обусловленная одноступенчатыми процессами ионизации и прилипания. Используя уравнение (15), можно непосредственно показать, что при отрицательном значении достаточным условием

того, что величина будет положительной, является выполнимость соотношения Поскольку в стационарном самостоятельном разряде требуется, чтобы выполнялось условие самостоятельный разряд будет иметь отрицательную вольт-амперную характеристику

Этот тип объемной неустойчивости рассматривался Догерти и др. [31] в связи с описанием лазеров на фторидах инертных газов. Механизм работы этих лазеров включает двухступенчатую ионизацию атомов инертных газов. Процессы более высокого порядка рассмотрены в работе [89].

Из предыдущего анализа следует, что этот тип объемной неустойчивости можно рассматривать как проявление отрицательной вольт-амперной характеристики разряда. В гл. 13 показано, что однородность разряда можно поддерживать, используя внешнее балластное сопротивление, которое позволяет предотвратить развитие неуправляемой формы разряда, наблюдавшейся Догерти и др. [31]. Однако колебания плотности тока (электронов) имеют тенденцию нарастать в направлении, перпендикулярном полю, что в конечном счете может привести к резкой контракции разряда. На практике обычно реализуется неустойчивость другого вида, которую мы рассмотрим в разд. 2.2.6.3.

2.2.6.3. Переход от тлеющего разряда к дуговому

Переход от тлеющего разряда к дуговому является неустойчивостью, которая отчетливо обнаруживается по развитию одной или более изолированных очень узких и ярко светящихся нитей, образующихся, как правило, в непосредственной близости от электрода. Весь набор физических процессов, определяющих их рост, до сих пор полностью не ясен, однако экспериментально было показано, что вследствие этого эффекта при некотором значении коэффициента прилипания и давлении 1000 мм рт. ст. ток разряда резко уменьшается. Дзн и др. [40] показали, что этот критический уровень коэффициента прилипания газовой смеси свидетельствует о наличии электроотрицательных компонент, собственная эффективность прилипания которых изменяется примерно в 100 раз. Детали механизма, вызывающего этот эффект, неизвестны.