Веснов Игорь Геннадьевич. Стабилизация состава активной среды отпаянных лазеров на углекислом газе с поперечным высокочастотным возбуждением

Краткое описание

Веснов Игорь Геннадьевич. Стабилизация состава активной среды отпаянных лазеров на углекислом газе с поперечным высокочастотным возбуждением : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.04.- Рязань, 2001.- 149 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-1/452-4

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С. А. ЕСЕНИНА
На правах рукописи
Веснов Игорь Геннадьевич
СТАБИЛИЗАЦИЯ СОСТАВА АКТИВНОЙ СРЕДЫ
ОТПАЯННЫХ ЛАЗЕРОВ НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ
С ПОПЕРЕЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ
ВОЗБУЖДЕНИЕМ
01.04.04 - физическая электроника
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
Научные руководи!ели: д. ф.-м. н., профессор В. А. Степанов;
к. ф.-м. н., С.И. Мольков
РЯЗАНЬ 2001
з
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
Глава 1. Физические процессы, ограничивающие срок службы отпаянных СОг лазеров 15
1.1. Основные химические процессы, протекающие в активной
среде С02 лазеров 17
1.2. Методы повышения долговечности отпаянных С02 лазеров 24
1.2.1. Выбор материала катода отпаянных волноводных
С02 лазеров 25
1.2.2. Способы стабилизации газового состава отпаянных
С02 лазеров 27
1.3. Функция распределения электронов по энергиям в плазме
активной среды С02-лазеров 33
1.4. Постановка задачи 42
Глава 2. Экспериментальная установка и методика эксперимента 44
2.1. Экспериментальная установка 44
2.2. Конструкции исследуемых лазеров 47
2.3. Выводы 57
Глава 3. Теоретическая модель, описывающая кинетику диссоциации двуокиси углерода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением 58
3.1. Основные химические процессы, ответственные за деградацию
газового состава отпаянных С02 лазеров 58
3.2. Уравнения, описывающие скорость изменения концентраций
компонентов газовой смеси 64
3.3. Расчёт степени диссоциации двуокиси углерода 68
3.4. Выводы 74
Глава 4. Функция распределения электронов по энергиям в плазме активной среды СО2 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением
4.1. Аналитическое решение кинетического уравнения Больцмана
4.2. Результаты расчёта
4.3. Выводы
Глава 5. Тепловой режим отпаянных СО2 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением
5.1. Решение уравнения теплопроводности
5.2. Оптимизация теплового режима и давления газовой смеси в щелевых лазерах
5.3. Выводы
Глава 6. Теоретическое и экспериментальное изучение диссоциации двуокиси углерода в отпаянных СОг лазерах с поперечным ВЧ возбуждением
6.1. Обоснование правомерности сравнения рассчитанных и измеренных
величин степени диссоциации двуокиси углерода 99
6.2. Расчёт степени диссоциации углекислого газа и содержания атомарного кислорода в активной среде лазеров на углекислом
газе 106
6.3. Определение величины константы скорости реакции гетерогенной
рекомбинации атомарного кислорода и монооксида углерода на поверхности алюмооксидной керамики 109
6.4. Установление зависимости степени диссоциации двуокиси углерода
в активной среде отпаянных С02 лазеров от условий поддержания поперечного ВЧ разряда 110
6.5. Влияние процессов, протекающих на поверхности разрядного канала, на степень диссоциации двуокиси углерода
6.6. Динамика состава активной среды отпаянных волноводных
СОг лазеров с чисто керамическими и содержащими катализатор
волноводами в процессе их длительной эксплуатации 128
6.7. Выводы 135
Заключение 137
Список литературы 139

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность диссертационной работы. Опыт разработки отпаянных СОг лазеров показывает, что обеспечение неизменных энергетических характеристик излучателей в процессе эксплуатации требует использования устойчивых к распылению катодов и стабилизации газового состава активной среды.
В свою очередь проблема стабилизации газового состава в лазерах с высокочастотным (ВЧ) поперечным возбуждением (волноводных и щелевых) включает в себя задачу оптимизации содержания в разрядном промежутке атомарного кислорода. Присутствие последнего, необходимое для эффективной регенерации углекислого газа и обеспечения приемлемой величины степени диссоциации, вызывает снижение инверсии населённости и мощности генерации лазера.
Непосредственный перенос на отпаянные СС^-лазеры с поперечным ВЧ возбуждением известных способов стабилизации газового состава, реализуемых в случае лазеров на постоянном токе, затруднителен, так как отличия в условиях возбуждения разряда и конструкциях активных элементов приводят к значительному изменению кинетики диссоциации двуокиси углерода.
Трудоёмкость прямых экспериментальных исследований влияния на степень диссоциации двуокиси углерода условий поддержания разряда и конструктивных особенностей разрядного канала отпаянных С02-лазеров с поперечным ВЧ возбуждением, а также низкая точность определения концентрации атомарного кислорода в подобного типа лазерах, обуславливают необходимость создания адекватной теоретической модели, описывающей кинетику диссоциации двуокиси углерода.
Цель работы:, выявление факторов, определяющих степень диссоциации углекислого газа и содержание атомарного кислорода в активной среде отпаянных С02-лазеров с поперечным ВЧ возбуждением.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
• адаптация существующих теоретических моделей, описывающих кинетику диссоциации двуокиси углерода в активной среде С02 лазеров, к условиям поддержания поперечного ВЧ разряда в волноводах и щелевых разрядных структурах;
• исследование зависимости степени диссоциации двуокиси углерода и содержания атомарного кислорода от удельной мощности накачки, режима возбуждения, давления рабочей газовой смеси, особенностей конструкции разрядного канала;
• нахождение способов стабилизации газового состава отпаянных волноводных С02-лазеров с ВЧ возбуждением.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Развита теоретическая модель, позволяющая рассчитывать в активной среде отпаянных С02-лазеров с поперечным ВЧ возбуждением концентрации С02, СО, О и 02.
2. Разработан метод решения самосогласованной задачи по определению степени диссоциации двуокиси углерода.
3. Получено аппроксимационное выражение для функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды С02-лазеров.
4. Определено значение константы скорости реакции гетерогенной рекомбинации СО + О -» С02 на поверхности алюмооксидной керамики.
5. Показано, что отсутствие реакции гетерогенной рекомбинации монооксида углерода и атомарного кислорода на поверхности металлических электродов приводит к возрастанию степени диссоциации
двуокиси углерода в активной среде отпаянных С02-лазеров с металлокерамическими волноводами на 20-25% по сравнению с лазерами с чисто керамическими волноводами.
6. Установлено, что замена азота на монооксид углерода в лазерной смеси позволяет снизить на 30% степень диссоциации углекислого газа и относительное содержание атомарного кислорода в щелевых С02 лазерах с покрытыми золотом электродами.
Научные положения, выносимые на зашиту:
1. Расчёт степени диссоциации двуокиси углерода и содержания атомарного кислорода в активной среде отпаянных С02-лазеров с поперечным ВЧ возбуждением требует учёта в уравнениях кинетики газовой смеси диффузионного потока атомов кислорода на электроды.
2. Преимущественный вклад в кинетику регенерации углекислого газа в активной среде отпаянных С02-лазеров с поперечным ВЧ возбуждением даёт реакция гетерогенной рекомбинации О и СО на поверхности разрядного канала.
3. В разрядном канале, полностью ограниченном диэлектрическими стенками, степень диссоциации а двуокиси углерода и относительная концентрация атомарного кислорода [О] являются монотонно убывающими функциями отношения поверхности стенок S к объёму активной среды V вида:
а = ехр[4.17 - 0.22-(S/V) + 0.02-(S/V)2], %
[О] = 10'2-ехр[4.14 - 0.25-(S/V) + 0.03-(S/V)2], %
где S/V выражено в мм'1.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается согласием результатов экспериментальных и теоретических исследований, а также прямыми испытаниями созданных лазеров.
Практическая значимость работы:
1. Установленные в диссертационной работе соотношения позволяют оперативно рассчитывать степень диссоциации двуокиси углерода и содержание атомарного кислорода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением в широком диапазоне разрядных условий.
2. Предложены следующие способы стабилизации состава активной среды отпаянных волноводных (в том числе щелевых) С02 лазеров с ВЧ возбуждением:
- использование волноводного канала с четырьмя диэлектрическими стенками;
- замена азота на монооксид углерода в лазерной смеси щелевых С02 лазеров, электроды которых покрыты золотом.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 149 страниц, 11 таблиц, 31 рисунок. Список литературы состоит из 118 наименований.
Первая глава диссертации представляет собой обзор литературы, в котором проанализированы:
• причины, приводящие к падению выходной мощности лазерной генерации отпаянных С02-лазеров в процессе их длительной
эксплуатации;
• основные химические реакции, протекающие как в активной среде, так и на поверхности разрядного канала, в процессе работы С02 лазеров;
• механизмы деградации газового состава отпаянных С02 лазеров;
• способы стабилизации химического состава газового состава отпаянных С02 лазеров на постоянном токе;
• методы расчёта функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды С02 лазеров.
Обзор литературы завершается постановкой конкретных задач, решаемых в диссертационной работе.
Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки для измерения выходной мощности излучения и анализа химического состава активной среды отпаянных волноводных С02-лазеров с ВЧ возбуждением. В ней приведены методики измерений и их погрешности; изложены особенности конструкций восьми волноводных и двух щелевых лазеров, в которых изучались процессы деградации газового состава и отличающихся геометрическими размерами, материалом покрытия электродов и стенок разрядного канала, давлением и составом активной среды, мощностью накачки; методы согласования с ВЧ генератором, конструкции резонаторов и способы герметизации исследуемых в диссертационной работе лазеров; приведены максимально достигнутые по результатам работы мощности лазерной генерации.
В третьей главе развита теоретическая модель, описывающая кинетику разложения углекислого газа в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением. Она основана на совместном решении уравнений непрерывности для компонент активной среды, кинетическом уравнении Больцмана и уравнении теплопроводности. Модель позволяет рассчитывать зависимости концентраций С02, СО, О и 02 в активной среде
от условий поддержания поперечного ВЧ разряда, исходного состава активной среды и особенностей конструкции разрядного канала (наличия диэлектрических и каталитический покрытий металлических электродов).
Так как константы диссоциации двуокиси углерода и молекулярного кислорода, фигурирующие в модели, зависят от химического состава активной среды, то расчёт концентраций СОг, СО, О и 02 представляет собой самосогласованную задачу. В рамках развитой теоретической модели разработан метод её решения.
В четвёртой главе получено аппроксимационное выражение для функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением. Полученное выражение позволяет рассчитывать энергетический спектр электронов как в постоянном, так и в переменном электрических ПОЛЯХ.
Проведённые оценки показали, что вклад приэлектродных слоев поперечного ВЧ разряда в кинетику разложения углекислого газа незначителен по сравнению с вкладом области разряда, занятой квазинейтральной плазмой. Это обстоятельство позволяет использовать локальную функцию распределения электронов по энергиям в плазме при расчёте констант скорости реакций.
Установлено, что параметры плазмы активной среды С02-лазеров (средняя энергия электронов, константа заселения верхнего лазерного уровня, дрейфовая скорость электронов), вычисленные на основе полученного аналитического выражения для функции распределения электронов по энергиям, находятся в хорошем согласии с величинами, определёнными путём прямого применения численных методов.
Приближённое аналитическое выражение, описывающее энергетический спектр электронов, использовано при самосогласованном расчёте степени диссоциации двуокиси углерода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением.
В пятой главе получено аналитическое решение стационарного уравнения теплопроводности для прямоугольной области, описывающее распределение температуры газа по сечению разрядного канала в зависимости от его геометрических размеров и удельной мощности накачки.
Анализ решения уравнения теплопроводности позволил установить, что при переходе от двумерного охлаждения активной среды в разрядных каналах квадратного сечения к одномерному (в щелевых разрядных структурах) необходимо снижать до 2,5 раз объёмную плотность мощности ВЧ накачки.
Получено аналитическое выражение для зависимости отношения оптимальной вкладываемой в щелевую разрядную структуру мощности к таковой для канала квадратного сечения от отношения поперечных размеров волновода.
Установлено, что переход к возбуждению активной среды в щелевой разрядной структуре наряду со снижением удельной мощности накачки требует также уменьшения (примерно на 30 %) общего давления газовой смеси.
В шестой главе проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования зависимости степени диссоциации двуокиси углерода от условий поддержания разряда, состава активной среды и особенностей конструкции разрядного канала (наличия диэлектрических и каталитических покрытий электродов) в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением.
Определено значение константы скорости реакции гетерогенной рекомбинации О и СО на поверхности алюмооксидной керамики.
Выявлен преимущественный вклад в кинетику разложения двуокиси углерода процессов, протекающих на поверхности разрядного канала, над объемными процессами.
Установлены соотношения, позволяющие оперативно рассчитывать степень диссоциации двуокиси углерода и содержание атомарного кислорода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным возбуждением.
На основе проведённых исследований найдены способы стабилизации состава активной среды отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на IX и X Всероссийских конференциях по физике газового разряда (Рязань, 1998, 2000) и на 14— Международном симпозиуме по химии плазмы (Чехия, Прага, 1999).
По материалам диссертации опубликовано 9 работ:
1. И.Г. Веснов, С.И. Мольков, В.А. Степанов. Функция распределения электронов по энергиям в высокочастотном разряде на смеси атомарных газов// Тезисы докладов IX Всероссийской конференции по физике газового разряда. - Рязань, 1998. - Т. 1. - С. 5-6.
2. И.Г. Веснов, С.И. Мольков, В.А. Степанов, Е.Ф. Шишканов. Исследование теплового режима С02-лазеров с высокочастотным возбуждением среды в планарном канале// Вестник Рязанской Государственной Радиотехнической Академии. - Рязань, 1998. - Выпуск №5, С. 81-83.
3. И.Г. Веснов, С.И. Мольков, В.А. Степанов. Функция распределения электронов по энергиям в высокочастотном разряде на смеси молекулярных газов// Тезисы докладов IX Всероссийской конференции по физике газового разряда. - Рязань, 1998. - Т.1 - С. 7.
4. S.I. Mol’kov, E.F. Shishkanov, V.A. Stepanov, I.G. Vesnov. Carbon dioxide dissociation in transverse radio frequency discharge C02 lasers// Abstracts

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное изучение диссоциации двуокиси углерода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением. На основе проведённых исследований найдены способы стабилизации состава активной среды лазеров этого класса. Установленные в диссертационной работе соотношения позволяют оперативно рассчитывать степень диссоциации углекислого газа и содержание атомарного кислорода в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением. Полученные в диссертационной работе результаты используются при создании нового поколения (щелевых) С02 лазеров.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся к следующему:
1. Развита теоретическая модель, позволяющая рассчитывать концентрации С02, СО, О и 02 в активной среде отпаянных С02 лазеров с ВЧ возбуждением.
2. Получено аналитическое выражение для функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением, которое использовалось для самосогласованного расчёта степени диссоциации двуокиси углерода.
3. Определено значение константы скорости реакции гетерогенной рекомбинации СО + О -> С02 на поверхности алюмооксидной керамики.
4. Установлен преимущественный вклад в кинетику диссоциации углекислого газа в активной среде отпаянных С02 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением процессов, протекающие на поверхности разрядного канала, по сравнению с объёмными процессами.
5. Найдены простые аналитические выражения, позволяющие рассчитывать степень диссоциации двуокиси углерода и атомарного кислорода в активной среде отпаянных СО2 лазеров с поперечным ВЧ возбуждением в зависимости от отношения поверхности диэлектрических стенок к объёму активной среды.
6. Установлено, что использование волноводного канала с четырьмя диэлектрическими стенками позволяет стабилизировать состав активной среды отпаянных СОг лазеров с поперечным ВЧ возбуждением.
7. Показано, что замена в лазерной смеси щелевых С02 лазеров с покрытыми золотом электродами азота на монооксид углерода позволяет снизить на 30% степень диссоциации углекислого газа и относительное содержание атомарного кислорода.
В заключении хотелось бы выразить огромную благодарность своим научным руководителям д.ф.-м.н., профессору В.А. Степанову и к.ф.-м.н., доценту С.И. Молькову за помощь в работе, внимание и критические замечания. Считаю также своим долгом выразить большую признательность к.ф.-м.н., с.н.с. Е.Ф. Шишканову, д.ф.-м.н., профессору М.В. Чиркину, д.т.н., профессору О.Н. Крютченко, к.ф.-м.н., доценту А.Б. Ясребкову, к.ф.-м.н. В.М. Черезову за полезные рекомендации и обсуждение основных результатов работы.