Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С помощью созданных 0D и 1D моделей НИПР рассчитана средняя концентрация атомов Ar* в центре межразрядного промежутка, которую обозначим как [Ar*]. Определялась зависимость [Ar*] от пикового значения E/N в области положительного столба или амплитуды анодного напряжения при других фиксированных параметрах НИПР. В результате этих расчетов получены значения амплитуды E/N в зависимости от содержания аргона XAr, при которых достигается [Ar*] = 10^13/см^3. Рассчитано, какая при этом выделяется средняя удельная тепловая мощность. Зависимость E/N имеет резко выраженный минимум при некотором значении XAr. При атмосферном давлении, межэлектродном расстоянии 5 мм, в смеси без атмосферных примесей минимум отношения E/N достигается при XAr = 0.5% независимо от длительности (в пределах 30 нс до 160 нс) , временной формы импульсов и частоты их повторения. Например, понижение частоты повторения импульсов до 100 кГц приводит только к увеличению минимального значения E/N до 11.4 Тд при том том же оптимальном значении XAr = 0.5%. В НИПР с частотой повторения 200 кГц с длительностью треугольных импульсов 160 нс минимум E/N равен 9.5 Тд или минимум амплитуды анодного потенциала равен 1015 В. Аналогичные значения E/N и амплитуды анодного потенциала получены для прямоугольного импульса длительностью 32 нс, но при при этом тепла выделяется в 3 раза меньше, чем с треугольными импульсами. Увеличение межэлектродного расстояния до 20 мм ведет к уменьшению радиационных потерь и уменьшению минимального значения E/N до 9 Тд. Увеличение атмосферных примесей (например, воды до 4 мторр) не изменяет оптимальное значение XAr, но увеличивает минимум E/N до 10.5 Тд. Оптимальное значение XAr изменяется от 0.5% до 1% при изменении давления от 500 торр до 750 Торр при одинаковой температуре T = 450 K. При атмосферном давлении оптимальное XAr= 0.3% при температуре плазмы 300 K и оптимальное XAr = 1% при 700 K. Оптимальное значение XAr обусловлено разнонаправленным изменением суммарного прироста активных компонент Ar*, He* и Ar+ в импульсе разряда, потерь и генерации Ar*, гибели электронов в послесвечении разряда с изменением XAr. Изменение полярности электродов через период увеличивает выход Ar* на 20%. Причина состоит в неполном растекании положительного заряда от катода за период распада плазмы. Разработана кинетическая модель лазера с оптической накачкой инертных газов (ЛОНИГ) в Ar-He плазме НИПР в условиях сильного оптического насыщения (просветления) перехода накачки 1s5<=>2p9 и лазерного перехода 2p10 < = > 1s5 атома аргона. В кинетику переходов между уровнями атома Ar включены процессы спонтанных переходов 2pi = > 1sj (1sj= 1s2,1s3,1s4,1s5; 2pi = 2p10, 2p9, 2p8), столкновительных переходов 2pj + M = > 2pi +M, 2pi+M=> 1sj+M, 1si+M=>1sj+M , где M= He, Ar, e. Расчет и оценка констант скоростей с участием электронов проведены в пакете BOLSIG+ с базой данных по сечениям BSR (www.lxcat.net/BSR). В ЛОНИГ плазма НИПР может находится в трех режимах воздействия на нее оптической накачки (ОН) и лазерного излучения (ЛИ). Режим разряда D - НИПР без ОН и без ЛИ, режим P – НИПР с ОН но без ЛИ, режим L –НИПР с ОН и ЛИ. При амплитуде E/N= 9.5 Тд в режиме D [Ar*]= 10^13/см^3. Включение ОН вызывает усиленное заселение s4 спонтанными переходами и столкновительной релаксацией с верхних p8, p9,p10 уровней. В результате частота потерь Ar* через резонансное излучение увеличивается до 10^6/c. Происходит падение вклада пеннинг реакции Ar*+Ar*=>Ar(+)+Ar+e в ионизацию плазмы. Из-за падения ионизации падает наработка Ar*, He* и Ar(+) во время импульса разряда. Примерно через 20 импульсов после включения ОН разряд переходит в устойчивый НИПР в режиме работы P, устанавливается квазинепрерывная концентрация [Ar*]=3*10^11/см^3. Теперь в межимпульсном интервале времени на уровне 1s5 находится только 1-2% возбужденных атомов, в состоянии 1s4 увеличивается до 70-80%, остальные атомы распределены по состояниям 2p10, 2p9, 2p8. После включения ЛИ, т.е. перехода в устойчивый режим L, устанавливаются удельная мощность поглощения ОН, равная 1.91 Вт/см^3 и удельная мощность ЛИ, равная 1.2 Вт/см^3. После этого увеличение амплитуды E/N до 13.3 Тд приводит к восстановлению [Ar*] до 10^13/см^3, увеличению удельной мощности поглощения ОН до 100 Вт /см^3, удельной мощности ЛИ до 65 Вт /см^3, удельной мощности тепловыделения 56 Вт/см^3. При достижении удельной мощности ЛИ до 200 Вт/см^3 необходимо отводить тепловую мощность ~ 200 Вт с 1 см3 объема разрядной камеры для поддержания необходимой температуры плазмы и устойчивости разряда. Внезапное отключение ОН и переход НИПР в режим D с амплитудой E/N=13/3 Тд ведет к тепловыделению 1500 Вт/см3. Включение и выключение ОН сопровождаются сильными изменениями удельного тепловыделения в плазме НИПР, что может приводить к непредсказуемой ионизационно-перегревной неустойчивости при изменении режима ОН. Величина прогнозируемых коэффициента усиления и удельной мощности ЛОНИГ значительно зависит от выбора кинетических констант переходов 1s5 -1s4 и 2p - 1s в столкновениях с атомами Ar и He и электронами. В пределах доступного выбора значений констант реакций из литературы расчетная удельная мощность ЛИ может изменяться в пределах от 30 до 330 Вт/см3 при E/N = 13.3 Тд. Для получения приемлемых удельных мощностей (~ 100 Вт/см3) ЛИ и поглощения ОН требуются высокие значения параметра E/N, при которых удельное тепловыделение будет сравнимо с лазерной мощностью. Расселение атомов аргона с уровня 1s4 на уровни 2p10, 2p8 с помощью дополнительной ОН позволит уменьшить радиационные потери Ar*.