Моделирование процессов в ионизованной гелий-кадмий смеси высокого давления

• Автор: Макаров, Сергей Вячеславович
• Шифр специальности: 05.13.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 141 с.

Оглавление
Введение
1. НеСс! смесь высокого давления как активная лазерная среда
1.1. Генерация лазерного излучения на ионных переходах кадмия в разряде низкого давления
1.1.1. Возбуждение в положительном столбе
1.1.2. Возбуждение поперечным электрическим разрядом
1.1.3. Возбуждение разрядом с полым катодом
1.2. Генерация лазерного излучения при накачке продуктами ядерной реакции и пучком электронов
1.3. Кинетические модели процессов в ионизованной НеСс! смеси
1.4. Выводы и формулировка задач исследований
2. Расчётная модель процессов в НеСс! плазме
2.1. Моделирование молекулярной и атомарной кинетики
2.2. Моделирование электронной кинетики
2.3. Моделирование разрядного контура
2.4. Моделирование лазерной генерации и вывода излучения
2.5. Описание программы
3. Возбуждение НеСс1 смеси пучком электронов
3.1. Процессы в ионизованной НеСй смеси
3.2. Моделирование лазерной генерации на =441.6, 325.0 и 533.7 нм
3.3. Накачка микросекундными импульсами
3.4. Режим модуляции добротности
3.5. Влияние природы ионизирующего излучения

3.6. Влияние электронной температуры
4. Импульсный объёмный разряд в НеСс1 смеси высокого давления
4.1. Особенности расчётной модели
4.2. Функция распределения электронов по энергии
4.3. Константы скоростей ионизации и возбуждения
4.4. Кинетические коэффициенты электронов
4.5. Характеристики объёмного разряда
4.6. Люминесценция ионных линий кадмия
Заключение
Приложение
Библиографический список

Введение
Применение методов математического моделирования в исследованиях физики плазмы является традиционным способом изучения её свойств. Интенсивное развитие лазерной физики и техники, в частности, физики газовых лазеров, дало толчок развитию методов численного исследования физико-химических процессов в активных средах различного типа газовых лазеров. Использование методов математического моделирования позволяет изучать кинетику и эволюцию формирования лазерного излучения как в известных активных средах [1], например, С02 и эксимерных лазерах, так и в малоизученных активных средах.
Одним из важных направлений в области низкотемпературной плазмы является создание газовых лазеров высокого давления, работающих в широком диапазоне длин волн. В ближнем ИК, видимом и УФ диапазонах уже более 20 лет [2,3,4] успешно работают парометаллические газовые среды, обладающие относительно низким порогом накачки. Лазеры этого типа первоначально работали в различных типах разрядов при давлении, не превышающем 100 мм. рт. ст., однако прогресс в области создания новых источников накачки привёл к тому, что уже в 70-х годах были запущены первые НеЩ и НеСс1 лазеры высокого давления с накачкой осколками деления ядерных реакций [5,6,45]. Сейчас наиболее перспективными для накачки плотных сред считаются электронный пучок, осколки ядерных реакций и объёмный разряд. Эти способы накачки позволяют достигать высоких энерговкладов при достаточно малой расходимости излучения и большом КПД, кроме того они позволили рассматривать смеси инертных газов высокого давления с парами металлов в качестве активных сред для создания мощных, высокоэффективных плазменных лазеров. Накачка верхних рабочих

значительно ближе к кривой без учёта этой молекулы, а значит её ролью можно пренебречь.
Развитый в [53] подход был применён затем в работе [54] для
определения оптимальных условий накачки HeCd лазера высокого давления.
Оптимизация осуществлялась по давлению, температуре и мощности накачки.
При моделировании длина импульса накачки полагалась равной 1с, а его
мощность варьировалась от 50 до 200 Вт/см3. В этом диапазоне обнаружен
почти линейный рост коэффициента усиления. При W~100 Вт/см3 в
оптимальных условиях ненасыщенный коэффициент усиления для линии 441
нм составляет ~10"" см’, а КПД генерации по вложенной энергии ~0.4э-0.6%. Оптимизация по другим параметрам обнаружила максимум выходной мощности лазера при [Не]=21019 см'3 и Tg=360°C ([Cd]=0.61016 см'3). Пик мощности излучения достаточно острый и изменения мощности накачки, длины резонатора, коэффициента пропускания зеркал не влияют на его положение, а только изменяют его величину. В работе проанализировано влияние неравномерности энерговыделения на коэффициент усиления и показано, что при мощности накачки 50 Вт/см3 нужна прокачка газа со скоростью 500 м/с, чтобы градиент температуры не превышал 300 К/м. При такой прокачке и толщине канала ~11 см неравномерность энерговыделения будет минимальной.
Аналитический подход в анализе кинетики, описанный в [53] и применённый в [54] удовлетворительно описывает экспериментальные данные [45,46] только в условиях стационарной накачки. К тому же этот подход имеет множество допущений и связанных с этим ограничений его применения в других диапазонах параметров. По этой причине в работе [55] авторы от него отказались, и составленная система дифференциальных уравнений решалась уже численно, хотя и для квазистационарных условий эксперимента [45,46].