Плазмо-химические реакции

Эффективные импульсно-периодические эксимерные лазеры

Романов Всеволод Владимирович

 

Научный руководитель

д. ф.-м.н, ИСЭ СО РАН

_________Лосев В. Ф.

Автор работы
Романов В.В

 

Томск 2011

1. Введение 1

2. Кинетика

1.Эксимерные молекулы 3

2.Плазмо-химические реакции 4

3.Упрощенная модель кинетики образования XeCl молекулы 6

3. Система возбуждения

1. Механизмы возбуждения эксимерных лазеров7

2. Возбуждение эксимерного лазера элекронным пучком7

3. Возбуждение зксимерного лазера разрядом 9

4. Общая характеристика систем предыонизации 11

5. Основные схемы возбуждения ЭЭЛ 12

6. Использование LC-контура для возбуждения

электроразрядных эксимерных лазеров15

7. Описание схемы LC-инвертора 17

4. Системы прокачки рабочей смеси19

5. Резонатор лазера

1. Формирование лазерного излучения22

2. Формирование расходимости выходного излучения при использовании различных типов резонаторов23

3. Формирование узкой спектральной линии излучения в селективных резонаторах, включающих в себя дифракционные решетки и эталоны Фабри-Перо 28

6. Экспериментальные приборы и методики измерений

1. Приборы и методы измерения30

2. Погрешности измерений32

3. Экспериментальные установки и их характеристики 32

7. Исследования формирования качественного излучения

1. Расходимость выходного излучения сформированного в плоско параллельном резонаторе. 40

2. Формирование излучения с узкой спектральной линии в селективном резонаторе. 44

8. Литература. 50

 

 

Введение

Эксимерные (эксиплексные) молекулы – широкий класс молекул, существующих только в возбужденных состояниях.

Начало работ по получению генерации на таких молекулах приходится на 1966 – 1969 гг. В 1970 г. в СССР был создан первый эксимерный лазер на жидком ксеноне с накачкой электронным пучком. В дальнейшем генерация на молекулярном ксеноне была осуществлена в плотном газе при давлении в десятки атмосфер. Таким образом, димер инертного газа Xe₂^* первая эксимерная молекула, на которой была получена генерация. Лазеры, работающие на другой разновидности эксимерных молекул – галогенидах инертных газов, созданы в 1975 г. Своеобразие этого класса газовых лазеров является прямым следствием строения эксимерных молекул и способа их образования.

Для лазеров на галогенидах инертных газов коротковолновый диапазон излучения от 193 до 353 нм при возможности достижения высокой импульсной и средней мощности генерации (энергия таких лазеров достигает нескольких сот джоулей) с полным КПД до 10%. Максимальная энергия генерации получена на молекулах ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 308 нм) и XeF (λ = 351 нм). Лазеры обычно работают на смеси, состоящей из легкого инертного газа He, Ne (~95%) и более тяжелого инертного газа Ar, Kr, Xe (~5%) с небольшой добавкой галогеноносителя (F₂, NF₃, Hcl), при давлении порядка трех атмосфер. Наличие тяжелого инертного газа и электроотрицательных компонент (при высокой концентрации захватывают электроны), высокое давления (классический тлеющий разряд существует только при низком ~ 10³ Па), а также необходимость обеспечения высокого уровня вкладываемой мощности, обуславливают жесткие требования к лазерным системам.

 

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов	Окислы благородных газов	Пары металлических соединений
Активная молекула	Xe2*	Kr2*	Ar2*	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
λген, нм		145,7
∆λ, нм		13,8
Римп, МВт (Рср, Вт)
τ, нс			4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
λген, нм
∆λ, нм		1,5	1,5		2,5
Римп, МВт (Рср, Вт)	(100)			(0,02)	(7)	(0,05)
τ, нс

Табл. 1. Характеристики эксимерных комплексов.

Ещё одним достоинством данного класса лазеров является то, что они эффективно работают при различных способах накачки, а системы накачки являются универсальными для получения генерации на различных молекулах при замене рабочей смеси. Для осуществления генерации необходимо, чтобы концентрация возбужденных эксимерных молекул была порядка N_В «10¹⁴ - 10¹⁵ см^-3. Для создания подобной концентрации необходимо обеспечить весьма высокое значение энергии накачки ξ_н ~ 10^-2 дж/см³ за время порядка 10^-8 - 10^-7 сек. Столь высокая плотность энергии накачки достигнута при пропускании через газ мощного разряда.

Перечисленные достоинства обуславливают широкую область применения эксимерных лазеров.

До настоящего времени, эксимерный лазер на молекуле XeCl является одним из наиболее мощных источников интенсивного ультрафиолетового излучения. Тридцатилетняя история исследований XeCl-лазера позволила достичь большого прогресса в этой области. На сегодняшний день реализованы как частотные, так и моноимпульсные режимы с генерацией в диапазоне длительностей от десятка до нескольких сотен наносекунд. Типичные значения для коммерческих XeCl лазеров составляют: КПД лазера 1-2 %, удельный энергосъем с активной среды 0.5-1 Дж/литр×атм., при удельной мощности накачки до 1 MВт/cм³ и длительности импульса 20-30 нс [1]. В то же время в работах [2-4] показана возможность увеличения КПД XeCl лазера и удельного энергосъема не менее чем в два раза. В работе [5] описаны результаты исследования лазера с мощностью накачки 45 МВт/см³ и плотностью разрядного тока 14 кА/см², при этом КПД лазера по мощности составлял 0.8%, а максимальный удельный энергосъем ~2.4 Дж/литр×атм, интенсивность выходного пучка 4.8 МВт/см². В работе [6] при использовании УФ-предыонизации были реализованы условия горения разряда при плотности мощности накачки 3.77 МВт/см³, КПД лазера достигал 2.9%, удельный энергосъем с активной среды - 0.6 Дж/литр×атм, а интенсивность выходного пучка - 6.5 МВт/cм². С изменением давления смеси от 4 до 6 атм и зарядного напряжения U₀ от 18 до 36 кВ КПД лазера снижался до 1.8%, но удельный энергосъем достигал ~1 Дж/литр×атм, а интенсивность выходного излучения составляла 15.7 МВт/см². В работе [7] нами была реализована возможность горения разряда, состоящего из множества диффузных каналов при средней мощности накачки 10 МВт/см³ и средней плотности тока 5 кА/см², КПД лазера с такой активной средой составил 1.2%, удельный энергосъем ~3.9 Дж/литр×атм, интенсивность выходного пучка 14.9 Мвт/см². В большинстве случаев эффективность работы лазерных установок существенно снижалась при реализации максимального энергосъема с активной среды. При этом причинами, приводящими к снижению называются либо развитие неустойчивостей в разряде, либо не оптимальные условия для образования и тушения рабочих молекул XeCl^* в плазме в результате протекающих плазмо-химических реакций.

Цель работы:

Исследование формирования качественного излучения электроразрядного импульсно-периодического XeCl лазера с длительностью импульса накачки 30 нс, расходимостью близкой к дифракционному, увеличения КПД и повышения значения удельного энергосъема с активной среды в импульсно-периодическом XeCl лазере.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1) Показать что, при высокой удельной мощности накачки реализуется однородный объемный разряд.

2) Реализация высокого КПД и высокой плотности мощности выходного.

3) Исследовать угловую расходимость, энергию выходного излучения сформированного в плоско-параллельном резонаторе.

4) Исследовать расходимость, энергию, и временной профиль выходного излучения с диафрагмами в резонаторе.

5) Исследовать формирование излучения с узкой спектральной линии в селективном резонаторе.

 

Кинетика

Эксимерные молекулы

Это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии. Как известно, атомы благородных газов не образуют химических соединений. Это свойство объясняют тем, что атомы данного типа не имеют электрона на незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону, принадлежащему другому атому, с противоположно направленным спином. Наличие подобной пары является одним из условий образования ковалентной химической связи, объясняющей существование стабильного химического соединения.

В случае, если атом благородного газа находится в возбужденном состоянии, данное препятствие снимается, поскольку при этом имеется электрон, занимающий одну из незаполненных оболочек атома. Этот электрон может, вообще говоря, составить пару своему собрату, имеющему противоположное направление спина и принадлежащему другому атому. В результате между атомами возникает взаимодействие, соответствующее притяжению, что открывает возможность образования молекулы, одним из атомов которой является атом благородного газа. Именно такая молекула и носит название эксимерной.

Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать бесконечно долго. Она распадается за времена порядка нескольких наносекунд, излучая световой квант. Под действием отталкивания атомы быстро разлетаются в противоположных направлениях.

Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы, которые характеризуются соответствующими системами энергетических состояний. Она способна вступать в химические реакции. Однако главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду, которая может быть использована в качестве основы для создания мощного лазера. Лазеры такого типа, получившие название эксимерных, составляют группу наиболее интенсивных газовых лазеров ультрафиолетового диапазона.

Возможность создания лазеров на переходах эксимерных молекул основана на специфическом расположении кривых потенциальной энергии основного и возбужденного состояний молекулы, образующихся при сближении атомов.

Рис. 1. Характерные термы эксимерной молекулы, благоприятные для работы эксимерного лазера.

 

 

 

Рис. 2.Энергетические уровни молекулы XeCl*.

 

Верхний терм лазерных переходов соответствует возбужденной молекуле с ионным типом связи. Такая молекула образуется при сближении иона инертного газа и отрицательного иона галогена. На далеких расстояниях взаимодействие отвечает кулоновскому притяжению, которое при дальнейшем сближении сменяется обменным отталкиванием электронов и кулоновским отталкиванием ядер.

Плазмо-химические реакции.

Исследование кинетики реакций в газах на галогенидах инертных газов довольно сложно. В кинетических процессах участвует много частиц: атомы и молекулы в основном и возбужденном состоянии, несколько сортов ионов, а также большое число возбужденных атомов и молекул. С целью упрощения рассмотрения кинетики реакций происходящих в эсимерных лазерах, разделим все реакции, происходящие в плазме на 8 групп, рассмотрим лишь наиболее важные из них. При этом некоторые реакции могут принадлежать не только одной группе, а двум и более. Первыe три группы составляют:

I. Первичные реакции с электронами, например:

1. e + He → He⁺ +e +e (1)

2. e + Xe → Xe^* + e (2)

3. e + HCl → HCl(v) +e (3)

 

II. Реакции между частицами буферного газа, например

4. He^* + He + He → He₂ * + He (4)

5. He+ + 2He → He2+ + He (5)

6. Ne^* + Ne + Ne → Ne₂^* + Ne (6)

III. Реакции с HCl, например:

7. e + HCl → HCl(v) +e (7)

8. e + HCl → H + Cl^- (8)

9. e + HCl → HCl+ +2e (9)

 

IV. Реакции с потерями электронов и положительно заряженных ионов:

а) диссоциативная рекомбинация:

10. HeXe⁺ +e → Xe^* + He (10)

 

б) тройная рекомбинация, например:

11. He₂+ + e + He → He^* + 2He (11)

 

в) прилипание электрона к нейтральным частицам, например:

12. e + HCl → H + Cl^- (12)

13. Cl +e + Ne → Cl^- +e + Ne (13)

 

отрицательный и положительный ионы могут рекомбинировать как бинарно (перезарядка):

14. Cl^- + Xe⁺→Xe^* + Cl (14)

так и в тройных соударениях:

15. Xe⁺ + Cl^- + Ne → XeCl^* + Ne (15)

 

Реакции (12) и (13) протекают достаточно быстро. Следует заметить необычайную зависимость скорости этих реакций от давления. При давлении ниже одной атмосферы константа скорости этих реакций имеет достаточно большое значение. Реакция типа (13) вносит существенный вклад в образование возбужденных молекул галогенидов инертных газов. Это предположение основано на высоких КПД лазеров, наблюдаемых на молекулах ХеСl. Теоретическим обоснаванием эффективности такого процесса является то, что кривая кулоновской потенциальной энергии вдоль которой происходит движение ионов, пересекает большую часть ковалентных кривых на довольно больших межьядерных расстояниях. Это затрудняет переход электрона от отрицательного к положительному иону, препятствуя образованию ковалентной связи.

V. Реакции, в результате которых образуются молекулы ХеСl^*. Помимо реакции (14) наиболее важными являются реакции:

16. Xe^* + HCl(v) → XeCl^* + H (16)

17. NeXe^* + Cl^-→XeCl^* + Nе (17)

 

Реакциия (13) наиболее существенна, и основной канал образования ХеСl^* проходит именно через нее. Данная реакция аналогична взаимодействию между ионом щелочного металла и ионом галогена.

Реакция (15) протекает только в присутсвии неона либо при использование его как буферного газа. Посредством данной реакции образуется 30% молекул ХеСl^* и неудивительно, что замена гелия на неон вкачестве буферного газа повышает энергию в импульсе реальных устройств почти вдвое.

VI. Реакции, обуславливающие процессы тушения, протекающие в плазме. К ним, например, относятся реакции:

18. XeCl^* + He → Xe + He + Cl (18)

19. XeCl^* + Xe → 2Xe + Cl (19)

20. XeCl^* + HCl(v) → Xe + HCl + Cl (20)

 

Наиболее важной, по крайней мере, при низком давлении, является прямое тушение в столкновениях с галогеносодержащими молекулами (18). Константа скорости такой реакции достаточно высока, т. е. тушение происходит при каждом столкновении. Для типичной газовой смеси время тушения 10 нс. Столь быстрое тушение электронно-возбужденных молекул наблюдается давольно часто и связано с передачей энергии тушащей молекуле.

 

VII.Реакции с излучением. Вот некоторые из них:

21. XeCl^* + hν → Xe + 2hν (21)

22. Cl^- + hν → Cl +e (22)

23. He^* + hν → He⁺ + e (23)

24. HeXe + hν → Xe⁺ + He (24)

 

VIII.Реакции с примесями, например:

25. HCl + O₂→ 4ClO₂ + 2H₂O (25)

26. Xe^* + O₂→ XeO (26)

27. Xe^* + H₂O→XeO + H₂ (27)

 

Они обусловлены тем, что несмотря на строгие требования к чистоте газов, газовая смесь может содержать до 1% О₂,N₂H₂,CO₂,H₂O. Вода является главной вредной примесью в газовых смесях эксимерных лазеров.

Кроме вышеприведенных реакций в плазме протекает еще значительное количество побочных, которые в основном уводят энергию из основного канала. Все полезные возбужденные состояния достаточно короткоживущие, дополнительно тушатся при взаимных столкновениях и столкновениях с другими образованиями в плазме. Тем не менее, можно считать, что основные реакции, приводящие к образованию возбужденных галогенидов инертных газов, протекают достаточно быстро и эффективно. Учитывая все эти процессы, а так же потери в схеме возбуждения, можно оценить, что в реальных устройствах в образованиe молекул ХеСl, в лучшем случае вкладывается только 8-10% энергии, запасенной первоначально в накопительных емкостях.