Оптические квантовые генераторы (стр. 5 из 7)

Др имеет электронную конфигурацию fs^Ss^p-Ss-S^⁶. Первое возбужденное

состояние атома Аг соответствует переводу одного из внешних электронов на 4 д -оболочку. При однократной ионизации получается конфигурация is^s•г,s^г•г.p^GЗs^г'Зp⁵, которой соответствуют два уровня. Перевод одного из электронов с Зр -оболочки иона аргона на оболочку ^ дает пять энергетических уровней, а возбуждение электрона с Зр -оболочки на 4р -оболочку ведет к образованию 13 уровней.

Генерация в аргонных ОКГ осуществляется на переходах между состояниями иона Аг''' с электронной конфигурацией Зр^4р и З/^з. Инверсия населенностей обеспечивается процессами ступенчатого электронного возбуждения и разным временем жизни верхних и нижних рабочих уровней. В аргоновой плазме с большой эффективностью идет процесс образования возбужденных атомов и ионов посредством электронных соударений:

Далее повторные соударения с электронами приводят к образованию возбужденных ионов с электронными конфигурациями Зр^р и

Кроме того, рабочие уровни заселяются в результате ступенчатых переходов через уровни состояний ионов с электронной конфигурацией 3p^d и Зр^д (эта система уровней на рис.83 не изображена).

Как показывают исследования, скорость заселения верхних и нижних уровней одинакова. Инверсия населенностей образуется лишь вследствие того, что время жизни уровней Зр^р примерно в 25 раз выше, чем время жизни уровней 3p^4s. Нижние рабочие уровни Зр^д опустошаются вследствие спонтанных переходов в основное состояние ионов с излучением в ультрафиолетовой вакуумной области. Наибольшая инверсия населенностей получается для переходов ^ р ^^ -* 4s ^г?^.

На рис.84, о. приведена схема аргонового ОКГ. Он отличается от гелий-неонового ОКГ лишь конструкцией газоразряцной трубки. Как уже отмечалось, в ионных ОКГ используется сильноточный дуговой разряд, обеспечивающий высокую степень ионизации газа. Для генерации необходима плотность тока разряда до нескольких сотен ампер на I см~. Разряд происходит в узкой капиллярной трубке 3 , охлаждаемой водой 1 . Рабочее давление аргона в разрядном капилляре устанавливается в несколько десятков паокалей. Электроды трубки должны быть рассчитаны на разрядные токи до сотен ампер и иметь высокую стойкость к электронной и ионной бомбардировке. Анод Ч обычно охлаждают водой. Часто применяют в таких ОКГ оксвдные катоды 5 . Хорошо зарекомендовали себя также импрегнированные катоды, представляющие собой пористую

вольфрамовую губку, пропитанную алюминатом бария или кальция. Такие катоды обладают большой удельной эмиссией, превышающей во много раз оксвдные катоды. Они не теряют своей эмиссионной способности при многократных нарушениях вакуума в трубке.

При мощном дуговом разряде происходит процесс перекачки газа от анодного конца трубки к катодному, в результате чего образуется перепад давления и разряд гаснет. Для выравнивания давления по длине капилляра катодную и анодную колбы соединяют обводным каналом 6 , обеспечивающим свободную циркуляцию газа.

Разрядный капилляр должен выдерживать высокие тепловые нагрузки (сотни ватт на квадратный сантиметр) и ионную бомбардировку. Капилляр часто выполняется из кварца. Он термостоек, имеет хорошие электроизоляционные свойства и устойчив к эрозии. Изготовление разрядных трубок из кварца не представляет технологических трудностей. Обычно используют разрядные трубки диаметром до I5+20 мм и длиной от 10 см до нескольких метров. Существенный недостаток кварца - малая теплопроводность . Она позволяет доводить плотность разрядного тока только до сотен ампер на I си² в ОКГ непрерывного действия. Кварцевые капилляры пока не обеспечивают длительную работу ОКГ при больших мощностях. Срок службы кварцевых капилляров достигает нескольких сотен часов. При плотностях тока 500 А/см и более кварцевые капилляры практически непригодны для работа. В этом случае в качестве материала для разрядных капилляров используют различную тугоплавкую керамику и анодированный алюминий.

Разрядные капилляры из керамики значительно долговечнее, обладают более высокой теплопроводностью, чем плавленный кварц.

Проблема создания стойких разрядных трубок для аргоновых ОКГ во многом решается путем использования секционированных разрядных трубок, состоящих из металлических шайб 7 тугоплавкого материала (молибдена, тантала, графита, керамики из окиси берилия), разделенных диэлектрическими изоляционными кольцами 8 (из кварца, резины) (рис.84, (у). В ряде стран промышленностью выпускаются ОКГ с капиллярами из тугоплавких керамик и секционированными разрядными трубками мощностью 3+10 Вт и выше. Срок службы их достигает нескольких тысяч часов.

Многочисленные исследования ионных аргоновых ОКГ привели к оригинальному решению проблемы создания дугового разряда высокочастотными поляки. На рис.85 приведена схема аргонового ОКГ с высокочастотным питанием < . Замкнутая кольцевая трубка 2 ОКГ служит как бы одновитковой вторичной обмоткой высокочастотного трансформатора 3 . Для питания используется генератор с частотой в несколько мегагерц. Высокочастотное возбуждение имеет следующие достоинства: снижается эрозия кварцевого капилляра, отсутствует жестчение газа, существенно уменьшаются шумы в излучении. Уменьшение эрозии, по-видимому, связано с тем, что ионы не успевают приобрести значительную скорость при движении в высокочастотном поле. В ОКГ с высокочастотным возбуждением нет металлических электродов, что позволяет использовать в них химически активные газы (в таком разряде получена генерация на ионах мышьяка, брома, селена).

Практически в большинстве ионных аргоновых ОКГ используется наложение внешнего продольного магнитного поля на разряд, приводящее к существенному увеличению мощности генерации. Магнитное поле создается соленоидами (см.^| на рис.84,а) или постоянными магнитами. Оно прижимает разряд к оси трубки,.уве-личивает концентрацию электронов в центре капилляра, уменьшает поток заряженных частиц на его стенки. Последнее уменьшает тепловые нагрузки на капилляр и увеличивает тем самым срок его службы.Напряженность магнитного поля имеет величину порядка 10° А/м.

Важное значение при эксплуатации и разработке аргоновых ОКГ имеет определение их оптимального режима работы, соответствующего наибольшей выходной мощности. Мощность генерации 'зависит от силы тока разряда, давления газа, размеров разрядного капилляра, величины напряженности магнитного поля и т.д.

На рис.86 приведена зависимость выходной мощности ОКГ с разрядной трубкой диаметром 10 мм от давления аргона при разных величинах разрядного тока. Из рисунка видно, что существует оптимальное давление, соответствующее максимальной мощности. При малых давле-ниях концентрация ионов незначительна и мощность излучения оказывается небольшой. При больших давлениях концентрация ионов велика, но мала длина свободного пробега электронов и, следовательно, мала их энергия. Это ведет к снижению эффективности возбуждения ионов при соударениях с электронами, вследствие чего инверсия, а значит, и мощность излучения получаютсянезначительными. Величина оптимального давления зависит от диаметра разрядной трубки. Она растет с уменьшением диаметра. Экспериментально установлено, что величина оптимального давления рот ^в зависимости от диаметра трубки d определяется при jd = 100 А/см ( j - плотность тока разряда) соотношением Ропт ⁼ 6,5ct ~^, здесь d выражено в сантиметрах. Для реально используемых трубок d = 0,1+1,5 см, ру^ = 100+4 Па.

Мощность генерации при токах выше порогового значения растет пропорционально квадрату силы тока. Квадратичная зависимость мощности от тока характерна для всех аргоновых ОКГ. Она объясняется ступенчатым процессом механизма возбуадения ионов из основного состояния атомов. Лишь при очень больших плотностях тока ('>1000 А/см^) мощность излучения с увеличением силы тока перестает расти, наступает насыщение и далее мощность уменьшается. Однако такого режима трудно достигнуть из-за разрушения разрядных капилляров. Насыщение мощности излучения с ростом оиды тока, по-ввдимому, связано с эффектом пленения излучения. Инверсия населенностей, как было уже показано, в аргоновых ОКГ обеспечивается в результате опустошения нижнего рабочего уровня 3^48 интенсивными спонтанными переходами ионов в основное ионное состояние. Спонтанное излучение, распространяясь в плазме, частично поглощается не-возбухденными ионами, что приводит к переводу их с уровня Зр^ на уровень Зр⁴ 4s. При большой концентрации ионов каждому спонтанному переходу Зр 4з •— Зр соответствует акт поглощения, ведущий к возвращению иона в возбужденное состояние 3^45. Происходит как бы увеличение эффективного времени жизни частиц в Зр^д -состоянии, что ведет к уменьшению инверсии насе-ленностей и, как следствие этого, падению мощности генерации. Удельная мощность генерации вблизи режима насыщения достигает 2,5 Вт/см.

Большой практический интерес представляет зависимость мощности генерации от диаметра разрядной трубки (рис.87). Из рисунка видно, что удельная мощность генерации растет с увеличением диаметра разрядной трубки. Поэтому для получения большой мощности выгоднее использовать разрядные трубки увеличенного диаметра (до 10+15 мм). Однако при этом встречаются трудности в получении равномерного разряда по всей площади трубки, требуются мощные катоды, обеспечивающие большие токи эмиссии (до сотен ампер).