Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 593195)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №3 2006

0   0
Страниц150
ID202516
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2006 .— №3 .— 150 с. — URL: https://rucont.ru/efd/202516 (дата обращения: 16.08.2022)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Г.Д. Чеботарев, О.О. Пруцаков, Е.Л. Латуш Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного HeSr+-лазера Ростовский государственный университет Поступила в редакцию 15.11.2005 г. С помощью разработанной самосогласованной математической модели рекомбинационного HeSr+-лазера рассчитана пространственно-временная эволюция параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. <...> Показано также, что расконтрагирование разряда при поступлении в гелий атомов стронция в первую очередь определяется их низким потенциалом ионизации. <...> При этом происходят почти полная двукратная ионизация стронция практически по всему сечению разряда, а также пространственная стабилизация процесса ионизации гелия. <...> В итоге с ростом концентрации стронция происходит выравнивание концентрации электронов по радиусу трубки. <...> Развитие импульсно-периодических ЛПМ явилось стимулом к исследованиям явлений контракции и расконтрагирования в продольном импульсно-периодическом разряде [13, 1315]. <...> Качественный анализ механизмов расконтрагирования импульсно-периодического разряда в смесях инертных газов с парами металлов проведен в работах [1 3, 13, 14], где показано, что при введении в разряд паров металла при сравнительно небольшой концентрации (соответствующей типичным условиям генерации ЛПМ) формируется нарастающий к стенкам газоразрядной трубки радиальный профиль ионизационных свойств смеси. <...> В [2, 13, 15] отмечается важная роль остаточной предымпульсной концентрации электронов в зажигании однородного импульсно-периодического разряда в парогазовой смеси. <...> Цель настоящей работы заключается в детальном численном исследовании механизмов контракции Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного HeSr+-лазера 113 и расконтрагирования импульсно-периодического разряда в HeSr-смеси с помощью разработанной нами самосогласованной <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№3_2006.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 2–3 (2006) УДК 621.373.826 Ã.Ä. Чеботарев, Î.Î. Ïðóöàêîâ, Å.Ë. Латуш Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного He–Sr+-лазера Ростовский государственный университет Поступила в редакцию 15.11.2005 ã. С помощью разработанной самосогласованной математической модели рекомбинационного He–Sr+-лазера рассчитана пространственно-временная эволюция параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. Расчеты показали хорошее согласие с экспериментом. С помощью модели изучены явления контракции и расконтрагирования импульсно-периодического разряда. Показано, что сжатие импульсно-периодического разряда в гелии является результатом формирования тепловой неоднородности плазмы последовательностью импульсов. Показано также, что расконтрагирование разряда при поступлении в гелий атомов стронция в первую очередь определяется их низким потенциалом ионизации. При этом происходят почти полная двукратная ионизация стронция практически по всему сечению разряда, а также пространственная стабилизация процесса ионизации гелия. В итоге с ростом концентрации стронция происходит выравнивание концентрации электронов по радиусу трубки. Импульсно-периодические лазеры на парах металлов работают в условиях, при которых разряд в чистом инертном газе контрагирован [1–3]. Контракция создает большие трудности для мощных газоразрядных лазеров, нарушая пространственную однородность активной среды [1–5]. Для борьбы с этой проблемой применяются различные технические решения, приводящие к усложнению конструкции лазера. Однако в лазерах на парах металлов (ЛПМ), содержащих инертный буферный газ и пары металла, имеет место автоматическое расконтрагирование разряда, вследствие чего обеспечивается достаточно высокая пространственная однородность плазмы [1–3]. Поэтому явление расконтрагирования имеет большое значение для физики лазеров на парах металлов, а его детальные исследования представляют несомненный интерес. Явление контракции разряда в инертных газах достаточно хорошо изучено, при этом наиболее детально исследованы стационарный и импульсный объемный разряды [4–12]. Развитие импульсно-периодических ЛПМ явилось стимулом к исследованиям явлений контракции и расконтрагирования в продольном импульсно-периодическом разряде [1–3, 13–15]. Особенностью этого разряда является то, что в типичных для ЛПМ условиях возбуждения разряда контракция не наблюдается в одиночном импульсе и имеет место лишь при достаточно высоких частотах следования импульсов [3, 14]. Другая особенность – сохранение однородности разряда в условиях парогазовой смеси даже при развитии приэлектродных неустойчивостей или при наличии отдельных участков контрагированного разряда, обедненных парами металла [2, 3, 14]. Сжатие разряда в инертных газах является следствием развития ионизационно-перегревной неустойчивости. Контракция возникает при одновременном выполнении по крайней мере двух условий: частота образования заряженных частиц должна резко спадать от оси к периферии; объемная рекомбинация заряженных частиц должна преобладать над амбиполярной диффузией [4–6]. Очевидно, что контракция будет преодолена, т.е. произойдет расконтрагирование разряда при нарушении хотя бы одного из этих условий. Газоразрядные условия, способствующие этому, возникают при введении в разряд легкоионизируемой добавки. Качественный анализ механизмов расконтрагирования импульсно-периодического разряда в смесях инертных газов с парами металлов проведен в работах [1– 3, 13, 14], где ïîêàçàíî, что при введении в разряд паров металла при сравнительно небольшой концентрации (соответствующей типичным условиям генерации ЛПМ) формируется нарастающий к стенкам газоразрядной трубки радиальный профиль ионизационных свойств смеси. В результате проводимость плазмы выравнивается по сечению трубки и диаметр разрядного канала увеличивается. В [2, 13, 15] отмечается важная роль остаточной предымпульсной концентрации электронов в зажигании однородного импульсно-периодического разряда в парогазовой ñìåñè. В [3, 14] сделан вывод о важной роли амбиполярной диффузии ионов металла, участвующей наряду с нагревом газа в формировании неоднородного радиального профиля плотности паров металла с минимумом на оси. Цель настоящей работы заключается в детальном численном исследовании механизмов контракции Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного He–Sr+-лазера 113
Стр.1
и расконтрагирования импульсно-периодического разряда в He–Sr-смеси с помощью разработанной нами самосогласованной математической модели He–Sr+лазера. He–Sr+-ëàçåð относится к классу ионных рекомбинационных лазеров на парах металлов [16–18]. Он обеспечивает генерацию в фиолетовой (430,5 и 416,2 нм SrII) области спектра с достаточно высоким уровнем средней мощности (до нескольких ватт). Активная среда He–Sr+-лазера представляет собой смесь паров стронция и буферного газа гелия. Необходимая плотность паров стронция достигается подогревом активной области. Подогрев может осуществляться как с помощью внешней печи, так и за счет энергии, вводимой в разряд в режиме саморазогрева. Возбуждение активной среды осуществляется короткими мощными импульсами тока, в течение которых происходит почти полная двукратная ионизация стронция. Этому способствует малость потенциалов однократной и двукратной ионизации стронция по сравнению с потенциалом ионизации гелия. После окончания импульса тока происходит процесс рекомбинации плазмы. Накачка верхних лазерных уровней осуществляется ударно-радиационной рекомбинацией двукратных ионов стронция в послесвечении импульсного разряда, инверсия же достигается в результате эффективной очистки нижних лазерных уровней за счет электронного девозбуждения. Рекомбинационная накачка верхних и столкновительная очистка нижних лазерных уровней максимально эффективны при быстром и глубоком охлаждении электронного газа в раннем послесвечении, что достигается за счет упругих соударений электронов с легкими атомами и ионами гелия. Поэтому увеличение давления гелия способствует росту энергетических характеристик генерации. В работе [19] изложено описание разработанной нами математической модели He–Sr+-лазера, позволяющей рассчитывать временные и энергетические характеристики активной среды в широком диапазоне давлений рабочей смеси. В настоящей работе использовалась новая самосогласованная математическая модель рекомбинационных He–Sr+-лазеров, позволяющая рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. Основное отличие новой модели от модели [19] состоит в том, что в кинетических уравнениях для долгоживущих компонентов плазмы диффузионные члены вида 6D/R2, где D – коэффициент диффузии и R – радиус трубки, были заменены на дивергенции плотностей диффузионных потоков в радиальном направлении. В уравнения для электронной и газовой температур также введены дивергенции плотностей электронного и газового тепловых потоков, обусловленные электронной и газовой теплопроводностью. В работе [20] были измерены радиальные профили концентрации электронов как в контрагированном, так и в расконтрагированном импульсно-периодических разрядах He–Sr+-лазера, а также измерена 114 электронная температура, поэтому расчеты по модели были проведены для условий данной работы. В частности, внутренний диаметр, активная длина и частота следования импульсов составляли соответственно: d = 1,55 ñì, La = 70 ñì, f = 6 êÃö. Результаты расчетов пространственно-временных зависимостей параметров плазмы и характеристик генерации He–Sr+-лазера в установившемся импульсно-периодическом режиме приведены на рис. 1. На рис. 1, а представлены рассчитанные и экспериментальные [20] радиальные профили концентрации электронов в различные моменты времени относительно максимума тока. На рис. 1, б показаны рассчитанный и экспериментальный профили электронной температуры в послесвечении в момент максимума генерации. Рассчитанные пространственно-временные зависимости электронной и газовой температуры, концентрации атомов, однократных и двукратных ионов стронция, а также интенсивности генерации на линии 430,5 нм SrII приведены на ðèñ. 1, â–ç. Âèäíî, что в установившемся режиме газовая температура за время импульса тока изменяется незначительно (рис. 1, г). Она неоднородна по радиусу, что приводит наряду с амбиполярной диффузией к неоднородному предымпульсному радиальному распределению атомов металла (рис. 1, д). Профиль двукратных ионов стронция в конце импульса тока (рис. 1, ж) практически повторяет предымпульсный профиль атомов стронция (за исключением тонких пристеночных областей), испытывающих в импульсе тока практически полную двукратную ионизацию. Провал концентрации двукратных ионов стронция на оси приводит к минимуму интенсивности генерации на оси трубки (рис. 1, з). Радиальный профиль интенсивности генерации с небольшим провалом на оси является типичным для He–Sr+-лазера. Он наблюдался как в наших экспериментах, так и в работах других авторов [2, 21]. Как видно из рис. 1, модель достаточно точно отражает основные закономерности в поведении характеристик активной среды He–Sr+-ëàçåðà. На рис. 2 представлены рассчитанные для разных частот следования импульсов установившиеся радиальные профили концентрации электронов и температуры газа, а также предымпульсной концентрации атомов гелия при разряде в чистом гелии. Âèäíî, что при малых частотах (f ∼ 102 Ãö) радиальный профиль газовой температуры близок к однородному (рис. 2, в), а профиль концентрации электронов – к бесселевскому профилю, характерному для неконтрагированного разряда (рис. 2, а, б). При более высоких частотах (выше 103 Гц) резко нарастает тепловая неоднородность плазмы (рис. 2, в, г), обусловливающая вследствие действия ионизационно-перегревного механизма сужение профиля концентрации электронов и рост ее значения на оси разряда. Рассчитанный профиль Nе при f = 6 кГц близок к экспериментальному в контрагированном разряде [20] (ðèñ. 2, à, á). Чеботарев Ã.Ä., Пруцаков Î.Î., Латуш Å.Ë.
Стр.2
7 6 5 4 3 2 1 0 –6 –4 4 2 0 0,5 0,0 r/R –0,5 –1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 t,ìêñ r/R –2 0 2 4 r, мм ο 0–300 нс • 400 нс ∆ 600 нс  800 нс  1 мкс  1,2 мкс ∇ 2 мкс  20 мкс 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 –6 –4 –2 0 2 4 а б 1600 800 1,0 0,5 0,0 –0,5 –1,0 0,0 в г 1,0 4 2 0 0,5 0,0 r/R –0,5 4 2 1 0 1,0 r/R 0,5 0,0 –0,5 –1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 t,ìêñ –1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 t,ìêñ 2,0 r/R 25 20 15 10 5 0 0,5 0,0 r/R –0,5 –1,0 0,0 0,5 ж з Рис. 1. Радиальные профили концентрации электронов в различные моменты времени относительно максимума тока (а), радиальный профиль температуры электронов в момент максимума генерации (б), пространственно-временные зависимости температуры электронов (в), температуры газа (г), концентрации атомов (д), однократных (е) и двукратных (ж) ионов стронция, а также интенсивности генерации на линии 430,5 нм Sr II (ç): рНе = 250 òîðð; штриховые кривые – эксперимент На рис. 3 показаны радиальные распределения параметров плазмы в различных импульсах. В качестве начальных условий для первого импульса были взяты затравочные однородные распределения всех параметров плазмы. До 60-го импульса моделировался разряд в чистом гелии, после были добавлены атомы стронция. Видно, что вначале разряд неконтрагирован, сжатие его наступает примерно через 40 импульсов. Это число импульсов соответствует времени установления температурного режима (∼ 6 мс). Из рис. 3 д, е видно, что вначале, когда газ только начинает греться, концентрация гелия не успевает сразу же откликнуться на изменение температуры, Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного He–Sr+-лазера 115 2. Оптика атмосферы и îêåàíà, ¹ 2–3. 1,0 1,5 2,0 t, мкс 4,5 3,0 1,5 1,0 0,5 0,0 –0,5 –1,0 0,0 д е 0,5 1,0 2,0 1,5 t, мкс 0,5 1,0 1,5 t, мкс 2,0 r, мм NSr++, 1014 ñì–3 NSr, 1014 ñì–3 Òe, эВ Ne, 1014 ñì–3 I430,5, Âò/ñì2 NSr+, 1014 ñì–3 Òg, К Òe, эВ
Стр.3