激光驱动的高功率激光驱动等离子体形成

激光驱动的高功率激光驱动等离子体形成

1辉光放电的提出自给自足辐射技术的重要应用是高功率气体激光鼓励。可以说没有均匀稳定的自持体放电，就不可能有良好的激光输出特性。因此有必要详细了解自持体放电过程。自持放电是法拉第1844年发现的，由于具有辉光特征，以后被称为众所周知的辉光放电（电流均匀分布在电极表面）。在激励大体积气体时，当气压高达1333.22Pa时，仍能获得辉光放电。当气压进一步提高时，放电以弧光形式（电流只经过连接两电极的小尺寸通道）出现。开始时人们普遍认为高气压下无法获得辉光放电，直至Mesyats发现，在主放电之前60ns的时刻，如果在网阳极后引发辅助放电，在高过压下仍可获得瞬态的辉光放电。后来的电光观察已经证实，确实存在一个均匀辉光占据整个激活体积的阶段，这个没有火花的阶段后来被称为体放电。“体”字强调放电特性只由放电过程本身决定，而与器壁的相互作用无关，此种放电属于自持放电。大量研究表明，体放电和辉光放电极其相似，而在近电极区是强烈收缩的，除了能观察到正极柱外，只能观察到法拉第暗区，这种放电形式还被称为高压辉光放电、脉冲辉光放电、准流注辉光放电或准静态辉光放电等。为了叙述的方便，将自持体放电分成三个阶段：体放电的形成、能量的注入和放电的收缩。2放电均匀性的实验结果放电的形成阶段是指从电压加在电极间到阴极降出现这一段时间，这个阶段很大程度上决定了放电的时间特性和能量特性。到目前为止，发生在这个放电形成阶段的整个详细过程还没有一个统一的说法，原因是放电行为与许多因素有关，这些因素包括所加电压脉冲的幅值和脉宽、引发放电的形式、电极间距、电极材料和表面状况以及气体的种类和气压等。但是，体放电等离子柱的形成作为放电形成阶段的重要组成部分已被大家接受。以下主要介绍几种放电等离子体形成的模型。Palmer提出了一个等离子体快速形成的模型。该模型的精髓如下：初始电子来源于辅助放电的紫外光照射，且均匀地分布于整个激活体积，这些电子在电场的移动过程中获得能量使气体电离引起雪崩发生。在雪崩过程中形成的电子数为：其中，x是电子穿越的路程，电子由于具有很高的速度往往处于雪崩头部，而离子则分布于整个雪崩行程上。结果由于电荷的分离在雪崩中建立起内在电场，对外加电场起削弱作用，当这两个电场相等时（Ne≈108cm-3），雪崩发展的速度迅速减慢，此时雪崩达到了极限尺寸。该模型指出，当场强足以产生多级电离时，放电区的电子数和雪崩的极限尺寸有如下关系：其中，er是雪崩的最大半径，根据这种近似关系，可推出初始电子浓度n0≈104～105cm-3，这与通常的实验结果（为获得体放电n0必须大于107cm-3）相比显得有些低。假定在时间t=1αve内电子数目加倍和从雪崩电离到准流注转变的时间t*fr≤d/ve,Kushner得到了引发体放电的条件：其中，ε，v,e分别是电子的平均能量、迁移速率、电子电量，E为电场强度。(3)和(4)两式在典型的放电条件下，可得出n0=107cm-3，与实验数据符合较好。然而它们是在假设在电子数目加倍的时间内发生雪崩重叠的前提下获得的，放电发展的图像建立在模型之前。而且它们不能解释最大注入能量、放电均匀性与初始电子浓度的依赖关系。另外一个模型考虑两平面无限电极间的放电发展，放电空间充满预电离电子的气体介质，所加电压脉冲上升时间为tfr。由于电子沿电场线方向的速度最快，电子从阴极到阳极产生一系列的雪崩串，形成电流丝，电流丝的半径会随电子扩散速率加快而增大，有如下关系：其中，De为电子扩散系数，t是时间，电流丝中的电子数目Nf随它的发展而增多。其中，Nf0=d/r是电流丝中的起始电子数，d是电极间距，r=n0-13是预电离阶段电子间的平均距离，v是电离频率。电流丝的电子数密度可定义为：一旦电流丝的半径增大到等于Debye半径RD，由于电子扩散转变为双极性扩散，它的膨胀速度急剧减慢，即在考虑的时间段内（<10-7s）会停止膨胀。此时的电流丝的半径为R=RD=Rf。引入量n0cr=R-3（称之为临界电子数密度），均匀放电等离子体柱的条件可表示为：因此，当n0<n0cr，放电等离子体由多个扩散状的电流丝构成，文献中采用对放电薄层的光切割方法也观察到了这个现象。当n0增大到n0cr时，电流丝的密度会随之增大，因而放电均匀性会得到改善，放电实际面积（微电流丝的总面积Sf）和这个面积与电极的激活面积（S）的比例都会提高。结果注入到放电等离子体空间（由微电流丝的面积决定）的能量密度会下降。借助这个模型可以解释n0与注入能量最大值、激光输出能量和放电均匀性的关系。因此，提高n0会使微电流丝所占的体积增大，从而提高放电均匀性，必然引起激光输出能量的提高。3提高放电稳定性技术能量注入激光介质发生在体放电过程中，因为体放电收缩后，能量只是通过一小部分体积的放电通道。由于体放电时具有更高的电流密度，因此使之与辉光放电有相同的稳定性很困难。但是从应用角度看，这种放电有很好的前景。问题是什么样的电场强度、电流密度、放电脉冲宽度和重复频率允许注入到激光介质尽可能多的能量。正确的选择参数可以很大幅度的降低E/P值和提高脉冲气体激光的激光输出效率。提高放电稳定性的结果是提高单位体积的注入能量、提高极限气压和放电间距，最终提高注入气体的总能量。以下几种技术可以达到这个目的：（1）采用电阻和电感限制局部电流密度的增长；（2）缩短放电脉冲宽度，改善等离子体柱和近电极区的均匀性；（3）减少阴极层的能量释放。采用阴极通过电阻或电感与激励电路相连来限制局部电流密度增长的技术已被多次讨论过。通过提高气体介质的预电离水平来改善放电等离子体柱的均匀性可以提高注入气体介质的能量。Armandillo等人通过增加预电离放电的能量达到了以上目的（如图1所示）。注入气体介质的能量的极限值随n0的增长而增长，即使当n0〉n0cr时，只是增长速度有所减慢。因为n0的增长会改善均匀性和减少放电形成时阴极层的电压。采用等离子体阴极可以有很好的发射特性，但是它有几个致命的弱点：不均匀的发射表面、短寿命和形成等离子体阴极时需要消耗能量。采用高发射特性的电极可以减少阴极层的能量释放。图2给出了不同材料电极对阴极层能量释放的影响。可以看到在电流密度j=10～102Acm-2时采用金属电极存在有拐点（曲线1），而采用La0.7Sr0.3CoO3材料制成的电极时，阴极层的电场明显降低且无拐点（曲线2），这种不同将导致注入气体介质的能量极限值有很大的差别。4不稳定性发展引起的收缩体放电由于内在的非稳定性很容易收缩。除非能量能在很短的时间内注入到放电空间。收缩现象不是体放电中的独特现象，在经典辉光放电中也能观察到。对于后者一般采用热不稳定模型来解释这个过程，精髓在于由于带电粒子的扩散和热量通过管壁流失，放电管中的等离子体呈径向不均匀分布。此时电子数密度分布形式为其中，n()0为管轴的电子数密度，r是电流的径向距离（以管轴为起点），R是放电管半径，J0是Bessel函数。很明显轴上的能量最高，这将进一步加快热量和带电粒子从近轴区逃逸，使这个区域的E/N值和电流密度增大，这个过程一直持续到大部分电流流经近轴区。当电子数密度足够高时，这个过程会加速。经典辉光放电的收缩模型是以这些思想为基础，收缩是正柱区发生的一系列过程的结果，而忽略电极附近发生的过程。借助于同样的思想可以解释体放电的收缩，最广泛的热模型已被大家接受。不同的是，此时没有器壁和等离子体的相互作用，假定随电流密度增大而出现的丝状放电是随机的，可能在放电空间的任意部位出现。体放电的热收缩问题在文献中已得到解决，发现非稳定性增长的特征时间为：其中，γa是绝热指数，当注入能量升高时，收缩时间变短。在压力恒定时，中性粒子来不及离开电流丝。当热过程可以被忽略，电离的不稳定性发展会引起收缩。此时丝中电流密度的增长是电子与激发态的粒子相碰撞的结果，假定激发态粒子的密度很高，电子同它们相碰撞时获得能量，导致丝中电流密度增大。自持放电的电离不稳定性发展问题已被解决，一旦某个态（具有激发能I*）在时间tsat内达到饱和，电子数密度以指数形式增长。其中，tsat=NkTeI*jEI,kTe是电子能量，j是电流密度，I是气体粒子的电离能，N是粒子数密度。不稳定性发展引起收缩的模型根据原因可细分为电场的局部非均匀性，气体成分和密度的不均匀性，放电空间激光发射的不均匀性等。细分收缩模型存在这样一个事实：体放电阶段的时间远超过放电通道跨越电极间距的时间。因此对于相当均匀的电场分布，非均匀性均匀发展直至通道形成的最后一刻归因于等离子体数密度快速增长的结果。另外，有人也观察到放电通道交互发展引起的放电收缩，其原因是高电场区（电极上的微突点或等离子体元）的不稳定性增长。