ВАХ газового разряда

Протекание электрического тока в газоразрядном промежутке характеризуется многообразием электрических, квантовых, газодинамических процессов. Проанализируем связь между напряженим на разрядном промежутке и током через этот промежуток. ВАХ описывает связь между напряжением и током U=U(I) и в общем случае определяется не только значениями напряжения и тока, но и их производными по времени. Напряжение на разрядном промежутке может быть выражено следующим образом: U=E-IR_вн, где Е – эдс источника электропитания, R_вн – сопротивление внешней цепи. Изменяя величины Е и R можно получить ВАХ, имеющую характерный вид:

Рис. 21 - Вольт-амперная характеристика газового разряда

Два характерных участка: 0АВСD – несамостоятельный разряд, для существования электрического тока необходим, кроме подачи напряжения на электроды, источник ионизации газа, и DEFGHKL – участок самостоятельного разряда, в котором эл. ток поддерживается только за счет энергии эл. поля, подводимой к электродам разрядного промежутка.

ОА – сопротивление газового пр-ка постоянно, U(I) –линейная зависимость.

ВС - насыщение , ток не зависит от напряжения.

СD – рост напряжения приводит к появлению заметного кол-ва вторичных электронов, образующихся при столкновении частиц в газе. Начиная с т. D при напряжении на разрядном промежутке, называемом напряжением зажигания U_заж, число вновь образующихся носителей эл. тока сравнивается с числом гибнущих в разряде частиц.

DE – самостоятельный разряд, поддерживаемый при напряжении зажигании разряда («темный» разряд). Свечения не наблюдают, токи очень малы (10^-10…10^-5 А).

За т. Е самоподдержание разряда обеспечивается за счет падения напряжения в узкой прикатодной области. Суммарное напряжение на разрядном промежутке падает до величины меньшей напряжения зажигания.

За т. F – область тлеющего разряда. Сначала он занимает часть площади катода,

FG - с ростом тока площадь, занимаемая разрядом, увеличивается при сохранении плотности тока и почти постоянном напряжении.

GH - после заполнения всей площади катода разрядом рост тока сопровождается ростом плотности тока и напряжения на разрядном промежутке (аномальный тлеющий разряд).

За т. Н – дальнейший рост тока приводит к разогреву поверхности катода, что приводит к термоэмиссии электронов – разряд переходит в дуговую стадию – ток продолжает расти при снижающемся напряжении на разрядном промежутке.

В газовых лазерах для возбуждения используется как самостоятельный, так и несамостоятельный электрический разряд.

Накачка несамостоятельным разрядом

Использование несамостоятельного разряда позвоялет работать в области возрастающей ВАХ, т.е. повышенной устойчивости разряда и отказаться от использования в цепи балластных сопротивлений, на которых рассеивается значительная мощность.Такой вид разряда используют для высокомощных молекулярных и эксимерных лазеров. Основные способы поддержания несамостоятельного разряда: фотоионизация (источник ультрафиолетового излучения – искровой разрядник), ионизация пучком электронов (катод электронной пушки – источник быстрых электронов), ионизация вспомогательными разрядами ( ионизация происходит при подаче на электроды коротких вспомогательных импульсов высокого напряжения на фоне более низкого рабочего напряжения).

Накачка самостоятельным разрядом

Наиболее распространенный вариант накачки (не требуются системы дополнительной ионизации газовой среды). Область самостоятельного разряда включает участок ВАХ от точки D. Возбуждение происходит и в режимах тлеющего и дугового разряда.

Характеристики газовых разрядов

Тлеющий разряд применяют для накачки атомных и молекулярных лазеров, работающих в непрерывном режиме. Использование его в атомных лазерах характеризуется весьма низким КПД системы накачки, мощность излучения атомного лазера с такой системой накачки с увеличением разрядного тока растет, а при больших величинах тока резко падает из-за особенностей активной среды (верхний уровень атомных переходов лежит высоко над основным уровнем).

Намного более эффективным оказывается использование тлеющего разряда для накачки молекулярных лазеров. Здесь колебательные энергетические уровни лежат близко к основному состоянию (ближе на порядок). КПД накачки активной среды тлеющим разрядом очень высок – до 90% (в зависимости от отношения напряженности эл. поля к давлению лазерной смеси). Основное неудобство при использовании тлеющего разряда для накачки – худшая устойчивость при больших объемах газовой активной среды. Для поддержания устойчивости снижают давление активной среды или переходят к использованию секционированных («штыковых») катодных элементов – каждый катодный элемент подключается к общему источнику. При потоке газа и больших размерах разрядной камеры секционирование используется и при низких давлениях активной среды.

В ионных лазерах высокоионизированную плазму получают в дуговом разряде с высокой плотностью тока (аргоновый лазер: сильноточный дуговой разряд плотностью до 2000 А/см² и разрядный капилляр малого диаметра). Энергетическая эффективность накачки с помощью дугового разряда невелика из-за рассеяния подводимой энергии в виде тепла – для аргонового лазера КПД накачки не превышает 10 %, однако использование мощного дугового разряда позволяет получать из ограниченных объемов активных сред высокие мощности лазерного излучения.