Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИМ. А.В. РЖАНОВА
Сибирского отделения Российской академии наук
НОВОСТИ
10.02.17
Ученые из ИФП СО РАН изучили новый тип разряда, применение которого способно увеличить эффективность используемых в различных сферах газовых лазеров

Ученые из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН изучили новый тип разряда, применение которого способно увеличить эффективность используемых в различных сферах газовых лазеров. За это исследователи получили премию Правительства Российской Федерации.

Лазер — источник излучения, характеризующийся строгой направленностью и большой плотностью энергии. В зависимости от рабочего тела (своего рода наполнителя) лазеры могут быть твердотельными, жидкостными, химическими или газовыми. Последние представляют собой специально сконструированную кювету (сосуд), заполненную газовой смесью. Для работы устройства производится «накачка» смеси: то есть атомы, ионы или молекулы в ней возбуждаются высоковольтным импульсом. Сама кювета изначально помещена между двумя зеркалами: полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Оно обладает уникальными физическими параметрами, такими как когерентность, интенсивность, мощность и т.д., из-за чего устройства лазерной физики используются во многих областях науки и техники: в медицине, при обработке металлов и материалов и ряде других сфер.

Получившая премию работа была проведена пятью инициативными группами ученых из разных городов. Вклад в нее внесли и сотрудники новосибирского ИФП СО РАН. В числе лауреатов премии правительства РФ 2016 года — главный научный сотрудник института доктор физико-математических наук Пётр Артёмович Бохан и заведующий лабораторией газовых лазеров кандидат физико-математических наук Дмитрий Эдуардович Закревский.

Работа объединившихся коллективов связана с исследованием нетрадиционных разрядов, функционирующих в плотных газах в сильных электрических полях. У таких разрядов есть одна особенность: наличие эффекта ускорения (убегания) электронов до высоких энергий. То есть электроны приобретают энергии больше, нежели теряют, сталкиваясь с частицами газа — потому электроны и переходят в режим непрерывного убегания. Подобные разряды оказались высокоэффективными источниками электронов.

Электрический разряд представляет собой протекание тока в газе между двумя электродами — катодом и анодом. Это проводники электричества: один, например, заземлен, а второй располагается на определенном расстоянии от него. Между ними как раз и происходит разряд.

— Мы изучали процессы, протекающие в малых (0,1—10 мм) разрядных промежутках при напряжениях в десятки киловольт, — рассказывает Петр Бохан. — Это позволило создать новую разновидность газового разряда — так называемый «открытый разряд». В нем хотя бы один электрод является сетчатым, то есть представляет из себя металлическую сетку. Благодаря такой структуре процессы вне разрядного промежутка влияют на эмиссию (испускание электронов) и развитие тока в самом промежутке.

Открытый разряд может генерировать в газах с давлением 10—100 мм ртутного столба интенсивные электронные пучки с эффективностью (КПД) свыше 90 %. Правда, ученым пришлось разбираться с эмиссией электронов, их размножением, динамикой и характером распределения электрических полей, так как многие полученные результаты не соответствовали представлениям традиционной физики газового разряда. Слишком большая эффективность генерации вызывала недоумение у научного сообщества.

Проведенные физиками ИФП СО РАН исследования позволили обнаружить и объяснить совершенно новые явления, протекающие в субнаносекундном диапазоне времени, и создать на этой основе новые приборы: генераторы электронных пучков и коммутаторы.

— В лазерной физике одна из проблем заключается в том, что традиционный способ возбуждения — накачка газовым разрядом — хоть и самый простой и распространенный, но ограничивает возможности некоторых типов газовых лазеров, — поясняет Дмитрий Закревский. — Наши эксперименты продемонстрировали новые качества и свойства лазеров при электронно-пучковом возбуждении: улучшение энергетических параметров и эффективности генерации, изменение режимов функционирования (переход от импульсной к непрерывной генерации). А меняя способ и механизмы возбуждения лазерных уровней, мы получили новые линии излучения в другом спектральном диапазоне (которые отличаются по цвету).

Получившая награду работа «Фундаментальные исследования нелокальных процессов в электрических разрядах в плотных газах и создание устройств высоковольтной техники для импульсной энергетики» была сделана несколькими инициативными группами. Это ученые из московского Объединенного института высоких температур РАН, Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики города Саров, Института электрофизики Уральского отделения РАН, рязанского ООО «Импульсные технологии», а также новосибирского ИФП СО РАН. На основании результатов фундаментальных исследований авторами созданы новые импульсные электрофизические устройства и элементы мощной высоковольтной импульсной техники. Это газоразрядные устройства, в которых используется генерация пучков убегающих электронов при высоких перенапряжениях: генераторы пикосекундных электронных пучков, рентгеновского излучения, нейтронов, ультразвука, плазменных экранов, газовые и полупроводниковые лазеры с накачкой пучками электронов, а также высоковольтные скоростные газоразрядные коммутаторы нового поколения нано- и микросекундного диапазона длительностей импульсов.

Другим привлекательным результатом явилась разработка и исследование коммутатора на основе новых физических принципов. Коммутатор — это устройство переключения энергии, которое является элементом всех источников импульсного питания, применяемых в производстве, быту, науке. Фактически это ключ, который очень быстро перенаправляет запасенную энергию в нагрузку. Он способен перейти из непроводящего состояния в состояние высокой проводимости разрядного промежутка за минимальное время.

Разработанные учеными устройства позволяют коммутировать токи в десятки килоампер при напряжениях до 30 кВ с эффективностью коммутации более 90 %. В то же время скорость нарастания тока достигает килоампер в наносекунду, а самым ценным его качеством является способность функционировать с частотой до сотни кГц — это очень высокие показатели. Такие устройства перспективны при возбуждении газоразрядных лазеров, потому что их использование в системах питания позволяет уменьшать скорость нарастания импульса возбуждения. Это, прежде всего, улучшает энергетические параметры газоразрядных лазеров: по результатам экспериментов увеличилась частота следования импульсов и мощность генерации.

— Другая группа работ связана с созданием генераторов пикосекундных импульсов (10-12 секунды) — добавляет Пётр Бохан. — Наши коллеги из Института электрофизики Уральского отделения РАН первыми начали делать генераторы с длительностью импульсов 100 пикосекунд, но на большое напряжение — 100, 200, 300 кВ — и частоту равную 1 Гц. Мы же используем высокие частоты, но напряжение ниже, при этом достигая не меньшей продуктивности.

Предполагается, что когда коммутаторы и генераторы на основе открытого разряда будут введены в производство, энергия излучения и мощность существующих лазеров окажутся выше, нежели сейчас. По оценкам, если уменьшить длительность импульса накачки лазера с традиционных 20–50 наносекунд до одной, эффективность работы должна возрасти в несколько раз. Таким образом, увеличится КПД лазера и произойдет существенная экономия энергии, что важно из-за большой стоимости одного ватта лазерного излучения.

Алёна Литвиненко

Фото автора

Источник: www.sbras.info