SF6/H2和SF6/C2H6氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性及其對輸出激光的影響

易愛平，唐　影，黃　珂，朱　峰,黃　超，馬連英，于　力，劉晶儒

(西北核技術(shù)研究所,西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

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SF6/H2和SF6/C2H6氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性及其對輸出激光的影響

易愛平，唐影，黃珂，朱峰,黃超，馬連英，于力，劉晶儒

(西北核技術(shù)研究所,西安710024；激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

摘要：在未采取預(yù)電離措施的情況下，研究了純SF6氣體及SF6/H2 和SF6/C2H6兩種混合氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無預(yù)電離時(shí)SF6及其混合氣體介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)自引發(fā)體放電，氣體介質(zhì)體放電維持電壓主要由SF6含量決定，C2H6具有抑制電弧的作用，可以有效延長體放電維持時(shí)間。分析認(rèn)為，SF6氣體高折合場強(qiáng)E/p導(dǎo)致的放電通道電流密度受限和高電負(fù)度χa引起的放電通道中負(fù)離子分解產(chǎn)生二次電子，是介質(zhì)實(shí)現(xiàn)自引發(fā)體放電的重要機(jī)理。

關(guān)鍵詞：HF激光；自引發(fā)；體放電；電弧放電

中紅外激光光源在激光醫(yī)學(xué)、大氣污染監(jiān)測、科學(xué)研究以及光電對抗等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[1-2]。中心波長為2.8μm的放電激勵(lì)非鏈?zhǔn)紿F激光，是目前中紅外波段可實(shí)現(xiàn)大能量輸出的脈沖相干光源，具有峰值功率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[3-6]。

氣體介質(zhì)穩(wěn)定體放電是放電激勵(lì)氣體激光器實(shí)現(xiàn)高效輸出的基礎(chǔ)和前提。通常，大體積脈沖輝光放電被稱為體放電。由于其放電區(qū)域大，電流密度較低且較為均勻，維持電壓和放電通道阻抗較大，因而有利于能量在放電等離子體中的沉積，激勵(lì)過程產(chǎn)生的激光增益較為均勻，能量提取效率高。反之，電弧放電則難以實(shí)現(xiàn)高效激光輸出。氣體激光器運(yùn)行氣壓較高，氣體密度大，氣體分子的平均自由程小，擊穿電壓高，這增加了氣體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)輝光放電的難度。研究認(rèn)為,對放電激勵(lì)非鏈?zhǔn)紿F激光器，SF6是較好的F原子施主，而C2H6是較好的H原子施主，H2與C2H6相比次之。由于SF6具有很強(qiáng)的電負(fù)性，要獲得其均勻穩(wěn)定的體放電較其他氣體介質(zhì)難度更大，因而在較高氣壓下如何實(shí)現(xiàn)含SF6氣體激光介質(zhì)穩(wěn)定體放電，是激光器實(shí)現(xiàn)高效輸出需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[7-10]。

在主放電開始前對氣體介質(zhì)預(yù)電離，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定體放電的有效技術(shù)途徑[7-9]。然而，采用預(yù)電離措施將會增加泵浦電路及激光器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對器件電氣絕緣也提出了較高的要求。近年來，俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理所的Apollonov等人采用經(jīng)砂化處理的粗糙陰極在不采取預(yù)電離措施情況下，實(shí)現(xiàn)了含SF6氣體激光介質(zhì)自引發(fā)體放電，并獲得放電激勵(lì)非鏈?zhǔn)紿F激光的大能量輸出[4]。Belevtsev等對含SF6氣體激光介質(zhì)自引發(fā)體放電的研究認(rèn)為預(yù)電離對提高激光器輸出并不明顯[10-11]。上述研究主要集中于介質(zhì)自引發(fā)體放電對激光器輸出特性的影響，但對介質(zhì)體放電維持電壓及其時(shí)間特性研究相對較少。本文在未采取預(yù)電離措施的情況下，重點(diǎn)研究純SF6氣體及SF6/H2和SF6/C2H6兩種混合氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性，并對其放電機(jī)理進(jìn)行分析討論。

1實(shí)驗(yàn)裝置

放電激勵(lì)脈沖HF激光器實(shí)驗(yàn)裝置采用LC泵浦電路，等效電路如圖1所示。其中儲能電容C0由15個(gè)容值為0.56nF陶瓷電容器并聯(lián)組成，工作電壓最高30kV，L為回路固有電感，主開關(guān)為三電極氣體火花開關(guān)。R1和R2電阻分壓用于監(jiān)測放電電極間隙電壓?；陔姶鸥袘?yīng)原理的電流線圈G嵌入在陰極內(nèi)部，用于測量脈沖放電電流。激光氣室主體為不銹鋼箱式結(jié)構(gòu)，放電電極為表面拋光的一對不銹鋼條形電極，長480 mm、寬26 mm，電極間距17 mm，有效增益區(qū)體積約0.07 L。

圖1激光器等效電路示意圖Fig.1Equivalent circuit of laser

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在體放電維持期間，氣體介質(zhì)的吸附過程和電離過程達(dá)到動態(tài)平衡，因此，自持放電電壓Us維持相對穩(wěn)定值。對強(qiáng)電負(fù)性氣體(如HCl 、SF6和F2等[12-13])，因其吸附系數(shù)較大，自持放電維持電壓Us往往具有較高值，形成自持體放電電壓平臺段，非常有利于在脈沖放電研究中利用間隙電壓波形判斷是否有體放電的形成。

在充電電壓為8～20 kV的范圍內(nèi)分別研究了純SF6氣體及SF6/H2和SF6/C2H6兩種混合氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性。其中，SF6分壓分別為3,4,5,6和7 kPa，SF6/H2混合氣體按pSF6∶pH2=6∶1的比例配制，SF6/C2H6混合氣體按pSF6∶pC2H6=5∶1,10∶1和10∶0.6三種比例配制。

2.1典型脈沖放電波形

圖2為SF6及其混合氣體介質(zhì)典型脈沖放電波形。電流波形表現(xiàn)為明顯的電弧放電特征，難以辨別出是否有體放電形成。但電壓波形顯示，在電極間隙擊穿時(shí)刻出現(xiàn)較為明顯的自持放電電壓平臺，表明在這一時(shí)間段內(nèi)形成了體放電。比較三種介質(zhì)體放電的維持時(shí)間，可以看出，純SF6氣體脈沖體放電維持時(shí)間約50～80 ns，而電路的電氣長度約為260 ns，體放電維持時(shí)間不足80 ns，說明體放電快速向電弧放電轉(zhuǎn)化；SF6/H2混合氣體介質(zhì)脈沖體放電維持時(shí)間與純SF6氣體相當(dāng)，表明氫氣對SF6體放電無明顯影響；SF6/C2H6混合氣體介質(zhì)脈沖體放電時(shí)間則明顯變長，超過200 ns，表明C2H6氣體具有抑制電弧放電能力，有效延長體放電維持時(shí)間。進(jìn)一步分析圖2(c)，可以發(fā)現(xiàn)，在體放電結(jié)束的T時(shí)刻，放電電流波形趨勢有明顯變化，表明T時(shí)刻前為體放電，其后放電形式轉(zhuǎn)化為電弧放電。

C2H6對SF6脈沖體放電有重要影響主要與C2H6的電離截面和電離閾值有關(guān)。與SF6相比，C2H6電離截面大、閾值低，在高電壓作用下更易電離產(chǎn)生大量的自由電子，氣體介質(zhì)中大量空間自由電子的均勻分布有利于抑制局部放電通道由于沉積能量過多而向電弧發(fā)展的趨勢，延長體放電維持時(shí)間。

(a)Pure SF6 gas

(b)SF6/H2 mixture

(c)SF6/C2H6 mixture

圖2典型放電波形

Fig.2Typical discharging waveforms

2.2自持體放電電壓Us和折合電場強(qiáng)度Es/pSF6

激光器振蕩輸出發(fā)生在體放電期間，因此，研究影響體放電維持電壓Us、維持時(shí)間τs和折合電場強(qiáng)度Es/pSF6的因素及其機(jī)理對激光器狀態(tài)調(diào)試及實(shí)現(xiàn)高效輸出有重要意義。圖3是充電電壓18 kV時(shí)三種氣體介質(zhì)自持體放電電壓Us隨SF6分壓pSF6的變化曲線。其中，SF6/H2和SF6/C2H6混合氣體的配制比例分別為pSF6∶pC2H6=5∶1 和pSF6∶pH2=6∶1 。圖4是SF6分壓為4 kPa時(shí)三種氣體介質(zhì)自持體放電電壓Us隨充電電壓U0的變化曲線。由圖可知，三種氣體介質(zhì)自持體放電電壓的變化規(guī)律非常接近，自持體放電電壓幅值主要由SF6分壓決定，并隨著SF6分壓的增大近似線性增大；體放電電壓隨充電電壓的增加有微弱的升高。

圖3體放電電壓隨SF6分壓的變化曲線Fig.3Volume discharge voltage vs. SF6 partial pressure

圖4體放電電壓隨充電電壓的變化曲線Fig.4Volume discharge voltage vs. charging voltage

雖然兩種混合介質(zhì)總氣壓比純SF6氣壓高近20%，但與SF6相比,H2和C2H6氣體對電子的吸附能力極低，因此，對體放電電壓基本沒有貢獻(xiàn)。SF6氣體分子在放電過程中通過碰撞弛豫等能量交換過程會產(chǎn)生一定量υ為1～3的激發(fā)態(tài)SF6*分子，文獻(xiàn)[14,15]研究表明SF6*分子比基態(tài)SF6分子對電子具有更強(qiáng)的吸附性，因而含SF6混合氣體自持體放電電壓會隨著充電電壓的增加稍有升高。

充電電壓18 kV時(shí)折合電場強(qiáng)度Es/pSF6隨SF6分壓的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，隨著SF6分壓的升高，Es/pSF6出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，并趨于穩(wěn)定于88～90 V·(m·Pa)-1，這一數(shù)值可作為激光器狀態(tài)調(diào)試的重要參考。分析認(rèn)為，Es/pSF6的值在低氣壓時(shí)略高,同樣可以通過SF6*分子比基態(tài)SF6分子對電子具有更強(qiáng)的吸附性來分析和理解。對一定的充電電壓，假定放電中通過碰撞產(chǎn)生的SF6*分子基本不變，對低氣壓而言，單位SF6壓強(qiáng)時(shí)SF6*分子更多，吸附能力更強(qiáng)，自持放電時(shí)Es/pSF6就要更高些。

圖5折合電場強(qiáng)度隨SF6分壓的變化曲線Fig.5Conversion electrical field vs. SF6 partial pressure

2.3體放電維持時(shí)間τs及對激光輸出的影響

自持體放電維持時(shí)間決定了激光振蕩輸出時(shí)間，因而對激光器能量輸出特性有直接影響。圖6給出了SF6分壓為5kPa、不同種類介質(zhì)及其分壓在充電電壓8～20kV范圍內(nèi)形成的體放電維持時(shí)間的變化規(guī)律?？梢?，H2的使用對提高SF6體放電的維持時(shí)間作用有限，而C2H6可以顯著提高SF6體放電的維持時(shí)間，且隨著C2H6分壓的增加，τs不斷提高，在pSF6：pC2H6=5∶1時(shí)τs最大約為210ns，這已接近激勵(lì)電路約260ns的電氣長度。這一結(jié)論說明，C2H6在SF6體放電過程中更有利于抑制電弧的形成。

分析比較了激光器輸出能量和體放電維持時(shí)間的關(guān)系。圖7是SF6分壓為5kPa兩種混合氣體介質(zhì)在充電電壓9～20kV范圍內(nèi)激光能量輸出結(jié)果。與圖6比較可知，體放電維持時(shí)間越長，輸出激光能量越大。由此可以認(rèn)為，正是由于C2H6在SF6脈沖放電過程中對電弧的抑制，使得電容器儲能在向放電等離子體轉(zhuǎn)移過程中體放電得到有效維持，能量沉積提高，才獲得良好的激光輸出特性。相反，H2在SF6氣體自持體放電過程中未表現(xiàn)出對電弧的明顯抑制，體放電維持時(shí)間較短，激光輸出特性不佳。

圖6不同介質(zhì)體放電維持時(shí)間Fig.6Maintaining time of volume discharge for different mediums

圖7激光輸出能量隨充電電壓的變化Fig.7Output energy vs. charging voltage

3SF6放電機(jī)理分析與討論

SF6氣體及其混合介質(zhì)在無預(yù)電離時(shí)形成自引發(fā)體放電,可以通過其突出的強(qiáng)電負(fù)性特性加以理解，具體表現(xiàn)為介質(zhì)放電高的折合場強(qiáng)E/p和高的電負(fù)度χa(負(fù)離子數(shù)密度與電子數(shù)密度的比值)。

折合場強(qiáng)高源于強(qiáng)電負(fù)性時(shí)的高自持放電電壓值。此時(shí)電子的平均能量高，達(dá)到SF6的解離閾值，電離系數(shù)大，結(jié)果大部分沉積能量用于SF6的解離。SF6的解離和SF6對電子的吸附均會產(chǎn)生大量的正負(fù)離子，在亞微秒的放電時(shí)間尺度上，這些正負(fù)離子不能快速離開放電通道，導(dǎo)致局部氣體分子數(shù)密度的提高，電子漂移速度受到影響，放電電導(dǎo)減小，放電電流密度受到限制[4]。

此外，由于高的電負(fù)度，在自引發(fā)體放電中產(chǎn)生很高的負(fù)離子密度。這些負(fù)離子與氣體分子發(fā)生碰撞分解和電離，釋放電子，形成二次電子的增值過程[4]。文獻(xiàn)[16]把這種電離機(jī)制應(yīng)用于SF6雪崩電離發(fā)展過程研究并進(jìn)行了定量評估。負(fù)離子分解產(chǎn)生二次電子對放電可能產(chǎn)生兩方面影響。一方面，在放電發(fā)展階段，先期形成的陰極熱斑及放電通道中負(fù)離子分解產(chǎn)生的二次電子向鄰近介質(zhì)輻射，有利于其他陰極熱斑的產(chǎn)生，對體放電的形成產(chǎn)生積極影響；另一方面，在體放電形成后，放電通道中負(fù)離子分解產(chǎn)生的二次電子倍增則可能導(dǎo)致電子雪崩電離，并使體放電發(fā)展為電弧放電。此時(shí)，負(fù)離子分解產(chǎn)生的二次電子可能是引起放電不穩(wěn)定性增長的重要機(jī)制。

4結(jié)論

在無預(yù)電離情況下，研究了純SF6氣體及SF6/H2和SF6/C2H6兩種混合氣體激光介質(zhì)脈沖放電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SF6及其混合氣體介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)自引發(fā)體放電，氣體介質(zhì)體放電維持電壓幅值主要由SF6含量決定，在SF6分壓為3～7kPa時(shí)，折合電場強(qiáng)度隨著SF6分壓的升高出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，并趨于穩(wěn)定于88～90V·(m·Pa)-1；C2H6具有抑制電弧的作用，適當(dāng)提高C2H6含量是延長放電維持時(shí)間的有效方法，在pSF6∶pC2H6=5∶1時(shí)，放電維持時(shí)間達(dá)到210ns，接近激勵(lì)電路約260ns的電氣長度。分析認(rèn)為SF6氣體高折合電場強(qiáng)度值導(dǎo)致的放電電流密度受限以及高電負(fù)度導(dǎo)致的負(fù)離子分解產(chǎn)生二次電子增值是SF6及其混合氣體介質(zhì)自引發(fā)體放電的主要原因。

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收稿日期：2016-02-02；修回日期：2016-04-13 基金項(xiàng)目：激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(SKLLIMI309)

作者簡介：易愛平(1969- )，男，江西東鄉(xiāng)人，研究員，博士，主要從事激光技術(shù)及應(yīng)用研究。 E-mail:yiaiping@nint.ac.cn

中圖分類號：TN248.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-6223(2016)020301(5)

PulsedDischargeCharacteristicsofSF6/H2andSF6/C2H6MixturesandTheirEffectsonOutputLaser

YIAi-ping,TANGYing,HUANGKe,ZHUFeng,HUANGChao,MALian-ying,YuLi,LIUJing-ru

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China；StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,Xi’an710024,China)

Abstract:Stable volume discharge of gas mixture is the foundation for discharge pumped gas laser. In this paper, the pulsed discharge characteristics of SF6, SF6/H2 mixture, and SF6/C2H6 mixture are studied without pre-ionization. The experimental results show that the pulsed self-initiation volume discharge in SF6 mixture can be realized without pre-ionization, and the voltage of volume discharge depends on SF6 partial pressure. C2H6 can suppress the development of arc, and extend the time of volume discharge, and obviously improve the volume discharge of SF6 gas. The discharge mechanisms of SF6 and its mixture are discussed.

Key words:HF laser；self-initiation；volume discharge；arc discharge