Четвертая часть монументального труда о лампах накачки твердотельных лазеров. На этот раз освещаются вопросы: физика плазмы в лампе и спектры криптоновых и ксеноновых ламп, общая информация о поджиге.

Физика свечения плазмы

Принципы действия дуговой лампы описывается физикой плазмы. Являясь 4-м состоянием материи, плазма существует при высоких температурах. Вдоль оси лампы, по которой протекает электрическая дуга, температура может достигать до 10000К. Однако эта температура стремительно снижается в радиальном направлении, достигая у внутренней стенки лампы всего 1200-1500К, в то время как точка плавления кварца -1940К.

Рис. 7. Динамика плазмы. - потенциал «темной зоны» катода 5-15В, - толщина «темной зоны» десятки мкм, - потенциал «темной зоны» катода, - количество нейтральных атомов,  - количество электронов,  - количество ионизированных атомов ксенона или криптона.

Так как электроны обладают гораздо большей подвижностью, чем положительно заряженные ионы Xe и Kr, они располагаются около внутренней стенки колбы, делая ее отрицательно заряженной. Электромагнитное поле притягивает положительно заряженные ионы к внутренней стенке колбы, где происходит электрон-ионная рекомбинация, что приводит к образованию большого количества нейтрально заряженных атомов Xe и Kr. Эти атомы имеют гораздо меньшую температуру чем, заряженные частицы и образуют термальный буферный слой между плазмой дуги и колбой.

В плазме дуги одновременно присутствуют 3 типа частиц: электроны, ионы, нейтральные атомы. Концентрация ионизированных атомов меньше 1%, именно они испускают оптическое излучение. Ионы движутся от анода к катоду, электроны наоборот.

Крайне близко к поверхности катода прилегает тонкая область ионного тока называемая «темной зоной». Она заполнена ионами, создающими электрическое поле с напряжением 5-15В (мембранное напряжение), которое ускоряет ионы, подлетающие к поверхности катода. Высоко заряженные частицы в этом поле разгоняются до скоростей, достаточных чтобы нанести катоду механические повреждение. Данное явление основным неустранимым фактором, определяющим срок жизни лампы.

Полное падение напряжение на работающей лампе равно сумме падений на аноде и катоде, анодное и катодное мембранное напряжение и напряжение плазмы.

Спектральные характеристики

Дуговые и импульсные лампы излучают в широком спектре. Материалом колбы блокирует УФ 160-381нм и ИК после 2.5мкм. Излучение лампы сильно зависит от плотности тока и гораздо меньше от типа газа и давления (исключение – ртутные и галогенные лампы). При низких плотностях мощности тока преобладает атомарные линии излучения, соответствующие связанно-связанным переходам. При более высоких плотностях мощности преобладает непрерывный спектр, соответствующий свободно-связанным и свободно-свободным переходам. Узкие линии также наблюдаются, однако они являются небольшими отклонениями от непрерывного спектра. При высоких плотностях тока спектр совпадает со спектром АЧТ при температуре 9500⁰С.

Рис. 8. Спектр поглощения алюмоиттриевого граната легированного неодимом (Nd+3:YAG)

Рис. 9. Спектр излучения криптона при различных плотностях тока в плазме.

Рис. 10. Спектр излучения ксенона при различных плотностях тока в плазме.

Из приведенных спектральных характеристик (рис. 8-10) следует что при малых плотностях тока эффективнее использовать криптон в качестве наполнителя для ламп накачки твердотельных лазеров, так как его линии гораздо лучше попадают в спектр поглощения активной среды. Однако при больших плотностях тока лучше использовать ксенон, так как он обладает лучшей эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую. Для криптона преобразование подводимой электрической энергии в оптическую в диапазоне 200-1100нм около 50%. Эффективность увеличивается с увеличением плотности тока и давления. Эффективность ксенона выше на 10% по сравнению с криптоном.

Поджиг

Обычно напряжение импульса разряда через лампу меньше значения напряжения самопробоя. Поэтому перед подачей разрядного импульса, на лампу подается высоковольтный (20-30кВ) кратковременный импульс поджига. Как и прочие газовые приборы лампы обладают очень высоким сопротивлением в непроводящем состоянии. Чтобы привести лампу в проводящее состояние нужно сформировать искру между электродами (обычно в радиальном направлении, либо в направлении дуги в случае использования симмера) с помощью высоковольтного импульса. Для импульсных ламп при отсутствии симмера поджиг необходимо производить перед каждым импульсом разряда, для дуговой же лампы только в начале работы.

Процесс поджига состоит из нескольких стадий. Сначала формируется искра между электродом и внутренней стенкой колбы. Искра из-за емкостного эффекта распространяется по колбе к другому электроду. Если падение напряжение между электродами от искры меньше падения напряжения на разрядной емкости, то лампа переходит в проводящее состояние.

Не зависимо от метода поджига процесс требует наличия разности потенциалов на опорной плоскости или рядом с поверхностью лампы. Без этой разницы напряжения невозможен надежный поджиг. Для обеспечения надежного поджига следует заземлять металлический корпус квантрона в приложениях с водяным охлаждением (последовательный поджиг). При воздушном охлаждении вокруг лампы наматывают никелевый провод один конец которого соединяют с одним из электродов (внешним поджиг).

Сложно точно рассчитать требуемые параметры импульса поджига. Следует учитывать не только напряжение импульса, но и его длительность. Если длительность будет недостаточной, то поджиг не произойдет даже при очень большом приложенном напряжении. Обычно достаточно 60нс. Напряжение поджига очень сильно разнится даже для ламп одной серии. Обычно достаточно напряжения на 60% выше напряжения самопробоя лампы.