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.

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.

— 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).

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

Источник: www.sbras.info