гаться ТОЛЬКО при охлаждении стержня. Солнечная накачка перспективна для фотодиссоционного лазера (рис. 30).

Ожидается, что солнечная накачка будет особенно эффективна в космическом пространстве, поскольку можно будет

Солнечное изпучен1е

Актибнст /1азерное Р°" излучение

Конический ко/!/1вктор

Рис. 30. Схема лазера с солнечной накачкой

использовать коротковолновую часть солнечного спектра, п6 глощаемую атмосферой Земли.

3.2. Накачка электрическим разрядом

3.2.1. Свойства газового разряда

Наиболее эффективно частицы в газовых средах возбуж даются в результате взаимодействия нейтральных атомов ил{ .молекул с заряженными частицами или взаимодействия между заряженными частицами.

Частично или полностью ионизированный газ называется плазмой. Если суммарный электрический заряд конечного объема плазмы равен нулю, то такая плазма называется квазинейтральной.

Одним из наиболее удобных и распространенных способов получения плазмы является-электрический разряд. Под электрическим разрядом в газах понимают совокупность физических явлений, сопровождающих протекание электрического тока через газовую среду (рис. 31). Энергия, выделяющаяся в единице объема газового разряда, пропорциональна плотности тока / и напряженности электрического поля Е. В электроразрядных газовых лазерах состояние плазмы характеризуется широким диапазоном значений основных параметров. Концентрация электронов изменяется от 10... 10 тем-

кфзтура нейтральных атомов от сотен До тысяч кельвиной, средняя энергия электронов от 10"" до 10"* Дж.

Многообразие свойств плазмы и происходящих в ней явлений определяется многообразием элементарных процессов, которые могут иметь место при столкновениях заряженных II нейтральных частиц между собой. Наиболее характерными являются два вида столкновений: упругие и неупругие. В пер-»ом случае суммарная энергия поступательного движения

Рис. 31. Схема электрической цепи с , газовым разрядом

частиц не изменяется, а происходит лишь ее перераспределение. Во втором случае столкновение сопровождается изменением внутренней энергии частиц.

Возбуждение активной среды газовых лазеров происходит в результате упругих столкновений, сопровождающихся бедующими основными процессами.

1. Возбуждением частиц при столкновениях с электроном (:лектрический удар): е+А-е+А*. Естественно, что для реализации такого процесса подходят лишь электроны, энергия которых превосходит энергию возбуждения частицы. При-нером таких реакций могут служить процессы возбуждения юнррных молекул Не и N2:

е + Не + Не*, е + Ne + Nj*,

I таюйе возбуждение излучающих атомов в лазерах на само-нраниченных переходах, например, е+Си-е + Си*.

2. Передачей возбуждения от одной частицы к другой:

Максимальная скорость такого процесса определяется близостью возбужденных уровней энергии молекул. Примером могут служить резонансные передачи энергии от донорных молекул в He-Ne и СОг-лазерах:

Не* NeNe* + He,

N,* + CO,->C02*+N2.

3. Возбуждением при прямой или ступенчатой ионизации:

Л + е-А+* + 2е,

Подобный процесс происходит при накачке аргонового ион

ного лазера:

Аг + еАг* + 2е, Аг*-(-е-Аг+* + е.

4. Возбуждением активных частиц в процессах переза- рядки при ионных столкновениях: Л + 5+-Л+* + 5.

5. Возбуждением, совместным с отлипанием электрона (реакция Пеннинга):

А+В**А*+В + е. Такие процессы характерны для Не-С(1-лазеров:

He + Cd-He + Cd**,

He* + Cd-He4-Cd+* + e.

Кроме возбуждения частиц в газовом разряде протекают обратные им процессы тушения при спонтанном излучении и в результате столкновений, а также целый ряд реакций, связанных с образованием и перераспределением энергии в плазме.

Большую роль в работе газоразрядной системы накачки играют поверхностные явления на электродах и ограничивающих плазму поверхностях: фотоэффект, термо- и автоэлектронная эмиссия электронов на катоде и другие. Направленное движение заряженных частиц в ионизированном газе под действием электрического поля называется дрейфом. Электроны в электрическом поле набирают энергию в интервале между столкновениями и отдают ее при упругих и неупругих столкновениях с ионами, атомами и молекулами.

Приближенно скорость дрейфа электронов выражается ависимостью:

и,Ь,Е, (3.1)

где be-коэффициент пропорциональности, называемый по-1вижностью электронов.

Аналогично для тяжелых заряженных частиц-ионовско-, ;)0сть дрейфа в направлении электрического поля можно за-исать как

щЬЕ, (3.2)

где bi - подвижность ионов.

Плотность тока заряженных частиц в плазме определяется их плотностью, зарядом и скоростью дрейфа:

(3.3)

где Пу - концентрация заряженных частиц сорта у, Zy - их заряд в единицах электронного заряда е. С учетом (3.1)... ..(3.3) плотность тока в плазме можно представить в виде

Гак как масса электронов те много меньше массы ионов (те<С"г), то их ПОДВИЖНОСТЬ должна быть много больше (bebi) и при примерном равенстве rie - rii соотношение электронных и ионных токов удовлетворяют неравенству je>ji, г. е. ток в квазинейтральной плазме переносится в основном электронами.

3.2.2. Вольт-амперная характеристика (ВАК)

Протекание электрического тока в газоразрядном промежутке характеризуется многообразием электрических, квантовых, газодинамических процессов, точное описание которых вызывает серьезные трудности. Поэтому при изучении электрического разряда в газах часто отказываются от рассмотрения всех сопутствующих явлений и останавливаются на анализе связи между напряжением на разрядном промежутке и током через этот промежуток. Такой подход к описанию электрического разряда в газе получил наЭвание метода вольт-амперных характеристик (ВАХ).

ВАХ описывает связь между напряжением и током U= ~U(J) ив общем случае определяется не только значениями

и /, но и их производными по времени. Вольт-амперная характеристика, полученная для установившихся значений тока, называется статической и определяется только свойствами конкретного разрядного промежутка.

Напряжение на разрядном промежутке (между точками А я В, рис. 31) и может быть выражено следующим образом: U=E-JRm, где £ -ЭДС источника электропитания; вн - сопротивление внешней цепи.

Изменяя величины Е и Явн по одиночке или одновременно, можно, определяя при каждом новом значении Е и /?вн значения U к J, получить кривую ВАХ, имеющую характерный вид (рис. 32).

Прежде всего на этой кривой выделяются два участка: OABCD - участок несамостоятельного разряда, для существования электрического тока в котором необходим, кроме подачи напряжения на электроды, внешний источник иониза- \ ции газа, и DEFGHKL - участок самостоятельного разряда.

Рис. 32. Вольт-амперная характеристика газового разряда

В котором электрический ток поддерживается только за счет; энергии электрического поля, подводимой к электродам раз-j рядного промежутка. На участке OA ВАХ сопротивление газового промежутка постоянно и зависимость U=U{J) линей-." пая. Участок ВС характеризуется насыщением, когда элект- { рический ток, протекающий через разрядный промежуток] перестает зависеть от напряжения. Дальнейший рост напря-j жения (участок CD) приводит к появлению заметного коли- чества вторичных электронов, образующихся при столкновениях частиц в газе и бомбардировке катода положительными ионами. Начиная с точки D при напряжении на раз-

;)ядном промежутке, называемом напряжением зажигания Озат, число ВНОВЬ образующихся носитслей электрического ,ока сравнивается с числом гибнущих в разряде частиц. Участок DE -это самостоятельный разряд, поддерживаемый при 1,апряжении зажигания разряда. Он называется таундсенов-ским, или «темным». Свечения разряда при этом не наблюдается, токи очень малы (/= 10-"... 10 А).

С ростом тока за точку Е самоподдержание разряда обеспечивается за счет падения напряжения в узкой прикатодной области, а поле во внешней области лишь обеспечивает проводимость газового промежутка. При этом суммарное напряжение на разрядном промежутке падает до величины, значи-ельно меньшей напряжения зажигания UavK- Участок пра-(се точки F называется областью тлеющего разряда. Сна-1ала он занимает лишь часть площади катода, при этом плотность тока называется «нормальной». С ростом тока пло-цадь, занимаемая на катоде разрядом, увеличивается при охранении «нормальной» плотности тока (участок FG). Это происходит при почти постоянном напряжении на разрядном промежутке. После заполнения всей площади катода разря-юм рост тока сопровождается увеличением плотности тока i напряжения на разрядном промежутке. Этот участок GH [взывается участком «аномального» тлеющего разряда. При 1альнейи1ем росте тока происходит разогрев поверхности ка-ода, приводящий к росту термоэмиссии электронов. Поло-кптельная обратная связь между этими явлениями приводит ; переходу правее точки Н к дуговому разряду, причем ток продолжает расти при снижающемся напряжении на разряд-пом промежутке. В газовых лазерах для возбуждения активной среды могут использоваться как несамостоятельный, так и самостоятельный электрический разряд.

3.2.3. Накачка газовых лазеров несамостоятельным электрическим разрядом

Использование несамостоятельного разряда для накачки активной среды лазеров позволяет работать в области возрастающей вольт-амперной характеристики, т. е. повышенной ;стойчивости разряда, и отказываться от использования в депи (см. рис. 31) балластных сопротивлений Яб, на которых рассеивается значительная мощность. Это определяет перспективы при.менения несамостоятельного разряда для высо-