張興強(qiáng)

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系，湖北 十堰 442002）

自1984年X光激光被實(shí)現(xiàn)以來［1］，泵浦機(jī)制和產(chǎn)生方式都取得了很大的進(jìn)展。激光的研究向著2個方向邁進(jìn)：一是研究大型高功率輸出的激光器；二是研究短波長激光器，如X光激光器。產(chǎn)生X光激光主要有激光等離子體（LPP）和放電等離子體（DPP）2種方式。前者需要大型的高功率激光裝置，它先將電能轉(zhuǎn)化成激光的能量，再轉(zhuǎn)換為等離子體的輻射能，能量的3級轉(zhuǎn)換不僅降低了轉(zhuǎn)換效率，而且整個裝置的運(yùn)行成本也很高；后者直接將電能轉(zhuǎn)化為等離子體的輻射能，能量轉(zhuǎn)換效率較高。屬于4種DPP方式之一的毛細(xì)管放電非常適合產(chǎn)生穩(wěn)定、對稱、軸向均勻的細(xì)長等離子體柱，有利于X光激光的產(chǎn)生和放大。此外，毛細(xì)管放電X光激光裝置體積小、造價低，便于發(fā)展成可實(shí)用化的小型、臺式、高效的X光激光器。1988年美國Colorado州立大學(xué)Rocca首先提出了利用毛細(xì)管放電泵浦發(fā)展臺式實(shí)用化軟X光激光器的方案［2］。

1 工作原理

毛細(xì)管放電軟X光激光裝置如圖1所示，按各部分功能可分為5個單元：1）脈沖發(fā)生單元，主要包括10級Marx發(fā)生器、直流高壓電源、觸發(fā)裝置；2）脈沖整形單元，主要包括Blumlein傳輸線、主開關(guān)、充氣系統(tǒng)；3）毛細(xì)管放電單元，主要包括可調(diào)前置脈沖開關(guān)、毛細(xì)管放電室、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)；4）探測單元，主要包括光電二極管（XRD）探測裝置、真空系統(tǒng)、真空差分裝置及示波器；5）預(yù)脈沖單元，主要包括充電電源、預(yù)脈沖發(fā)生線圈、延時觸發(fā)電路及預(yù)脈沖隔離線圈。工作原理是首先預(yù)脈沖電源開始工作，使幅值20 A、脈寬9 μs的預(yù)脈沖電流通過毛細(xì)管，將氬氣電離成+1、+2價的等離子體，同時輸出一路信號給延時電路，經(jīng)延時電路和MOSFET管觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器，輸出的高壓信號觸發(fā)Marx發(fā)生器中的火花隙開關(guān)，使預(yù)先并聯(lián)充電的電容器串聯(lián)放電，獲得高壓脈沖。該輸出電壓對Blumlein傳輸線充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到輸出峰值的90%～95%時主開關(guān)導(dǎo)通，經(jīng)Blumlein傳輸線整形的主脈沖電流通過毛細(xì)管，電流峰值可達(dá)40 kA以上。當(dāng)主脈沖電流通過毛細(xì)管時，大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場作用于等離子體，在強(qiáng)大洛侖茲力的作用下，等離子體快速向軸心箍縮，同時產(chǎn)生歐姆加熱，進(jìn)一步電離等離子體，使其溫度升高、密度增大。當(dāng)?shù)入x子體的電子溫度約60 eV、電子密度約1019/cm3時，可實(shí)現(xiàn)類氖氬46.9 nm激光的產(chǎn)生和放大。影響毛細(xì)管放電類氖氬46.9 nm激光輸出的放電參量和制約因素很多，如主脈沖電流［3］的峰值和上升沿、預(yù)脈沖電流的幅值和弛豫時間、預(yù)－主脈沖延時［4］、毛細(xì)管內(nèi)氬氣氣壓等屬于前者；而毛細(xì)管材料和內(nèi)徑、主開關(guān)結(jié)構(gòu)［5］、鉬補(bǔ)償電極的長度等屬于后者。

圖1 毛細(xì)管放電軟X光激光裝置

2 不同管徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用長度為20 cm、內(nèi)徑為3 mm或4 mm的Al2O3陶瓷毛細(xì)管，鉬電極長度為4 cm。毛細(xì)管內(nèi)氬氣在高電壓作用下，逐漸變成高度電離的等離子體。氣柱在擊穿起始階段的初始電阻較大，而終態(tài)等離子體柱的電阻很小，可忽略不計；氣柱電感在電離和箍縮過程中不斷增大。毛細(xì)管的阻抗由系統(tǒng)特征電阻（固定不變）、氣柱電阻和感抗組成。在電壓一定的條件下，阻抗決定了毛細(xì)管內(nèi)放電電流的波形，而放電電流直接影響到等離子體的狀態(tài)，從而制約著激光的產(chǎn)生和放大。

Marx發(fā)生器最大可提供300 kV的輸出電壓，預(yù)脈沖電流為20 A，持續(xù)時間9 μs，預(yù)－主脈沖延時在3～5 μs范圍內(nèi)可調(diào)，氬氣氣壓可調(diào)，調(diào)幅1 Pa。預(yù)－主脈沖延時對激光輸出的影響反映出等離子體內(nèi)部發(fā)生的微觀過程在宏觀上的表現(xiàn)。當(dāng)延時很小時，預(yù)電離等離子體還未充分電離和均勻，主脈沖電流通過電離度較小的非均勻等離子體，難以形成好的激光增益介質(zhì)；當(dāng)延時很大時，預(yù)電離等離子體的電離度和穩(wěn)定性已經(jīng)開始下降，主脈沖電流通過電離度較小的不穩(wěn)定等離子體，也難以產(chǎn)生好的激光增益介質(zhì)，預(yù)－主脈沖延時存在一個最佳范圍［4］。在氬氣氣壓相同的條件下，預(yù)－主脈沖的最佳延時對3 mm或4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管沒有區(qū)別，因?yàn)轭A(yù)電離等離子體的弛豫時間與內(nèi)徑無關(guān)。圖2是3 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管在最佳氣壓范圍內(nèi)的激光輸出和相應(yīng)的預(yù)－主脈沖延時，從圖中可見，激光輸出的最佳工作氣壓約38 Pa。

氬氣氣壓控制在38 Pa，調(diào)節(jié)預(yù)－主脈沖延時，所測激光輸出如圖3所示，其中包括主脈沖電流波形。從圖中可見，主脈沖電流的峰值和上升沿都很穩(wěn)定，當(dāng)預(yù)－主脈沖延時較小時，激光輸出較小；當(dāng)延時較大時，激光輸出也??；而當(dāng)延時為5.8 μs時，激光輸出較大。

圖2 激光輸出和相應(yīng)預(yù)－主脈沖延時隨氣壓的變化

換用4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，所有放電參量和其他制約因素基本保持不變，預(yù)－主脈沖延時隨氣壓的變化與圖2基本相同，但未測得激光輸出。當(dāng)氬氣氣壓控制在38 Pa，調(diào)節(jié)預(yù)－主脈沖延時，主脈沖電流波形與圖3基本一致，但仍未測得激光輸出。

圖3 不用預(yù)－主脈沖延時對應(yīng)的激光輸出（38 Pa）

3 分析及結(jié)論

根據(jù)著名的貝奈特關(guān)系［6］：

在氣壓確定的條件下，箍縮電流與毛細(xì)管的半徑成正比。4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管要達(dá)到3 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管的等離子體出光狀態(tài)，箍縮電流要相應(yīng)提高4/3倍。從圖3中可見，主脈沖電流基本保持在約40 kA，那么4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管要將等離子體箍縮到出光狀態(tài)，主脈沖電流也應(yīng)提高4/3倍，至少要達(dá)到約53 kA，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Marx發(fā)生器所能提供的最大儲能。

在毛細(xì)管放電軟X光激光裝置能力有限的條件下，研究了3 mm和4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管產(chǎn)生激光的情況，結(jié)果表明：裝置完全滿足3 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管產(chǎn)生激光的條件；驗(yàn)證了4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管不能產(chǎn)生激光；4 mm內(nèi)徑的毛細(xì)管要將等離子體箍縮到出光狀態(tài)，主脈沖電流應(yīng)提高4/3倍，達(dá)到約53 kA。

［1］ D.L.Matthews， P.L.Hagelstein,M.D.Rosen et al.Demonstration of a Soft X－Ray Amplifier［J］.Phys.Rev.Lett.， 1985， 54（2）：110－113.

［2］ J.J.Rocca， D.C.Beeth,M.C.Marconi.Proposal for soft－x－ray and XUV lasers on capillary discharges［J］.Opt.Lett.， 1988， 13（7）：565－567.

［3］ X.Q.Zhang,Y.L.Cheng， Q.Wang.Characteristic of a Ne－like Ar 46.9－nm Soft X －ray Laser in Capillary Discharge at a Low Pressure ［J］.Laser Physics， 2008，18（8）：958－961.

［4］ 張興強(qiáng)，程元麗，王 騏，等.延時對毛細(xì)管放電類氖氬46.9nm軟X射線激光的影響 ［J］.中國激光，2008，35（3）：363－366.

［5］ 張興強(qiáng),程元麗,王 騏，等.主開關(guān)改進(jìn)對毛細(xì)管放電軟 X 光激光的影響［J］.中國激光，2009，36（2）：324－327.

［6］ 杜世剛.等離子體物理 ［M］.北京： 原子能出版社，1998：84－88.