SF6/H2和SF6/C2H6气体激光介质脉冲放电特性及其对输出激光的影响

易爱平，唐　影，黄　珂，朱　峰,黄　超，马连英，于　力，刘晶儒

(西北核技术研究所,西安710024；激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)



SF6/H2和SF6/C2H6气体激光介质脉冲放电特性及其对输出激光的影响

易爱平，唐影，黄珂，朱峰,黄超，马连英，于力，刘晶儒

(西北核技术研究所,西安710024；激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

摘要：在未采取预电离措施的情况下，研究了纯SF6气体及SF6/H2 和SF6/C2H6两种混合气体激光介质脉冲放电特性。实验结果表明，无预电离时SF6及其混合气体介质可以实现自引发体放电，气体介质体放电维持电压主要由SF6含量决定，C2H6具有抑制电弧的作用，可以有效延长体放电维持时间。分析认为，SF6气体高折合场强E/p导致的放电通道电流密度受限和高电负度χa引起的放电通道中负离子分解产生二次电子，是介质实现自引发体放电的重要机理。

关键词：HF激光；自引发；体放电；电弧放电

中红外激光光源在激光医学、大气污染监测、科学研究以及光电对抗等领域有很好的应用前景[1-2]。中心波长为2.8μm的放电激励非链式HF激光，是目前中红外波段可实现大能量输出的脉冲相干光源，具有峰值功率高、光束质量好、结构紧凑等特点，受到广泛关注[3-6]。

气体介质稳定体放电是放电激励气体激光器实现高效输出的基础和前提。通常，大体积脉冲辉光放电被称为体放电。由于其放电区域大，电流密度较低且较为均匀，维持电压和放电通道阻抗较大，因而有利于能量在放电等离子体中的沉积，激励过程产生的激光增益较为均匀，能量提取效率高。反之，电弧放电则难以实现高效激光输出。气体激光器运行气压较高，气体密度大，气体分子的平均自由程小，击穿电压高，这增加了气体介质实现辉光放电的难度。研究认为,对放电激励非链式HF激光器，SF6是较好的F原子施主，而C2H6是较好的H原子施主，H2与C2H6相比次之。由于SF6具有很强的电负性，要获得其均匀稳定的体放电较其他气体介质难度更大，因而在较高气压下如何实现含SF6气体激光介质稳定体放电，是激光器实现高效输出需解决的关键技术问题[7-10]。

在主放电开始前对气体介质预电离，是实现稳定体放电的有效技术途径[7-9]。然而，采用预电离措施将会增加泵浦电路及激光器结构的复杂性，对器件电气绝缘也提出了较高的要求。近年来，俄罗斯科学院应用物理所的Apollonov等人采用经砂化处理的粗糙阴极在不采取预电离措施情况下，实现了含SF6气体激光介质自引发体放电，并获得放电激励非链式HF激光的大能量输出[4]。Belevtsev等对含SF6气体激光介质自引发体放电的研究认为预电离对提高激光器输出并不明显[10-11]。上述研究主要集中于介质自引发体放电对激光器输出特性的影响，但对介质体放电维持电压及其时间特性研究相对较少。本文在未采取预电离措施的情况下，重点研究纯SF6气体及SF6/H2和SF6/C2H6两种混合气体激光介质脉冲放电特性，并对其放电机理进行分析讨论。

1实验装置

放电激励脉冲HF激光器实验装置采用LC泵浦电路，等效电路如图1所示。其中储能电容C0由15个容值为0.56nF陶瓷电容器并联组成，工作电压最高30kV，L为回路固有电感，主开关为三电极气体火花开关。R1和R2电阻分压用于监测放电电极间隙电压。基于电磁感应原理的电流线圈G嵌入在阴极内部，用于测量脉冲放电电流。激光气室主体为不锈钢箱式结构，放电电极为表面抛光的一对不锈钢条形电极，长480 mm、宽26 mm，电极间距17 mm，有效增益区体积约0.07 L。

图1激光器等效电路示意图Fig.1Equivalent circuit of laser

2实验结果与讨论

在体放电维持期间，气体介质的吸附过程和电离过程达到动态平衡，因此，自持放电电压Us维持相对稳定值。对强电负性气体(如HCl 、SF6和F2等[12-13])，因其吸附系数较大，自持放电维持电压Us往往具有较高值，形成自持体放电电压平台段，非常有利于在脉冲放电研究中利用间隙电压波形判断是否有体放电的形成。

在充电电压为8～20 kV的范围内分别研究了纯SF6气体及SF6/H2和SF6/C2H6两种混合气体激光介质脉冲放电特性。其中，SF6分压分别为3,4,5,6和7 kPa，SF6/H2混合气体按pSF6∶pH2=6∶1的比例配制，SF6/C2H6混合气体按pSF6∶pC2H6=5∶1,10∶1和10∶0.6三种比例配制。

2.1典型脉冲放电波形

图2为SF6及其混合气体介质典型脉冲放电波形。电流波形表现为明显的电弧放电特征，难以辨别出是否有体放电形成。但电压波形显示，在电极间隙击穿时刻出现较为明显的自持放电电压平台，表明在这一时间段内形成了体放电。比较三种介质体放电的维持时间，可以看出，纯SF6气体脉冲体放电维持时间约50～80 ns，而电路的电气长度约为260 ns，体放电维持时间不足80 ns，说明体放电快速向电弧放电转化；SF6/H2混合气体介质脉冲体放电维持时间与纯SF6气体相当，表明氢气对SF6体放电无明显影响；SF6/C2H6混合气体介质脉冲体放电时间则明显变长，超过200 ns，表明C2H6气体具有抑制电弧放电能力，有效延长体放电维持时间。进一步分析图2(c)，可以发现，在体放电结束的T时刻，放电电流波形趋势有明显变化，表明T时刻前为体放电，其后放电形式转化为电弧放电。

C2H6对SF6脉冲体放电有重要影响主要与C2H6的电离截面和电离阈值有关。与SF6相比，C2H6电离截面大、阈值低，在高电压作用下更易电离产生大量的自由电子，气体介质中大量空间自由电子的均匀分布有利于抑制局部放电通道由于沉积能量过多而向电弧发展的趋势，延长体放电维持时间。

(a)Pure SF6 gas

(b)SF6/H2 mixture

(c)SF6/C2H6 mixture

图2典型放电波形

Fig.2Typical discharging waveforms

2.2自持体放电电压Us和折合电场强度Es/pSF6

激光器振荡输出发生在体放电期间，因此，研究影响体放电维持电压Us、维持时间τs和折合电场强度Es/pSF6的因素及其机理对激光器状态调试及实现高效输出有重要意义。图3是充电电压18 kV时三种气体介质自持体放电电压Us随SF6分压pSF6的变化曲线。其中，SF6/H2和SF6/C2H6混合气体的配制比例分别为pSF6∶pC2H6=5∶1 和pSF6∶pH2=6∶1 。图4是SF6分压为4 kPa时三种气体介质自持体放电电压Us随充电电压U0的变化曲线。由图可知，三种气体介质自持体放电电压的变化规律非常接近，自持体放电电压幅值主要由SF6分压决定，并随着SF6分压的增大近似线性增大；体放电电压随充电电压的增加有微弱的升高。

图3体放电电压随SF6分压的变化曲线Fig.3Volume discharge voltage vs. SF6 partial pressure

图4体放电电压随充电电压的变化曲线Fig.4Volume discharge voltage vs. charging voltage

虽然两种混合介质总气压比纯SF6气压高近20%，但与SF6相比,H2和C2H6气体对电子的吸附能力极低，因此，对体放电电压基本没有贡献。SF6气体分子在放电过程中通过碰撞弛豫等能量交换过程会产生一定量υ为1～3的激发态SF6*分子，文献[14,15]研究表明SF6*分子比基态SF6分子对电子具有更强的吸附性，因而含SF6混合气体自持体放电电压会随着充电电压的增加稍有升高。

充电电压18 kV时折合电场强度Es/pSF6随SF6分压的变化曲线如图5所示。可以看出，随着SF6分压的升高，Es/pSF6出现缓慢下降的趋势，并趋于稳定于88～90 V·(m·Pa)-1，这一数值可作为激光器状态调试的重要参考。分析认为，Es/pSF6的值在低气压时略高,同样可以通过SF6*分子比基态SF6分子对电子具有更强的吸附性来分析和理解。对一定的充电电压，假定放电中通过碰撞产生的SF6*分子基本不变，对低气压而言，单位SF6压强时SF6*分子更多，吸附能力更强，自持放电时Es/pSF6就要更高些。

图5折合电场强度随SF6分压的变化曲线Fig.5Conversion electrical field vs. SF6 partial pressure

2.3体放电维持时间τs及对激光输出的影响

自持体放电维持时间决定了激光振荡输出时间，因而对激光器能量输出特性有直接影响。图6给出了SF6分压为5kPa、不同种类介质及其分压在充电电压8～20kV范围内形成的体放电维持时间的变化规律。可见，H2的使用对提高SF6体放电的维持时间作用有限，而C2H6可以显著提高SF6体放电的维持时间，且随着C2H6分压的增加，τs不断提高，在pSF6：pC2H6=5∶1时τs最大约为210ns，这已接近激励电路约260ns的电气长度。这一结论说明，C2H6在SF6体放电过程中更有利于抑制电弧的形成。

分析比较了激光器输出能量和体放电维持时间的关系。图7是SF6分压为5kPa两种混合气体介质在充电电压9～20kV范围内激光能量输出结果。与图6比较可知，体放电维持时间越长，输出激光能量越大。由此可以认为，正是由于C2H6在SF6脉冲放电过程中对电弧的抑制，使得电容器储能在向放电等离子体转移过程中体放电得到有效维持，能量沉积提高，才获得良好的激光输出特性。相反，H2在SF6气体自持体放电过程中未表现出对电弧的明显抑制，体放电维持时间较短，激光输出特性不佳。

图6不同介质体放电维持时间Fig.6Maintaining time of volume discharge for different mediums

图7激光输出能量随充电电压的变化Fig.7Output energy vs. charging voltage

3SF6放电机理分析与讨论

SF6气体及其混合介质在无预电离时形成自引发体放电,可以通过其突出的强电负性特性加以理解，具体表现为介质放电高的折合场强E/p和高的电负度χa(负离子数密度与电子数密度的比值)。

折合场强高源于强电负性时的高自持放电电压值。此时电子的平均能量高，达到SF6的解离阈值，电离系数大，结果大部分沉积能量用于SF6的解离。SF6的解离和SF6对电子的吸附均会产生大量的正负离子，在亚微秒的放电时间尺度上，这些正负离子不能快速离开放电通道，导致局部气体分子数密度的提高，电子漂移速度受到影响，放电电导减小，放电电流密度受到限制[4]。

此外，由于高的电负度，在自引发体放电中产生很高的负离子密度。这些负离子与气体分子发生碰撞分解和电离，释放电子，形成二次电子的增值过程[4]。文献[16]把这种电离机制应用于SF6雪崩电离发展过程研究并进行了定量评估。负离子分解产生二次电子对放电可能产生两方面影响。一方面，在放电发展阶段，先期形成的阴极热斑及放电通道中负离子分解产生的二次电子向邻近介质辐射，有利于其他阴极热斑的产生，对体放电的形成产生积极影响；另一方面，在体放电形成后，放电通道中负离子分解产生的二次电子倍增则可能导致电子雪崩电离，并使体放电发展为电弧放电。此时，负离子分解产生的二次电子可能是引起放电不稳定性增长的重要机制。

4结论

在无预电离情况下，研究了纯SF6气体及SF6/H2和SF6/C2H6两种混合气体激光介质脉冲放电特性。实验结果表明，SF6及其混合气体介质可以实现自引发体放电，气体介质体放电维持电压幅值主要由SF6含量决定，在SF6分压为3～7kPa时，折合电场强度随着SF6分压的升高出现缓慢下降的趋势，并趋于稳定于88～90V·(m·Pa)-1；C2H6具有抑制电弧的作用，适当提高C2H6含量是延长放电维持时间的有效方法，在pSF6∶pC2H6=5∶1时，放电维持时间达到210ns，接近激励电路约260ns的电气长度。分析认为SF6气体高折合电场强度值导致的放电电流密度受限以及高电负度导致的负离子分解产生二次电子增值是SF6及其混合气体介质自引发体放电的主要原因。

参考文献

[1]RICKWOODKR.AcomparisonofmethodsofelectricallyexcitingsmallpulsedHFlaserssuitableformedicalapplications[J].OptCommun, 1997, 136: 480-486.

[2]BRAVYBG,VASILIVEGK,AGROSKINVY.Recognitionofcompositionandmicrophysicalcharacteristicsofaerosolcloudsinmultifrequencysounding[C]//ProcofSPIE, 2002 , 4539: 62-68.

[3]LACOURB.RecentadvancesinpulsedHF/DFlasers[C]//ProcofSPIE, 2003, 5120: 521-528.

[4]APOLLONOVVV,BELEVTSEVAA,FIRSOVKN,etal.Advancedstudiesonpowerfulwide-aperturenon-chainHF(DF)laserswithaself-sustainedvolumedischargetoinitiate

chemicalreaction[C]//ProcofSPIE, 2003, 5120:529-541.

[5]易爱平, 刘晶儒, 唐影, 等. 电激励重复频率非链式HF激光器[J]. 光学精密工程, 2011, 19(2): 360-366.(YIAi-ping,LIUJing-ru,TANGYing,etal.Electricallyinitiatedrepetitive-pulsednon-chainHFlasers[J].OpticsandPrecisionEngineering, 2011, 19(2): 360-366.)

[6]黄珂, 易爱平, 朱峰, 等. 放电引发的非链式高功率重频HF/DF激光器[J]. 强激光与粒子束,2015, 27(4):041010(HUANGKe,YIAi-ping,ZHUFeng,etal.Dischargeinitiatednon-chainhighpowerrepetitivelypuisedHF/DFlaser[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2015, 27(4): 041010.)

[7]吕岩, 万重怡. 印刷电路板预电离TEACO2激光器的阴极表面预电离研究[J]. 激光杂志, 2004, 25(6): 7-8. (LYUYan,WANChong-yi.StudyonthecathodesurfacepreionizationofTEACO2lasersusingPCBpreionization[J].LaserJournal, 2004, 25(6): 7-8.)

[8]陈冰.TEA-CO2激光器的几种典型的预电离技术[J].激光杂志, 2003, 24(5): 33-35.(CHENBing.SeveralrepresentativepreionizationtechnologiesofTEA-CO2laser[J].LaserJournal, 2003, 24(5): 33-35.)

[9]朱峰, 易爱平, 叶锡生, 等. 非链式HF激光器SF6气体介质放电特性[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(12): 3 297-3 301.(ZHUFeng,YIAi-ping,YEXi-sheng,etal.CharacteristicsofSF6dischargeinnonchainHFlaser[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2011, 23(12): 3 297-3 301.)

[10]BELEVTSEVAA,FIRSOVKN,KAZANTSEVSYU,etal.UV-preionizationinnon-chainHFlaserswithaself-sustainedvolumedischargetoinitiatechemicalreaction. -isitactuallyessential[C]//ProcofSPIE, 2003, 5120: 557-563.

[11]BELEVTSEVAA,KAZANTSEVSYU,SAIDULINAV,etal.OnceagainontheroleofUVilluminationinnon-chainelectrc-dischargeHF(DF)lasers[J].QuantumElectron, 2004, 34(2): 111-114.

[12]RIVATR,LEGENTILM,PASQUIERSS,etal.Ionization-attachmentbalanceinNe-HClpulseddischarges[J].JPhysD:ApplPhys, 1993, 26(7): 1 061-1 066.

[13]OGLEDB,WOOLSEYGA.CurrentpulsesinSF6glowdischarges[J].JPhysD:ApplPhys, 1989, 22(12): 1 829-1 834.

[14]BELEVTSEVAA,FIRSOVKN,KAZANTSEVSYU,etal.TheinfluenceofvibrationalexcitationontheburningvoltageofapulseelectricdischargeinHFlaserworkingmedia[J].ApplPhysB, 2006, 82(3): 455-461.

[15]BYCHKOVY,GORTCHAKOVS,LACOURB,etal.Two-stepionizationinnon-equilibriumSF6dischargeathighcurrentdensity[J].JPhysD:ApplPhys, 2003, 36(4): 380-388.

[16]BELEVTSEVAA,BIBERMANLM.Aboutsomenonlineareffectindevelopmentofelectronavalanchesinelectronegativegases[J].EnergeticandTransport, 1976, 3: 74-78.

收稿日期：2016-02-02；修回日期：2016-04-13 基金项目：激光与物质相互作用国家重点实验室基金资助项目(SKLLIMI309)

作者简介：易爱平(1969- )，男，江西东乡人，研究员，博士，主要从事激光技术及应用研究。 E-mail:yiaiping@nint.ac.cn

中图分类号：TN248.5

文献标志码：A

文章编号：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