УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/09 H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройству электродной системы импульсно-периодических лазеров с возбуждением объемным самостоятельным разрядом (ОСР) и может быть использовано в решении технологических и лазерно-химических задач. Особенно предпочтительно использовать заявляемое устройство в лазерах с активными средствами на основе N₂, CO₂, CO, XeCl, KrF, Ar-Xe и др. Устройство также может быть использовано для решения плазменно-химических задач, задач по очистке газовых сред от пыли, аэрозолей и т.п.

Известно устройство электродной системы для формирования ОСР в импульсно-периодических лазерах, включающее сплошные катод и анод с подсоединенным к ним емкостным накопителем и искровые промежутки предыонизации, расположенные на боковых сторонах разрядного промежутка. Лазерная смесь прокачивается в межэлектродном промежутке с направлением скорости, параллельным рабочим поверхностям электродов. После включения искровых промежутков предыонизации и зарядки емкостного накопителя до напряжения, обеспечивающего пробой разрядного промежутка, формируется ОСР /1/.

К недостаткам данного устройства следует отнести достаточно высокий коэффициент сменности газа ≈2 и потерю устойчивости разряда при коэффициенте сменности ≅1. При образовании дуги остаточная энергия всего емкостного накопителя выделяется в дуге, что вызывает эрозию электродов. Источник предыонизации находится относительно далеко от центра межэлектродного промежутка на расстоянии, превышающем межэлектродное. При прохождении нагретого и ионизированного в области газа через межэлектродный промежуток провоцируется дугообразование.

Известно устройство электродной системы для формирования ОСР в устройстве для накачки газового проточного лазера. Электродная система включает в себя два основных электрода, установленных параллельно и ограничивающих область электрического разряда, которые непосредственно подключены к источнику энергопитания. Между основными электродами, параллельно им в области разряда установлен управляющий электрод, который подсоединен по крайней мере к одному основному электроду через конденсаторы дополнительного электрического контура. Устройство формирования потока газа в области разряда выполнено в виде пластин, занимающих центральную часть основных и управляющего электродов, для прохождения потоков газа в направлении, перпендикулярном рабочим поверхностям электродов. Система предварительной ионизации области разряда расположена с тыльной стороны основных электродов /2/.

К недостаткам данного устройства следует отнести образование дуги при снижении коэффициента газа и выделении в ней всей остаточной энергии емкостного направления. Излучение источника предыонизации значительно ослабляется при распространении с тыльной стороны электродов. Наличие отдельного контура предыонизации усложняет электрическую схему.

Известно устройство электродной системы индуктивно стабилизированного устройства по основе поперечного разряда большой длительности для возбуждения лазерных сред. Электродная система включает в себя секционированный первый электрод из отдельных электропроводящих сегментов. Каждый из сегментов соединен с одним концом индуктивного элемента, другой конец которого связан с общей шиной. Указанный индуктивный элемент, являющийся стабилизирующей индуктивностью, ограничивает скорость изменения электрического тока через связанный с ним сегмент, что существенно уменьшает дугообразование. Второй электрод выполнен цельным и частично прозрачным для ионизирующего излучения системы предыонизации, расположенной с тыльной стороны второго электрода. Емкостной накопитель расположен вне лазерной камеры /3/.

К недостаткам устройства следует отнести увеличенную индуктивность разрядного контура из-за включения в цепь дополнительных индуктивных элементов. С увеличением энергии и длительности разряда полностью исключить дугообразование не представляется возможным, что при подключении емкостного накопителя к общим шинам приведет к выделению в дуге значительной энергии, оставшейся в накопителе к моменту дугообразования. В устройстве невозможно организовать поток лазерной среды с направлением скорости, перпендикулярным рабочим поверхностям электродов. Это устройство как наиболее близкое по технической сущности к изобретению выбрано за прототип.

Целью изобретения является формирование ОСР в различных газовых средах, в том числе и лазерных, в условиях значительных неоднородностей плотности газовых сред, что необходимо для реализации импульсного периодического режима формирования ОСР с высокой частотой следования импульсов при прокачке газовой среды через разрядный промежуток.

Указанные недостатки могут быть преодолены в устройстве электродной системы для формирования ОСР, где по отношению к известному устройству электродной системы для формирования ОСР, содержащему по крайней мере два параллельно расположенных электрода, подключенных к емкостному накопителю и образующих первый разрядный промежуток, выполненный из отдельных параллельно расположенных пластин первый электрод, первую группу стабилизирующих индуктивностей, каждая из которых одним концом соединена с пластиной первого электрода, а другим с первой общей шиной, систему предыонизации, новым является то, что остальные электроды выполнены из пластин, лежащих в плоскостях пластин первого электрода, либо параллельным им, каждая из стабилизирующих индуктивностей второй группы соединена одним концом с пластиной второго электрода, а другим со второй общей шиной, емкостной накопитель выполнен из отдельных секций, каждая из пластин первого и второго электродов электрически связана с двумя пластинами как с рядом расположенной пластиной своего электрода через исковой промежуток системы предыонизации, так и с лежащей с ней в одной плоскости другого электрода через свою отдельную секцию емкостного накопителя, причем в любой из указанных электрически связанных пар пластин одна из пластин соединена с одним концом стабилизирующей индуктивности, а другая электрически не связана с общими шинами, либо электрически связана с соответствующей общей шиной через индуктивный элемент с величиной индуктивности в несколько раз больше, чем у стабилизирующей индуктивности, искровые электроды системы предыонизации, установленные с одной стороны каждой пластины навстречу друг другу, расположенный вблизи разрядной кромки пластины.

В другом варианте выполнения устройства новым является то, что все электрически не связанные с общими шинами пластины первого и второго электродов соединены соответственно с первой и второй общими шинами индуктивными элементами с величиной индуктивности каждого элемента в несколько раз большей, чем у стабилизирующей индуктивности. Каждая из пластин третьего электрода электрически связана как с одной пластиной первого электрода через свою отдельную секцию дополнительного емкостного накопителя, так и через дополнительный индуктивный элемент с третьей общей шиной, причем второй и третий электроды образуют второй разрядный промежуток, последовательно включенный с первым.

В третьем варианте выполнения устройства новым является то, что между пластинами всех электродов установлены элементы из диэлектрического материала, формирующие поток газовой среды на всей длине электродов с направлением скорости, перпендикулярным рабочим кромкам пластин, а отдельные секции емкостного накопителя и дополнительного емкостного накопителя расположены с боковых сторон разрядных промежутков.

Указанные отличия от известного устройства позволяют получить следующие технические результаты: сформировать максимально стабилизированный разряд и снизить энерговыделение в дуге, увеличить интенсивность предыонизации, уменьшить индуктивность цепи разряда, организовать поток газа с направлением скорости, перпендикулярным рабочим кромкам пластин. Все вышеуказанное позволят сформировать ОСР в условиях значительных неоднородностей плотности газовых сред и получить импульсно периодический режим формирования ОСР с высокой частотой следования импульсов в условиях прокачки практически в любых лазерных смесях с высокой эффективностью, а также в других газовых средах.

Не обнаружены технические решения, в которых остальные электроды выполнены из пластин, лежащих в плоскостях пластин первого электрода либо параллельным им, каждая из стабилизирующих индуктивностей второй группы соединена одним концом с пластиной второго электрода, а другим со второй общей шиной, емкостной накопитель выполнен из отдельных секций, каждая из пластин первого и второго электродов связана с двумя пластинами как с рядом расположенной пластиной своего электрода через искровой промежуток системы предыонизации, так и с лежащей с ней в одной плоскости пластиной другого электрода через свою отдельную секцию емкостного накопителя, причем в любой из указанных электрически связанных пар пластин одна из пластин соединена с одним концом стабилизирующей индуктивности, а другая электрически не связана с общими шинами, либо электрически связана через индуктивный элемент с величиной индуктивности в несколько раз большей, чем у стабилизирующей индуктивности, искровые электроды системы предыонизации, установленные с одной стороны каждой пластины навстречу друг другу, расположены вблизи разрядной кромки пластин, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют реализовать задачу, на решение которой направлено изобретение, и получить необходимый технический результат - сформировать ОСР в различных газовых средах в условиях значительных неоднородностей плотности газовых сред. Именно выполнение всех электродов из отдельных пластин при симметричном подсоединении двух электродов через развязывающие индуктивности и индуктивные элементы к общим шинам и соединение каждой пластины первого и второго электродов между собой через свою секцию емкостью накопителя позволяет значительно снизить влияние отдельных пластин электродов друг на друга при образовании и практически исключить разрядку оставшейся электрической энергии в соседних секциях емкостного накопителя через образовавшуюся дугу. Минимальная индуктивность силовой цепи ОСР позволяет получить максимальную скорость ввода электрической энергии в разряд, сократить время разряда, улучшить согласование плазмы ОСР с емкостным накопителем, что уменьшает дугообразование и позволяет снизить требования к однородности плотности газовой среды. Минимальное расстояние от искрового промежутка до любой точки объемного разряда, лишь незначительно превышающее расстояние между электродами, и двустороннее расположение искровых промежутков, позволяющее равномерно освечивать разрядный промежуток, увеличивает интенсивность предыонизации и, как следствие, повышает устойчивость разряда в условиях неоднородной плотности газа. Все вышеизложенное позволяет повысить частоту следования импульсов ОСР и получить эффективную лазерную генерацию в различных активных средах.

Известно устройство, в котором использован отличительный от прототипа признак, второй и третий электроды образуют второй разрядный промежуток, последовательно включенный с первым. Технический результат, достигаемый при использовании этого признака, в изобретении и в известных устройствах одинаков.

Не обнаружены технически решения, в которых все электрически не связанные с общими шинами пластины первого и второго электродов соединены соответственно с первой и второй общими шинами индуктивными элементами с величиной индуктивности в несколько раз большей, чем у стабилизирующей индуктивности, каждая из пластин третьего электрода электрически связана как с одной пластиной первого электрода через свою отдельную секцию дополнительного емкостного накопителя, так и через дополнительный индуктивный элемент с третьей общей шиной, искровые электроды второго электрода расположены вблизи разрядной кромки, ограничивающей второй разрядной промежуток, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют сформировать в трех электродных системах с управляющим средним электродом устойчивый разряд при значительных неоднородностях плотности газовых сред и повышении частоты импульсов ОСР. Искровые промежутки второго электрода служат для предыонизации второго разрядного промежутка. Одновременно с этим второй, средний, электрод служит для формирования разряда в системе из двух разрядных промежутков.

Известно устройство, в котором использован отличительный от прототипа признак, расположение емкостных накопителей с боковых сторон разрядных промежутков. Технический результат, достигаемый при использовании этого признака, в изобретении и в известных устройствах одинаков.

Не обнаружены технические решения, в которых между пластинами всех электродов установлены элементы из диэлектрического материала, формирующие поток газовой среды на всей длине электродов с направлением скорости, перпендикулярным рабочим кромкам пластин, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".

Указанные отличия позволяют поднять скорость и уменьшить расход газовой смеси в разрядном промежутке, снизить коэффициент сменности газовой среды до величины, близкой к единице, что приводит к увеличению частоты импульсов ОСР.

На фиг.1 предоставлено заявляемое устройство по п.1 формулы изобретения; на фиг.2 по п.2 формулы; на фиг.3 поперечной разрез электродной системы для формирования ОСР.

Устройство фиг.1 содержит по крайней мере два параллельно расположенных электрода 1 и 2, подключенных к емкостному накопителю 3 и образующих первый разрядной промежуток 4, выполненный из отдельных пластин 5 и 6 первый электрод, первую 7 группу стабилизирующих индуктивностей, каждая из которых одним концом соединена с пластиной 5 первого 1 электрода, а другим концом с первой 8 общей шиной, систему предыонизации 9, второй 2 электрод также выполнен из пластин 5 и 6, лежащих в плоскостях пластин 5 и 6 первого электрода, каждая из стабилизирующих индуктивностей второй 10 группы соединена одним концом с пластиной 5 второго 2 электрода, а другим со второй 11 общей шиной, емкостной накопитель 3 выполнен из отдельных секций 3, каждая из пластин 5 или 6 как с рядом расположенной пластиной 5 или 6 своего электрода через искровой 9 промежуток системы предыонизации 9, так и с лежащей с ней в одной плоскости пластиной 5 или 6 другого электрода (1 или 2) через свою отдельную секцию 3 емкостного накопителя, причем в любой из указанных электрически связанных пар пластин одна из пластин 5 соединена с одним концом стабилизирующей 7 или 10 индуктивности, а другая 6 электрически не связана с общими 8 или 11 шинами, искровые 12 электроды системы предыонизации 9, установленные с одной стороны каждой пластины 5 или 6 навстречу друг другу, расположены (фиг.3) вблизи разрядной кромки 13 пластин 5 или 6.

Электрически не связанные с общими 8 и 11 шинами фиг.2 пластины 6 первого 1 и второго 2 электродов соединены с общими 8 и 11 шинами индуктивными элементами 14 с величиной индуктивности в несколько раз большей, чем у стабилизирующей 7 и 10 индуктивности, каждая из пластин 15 третьего 16 электрода электрически связана как с одной пластиной 5 или 6 первого электрода через свою отдельную секцию дополнительного 17 емкостного накопителя, так и через дополнительный 18 индуктивный элемент с третьей 19 общей шиной, причем второй 2 и третий 16 электроды образуют второй 20 разрядный промежуток, последовательно включенный с первым 4, искровые электроды 12 второго 2 электрода расположены вблизи разрядной кромки 13, ограничивающей второй 20 разрядный промежуток.

Между пластинами 5, 6, 15 всех электродов 1, 2, 16 установлены элементы 21 из диэлектрического материала, формирующие поток среды на всей длине электродов с направлением 22 скорости, перпендикулярным рабочим кромкам 13 пластин 5,6 или 15, а отдельные секции емкостного накопителя 3 и дополнительного 17 емкостного накопителя расположены с боковых сторон 23 разрядных промежутков 4 и 20.

Устройство по п.1 формулы изобретения работает следующим образом. На общие шины 8 и 11 подается импульс напряжения. После зарядки емкости между пластинами 5 и 6 до напряжения пробоя искровых 9 промежутков возникает искровой разряд между искровыми 12 электродами и через плазму этого разряда происходит зарядка отдельных секций 3 емкостного накопителя 3. Плазма искрового разряда осуществляет предыонизацию объема разрядного промежутка 4. При достижении на отдельных секциях 3 емкостного накопителя 3 пробойного напряжения разрядного промежутка 4 в нем формируется ОСР и происходит быстрый разряд отдельных секций 3 емкостного накопителя 3 на плазму ОСР. Каждая секция 3 разряжается лишь на свое отдельное плазменное образование, возникающее между каждой разрядной кромкой 13 пластин 5 и 6 электродов 1 и 2.

Устройство по п. 2 формулы изобретения работает следующим образом. На общие шины 8 и 19 относительно медленно подается высокое напряжение и происходит зарядка дополнительного 17 емкостного накопителя до заданного напряжения, а емкостного накопителя 3 до напряжения, например, равного половине от приложенного к общим шинам 8 и 19 при равных межэлектродных промежутках 4 и 20. При относительно медленной зарядке отдельных секций 3 емкостного накопителя 3 потенциал на всех пластинах 5 и 6 практически одинаков и не происходит пробоя искровых 9 промежутков. Далее на общую шину 11 относительно быстро подают потенциал, противоположный потенциалу третьего 16 электрода, при этом возникает пробой искровых 9 промежутков, которые осуществляют предыонизацию разрядных промежутков 4 и 20. Искровые 9 промежутки второго 2 электрода осуществляют предыонизацию второго 20 разрядного промежутка, а искровые 9 промежутки первого 1 электрода первого 4 разрядного промежутка. Происходит зарядка отдельных секций 3 емкостного накопителя 3. При достижении на отдельных секциях 3 емкостного накопителя 3 напряжения, достаточного для пробоя второго 20 разрядного промежутка, в нем формируется предварительный ОСР. Далее потенциал второго 2 электрода меняет знак, происходит пробой первого 4 разрядного промежутка и формируется ОСР в двух последовательно соединенных разрядных промежутках 4 и 20. Отдельные секции дополнительного 17 емкостного накопителя разряжаются на плазму ОСР.

Устройство по п.3 формулы изобретения работает следующим образом. Перед набором напряжений на общих шинах 8, 11, 19 организуют поток газа с минимальными потерями по давлению между пластинами 5,6,15, причем элементы 21 из диэлектрического материала формируют поток газовой среды на всей длине электродов 1,2,16 с направлением 22 скорости, перпендикулярным рабочим кромкам 13 пластин 5,6,15. Ширина потока газа больше ширины области разряда между электродами 1, 2,16. Отдельные секции емкостного накопителя 3 и дополнительного 17 емкостного накопителя расположены с боковых сторон 23 разрядных промежутков 4 и 20 и имеют минимальную индуктивность подключения к разрядным промежуткам 4 и 20.

Рассмотрим конкретное устройство на примере азотного лазера на смеси N₂: Не 1:2 при общем давлении 280 Тор. Электродная система для формирования ОСР образована двумя электродами из пластин толщиной 1 мм. Общая емкость накопителя, выполненного из отдельных секций, составила 0,8 нФ, величина каждой стабилизирующей индуктивности 0,5 мкГн. Без системы прокачки газа энергия отдельного лазерного импульса оставалась практически постоянной вплоть до частоты 50 Гц, то есть наблюдался близкий к линейному рост мощности генерации с увеличением частоты. Разброс амплитуды лазерных импульсов на частотах до 50 Гц составлял менее ±2 при хорошем сохранении формы импульсов. Далее с увеличением частоты импульсов мощность генерации начинала падать и при частоте порядка 90 Гц прекращалась. Визуально явлений, связанных с дугообразованием, не отмечалось до частоты 100 Гц. Падение мощности генерации без принудительной прокачки лазерной среды связано как со снижением напряжения на емкостном накопителе из-за ограничений по источнику зарядки лазера, так и с низким оптическим качеством активной среды в режиме ее перегрева без прокачки. Заявленное устройство на примере азотного лазера показало высокую устойчивость и стабильность разряда в условиях значительных неоднородностей плотности газовой лазерной среды. Реализованная устойчивость разряда позволяет уверенно надеяться, что при соответствующей скорости прокачки возможно получить частоту импульсов более 2000 Гц. Азотный лазер ультрафиолетового спектра найдет широкое применение в различных технологиях микрообработки, накачки красителей и т.д.

Использование: изобретение реализуется на N₂, CO₂ , эксимерных и других лазерах, может быть использовано в иных устройствах на основе объемного самостоятельного разряда (ОСР). Изобретение позволяет сформировать ОСР в условиях значительных неоднородностей плотности газовых смесей, в условиях высокой частоты следования импульсов ОСР. Сущность изобретения: устройство содержит хотя бы два электрода 1,2, выполненных из отдельных пластин, каждая из пластин первого и второго электродов электрически связана с двумя пластинами с рядом расположенной пластиной своего электрода через искровые промежутки и с лежащей с ней в одной плоскости пластиной другого электрода через свою отдельную секцию емкостного накопителя, в любой из электрически связанных пар пластин одна из пластин соединена через стабилизирующую индуктивность с общей шиной своего электрода, а другая не связана с общей шиной. Между всеми пластинами установлены диэлектрические элементы, формирующие поток газа с направлением скорости, перпендикулярным рабочей кромке пластин. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство электродной системы для формирования объемного самостоятельного разряда, содержащее по крайней мере два параллельно расположенных электрода, подключенных к емкостному накопителю и образующих первый разрядный промежуток, выполненный из отдельных параллельно расположенных пластин первый электрод, первую группу стабилизирующих индуктивностей, каждая из которых одним концом соединена с пластиной первого электрода, а другим с первой общей щиной, систему предыонизации, отличающееся тем, что остальные электроды выполнены из пластин, лежащих в плоскостях пластин первого электрода, либо параллельным им, каждая из стабилизирующих индуктивностей второй группы соединена одним концом с пластиной второго электрода, а другим с второй общей шиной, емкостной накопитель выполнен из отдельных секций, каждая из пластин первого и второго электродов электрически связана с двумя пластинами как с рядом расположенной пластиной своего электрода через искровой промежуток системы предыонизации, так и с лежащей с ней в одной плоскости пластиной другого электрода через свою отдельную секцию емкостного накопителя, причем в любой из указанных электрически связанных пар пластин одна из пластин соединена с одним концом стабилизирующей индуктивности, а другая электрически не связана с общими шинами, либо электрически связана с соответствующей общей шиной через индуктивный элемент с величиной индуктивности в несколько раз большей, чем у стабилизирующей индуктивности, искровые электроды системы предыонизации, установленные с одной стороны каждой пластины навстречу друг другу, расположены вблизи разрядной кромки пластины. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все электрически не связанные с общими шинами пластины первого и второго электродов соединены соответственно с первой и второй общими шинами индуктивными элементами с величиной индуктивности каждого элемента в несколько раз большей, чем у стабилизирующей индкутивности, каждая из пластин третьего электрода электрически связана как с одной пластиной первого электрода через свою отдельную секцию дополнительного емкостного накопителя, так и через дополнительный индуктивный элемент с третьей общей шиной, причем второй и третий электроды образуют второй разрядный промежуток, последовательно включенный с первым, искровые электроды второго электрода расположены вблизи разрядной кромки, ограничивающей второй разрядный промежуток. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между пластинами всех электродов установлены элементы из диэлектрического материала, формирующие поток газовой среды на всей длине электродов с направлением скорости, перпендикулярным рабочим кромкам пластин, а отдельные секции емкостного накопителя и дополнительного емкостного накопителя расположены с боковых сторон разрядных промежутков.