КАТОДНАЯ ПЛАТА БЫСТРОПРОТОЧНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/09 H01S3/02 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании электроразрядных лазеров с поперечной прокачкой газа.

Известно устройство разрядной камеры для газового лазера, в котором катодная плата собрана из набора отдельных катодов с независимым охлаждением водой и подводкой электропитания [1] Недостатком такой платы является большое количество вакуумно-водяных соединений, приводящих к низкой герметичности лазера, снижению КПД и надежности.

Известно также устройство разрядной камеры, в которой отсутствует этот недостаток [2] В этой камере катодная плата состоит из набора рядов, состоящих из нескольких катодов каждый, причем катоды одного ряда имеют общий изолированный от них охладитель. В этой конструкции резко снижается количество вакуумно-водяных соединений.

Однако такое решение обладает существенным недостатком. При появлении разности потенциалов между соседними по ряду катодами, которое случается при котрагировании основного разряда, то есть при зажигании дуги между одним из катодов и анодом, между этими катодами возникает разряд, как правило, по изолирующей поверхности охладителя, вследствие чего происходит разрушение изоляции как между катодами, так и между катодами и охладителем, и катодный ряд выходит из строя.

Для предотвращения пробоя между катодами по изолированной поверхности охладителя промежуток между ними заливают изоляционным компаундом. Однако изоляционный компаунд является недостаточно надежным при долговременной работе, поскольку из-за появления микротрещин или отслоения изоляции вследствие усадки компаунда или появившихся в результате старения материала, возникает вероятность пробоя между катодами. Кроме того, такая камера сложна в изготовлении и требует применения органических соединений в вакуумной полости лазера, что является нежелательным, вследствие значительного газовыделения из объема компаунда, которое может повлечь за собой снижение энергетических ресурсных параметров газового лазера.

Изобретение решает задачу повышения долговечности и надежности разрядной камеры, упрощения ее изготовления.

Это достигается тем, что появление перенапряжений между катодами пробой между ними не предотвращается, а наоборот, обеспечивается возможно ранний пробой в безопасной зоне. Для этого катоды выполнены с удлиненными эмиттерами, выступающими за корпус катода. При этом в случае появления разности потенциалов между соседними катодами, возникающей из-за неоднородности газовой среде в основном разрядном промежутке, и достижения этой разностью потенциалов величины большей, чем пробойное напряжение между выступами эмиттеров, но меньшей, чем пробойное напряжение между катодами, между выступами эмиттеров зажигается разряд, который шунтирует эту разность потенциалов и, таким образом, предохраняет промежуток между электродами от пробоя, а значит, изоляционный материал от разрушения. УФ-излучение, исходящее от этого разряда, экранируется от теплоотводящей поверхности диэлектрической прокладкой, причем в этом случае не требуется приклеивания этой прокладки к охладителю.

Размеры выступающей части эмиттера и зазор между эмиттерами должны выбираться из условия L>l ≥ d_min,
где
L расстояние между катодами;
l расстояние между концами эмиттеров;
d_min расстояние между двумя электродами, при котором реализуется минимальное напряжение пробоя при рабочем давлении газа и заданном материале эмиттеров.

Напряжение пробоя между двумя электродами также зависит от давления и состава смеси газов и от материала электродов и описывается кривой Пашена (Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М. Наука, 1987, с. 323). Для каждой пары газ-материал при некотором значении произведения давления на расстояние между электродами (p•d)_min достигается минимальное значение пробойного напряжения U_tmin такое, что при меньшем напряжении разряд не загорится. При значении произведения давления на расстояние между электродами, меньшем или большем, чем (p•d)_min, пробойное напряжение возрастает. Таким образом, для каждого заданного давления можно определить значение d_min, при котором реализуется U_tmin. Так, например, для медных электродов и воздуха: при (p•d)_min 1 торр•см, тогда при р 20 торр

Для упрощения изготовления катодного узла целесообразно выполнять катодный узел составным. При этом эмиттер можно изготавливать из эрозионностойкого и дугостойкого материала, например из молибдена или вольфрама, а корпус катода из материала с высокой теплопроводностью, например из алюминиевого сплава. В случае, когда катод делается из алюминиевого сплава, его можно также анодировать для уменьшения вероятности пробоя между катодами.

Для повышения вероятности пробоя именно между эмиттерами выступающие кончики эмиттеров можно сделать из материала с более низким значением напряжения пробоя, что то же самое с более высоким коэффициентом вторичной эмиссии каким-либо способом, например методом плазменного напыления, нанести на кончики эмиттера покрытия из такого материала. Высокий коэффициент вторичной эмиссии понижает напряжение пробоя между эмиттерами. Материалами с высоким коэффициентом вторичной эмиссии являются платина, серебро и др.

Для повышения устойчивости разряда и предотвращения контакта разряда с диэлектриком (облицовочной керамикой) можно эмиттер сделать многослойным, например, из трех слоев. Причем материалы этих слоев выбрать из условия U_б > U₀,
где
U₀ катодное падение потенциала для центрального слоя, например, у никеля U₀ 226 В для воздуха (Рейзер Ю.П. Физика газового разряда. - М. Наука, 1987, с. 369);
U_б катодное падение потенциала для бокового слоя, например, у меди U_б 370 В для воздуха (там же).

При этом разряд будет гореть на центральном слое эмиттера, а боковые слои будут ограничивать разряд на катоде и увеличивать теплоотвод от центрального слоя. Возможен также вариант, когда центральный слой эмиттера не имеет выступов, что упрощает его изготовление.

На фиг. 1 изображена схема размещения катодных элементов; на фиг. 2 - катодные элементы, продольный разрез; на фиг. 3 катодный элемент, поперечный разрез; на фиг. 4 катодный элемент в случае катодного ряда с охладителем в виде трубки, поперечный разрез.

Катодная плата собрана из катодных элементов 1, каждый из которых состоит из эмиттера 2, помещенного между двумя частями корпуса катода 3. Корпус катода крепится на теплоотводяющую поверхность 4, покрытую слоем диэлектрика. Наружные стенки корпуса катода облицованы слоем 5 высокотемпературного диэлектрика. Между поверхностью теплоотвода 4 и выступами эмиттера 7, которые могут быть выполнены из материала с более низким значением напряжения пробоя, находится прокладка из светонепроницаемого диэлектрика 8.

Возможен вариант, когда катодный ряд имеет охладитель в виде трубки 10, которую охватывают части корпуса катода 3. Данный вариант прост и имеет меньшую трудоемкость изготовления. Работа конструкции заключается в создании однородного и стабильного разряда в активной зоне элекроразрядного лазера. Использование этой конструкции позволяет повысить долговечность и надежность разрядной камеры.

Использование: изобретение относится к квантовой электронике и может применяться в быстропроточных газовых лазерах. Сущность: катодная плата состоит из отдельных катодов, конструкция которых включает удлиненные эмиттеры, выступающие за корпус катода. В случае появления разности потенциалов между соседними катодами, возникшей из-за неоднородности газовой среды в основном разрядном промежутке, вероятность пробоя по газовой среде между эмиттерами намного выше, чем по большому расстоянию между корпусами катодов. Таким образом, между выступами эмиттеров зажигается разряд, который шунтирует эту разность потенциалов и, следовательно, предохраняет промежуток между электродами от пробоя и изоляционный материал от разрушения. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Катодная плата быстропроточного газового лазера, состоящая из нескольких рядов, каждый из которых собран из нескольких изолированных друг от друга катодов, включающих корпус с облицованными разрядостойким диэлектриком наружными стенками и выступающий в поток эмиттер, независимо подключенных к источнику питания и имеющих общий, изолированный электрически от них охладитель, отличающаяся тем, что эмиттеры изготовлены превышающими по длине корпус катода, причем расстояние между концами эмиттеров соседних катодов выбрано из соотношения
L > l ≥ d_min,
где L расстояние между катодами;
l расстояние между концами эмиттеров;
d_min расстояние между двумя эмиттерами,
при которой реализуется минимальное напряжение пробоя при рабочем давлении газа и заданном материале эмиттеров. 2. Плата по п. 1, отличающаяся тем, что охладитель представляет собой трубку, которую охватывают части корпуса катода. 3. Плата по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что между концами эмиттеров и диэлектрическим покрытием охладителя размещается светонепроницаемый экран из диэлектрика. 4. Плата по пп. 1 3, отличающаяся тем, что катод выполнен составным, причем корпус катода изготовлен из материала с повышенной теплопроводностью, а эмиттер изготовлен из сплава с высокой дугостойкостью и эрозионностойкостью. 5. Плата по пп. 1 4, отличающаяся тем, что выступающие концы эмиттеров покрыты материалом с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. 6. Плата по пп. 1 5, отличающаяся тем, что эмиттер выполнен многослойным, например из трех слоев, причем боковые слои выполнены из материала с большим, чем у центрального слоя, катодным падением потенциала. 7. Плата по п. 6, отличающаяся тем, что центральный слой эмиттера выполнен без выступающих концов. 8. Плата по п. 4, отличающаяся тем, что корпус катода изготовлен из алюминиевого сплава с последующим анодированием.