СЕКЦИОНИРОВАННАЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ РАЗРЯДНАЯ ТРУБКА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности, к ионным лазерам.

Металлокерамические разрядные трубки активные элемент, для ионных лазеров с металлокерамической оболочкой из керамики на основе Al₂O₃ обладают рядом достоинств и получили широкое распространение. На их базе фирмами Spectra Physics и Coherent выпускаются почти все модели коммерческих ионных лазеров.

Металлокерамические разрядные трубки, включающие в себя внешнюю керамическую оболочку сплошную [1 4] или секционированную металлокерамическую [5 6] с внутренними чашеобразными элементами, имеющими пространственный ограничитель разряда, с анодным и катодным узлами, узлами для вывода излучения, состоят из замкнутого объема с газообразным наполнителем. Тепло из зоны разряда выносится охлаждающему потоку жидкости или газа системой чашеобразных элементов из материала с высокой теплопроводностью либо через керамическую оболочку трубки [1 4] либо более сложным путем, используя и внешние радиаторы [5 6]
Чашеобразные элементы соединены с керамической оболочкой твердым припоем либо изнутри (для сплошных оболочек), либо по торцам керамических изоляторов (для секционированных). Каждый чашеобразный элемент содержит систему периферийных отверстий связи для компенсации ката- и электрофорезных явлений, влияющих на работу трубки, и цилиндрический пространственный ограничитель разряда с диском из высокотемпературного материала, имеющим центральное отверстие, который скреплен с последним твердым припоем (или иным другим способом, обеспечивающим надежный тепловой контакт) и пространственно ограничивает разряд. Существуют и другие типы ограничителей разряда от протяженных на несколько чашеобразных элементов до протяженного, единого для всех чашеобразных элементов [6] (прототип). Керамические цилиндрические изоляторы, система чашеобразных элементов, включая и пространственные ограничители разряда, с общей осью служат для создания газоразрядного промежутка с основной, центральной зоной дугового разряда, в дальнейшем - разрядного канала.

В разрядных трубках со сплошной керамической оболочкой при высоких тепловых нагрузках, характерных для работы ионных лазеров, необходимо выполнять следующие требования можно использовать только тонкостенные оболочки с хорошей теплопроводностью. Для керамики из Al₂O₃ типа поликор толщина не должна превышать 2 3 мм. Для керамических оболочек из BeO с уникальной теплопроводностью, эта толщина может быть увеличена. Однако переработка сырья из BeO и изготовление из них керамических оболочек сопряжены с вредными факторами и поэтому в последнее время основные фирмы, выпускающие ионные лазеры, быстрыми темпами переходят на тонкостенные конструкции из экологически чистого и распространенного материала керамик на основе Al₂O₃.

Однако изготовление длинномерных вакуумно-плотных и шлифованных изнутри труб само по себе является сложной технической проблемой, а изготовление разрядных трубок с гарантированной надежной фиксацией и тепловым контактом с керамической оболочкой изнутри большого количества чашеобразных элементов, изолированных между собой, еще сильнее усложняет технологию изготовления.

В этом случае использование секционированных конструкций с соединителем секций из материала с хорошей теплопроводностью, например меди, алюминия и т. д. упрощает технологию сборки и изготовления и повышает механическую прочность и сохранность, т.к. в этом случае можно использовать и более толстостенные оболочки 4 5 мм, и более технологические виды керамик на основе Al₂O₃ типа ВК-94-1, ВК-95-1. К тому же изготовление на промежуточном этапе маломерных керамических деталей намного проще и дешевле и их технологический выход по годности выше.

Таким образом, каждая из рассмотренных ранее конструкций разрядных трубок имеет свои недостатки и преимущества, часть из которых уже ранее рассматривалась.

Одним из существенных недостатков обычных секционированных разрядных трубок [6] является повышенные требования к охлаждающей жидкости, обычно воде. Ее удельная проводимость должна быть не менее 500 кОм/см и она должна химически не взаимодействовать с внешними частями соединителей (и радиаторов). В противном случае соединители (радиаторы), переходные слои и металлизация, с помощью которых соединяются соседние секции, и внешние радиаторы разрушаются и оболочка теряет герметичность. В этом смысле сплошные керамические оболочки идеальны, т. к. они не имеют таких недостатков и могут охлаждаться жидкостями с менее жесткими требованиями. Основной причиной таких разрушений является электролиз вследствие конечной проводимости жидкости и непосредственного контакта элементов конструкции с сильноточной дугой разрядом. Поэтому торцы соединителей, переходные слои и металлизацию, если они проводящие, необходимо надежно изолировать. Во время термических циклов нагрева и охлаждения эти покрытия, обычно тонкие, образуют микротрещины. Охлаждающая жидкость (вода) в конце концов проникает в микротрещины и с временем электролиз может разрушить эти защитные покрытия. Поэтому желательно нарушить электрический контакт соединителей с проводящей плазмой разряда. В этом случае процесс их разрушения будет ничтожно малым. Например, это можно сделать, используя диэлектрический ограничитель разряда и не допуская токовых утечек на чашеобразный элемент, выполненный из токопроводящего материала, обычно из меди или медьсодержащих сплавов. Естественно, здесь предполагается, что во всех разрядных трубках не допускается каскадное горение разряда между чашеобразными элементами и другими проводящими частями конструкции разрядной трубки.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является достижение у разрядных трубок с секционированной конструкцией таких же свойств и таких же требований к охлаждающей жидкости, как и у конструкций со сплошной керамической оболочкой при сохранении преимуществ секционированной конструкции.

Поставленная цель решается за счет того, что секционированная металлокерамическая разрядная трубка, содержащая оптические узлы для вывода излучения, катодный и анодный узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью секционированной металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой и пространственным ограничителем разряда, устроена изнутри так, что все чашеобразные элементы (с ограничителями разряда) каждой секции, состоящей дополнительно и из керамического цилиндрического изолятора и теплопроводящего соединителя секций, по которым происходят герметичные, торцевые последовательные соединения керамических цилиндрических изоляторов соседних секций, электрически изолированы от соединителей секций, имеют с ним малое тепловое сопротивление.

Стремление создать компактную конструкцию разрядной трубки связано с попытками избавиться от неудобного и хрупкого внешнего обводного канала для обратного потока газа. Для описанных ранее конструкций [1 6] эта цель достигается до длин газоразрядного промежутка 800 1000 мм для аргонового наполнения (для криптонового или криптон-аргонового наполнения эти длины еще меньше), т. к. система отверстий позволяет эффективно справляться с ката- и электрофорезными явлениями.

К сожалению, все имеющиеся конструкции ионных лазеров с длинномерными разрядными трубками (секционированными или сплошными оболочками), необходимыми для получения большой мощности (> 15 Вт) при малом сечении пучка, требуют наличия хотя бы одного внешнего обводного канала, т.к. внутренняя организация циркуляции рабочего газа не в состоянии обеспечить из-за ката- и электрофорезных явлений оптимальные условия генерации и съема энергии по всей длине даже в самых совершенных разрядных трубках нового поколения [1 6] К тому же вышеупомянутая неоднородность в концентрации может служить причиной концентрационных неустойчивостей, что обычно приводит к катастрофическому разрушению трубки. В первую очередь, недостаточная пропускная способность по газу обусловлена сильно разогретым нейтральным газом. Известно [7] что газопропускная способность q зависит от температуры T как
g≈T^7/4, и поэтому для выравнивания концентрации по длине разрядной трубки необходимо охладить рабочий газ. Поэтому внешние обводные каналы находятся при температуре охлаждающей жидкости, эффективно охлаждающей газ, и способствуют нормальной работе длинномерных разрядных трубок.

Именно поэтому для упрощения конструкции при замене и текущем обслуживании разрядной трубки избавления от внешних обводных каналов упомянутая выше разрядная трубка имеет внутренние обводные каналы, соединяющие анодный и катодный узлы с гарантированным тепловым контактом (имеющим малое контактное тепловое сопротивление) с каждым соединителем и гарантированным тепловым зазором (имеющим большое тепловое сопротивление по сравнению с сопротивлением медьсодержащих деталей) с каждым чашеобразным элементом.

Такая конструкция секционированных металлокерамических разрядных трубок качественно отличается от известных конструкций.

Рассмотрим данную конструкцию секционированной разрядной трубки [6] с диэлектрическим ограничителем разряда (с разрывным или сплошным), которая является прототипом и в которой чашеобразные элементы и соответствующие соединители непрерывно переходят друг в друга и выполнены в виде единой детали.

Один из вариантов патентуемой конструкции изображен на фиг. 1 и 2, где 1 оптические узлы (брюстеровские окна), 2 катодный узел, 3 анодный узел, 4 газоразрядный промежуток, 5 чашеобразный элемент, 6 отверстие связи, 7 - пространственный ограничитель разряда, 8 соединитель, 9 керамический изолятор, 10 диэлектрический тепловой зазор.

Во-первых, в этом случае наличие факторов небольшое тепловое сопротивление зазора 10 (геометрические размеры зазора не больше толщины стенки керамического изолятора) и увеличение суммарной рассеивающей поверхности, образованной площадью двух торцевых поверхностей и внутренней поверхностью чашеобразного элемента, непосредственно контактирующей с керамикой, приводит к увеличению теплопередачи и уменьшению температурной неоднородности вдоль поверхности оболочки. Последний фактор уменьшает внутренние механические напряжения и способствует увеличению надежности и долговечности конструкции.

Во-вторых, увеличивается сопротивление изоляции более чем на несколько порядков, т. е. уменьшается разрушение соединителя и металлизации за счет электролиза, т.к. ток утечки становится пренебрежимо малым.

Чтобы убедиться в этом, достаточно рассмотреть самый неблагоприятный случай утечка тока плазмы в окрестностях катода. Присутствие ультрафиолетового излучения и других ионизаторов, а также наличие электронного облака из-за эмиссии из катода, приводят к тому, что сопротивление промежутка катод первый чашеобразный элемент мало, и, следовательно, токи утечки, которые определяют разрушение соединителя и металлизации сопротивлением воды, омывающей соединитель велики. Типичные значения такого сопротивления лежат в пределах 10³ 10⁶ Ом и зависят от качества воды. Типичные значения изоляции по чистой керамической поверхности с зазором 0,5 1 мм составляют более 10¹⁰ Ом, и так как соединитель обычно находится в теневой области, ультрафиолетовое излучение и другие факторы не влияют на проводимость в данной области и она сохраняется на том же уровне вне зависимости от наличия разряда в центральной области. К тому же трубка герметична, и эти условия сохраняются на протяжении всего срока работы разрядной трубки и не зависят от внешних условий, в частности от состояния воды.

Сверхсуммарный эффект в рассмотренной выше конструкции можно получить, если продолжить соединитель во внутреннюю часть разрядной трубки, сохранить небольшой зазор между чашеобразным элементом и внутренней поверхностью соединителя и обеспечить надежный тепловой контакт чашеобразного элемента с керамическим изолятором изнутри, например, пайкой твердыми припоями или иным способом.

В этом случае эффективный теплозабор еще сильнее увеличивается из-за увеличенной поверхности и большого коэффициента теплопроводности меди. Если же отверстия связи во внутренней части соединителя не перекрываются с отверстиями связи чашеобразных элементов или полностью отсутствуют, то диаметр отверстий связи 6 можно увеличить, не боясь зажигания разряда по ним, т.к. наличие небольшого зазора между соединителем и чашеобразным элементом эквивалентно созданию гасителя разряда [6]
Другая качественно иная возможность появляется (см. фиг. 2б.) при организации обводного канала 11 внутри разрядной трубки, который можно получить, например, последовательным чередованием медных и диэлектрических трубок (12 и 13), входящих одна в другую. Причем медная трубка должна иметь гарантированный тепловой контакт с соединителем, выполненным обычно из меди. Т.к. медь обладает высоким коэффициентом теплопроводности, то ее температура и температура медной трубки и проходящего газа близки к температуре охлаждающей жидкости. Эффективная работа внутреннего обводного канала в данном случае обусловлена существенно разной температурой чашеобразного элемента и соединителя, и такой режим охлаждения в рассмотренных ранее случаях [1 6] нельзя было организовать.

Если быть до конца последовательным, то надо отметить, что эффект увеличения газопропускной способности присутствует и в первом варианте, т.к. внутренняя поверхность соединителя охлаждает нейтральный рабочий газ. Однако в данном случае он имеет наибольшее проявление, т.к. отсутствует перемешивание горячего и охлажденного газов и прямолинейная траектория прохождения газа короче, чем в предыдущем случае.

Положительный эффект от используемого решения заключается в следующем:
уменьшаются требования к состоянию и качеству охлаждающей жидкости при сохранении преимуществ секционированной конструкции;
существенно улучшается газопропускная способность внутренних обводных каналов и отпадает необходимость в наличии внешних обводных каналов. Последнее обстоятельство упрощает окончательную сборку ионных лазеров большой мощности, допускает замену и профилактический осмотр и обработку разрядной трубки вне заводских условий, т.к. рубашка охлаждения соленоид и разрядная трубка конструктивно независимы, к тому же данные конструктивные особенности способствуют более устойчивой работе разрядной трубки при криптоновом или аргонкриптоновом наполнении;
увеличивается надежность и ресурс, т.к. отсутствует хрупкий обводной канал, сделанный из диэлектрического материала.

Литература.

1. Патент США N 4378600, кл. H 01 S 3/02, опубл. 29.3.83.

2. Патент США N 4736379, кл. H 01 S 3/04. опубл. 05.04.88.

3. Патент США N 4719638, кл. H 01 S 3/03, опубл. 12.01.88.

4. Патент США N 4734915, кл. H 01 S 3/03, опубл. 29.03.88.

5. Авт.св. N 1393283, кл. H 01 S 3/03, опубл. 12.01.88.

6. Патент РФ N 2073946 от 23.06.1993 г.

7. W.B. Bridges, A.N. Chester, A.S. Halsted, J.V. Parker, Ion laser plasmas, IEEE J. Quantum Electron. pp. 724 737, 1971.

Изобретение относится к области квантовой электроники. Сущность изобретения заключается в следующем. В секционированной металлокерамической разрядной трубке, содержащей катодный и анодный узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью секционированной металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой и пространственным ограничителем разряда, введен тепловой и диэлектрический разрыв между чашеобразным элементом и его фиктивным продолжением - соединителем. Причем чашеобразные элементы дополнительно имеют надежный тепловой контакт с внутренней поверхностью керамического изолятора секции и надежную пространственную фиксацию. Для упрощения конструкции разрядной трубки - избавления от внешних обводных каналов в длинномерных разрядных трубках организованы дополнительные внутренние обводные каналы, соединяющие анодный и катодный узлы и имеющие гарантированные тепловые контакты с соединителями и гарантированные тепловые зазоры с чашеобразными элементами и ограничителями разряда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Секционированная металлокерамическая разрядная трубка, содержащая оптические узлы для вывода излучения, катодный и анодный узлы и газоразрядный промежуток, образованный частью секционированной металлокерамической оболочки с расположенными внутри чашеобразными элементами, имеющими отверстия связи, пространственную фиксацию и тепловой контакт с оболочкой и пространственным ограничителем разряда, отличающаяся тем, что все чашеобразные элементы с ограничителями разряда каждой секции, состоящей дополнительно из керамического цилиндрического изолятора и теплопроводящего соединителя секций, по которым происходят герметичное торцевое последовательное соединение керамических секций, электрически изолированы от соединителя секций и имеют с ним малое тепловое сопротивление. 2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что имеет дополнительные внутренние обводные каналы, соединяющие анодный и катодный узлы, с гарантированным тепловым контактом с любым соединителем и гарантированным тепловым зазором с любым чашеобразным элементом и ограничителем разряда.