УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА Российский патент 2001 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам для формирования объемного самостоятельного разряда (ОСР), и может быть использовано для систем накачки импульсных и импульсно-периодических электроразрядных лазеров, а также для решения технологических, медицинских и экологических задач.

Известно устройство для формирования ОСР в импульсных и импульсно-периодических лазерах, включающее три электрода. Первый электрод - инициирующий катод - представляет собой ряд тонких проволочек, натянутых с определенным шагом вдоль оптической оси лазера. Второй электрод - основной катод - выполнен плоским из металлической сетки или параллельно расположенных проволочек. Третий - сплошной металлический электрод, имеющий определенный профиль рабочей поверхности, - является общим анодом. Инициирующий и основной катоды соединены между собой катушкой индуктивности, а между основным катодом и анодом подключена обостряющая емкость. Источник накачки в виде высоковольтного генератора импульсных напряжений (ГИН) подсоединен между инициирующим катодом и анодом [1].

К недостаткам данного устройства можно отнести наличие трех электродов, два из которых - инициирующий и основной катоды обладают невысоким ресурсом работы, особенно при импульсно-периодическом режиме инициирования рабочей смеси. В устройстве нельзя организовать смену рабочей смеси перпендикулярно рабочим поверхностям электродов.

Известно устройство для формирования ОСР в рабочей смеси HF(DF)-лазера, включающее в себя два электрода основного разряда и два ряда острий, расположенных около анода, формирующих искровые разряды предыонизации рабочей смеси. Один или оба электрода основного разряда выполнены в виде пластин или лезвий, закрепленных на металлическом основании с определенным шагом перпендикулярно оси лазерного резонатора. ГИН подсоединен непосредственно к электродам основного разряда и через разделительные емкости к остриям разряда предыонизации [2].

К недостаткам данного устройства следует отнести возникновение неустойчивости при формировании разряда с увеличением энерговклада, особенно в импульсно-периодическом режиме работы. В устройстве невозможно организовать прокачку рабочей смеси сквозь электроды.

Известно устройство для формирования объемного самостоятельного разряда [3], содержащее разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, источник накачки с общими шинами, подключенными к указанным электродам, при этом первый электрод выполнен из отдельных, электрически не связанных, параллельно расположенных сегментов или пластин, каждая из которых подсоединена через отдельный стабилизирующий элемент к общей шине источника накачки, а другой электрод выполнен в виде сплошной или частично прозрачной для излучения предыонизации пластины, подсоединенной к другой общей шине источника накачки.

Это устройство отличается простотой и позволяет работать с высокой частотой повторения импульсов при устойчивом формировании разряда за счет применения отдельных стабилизирующих элементов.

Однако в случае применения данного устройства для накачки рабочей смеси импульсно-периодических лазеров оно не позволяет производить смену рабочей смеси путем ее прокачки сквозь электроды.

Известно устройство для формирования объемного самостоятельного разряда [4] , содержащее разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, секционированный источник накачки с общими шинами, подключенными к указанным электродам, при этом оба электрода выполнены из отдельных, электрически не связанных пластин, лежащих в одинаковых либо параллельных плоскостях, две группы отдельных стабилизирующих элементов, каждый из которых одним концом соединен со своей пластиной, принадлежащей первому либо второму электроду, а другим концом соединен с общей шиной какой-либо секции источника накачки.

Данное устройство позволяет производить смену рабочей среды в активном объеме в импульсно-периодическом режиме работы за счет продувки смеси сквозь электроды между пластинами, однако при этом существенно ухудшается однородность формируемого разряда, особенно вблизи второго электрода.

Это происходит из-за того, что разряд в данном устройстве формируется в виде плоских струй, образующихся в направлении кратчайших расстояний между расположенными напротив друг друга пластинами электродов и практически не пересекающихся между собой.

Неоднородность формируемого разряда приводит к неравномерному энерговыделению, при котором активный объем лазера не полностью заполняется плазмой, вызывая локальные неоднородности плотности рабочей смеси лазера при ее нагреве в процессе горения разряда.

Следует отметить, что поскольку в [4] первый электрод выполнен из отдельных электрически не связанных пластин, то при работе устройства для каждой пары пластин необходим отдельный источник питания, а это ведет к усложнению устройства в целом и снижению его надежности.

Кроме того, неопределенность времени срабатывания отдельных секций источника накачки снижает технический КПД лазера за счет временного рассогласования спектрального состава лазерного излучения и появления поглощения излучения в отдельных частях активного объема лазера.

Данное устройство [4], как наиболее близкое по технической сущности, выбрано в качестве прототипа.

Задачей изобретения является получение высокой однородности объемного самостоятельного электрического разряда в газовых средах большого объема.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении энергетических параметров лазера, таких как удельный энергосъем, технический и физический КПД, общая энергия лазера, а также в уменьшении расходимости лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования объемного самостоятельного разряда, содержащем разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, источник накачки, выполненный из секций, стабилизирующие элементы, одним концом подсоединенные к выводам источника накачки, каждый электрод выполнен из отдельных параллельно расположенных пластин и установлен так, что пластины других электродов лежат в плоскости пластин первого электрода либо в параллельных им плоскостях, новым является то, что оно снабжено системой синхронизации срабатывания источника накачки, пластины в электродах объединены в одну или несколько групп, состоящих не менее чем из двух пластин, электрически связанных последовательно между собой через дополнительные стабилизирующие элементы. Вторые концы стабилизирующих элементов подсоединены, в соответствии с полярностью, к первым пластинам групп первого электрода и к последним пластинам групп второго электрода.

Такое выполнение электродов и их подсоединение к секциям источника накачки позволяет формировать разряд не только между противоположно расположенными пластинами каждого электрода, как в прототипе, но одновременно и между пластинами, расположенными по диагонали между первыми пластинами каждой группы первого электрода и последними пластинами каждой группы второго электрода, так как при таком разряде ток идет по цепи с меньшим суммарным импедансом. Это приводит к перемешиванию плазмы разряда и к более равномерному вкладу электрической энергии в активный объем лазера.

Для дополнительного улучшения однородности объемного разряда во втором варианте исполнения каждая секция источника накачки выполнена из двух частей, при этом обе части имеют разнополярные выводы.

Вторая часть каждой секции источника накачки подсоединена через соответствующие стабилизирующие элементы одним выводом к последним пластинам каждой группы первого электрода, а другим выводом к первым пластинам каждой группы второго (анодного) электрода.

При этом в зависимости от энергоемкости и времени срабатывания одна из двух частей каждой секции источника накачки может служить источником импульса предыонизации.

Для получения более высокой однородности объемного разряда вблизи анодного электрода в третьем варианте выполнения заявляемого устройства между пластинами групп анодного электрода установлены дополнительные пластины с дополнительными стабилизирующими элементами.

Это достигается тем, что в устройстве для формирования разряда число пластин каждой группы второго (анодного) электрода увеличивается по сравнению с катодом, например, в 2 раза, и они располагаются на меньшем в 2 раза расстоянии друг от друга при соответствующем увеличении числа дополнительных согласующих элементов и уменьшении их величины.

На фиг. 1 приведена схема прототипа заявляемого устройства; на фиг. 2 представлена схема устройства по п.1 формулы изобретения; на фиг. 3 - схема устройства, выполненного по второму варианту, где 1 - разрядная камера, 2, 3 - первый и второй электроды, 4 - разрядный промежуток 5 - источник накачки, 6 - секции источника накачки, 7 - стабилизирующие элементы, 8 - пластины электродов, 9 - система синхронизации, 10 - группы пластин, 11 - дополнительные стабилизирующие элементы, 12, 13 - первая и последняя пластины каждой группы первого электрода, 14, 15 - первая и последняя пластины каждой группы второго электрода, 16, 17 - первая и вторая части каждой секции источника накачки.

Заявляемое устройство (фиг. 2) содержит: разрядную камеру 1 с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами 2 и 3, образующими разрядный промежуток 4, источник накачки 5, состоящий из секций 6, и систему синхронизации их срабатывания 9, стабилизирующие элементы 7 (например, индуктивности), одним концом соединенные с выводами секций 6 источника накачки 5. Первый электрод 2 выполнен из отдельных параллельно расположенных пластин 8, второй и другие электроды 3 выполнены как первый, и их пластины 8 установлены в плоскостях пластин первого электрода 2 либо в параллельных им плоскостях. Пластины 8 в электродах 2 и 3 объединены в одну или несколько групп 10, состоящих не менее чем из двух пластин 8, электрически связанных между собой через дополнительные стабилизирующие элементы 11, вторые концы стабилизирующих элементов 7, в соответствии с полярностью, подсоединены к первой пластине 12 каждой группы 10 первого электрода 2 и к последней пластине 15 каждой группы 10 второго электрода 3.

В устройстве фиг. 3 секции 6 источника накачки 5 состоят из двух частей 16, 17, имеющих разнополярные выводы, при этом вводимые части 17 секций 6 источника накачки 5 снабжены стабилизирующими элементами 7 и подсоединены, в соответствии с полярностью, к последним пластинам 13 каждой группы 10 пластин 8 первого электрода 2 и к первым пластинам 14 каждой группы 10 пластин 8 второго электрода 3.

Устройство по п.1 формулы изобретения работает следующим образом.

При подаче на электроды 2 и 3 импульса напряжения от источника накачки 5 между пластинами 8 каждой группы 10 обоих электродов 2, 3 в некоторый момент времени возникает объемный разряд. При этом, как следует из описания схемы на фиг. 2, путь тока разряда между любыми противоположными пластинами 8 обоих электродов 2, 3 равнозначен, если величины основных стабилизирующих элементов 7 равны между собой, так же как и величины дополнительных стабилизирующих элементов 11.

В то же время путь тока разряда между пластинами 8 электродов 2, 3, расположенными по диагонали между первыми пластинами 12 каждой группы 10 первого электрода 2 и последними пластинами 15 каждой группы 10 второго электрода 3, проходит через активный объем, минуя один или несколько дополнительных стабилизирующих элементов 11. Такой путь тока разряда был бы предпочтительнее, чем между противоположно расположенными пластинами 8, если бы расстояние между этими пластинами было бы таким же, как и между противоположными пластинами. Но так как это расстояние больше, то, подбирая величину импеданса дополнительных стабилизирующих элементов 11 и расстояние между пластинами 8 в каждой группе 10 обоих электродов, можно сделать эти пути тока разряда равнозначными, то есть ток разряда будет проходить не только между противоположными пластинами электродов, но и между хотя бы соседними пластинами 8, расположенными по диагонали между противоположно расположенными группами пластин 10. А это означает, что плазма разряда будет образовываться в виде плоских струй как в прямом, так и в диагональном направлении между пластинами электродов, перемешиваясь между собой и более полно заполняя активный объем. При этом, если средний по объему удельный энерговклад в заявляемом устройстве будет равен среднему энерговкладу как и в прототипе, то локальный энерговклад, а следовательно, и пространственная неоднородность нагрева рабочей среды в процессе разряда в заявляемом устройстве будут существенно меньше, чем в прототипе. Таким образом, даже при наличии начальных неоднородностей в рабочей среде сам разряд будет вносить существенно меньшие неоднородности, чем в прототипе, а это важно для получения малой расходимости лазерного излучения, особенно при формировании разряда в импульсно-периодическом режиме работы.

Далее, если в некоторый момент времени в разрядном промежутке начинает развиваться искровой канал, т.е. ток разряда между двумя пластинами 8 противоположных электродов 2 и 3 начинает резко увеличиваться, то, с применением в качестве стабилизирующих элементов индуктивностей, напряжение между этими пластинами будет резко уменьшаться на величину ≈L·(dI/dt), где L - суммарная индуктивность цепи разряда. При таком уменьшении напряжения на пластинах электродов возникающий искровой канал прекращает увеличиваться и исчезает.

Таким образом, в заявляемом устройстве при одинаковом принципе стабилизации объемного разряда он формируется существенно однороднее, то есть вносимые им неоднородности плотности рабочей среды заметно меньше, чем в прототипе, а это приводит, в случае применения для накачки рабочей среды лазера, к гораздо меньшей расходимости лазерного излучения и более высоким значениям энергетических параметров лазера, таких как физический и технический КПД, удельный энергосъем и общая энергия излучения, что особенно важно при больших объемах и длинах активной среды лазера.

Кроме того, существенно упрощается конструкция рабочей камеры из-за уменьшения величин стабилизирующих элементов.

Устройство по п.2 формулы изобретения работает следующим образом.

Первая часть 16 каждой секции 6 источника накачки 5 подсоединена через стабилизирующие элементы 7 одним выводом к первым пластинам 12 каждой группы первого электрода 2, а другим выводом подключена через стабилизирующие элементы 7 к последним пластинам 15 своих групп 10 электрода 3.

При этом разряд, формируемый первыми частями секций источника накачки, возникает между пластинами электродов 2 и 3, расположенными как напротив друг друга, так и по диагонали между первыми пластинами 12 каждой группы электрода 2 и последними пластинами 15 каждой группы электрода 3.

Вторые же части 17 каждой секции 6 источника накачки 5 формируют разряд не только между противоположными пластинами электродов 2 и 3, но и между пластинами 8, расположенными по другой диагонали от последних пластин 13 каждой группы 10 электрода 2 к первым пластинам 14 каждой группы 10 электрода 3. Такое формирование разряда приводит к более однородному по объему вкладу электрической энергии в разряд, чем в устройстве по п.1.

При этом одна из частей каждой секции 6 источника накачки 5 может работать, при соответствующей синхронизации обеих частей, как источник импульса предыонизации. Таким образом, конструкция устройства по данному варианту позволяет работать в различных режимах формирования разряда как без предыонизации рабочей смеси, так и с предыонизацией.

Заявляемое устройство по третьему варианту работает так же, как и устройство по первому или второму варианту, но с более однородным вкладом энергии в рабочую смесь около анодного электрода 3, так как увеличение рабочей площади анодного электрода 3 за счет увеличения числа пластин 8 каждой группы 10, с уменьшением расстояния между соседними пластинами, увеличивает число каналов разряда и улучшает его однородность. [5]
Проведены испытания заявляемого устройства в целом. На примере его применения в лазерах с газовой средой показано, что заявляемое устройство позволяет создать устойчивый самостоятельный разряд с высокой однородностью энерговклада в рабочую смесь лазера как в одиночном, так и в импульсно-периодическом режимах работы.

Источники информации
1. Квантовая электроника, т. 22, N 7, 1995, С. 645-648.

2. XXIII ICPIG, Toulouse - France, v. V, 1997, pp. 50-51.

3. US патент N 4601039, кл. H 01 S 3/097, 1983.

4. РФ патент N 2105400, кл. H 01 S 3/097, опубликовано 20.02.98, БИ N 2.

5. Веденов А. А. Физика электроразрядных CO₂-лазеров, М.: Энергоиздат, 1982.1

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для систем накачки импульсных и импульсно-периодических электроразрядных лазеров, а также для решения технологических, медицинских и экологических задач. Устройство включает источник накачки в виде секций, систему синхронизации срабатывания этих секций, разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, стабилизирующие элементы и дополнительные стабилизирующие элементы. Каждый электрод выполнен из отдельных параллельно расположенных пластин. Пластины других электродов установлены в плоскостях пластин первого электрода либо в параллельных им плоскостях. Пластины в электродах объединены в одну или несколько групп, состоящих не менее чем из двух пластин, электрически связанных последовательно между собой через дополнительные стабилизирующие элементы. Стабилизирующие элементы одним концом подсоединены к выводам источника накачки, а другим концом в соответствии с полярностью подсоединены к первым пластинам групп первого электрода и к последним пластинам групп второго электрода. В каждую секцию источника накачки введена вторая часть секции. Обе части секции имеют разнополярные выводы. Вводимые части секций источника накачки снабжены стабилизирующими элементами и подсоединены к последним пластинам групп первого электрода и к первым пластинам групп второго электрода. Техническим результатом является увеличение энергетических параметров лазера, таких как удельный энергосъем, технический и физический КПД, общая энергия лазера, и уменьшение расходимости лазерного излучения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для формирования объемного самостоятельного разряда, включающее разрядную камеру с параллельно расположенными в ней по крайней мере двумя электродами, образующими разрядный промежуток, источник накачки в виде секций, стабилизирующие элементы, одним концом подсоединенные к выводам секций источника накачки, каждый электрод выполнен из отдельных параллельно расположенных пластин и установлен так, что пластины других электродов лежат в плоскостях пластин первого электрода либо в параллельных им плоскостях, отличающееся тем, что устройство снабжено системой синхронизации срабатывания секций источника накачки, пластины в электродах объединены в одну или несколько групп, состоящих не менее чем из двух пластин, электрически связанных последовательно между собой через дополнительные стабилизирующие элементы, вторые концы стабилизирующих элементов в соответствии с полярностью подсоединены к первым пластинам групп первого электрода и к последним пластинам групп второго электрода. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая секция источника накачки выполнена из двух частей, обе части каждой секции имеют разнополярные выводы, вторые части секций в отличие от первых через стабилизирующие элементы подсоединены к последним пластинам групп первого электрода и к первым пластинам групп второго электрода.