СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ МОЛЕКУЛ И АТОМОВ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01S3/97 

Предлагаемое изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров для генерации плазмы и в иных источниках излучения (света) на основе использования газового разряда.

Известен способ возбуждения молекул и атомов рабочего газа, который осуществляется с помощью комбинированного газового разряда в электроразрядном лазере [1], содержащем два ряда цилиндрических электродов, подключенных к высоковольтному импульсному генератору самостоятельного разряда, и расположенный между ними ряд цилиндрических электродов, подключенных к основному источнику питания. Через все три ряда электродов организован поток рабочего газа. Катодом выбран ряд нижних по потоку газа электродов, каждый из которых через индивидуальный резистор заземлен.

При подаче высоковольтного импульса от генератора на верхний по потоку газа ряд электродов между ними и остальными электродами зажигаются самостоятельные разряды, создающие плазму с заданной концентрацией электронов. Для того чтобы самостоятельные разряды загорелись между всеми тремя рядами электродов, каждый из электродов среднего ряда подключен к основному источнику питания через последовательно соединенные индуктивности с резисторами. Созданная между вторым и третьим (по потоку газа) рядами электродов плазма проводит ток от основного источника питания. При очередной подаче высоковольтного импульса процесс повторяется.

Недостатками данного способа являются невысокие мощность и энерговклад, низкая граница устойчивости газового разряда, а также сложность конструкции электронной системы лазера, которая состоит из 132 отдельных электродов, а также то, что для возбуждения несамостоятельного разряда и вывода излучения используется только часть того объема, в котором возбуждается самостоятельный разряд от импульсного генератора. Это требует повышения мощности генератора, увеличения его габаритов и габаритов лазера в целом. Кроме того, наличие в цепи несамостоятельного разряда индуктивности ограничивает амплитуду тока на начальной стадии несамостоятельного разряда, что существенно ухудшает устойчивость разряда, так как после окончания импульса тока самостоятельного разряда разряд переходит из нормального в поднормальный режим горения, то есть возникают области, где плотность тока значительно выше, чем в среднем по сечению разрядного промежутка. И в последующем даже при возобновлении нормального режима горения повышается вероятность развития искрового канала в этих областях. По этой причине для зажигания однородного разряда необходимо использовать резистивную развязку электродов. Однако известно, что включение в цепь разряда токоограничивающих резисторов хотя и приводит к стабилизации разряда, но существенно снижает КПД лазера, так как в этом случае до половины всей мощности тратится на рассеивание в токоограничивающих резисторах.

Известен также способ возбуждения молекул и атомов в положительном столбе объемного разряда в потоке газа [2], в котором электроны передают энергию молекулам и атомам газа до тех пор, пока поток их не вынесет из области разряда (частота смены газа ~10³ Гц). Основной объем разряда занят положительным столбом, а приэлектродные (катодный и анодный) слои занимают ничтожно малую часть его объема (толщина катодного слоя ~10² см). Они лежат на поверхности электродов (катода и анода) и имеют в себе значительно превосходящие положительный столб удельные мощности накачки. Особенно высокие удельные мощности накачки сосредоточены в катодном слое.

Однако скорость газа у поверхности катода в катодном слое всегда значительно ниже (частота смены газа ~10² Гц), чем в ядре потока, поэтому при определенных условиях газ в катодном слое перегревается и возникает развивающаяся тепловая неустойчивость, которая заканчивается пробоем разрядного промежутка и контракцией разряда. Этим явлением ограничены мощность и энерговклад газового разряда данного технического решения.

Реализуется указанный способ в форме так называемого нормального объемного тлеющего разряда, (удельный энерговклад нормального объемного тлеющего разряда фактически равен энерговкладу в положительном столбе разряда), где

Q_н - удельный энерговклад нормального объемного тлеющего разряда;

j_k - плотность тока в катодном слое и положительном столбе разряда;

U_п.c. - напряжение на положительном столбе разряда;

V - скорость прокачки газа;

Q_п.c. - удельный энерговклад в положительном столбе разряда.

Наиболее близким техническим решением, выбранным автором за прототип, является способ возбуждения молекул и атомов рабочего газа, включающий подачу постоянного напряжения на электроды и прокачку газа сквозь электроды, имеющие внутри каналы, через которые газ поступает в разрядную зону или покидает ее, при этом активные поверхности электродов, которые перекрывают газовый канал, выполняют функцию решеток, дросселирующих поток газа, и при условии, что один из размеров сквозных ячеек в решетке не превышает 3 мм, ограничивают распространение ударной волны из зоны разряда, тем самым уменьшая возникающие неоднородности плотности газа.

Устройство для возбуждения молекул и атомов рабочего газа - газовый лазер содержит газовую кювету с устройством для прокачки газа, вывода излучения, теплообменником и разрядной камерой с двумя основными электродами и одним дополнительным, расположенным между основными электродами, электродом, который через импульсные генераторы соединен с основными электродами, при этом электроды имеют внутри каналы для потока газа, а поверхности электродов, перекрывающие газовый поток, выполнены в виде решеток, у которых наибольший размер сквозной решетки не превышает 3 мм [3].

В данном техническом решении значительный недостаток существует в виде контракции объемного газового разряда в потоке газа, которая ограничивает вводимые мощность и энерговклад и, соответственно, мощность излучения электроразрядного газового лазера и его КПД.

С помощью предлагаемого изобретения достигается новый технический результат, заключающийся в повышении границы устойчивости газового разряда и увеличении его мощности и энерговклада.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе возбуждения молекул и атомов рабочего газа, включающем подачу электрического напряжения на электроды и организацию потока рабочего газа в разрядном промежутке таким образом, что поток рабочего газа полностью пропускают через катодный слой объемного тлеющего газового разряда, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом так, чтобы поток газовой смеси проходил через катод, межэлектродное пространство, анод в рабочую область генерации излучения, а в устройстве для осуществления этого способа, содержащем средство формирования потока, источник питания, рабочий газ и разрядную камеру, включающую, выполненные в виде решеток, анод и катод, по крайней мере, решетка катода выполнена с регулярным шагом, не превышающим толщины катодного слоя нормального объемного тлеющего газового разряда, периферийные области электродов данного устройства разделены и защищены от пробоев электроизолятором, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом.

На чертеже представлено поперечное сечение предложенного устройства для возбуждения молекул и атомов газа. Здесь:

1 - источник электропитания;

2 - катод,

3 - анод,

4 - электроизолятор;

5 - средство формирования потока газа;

6 - рабочая область генерации излучения.

Источник питания 1 своим отрицательным выходом соединен с катодом 2, а положительным выходом - с анодом 3. В качестве источника питания 1 может быть использован как источник постоянного напряжения, так и импульсно-периодического. Периферийные области электродов 2 и 3 разделены и защищены от пробоев электроизолятором 4. Катод может быть выполнен в виде решетки, перфорированной электропроводящей пластины или сетки, регулярный шаг отверстий и перемычек которой не превышает толщины катодного слоя. Например, для газовой смеси СО₂:N₂:Не при Р~30 тор регулярный шаг отверстий и перемычек катода составляет ~0,2 мм. Анод может быть выполнен аналогично, но с регулярным размером шага отверстий и перемычек ~ 0,3 мм. Средство формирования потока газа 5 расположено перед катодом 2 таким образом, чтобы поток газовой смеси с заданной скоростью проходил через катод 2, межэлектродное пространство, анод 3 и попадал в рабочую область генерации излучения 6.

При прохождении потока газовой смеси через электроды 2 и 3 и при наличии на них напряжения достаточной величины для возникновения разряда в прикатодной области возникает тонкий катодный слой, расположенный над каждой перемычкой перфорированной пластины (решетки, сетки) катода 2. Так как размер перемычек и отверстий выбран достаточно малым, то катодный слой соседних перемычек смыкается, в результате чего катодный слой над прозрачным для потока газовой смеси катодом 2 имеет непрерывную сплошную структуру и весь поток газовой смеси проходит через него, затем поток газа проходит через область положительного столба и через анодный слой прозрачного для потока газовой смеси анода 3, выполненного аналогично катоду 2, но с другим размером регулярного шага, и попадает в рабочую область генерации излучения 6, где происходит выделение энергии в виде излучения.

Предложенный способ возбуждения молекул и атомов газа реализуется следующим образом.

Поток газа, создаваемый средством формирования потока газа 5, через регулярные отверстия катода 2 попадает в катодный слой на некоторое малое время (частота смены газа в катодном слое 10⁴ - 10⁶ Гц), затем проходит положительный столб разряда (частота смены газа ~10³ Гц). Быстрая смена газа в тонком катодном слое (1к ~ 10^-2 см) не позволяет развиться тепловой неустойчивости, таким образом, значительно повышается не только граница устойчивого горения нормального объемного тлеющего разряда, но реализуется и аномальный объемный тлеющий разряд, удельные мощности накачки которого значительно превосходят накачку в нормальном объемном тлеющем разряде.

В области катодного слоя газ пребывает незначительное время Tk ~ 10 мкс, но так как удельная мощность очень высокая W_k ~ 10³ Вт/см³, то удельный энерговклад достигает существенных значений Q_k ~ 10 мДж/см³.

В положительном столбе картина обратная: время пребывания газа Т_пс ~ 10^-3 сек - больше, удельная мощность W_пc ~ 10 Вт/см³ - меньше, но удельный энерговклад (Q_пc ~ 10 мДж/см³) такой же.

В аномальном объемном тлеющем разряде значения Q_k, Q_п.c., W_k, W_пc могут быть и выше.

Таким образом, в предложенном способе молекулы и атомы газа энергетическую накачку получают и в катодном слое и в положительном столбе.

Q₁=Q_н+Q_п.c., где Q_k, Q_п.c. - удельный энерговклад в катодном слое и в положительном столбе.

То есть получается катодная добавка Q_k к энерговкладу в положительном столбе Q_п.c.

где U_k, U_п.с. - падения напряжений на катодном слое и на положительном столбе;

V - скорость потока газа;

U_p=U_k+U_п.c.+U_A. где U_p - прикладываемое к электродам рабочее напряжение;

U_A - анодное падение напряжения (в силу малости u_a не учитывается).

Добавка катодного энерговклада в нормальном объемном тлеющем разряде составляет до 30%.

(U_k~_{100 В, Uп.с.~10³-10⁴ В)}

В аномальном объемном тлеющем разряде

(U_k~_{10²-10⁴ В, Uп.с.~10-10³ В)}

Удельная мощность в предлагаемом способе

где f_k, f_п.c. - частоты смены газа в катодном слое и в положительном столбе разряда.

Например:

U_k = 500 В

U_п.c = 500 В → Q₁/Q₀ = 2,

В предложенном способе значительно повышаются мощность и энерговклад газового разряда в потоке газа.

КПД газового разряда в известном способе (доля мощности, идущая на возбуждение потока газа)

В предлагаемом способе

, т.е. существенно, приблизительно в 1,20-1,98 раза, повышается и КПД лазера.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец предложенного устройства, который при испытаниях подтвердил достижение вышеуказанного технического эффекта.

Источники информации

1. Патент GB №1306746, МПК H 01 S 3/22, опубл. 1973.

2. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1981, с.544.

3. Патент РФ №2148882, МПК H 01 S 3/097, опубл. 2000 - прототип.

Использование: для возбуждения молекул и атомов газа. Сущность: заключается в том, что в способе возбуждения молекул и атомов рабочего газа, включающем подачу электрического напряжения на электроды и организацию потока рабочего газа в разрядном промежутке таким образом, что поток рабочего газа полностью пропускают через катодный слой объемного тлеющего газового разряда, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом так, чтобы поток газовой смеси проходил через катод, межэлектродное пространство, анод в рабочую область генерации излучения, а в устройстве для осуществления этого способа, содержащем средство формирования потока, источник питания, рабочий газ и разрядную камеру, включающую, выполненные в виде решеток, анод и катод, по крайней мере, решетка катода выполнена с регулярным шагом, не превышающим толщины катодного слоя нормального объемного тлеющего газового разряда, периферийные области электродов данного устройства разделены и защищены от пробоев электроизолятором, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом. Технический результат: повышение границы устойчивости газового разряда и увеличение его мощности и энерговклада. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения молекул и атомов газа, включающий подачу электрического напряжения на электроды и организацию потока рабочего газа в разрядном промежутке, отличающийся тем, что поток рабочего газа полностью пропускают через катодный слой объемного тлеющего газового разряда, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом таким образом, чтобы поток газовой смеси проходил через катод, межэлектродное пространство, анод в рабочую область генерации излучения.2. Устройство для возбуждения молекул и атомов газа, содержащее средство формирования потока, источник питания, рабочий газ и разрядную камеру, включающую выполненные в виде решеток анод и катод, отличающееся тем, что, по крайней мере, решетка катода выполнена с регулярным шагом, не превышающим толщины катодного слоя нормального объемного тлеющего газового разряда, периферийные области электродов разделены и защищены от пробоев электроизолятором, при этом средство формирования потока газа расположено перед катодом.