ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2006 года по МПК H01J17/40 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано для получения тлеющего разряда (ТР) постоянного тока для различных целей, преимущественно для накачки газовых лазеров.

Известно газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему пяти стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода - рис.2 [1] (Kan-ichi Fujii, Shun-ichi Miyazawa, Shu-ichi Takano, Toshio Oikawa, «Morphologic study of external cathode type hollow-cathode discharge», Jap.J. Appl. Phys., 1979, v. 18, №4, p.803-807). При надлежащем выборе давления и сорта газа, или смеси газов, или газа с парами металлов и при подключении к электродам источника постоянного напряжения внутри цилиндрической поверхности, на которой расположена система стержней, зажигается ТР постоянного тока, который возбуждает активную среду газового лазера.

Известно также газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему 14 стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода - рис.6а [2] (David C.Gerstenberger, Rajendra Solanki, George J. Collins, «Hollow cathode metal ion lasers», IEEE J. Quantum Electronics, 1980, v. 16, №8, р. 820-834).

Известно также газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему 24 стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода, - рис.1 [3] (K.Rózsa, M.Jánossy, J.Bergou, L.Csillac, «Noble gas mixture CW hollow cathode laser with internal anode system». Optics Communications, 1977, v. 23, №1, p.15-18). Это газоразрядное устройство выбрано за прототип.

Известным газоразрядным устройствам [1-3] присущ следующий недостаток: малое значение разрядного тока при данном напряжении питания разряда, что приводит к малому энергетическому вкладу в газ или газовую смесь. Малое значение разрядного тока объясняется тем, что в этих устройствах работают только те участки катодной поверхности, которые наиболее близко расположены к анодным стержням, то есть имеет место снижение эффективной площади катода по сравнению с геометрической площадью. Это снижает удельную на единицу объема интенсивность свечения плазмы.

Другой недостаток устройств [1-3] заключается в том, что ТР в них получается азимутально-неоднородным, это также объясняется тем, что работают только те участки катодной поверхности, которые наиболее близко расположены к анодным стержням. Неоднородность горения ТР снижает кпд лазера, основанного на известных газоразрядных устройствах.

Технической задачей изобретения является увеличение разрядного тока при одинаковом с прототипом напряжении питания и одинаковом межэлектродном расстоянии и исключение азимутальной неоднородности ТР.

Техническим результатом изобретения является увеличение удельной на единицу объема интенсивности свечения плазмы при одинаковом с прототипом напряжении питания, получение однородного ТР.

Технический результат достигается тем, что в газоразрядном устройстве, содержащем катод в виде полого цилиндра, анод в виде, по крайней мере, четырех стержней, равномерно размещенных в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси, новым является то, что направляющая полого цилиндра выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней.

Покажем, каким образом достигается технический результат. Если предлагаемое газоразрядное устройство выполнить в соответствии с формулой изобретения, то площадь катода в нем будет увеличена в раз по сравнению с прототипом при одинаковом с прототипом межэлектродном расстоянии (ϕ - угловой размер дуг (см. чертеж), из которых состоит направляющая катода; N - количество анодных стержней; r - радиус дуг; R - радиус катода у прототипа, равный радиусу окружности, в которую вписана направляющая катода). При этом все точки поверхности катода будут находиться на одинаковом расстоянии r от анодных стержней, что обеспечит более высокую однородность ТР.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемого газоразрядного устройства. Его поперечное сечение показано на чертеже, где 1 - катод в виде полого цилиндра, направляющая которого выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью, направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней 2. Анодные стержни 2 равномерно размещены в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси, 3 - отрицательное свечение ТР - характерная область ТР, отличающаяся наибольшей яркостью свечения - см. рис.IV. 3.3 на с.19 [4] («Энциклопедия низкотемпературной плазмы», под ред. Фортова В.Е., М.: Наука, 2000, Вводный том, кн. 2). Тонкими линиями показаны: окружность, на которой расположены анодные стержни 2, и окружность, на которой лежат точки сопряжения каждой дуги направляющей катода 1 с соседними дугами.

Катод 1 и анодные стержни 2 можно выполнить, например, из нержавеющей стали или вольфрама. Количество анодных стержней 2, например, - 8, они располагаются по окружности радиуса 3,4 мм, их диаметр - 0,25 мм. Тогда при электродном зазоре 1,8 мм (радиусы дуг тоже r=1,8 мм) угловой размер дуг окружностей, из которых состоит направляющая катода 1 ϕ≈0,778 π, а радиус окружности, в которую вписана направляющая катода 1, R=5,2 мм. При таких размерах коэффициент увеличения площади катода χ≈1,06 раза по отношению к катоду прототипа с радиусом R=5,2 мм.

Работает газоразрядное устройство следующим образом. Сначала в устройство закачивают газовую смесь требуемого состава и требуемого давления (например, для активной среды газоразрядного лазера). Затем к электродам 1 и 2 прикладывают постоянное напряжение величиной несколько сотен вольт. Тогда в устройстве зажигается ТР с отрицательным свечением 3, занимающим место вблизи оси устройства. При этом однородность ТР обеспечивается тем, что размеры заявляемого устройства подобраны так, что все участки катода 1 равноудалены от анодных стержней 2, а сам катод 1 работает азимутально однородно. Поэтому разрядный ток в предлагаемом устройстве превышает разрядный ток прототипа более чем в χ раз.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предложенного устройства и выполнен макет. Испытания показали, что заявляемое устройство решает поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Применение данного газоразрядного устройства позволило увеличить кпд газовых лазеров.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано для получения тлеющего разряда (ТР) постоянного тока для различных целей, преимущественно для накачки газовых лазеров. Сущность: газоразрядное устройство содержит катод в виде полого цилиндра, анод в виде, по крайней мере, четырех стержней, равномерно размещенных в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси. При этом направляющая полого цилиндра выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью, направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней. Технический результат: увеличение разрядного тока за счет развития поверхности катода и, как следствие, увеличение удельной на единицу объема интенсивности свечения плазмы, а также исключение азимутальной неоднородности ТР. 1 ил.

Газоразрядное устройство, содержащее катод в виде полого цилиндра, анод в виде, по крайней мере, четырех стержней, равномерно размещенных в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси, отличающееся тем, что направляющая полого цилиндра выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью, направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней.