СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИНДУКЦИОННО-ЕМКОСТНОГО ПРОДОЛЬНОГО РАЗРЯДА В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК H01S3/09 

Изобретения относится к области квантовой электроники и применяется для возбуждения активных сред в источниках спонтанного или когерентного излучения.

Известен импульсный индукционный способ возбуждения газовых сред поперечным разрядом и устройство для его реализации, обеспечивающий получение когерентного излучения на электронных переходах атомов фтора в смесях He:F₂ (Ражев A.M., Мхитарян В.М., Чуркин Д.С. FI-лазер в области 703-731 нм с возбуждением индукционным поперечным разрядом. // Письма в ЖЭТФ. 2005. Т.82. В.5. С.290-294), который заключается в том, что емкостной генератор накачки обеспечивает импульсы напряжения амплитудой 27 кВ и длительностью 300 нс на нагрузку в виде индуктора возбуждения с индуктивностью 60 нГн и общей длиной 60 см, состоящего из n параллельно соединенных и плотно намотанных соленоидов из изолированного многожильного провода на диэлектрическую трубку диаметром 2 см, в которой находится рабочая газовая смесь He:F₂. Она возбуждается поперечным вихревым разрядом, создаваемым переменным магнитным полем в индукторе возбуждения. Под поперечным индукционным разрядом подразумевается импульсный цилиндрический разряд в газовой смеси, который перпендикулярен потоку переменного магнитного поля и оптической оси резонатора.

Недостатком известных решений является недостаточно высокая эффективность ввода энергии в активные среды.

Основная техническая задача, решаемая заявляемой группой изобретений, состоит в создании способа возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения и устройства для его реализации, позволяющих увеличить объем плазмы, снизить энергопотери и повысить эффективность возбуждения газовых сред, расширяя функциональные возможности данного типа разряда.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе возбуждения импульсного индукционно-емкостного продольного разряда в газовых средах, заключающемся в возбуждении активной газовой среды, поперечным индукционным разрядом, создаваемым переменным магнитным полем в индукторе возбуждения высоковольтными импульсами напряжения, согласно предложенному решению, высоковольтные импульсы напряжения подают с амплитудой, превышающей напряжение пробоя U_пр активной газовой среды, длительностью не более 100 нс, при этом длительность фронта нарастания импульса напряжения τ_ф≤30 нс, которые одновременно в части трубки с не возбужденной газовой средой формируют электрический вихревой разряд с вихревым током, протекающим в направлении, параллельном оптической оси излучения, причем общая индуктивность контура возбуждения поперечного индукционного разряда меньше общей индуктивности контура возбуждения объемного индукционно-емкостного продольного разряда.

Основной технический результат достигается также тем, что в устройстве для создания импульсного индукционно-емкостного продольного разряда возбуждения, включающем емкостной генератор накачки, подключенный к индуктору возбуждения, состоящему из n параллельно соединенных и плотно намотанных соленоидов на диэлектрическую трубку с активной газовой смесью, согласно предложенному решению с одной стороны диэлектрической трубки расположено плоское диэлектрическое зеркало, а на ее торцах выполнены герметизирующие котировочные узлы с плоскопараллельными пластинами из кварца, в одном из которых расположен полый катод, общая индуктивность индуктора возбуждения выбрана из условия

,

а на каждый соленоид индуктора возбуждения намотано m≤20 витков медной шиной с шагом намотки W/5, где W - ширина медной шины, при этом общая обмотка токопровода индуктора возбуждения соединена с обратным токопроводом и заземлена с полым катодом юстировочного узла.

Витки могут быть выполнены изолированным многожильным проводом.

Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретения.

На чертеже приведена блок-схема устройства для осуществления способа.

Устройство состоит из диэлектрической трубки 1 диаметром D с активной газовой средой 2 и герметизирующими котировочными узлами 3, в одном из которых с расположен полый катод 4, кварцевыми окнами 5, являющимися элементами оптического резонатора с диэлектрическим зеркалом 6. На диэлектрическую трубку 1 намотан индуктор возбуждения 7, состоящий из n соленоидов, соединенных параллельно. Каждый соленоид имеет m≤20 витков, намотанных изолированным многожильным проводом или медной шиной с шагом намотки W/5, где W - ширина медной шины. Расстояние между витками (шаг намотки) необходим для предотвращения емкостного пробоя между витками соленоида. Индуктор возбуждения 7 подключен к генератору накачки высоковольтных импульсных напряжений (ГИН) 8, образуя цепь контура возбуждения, с током разряда I₁ для получения плазмы поперечного индукционного разряда в активной газовой среде 2, ограниченной индуктором возбуждения 7. Общая обмотка токопровода индуктора возбуждения 7 соединена обратным токопроводом 9 и заземлена с полым катодом 4 юстировочного узла 3, образуя цепь контура возбуждения с током разряда I₂ для получения объемного индукционно-емкостного разряда в не возбужденной активной газовой среде 2 между индуктором возбуждения и полым катодом 4.

Способ возбуждения индукционно-емкостного продольного разряда, реализуемый с помощью предложенного устройства, осуществляется следующим образом. От генератора накачки 8 подают высоковольтный импульс напряжения с амплитудой, превышающей напряжение пробоя U_пр активной газовой среды и длительностью не более 100 нс с τ_ф≤30 нс на индуктор возбуждения 7 с общей индуктивностью не более 500 нГн, состоящий из n соленоидов, соединенных параллельно. Индуктор возбуждения 7 обеспечивает эффективную передачу энергии из генератора накачки 8 в активную газовую среду 2 в виде переменного магнитного поля. В результате возникновения движения зарядов индуцируются циркулярные электрические токи, которые формируют индукционный вихревой разряд в активной газовой среде 2 в пределах ширины индуктора возбуждения 7. Плазма индукционного разряда приобретает форму цилиндра вблизи внутренней поверхности диэлектрической трубки 1 и выполняет роль анода, вторым емкостным электродом является полый катод 4 котировочного узла 3, это обеспечивает зажигание индукционно-емкостного продольного разряда в активной газовой среде 2. При этом общая индуктивность первого контура возбуждения L₁ поперечного индукционного разряда индуктора возбуждения 7 больше общей индуктивности второго контура возбуждения L₂ продольного разряда.

Таким образом, по сравнению с известным решением заявляемая группа изобретений позволяет:

1) расширить функциональные возможности поперечного индукционного разряда, позволяющие возбуждать индукционно-емкостные продольные разряды в газовых средах за счет:

- снижения энергопотерь в индукторе возбуждения, которые используются для зажигания индукционно-емкостного продольного разряда;

- использования в качестве активных сред высокотемпературные пары металлов;

2) улучшить эксплутационные характеристики вихревого разряда за счет:

- отсутствия необходимости охлаждения диэлектрической трубки при работе с парами металлов в виде открытого промежутка между индуктором возбуждения и полым катодом юстировочного узла;

- повышения коэффициента полезного действия газоразрядных источников излучения.

Способ заключается в возбуждении активной газовой среды поперечным индукционным разрядом, создаваемым переменным магнитным полем в индукторе возбуждения высоковольтными импульсами напряжения, которые одновременно в части трубки с не возбужденной газовой средой формируют электрический вихревой разряд с вихревым током, протекающим в направлении, параллельном оптической оси излучения. Импульсы подают с амплитудой, превышающей напряжение пробоя U_пp активной газовой среды, длительностью не более 100 нс, при этом длительность фронта нарастания импульса напряжения τ_ф≤30 нс. Общая индуктивность контура возбуждения поперечного индукционного разряда меньше общей индуктивности контура возбуждения индукционно-емкостного продольного разряда. Устройство для реализации способа включает емкостной генератор накачки, подключенный к индуктору возбуждения, состоящему из n параллельно соединенных и намотанных на диэлектрическую трубку с активной газовой смесью соленоидов. С одной стороны трубки расположено плоское диэлектрическое зеркало, а на ее торцах выполнены котировочные узлы с плоскопараллельными пластинами из кварца. В одном из узлов расположен полый катод, общая индуктивность индуктора возбуждения выбрана из условия На каждый соленоид индуктора намотано m≤20 витков медной шиной с шагом намотки W/5, где W - ширина шины. Общая обмотка токопровода индуктора возбуждения соединена с обратным токопроводом и заземлена с катодом юстировочного узла. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и в улучшении эксплуатационных характеристик. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения импульсного индукционно-емкостного продольного разряда в газовых средах, заключающийся в возбуждении активной газовой среды поперечным индукционным разрядом, создаваемым переменным магнитным полем в индукторе возбуждения высоковольтными импульсами напряжения, отличающийся тем, что высоковольтные импульсы напряжения подают с амплитудой, превышающей напряжение пробоя U_пp активной газовой среды, длительностью не более 100 нс, при этом длительность фронта нарастания импульса напряжения τ_ф≤30 нс, которые одновременно в части трубки с не возбужденной газовой средой формируют электрический вихревой разряд с вихревым током, протекающим в направлении, параллельном оптической оси излучения, причем общая индуктивность контура возбуждения поперечного индукционного разряда меньше общей индуктивности контура возбуждения индукционно-емкостного продольного разряда.

2. Устройство для создания импульсного индукционно-емкостного продольного разряда возбуждения, включающее емкостный генератор накачки, подключенный к индуктору возбуждения, состоящему из n параллельно соединенных и плотно намотанных соленоидов на диэлектрическую трубку с активной газовой смесью, отличающееся тем, что с одной стороны диэлектрической трубки расположено плоское диэлектрическое зеркало, а на ее торцах выполнены герметизирующие юстировочные узлы с плоскопараллельными пластинами из кварца, в одном из которых расположен полый катод, общая индуктивность индуктора возбуждения выбрана из условия , а на каждый соленоид индуктора возбуждения намотано m≤20 витков медной шиной с шагом намотки W/5, где W - ширина медной шины, при этом общая обмотка токопровода индуктора возбуждения соединена с обратным токопроводом и заземлена с полым катодом юстировочного узла.

3. Устройство для создания импульсного индукционно-емкостного продольного разряда возбуждения по п.1, отличающееся тем, что витки выполнены изолированным многожильным проводом.