СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК H01J37/04 H01S3/975 

Изобретение относится к способам и устройствам для возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения.

Известен индукционный высокочастотный (ВЧ) способ возбуждения газовых сред, основанный на использовании явления электромагнитной индукции (Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // М.: Наука. 1978. С.384), который заключается в том, что через катушку-соленоид (индуктор) пропускается импульсный ток. Магнитное поле этого тока также переменное, внутри соленоида направлено вдоль его оси. Под действием переменного магнитного потока внутри соленоида индуцируется вихревое электрическое поле. Силовые линии его представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками соленоида. Это электрическое поле (ВЧ) может зажигать и поддерживать разряд. причем токи также замкнутые и протекают вдоль круговых линий электрического поля. Разряд можно сделать импульсным, если подавать в соленоид достаточно сильный импульс тока, который возможен лишь при малой общей индуктивности индуктора возбуждения.

Известен также импульсный индукционный способ возбуждения газовых сред поперечным разрядом, обеспечивающий получения когерентного излучения на электронных переходах атомов фтора в смесях Не: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 длинной 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.

Недостаток способа и устройства состоит в том, что для его осуществления критической величиной является общая индуктивность индуктора возбуждения, которая должна соответствовать соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, n - количество соленоидов, и могла бы обеспечивать импульсы возбуждения длительностью, не превышающей 100 нс с амплитудой напряжения свыше 20 кВ. При этом длина поперечного цилиндрического разряда ограничена суммарной индуктивностью и общей длиной индуктора возбуждения, состоящего из n соленоидов, соединенных параллельно. Чем больше параллельно включается соленоидов, тем меньше общая индуктивность индуктора возбуждения, а соответственно меньше вкладываемая энергия в активную газовую среду.

Задача заявляемой группы изобретений состоит в том, что предлагается на базе известного импульсного поперечного индукционного разряда общей протяженностью n×Н, где H - ширина одного соленоида, a n - количество параллельно включенных соленоидов, увеличить общую длину импульсного индукционного разряда до n×Н + (n-1)×h, где h - ширина расстояния между соленоидами, которое удовлетворяет условию h≤Н. В этом случае общий разряд будет состоять из поперечного вихревого разряда n×H и продольного разряда между соленоидами (n-1)×h.

Основным техническим результатом является увеличение почти в 2 раза объема активной газовой среды возбуждения при той же общей индуктивности индуктора возбуждения и энергии, затрачиваемой на ее возбуждение, что ведет к повышению эффективности данного метода накачки газовых сред и снижению энергопотерь в индукторе возбуждения.

Технический результат достигается тем, что как и в известном, в предлагаемом способе возбуждения плазмы газовой среды в ней формируют импульсный индукционный разряд.

Новым является то, что в газовой среде формируют импульсный поперечно-продольный разряд.

Кроме того, импульсный поперечно-продольный разряд формируют в диэлектрической трубке с активной газовой средой, ограниченной котировочными узлами оптического резонатора, и расположенным на трубке индуктором возбуждения, состоящим из n параллельно, включенных соленоидов с плотной намоткой и общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L индуктивность одного соленоида, при этом соленоиды разделены между собой расстоянием h, удовлетворяющим условию h≤Н, обеспечивающим зажигание импульсного поперечно-продольного индукционного разряда, длина которого определяется условием n×H+(-1)×h.

При этом на индуктор возбуждения от генератора накачки подают высоковольтный импульс напряжения с амплитудой более 20 кВ, длительностью не более 100 нс с фронтом нарастания импульса напряжения τ_ф≤30 нс.

Кроме того, импульсный поперечно-продольный разряд формируют в газовых средах, содержащих как молекулярные, так и/или атомарные компоненты газовых сред, например: N₂, CO₂:N₂:He, He:Ne, He, Ne, Xe, Ar, а также, например, пары металлов Cu, Au, Pb.

Технический результат достигается также тем, что как и известное предлагаемое устройство для возбуждения импульсного поперечно-продольного индукционного разряда в газовых средах, содержит генератор накачки, обеспечивающий высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой более 20 кВ, длительностью не более 100 нс с τ_ф≤30 нс, соединенный с индуктором возбуждения, расположенным на диэлектрической трубке с активной газовой средой, ограниченной котировочными узлами, состоящим из n параллельно включенных соленоидов с плотной намоткой и общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида.

Новым является то, что согласно предложенному решению соленоиды разделены между собой расстоянием h, удовлетворяющим условию h≤Н, обеспечивающим зажигание импульсного поперечно-продольного индукционного разряда, длина которого определяется условием n×Н+(n-1)×h.

Кроме того, каждый соленоид имеет m витков, удовлетворяющих условию m≤20, плотно намотанных изолированным многожильным проводом или медной шиной с шагом намотки, удовлетворяющему условию W/5, где W ширина медной шины, при этом ширина намотки одного соленоида соответствует величине Н.

Известно, что два соленоида с током взаимодействуют друг с другом, поскольку каждый из них находится в магнитном поле другого. При этом они притягиваются, если соленоиды имеют параллельное включение с одним направлением протекания разрядного тока. Используя соленоиды в виде секций с плотной намоткой на диэлектрическую трубку с рабочей газовой средой и меняя расстояние между секциями, нами было обнаружено (Федоров А.И. Возможность создания импульсного индукционно-емкостного продольного разряда. // Письма в ЖТФ. 2009. Т.35. В.24. С.81-87), что секционная плазма одного вихревого поля начинает взаимодействовать с плазмой другого вихревого поля, они притягиваются, превращаясь в единый продольно-поперечный разряд.

На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства для реализации заявляемого поперечно-продольного способа возбуждения разряда в диэлектрической трубке для создания газоразрядных источников излучения.

На диэлектрическую трубку 1 с активной газовой средой, ограниченной герметизирующими котировочными узлами 2, являющимися элементами оптического резонатора для диэлектрического зеркала 3. намотан индуктор возбуждения 6. состоящий из n соленоидов 5, соединенных параллельно. Каждый соленоид имеет m витков, удовлетворяющих условию m≤20, намотанных изолированным многожильным проводом или медной шиной (сечением провода не менее 3 мм) с шагом намотки W/5, где W - ширина медной шины. Расстояние между витками (шаг намотки) необходимо для предотвращения емкостного пробоя между витками соленоида. При плотной намотке изолированным проводом или медной шиной с шагом W/5 ширина соленоида соответствует величине Н, а расстояние между параллельно включенными соленоидами соответствует величине h. Индуктор возбуждения 6 подключается к генератору накачки высоковольтных импульсных напряжений (ГИН) 4.

Способ возбуждения поперечно-продольного разряда, реализуемый с помощью предложенного устройства, осуществляется следующим образом. От генератора накачки 4 подают высоковольтный импульс напряжения с амплитудой 30 кВ, длительностью 100 нс с τ_ф=20 нс на индуктор возбуждения 6 с общей индуктивностью L/n=300 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, n - количество соленоидов 5, соединенных параллельно и расположенных друг от друга на расстоянии h≤Н. Индуктор возбуждения 6 обеспечивает эффективную передачу энергии из генератора накачки 4 в активную газовую среду в виде переменного магнитного поля. В результате возникновения движения зарядов индуцируются циркулярные электрические токи, которые формируют индукционный вихревой разряд в газе в пределах ширины Н соленоидов 5. В этом случае плазма индукционного разряда приобретает форму цилиндра вблизи внутренней поверхности разрядной трубки, а затем начинает взаимодействовать с плазмой соседних соленоидов, тем самым увеличивая общую длину разряда до n×H+(n-1)×h.

Например, для газовой среды азота нами использовался индуктор возбуждения 6 из n=7 соленоидов, при этом ширина одного соленоида равнялась Н=50 мм, а расстояние между соленоидами соответствовало 30 мм. В этом случае в соленоидах 5 общая длина поперечного разряда соответствовала n×Н=350 мм, а длина продольного разряда между соленоидами соответствовала (n-1)×h=180 мм. При этом общая длина разряда соответствовала 530 мм. Эти результаты зажигания импульсного индукционного поперечно-продольного разряда распространяются как на молекулярные, так и атомарные компоненты газовых сред, например: N₂, CO₂:N₂:He, He:Ne, He, Ne, Хе, Ar, а также на пары металлов Cu, Au, Pb и т.д. При h>Н вихревой разряд обеспечивается лишь внутри соленоидов индуктора возбуждения, а в промежутках между соленоидами разряд отсутствует.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая группа изобретений позволяет:

1) расширить функциональные возможности вихревого разряда, выражающиеся в увеличении длины и объема возбуждения газовых сред за счет:

- снижения энергопотерь в индукторе возбуждения;

- осуществлять локальное возбуждение вихревого разряда в газовых средах для соленоидов, удовлетворяющих требованию h>H индуктора возбуждения;

- использовать 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 открытых промежутков между соленоидами индуктора возбуждения:

- повышение коэффициента полезного действия газоразрядных источников излучения.

Изобретения относятся к объектам для возбуждения газовых сред с созданием объемного разряда. Техническим результатом является увеличение функциональных возможностей, выражающихся в увеличении длины и объема возбуждения газовых сред импульсным поперечно-продольным индукционным разрядом и улучшение эксплуатационных характеристик этих источников излучения. От генератора накачки подается высоковольтный импульс напряжения, амплитудой превышающей напряжение пробоя U_пр активной газовой среды длительностью не более 100 нс с фронтом нарастания напряжения не более 30 нс на индуктор возбуждения 6 с общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, n - количество соленоидов 5, соединенных параллельно и расположенных друг от друга на расстоянии h<H. Индуктор возбуждения обеспечивает эффективную передачу энергии от генератора накачки в газовую среду в виде переменного магнитного поля. В результате возникновения движения зарядов индуцируются циркулярные электрические токи, которые формируют индукционный вихревой разряд в газе в пределах ширины соленоидов 5. В этом случае плазма индукционного разряда приобретает форму цилиндра вблизи внутренней поверхности разрядной трубки, а затем начинает взаимодействовать с плазмой соседних соленоидов, тем самым, увеличивая общую длину разряда до n×H+(n-1)×h. При условии h>H вихревой разряд обеспечивается лишь внутри соленоидов индуктора возбуждения, а в промежутках между соленоидами разряд отсутствует. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ возбуждения плазмы газовой среды путем формирования в ней импульсного индукционного разряда, отличающийся тем, что импульсный поперечно-продольный индукционный разряд формируют в диэлектрической трубке с активной газовой средой, ограниченной котировочными узлами оптического резонатора и расположенным на трубке индуктором возбуждения, состоящим из n параллельно включенных соленоидов с плотной намоткой и общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, при этом соленоиды разделены между собой расстоянием h, удовлетворяющим условию h≤H, обеспечивающим зажигание импульсного поперечно-продольного индукционного разряда, длина которого определяется условием n·Н+(n-1)·h.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на индуктор возбуждения от генератора накачки подают высоковольтный импульс напряжения с амплитудой более 20 кВ, длительностью не более 100 нс с фронтом нарастания импульса напряжения τ_ф≤30 нс.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что импульсный поперечно-продольный разряд формируют в газовых средах, содержащих как молекулярные, так и/или атомарные компоненты газовых сред, например: N₂, CO₂:N₂:He, He:Ne, He, Ne, Хе, Ar, а также, например, пары металлов Cu, Au, Pb.

4. Устройство для возбуждения импульсного поперечно-продольного индукционного разряда в газовых средах, содержащее генератор накачки, обеспечивающий высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой более 20 кВ, длительностью не более 100 нс с τ_ф≤30 нс, соединенный с индуктором возбуждения, расположенным на диэлектрической трубке с активной газовой средой, ограниченной котировочными узлами, состоящим из n параллельно включенных соленоидов с плотной намоткой и общей индуктивностью, удовлетворяющей соотношению 50 нГн ≤L/n≤500 нГн, где L - индуктивность одного соленоида, отличающееся тем, что соленоиды разделены между собой расстоянием h, удовлетворяющим условию h≤H, обеспечивающим зажигание импульсного поперечно-продольного индукционного разряда, длина которого определяется условием n·H+(n-1)·h.

5. Устройство по п.4, в котором каждый соленоид имеет m витков, удовлетворяющих условию m≤20, плотно намотанных изолированным многожильным проводом или медной шиной с шагом намотки, удовлетворяющим условию W/5, где W - ширина медной шины, при этом ширина намотки одного соленоида соответствует величине H.