УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА Российский патент 2016 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для формирования объемного самостоятельного разряда в электроразрядных импульсно-периодических газовых лазерах.

Известно устройство формирования объемного разряда (Патент RU №2303322, МПК H01S 3/00, опубл. 20.07.2007, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», авторы: Запольский А.Ф., Соколов Д.В.), включающее в себя разрядную камеру с рабочим газом и подключенными к источнику питания основными электродами и, по крайней мере, с одним электродом разряда предварительной ионизации, состоящим из металлического проводника, заключенного в диэлектрический элемент. Причем электрод разряда предварительной ионизации выполнен таким образом, что он расположен вдоль обеих боковых сторон основных электродов. Диэлектрический элемент представляет собой трубку, закрытую с обоих концов. Предыонизация рабочего газа осуществляется УФ-излучением разряда предварительной ионизации в активном объеме между основными электродами. Источником питания служит генератор импульсных напряжений с униполярным или знакопеременным напряжением.

Недостатком данного устройства является то, что не обеспечивается однородная предыонизация по поперечному сечению разрядного промежутка из-за того, что источник УФ-излучения освещает разрядный промежуток с боковых сторон основных электродов, и, как следствие этого, объемный разряд является недостаточно однородным. Кроме этого, данная конструкция не обладает компактностью из-за наличия дополнительных элементов предварительной ионизации в поперечном направлении.

Наиболее близким аналогом по технической и физической сущности к заявляемому изобретению выбрано устройство формирования объемного разряда (Патент RU №2368047, МПК H01S 3/097, опубл. 20.09.2009, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», авторы: Великанов С.Д., Запольский А.Ф., Соколов Д.В.), включающее в себя разрядную камеру с рабочим газом и, по меньшей мере, с одной электродной секцией, состоящей из двух основных полупрозрачных электродов, расположенных параллельно и подключенных к источнику питания, двух электрически соединенных электродов разряда предварительной ионизации, выполненных в виде металлических проводников, а каждый из основных полупрозрачных электродов от электрода разряда предварительной ионизации отделен с обратной стороны диэлектрическим элементом в виде пластины. Электрод разряда предварительной ионизации выполнен в виде металлической шины, а в качестве источника питания служит генератор импульсных напряжений униполярного или знакопеременного или осциллирующего импульсного напряжения.

Недостатком конструкции известного устройства является то, что однородность объемного разряда является недостаточной вследствие низкой интенсивности предварительной ионизации, зависящей от состава рабочего газа. Кроме этого представленная конструкция диэлектрического элемента в виде пластины с развитой поверхностью не обеспечивает компактность конструкции.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении однородности объемного разряда за счет использования излучения легкоионизируемого газа при одновременном достижении компактности конструкции устройства из-за отсутствия необходимости развития поверхности диэлектрического элемента.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство формирования объемного разряда включает разрядную камеру с рабочим газом, по меньшей мере, с одной электродной секцией, состоящей из двух параллельно размещенных и подключенных к источнику питания основных полупрозрачных электродов, двух электрически соединенных электродов разряда предварительной ионизации, выполненных в виде металлических проводников, а каждый из основных полупрозрачных электродов отделен с обратной стороны от электрода разряда предварительной ионизации диэлектрическим элементом, новым является то, что каждый из основных полупрозрачных электродов с противоположной стороны от промежутка основного разряда гальванически объединен металлической шиной, каждый из диэлектрических элементов имеет внутреннюю полость с легкоионизируемым газом, в средней части полости размещен электрод разряда предварительной ионизации, для которого в диэлектрическом элементе выполнен, по меньшей мере, один электрический вакуумно-плотный вывод, причем диэлектрические элементы выполнены из материала, прозрачного для излучения, обеспечивающего предыонизацию рабочего газа.

Кроме этого основные полупрозрачные электроды могут быть выполнены в виде металлической сетки, либо в виде ряда параллельных проволок, причем каждые проволоки одного основного полупрозрачного электрода обращены к каждой проволоке другого основного полупрозрачного электрода.

Гальваническое объединение каждого из основных полупрозрачных электродов с противоположной стороны от разрядного промежутка металлической шиной позволяет снизить индуктивность подводки напряжения к основным полупрозрачным электродам, что ведет к повышению однородности формируемого объемного разряда.

Выполнение каждого из диэлектрических элементов с внутренней полостью позволяет исключить электрический пробой между основным полупрозрачным электродом и электродом разряда предварительной ионизации, что повышает однородность объемного разряда и позволяет получить более компактную конструкцию устройства.

Заполнение внутренних полостей диэлектрических элементов легкоионизируемым газом позволяет увеличить интенсивность предыонизации рабочего газа, что также ведет к повышению однородности формируемого объемного разряда.

Размещение электрода разряда предварительной ионизации в средней части полости способствует более равномерной засветке полости, что также повышает однородность разряда в устройстве формирования объемного разряда. Кроме того, расположение его именно в замкнутой полости делает устройство компактным.

Выполнение в диэлектрическом элементе, по меньшей мере, одного электрического вакуумно-плотного вывода создает возможность электрического соединения электродов разряда предварительной ионизации, что также влияет на вышеуказанный технический результат.

Выполнение диэлектрических элементов из материалов, прозрачных для излучения, обеспечивающего предыонизацию рабочего газа, позволяют повысить однородность формируемого объемного разряда.

Выполнение основных полупрозрачных электродов в виде металлической сетки или в виде ряда параллельных проволок позволяет выбрать наиболее удобный для реализации и назначения устройства вариант конструкции.

Обращение каждой проволоки одного основного полупрозрачного электрода к каждой проволоке другого основного полупрозрачного электрода позволяет получить более однородный объемный разряд.

Конструкция заявляемого устройства формирования объемного разряда поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства с одной электродной секцией, а также вид устройства в поперечном сечении.

На фиг. 2 - устройство с двумя электродными секциями.

На фигурах позициями обозначены:

1 - разрядная камера,

2 - металлическая шина основного полупрозрачного электрода,

3 - диэлектрический элемент,

4 - основной полупрозрачный электрод,

5 - электрический вакуумно-плотный вывод,

6 - электрод разряда предварительной ионизации,

7 - внутренняя полость диэлектрического элемента,

8 - промежуток между диэлектрическим элементом и основным полупрозрачным электродом,

9 - промежуток основного разряда,

10 - источник питания.

В представленном варианте реализации устройство представляет собой разрядную камеру 1 с рабочим газом, в которой размещена одна электродная секция, состоящая из двух параллельно размещенных и подключенных к источнику питания 10 основных полупрозрачных электродов 4, двух электрически соединенных электродов разряда предварительной ионизации 6. Основные полупрозрачные электроды 4 выполнены в виде металлической сетки, либо ряда параллельных проволок из нихрома, причем каждые проволоки одного основного полупрозрачного электрода обращены к каждой проволоке другого основного полупрозрачного электрода. При этом каждый из основных полупрозрачных электродов 4 отделен с обратной стороны от электрода разряда предварительной ионизации 6 диэлектрическим элементом 3. Причем основные полупрозрачные электроды 4 расположены вплотную к диэлектрическим элементам 3 или с зазором, постоянным или переменным в поперечном сечении. Каждый из основных полупрозрачных электродов 4 с противоположной стороны от промежутка основного разряда 9 гальванически объединен металлической шиной 2, выполненной в виде медной пластины. Диэлектрические элементы 3 имеют внутреннюю полость 7 с легкоионизируемым газом и выполнены в виде цилиндрической трубки из кварца марки КУ и длиной 200 мм. В качестве легкоионизируемого газа применен газ галоген. Каждый электрод разряда предварительной ионизации 6 выполнен в виде металлической протяженной проволоки, которая размещена в средней части внутренней полости 7. Причем концы металлической протяженной проволоки подпаяны к электрическим вакуумно-плотным выводам 5 диэлектрического элемента 3. В качестве источника питания 10 служит генератор импульсных напряжений (ГИН) униполярного или знакопеременного напряжения.

Основные полупрозрачные электроды 4 и электроды разряда предварительной ионизации 6 образуют общую емкость (С_ОБ), подключенную параллельно разрядному промежутку 9 и являющуюся последовательным соединением барьерных емкостей (С_БАР) каждой пары: основной полупрозрачный электрод - диэлектрический элемент - электрод разряда предварительной ионизации.

В том случае, когда основные полупрозрачные электроды выполнены с зазором с диэлектрическим элементом, то С_БАР в свою очередь является последовательным соединением трех емкостей. Первая емкость образована промежутком с легкоионизируемым газом во внутренней полости диэлектрического элемента (С_Л.ГАЗ), вторая - диэлектрическим элементом (С_ДИЭЛ) и третья - промежутком с рабочим газом между диэлектрическим элементом и основным полупрозрачным электродом (С_Р.ГАЗ):

В общем случае основные полупрозрачные электроды могут быть выполнены с разными зазорами по отношению к соответствующим им диэлектрическим элементам и их С_БАР могут не совпадать.

Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере одной электродной секции при реализации варианта размещения с зазорами между основными полупрозрачными электродами и диэлектрическими элементами.

При подаче импульса высокого напряжения от ГИН 10 на металлические шины основного полупрозрачного электрода 2 происходит заряд общей емкости С_ОБ. При этом, так как емкость С_Л.ГАЗ много меньше емкости С_ДИЭЛ, практически все прикладываемое напряжение падает на емкость С_Л.ГАЗ и С_Р.ГАЗ. При достижении напряженности поля в газовых промежутках определенных величин, определяемых природой легкоионизируемого и рабочего газов, происходит пробой в газах - формирование барьерного разряда. Причем подбор состава и параметров легкоионизируемого газа может позволить добиться необходимой интенсивности УФ-излучения. УФ-излучение барьерного разряда осуществляет предыонизацию рабочего газа в промежутке основного разряда 9. Затем, при возрастании амплитуды импульса высокого напряжения от ГИН 10 и достижении напряжения пробоя промежутка основного разряда 9 между основными полупрозрачными электродами 4 формируется основной разряд.

На предприятии проведена конструкторская проработка и создано работоспособное компактное устройство формирования объемного разряда с достижением вышеуказанного технического результата. В результате экспериментальных исследований была получена высокая однородность энерговклада в промежуток основного разряда.

Использование: для формирования объемного самостоятельного разряда в электроразрядных импульсно-периодических газовых лазерах. Сущность изобретения заключается в том, что устройство формирования объемного разряда включает разрядную камеру с рабочим газом, по меньшей мере, с одной электродной секцией, состоящей из двух параллельно размещенных и подключенных к источнику питания основных полупрозрачных электродов, двух электрически соединенных электродов разряда предварительной ионизации, выполненных в виде металлических проводников, а каждый из основных полупрозрачных электродов отделен с обратной стороны от электрода разряда предварительной ионизации диэлектрическим элементом, каждый из основных полупрозрачных электродов с противоположной стороны от промежутка основного разряда гальванически объединен металлической шиной, каждый из диэлектрических элементов имеет внутреннюю полость с легкоионизируемым газом, в средней части полости размещен электрод разряда предварительной ионизации для которого в диэлектрическом элементе выполнен, по меньшей мере, один электрический вакуумно-плотный вывод, причем диэлектрические элементы выполнены из материала, прозрачного для излучения, обеспечивающего предыонизацию рабочего газа. Технический результат: обеспечение возможности повышения однородности объемного разряда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство формирования объемного разряда, включающее разрядную камеру с рабочим газом, по меньшей мере, с одной электродной секцией, состоящей из двух параллельно размещенных и подключенных к источнику питания основных полупрозрачных электродов, двух электрически соединенных электродов разряда предварительной ионизации, выполненных в виде металлических проводников, а каждый из основных полупрозрачных электродов отделен с обратной стороны от электрода разряда предварительной ионизации диэлектрическим элементом, отличающееся тем, что каждый из основных полупрозрачных электродов с противоположной стороны от промежутка основного разряда гальванически объединен металлической шиной, каждый из диэлектрических элементов имеет внутреннюю полость с легкоионизируемым газом, в средней части полости размещен электрод разряда предварительной ионизации для которого в диэлектрическом элементе выполнен, по меньшей мере, один электрический вакуумно-плотный вывод, причем диэлектрические элементы выполнены из материала, прозрачного для излучения, обеспечивающего предыонизацию рабочего газа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основные полупрозрачные электроды выполнены в виде металлической сетки либо в виде ряда параллельных проволок, причем каждые проволоки одного основного полупрозрачного электрода обращены к каждой проволоке другого основного полупрозрачного электрода.