Безнакальный катод для активного элемента лазера на парах металлов Российский патент 2024 года по МПК H01S3/227 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к безнакальным катодам для активных элементов (АЭ) импульсного лазера на парах металлов. Предлагаемый катод долговечен, не усложняет конструкцию и сохраняет высокую стабильность параметров лазерного излучения.

Безнакальный катод АЭ импульсного лазера на парах металлов. работает в сложных и не совсем обычных для газоразрядных приборов условиях:

- высокое давление (до атмосферного) в АЭ буферного газа,

- высоковольтное импульсное напряжение,

- высокая частота повторения импульсов в режиме импульсного дугового разряда,

- импульсы тока с амплитудой сотни ампер,

- высокая рабочая температура при интенсивной ионной бомбардировке.

Известна конструкция безнакальнго катода в промышленных отпаянных саморазогревных АЭ лазера на парах металлов принятая за прототип [Григорьянц А. Г., Казарян М. А., Лябин Н. А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. – гл. 3 с.111 Рис.3.13,3.14; с.133 Табл.3-3; с.144 Табл.3-4].

Активный элемент наполнен буферным газом неоном в смеси с водородом. Горение высоковольтного импульсного дугового разряда локализуется на катоде в малое пятно. Катод разогрет за счет ионной бомбардировки до высокой температуры. Катод выполнен в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная (кольцевая) проточка шириной 0,5-1 мм и глубиной до 3 мм. В кольцевой проточке создается электрическое поле высокой напряженности, обеспечивая более эффективную работу катода в режиме автоэлектронной эмиссии. Пятно горения локализуется в проточке, разогревая область диаметром до трех размеров ширины проточки. Увеличение рабочего давления неона в активном элементе от 200 мм рт. ст. до атмосферного приводит к изменению размера пятна примерно от 1 до 0,5 мм за счет сжатия разряда. При этом в локализованном пятне и в зоне термического воздействия катода достигаются высокие температуры, близкие к плавлению вольфрама, в следствие чего, катод переходит в устойчивый режим работы термоэлектронной эмиссии, обеспечивая стабильные параметры лазерного излучения. Катодное пятно в процессе работы, по мере истощения бария в активном веществе, постепенно перемещается по периметру проточки, сохраняя стабильные параметры.

Недостатком конструкции является ограниченность рабочей длины продольной (кольцевой) проточки, что снижает долговечность катода.

Техническим результатом является повышение долговечности безнакальноого катода АЭ лазера на парах металлов при сохранении высокой стабильности параметров лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что безнакальный катод для активного элемента лазера на парах металлов выполнен в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная проточка шириной до одного мм и глубиной до трех мм. На внутренней поверхности кольца дополнительно выполнены поперечные проточки с шагом до трех мм, причем ширина и глубина каждой проточки как у продольной проточки.

Выполнение поперечных проточек увеличивает общую рабочую длину, что увеличивает долговечность безнакальнго катода при сохранении стабильности параметров лазерного излучения АЭ лазера на парах металлов.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого безнакального катода для активного элемента лазера на парах металлов, где:

металлопористое кольцо 1,

молибденовый цилиндрический держатель 2,

продольная проточка 3,

поперечная проточка 4.

Пример.

Металлопористый вольфрам-бариевый безнакальный катод для активного элемента лазера на парах меди выполнен в виде кольца с 7% массовым содержанием активного вещества 3ВаО Аl₂О₃*0,5СаО SiО₂ и работой выхода 2 эВ.

Кольцо 1 с габаритными размерами Ø32* Ø24*3,5 мм, установлено в молибденовом цилиндрическом держателе 2 с габаритными размерами Ø32,8* 21,2 мм. По центру кольца на внутренней поверхности выполнена продольная (кольцевая) проточка 3 с внешним диаметром Ø24 мм, шириной 1 мм и глубиной 2 мм. Дополнительно на внутренней поверхности катода выполнены равномерно поперечные проточки 4 с шагом 3 мм в количестве 24, при чем ширина и глубина каждой проточки как у продольной (кольцевой). Кольцевая и поперечные проточки в конструкция катода изготовлены на механообрабатывающем оборудовании. Общая рабочая длина проточек увеличилась до 135 мм.

Предлагаемый безнакальный катод для АЭ лазера на парах металлов работает следующим образом.

При подаче высоковольтного импульсного напряжения на электроды АЭ лазера на парах металлов, наполненного буферным газом , загорается импульсный дуговой разряд, локализующийся в процессе разогрева на безнакальном катоде в пятно размером ~1 мм в одной из проточек,. В этой проточке создается электрическое поле высокой напряженности, обеспечивающее эффективную работу катода в режиме автоэлектронной эмиссии. Размер пятна определяется давлением газа и согласуется с шириной проточки. Благодаря интенсивной ионной бомбардировке при высокой частоте повторения импульсов материал катода в пятне и окружающей его области диаметром до ~3 мм разогревается до высокой температуры, обеспечивая устойчивую работу в режиме термоэлектронной эмиссии и соответственно стабильные параметры лазерного излучения. Область разогрева катода наблюдается хорошо по его яркому свечению с помощью оптического пирометра и определяется по следам эрозии материала. Катодное пятно, в процессе истощения активного вещества в области его разогрева, перемещается вдоль всех проточек.

Эффективность изобретения проверена экспериментальным путем на примере промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах меди ГЛ-205А [КРПГ.433757.001-003 ТУ]. Давление буферного газа неона в смеси с водородом составляло 250 мм рт. ст., частота повторения импульсов 12 кГц. Конструкция безнакального катода обеспечила стабильные параметры лазерного излучения. Общая рабочая длина продольной и поперечных проточек увеличилась в 1,7 раза ̶ до 135 мм, что соответствует увеличению долговечности безнакального катода от 6000 до 10000 часов.

Испытания проводились в составе действующего стенда тренировки и испытаний АЭ лазера на парах меди. Предлагаемый катод с дополнительными поперечными проточками может работать до 10000 ч, т. е. в 1,7 раза дольше аналога, что следует из анализа следов эрозии после разборки АЭ.

Конструкция предлагаемого безнакального катода может быть применима для других лазеров на парах металлов, работающих в режиме высокочастотного импульсного дугового разряда: марганца, золота, бария.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к безнакальным катодам для активных элементов импульсного лазера на парах металлов. Предлагается безнакальный катод для активного элемента лазера на парах металлов, выполненный в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная проточка шириной до 1 мм и глубиной до 3 мм. На внутренней поверхности дополнительно выполнены поперечные проточки с шагом до 3 мм, причем ширина и глубина каждой проточки как у продольной проточки. Технический результат - повышение долговечности безнакального катода лазера на парах металлов при сохранении высокой стабильности параметров лазерного излучения. 1 ил.

Безнакальный катод для активного элемента лазера на парах металлов, выполненный в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная проточка шириной до 1 мм и глубиной до 3 мм, отличающийся тем, что на внутренней поверхности дополнительно выполнены поперечные проточки с шагом до 3 мм, причем ширина и глубина каждой проточки как у продольной проточки.