Способ получения разряда в газовой среде Советский патент 1991 года по МПК H01S3/97 

4 Л

у-тю

W

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получе- ния разряда в среде, выполняющей функцию генерации (в процессе разряда) лазерного или светового излучения.

Цель изобретения - повышение мощности пазерного излучения и уменьшение расходимости пучка лазерного излучения путем увеличения равномерности распределения тока разряда в среде.

На фиг. 1, 3, 6, 9-16 представлены устройства для реализации способа; на фиг. 2, 4, 5, 7 и 8 - конструктивные разновидности элементов, реализующих способ.

В вариантах на фиг. 1, 3, 6, 8, 9, 14-16 в промежуток, образованный электродами 3 и 4, введены два тела 1 и 2 из диэлектрического материала.

В вариантах на фиг. 10-13 в промежуток, образованный электродами 3 и 4, введено одно тело 1 из диэлектрического материала.

В вариантах на фиг. 14 и 15 среду 5 ограждают материалом с зеркальной поверхностью или среду 5 ограждают материалом, отражающим ультрафиолетовое излучение.

В варианте на фиг. 16 в среду 5 вводят дополнительные электроды 43 и 44, посредством которых возбуждают коронный разряд.

Устройства для реализации способа содержат тела 1 и 2 из диэлектрического мате- риала (или тело из диэлектрического материала фиг. 10-13, электроды 3 и 4, среду 5, источник 6 электрической энергии, электрически связанный с электродами 3 и 4 через индуктивные (или активные) сопротивления 9и 10(иличерез сопротивление 9), коммутатор 7 (для шунтирования электродов 3 и 4) или дополнительный источник 35 электрической энергии (выполненный, например, в виде генератора импульсных напряжений Маркса), герметичную камеру 8 (наполненную средой 5) с установленными внутри нее электродами 3, 4 и телами 1 и 2 из диэлектрического материала (на фиг. 8, 14 и 15 камера 8 не показана).

Вариант устройства на ФИР. 1 содержит электродную систему 11 (выполненную, например, в виде ряда игольчатых дов), связанную с приводом 12. Электродная система 11 может быть выполнена также и в виде ряда проволок (фиг. 2) с длиной не менее длины тел 1 и 2 (фиг 1).

Вариант устройства на фиг. 3 содержит сеточные электроды 13 и 14, выполненные из полу проводящего материала развязывающие элементы 15 и 16, выполненные в виде индуктивных сопротивлений (фиг 3)

или в виде диодов 15 и 16 (фиг. 4), диоды 17 и 18, обдувающее устройство, включающее компрессор 21 и сопла 22 и 23, установленные в камере 8. Электроды 3 и 4 могут быть

подключены как к одному источнику электрической энергии (фиг. 3), так и к двум источникам электрической энергии 6 и 24 (фиг. 5 и 3). В варианте на фиг, 6 электроды 3 и 4 подключены к источнику 6 через емкостные

0 накопители 25-30 энергии, а развязывающий элемент сеточных электродов (из полупроводящего материала) 13 и 14 выполнен в виде диода 15, Этот вариант может быть выполнен как с коммутатором 7, так и с

5 коммутатором 31.

В варианте на фиг. 7 вводимое в промежуток между электродами тело выполнено двухслойным и состоит из сегнетоэлектри- ческого материала 32 с нанесенным на него

0 слоем термостойкого материала 1.

В варианте на фиг, 8 коммутатор 7 кроме своей функции выполняет и функцию предионизации излучением (во время срабатывания межэлектродных промежутков

5 коммутатора). В этом варианте электроды коммутатора выполнены в виде последовательно соединенных межэлектродных промежутков 19 и 34, установленных по бокам тел 1 и 2, изготовленных из диэлектрических

0 материалов. Равномерная предионизация по всей длине тел 1 и 2 может быть легко обеспечена путем установки с параллельным подключением пар последовательно соединенных между собой межэлектрод5 ных промежутков 19 и 34 и индуктивного сопротивления 3 (индуктивные сопротивления 33 обеспечивают пробой всех п пар последовательно соединенных промежутков 19 и 34), Эти пары могут быть установлены,

0 например, с шагом 7-15 мм в направлении длины тел 1 и 2 (в направлении оси Y).

Вариант на фиг. 9 содержит дополнительный источник 35 электрической энергии (выполненный, например, в виде генерато5 ра импульсных напряжений Маркса) и коммутатор 36,

Вариант на фиг. 10 содержит конденсатор 28, соединенный последовательно с электродами 3 и 4 (электрод 4 выполнен в

0 виде стержня). Тело 1 из диэлектрического материала выполнено в виде полого цилиндра, а электрод 3 прилегает к внешней поверхности тела 1, или электрод 3 нанесен в виде слоя на тело 1.

5 Варианты на фиг. 14 и 15 содержат материал 37 с зеркальной поверхностью или материал 37 (например, фторопласт), отражающий ультрафиолетовое излучение

В варианте на фиг. 15 к телам 1 и 2 из диэлектрического материала с высоким значением «: (например, из сегнетоэлектриче- ского материала) примыкает диэлектрический материал 38 и 39 с относительно малым значением Е (например, из тефлона). Среда 5 ограждена материалами 37, 40, 41 и 42, имеющими определенные коэффициенты отражения светового излучения заданной длины волны,

В варианте на фиг. 16 в среду 5 введены ряд электродов- проводов 43 и 44 (протянутых в направлении оси Y или протянутых в направлении оси X), предназначенных для предионизации коронным разрядом. Электроды 43 и 44 подключены к источнику 45 электрической энергии через индуктивные сопротивления 46 и 47 (фиг, 16 б). Электроды - провода 43 и 44 могут быть выполнены из полупроводящего материала, например нихрома, или полупроводящего материала, имеющего большее чем нихром удельное объемное сопротивление.

Коммутатор 7 может быть выполнен в виде управляемого газоразрядного коммутатора 19, запуск которого осуществляется блоком 20 запуска (фиг, 3, 8).

В вариантах на фиг. 1а, 3 и 6 электродная система 11 и сеточные электроды 13 и 14 вводятся (фиг. 1 а) или устанавливаются (фиг. 3) на расстоянии примерно 2-3 мм от тел 1 и 2.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 1, осуществляют следующим образом.

В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала (или электроды 3 и 4 покрывают диэлектрическим материалом 1 и 2), среду 5 (газ или смесь газов) и электродную систему 11. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в результате чего напряженность электрического поля в промежутке электродная система 11 - диэлектрическое тело 1 и в промежутке электродная система 11 - диэлектрическое тело 2 превышает пробивную прочность среды 5 и в этих промежутках возникает электрический разряд. При этом поверхность диэлектрического тела 1 заряжается зарядами отрицательного знака, а поверхность диэлектрического тела 2 - зарядами положительного знака. На электроде 3 накапливается заряд .положительного знака, а на электроде 4 - заряд отрицательного знака. После окончания процесса зарядки электродов 3 и 4 электродную систему 11 посредством привода 12 удаляют изнутри промежутка между тепами 1 и 2 (фиг. 1 б). Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между электродами3

и 4 снижается, а напряженность электриче ского поля в среде 5 (в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2) увеличивается до значения, превышающего пробив- ную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и диэлектрическом телом 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрическом теле 1 и на диэлектрическом теле 2

0 Объемный разряд происходит за время 10-10 с, и поэтому источник 6 на этот процесс практически не влияет, а сопротивления 9 и 10 обеспечивают практическую разрядку источника 6 и предотвращают КЗ

5 источника 6 (в случае, если источник не отключается после зарядки электродов 3 и 4), Способ посредством устройства, представленного на фиг. 3, осуществляют следующим образом.

0 В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 приклэ- дывают напряжение от источника 6. в результате чего напряженность электриче5 ского поля в промежутках электрод 13 - диэлектрическое тело 1, электрод 14 - диэлектрическое тело 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этих промежутках возникает

0 электрический разряд. При этом поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем замыкают коммутатор 7 (путем подачи запускающего импульса от блока 20). При этом

5 разность потенциалов между точками поверхностей диэлектрических тел 1 и 2 возрастает до значения, примерно равного удвоенному значению напряжения источника 6, а напряженность электрического поля

0 в среде 5 превышает пробивную прочность среды 5 и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и диэлектрическим телом 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрическом теле 1 и диэлек5 трическом теле 2.

Относительно высокие значения сопротивлений электродов 13 и 14 (электроды 3 и 14 выполняют из полупроводящего материала) практически исключают протекание

0 тока через тело электродов 13 и 14 в процессе объемного разряда. Сопротивления 15 и 16 (фиг. 3) или диоды 15 и 16 обеспечивают практическую разрядку электрической связи между электродами 13 и 14 р процессе

5 объемного разряда.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 6, осуществляют следующим образом.

В промежуток между эпе i падями 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектри i -гюго материала и среду 5. Включают источник 6. В результате включения источника 6 напряженность электрического поля в промежутках электрод 13 - диэлектрическое тело 1, электрод 14 -диэлектрическое тело 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5 (так как емкость конденсатора, обкладками которого служат электроды 3 и 40 намного меньше емкости накопителей 25-30 энергии, и в этих промежутках возникает электрический разряд. Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между обкладками накопителей 25 и 30 энергии уменьшается, а напряженность электрического поля в среде 5 возрастает да значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 т 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрических телах

1и 2.

Диод 15 обеспечивает практическую развязку электрической связи между электродами 13 и 14 в процессе объемного разряда.

Если вместо коммутатора 7 замкнуть коммутатор 31, то это также приведет к возрастанию напряженности электрического поля в среде 5. Однако в этом случае скорость роста напряженности электрического попя в среде 5 и амплитудное значение напряженности уменьшатся.

Способ посредством устройства, представленного на фиг, 8, осуществляют следующим образом.

В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника (который на фиг. 8 не показан) в результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и

2возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между электродами 3 и 4 снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающею пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает обьемный разряд.

Способ посредством уоройгтва, представленного нл фиг 9, )ч in. vjtpnqioT следующим образом

В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в

результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем запускают генератор 35 импульсных напряжений Маркса и напряжение между

телами 1 и 2 возрастает примерно до значения, равного сумме напряжений источника б и генератора 35, напряженность электрического поля в среде 5 превышает пробивную прочность среды 5, и в промежутке

между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд,нейтрализуя заряды на диэлектрических телах 1 и 2.

До запуска генератора 35 коммутато- ром 36 можно разорвать электрическую связь генератора 35 и источника 6. Однако это не обязательно, так как такую функцию могут выполнять индуктивные сопротивления 9 и 10.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 10, осуществляют следующим образом.

В промежуток между электродами 3 и 4

вводят тело 1 из диэлектрического материала и среду 5. Включают источник 6. В результате приложения напряжения от источника 6 напряженность электрического поля в промежутке между электродом 4 и диэлектрическим телом 1 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5 (так как емкость конденсатора, обкладками которого служат электроды 3 и 4, намного меньше емкости накопителя 28

энергии, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхность диэлектрического тела 1 заряжается зарядами отрицательного знака, а электрод 3 - зарядами положительного знака. После

окончания процесса зарядки электрическое поле в промежутке между электродом 4 и диэлектрическим телом 1 уменьшается до значения меньше пробивной прочности среды разрядного промежутка. Затем замыкают коммутатор 7. При этом напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и электродом 4 возникает объемный разряд.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 11, осуществляют аналогично способу по фиг. 10.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 12, осуществляют следующим образом,

В промежуток между электродами 3 и А вводят тело 1 из диэлектрического материала и среду 5, К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическим телом 1 и электродом 3 и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и электродом 4 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этих промежутках возникает электрический разряд. Часть поверхности диэлектрического тела 1 заряжается зарядами положительного знака, а другая часть -зарядами отрицательного знака. Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между электродами 3 и 4 снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутках диэлектрическое тело 1 - электрод 3, диэлектрическое тело 1 - электрод 4 возникает объемный разряд.

Способ посредством устройства, представленного на фиг. 13, осуществляют аналогично способу по фиг. 12. В этом варианте выполнение диэлектрического тела 1 в виде ленточного транспортера позволяет охлаждать ту часть диэлектрического тела 1, которая расположена в промежутке между электродами 3 и 4.

Способ посредством устройства, пред-, ставленного на фиг. 16, осуществляют следующим образом.

В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. После окончания процесса зарядки от источника 45 электрической энергии к системе электродов 43 и 44, выполненных из полупроводящего материала, прикладывается напряжение больше напряжения зажигания коронного разряда между электродами 43 и 44 и меньше напряжения пробоя между электродами 43 и 44. Затем коммутатор 7. При этом разность потенциалом между электродами 3 и л снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд.

Пример 1. Тела 1 и 2, выполненные из диэлектрического материала с высоким

значением е (например, из материала диэлектрика конденсаторов типа КВИ-3 или К15-10) с размерами поверхностей, обращенных друг к другу, примерно равными (250-350)хЗО мм , устанавливают на расстоянии друг от друга, примерно равном 17- 24 мм (фиг. 1 б). Резонатором служит глухое зеркало с алюминиевым покрытием и кварцевая пластина. Коммутатором 7 служит управляемый разрядник. Промежуток между

диэлектрическими телами 1 и 2 заполняют азотом при давлении 120-160 Торр (система электродов 11 отсутствует, фиг. 1 б). Включают источник 6 электрической энергии с выходным напряжением 30-34 кВ. В результате включения источника 6 в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает электрический разряди поверхность тела 1 заряжается зарядами отрицательного знака, а поверхность тела 2 - зарядами

положительного знака (фиг. 1 б). После окончания процесса зарядки переводят коммутатор 7 (выполненный в виде управляемого газоразрядного коммутатора, фиг. 8) из непроводящего состояния в проводящее, что

приводит к увеличению напряженности электрического поля в среде 5 до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд,

нейтрализуя заряды на поверхности диэлектрических тел 1 и 2, генерируя лазерное ° излучение.

Пример 2. Осуществляют при тех же параметрах, что и пример 1, только в отличие от примера 1 обкладки 1 и 2 имеют поверхности, обращенные друг к другу с размерами (250-300) х (250-300) мм2.

Пример 3. Осуществляют так же и при тех же параметрах, что и пример 1,

только в отличие от примера 1 тела 1 и 2 имеют поверхности, обращенные друг к другу с размерами (500-800) х 300 ммг, а в качестве среды 5 используют смесь газов 90% Аг (аргона); 10% Кг (криптона) и менее 0.5% F2 (фтора) при давлении (1-3) х 10 Па. Тела 1 и 2 выполняют из сегнетоэлект- рического материала с в- 2000 и более.

Пример 4. Осуществляют так же и при тех же параметрах, что и пример 3,

только в отличие от примера 3 в качестве среды 5 используют смесь газов: 97-98% Не; -2% Хе (ксенона); 0,2-0,3% HCI при давлении 1-3 ат.

Пример 5. Тела 1 и 2, выполненные из материала с высоким значением е с размерами поверхностей, обращенных друг к другу, примерно равными (250-300) х (250- 300) мм , устанавливают на расстоянии друг от друга, примерно равном 17-24 мм (фиг. 15). Среду 5 ограждают глухими зеркалами 40 и 41 с коэффициентами отражения, близкими к 90-100%, и поверхностями 37 и 42 с коэффициентами отражения 15-30% (например, кварцевыми пластинами 37 и 42). Коммутатором 7 служит управляемый газоразрядный коммутатор (фиг. 15 и 8). Промежуток между обкладками 1 и 2 заполняют азотом при давлении 120-160 Торр. Включают источник 6 с выходным напряжением 30-34 кВ. После окончания процесса зарядки поверхности тел 1 и 2 переводят коммутатор 7 из непроводящего состояния в проводящее, что приводит к возникновению объемного разряда, в процессе которого генерируется лазерное излучение во взаимно перпендикулярных направлениях. Лазерное излучение поступает в окружающую среду через поверхности 37 и 42.

Пример 6. Осуществляют так же, что и пример 5, только в отличие от примера 5 в среду 5 вводят нихромовые дополнительные электроды 43 и 44 (фиг. 16) с шагом 7-15 мм с диаметром электродов - проводов 43 и 44, примерно равным 0,15-0,3 мм, и между проводами 43 и 44 до и в процессе перевода коммутатора 7 из непроводящего состояния в проводящее возбуждают коронный разряд путем подачи напряжения от источника 45 (фиг. 16).

Пример 7. Осуществляют так же, что и пример 6, только в отличие ,от примера 6 тела 1 и 2 имеют поверхности, обращенные друг к другу с размерами (500-800) х (500- 800) мм2, а в качестве среды 5 используют смесь газов: 90% Аг (аргона); 10% Кг (криптона) и менее 0,5% фтора при давлении (1-3) хх 105 Па. Тела 1 и 2 выполняют из сегнетоэлектрического материала с Б 2000 и более,

Пример 8. Осуществляют так же и при тех же параметрах, что и пример 7,

только в отличие от примера 7 в качестве среды 5 используют смесь газов: 97...98% Не; 2% Хе(ксенона); 0,2-0,3% HCI при давлении 1-3 ат.

Таким образом, предложенный способ

исключает шнурование разряда и повышает равномерность распределения тока разряда в среде, что значительно уменьшает как активное, так и реактивное сопротивление разрядного промежутка и тем самым, при

прочих равных условиях, повышает мощность энерговклада и мощность светового и лазерного излучения разряда. Указанное обстоятельство позволяет путем увеличения ширины межэлектродного промежутка

повысить мощность светового и лазерного излучения, что невозможно осуществить известными способами.

Кроме того предложенный способ позволяет уменьшить расходимость пучка лазерного излучения вследствие увеличения равномерности распределения тока разряда в среде.

Формула изобретения Способ получения разряда в газовой

среде, включающий увеличение напряженности электрического поля в среде до значения, превышающего пробивную прочность среды путем приложения к электродам напряжения, отличающийся тем, что, с

целью повышения мощности лазерного излучения и уменьшения расходимости его пучка путем увеличения равномерности распределения тока разряда в среде, до приложения упомянутого напряжения в

промежуток, образованный электродами, вводят по крайней мере один элемент из диэлектрического материала, а после приложения к электродам указанного напряжения их шунтируют или подключают к

дополнительному источнику электрической энергии, полярность выводов которого противоположна полярности указанных электродов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для запуска разрядных промежутков, выполняющих функцию генерации светового излучения или лазерного излучения. Цель изобретения - повышение мощности лазерного излучения разряда и уменьшение расходимости пучка путем увеличения равномерности распределения тока разряда в среде. Для получения разряда в промежуток между диэлектрическими обкладками 1 и 2 вводят среду 5 (газ или смесь газов) и электродную систему 11. Включают источник электрической энергии 6. В результате поверхности обкладок 1 и 2 заряжаются зарядами разных знаков. Затем электродную систему 11 посредством привода 12 удаляют из промежутка между обкладками 1 и 2. Замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между обкладками 3 и 4 снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между обкладками 1 и 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на обкладках 1 и 2.16 ил. со с

Фчг.1

т

1чЈ

15

-.

Ф

16 Фиг. 4 b

18

Фм.З

U

Фм.5

Фм.1

Фиг. 5

L

9 М0

ЖЮ691

Физ.М

Фаг. 11

7

л

A

8

W

J

Фм. 12

W

Фт. 13

Фиг. 14

А-А

Т

41

40

I

Фм.15

Vtf

57

/ О О О О

/+ -Л + - +

« 44

О О О О О /

- 4 - + -

f{

S) YI

. /

8

6