Газоразрядная трубка газового лазера Советский патент 1992 года по МПК H01S3/38 

Изобретение относится к квантовой электронике и может бЬ1ть использовано при производстве газовых лазеров с поперечным разрядом,

Известна конструкция газового лазера с активным элементом, в котором для обеспечения равномерной эмиссии с поверхности катода последний выполнен секционированным и составлен через изоляторы из нескольких по следовательно расположенных цилиндров одинакового диаметра, подключенных через разные сопротивления к источнику питания.

Такая конструкция активного элемента с холодным катодом имеет недостатки, которые не позволяют применять ее в стабильных газовых лазерах как с продольным, так и с поперечным тлеющим разрядом. Увеличение числа элементов снижает надежность работы прибора, усложняет технологию изготовления и эксплуатацию конструкции, что не дает положительного эффекта по увеличению ресурса работы зависящего от долговременной ста бильности разряда.

Если в начальный момент работы активного элемента и обеспечивается однородный по всей длине катода тлеющий разряд, то в результате того, что им покрыта вся поверхность катода стационарность разряда вследствие внешних воздействий будет нарушена, и разряд постепенно сконцентрируется на небольшом участке катода.

Известна также газоразрядная трубка газового лазера с поперечным рядом, содержащая разрядный канал с эктивной средой и расположенные вдол разрядного канала анод и катод, R ко торой тлеющий разряд в газовой смеси осуществляется поперечным полем между холодным полмм продолговатым катодом и проволочным анодом, помещенным в продольную щель катода по всей ее длине параллельно оси разрядной трубки на расстоянии от катода, равном его внутреннему радиусу, В данной конструкции даже при при менении специального профиля продолговатого катода так же, как и в предыдущей конструкции, не может быть осуществлен долговременный стабильный разряд, Лля получения долговременного стационарного разряда в такой конструкции необходимо обеспечит нормальный тлеющий разряд. Действительно, как следует из закона Геля если вследствие большого внешнего сопротивления сила тока в тлеющем разряде невелика, то рабочая поверхность катода пропорциональна силе тока, т.е. j о величина постоянная, где j - плотность тока, А/см2; I - рабочий ток. А; S - площадь эмитирующей поверхности катода, см, Тогда катодное падение напряжения Икагэт будет также величиной постоянной, Б этом случае зарядная нейтральность стационарного разряда обес печивается тем, что нескомпенсированный oбъeмны заряд создает дополнительное электрическое поле, которо выравнивает зарядность до динамического равновесия. При слабом поле, действующем в стационарном разряде, ускоряемые им электроны вскоре теряю заметную долю составляющей направлен ного движения вследствие непрерывног столкновения между собой и с атомами газа. В аномальном тлеющем разряде, когда поверхность холодного катода вся покрывается свечением, Vitatr} растет пропорционально току. В этом слу чае разряд равномерно покрывает поверхность катода в какой-то определе ный промежуток времени. Затем, когда вследствие внешних воздействий, например радиоактивной ионизации, плот ность тока в какой-то точке катода окажется большер чем в окружающей среде, разряд становится неустойчивым, так как условие стационарности в этой точке может быть выполнено при меньшем катодном падении, нем в других точках. Но так как напряжение еще велико для поддержания большого катодного падения в окружающей среде, где пространственный заряд слабее, то в этог точке образуется больше ионов, чем их необходимо для обеспечения стационарного разряда, т.е. ток в этой точке растет, Одновременно растет общий ток разряда, так как в рассматриваемой точке растет число образующихся и переносимых к электродам заряженных частиц. С ростом тока увеличивается и внешнее падение потенциала, а потенциал разрядного промежутка уменьшается, Поэтому приложенное к электродам напряжение становится недостаточным для поддержания условия стационарности в окружающем точку пространстве. В нем образуется все меньше ионов, чем нужно для сохранения плотности стационарного заряда, и она прогрессирующе уменьшается, Меньшая плотность тем более не может остаться стационарной. Разряд концентрируется, т.е. на некоторых участках поверхности катода плотность тока увеличивается до величинЫг соответствующей установившемуся мини- мальному напряжению, а на других участках уменьшается до нуля а это приводит к интенсивному распылению катода и изменению параметров рабочей среды. Цель изобретения - повышение стабильности разряда. Это достигается тем, что на рабочую поверхность анода нанесена полупроводящая пленка с удельным сопротивлением, большим, чем удельное динамическое сопротивление рабочего плазменного столба в разрядном канале, а также тем что полупроводящая пленка на рабочей поверхности анода выполнена из двуокиси магния. Увеличение стабильности выходных параметров непрерывного излучения предлагаемого газового лазера с поперечным разрядом достигается за счет увеличения стабильности разряда в рабочем канале его активнсгго элемента. 5-6 На чертеже изображена предлагаемая газоразрядная трубка, общий вид (один из вариантов). Газоразрядная трубка содержит выходные оптические узлы 1 (выходные окна или отражатели), расположенные вдоль разрядного канала 2 напротив друг друга, катод 3 и анод , на который нанесена стабилизирую щая разряд полупроводящая пленка S, выполненная, например, из двуокиси магния. Протяженные электроды (катод 3 и анод i), между которыми воз никает разряд, разделены боковыми стенками 6 разрядного канала. Благодаря нанесению на анод полу проводящей пленки, удельное сопроти ление которой больше, чем удельное динамическое сопротивление рабочего плазменного столба, осуществляется стабилизация активного разряда. Воз можность шнурования разряда здесь устраняется, так как, если в какоймомент его стационарность случайно нарушается, зарядная нейтральность разряда сразу же и восстанавливается вследствие перераспределения нос телей в активной среде вдоль рабоче поверхности анода. Кроме того, в данном устройстве в связи с наличие на аноде полупроводящей пленки не требуется включения в цепь питания активного элемента балластных сопротивлений, следовательно релаксационные электрические колебания в устройстве и возможность их появления сводятся практически к минимуму т.е. разряд еще более стабилизируется, Границы разряда в таком устройстве Могут быть ограничены для достижения еще большей стабильности ра ряда, не показанной на чертеже сет кой, на поверхность которой нанесен полупроводящая плeнka с удельной npoвoдимoctью, меньшей удельной дин мической проводимости охватывающего ее газового разряда. Сетка располагается между анодом и катодом. Оболочкой активного элемента газового лазера могут быть при определенном конструктивном сочетании анод, като и разделяющие их стенки разрядного канала. Возможно и самостоятельное конструктивное выполнение оболочки, поэтому на чертеже не показана, При применении в данном устройстве макального катода оно пригодно как для активных элементов тлеющего разряда, так и дугового разряда. При использовании холодного катода оно применимо для активных элементов тлеющего разряда, причем для поддержания стационарности этого разряда необходимо демпфировать случайные колебания плотности тока и на поверхности катода, этого вдоль рабочей поверхности катода необходимо создать (в зависимости от конструкции) одну или несколько зон, обладающих несколько большим сопротивлением распространению газового разряда, чем его растекание по этой поверхности, для того, чтобы не вся поверхность катода была бы покрыта разрядом, т.е. чтобы разряд не концентрировался На отдельных участках катода. Эти зоны могут бытьобразованы, например, при снабжении катода диэлектрическими экранами или при выполнении рабочей поверхности катода в виде гофры. При этом оптимальную конструкцию катодного узла надежнее всего определять эксперимен- , тально методом моделирования. Устройство применимо также и для газовых лазеров с СВЧ закачкой. Предложенная конструкция газоразрядной трубки непрерывного действия с поперечным разрядом на постоянном токе со стабильными выходными параметрами излучения открывает возможность широкого использования поперечного разряда при разработках газовых лазеров, Вследствие того, что в предложенной конструкции возможно обеспечение стабильного рабочего разряда при расположении электродов активного элемента вдоль всего разрядного канала напротив друг друга, в этом случае внутри него при температурных изменениях окружающей среды нестационарность разряда сводится к минимуму, т,е, предлагаемое устройство позволяет облегчить разработку устойчивых к климатическим воздействиям газовых лазеров. Использование поперечного разряда по сравнению с продольным позволяет снизить напряжение накачки до величины порядка десятков вольт, т.е. значительно упростить разработку и изготовление источников питания газовых лазеров, В предложенном устройстве практически отсутствует продольный дрейф

носителей, что делает такие элементы удобными для использования в кольцевых газовых лазерах. Но особенно данное устройство перспективно для создания стабильных мощных газовых лазеров ,

Ж

1- - . . .