ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)


RU (11) 2107366 (13) C1

(51) 6 H01S3/097 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 96106409/25 
(22) Дата подачи заявки: 1996.04.01 
(45) Опубликовано: 1998.03.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: S.K.Nikumb et al. EEE J. Quantum Electron, 1989, p.25, N 7, 1725 - 1735. SU, авторское свидетельство, 713468, H 01 S 3/09, 1981. 
(71) Заявитель(и): Институт электрофизики Уральского отделения РАН 
(72) Автор(ы): Осипов В.В.; Иванов М.Г.; Мехряков В.Н. 
(73) Патентообладатель(и): Институт электрофизики Уральского отделения РАН 

(54) ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ) 

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия. Сущность: в трехэлектродной схеме комбинированного возбуждения один основной электрод подключен к обкладке накопительного конденсатора самостоятельного разряда через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод подключен к обкладке второго накопительного конденсатора самостоятельного разряда через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке. Возможно также, что промежуточный электрод подключается через индуктивность к средней точке основного накопителя, собранного из двух последовательно соединенных конденсаторных блоков, и к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к дополнительному источнику питания и коммутатору, у которого второй вывод заземлен, один основной электрод подключается к высоковольтному выводу основного накопителя и основному источнику питания через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод к второму выводу основного накопителя и заземленному выводу основного источника питания через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке. 2 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия.

Одной из наиболее сложных проблем при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров является однородное возбуждение активной среды.

В настоящее время наиболее широко распространены устройства, использующие или несамостоятельный разряд, поддерживаемый электронным пучком, (см. патент США, кл. H 01 S 3/02, 3/22, 3/09 от 25.05.1970), или самостоятельный разряд с применением секционированных электродов, каждая секция которых нагружена на балластное сопротивление, ограничивающее ток разряда, и, тем самым, предотвращающее образование искрового канала в межэлектродном объеме (патент Франции N 2389258, кл. H 01 S 3/22, от 25.04.1997).

Недостатками лазеров, в которых несамостоятельный разряд контролируется электронным пучком, являются сложность конструкции и больше габариты из-за наличия электронного ускорителя, малый срок службы в безостановочном режиме (~ 10 ч) из-за прорыва под действием электронного пучка металлической фольги, разделяющей вакуумную и газовую камеры, неоднородность накачки рабочей среды из-за большей скорость ионизации вблизи разделительной фольги.

Недостатком лазеров, использующих для накачки самостоятельный разряд, является низкий КПД из-за неоптимальных условий накачки и больших потерь энергии на балластных сопротивлениях.

Известны мощные лазеры (Hige-average power-pulsed perfomance of a multikilowatt PIE laset. Nikumb S.K., Seguin H.J.J., Seguin V.A., Willis R.J., Reshee H. W. "IEEE J. Quantum Electon", 1989, 25, N 7.1725-1735), в которых для накачки рабочей среды используется комбинированный разряд, когда между двумя электродами по одной электрической цепи зажигается кратковременный самостоятельный разряд (заменяющий электронный пучок), создающий плазмы с заданной концентрацией, а основная доля энергии вводится в газ при распаде плазмы на стадии несамостоятельного разряда по другой электрической цепи, что обеспечивает ввод энергии при оптимальных условиях. Элементом, развязывающим электрические цепи самостоятельного и несамостоятельного, является индуктивность.

Недостатком этого устройства является снижение амплитуды тока на начальной стадии несамостоятельного разряда из-за наличия в его цепи индуктивности, и, самое главное, потеря индуктивностью развязывающих свойств по мере необходимости увеличения тока несамостоятельного разряда при увеличении объема возбуждаемой среды.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроразрядный лазер являющийся, прототипом (авт. св. N 713468, кл. H 01 S 3/09, опублик. в БИ N 10 за 1981, с. 289.), с комбинированной системой возбуждения. Устройство содержит два основных электрода, подключенных к системам предыонизации накопителям энергии самостоятельных разрядов, основу накопителю, питающему несамостоятельный разряд, и промежуточный электрод в виде сетки или пластины, подключенный к системе предыонизации и через коммутатор к накопителям энергии самостоятельных разрядов. В исходном состоянии эти накопители заряжены до направления, превышающего пробивное напряжение газового промежутка. После включения коммутатора напряжение от накопителей энергии самостоятельного разряда подается на промежуточный электрод, и в обоих промежутках зажигаются самостоятельные разряды, создающие в межэлектродных объемах плазму с заданной концентрацией электронов. После разрядки накопителей разряд переходит в несамостоятельную стадию и энергия в газ поступает из основного накопителя при оптимальной для накачки лазера напряженности электрического поля. При снижении тока несамостоятельного разряда до заданного уровня в промежутках снова зажигаются самостоятельные разряды и процесс повторяется.

Недостаток данного устройства заключается в том, что процессе горения самостоятельных разрядов в промежутках анод - промежуточный электрод, катод - промежуточный электрод напряжение от основного накопителя, постоянно приложенное к электродам анод - промежуточный электрод - катод, в одном промежутке складывается, а в другом вычитается из напряжения, подаваемого на промежуточный и основные электроды для зажигания самостоятельного разряда. Таким образом, при различной напряженности поля в двух промежутках создается изначально различная концентрация электродов, и на стадии несамостоятельного разряда происходит перераспределение напряжения, что приводит к пробою того промежутка, на котором выпала большая напряженность поля. Данный недостаток можно было бы устранить, выравнивания напряженности поля путем изменения межэлектродного расстояния. Но так как потенциал промежуточного электрода в процессе горения самостоятельных разрядов и разрядки накопителей непрерывно меняется, то невозможно обеспечить равенство полей длительное время и, следовательно, создание в этих промежутках плазмы с одинаковой концентрацией электронов. Кроме того, при разных давлениях, составах рабочей смеси и режим накачки для достижения максимальной мощности необходимо разное напряжение горения несамостоятельного разряда, что в данной схеме невозможно и, следовательно, ведет к снижению предельных энерговкладов.

Другим существенным недостатком устройства является постоянство по направлению потока газа межэлектродного расстояния. В этом случае поперечный потоку слой рабочей газовой среды по мере пролета через разрядную зону будет нагреваться, концентрация частиц в этом слое будет снижаться, а при наличии в рабочей среде слоев газа, параллельных направлению протекания тока, с различной концентрацией частиц и, соответственно, различным отношением напряженности электрического поля к числу частиц в единице объема, большая плотность тока придется на слои газа с меньшей концентрацией. Таким образом, из-за развития неустойчивостей в слоях с пониженной концентрацией частиц, уменьшается предельная энергия, рассеиваемая в газе, и ухудшается однородность накачки газовой смеси.

Кроме того, использование в качестве промежуточного электрода сетки или пластины приводит к необходимости повторного возбуждения уже ионизированной плазмы (иначе генерация будет осуществляться только в импульсном режиме), и созданию между основными электродами слоев газа с разной степенью ионизации. Что опять же приводит к возникновению неустойчивостей в слоях с повышенной ионизацией и ограничения предельной энергии, рассеиваемой в газе а также ухудшению однородности накачки газовой смеси.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. увеличение мощности, рассеиваемой в газе (и, следовательно, мощности излучения), однородности накачки среды, а также упрощение установки промежуточного электрода.

Указанная цель достигается, если лазер содержит два основных электрода, подключенных к обкладкам накопительных конденсаторов, основному накопителю и основному источнику питания, и промежуточный электрод, подсоединенный к накопительным конденсаторам систем предыонизации и через коммутатор к противоположным обкладкам обоих накопительных конденсаторов и дополнительному источнику питания, и где один основной электрод подключен к обкладке накопительного конденсатора через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод подключен к обкладке второго накопительного конденсатора через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке.

Указанная цель так же достигается, если лазер содержит два основных электрода, подключенных к основному накопителю, и промежуточный электрод, подключенный к накопительным конденсаторам систем предыонизации и через индуктивность к средней точке основного накопителя, собранного из двух последовательно соединенных конденсаторных блоков, и к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к дополнительному источнику питания и коммутатору, у которого второй вывод заземлен, что при использовании тиратрона в качестве коммутатора дает возможность включить тиратрон по более надежной схеме, когда катод и один из выводов нити подогрева заземлены), и где один основной электрод подключен к высоковольтному выводу основного накопителя и основному источнику питания через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод подключен к второму выводу основного накопителя и заземленному выводу основного источника питания через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке.

Электрическую мощность, рассеиваемую в газе, можно дополнительно повысить, если расстояние между основными электродами, поперек которых осуществляется прокачка газа через разрядный объем, после достижения потоком газа зоны генерации увеличено настолько, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц в единице объема газа оставалось неизменным, а промежуточный электрод выполнен в виде трубки или стержня и установлен посередине между двумя основными электродами на входе потока газа в разрядную зону, диаметр промежуточного электрода выбирается из условия однократного возбуждения одного и того же объема газа:

d v/, ,

где

d - диаметр электрода

v - скорость потока газа,

- частота следования импульсов самостоятельного разряда.

Отличительным признаками в таких решениях являются:

- подключение одного основного электрода к обкладке накопительного конденсатора через первичную обмотку импульсного трансформатора, а второго основного электрода к обкладке второго накопительного конденсатора через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равняется числу витков в первичной обмотке;

- подключение промежуточного электрода через индуктивность к средней точке основного накопителя, собранного из двух последовательно соединенных конденсаторных блоков, и к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к дополнительному источнику питания и к выводу коммутатора, второй вывод которого заземлен; подключение первого основного электрода к выводу основного накопителя и основному источнику питания через первичную обмотку импульсного трансформатора, а второго основного электрода к второму выводу основного накопителя и заземленному выводу основного источника питания через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке;

- расстояние между основными электродами, поперек которых осуществляется прокачка газа через разрядный объем после достижения потоком газа зоны генерации, увеличено настолько, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц в единице объема газа оставалось неизменным, а промежуточный электрод выполнен в виде трубки или стержня и установлен посередине между двумя основными электродами на входе потока газа в разрядную зону.

Технический результат обусловлен тем, что в процессе зажигания самостоятельных разрядов в промежутках анод - промежуточный электрод, катод - промежуточный электрод электрическое поле накопителя энергии несамостоятельного разряда, постоянно приложенное к электродам анод - катод, в одном промежутке складывается, а в другом вычитается из поля самостоятельного разряда. Таким образом, при различной напряженности электрического поля в двух промежутках разряд зажигается только том, в котором напряженность больше. Ток разряда проходит через одну из обмоток импульсного трансформатора так, что в другой обмотке наводится ЭДС, которая дополнительно прикладывается к невозбужденному промежутку. Напряженность поля в невозбужденном промежутке будет возрастать до тех пор пока в нем не загорится разряд и электрические поля в обоих промежутках не уравняются. Следовательно, такой подход позволяет вне зависимости от разницы межэлектродного расстояния создать между электродами плазму с одинаковой концентрацией электронов. Импульсный трансформатор намотан коаксиальным кабелем на кольцевом ферритовом сердечнике со встречным включением обмоток и не вносит индуктивное сопротивление в протекание тока самостоятельного разряда, так как магнитное поле в трансформаторе при встречном направлении протекания токов через первичную и вторичную обмотки практически равно нулю.

Во время самостоятельного разряда между электродами создается плазма с одинаковой концентрацией электронов (по п.1), с тем отличием, что во время несамостоятельного разряда ток от основного накопителя протекает через импульсный трансформатор. В этом случае токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора, направлены в одну сторону, но в таком режиме происходит насыщение магнитопровода трансформатора и его индуктивное сопротивление также практически равно нулю.

В начальной стадии протекания тока несамостоятельного разряда основная доля энергии идет на возбуждение верхнего лазерного уровня, температура и концентрация частиц газа изменяются незначительно. Этим (так как смесь прокачивается через разрядный промежуток) обусловлено наличие на основных электродах параллельно участка. После достижения потоком зоны генерации происходит передача энергии с нижнего лазерного уровня в тепловую энергию, рабочая смесь быстро нагревается, понижается концентрация частиц газа в промежутке, поэтому параллельный участок основных электродов переходит в линейно расширяющийся таким образом, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц газа в единице объема на всем протяжении разрядно зоны оставалось неизменным. Тогда плотность тока через любые участки разрядной зоны будет одинакова, что затрудняет развитие неустойчивостей, ограничивающих предельную энергию, вводимую в разряд. Диаметр промежуточного электрода выбирается из условия однократного возбуждения одного объема газа: d v/, , таким образом, чтобы обеспечить однородное распределение однократно ионизированной плазмы по всему межэлектродному промежутку. Такой подход позволяет повысить максимальную мощность; введенную в газ, и однородность плазмы разряда.

На фиг.1 приведена блок-схема электроразрядного лазера с импульсным трансформатором, включенным в цепь самостоятельного разряда; на фиг.2 приведена блок-схема электроразрядного лазера с импульсным трансформатором, включенным в цепь самостоятельного и несамостоятельного разрядов; на фиг.3 приведено поперечное сечение разрядной камеры с прокачкой газа поперек профилированных электродов.

На фиг.1 показана блок-схема электроразрядного лазера, в котором основной потенциальный электрод 1 подключен к обкладке основного накопителя 9 и источнику питания 12, обкладке накопительного конденсатора 8 через первичную обмотку импульсного трансформатора 6. Основной заземленный электрод 2 подключен к второй обкладке основного накопителя 9 и заземленному выводу источника питания 12, к обкладке накопительного конденсатора 7 и выходу источника питания 11 через вторичную обмотку импульсного трансформатора 6, число витков в которой равняется числу витков в первичной обмотке. Промежуточный электрод 3 подключен к обкладкам конденсаторов 5 (вторые обкладки которых подключен к электродам системы предварительной ионизации 4) и к коммутатору 10, второй вывод которого подключен к соединенным между собой обкладкам накопительных конденсаторов 7, и потенциальному выводу источника питания 11. Импульсный трансформатор 6 намотан коаксиальным кабелем, на кольцевом ферритовом сердечнике и подключен таким образом, чтобы токи, протекающие через электродные промежутки 1-3 и 2-3, были направлены в обмотках трансформатора в противоположные стороны.

На фиг.2 показана блок-схема электроразрядного лазера, в котором промежуточный электрод 3 подключен через индуктивность 13 к средней точке основного накопителя, собранного из двух последовательно соединенных конденсаторных блоков 8 и 9, а также к обкладкам конденсаторов 5 (вторые обкладки которых подключены к электродам системы предварительной ионизации) и к обкладке накопителя 7, вторая обкладка которого подключена к дополнительному источнику питания 11 и к выводу коммутатора 10, второй вывод которого заземлен. Основной потенциальный электрод 1 подключен к обкладке основного накопителя 8-9 и потенциальному выводу основного источника питания 12 через первичную обмотку импульсного трансформатора 6. Основной электрод 2 подключен к заземленным обкладке основного накопителя 8-9 и выводу основного источника питания 12 через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора 6, число витков в которой равняется числу витков в первичной обмотке. Импульсный трансформатор 6 намотан коаксиальным кабелем на кольцевом ферритовом сердечнике и подключен таким образом, чтобы токи, протекающие через электродные промежутки 1-3 и 2-3, были направлены в обмотках трансформатора в противоположные стороны.

На фиг. 3 изображено поперечное сечение разрядной камеры 7 с системой профилированных электродов 1-3-2, поперек которых осуществляется прокачка газовой смеси. Основные электроды 1, 2 выполнены так, что поперечное газовому потоку сечение разрядной зоны после достижения потоком зоны генерации расширяется в такой степени, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц в единице объема оставалось измененным. Промежуточный электрод 3 выполнен в виде трубки или стержня и установлен посередине между основными электродами 1-2 на входе потока газа в разрядную зону 6. Диаметр промежуточного электрода 3 выбирается из условия однократного возбуждения одного и того же объема газа: d v/. .

Электронная часть электроразрядного лазера может быть собрана по схеме, приведенной на фиг.1 или 3. В таком случае электродная система (фиг.3) подключена в точке а к обкладке основного накопителя 9 и потенциальному выходу основного источника питания 12 (фиг.1), в точке б - к заземленным обкладке основного накопителя 9 и выходу источника питания 12 (фиг.1), в точке в - к коммутатору 10 фиг.1).

Устройство, приведенное на фиг.1, работает следующим образом.

В исходном состоянии батарея конденсаторов 9 заряжена от основного источника питания 12 до напряжения U1. Конденсатор 8 заряжен от вспомогательного источника питания 11 до напряжения U2 по цепи: источник 11 - конденсатор 8 - первичная обмотка трансформатора 6 - батарея конденсаторов 9 - вторичная обмотка трансформатора 6. Конденсатор 7 заряжен от вспомогательного источника питания 11 до напряжения U2 по цепи: источник 11 - конденсатор 7. Поскольку емкость конденсаторов 7 и 8 много меньше емкости конденсаторной батареи 9, а U2 >> U1, то напряжение на конденсаторе 8 практически равно напряжению на конденсаторе 7. Конденсаторы 5 не заряжены. После подачи импульса управления на коммутатор 10, он открывается и напряжение U2 передается на промежуточный электрод 3 и через конденсаторы на подсветочные электроды 4. На фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в промежутках 4-1 и 4-2, производящий предварительную ионизацию рабочей среды между электродами 1-3 и 3-2, и конденсаторы 5 заряжается. Так как к электродам 1-2 приложено напряжение U1 от конденсаторной батареи 9, напряженности электрических полей в промежутках 1-3 и 3-2 различны и при достижении пробивного напряжения в промежутке с большей напряженностью электрического поля 1-3 или 3-2 (в зависимости от полярности включения U1 и U2) возбуждается разряд. Ток разряда конденсатора 7 или 8 проходит через одну из обмоток импульсного трансформатора 6 так, что в другой обмотке наводится ЭДС, которая дополнительно прикладывается к невозбужденному промежутку (3-2 или 1-3). Таким образом напряженность поля в невозбужденном промежутке будет возрастать до тех пор, пока в нем не загорится разряд и электрические поля в обеих промежутках не уравняются. Следовательно, между электродами 1-3 и 3-2 зависимости от разницы межэлектродного расстояния возникают разряды с одинаковой концентрацией электронов. Конденсаторы 5 при этом разряжаются через плазму, созданную в промежутках 4-2-3 и 4-1-3.

Импульсный трансформатор 6 намотан коаксиальным кабелем со встречным включением обмоток и не вносит индуктивное сопротивление в протекание тока самостоятельного разряда от накопителей 7 и 8, так как магнитное поле в трансформаторе при встречном направлении протекания токов через первичную и вторичную обмотки практически равно нулю. Плазма, созданная на стадии самостоятельного разряда проводит ток от основного накопителя 9, которым производится накачка рабочей среды лазера. Поскольку при оптимальном, с точки зрения накачки лазера, напряжении U1, воздействующем на плазму, ионизация среды не восполняет убыль заряженных частицу вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда восполнением зарядоносителей осуществляется подачей импульсного напряжения амплитудой U1 при очередном включении коммутатора 10. При этом указанный процесс повторяется.

Устройство, приведенное на фиг.2, работает следующим образом.

В исходном состоянии батарея конденсаторов 8-9 заряжена от основного источника питания 12 до напряжения U1. Конденсатор 7 заряжен от вспомогательного источника питания 11 до напряжения U2 по цепи: источник 11 - конденсатор 8 - индуктивность 13 - батарея конденсаторов 8 и конденсаторов 9 - источник 12 (так как емкость конденсаторной батареи 8-9 много больше емкости конденсатора 7). Конденсаторы 5 не заряжены. После подачи импульса управления на коммутатор 10 он открывается и напряжение U2 передается на заземленную общую точку схемы. При этом, промежуточный электрод 3 оказывается под потенциалом - U2 относительно основных электродов 1 и 2. На фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в промежутках 4-1 и 4-2, производящий предварительную ионизацию рабочей среды между электродами 1-3 и 3-2, и конденсаторы 5 заряжаются. Так как к электродам 1-2 приложено напряжение U1 от конденсаторной батареи 8-9, напряженности электрических полей в промежутках 1-3 и 3-2 различны, и при достижении пробивного напряжения в промежутке с большей напряженностью электрического поля 1-3 или 3-2 (в зависимости от полярности включения U1 и U2) возбуждается разряд. Ток разряда конденсатора 7 происходит через одну из обмоток импульсного трансформатора 6 так, что в другой обмотке наводится ЭДС, которая дополнительно прикладывается к невозбужденному промежутку (3-2 или 1-3). Таким образом, напряженность поля в невозбужденном промежутке будет возрастать до тех пор, пока в нем не загорится разряд и электрические поля в обоих промежутках не уравняются. Следовательно, между электродами 1-3 и 3-2 вне зависимости от разницы межэлектродного расстояния возникают разряды с одинаковой концентрацией электронов. Конденсаторы 5 при этом разряжаются через плазму, созданную в промежутках 4-2-3 и 4-1-3. Плазма, созданная на стадии самостоятельного разряда, проводит ток от основного накопителя 8-9, которым производится накачка рабочей среды лазера. Импульсный трансформатор 6 намотан коаксиальным кабелем на кольцевом ферритовом сердечнике со встречным включением обмоток и не вносит индуктивное сопротивление в протекание тока самостоятельного разряда от накопителя 7, так как магнитное поле в трансформаторе при встречном направлении протекания токов через первичную и вторичную обмотки практически равно нулю. Во время протекания тока от основного накопителя 8-9, т.е. во время несамостоятельного разряда, токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках импульсного трансформатора 6, направлены в одну сторону, но в этом режиме происходит насыщение магнитопровода трансформатора и его индуктивное сопротивление также практически равно нулю. Поскольку при оптимальном, с точки зрения накачки лазера, напряжении U1, воздействующем на плазму, ионизация среды не восполняет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда восполнения зарядоносителей осуществляется подачей импульсного напряжения амплитудой U1 при очередном включении коммутатора 10. При этом указанный процесс повторяется.

Электроразрядный лазер (п.1, 2) с разрядной камерой, приведенной на фиг. 3, работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсаторы 5 не заряжены. При приходе высоковольтного импульса на промежуточный электрод 3 и через конденсаторы на подсветочные электроды 4, на фронте этого импульса зажигается вспомогательный разряд в промежутках 4-1 и 4-2, производящий предварительную ионизацию рабочей среды между электродами 1-3 и 3-2, конденсаторы 5 заряжаются. При достижении пробивного напряжения в промежутках 1-3 и 3-2 в них зажигаются самостоятельные разряды. Конденсаторы 5 при этом разряжаются через плазму, созданную в промежутках 4-2-3 и 4-1-3. Плазма, созданная разрядами между электродами 1-3, 2-3 и смещающаяся потоком газа вдоль электродов 1-2, приводит ток от основного накопителя 9 (фиг.1), которым производится накачка рабочей среды лазера. В начальной стадии протекания тока несамостоятельного разряда основная доля энергии идет на возбуждение верхнего лазерного уровня, температура и концентрация частиц рабочей среды изменяются незначительно. Эти (так как смесь прокачивается через разрядный промежуток) обусловлено наличие на электродах 1, 2 параллельного участка. После достижения потоком зоны генерации происходит передача энергии с нижнего лазерного уровня в тепловую энергию, рабочая смесь быстро нагревается, понижается концентрация частиц газа в промежутке, что при постоянной напряженности электрического поля приводило бы к неограниченному возрастанию отношения величины электрического поля к концентрации частиц газа в разрядном объеме и, следовательно, к снижению однородности накачки рабочей смеси, предельной мощности, введенной в газ, КПД. Для устранения этого после достижения зоны генерации параллельный участок электродов 1-2 переходит в линейно-расширяющийся таким образом, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц в единице объема газа на всем протяжении разрядной зоны оставалось неизменным.

Поскольку при оптимальном, с точки зрения накачки лазера, напряжении U1, воздействующем на плазму, ионизация среды не восполняет убыль заряженных частиц вследствие рекомбинации, ток уменьшается. Поддержание разряда восполнением зарядоносителей осуществляется подачей импульсного напряжения амплитудой U1 при очередном включении коммутатора 10 (фиг.1). При этом указанный процесс повторяется. Частота повторения импульсов самостоятельного разряда в промежутках 1-3 и 2-3 (фиг.3) и диаметр промежуточного электрода 3 выбираются из условия однократного возбуждения одного объема газа d v/, , таким образом, чтобы обеспечить однородное распределение плазмы по всему межэлектродном промежутку 1-2.

Работоспособность предлагаемого устройства приведена на примере CO2-лазера с объемом активной среды 4,5 х 2 х 80 см (с межэлектродными расстояниями по 2,25 см), заполненным рабочей смесью газов, в которой содержалось 2 мм рт.ст. CO2, 14 мм рт.ст. N2 44 мм рт.ст. He. В качестве коммутатора 10 (фиг. 1) использовался тиратрон ТГИ1-1000/25. Для обеспечения предварительной ионизации рабочей среды использовались два ряда вспомогательных острийных электродов 4, установленных на расстоянии 5 мм до основных электродов 1, 2 по потоку газа. Расстояние между остриями 1 см. Суммарная емкость конденсаторов 5 подсветки составляла 1,5 нФ. Емкость конденсаторов 7 и 8 по 1 нФ, зарядное напряжение U2 - 12 кВ. Емкость конденсаторной батареи 9 составляла 4 мкФ, зарядное напряжение U1 = 2 кВ. Таким образом, на электроды 1-2 было подано постоянное напряжение 2 кВ, после срабатывания тиратрона на электроды 1-3 и 2-3 подавались импульсы напряжения амплитудой порядка 6 кВ с отрицательным потенциалом среднего электрода 3 относительно основных электродов 1 и 2. Импульсный трансформатор 6 намотан двадцатью витками коаксиального кабеля на кольцевом феррите 10 х 6 х 1,5 см. В качестве первичной обмотки использована средняя жила коаксиального кабеля, в качестве вторичной - оплетки коаксиального кабеля. Импульсы самостоятельного разряда подавались в пакетном режиме по 3 импульса в пакете через 100 мкс каждый, частота следования пакетов 900 Гц.

В таких условиях зарегистрирована удельная мощность, введенная в газ за время пакета импульсов, 20 Вт/см3 или средняя удельная мощность 7,5 Вт/см3. Это подтверждает положительный эффект заявляемого устройства.

Проведенные расчеты показывают, что при использовании электродной системы, приведенной на фиг.3, в данных условиях длина параллельного участка электродов 1 и 2 должна составлять порядка 1 см, а угол наклона расширяющегося части относительно параллельного участка порядка 20o. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Электроразрядный лазер, содержащий газовую кювету с разрядной камерой и устройством для прокачки газа, два основных электрода, подключенных к обкладкам накопительных конденсаторов, основному накопителю и основному источнику питания, и промежуточный электрод, подсоединенный к накопительным конденсаторам систем предыонизации и через коммутатор к противоположным обкладкам обоих накопительных конденсаторов и дополнительному источнику питания, отличающийся тем, что один основной электрод подключен к обкладке накопительного конденсатора через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод подключен к обкладке второго накопительного конденсатора через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке.

2. Электроразрядный лазер, содержащий газовую кювету с разрядной камерой и устройством для прокачки газа, два основных электрода, подключенных к основному накопителю, и промежуточный электрод, подключенный к накопительным конденсаторам систем предыонизации, отличающийся тем, что промежуточный электрод подключен через индуктивность к средней точке основного накопителя, собранного из двух последовательно соединенных конденсаторных блоков, и к обкладке накопительного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к дополнительному источнику питания и коммутатору, у которого второй вывод заземлен, один основной электрод подключен к высоковольтному выводу основного накопителя и основному источнику питания через первичную обмотку импульсного трансформатора, а другой основной электрод подключен ко второму выводу основного накопителя и заземленному выводу основного источника питания через вторичную обмотку этого же импульсного трансформатора, число витков в которой равно числу витков в первичной обмотке.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что расстояние между основными электродами, поперек которых осуществляется прокачка газа через разрядный объем, после достижения потоком газа зоны генерации увеличено настолько, чтобы отношение величины электрического поля к числу частиц в единице объема газа оставалось неизменным, а промежуточный электрод выполнен в виде трубки или стержня и установлен посередине между двумя основными электродами на входе потока газа в разрядную зону, диаметр промежуточного электрода выбирается из условия однократного возбуждения одного и того же объема газа:

d = v/,

где d - диаметр электрода;

v - скорость потока газа;

- частота следования импульсов самостоятельного разряда.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru