КОМПАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР И УСТРОЙСТВО МАГНИТНОГО СЖАТИЯ ИМПУЛЬСА ДЛЯ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

КОМПАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР И УСТРОЙСТВО МАГНИТНОГО СЖАТИЯ ИМПУЛЬСА ДЛЯ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ


RU (11) 2254650 (13) C1

(51) 7 H01S3/0975, H03K3/53 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

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

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2004102329/28 
(22) Дата подачи заявки: 2004.01.27 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.01.27 
(45) Опубликовано: 2005.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 4189687 A, 19.02.1980. GB 2204728 A, 16.11.1988. US 5177754 A, 05.01.1993. DE 4019822 A, 10.01.1991. SU 1277358 A, 15.12.1986. RU 2089042 C1, 27.08.1997. 
(72) Автор(ы): Салмин В.В. (RU); Проворов А.С. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU) 
Адрес для переписки: 660041, г.Красноярск, пр. Свободный, 79, Красноярский государственный университет, отдел интеллектуальной собственности 

(54) КОМПАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР И УСТРОЙСТВО МАГНИТНОГО СЖАТИЯ ИМПУЛЬСА ДЛЯ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Изобретение может использоваться в конструкциях импульсных газовых лазеров, возбуждаемых быстрым продольным разрядом, например, в лазерах на второй положительной системе полос молекулярного азота. Лазер содержит коаксиальную секционированную разрядную ячейку, образующую малоиндуктивную электрическую передающую линию с подключенной к центральному электроду формирующей импульс цепью, и тиратрон, помещенный в проводящий кожух, являющийся частью общей малоиндуктивной электрической передающей линии. Формирующая импульс цепь выполнена в виде устройства магнитного сжатия импульса, содержит насыщающие дроссели, имеющие индуктивно-емкостную связь с разрядной трубкой, которая установлена в устройстве магнитного сжатия. Лазер содержит коаксиальную секционированную разрядную ячейку с газовым промежутком между обкладками. Отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки. Балластные емкости из листовой стали расположены коаксиально по отношению к разрядной ячейке и симметрично по отношению к устройству магнитного сжатия импульса. Устройство магнитного сжатия импульса имеет параллельную схему включения электрических линий магнитного сжатия. Каждая линия использует дополнительный насыщающийся дроссель в первом звене. К корпусу подключены параллельно ограничивающий насыщающийся дроссель и обострительный конденсатор. Изобретение обеспечивает увеличение ресурса работы в отпаянном режиме, повышение частоты повторения без использования принудительного охлаждения, увеличение удельной импульсной мощности, снижение электромагнитных помех. 2 н.п. ф-лы, 2 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области газовых лазеров и может использоваться в конструкциях импульсных газовых лазеров, возбуждаемых быстрым продольным разрядом, например, в лазерах на второй положительной системе полос молекулярного азота (азотных лазерах).

Известна конструкция импульсного газового лазера с коаксиальной разрядной ячейкой [Пат. 3,458,830 США, М.кл. H 01 S 3/22, Transmission Line Gas Laser/M.Geller, D.E.Altman, 1969], где формирование импульса тока осуществляется за счет разрядки длинной линии, выполненной из коаксиального кабеля, с помощью разрядника. Однако применение разрядника приводит к ограничению по частоте повторения импульсов, как правило, не более 100 Гц и ограничивает ресурс работы лазера - не более 107 импульсов.

Известна конструкция продольно возбуждаемого компактного газового лазера с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой, образующей малоиндуктивную электрическую передающую линию с подключенной к центральному электроду формирующей цепью, выполненной на малоиндуктивных конденсаторах и использующей в качестве ключа газонаполненный водородный тиратрон, помещенный в проводящий кожух, выполняющий роль части общей малоиндуктивной электрической передающей линии [Пат. 4,189,687 США, М.кл. H 01 S 3/02, Compact laser construction/I.Weider, R.H.Breedlove, 1980 (прототип)].

Известно устройство магнитного сжатия импульса, предназначенное для возбуждения импульсных газовых лазеров, в частности азотного лазера [Проворов А.С., Салмин В.В. "Компактный N2-лазер с магнитным сжатием/"Квантовая электроника", т.20, № 6, с.608-610, 1993 (прототип)], имеющее три звена магнитного сжатия, с насыщающимися дросселями, выполненными на ферритовых кольцах и конденсаторах. Устройство выполняет одновременно роль накопителя энергии, и формирует выходной импульс за счет последовательной разрядки конденсаторов звеньев цепи через тиратрон. Для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено использует дифференцирующую цепочку с проходным конденсатором.

Недостатками вышеприведенного продольно возбуждаемого компактного газового лазера с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой являются:

формирование коаксиальной разрядной ячейки с помощью расположенной на непосредственно внешней поверхности разрядной трубки обкладки приводит к тому, что малый промежуток между внутренним и внешним диаметрами трубки, который целесообразно сохранить для эффективного отведения тепла из разряда, приводит к ограничению на максимальное прикладываемое напряжение, поскольку может произойти электрический пробой стенки трубки, что соответственно также ограничивает величину максимально допустимой энергии, которую можно вложить в разряд, а малая разница между внешним и внутренним диаметрами коаксиальной линии приводит к увеличению емкости линии, что приводит к дополнительной нагрузке на генератор импульсного напряжения, а также формированию за счет большого тока смещения разряда емкостного типа, называемого в литературе как «барьерный» или «тихий разряд».

Асимметрия внешней обкладки, оставляющей не экранированной часть разрядной ячейки, приводит к высоким электромагнитным шумам, создаваемым быстрым сильноточным продольным разрядом в окружающем пространстве. 

Использование анодных электродов с внутренним диаметром, сравнимым с диаметром канала или разрядной ячейки, и малой длины приводит к тому, что при импульсном разряде не происходит эффективного тушения ударной волны, возникающей в канале, что может привести к эрозии на поверхности зеркал, малая площадь внутренней поверхности электрода и непосредственная их близость к области разряда с высокой плотностью тока приводит к образованию на поверхности электрода анодных пятен во время разряда, из которых происходит эффективный выброс материала электрода в рабочий газ и существенно сокращает ресурс работы лазера в отпаянном режиме.

Использование буферной емкости, вынесенной за пределы разрядной ячейки, приводит к ограничению скорости обмена газа, неэффективно используется объем конструкции.

Использование схемы формирования импульса только с одним проходным конденсатором приводит к тому, что снижается эффективность возбуждения лазера.

Использование диода или резистора для зарядки накопительной емкости приводит к нежелательному протеканию тока через разряд в конечной стадии разрядки накопительной емкости, когда произошел существенный спад напряжения, дальнейшее протекание тока не идет на эффективное возбуждение лазерной среды, а только нагревает газ, в свою очередь это обстоятельство приводит к ограничению частоты повторения импульсов и к снижению общего ресурса работы лазера в отпаянном режиме.

Недостатки устройства магнитного сжатия импульса заключаются в следующем:

- первый каскад устройства представлен емкостью, которая непосредственно разряжается через тиратрон, что приводит к выделению активной мощности на самом тиратроне и соответственно может сократить ресурс его работы,

- увеличение энергии импульса, за счет увеличения значений емкостей в каскадах устройства приводит к увеличению длительности выходного импульса,

- время зарядки обострительного конденсатора зависит от времени пробоя в выходной нагрузке, и не всегда конденсатор успевает зарядится до амплитудного значения выходного напряжения,

- обострительный конденсатор полностью разряжается через нагрузку на всей стадии спада напряжения, что приводит к нежелательному перегреву лазерной ячейки.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик компактного импульсного газового лазера с тиратроном, а именно увеличение ресурса работы в отпаянном режиме, повышение частоты повторения без использования принудительного охлаждения, увеличение удельной импульсной мощности, снижение электромагнитных помех.

Технический результат достигается тем, что в компактном импульсном газовом лазере, содержащем коаксиальную секционированную разрядную ячейку, содержащую разрядную трубку, подключенную центральным электродом к формирующей импульс цепи, и тиратрон, подключенный анодом к формирующей импульс цепи и источнику высокого напряжения и помещенный в проводящий кожух, причем кожух является частью общей малоиндуктивной электрической цепи и соединен с катодом тиратрона, новым является то, что формирующая импульс цепь выполнена в виде устройства магнитного сжатия импульса, содержит насыщающиеся дроссели, имеющие индуктивно-емкостную связь с разрядной трубкой, разрядная трубка вставлена в устройство магнитного сжатия импульса, лазер имеет коаксиальную секционированную разрядную ячейку с газовым промежутком между разрядной трубкой и анодной трубкой, причем отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки и 2 балластные емкости из листовой стали, расположенные коаксиально по отношению к разрядной трубке и симметрично по отношению к устройству магнитного сжатия импульса, балластные емкости герметично установлены на корпусе устройства магнитного сжатия импульса, тиратрон расположен с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия и подключен анодом к входному звену устройства магнитного сжатия импульса.

И технический результат достигается тем, что в устройстве магнитного сжатия импульса, содержащем электрическую длинную линию, состоящую из последовательно подключенных звеньев, каждое из которых состоит из насыщающего дросселя с ферритовым кольцеобразным сердечником и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора, для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено соединено с разделительным конденсатором, новым является то, что имеет параллельную схему включения линий магнитного сжатия, при этом число линий четное и каждая линия магнитного сжатия использует дополнительный насыщающий дроссель в первом звене, к корпусу устройства магнитного сжатия импульса подключены параллельно ограничивающий насыщающий дроссель и обострительный конденсатор. 

Таким образом, в заявляемый компактный импульсный газовый лазер с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой введены новые элементы:

- устройство магнитного сжатия импульса, играющее роль формирующей импульс цепи,

- коаксиальная разрядная ячейка, имеющая газовый промежуток между обкладками и

- 2 балластные емкости, выполненные из листовой стали и расположенные коаксиально с разрядной ячейкой.

Многозвенное устройство магнитного сжатия импульса с емкостной развязкой в выходной цепи, выполненное на насыщающихся дросселях с ферритовыми кольцеобразными сердечниками и малоиндуктивных высоковольтных конденсаторах, отличается параллельной схемой включения электрических длинных линий, число которых может быть произвольным, но четным с использованием дополнительного насыщающегося дросселя в первом звене, и устройство имеет ограничивающий насыщающийся дроссель, подключенный параллельно обострительному конденсатору.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, позволило выявить технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, однако при их введении в указанные связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство, вышеупомянутые блоки проявляют новые свойства:

- так функционирование устройства магнитного сжатия импульса зависит от наличия разрядной ячейки в канале устройства, в частности за счет наличия емкостной связи обмоток дросселей устройства магнитного сжатия импульса с разрядным каналом, уменьшается индуктивность дросселя в насыщенном состоянии, в свою очередь емкостная связь позволяет осуществить предыонизацию газа в разрядной ячейке в области, прилегающей к дросселю, что позволяет увеличить мощность лазерного импульса, индуктивная связь разрядного канала с дросселями обеспечивает удержание тока в выходной цепи до момента зарядки обострительного конденсатора (магнитная изоляция), и увеличение предельной скорости нарастания тока в канале после насыщения дросселей, причем автоматически обеспечивается намагничивание дросселя в направлении, обратном направлению намагничивания дросселей, в момент разрядки конденсаторов в звеньях устройства магнитного сжатия импульса, это обеспечивает удвоение величины магнитной индукции, требуемой для насыщения дросселей, и это соответственно позволяет вдвое уменьшить необходимое сечение сердечников дросселей, что соответственно улучшает отвод тепла от сердечников, либо в четыре раза увеличить емкость конденсаторов в звеньях устройства магнитного сжатия импульса при сохранении скорости нарастания выходного импульса и соответственно поднять энергию и мощность импульса генерации;

- использование коаксиальной конструкции разрядной ячейки с газонаполненным промежутком между обкладками и большим отношением диаметра внешней обкладки, выполняющей роль анода, и диаметра газоразрядного канала, позволило увеличить ресурс работы лазера в отпаянном режиме;

- использование коаксиальных балластных емкостей из листовой стали позволило снизить электромагнитные помехи, создаваемые разрядной ячейкой. 

Все это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен поперечный разрез лазера в плоскости, проходящей через оптическую ось. На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства магнитного сжатия импульса.

Лазер содержит разрядную трубку 1, тиратрон 2, устройство магнитного сжатия импульса 3 и две одинаковые балластные емкости 4. Емкости расположены симметрично от устройства магнитного сжатия импульса. Емкости в форме стакана имеют отверстие 5, расположенное на его дне. Ось отверстий в балластных емкостях впоследствии совпадает с оптической осью лазера 6. Отверстие 5 предназначено для прохода лазерного излучения до зеркал или оптических окон 7, 8. Зеркала 7, 8 приклеиваются или припаиваются герметично, соосно с отверстиями 5. Разрядная трубка 1 выполнена из трубчатого диэлектрического материала, например, из ВеО керамики, Аl 2O3 керамики, плавленого кварца, стекла. В центре трубки 1 имеет отверстие 9 до внутреннего канала. Три металлических кольца 10, 11, 12 с внутренним диаметром, равным наружному диаметру разрядной трубки 1 с небольшим положительным допуском припаяны или приклеены на разрядную трубку 1 коаксиально. Внешний диаметр колец 10, 11, 12 совпадает с диаметром канала 13 в устройстве магнитного сжатия импульса 3 с небольшим отрицательным допуском, позволяющим свободно вставить трубку 1 в канал 13 устройства магнитного сжатия импульса 3 в процессе сборки. Одно кольцо 11, выполняющее роль катода, размещается в центре трубки 1 герметично, закрывая имеющееся там отверстие 9. Два других 10, 12 располагаются симметрично относительно отверстия 9 и расстояние между ними равно размеру корпуса устройства магнитного сжатия импульса 3 вдоль оси канала 13. Длина трубки 1 выбирается таким образом, чтобы концы трубки располагались на расстоянии не менее 3 см от зеркал 7, 8. Разрядная трубка 1 вставлена в устройство магнитного сжатия импульса 3 в канал 13 так, чтобы кольцо 11 встало по центру кольца 14, являющимся коаксиальным выходным контактом устройства магнитного сжатия импульса 3. Два других кольца 10, 12 припаиваются к корпусу устройства магнитного сжатия импульса 3 по всему периметру колец 10, 12. Две металлические трубки 15 из тугоплавкого инертного по отношению к среде лазера материала. В случае азотного лазера наиболее оптимальным является применение титана либо титанового сплава с высоким процентным содержанием титана. Трубки 15 закрепляются основанием к корпусу устройства магнитного сжатия импульса коаксиально с разрядной трубкой 1. Трубки 15 выполняют роль анодов, и внешней обкладки коаксиальной разрядной ячейки. В общем случае внутренний диаметр трубки 15 определяется требуемым волновым сопротивлением. Отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки 1 больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки 1. Длина трубок 15 не больше длины балластной емкости 4 в направлении оси отверстий 5 за вычетом примерно четверти диаметра трубки 15. Балластные емкости герметично устанавливаются на корпусе устройства магнитного сжатия импульса 3, так чтобы ось отверстия 5 совпала с оптической осью лазера 6. По крайней мере одна из балластных емкостей 4 (не показано) имеет небольшое отверстие для подключения лазера к газовому посту для заполнения лазера рабочим газом. Давление и состав газа выбираются оптимальными по лазерной мощности и зависят как от необходимости получения генерации на требуемом лазерном переходе, так и от напряжения питания. После заполнения лазера рабочим газом лазер может быть отпаян от газового поста. Тиратрон 2 располагается в коаксиальном проводящем кожухе 16 с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия импульса 3, так чтобы минимизировать индуктивность между анодом тиратрона 17 и коаксиальным входом на корпусе устройства магнитного сжатия импульса 3. Ориентация оси тиратрона 2 может варьироваться, т.е. быть как перпендикулярной, так и параллельной оси лазера 6. Тип тиратрона 2 не оговаривается. Анод тиратрона 17 подключается к источнику высокого напряжения положительной полярности.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 имеет многозвенную схему. Каждое звено 18 выполнено из насыщающегося дросселя 19 и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора 20. Звенья подключены последовательно. К входному звену 18 подключен анод тиратрона 17, а к выходному звену 21 через разделительный конденсатор 22 катод разрядной ячейки 11. Цепочка звеньев образует электрическую длинную линию 23, которая располагается параллельно одной секции 24 двухсекционной разрядной ячейки. Величина емкости конденсатора в (k+1) звене в 4 раза меньше чем в k звене, где k - номер текущего звена. Тип материала сердечников дросселей, их размеры для всех звеньев равны.

Требования к материалу сердечника для устройств магнитного сжатия импульса общеизвестны. Так для обеспечения максимального коэффициента сжатия, максимальной скорости насыщения, минимальных потерь, и максимальной частоты повторения необходимо:

- Большое значение максимальной магнитной восприимчивости.

- Большое значение магнитной индукции насыщения.

- Малое значение коэрцитивной силы. 

- Прямоугольная форма предельной петли гистерезиса, что эквивалентно тому, что отношение остаточной магнитной индукции и индукции насыщения близко к единице.

- Большое значение удельного сопротивления.

Объем сердечника рассчитывается по формуле (1)



где B s - величина магнитной индукции насыщения,

Е - энергия, запасенная в конденсаторе,

g - коэффициент сжатия, 

S - значение насыщенной магнитной восприимчивости, 

0 - магнитная восприимчивость вакуума,

S а - коэффициент заполнения или отношение площади поперечного сечения сердечника к площади витка.

Вторая электрическая длинная линия 25 располагается симметрично параллельно второй секции 26 разрядной ячейки. Между катодом 11 разрядной ячейки и корпусом 27 устройства магнитного сжатия импульса 3 подключены параллельно обострительный конденсатор 28 и ограничивающий насыщающийся дроссель 29. Дроссели в длинной линии выполнены на ферритовых кольцеобразных сердечниках и располагаются с небольшим промежутком соосно друг другу и соосно с разрядной трубкой 1. Снаружи дроссели окружены общим проводящим кожухом 30 с диаметром, определяемым необходимым волновым сопротивлением разрядной ячейки, и соединенным с корпусом устройства магнитного сжатия 27. Конденсаторы 20 подключаются через отверстия в кожухе 31, и располагаются так, чтобы минимизировать индуктивность между точкой подключения и «землей». В средней части кожуха располагается кольцо 14 для подключения к катоду разрядной ячейки 11.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 может выполнятся в различных модификациях, когда количество электрических длинных линий 23, подключенных параллельно по входу и выходу располагающихся параллельно одной секции разрядной ячейки, больше одного.

В этом случае дроссели 19 из различных электрических длинных линий располагаются последовательно друг за другом, так чтобы дроссели 19 из одинаковых по счету звеньев оказались рядом. Порядок чередования дросселей 19 из различных длинных линий произвольный, но повторяющийся для каждого соответствующего звена. Соотношение диаметров разрядной трубки 1 и сердечника дросселя 19 таково, что обеспечивается минимальный зазор между наружной стенкой разрядной трубки 1 и внутренним диаметром дросселя 19.

Количество витков дросселей 19 различно для различных звеньев длинной линии 25 и рассчитывается по формуле:



где - время насыщения сердечника зависит от номера звена,

А - площадь поперечного сечения сердечника,

U(t) - напряжение на дросселе зависит от номера звена,

В - изменение магнитной индукции в течение времени насыщения.

Витки выполняются таким образом, чтобы использовать всю длину сердечника, предотвратить межвитковый пробой максимально плотно к сердечнику.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 располагается в стальном корпусе 27 и заполняется минеральным маслом для предотвращения электрического пробоя и охлаждения. Заполнение производится после установки разрядной ячейки 1 и соответствующей герметизации корпуса 27 устройства магнитного сжатия импульса 3.

Лазер работает следующим образом. При подаче высокого напряжения от высоковольтного блока питания 32 к аноду тиратрона 17 происходит зарядка устройства магнитного сжатия импульса 3 до напряжения питания. При этом происходит зарядка конденсаторов 20, 22 до напряжения питания. Зарядка сопровождается протеканием тока через дроссели 19. В следствии этого сердечники дросселей намагничиваются и после зарядки конденсаторов 20, 22 имеют остаточную намагниченность Вг. После подачи управляющего импульса на сетку тиратрона 2 от генератора управляющих импульсов 33 происходит его открытие и напряжение на входном дросселе возрастает до напряжения питания. К моменту полного открытия тиратрона 2 происходит насыщение сердечника входного дросселя, индуктивность его резко падает и конденсатор 20 в первом звене быстро разряжается. Изменение потенциала обмотки дросселя приводит к протеканию тока смещения через участок разрядной трубки 1, находящийся в непосредственном контакте с дросселем. Ток смещения формирует быстрый разряд в рабочем газе в области дросселя. В этом участке формируется начальная проводимость. Формирование разряда приводит к еще большему уменьшению индуктивности дросселя и соответственно к укорочению времени разрядки конденсатора 20. После чего напряжение на втором дросселе устанавливается равным удвоенному напряжению питания. К этому моменту происходит насыщение сердечника и конденсатор второго звена быстро разряжается на первый конденсатор. Ток смещения, возникший в следствии изменения потенциала обмотки второго дросселя предыонизует следующий участок газа в разрядной трубке 1, расположенный ближе к катоду 11. После чего напряжение на третьем дросселе устанавливается равным учетверенному напряжению питания. К этому моменту происходит насыщение сердечника и конденсатор третьего звена быстро разряжается на второй конденсатор. И так далее до разрядки последнего конденсатора 22, который обеспечивает гальваническую развязку катода разрядной ячейки и источника питания. При этом формируется импульс отрицательной полярности с амплитудой U0·2n-1, где U0 - напряжение питания, а n - число звеньев магнитного сжатия. Поскольку в последующем звене время разрядки конденсатора меньше нежели чем в предыдущем, время разрядки последнего конденсатора равно времени включения тиратрона, деленное на коэффициент сжатия на одном звене в степени n, где n - число звеньев в электрической длинной линии. Указанный импульс заряжает обострительный конденсатор 28 и формирует разряд в разрядной трубке 1. К началу выходного импульса сердечники дросселей оказываются намагничены в обратном направлении до величины индукции - Вг. Формирование разряда начинается при достижении на разрядном промежутке пробойного напряжения. Первая фаза пробоя газа начинается с возникновения ионизирующей волны градиента потенциала, фронт которой с большой скоростью движется вдоль канала трубки 1 по направлению к анодам 15. Поскольку участки газа, прилегающие к дросселям, имеют проводимость в следствии предыонизации, то волна пробоя распространяется от близлежащего к аноду входного дросселя 19. По мере распространения волны ионизации в канале разрядной трубки 1 формируется проводимость и коаксиальная линия начинает заряжаться. Для зарядки коаксиальной линии от устройства магнитного сжатия импульса 3 поступает заряд, поэтому появляется дополнительная электрическая нагрузка в выходной цепи устройства магнитного сжатия импульса. Поскольку дроссели намагничены в обратном направлении, то до их насыщения в прямом направлении рост тока на этой стадии ограничен большой индуктивностью разрядной ячейки. На этой стадии происходит зарядка обострительного конденсатора 28 до амплитудного значения. После установки первоначальной проводимости в канале разрядной трубки 1, начинается вторая фаза пробоя - ионизационное размножение. К моменту перехода ко второй стадии на выходном коаксиальном контакте 14 устройства магнитного сжатия импульса 3 напряжение достигает уровня, который позволяет сформировать необходимую для эффективного возбуждения верхнего лазерного уровня электронную температуру. После чего происходит насыщение дросселей в прямом направлении, индуктивность ячейки резко падает, в разряде происходит лавинообразное увеличение концентрации электронов, что сопровождается ростом тока, протекающего через разряд до тех пор, пока скорость нарастания тока в разряде не достигнет максимального уровня, обеспечиваемого устройством магнитного сжатия импульса 3. После этого начинается третья стадия пробоя - стадия спада напряжения на разряде за счет шунтирования разрядом устройства магнитного сжатия импульса 3. В течение этой стадии максимальна электронная плотность, и пока напряженность поля не упала ниже критического значения, определяемого электронной температурой и энергией верхнего лазерного уровня в лазерах, возбуждаемых прямым электронным ударом (например, азотном лазере), формируется основной вклад в инверсию населенностей. Дальнейшее поддержание тока в разрядной трубке 1 нецелесообразно, поскольку оно не приводит к созданию инверсии, а только нагревает газ. Поэтому очень важно иметь высокую скорость обрыва тока. Этому способствует наличие ограничивающего насыщающегося дросселя 29, параметры которого выбираются таким образом, чтобы момент насыщения наступил на этапе спада напряжения ниже критического значения. 

Энергия, запасенная на верхнем лазерном уровне, реализуется в виде энергии вынужденного электромагнитного излучения. Скорость этого процесса зависит от плотности электромагнитного излучения. Для ее увеличения в лазере используется оптический резонатор, образованный зеркалами 7, 8. По крайней мере одно из зеркал имеет коэффициент отражения на длине волны лазерной генерации, близкий к 100%, коэффициент отражения второго полупрозрачного зеркала выбирается путем максимизации выходной мощности лазерной генерации. В случае азотного лазера на второй положительной системе полос коэффициент усиления оказывается достаточно высоким для того, чтобы использовать в качестве выходного зеркала плоскопараллельную оптическую пластину из прозрачного в УФ области спектра материала, например плавленого кварца, CaF2, LiF. В случае использования устройства в качестве оптического усилителя вместо зеркал используются оптические окна, прозрачные на длине волны рабочего перехода. После испускания лазерного излучения наступает процесс релаксации энергии из возбужденных состояний в основное состояние. Релаксация энергии осуществляется при столкновении возбужденных атомов или молекул со стенками разрядной трубки 1. После прохождения мощного импульса тока, газ очень быстро нагревается, увеличивается поступательная скорость атомов или молекул газа, что способствует формированию ударной волны, распространяющейся с большой скоростью вдоль канала разрядной трубки 1 к ее концам. При выходе из канала амплитуда ударной волны быстро затухает за счет расширения в области анодов 15. Большой диаметр анода 15 по отношению к диаметру канала разрядной трубки 1 и большое расстояние от концов разрядной трубки 1 до зеркал 7, 8 дает возможность эффективно погасить ударную волну в области зеркал 7, 8, что предотвращает эрозию зеркал. При указанных расстояниях до зеркал и большом диаметре анодной трубки 15 эрозия не наблюдается после 109 импульсов разряда в лазере при давлениях газа более 5 мм рт.ст. Указанные геометрические соотношения между диаметром канала разрядной трубки 1, диаметром анода 15 позволяют также избежать бомбардировки ионами, формирующимися в плазме поверхности зеркал при рабочих давлениях свыше 5 мм рт.ст. Указанная геометрия анодных трубок 15, а также короткая длительность импульса тока, сформированного устройством магнитного сжатия импульса 3, позволяет избежать появления в процессе разряда анодных пятен и соответственно увеличивают ресурс работы лазера. В случае использования азота в качестве рабочего газа достигнут ресурс более 109 импульсов без видимого снижения мощности лазерной генерации.

Повышение давления в канале разрядной трубке 1 после разряда вследствии нагрева газа приводит также к формированию потока газа. Часть газа из канала разрядной трубки 1 выходит в область анодной трубки 15, повышая там давление, и как следствие часть газа из анодной трубки поступает в балластную емкость 4. После охлаждения канала разрядной трубки 1 процесс миграции газа в следствии разности давлений происходит в обратном направлении. Таким образом, обеспечивается эффективное обновление газа из балластных емкостей 4 в разрядной трубке 1 и пространстве анодной трубки 15. Наличие потока газа вдоль оси разрядной трубки 1 позволяет более эффективно обмениваться энергией молекулам или атомам со стенками разрядной трубки 1, что приводит к эффективной релаксации энергии возбужденных состояний в основное. Охлаждение разрядной трубки 1 происходит за счет теплопередачи между разрядной трубкой 1 и устройством магнитного сжатия импульса 3, а также за счет конвекционного охлаждения рабочим газом части разрядной трубки 1, находящейся в балластных емкостях 4. В свою очередь и корпус устройства магнитного сжатия импульса 3 и балластные емкости 4 эффективно охлаждаются за счет конвекции атмосферного воздуха, за счет большой площади и металлической поверхности. 

Наличие симметричной конструкции внешней обкладки коаксиальной разрядной ячейки с общей длиной, превышающей длину разрядной трубки, а также наличие балластных емкостей 4 и устройства магнитного сжатия импульса 3, имеющего также металлический стальной корпус, позволяет эффективно экранировать электромагнитный импульс, возникающий в окружающем пространстве в результате протекания быстрого разряда. Наличие металлического кожуха 9 вокруг тиратрона 16, также позволяет экранировать электромагнитный импульс, возникающий в процессе срабатывания тиратрона 2. При наличии внешнего металлического корпуса для всей конструкции (не показан) для электромагнитного импульса, возникающего при разряде в разрядной трубке 1, обеспечивается тройная экранировка. Причем наличие стального корпуса, как у устройства магнитного сжатия импульса 3, так и у балластных емкостей 4 позволяет надежно экранировать как электрическую, так и магнитную составляющие электромагнитного импульса. Тиратрон 2 имеет двойной экран. Поскольку скорость разряда тиратрона 2 меньше нежели разрядной трубки 1 в несколько раз, то мощность электромагнитного импульса, возникающего от разрядной трубки 1, даже при одинаковых линейных размерах тиратрона 12 и разрядной трубки 1 во много раз превосходит мощность электромагнитного импульса, возникающего в результате срабатывания тиратрона 12. Поэтому электромагнитная экранировка для разрядной трубки 1 должна быть более надежной, чем для тиратрона 12.

Экспериментальные исследования заявляемого устройства в случае азотного лазера с длинной волны 337 нм показали, что удельная импульсная мощность достигает 100 МВт/л, что в несколько раз выше, чем для аналогичных устройств, частота повторения импульсов генерации без принудительного охлаждения достигает 500 Гц, по сравнению с 300 Гц, полученными для прототипа, ресурс работы лазера в отпаянном режиме без ухудшения энергетических характеристик превышает 109 импульсов, тогда как предельные ресурсы аналогичных азотных лазеров с продольным возбуждением ограничены уровнем 109 импульсов. Снижен уровень электромагнитных помех, создаваемых лазером до стандартных норм, что позволяет эксплуатировать лазер в непосредственной близости с чувствительной измерительной электронной аппаратурой, компьютерами, устройствами радиосвязи.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Компактный импульсный газовый лазер, содержащий коаксиальную секционированную разрядную ячейку, содержащую разрядную трубку, подключенную центральным электродом к формирующей импульс цепи, и тиратрон, подключенный анодом к формирующей импульс цепи и источнику высокого напряжения и помещенный в проводящий кожух, причем кожух является частью общей малоиндуктивной электрической цепи и соединен с катодом тиратрона, отличающийся тем, что формирующая импульс цепь выполнена в виде устройства магнитного сжатия импульса, содержит насыщающие дроссели, имеющие индуктивно-емкостную связь с разрядной трубкой, разрядная трубка вставлена в устройство магнитного сжатия импульса, лазер имеет коаксиальную секционированную разрядную ячейку с газовым промежутком между разрядной трубкой и анодной трубкой, причем отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки, и две балластные емкости из листовой стали, расположенные коаксиально по отношению к разрядной трубке и симметрично по отношению к устройству магнитного сжатия импульса, балластные емкости герметично установлены на корпусе устройства магнитного сжатия импульса, тиратрон расположен с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия и подключен анодом к входному звену устройства магнитного сжатия импульса. 

2. Устройство магнитного сжатия импульса, содержащее длинную линию, состоящую из последовательно подключенных звеньев, каждое из которых состоит из насыщающего дросселя с ферритовым кольцеобразным сердечником и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора, для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено соединено с разделительным конденсатором, отличающееся тем, что имеет параллельную схему включения электрических линий магнитного сжатия, при этом число линий четное и каждая линия магнитного сжатия использует дополнительный насыщающий дроссель в первом звене, к корпусу устройства магнитного сжатия импульса подключены параллельно ограничивающий насыщающий дроссель и обострительный конденсатор.



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