Устройство для возбуждения разряда в газовом лазере

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания импульсных газовых лазеров. Сущность изобретения заключается в том, что для повышения стабильности разряда и КПД лазера предлагается использовать дополнительный малоиндуктивный электрический контур для формирования импульса напряжения на электродном промежутке, состоящий из разрядника, индуктивности и конденсатора. При этом номиналы последних должны быть в 5 - 10 раз меньше соответствующих номиналов основного контура питания. 1 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания импульсных газовых лазеров.

Известно устройство для возбуждения разряда в газовом лазере, содержащее основные металлические электроды, выполненные по профилю Роговского, основную накопительную емкость, подсоединенную через газовый разрядник к электродам, и две проволочки, натянутые сбоку вдоль электродов и подсоединенные с обеих сторон к одному из них через вспомогательные емкости. После коммутации разрядника происходит зарядка вспомогательной емкости, и возникающий с проволочек коронный разряд осуществляет ультрафиолетовую (УФ) подсветку разрядного объема [1] Недостатком данного устройства является то, что в силу слабой интенсивности коронного разряда УФ-подсветка, а следовательно, и предыонизации разрядного объема малы, что ограничивает энерговклад в разряд.

Известно устройство для возбуждения разряда в газовом лазере с дополнительной схемой формирования импульса напряжения, наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому изобретению, содержащее основные металлические электроды, выполненные по профилю Роговского, источник питания (основную накопительную емкость и разрядник-коммутатор) и цепочки из пар обостряющих конденсаторов, которые имеют суммарную величину много меньшую основной емкости. Цепочки подсоединены малоиндуктивно, параллельно и независимо одна от другой к электродам сбоку от разрядного промежутка, причем каждая цепочка состоит из соединенных последовательно конденсаторов и электродов предыонизации, разделенных газовым зазором. Источник импульсного напряжения через конструктивную емкость подключен к основным электродам [2] После коммутации разрядника на электродном промежутке практически мгновенно (со временем зарядки паразитной емкости между электродами предыонизации) формируется напряжение, которое приложено одновременно к электродам предыонизации и вследствие большого перенапряжения пробивает газовый промежуток между ними, после чего происходит зарядка цепочек, обостряющих конденсаторов, сопровождающаяся дуговым разрядом между электродами предыонизации, который является источником ультрафиолетового излучения и которое, в свою очередь, производит предварительную ионизацию основного разрядного промежутка.

Одновременно происходит передача энергии из основной емкости в обостряющие через собственную индуктивность цепи. Такой процесс носит колебательный характер и вследствии малой величины обостряющей емкости в некоторый момент времени на ней и вместе с тем на основных электродах происходит удвоение напряжения по сравнению с напряжением зарядки основной емкости. В этот период происходит интенсивная ионизация газа в разрядном промежутке под действием электрического поля высокой напряженности и увеличивается значительно концентрация электронов, созданных после УФ-предыонизации, что позволяет в дальнейшем разрядится основной емкости без дугообразований при более низких напряженностях поля за время рекомбинационного распада плазмы. Ионизация газа электрическим полем в первый период импульса напряжения является существенным фактором предварительной ионизации как второй стадии после УФ-предыонизации, так как плазма, создаваемая УФ-подсветкой, имеет низкую концентрацию и сама по себе не позволяет пропустить высокие токи и, следовательно, накачать лазерную среду до высоких энерговкладов.

Недостатком данного устройства является то, что увеличение предварительной ионизации, необходимое для обеспечения большей однородности и устойчивости разряда, и увеличение энерговклада в разряд возможно осуществить только путем увеличения зарядного напряжения основной емкости и одновременного уменьшения времени разряда за счет уменьшения номинала емкости, что приводит в свою очередь, к увеличению напряженности электрического поля в период ее разрядки, то есть в период лазерной накачки и, следовательно, уменьшает ее эффективность из-за роста фактора E/p (E напряженность поля, p давление газа).

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение энерговклада в разряд и КПД лазера.

Этот результат достигается тем, что в известное устройство для возбуждения разряда в газовом лазере, содержащее основные электроды анод и катод, первый из которых непосредственно соединен с источником питания, и, по крайней мере, две цепочки из последовательно соединенных через искровой зазор двух конденсаторов, первая цепочка подключена параллельно источнику питания, а вторая параллельно основным электродам, при этом емкости C₀, C₁, C₂ конденсаторов источника питания, первой и второй цепочек соответственно выбраны так, что C₀>>C₁>>C₂ и L₁<; предложено дополнительно ввести разрядник и индуктивность, величина которой много меньше величины индуктивности источника питания, и подключение первой цепочки ко второму основному электроду-катоду осуществить через введенные последовательно соединенные разрядник и индуктивность.

На чертеже изображена схема предложенного устройства.

Устройство содержит основные электроды 1 (анод) и 2 (катод), источник питания импульсного напряжения 3 (например генератор импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса), подключенный к аноду через собственную (конструктивную) индуктивность 4, две цепочки обостряющих конденсаторов, соединенных последовательно через искровой зазор 5, размещенные с боковых сторон основных электродов. Первая цепочка конденсаторов 6 подсоединена к аноду непосредственно, а к катоду через индуктивность 7 и разрядник 8. Вторая цепочка конденсаторов 9 подсоединена к катоду и аноду непосредственно с минимальной индуктивностью много меньшей индуктивности 7 (на чертеже не показана). При этом параметры электрической цепи выбраны так, что C₀>>C₁>>C₂ и L₁<.

Устройство работает следующим образом. После срабатывания источника питания 3 на первой цепочке обостряющих конденсаторов 6 практически мгновенно формируется напряжение, которое оказывается приложенным к искровому зазору 5 и пробивает его, после чего идет периодический процесс переразрядки емкости источника питания через индуктивность 4 в цепочку конденсаторов 6. В этот период в искровом зазоре горит дуговой разряд, являющийся источником УФ-излучения, и происходит предварительная ионизация межэлектродного промежутка. В некоторый момент напряжение на первой цепочке конденсаторов становится равным удвоенному напряжению источника питания. Разрядник 8 регулируется таким образом, что к этому моменту он срабатывает и в дальнейшем происходит аналогичный процесс перезарядки первой цепочки емкостей во вторую цепочку через индуктивность 7. Отличие заключается только в том, что временной масштаб процесса много меньше (по крайней мере в 5 10 раз), поскольку номиналы индуктивности 7 и конденсаторов 9 выбраны много меньше (по крайней мере в 5 10 раз), чем для индуктивности 4 и конденсаторов 6. Процесс приводит к удвоению через четверть периода напряжения на второй цепочке по сравнению с амплитудой сформированной на первой цепочке. В результате на основном межэлектродном промежутке возникает учетверенное в сравнении с источником питания напряжение. Одновременно в искровом зазоре 5 второй цепочки горит дуговой разряд, также являющийся источником УФ-излучения. После формирования импульса на электродном промежутке происходит дополнительная интенсивная ионизация газа. Эффект увеличения напряжения на межэлектродном промежутке является значительным, поскольку скорость ионизации зависит от напряженности поля практически экспоненциально.

Затем происходит смена рабочего газа, зарядка источника питания, после чего начинается новый цикл работы лазера.

Более значительная предыонизация позволяет создать разряд с большим энерговкладом, чем в прототипе без изменения напряжения источника питания, то есть повысить эффективность лазера.

Формула изобретения

Устройство для возбуждения разряда в газовом лазере, содержащее основные электроды анод и катод, первый из которых непосредственно соединен с источником питания, и по крайней мере две цепочки из последовательно соединенных через искровой зазор двух конденсаторов, первая цепочка подключена параллельно источнику питания, а вторая параллельно основным электродам, при этом емкости С₀, С₁, С₂ конденсаторов источника питания, первой и второй цепочек соответственно выбраны таким образом, что С₀ ≥ С₁ ≥ С₂, отличающееся тем, что в него дополнительно введены разрядник и индуктивность, величина которой менее величины индуктивности источника питания, и подключение первой цепочки к второму электроду-катоду осуществлено через введенные последовательно соединенные разрядник и индуктивность.

РИСУНКИ

Рисунок 1