Устройство накачки мощного импульсно-периодического газового лазера

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных технологических СO₂-лазерах импульсно-периодического действия с предыонизацией лазерной среды ультрафиолетовым (УФ) излучением. Устройство накачки мощного импульсно-периодического газового лазера содержит электроды разряда накачки, импульсную систему питания, выполненную по схеме LC-генератора, в которой к электродам разряда, один из которых соединен с общей шиной схемы, присоединена последовательная цепь из накопительных конденсаторов, средняя точка которой подключена к высоковольтному вводу источника напряжения, другой электрод разряда накачки через зарядное сопротивление соединен с общей шиной схемы, нижнее плечо цепи конденсаторов присоединено к основным электродам сильноточного коммутатора, выполненного на тиратроне, причем схема снабжена предыонизатором УФ-излучения, выполненным в виде установленного в зоне газовой среды искрового разрядника, на котором создается напряжение поджига. В этом устройстве электрод разряда накачки, соединенный с зарядным сопротивлением и являющийся катодом, выполнен сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а другой электрод, служащий анодом, имеет плоскую прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде решетки, прозрачное для УФ-излучения, искровой разрядник предыонизатора выполнен линейным многозазорным и расположен непосредственно под решеткой анода, а средняя точка цепи накопительных конденсаторов соединена с анодом тиратрона через первичную обмотку введенного в схему дросселя-трансформатора, вторичные обмотки которого присоединены к секциям многозазорного разрядника. Технический результат состоит в увеличении средней мощности и длительности непрерывной работы технологического лазера, а также в повышении надежности и ресурса работы основных его элементов. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в мощных технологических CO₂-лазерах импульсно-периодического действия с предыонизацией лазерной среды ультрафиолетовым (УФ) излучением. В частности изобретение предназначено для использования в составе лазерного комплекса для разделения изотопов углерода.

Для формирования импульсного устойчивого объемного самостоятельного разряда (ОСР) атмосферного давления используется предварительная ионизация газовой среды путем создания минимальной начальной концентрации электронов во всем активном объеме газовой среды и максимально быстрого подъема напряжения до величины выше статического пробивного либо путем предварительного дрейфового заполнения разрядной области электронами производимых внешним источником ионизации в прикатодной области разрядного промежутка.

Известна электроразрядная система возбуждения активной среды CO₂-лазеров с самостоятельным разрядом и УФ-предварительной ионизацией, содержащая сплошной алюминиевый электрод - катод и анод, выполненный из стальной сетки, в которой для питания разряда использован двухступенчатый генератор Маркса [1] . Импульс напряжения между вспомогательным многоострийным электродом и сеткой приводит к образованию коронных разрядов, переходящих в искровые и служащих источником предварительной ионизации в основном разрядном объеме.

Недостатком такого устройства накачки лазерной среды является сложность эксплуатации элементов импульсных систем питания при применении импульсных водородных тиратронов, превышение любого из параметров которых приводит к резкому сокращению ресурса их работы. В результате этого реально достижимый уровень мощности TEA CO₂-лазера находится в пределах 0,5-1,0 кВт.

Известна схема установки для формирования потока электронов, дрейфующих в электрическом поле, без предварительной ионизации всего рабочего объема, в которой заземленный сетчатый катод установлен между анодом и вспомогательным электродом вблизи последнего, между катодом и вспомогательным электродом приложено напряжение -U₁, на анод подано напряжение смещения +U₀; источником электронов служит вспомогательный разряд, зажигаемый под сетчатым катодом, поток электронов формируется при наложении электрического поля на плазму вспомогательного разряда и под действием этого поля часть электронов выталкивается в основной разрядный промежуток между катодом и анодом, где поток электронов поддерживается напряжением смещения U₀ [2].

Эта схема была применена в экспериментах по формированию ОСР на установке с активным объемом 10х10х40 см в смесях газов CO₂:N₂:He, на которой удалось реализовать ОСР в указанной смеси при атмосферном давлении с добавками триэтиламина. Заполнение разрядного объема потоком электронов позволяет отказаться от профилирования электродов и существенно снизить уровень рабочих напряжений. Недостатком такого устройства накачки является необходимость применения легкоионизируемых добавок в виде триэтиламина.

Известно устройство четырехсекционного CO₂-лазера, секции которого запитаны от независимых источников накачки, выполненных в виде двухступенчатых генераторов импульсного напряжения Аркадьева-Маркса, разряжаемых через индуктивность на емкость, включенную параллельно разрядному промежутку; в качестве легкоионизируемых добавок использованы в основном трипропиламин и триэтиламин, имеющие максимальное сечение пеннинговской ионизации и эффективно ионизируемые УФ-излучением, в результате чего была создана достаточная для зажигания ОСР концентрация фотоэлектронов не только непосредственно на поверхности катода, но и на большом удалении от него [3].

Такое устройство имеет предельно компактную конструкцию электродов и не требует применения в схеме накачки малоиндуктивных конденсаторов, однако в нем также применяются легкоионизируемые добавки.

Общим недостатком систем формирования объемного разряда [2, 3] с апертурой более 10 см², кроме применения легкоионизируемых добавок, является необходимость использования многоканальных источников УФ-предыонизации, расположенных за одним из электродов разряда накачки. Использование таких предыонизаторов в лазерах импульсно-периодического действия технически крайне затруднительно.

Известно электроразрядное лазерное устройство, которое может быть использовано для накачки мощного импульсно-периодического газового лазера, содержащее электроды разряда накачки газовой среды и импульсную систему питания, выполненную по схеме LC-генератора (Фитча-Говелла), в которой к электродам присоединена последовательная цепь из двух накопительных конденсаторов C₁ и C₂, средняя точка этой цепи через разрядное сопротивление подключена к источнику напряжения и к электроду коммутатора (разрядника), второй электрод которого соединен с накопительным конденсатором C₁ и одним из электродов разряда, который присоединен к общей шине схемы, а параллельно цепи из конденсаторов C₁ и C₂ подключено второе зарядное сопротивление; в схеме создан отдельный контур для осуществления УФ-предыонизации в виде второго разрядника, разрядный промежуток которого установлен на периферии боковой зоны газовой среды между электродами разряда накачки, причем один из электродов этого разрядника соединен с общей шиной схемы, а другой соединен с высоковольтным выводом дополнительных конденсаторов C₃, снабженных схемой питания и поджига [4].

Индуктивностями в этой схеме являются собственные индуктивности токоподводов. Преимуществом LC-генератора по сравнению с генератором Маркса является то, что через разрядник LC-генератора не прокачивается вся энергия, запасенная в накопительных конденсаторах, так что коммутатор работает в облегченных условиях. Это позволяет вместо разрядника использовать тиратрон и осуществлять импульсно-периодический режим работы лазера с высокой частотой следования импульсов. Предыонизация в этой схеме осуществляется автоматически перед пробоем основного газоразрядного промежутка за счет рядов искр, возникающих при зарядке дополнительных конденсаторов C₃.

Таким образом, главным достоинством этого электроразрядного устройства является принципиальная возможность снижения требований к импульсной системе питания разряда за счет исключения сильноточного коммутатора из цепи основного разряда накачки. Однако осуществить значительную разгрузку элементов импульсной системы питания лазера не удается.

Изобретение решает задачу увеличения средней мощности и длительности непрерывной работы технологического лазера, а также повышения надежности и ресурса работы основных его элементов.

Сущность изобретения заключается в устройстве накачки мощного имульсно-периодического газового лазера, содержащем электроды разряда накачки, импульсную систему питания, выполненную по схеме LC-генератора, в которой к электродам разряда, один из которых соединен с общей шиной схемы, присоединена последовательная цепь из накопительных конденсаторов, средняя точка которой подключена к высоковольтному вводу источника напряжения, другой электрод разряда накачки через зарядное сопротивление соединен с общей шиной схемы, нижнее плечо цепи конденсаторов присоединено к основным электродам сильноточного коммутатора выполненного на тиратроне, причем схема снабжена предыонизатором УФ-излучения, выполненным в виде установленного в зоне газовой среды искрового разрядника, на котором создается напряжение поджига. Электрод разряда накачки, соединенный с зарядным сопротивлением и являющийся катодом, выполнен сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а другой электрод, являющийся анодом, имеет плоскую прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде решетки, прозрачное для УФ-излучения, искровой разрядник предыонизатора выполнен линейным многозазорным и расположен непосредственно под решеткой анода, а средняя точка цепи накопительных конденсаторов соединена с анодом тиратрона через первичную обмотку введенного в схему дросселя-трансформатора, вторичные обмотки которого присоединены к секциям многозазорного разрядника.

В частном случае исполнения предложенного устройства накачки сплошной электрод - катод выполняется из меди, латуни или магния, а дроссель-трансформатор выполнен в виде воздушного кабельного трансформатора, намотанного на диэлектрический цилиндр.

Важнейшим достоинством предложенной схемы является то, что длительность τ и скорость нарастания dI/dt и амплитуда I тока через тиратрон и разрядный промежуток определяются разными разрядными контурами. При этом очевидно, что чем больше удается "затянуть" фронт нарастания напряжения на разрядном промежутке, тем меньшие значения этих параметров реализуются в контуре, коммутируемом тиратроном. Техническим результатом, возникающим при использовании изобретения, является увеличение средней мощности импульсно-периодических CO₂-лазеров до 4 кВт при применении выпускаемых отечественной промышленностью водородных тиратронов ТГИ1-2500/50 и длительности непрерывной работы таких лазеров до нескольких часов при частоте следования импульсов до 200 Гц.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен пример конструкции устройства накачки, а на фиг. 2 - электрическая схема импульсной системы питания для возбуждения разряда накачки.

Высоковольтный сплошной электрод - катод 1 размерами 80х20х420 мм, изготовленный из латуни, имеет профилированную форму и расположен над плоским заземленным прямоугольным электродом - анодом 2 размерами 400х160 мм, изготовленным из меди, в центральной части которого выфрезерованы пазы шириной 3 мм, длиной 50 мм и шагом 3 мм так, что в нем образовано окно в виде решетки, прозрачное для УФ-излучения. Под решеткой анода установлен предыонизатор 3, представляющий из себя линейный многоэлементный искровой разрядник, зазоры которого противолежат отверстиям анодной решетки. Предыонизатор разбит на две секции. Электроды установлены на крышках 4, 5 диэлектрической газоразрядной камеры, состыкованной с газодинамическим трактом лазера. Электроды разряда накачки малоиндуктивно соединены с накопительными конденсаторами 6 импульсной системы питания с использованием высоковольтного ввода 7. Поперечное сечение разрядной области (380х50 мм) определяется размерами плоской части катода, межэлектродное расстояние составляет величину 40 мм, а точная установка зазоров осуществляется юстировочными винтами 8 (фиг. 1). Импульсная система питания (фиг. 2) построена по принципу схемы LC-генератра (Фитча-Говелла), в которой сильноточный коммутатор (тиратрон) 9 исключен из цепи разряда накачки. Анод тиратрона 9 соединен со средней точкой последовательной цепи накопительных конденсаторов 6 через первичную обмотку специально разработанного для этой системы дросселя-трансформатора 10, вторичные обмотки которого присоединены к секциям многозазорного разрядника 3. Секционная конструкция предыонизатора использована для уменьшения расстояния между источниками УФ-излучения и разрядной областью. Индуктивное зарядное сопротивление 11 соединяет катод 1 с общей шиной схемы, с которой соединен катод тиратрона 9 и вывод нижнего плеча цепи накопительных конденсаторов 6, вывод верхнего плеча которой подключен к катоду 1. Средняя точка цепи накопительных конденсаторов подключена к источнику напряжения +U. Дроссель-трансформатор 10 представляет собой воздушный кабельный трансформатор, намотанный на диэлектрический цилиндр.

Устройство работает следующим образом.

Между электродами 1 и 2 газоразрядной камеры (фиг. 1) создается необходимая для работы ТЕА-CO₂-лазера газовая смесь. В начальный момент времени накопительные конденсаторы 6 заряжены от источника до напряжения U₀, причем верхнее плечо LC-генератора импульсно заряжается через индуктивность 11 (фиг. 2). После запуска тиратрона 9 начинается перезаряд через индуктивность первичной обмотки дросселя-трансформатора 10 нижнего накопительного конденсатора 6 и одновременно происходит подъем напряжения на разрядном промежутке. Напряжение, возникающее на вторичных обмотках дросселя-трансформатора 10, нагруженных на секции предыонизатора 3, обеспечивает искрообразование в зазорах разрядника и УФ- предыонизацию газоразрядного промежутка на протяжении полной длительности нарастания напряжения. Длительность фронта напряжения перезаряда определяется величиной индуктивности первичной обмотки дросселя-трансформатора 10 и при достижении величины напряжения до некоторого значения U₁(U₀<U<2U) происходит разряд последовательно соединенных накопительных конденсаторов 6 через газоразрядный промежуток между электродами 1 и 2 и обеспечивается устойчивый объемный самостоятельный разряд в газовой смеси лазера. Секционная конструкция предыонизатора 3, секции которого подключены к отдельной обмотке дросселя-трансформатора 10, обеспечивает также одновременное срабатывание секций и, следовательно, синхронную работу источников УФ-излучения.

В приведенном примере (aиг. 1, 2) описана конструкция разрядного модуля, использованная при разработке системы накачки TEA-CO₂-лазера средней мощностью 4 кВт, входящего в лазерный комплекс для разделения изотопов углерода [5]. Электродная система состоит из трех идентичных, но электрически несоединенных пар электродов. Каждая пара электродов снабжена импульсной системой питания с отдельным предыонизатором (многоэлементным искровым разрядником). К каждому промежуточному элементу разрядника подключена небольшая емкость (100 пФ), соединенная с заземленным электродом, что позволило снизить пробивное напряжение и повысить стабильность работы предыонизатора в частотном режиме. Пробой разрядных промежутков предыонизатора происходит через 200 нс после запуска, а ток через предыонизатор поддерживается в течение всей длительности нарастания напряжения на основном разрядном промежутке. Конструктивно предыонизатор выполнен в виде автономных блоков, что позволяет осуществлять их оперативную замену без снятия газоразрядной камеры. Каждая секция предыонизатора имеет восемь разрядных промежутков, расположенных с шагом 24 мм. В качестве сильноточных коммутаторов использованы выпускаемые промышленностью водородные тиратроны типа ТГИ1- 2500/50. Эквивалентная индуктивность дросселя-трансформатора, приведенная к первичной обмотке, составляет величину 5·10^-6 Гн. Так как водородные тиратроны имеют разброс по времени срабатывания, которое кроме того может изменяться по мере их старения, в устройстве накачки лазерного комплекса используется система синхронизации, позволяющая регулировать момент срабатывания каждого тиратрона. Кроме того, используется система стабилизации накала импульсных тиратронов с фазоимпульсным регулятором, поскольку надежная работа тиратронных ключей возможна только при стабилизации напряжения накала и напряжения на генераторе водорода на уровне 2-3%.

Источники информации 1. Е.П.Велихов и др., Импульсные CO₂-лазеры и их применение для разделения изотопов. -М.: Наука, 1983, с. 109-118, Рис. 3.19к.

2. В.В.Апполонов и др., Формирование объемного самостоятельного разряда в плотных газах при больших межэлектродных расстояниях. -Письма в ЖТФ, том 11, выпуск 20, 26.10.85, с. 1262-1267.

3. В.В.Апполонов и др., Мощный электроразрядный CO₂-лазер с добавками в смесь легкоионизируемых веществ. -Квантовая электроника, том 12, N1, 1985, с. 5-9.

4. В.Ю.Баранов и др., Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов.- М.: Энергоиздат, 1988, с. 103-107 (прототип).

5. А. В. Астахов и др., Лазерный комплекс для разделения изотопов углерода. -Тезисы докладов конференции "Прикладная оптика - 96". -Санкт-Петербург, сентябрь 1996, с. 265.

Формула изобретения

1. Устройство накачки мощного импульсно-периодического газового лазера, содержащее электроды разряда накачки и импульсную систему питания, выполненную по схеме LC-генератора, в которой к электродам разряда, один из которых соединен с общей шиной схемы, присоединена последовательная цепь из накопительных конденсаторов, средняя точка которой подключена к высоковольтному вводу источника напряжения, другой электрод разряда накачки через зарядное сопротивление соединен с общей шиной схемы, нижнее плечо цепи конденсаторов присоединено к основным электродам сильноточного коммутатора, выполненного на тиратроне, причем схема снабжена предыонизатором УФ-излучения, выполненным в виде установленного в зоне газовой лазерной среды искрового разрядника, на котором создается напряжение поджига, отличающееся тем, что электрод разряда накачки, соединенный с зарядным сопротивлением и являющийся катодом газоразрядного объема, выполнен сплошным из материала с повышенными фотоэмиссионными свойствами, а другой электрод, являющийся анодом газоразрядного объема, имеет плоскую прямоугольную форму и в его центральной части выполнено окно в виде решетки, прозрачное для УФ-излучения, искровой разрядник предыонизатора выполнен линейным многозазорным и расположен непосредственно под решеткой анода, а средняя точка цепи накопительных конденсаторов соединена с анодом тиратрона через первичную обмотку введенного в схему дросселя-трансформатора, вторичные обмотки которого присоединены к секциям многозазорного разрядника.

2. Устройство накачки по п.1, отличающееся тем, что сплошной электрод разряда накачки - катод выполнен из меди или латуни.

3. Устройство накачки по п.1, отличающееся тем, что сплошной электрод разряда накачки - катод выполнен из магния.

4. Устройство накачки по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что дроссель-трансформатор выполнен в виде воздушного кабельного трансформатора, намотанного на диэлектрический цилиндр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2