Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера



Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера
Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера
Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера
Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера

 


Владельцы патента RU 2410808:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)

Устройство включает генератор высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого соединены образующие контур обостряющая емкость и дополнительная нагрузка, а также последовательная цепь из передающей линии и электродов разрядной камеры. Активная и индуктивная составляющие импеданса дополнительной нагрузки выбраны так, что активная составляющая из них должна быть, с одной стороны, больше половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышать его полного значения. Индуктивная составляющая импеданса должна быть, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний контура. Технический результат заключается в увеличении ресурса работы импульсно-периодического электроразрядного газового лазера. 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам накачки электроразрядных импульсно-периодических широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации, и может быть использовано в мощных лазерных системах.

Уровень техники

Для обеспечения длительного импульсно-периодического режима работы электроразрядных широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и с металлическими электродами необходимо обеспечить такие параметры импульса накачки, при которых в течение этого импульса сохраняется устойчивость объемного разряда в их разрядных камерах (РК), а также создать условия для сохранения стабильности выходных характеристик лазера. Устойчивость объемного разряда в РК растет с уменьшением длительности импульса тока накачки. В широкоапертурных (площадь РК не менее 100 см) электроразрядных газовых лазерах параллельно выходам генератора высоковольтных импульсов в большинстве случаев подсоединяют обостряющую емкость. Это приводит к уменьшению длительности фронта импульса тока накачки и, как следствие, к повышению устойчивости объемного разряда в РК. Стабильность выходных характеристик таких лазеров обычно обеспечивается с помощью замены рабочей смеси газов между электродами РК. Для уменьшения возмущения потока смеси газов устройство накачки - генератор высоковольтных импульсов - расположен на достаточном удалении от РК и соединен с ней с помощью передающей линии. В широкоапертурных электроразрядных газовых лазерах параметры межэлектродной емкости РК, индуктивности и емкости соответствующей передающей линии, обостряющей емкости с соответствующей индуктивностью могут попасть в диапазон значений, при которых ударное возбуждение объединяющего их колебательного контура приводит к появлению в нем высокочастотных резонансных колебаний. С помощью обхода этого контура в произвольном направлении и замены параллельно и последовательно соединенных реактивных элементов эквивалентными емкостью (С) и индуктивностью (L) можно показать, что он является параллельным колебательным контуром (ПКК) с питанием от генератора высоковольтных импульсов.

В момент срабатывания генератора высоковольтных импульсов происходит ударное возбуждение ПКК. При этом амплитуда высокочастотных резонансных колебаний может быть сравнима с амплитудой импульса напряжения накачки. Период высокочастотных резонансных колебаний обычно существенно ниже длительности импульса напряжения накачки, и эти колебания могут возникать в диапазоне частот, в котором происходит значительное уменьшение электрической прочности газовой среды в РК лазера. Вышеперечисленные факторы могут стимулировать электрический пробой межэлектродного промежутка РК лазера гораздо раньше момента достижения импульсом напряжения накачки амплитудного значения. Это приводит к увеличению длительности импульса тока накачки, уменьшению устойчивости объемного разряда в РК и, как следствие, к снижению ресурса работы лазера.

В [1] исследован объемный разряд в элегазе между металлическими электродами без барьеров и при наличии диэлектрических барьеров на обоих электродах. Такой разряд в элегазе с малыми примесями, например, водорода используется для накачки импульсных химических газовых лазеров. На фиг.1 представлены сигналы импульсов напряжения и тока разряда между металлическими электродами РК без барьеров в элегазе. Авторами работы [1] отмечено наличие высокочастотных колебаний на осциллограммах напряжения и тока накачки. Сделан вывод, что эти колебания обусловлены высокочастотным контуром, образованным индуктивностью и емкостью ошиновки, соединяющей РК с генератором. Показано, что из множества катодных пятен в определенный интервал времени выделяются несколько доминирующих, которые приводят к развитию искровых каналов и контрагированию объемного разряда. Это вызывает срыв процесса накачки.

Для устранения причины контрагирования объемного разряда - образования катодных пятен - предложено покрывать поверхности металлических электродов РК диэлектрическими барьерами. Однако по утверждению автора при колебательном импульсе напряжения накачки или на спаде униполярного импульса, когда «бывший» прикатодный слой становится прианодным, зоны с повышенной плотностью заряда (поверхность диэлектрических барьеров) не только не выполняют стабилизирующих функций, а, наоборот, становятся центрами искрообразования. Это стимулирует ускоренное разрушение электродов и снижение ресурса работы лазера.

За прототип выбрано, как наиболее близкое по технической сущности, устройство накачки импульсно-периодических электроразрядных широкоапертурных лазеров с металлическими электродами без диэлектрических барьеров, описанное в работе [1].

К недостаткам прототипа следует отнести преждевременный электрический пробой межэлектродного промежутка РК из-за возникновения высокочастотных колебаний на ее электродах. Это приводит к снижению ресурса работы лазера.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса работы импульсно-периодического электроразрядного широкоапертурного газового лазера без предыонизации.

Технический результат достигается тем, что устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера без предыонизации включает генератор высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого соединены образующие контур обостряющая емкость и дополнительная резистивная нагрузка, а также последовательная цепь из передающей линии и электродов разрядной камеры.

Новым в устройстве является то, что дополнительная резистивная нагрузка выбрана с такими значениями активной и индуктивной составляющих ее импеданса, чтобы активная составляющая была, с одной стороны, больше половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышала его полного значения. Выбранная индуктивная составляющая была, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний контура.

Приведем доказательство причинно-следственной связи отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата.

При срабатывании генератора высоковольтных импульсов происходит ударное возбуждение ПКК. В нем возникают высокочастотные резонансные колебания. Амплитуда и частота этих колебаний зависят от параметров контура. В частности, затухание d параллельного колебательного контура может быть определено по формуле:

где ρ - волновое сопротивление, a Rп - шунтирующее сопротивление параллельного колебательного контура.

Волновое сопротивление контура находится по формуле:

где L, С - соответственно эквивалентные индуктивность и емкость в ветвях контура. Определение величин этих элементов для вышеописанных ПКК лазеров приведено ниже.

Значение резонансной частоты ω можно найти, используя условия резонанса токов в ПКК с потерями [2]:

Поскольку паразитное сопротивление Rоб включено последовательно с индуктивностью L для определения эквивалентного ему значения сопротивления Rп, шунтирующего ПКК, можно воспользоваться формулой [4]:

.

где ω - круговая частота резонансных колебаний контура.

Эквивалентное значение индуктивности Lп, шунтирующей при этом ПКК, может быть найдено следующим образом:

Известно [3], что любой параллельный колебательный контур будет апериодическим и резонансные колебания после его ударного возбуждения будут быстро затухать, если соблюдается условие:

где Rш - дополнительная резистивная нагрузка, шунтирующая ПКК.

Величина Rоб обычно составляет десятые доли Ом. С учетом того что значение L может находиться в пределах нескольких десятков нГн, а ω - сотен МГц, эквивалентное для Rоб сопротивление Rп будет намного больше ρ. В связи с этим в ПКК рассматриваемых лазеров было бы необходимо включать дополнительную резистивную нагрузку Rш, удовлетворяющую условию (6). Анализ показывает, что это привело бы к значительному увеличению потерь энергии генератора высоковольтных импульсов, уменьшению напряжения между электродами РК и снижению выходных характеристик лазера.

После проведения экспериментальных работ с рядом конструкций РК импульсно-периодических электроразрядных широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и соответствующих генераторов высоковольтных импульсов, параллельно выходам которых включены обостряющая емкость и дополнительная резистивная нагрузка, обнаружено, что такие лазеры эффективно функционируют при выполнении условия:

При этом, хотя высокочастотные резонансные колебания после ударного возбуждения ПКК будут затухать в меньшей степени, чем при соблюдении условия (6), потери энергии генератора высоковольтных импульсов существенно уменьшатся и выходная энергия лазера практически не снизится.

Кроме того, дополнительная резистивная нагрузка Rш помимо активной имеет индуктивную составляющую Lш импеданса. Величина этой индуктивности зависит как от пути растекания тока через дополнительную резистивную нагрузку, так и от ее конструкции. После преобразования этой последовательной цепи в эквивалентную параллельную цепь с Rшп и Lшп с помощью подстановки в формулы (4-5) вместо Rп, R и L, Lп соответственно Rшп, Rш и Lшп, Lш можно сделать следующие выводы.

Индуктивная составляющая Lш импеданса дополнительной резистивной нагрузки увеличивает величину Rшп. Для соответствия Rшп условию (7) требуется уменьшать либо Rш, либо Lш.

Уменьшение Rш неприемлемо, т.к. период высокочастотных резонансных колебаний намного меньше длительности импульса накачки. Поэтому на частоте импульса накачки сопротивление ωLш значительно меньше, чем на частоте высокочастотных резонансных колебаний. При этом малое значение Rш приведет к потерям энергии генератора и снижению выходных характеристик лазера.

Для определения верхней границы значения Lш введем условие для соответствующих слагаемых в числителе формулы (4):

или

Таким образом, индуктивная составляющая импеданса дополнительной резистивной нагрузки должна быть, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте высокочастотных резонансных колебаний контура. Выполнение вышеприведенных условий позволяет практически устранить возникновения пробоев межэлектродного промежутка РК в начале импульса напряжения накачки. При этом увеличивается ресурс работы импульсно-периодического электроразрядного широкоапертурного газового лазера без предыонизации

На фиг.1 показаны сигналы импульсов напряжения и тока разряда между металлическими электродами РК без барьеров в элегазе, где: (а) - импульс напряжения, отрезок с меткой 20 кВ - цена отрезка соответствующей вертикальной шкалы, (б) - импульс тока, отрезок с меткой 1 кА - цена отрезка соответствующей вертикальной шкалы, отрезок с меткой 50 нс - цена отрезка горизонтальной шкалы.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства, где: CB, LB, RB и PB - соответственно эквивалентные емкость, индуктивность, сопротивление и разрядник генератора высоковольтных импульсов, Соб, Rоб, L - соответственно емкость, сопротивление, индуктивность обостряющей емкости, Rш и Lш - активное сопротивление и индуктивность дополнительной резистивной нагрузки, LПЛ и СПЛ - эквивалентные индуктивность и емкость передающей линии, СРК - межэлектродная емкость РК.

На фиг.3 приведены сигналы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные в первой серии экспериментов, где: импульсы напряжения - пара сигналов вверху, импульсы тока - пара сигналов внизу, цена большого деления по горизонтали - 200 нс.

На фиг.4 приведены сигналы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные во второй серии экспериментов, где: импульсы тока - пара сигналов вверху, импульсы напряжения - пара сигналов внизу, цена большого деления по горизонтали - 100 нс.

Заявляемое устройство выполнено следующим образом.

На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства. Разрядная камера, содержащая металлические электроды, представлена межэлектродной емкостью СРК, соединенной с помощью передающей линии, обозначенной с помощью индуктивности LПЛ и емкости СПЛ, с генератором высоковольтных импульсов, составленным из эквивалентных емкости, индуктивности, сопротивления и разрядника: СВ, LB, RB и PB, параллельно выходам которого включены обостряющая емкость, показанная в виде последовательно соединенных емкости Соб, сопротивления Rоб, индуктивности L, и дополнительная резистивная нагрузка, представленная активным сопротивлением Rш и индуктивностью Lш.

Индуктивность LПЛ, емкость Соб, индуктивность L, сопротивление Rоб, емкость, эквивалентная параллельно соединенным СРК и СПЛ, сопротивление Rш и индуктивность Lш образуют ПКК.

Произведя обход контура в произвольном направлении, можно заменить последовательно соединенные реактивные элементы эквивалентными емкостью С и индуктивностью L. Величина эквивалентной емкости С этого контура определяется параллельно включенными емкостями СПЛ и СРК, т.к. ее номинал существенно меньше Соб. Величина эквивалентной индуктивности L определяется как сумма индуктивности LПЛ и эквивалентной параллельно соединенным L и Lш индуктивности. Влиянием на ПКК лазера элементов генератора высоковольтных импульсов можно пренебречь, т.к. индуктивность LB обычно намного больше L.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При срабатывании генератора высоковольтных импульсов на электродах РК лазера возбуждаются высокочастотные резонансные колебания напряжения. С помощью дополнительной резистивной нагрузки амплитуда этих колебаний уменьшается так, что в сумме с мгновенным значением напряжения импульса накачки она не достигает уровня напряжения пробоя межэлектродного промежутка РК. В результате пробой этого промежутка наступает вблизи амплитуды импульса напряжения накачки. При этом длительность импульса тока накачки будет близка к минимально возможной для данных параметров контура величине. Это, с одной стороны, повышает устойчивость объемного разряда в РК, с другой - улучшает согласование волнового сопротивления генератора высоковольтных импульсов и сопротивления объемного разряда в квазистационарной стадии его горения. За счет лучшего согласования этих сопротивлений практически вся энергия, запасенная в генераторе высоковольтных импульсов, вкладывается в течение первых полуволн тока и напряжения на РК в объемный разряд. Соответственно, уменьшается амплитуда последующих полуволн тока и напряжения на электродах РК и практически устраняется возникновение в течение этих полуволн пробоев межэлектродного промежутка РК.

Ниже в качестве иллюстрации вышесказанного приведено краткое описание двух серий экспериментов с импульсно-периодическим электроразрядным широкоапертурным газовым лазером без предыонизации с металлическими электродами без барьеров, каждая пара которых установлена в одной из двух РК с объемом по ~9 л. Накачка этого лазера осуществлялась с помощью пары двухполярных генераторов высоковольтных импульсов. Это, с одной стороны, позволяет уменьшить изоляционные промежутки в РК. С другой стороны, затухание высокочастотных резонансных колебаний в ПКК с питанием от двухполярного генератора высоковольтных импульсов намного меньше, чем при использовании однополярных генераторов. Поэтому полученные результаты соответствуют ситуации, когда ПКК наименее устойчив к возникновению высокочастотных резонансных колебаний. Каждая РК с объемом по ~9 л соединена передающей линией с соответствующим двухполярным генератором высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого включена обостряющая емкость. Индуктивность каждой из передающих линий составляет ~200 нГн. Во второй серии экспериментов параллельно выходам каждого из двухполярных генераторов высоковольтных импульсов устанавливалась дополнительная резистивная нагрузка. Активная составляющая ее импеданса составляла, с одной стороны, не менее половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышала его полного значения (~68 Ом). Индуктивная составляющая ее импеданса была примерно в 11 раз меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний этого контура (~260 нГн). Напряжение зарядки каскадов генераторов высоковольтных импульсов устанавливалось на уровне 50 кВ. Для регистрации импульсов напряжения и тока накачки использовались соответственно резистивные датчики напряжения и индукционные датчики тока. Чувствительности индукционных датчиков тока, установленных в каждом двухполярном генераторе высоковольтных импульсов, разные. Электрические длины каналов измерения напряжений и токов одинаковы.

На фиг.4 показаны осциллограммы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные в первой серии экспериментов. При срабатывании генераторов высоковольтных импульсов амплитуда высокочастотных резонансных колебаний практически равна амплитуде импульса напряжения накачки. Частота резонансных колебаний ~34 МГц. Пробой межэлектродных промежутков каждой из разрядных камер лазера произошел в начале первой полуволны соответствующих импульсов напряжения накачки. При штатной работе этот пробой должен осуществляться вблизи амплитуды импульса напряжения накачки. Можно отметить два фактора, способствовавших нештатной работе лазера. Во-первых, высокие амплитуды высокочастотных резонансных колебаний. Во-вторых, уменьшение пробивной напряженности газовой смеси в разрядной камере лазера на частоте резонансных колебаний контура. Известно [4], что в полосе частот 106-108 Гц уменьшение пробивной напряженности наблюдается для многих видов газов в широком диапазоне давлений и длин межэлектродных промежутков. Так, для водорода при расстоянии между электродами 5 см и давлении 3·10-2 мм рт.ст. существует минимум напряжения пробоя в диапазоне частот 5-25 МГц, а при давлении 1·10-7 мм рт.ст. пробивная напряженность водорода на частоте приложенного напряжения 30-40 МГц уменьшается практически вдвое по сравнению с напряжением с частотой ниже или выше указанного диапазона на 10-30 МГц.

Длительность импульса тока накачки лазера в первой серии экспериментов составила ~500 нс. Визуально в межэлектродном промежутке разрядной камеры лазера наблюдались стримеры. Они могут приводить к изменению состояния поверхности электродов и «привязке» искровых разрядов к определенному месту. При этом происходит ускоренное разрушение электродов. Вероятность появления стримеров возрастает с увеличением длительности импульса тока накачки лазера. В связи с наличием стримеров ресурс работы лазера составлял не более ста включений, что на два порядка меньше расчетной величины.

На фиг.5 приведены осциллограммы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные во второй серии экспериментов. При этом параллельно выходам каждого из двухполярных генераторов высоковольтных импульсов системы накачки лазера были включены дополнительные резистивные нагрузки с сопротивлением 55 Ом и с индуктивностью ~25 нГн каждая.

Можно отметить существенное уменьшение глубины модуляции импульса напряжения на каждом из выходов двухполярных генераторов высоковольтных импульсов. Амплитуда высокочастотных резонансных колебаний составляла не более 50% от амплитуды импульса напряжения накачки. Частота этих колебаний снизилась по сравнению с первой серией экспериментов и составила ~29 МГц, что согласуется с формулой (3). Пробой межэлектродных промежутков разрядных камер лазера произошел вблизи амплитуд импульсов напряжения накачки. Длительность импульсов тока накачки лазера уменьшилась с 500 до 300 нс. Значительно уменьшились амплитуды полуволн напряжения и тока, следующих за основными. Завершенных стримеров в межэлектродных промежутках разрядных камер лазера отмечено не было.

В связи с отсутствием стримеров в межэлектродных промежутках разрядных камер лазера ресурс его работы был доведен до шестисот включений. Для достижения расчетного ресурса работы лазера потребовалась доработка некоторых технологических систем, что намечено выполнить в ближайшее время.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет не менее чем в 6 раз увеличить ресурс непрерывной работы лазера.

Изобретение найдет применение в устройствах накачки электроразрядных импульсно-периодических широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и может быть использовано в мощных лазерных системах.

Источники информации

1. Спичкин Г.Л. Импульсный высоковольтный объемный разряд в элегазе // Журнал технической физики, 1986, Т.56, в. 10, с.1923-1932.

2. Г.И.Атабеков. Теоретические основы электротехники, ч.1. Линейные электрические цепи. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 320 с. с черт.

3. Б.Х.Кривицкий. Элементы и устройства импульсной техники. - М.: Сов. Радио, 1961. - 542 с., ил.

4. Г.И.Сканави. Физика диэлектриков (область сильных полей). - М.: Гос. Изд. Физ.-Мат. Литературы, 1958.

Устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера без предыонизации, включающее генератор высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого соединены образующие контур обостряющая емкость и дополнительная нагрузка, а также последовательная цепь из передающей линии и электродов разрядной камеры, отличающееся тем, что активная и индуктивная составляющие импеданса дополнительной нагрузки выбраны так, что первая из них должна быть, с одной стороны, больше половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышать его полного значения, а вторая должна быть, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний контура.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газовым лазерам ТЕ-типа с высокой частотой следования импульсов, таким как эксимерные, азотные, СО2-лазеры.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть применено в мощных лазерах, например в газопроточных электроразрядных импульсно-периодических, размещаемых на различных транспортных средствах и генерирующих излучение во время движения.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть применено в спектроскопии, лазерной физике, в технике лазерных источников фемтосекундных импульсов нелинейной оптике, биологии, экологии, медицине и т.д.

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для использования преимущественно в газовом лазере. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке или изготовлении газовых лазеров, в том числе, лазеров на парах металлов, с поперечной накачкой, работающих как в режиме генерации, так и в режиме усиления когерентного излучения.

Изобретение относится к способу получения импульсного ультрафиолетового (УФ) излучения на базе трубчатых импульсных ламп с наполнением инертными газами. .

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газоразрядных устройствах, в частности в электроразрядных импульсно-периодических лазерах с поперечным разрядом.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к лазерным электроннолучевым приборам (ЛЭЛП), используемым в системах отображения информации и медицинской технике, в частности растровой оптической микроскопии.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технике возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например бромида меди, марганца, свинца.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при изготовлении газовых лазеров с трехзеркальным резонатором, с визуально закрытым внутрирезонаторным пространством и перестраиваемой длиной волны излучения

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах оптической связи по открытому атмосферному каналу с подвижными и стационарными объектами, рассредоточенными на местности

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в атмосферных лазерных линиях связи с повышенной скрытностью передачи информации

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например, бромида меди

Изобретение относится к оптике и квантовой электронике и может быть использовано в лазерной локации, в системах наведения излучения, в системах управления волновым фронтом мощных технологических установок

Изобретение относится к устройству импульсного лазера на самоограниченных переходах с высоким коэффициентом усиления активной среды (лазера на парах металлов, инертных газах, эксимерных, жидкостных и твердотельных лазеров) и может быть использовано при его конструировании для использования в устройствах прецизионной микрообработки материалов, а также в локационных системах при зондировании атмосферы и гидросферы

Изобретение относится к устройству импульсного лазера на самоограниченных переходах с высоким коэффициентом усиления активной среды (лазера на парах металлов, инертных газах, эксимерных, жидкостных и твердотельных лазеров) и может быть использовано при его конструировании для использования в устройствах прецизионной микрообработки материалов, а также в локационных системах при зондировании атмосферы и гидросферы

Изобретение относится к газоразрядным источникам оптического излучения, конкретно к конструкциям мощных импульсных источников оптического излучения, предназначенных для получения многократных периодических интенсивных импульсов оптического излучения короткой длительности для экспериментального и промышленного применения
Наверх