Способ стабилизации объемного разряда в hf/df импульсно-периодическом химическом лазере

Способ включает подачу импульсного напряжения на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами. Импульсное напряжение подают при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см2 на барьерные электроды, обладающие полупроводниковыми свойствами, сочетающими активное и емкостное сопротивления. Активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного электрода, равной 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода равным 1800-2200. Технический результат заключается в повышении удельных характеристик энергии излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HF/DF импульсно-периодических химических лазеров (HF/DF-ИПХЛ).

В HF/DF-ИПХЛ активная среда создается путем инициирования реакции F2+H2(D2) в заранее перемешанной газовой среде, содержащей указанные активные компоненты, внешним источником. Наиболее эффективным для инициирования импульсных газовых лазеров является использование импульсного высоковольтного объемного электроразряда. При подаче импульсного напряжения на электроды в активной среде возникает объемный разряд, который инициирует химическую реакцию, являющуюся источником возникновения колебательно-возбужденных излучающих молекул, генерирующих импульс лазерного излучения. Стабильность лазерных характеристик зависит от однородности электрического разряда в активной среде лазера. Для формирования однородного объемного разряда необходимо применение высокоинтенсивной предионизации разрядного промежутка, соблюдение жестких требований к профилю электродов и точности их плоскопараллельной установки. Одной из причин, приводящих к нарушению однородности разряда, формируемого между металлическими электродами, является появление катодных пятен, представляющих собой очаги неустойчивости.

Известен способ стабилизации разряда, посредством одно- или двумерной системой иглообразующих электродов, каждый из которых замкнут на дугогасительную нагрузку - сопротивление или индуктивность, где разряд в мощном нецепном лазере стабилизируется опозитной системой многолезвийных электродов, в которой локальная неустойчивость подавляется индивидуальной индуктивностью, подключенной к каждой пластине (Аксенов Ю.Н., Борисов В.П., Бурцев В.В. и др. «Импульсно-периодический DF-лазер с мощностью генерации 400 Вт», ж. «Квантовая электроника», т.31, №4, 2001, с.290-292). К недостаткам таких систем стабилизации следует отнести неоднородность разряда, имеющая масштаб шага между пластинами, стриммер-эффекты, возникающие на остриях, что приводит к неоднородности инициирования и плотности излучения в ближней зоне, а также к усложнению схемы разрядного контура. Для создания условий быстрой дислокации волновых возмущений нужно, чтобы стенки газового тракта, включающего разрядную камеру с активным объемом, представляли собой гладкостенный канал.

Для стабилизации объемного разряда при инициировании плазмохимических реакций могут быть использованы полупроводниковые керамические барьеры, покрывающие металлические электроды разрядной камеры. Выбор удельной емкости барьеров определяет величину удельного энерговклада в разряд и тем самым влияет на генерационные характеристики газового лазера (ε0 - электрическая постоянная, εr - относительная диэлектрическая проницаемость, d - толщина барьеров).

Известен способ стабилизации объемного разряда, который осуществляется посредством применения барьеров, соединенных с металлическим электродом, обладающим емкостным сопротивлением (Спичкин Г.Л. «Импульсный высоковольтный объемный разряд в элегазе», ж. «Журнал Технической Физики», изд-во “Наука”, т.56, №10, 1986, с.1923-1932). В барьерах, изготовленных из титаната бария, стабилизация разряда происходит следующим образом: в области локального роста плотности тока разряда растет емкостной ток смещения на барьере и емкостное падение напряжения, в результате этого падает локальная напряженность электрического поля в активной среде и разряд стабилизируется. Недостатками способа стабилизации объемного разряда посредством барьеров, имеющих емкостную проводимость, являются: ограничения предельной плотности тока объемной фазы разряда Ip≤0,1-1,0 кА/см2 до появления искровой фазы, контрагирования разряда; появления вторичных неустойчивостей, связанных с саморазрядом барьерных электродов, имеющих емкостное сопротивление. Все это определяет низкие удельные характеристики лазеров.

Задачей настоящего изобретения является повышение удельных характеристик, энергии излучения HF/DF-ИПХЛ путем эффективного разрядного инициирования.

Сущность изобретения заключается в том, что способ стабилизации объемного разряда в HF/DF импульсно-периодическом химическом лазере включает подачу импульсного напряжения, при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см2 на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами, причем барьерные электроды обладают полупроводниковыми свойствами, сочетающими емкостное и активное сопротивления, где активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного, равным 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода, равной 1800-2200.

Для решения поставленной задачи был разработан материал барьеров, обладающий полупроводниковыми свойствами, сочетающими в себе емкостное и активное сопротивления и одновременно удовлетворяющими условиям стабилизации разряда при высокой плотности тока и стойкости материала в агрессивной среде лазера. Указанное сочетание свойств материала барьеров было достигнуто путем легирования титаната бария рядом редкоземельных металлов. В ходе проведения технологических и экспериментальных работ было установлено, что добавка 0,3 ат.% ниобия к титанату бария обеспечивает плотность тока в объемную фазу разряда в лазерную смесь до 1 кА/см2, что эквивалентно удельному энерговкладу в объемную фазу разряда до 200 Дж/см3. Подбор материала барьерных электродов, сочетающих в себе активное и емкостное сопротивление, производился с учетом выполнения условия: t≤εj, t=ε0·ε·ρ - время саморазряда барьеров; ε - диэлектрическая проницаемость материала барьеров; ρ - объемное сопротивление материала барьеров; τj характеризует время развития неустойчивости в разряде ~10-7 с. Выполнение этого условия обеспечивает быстрое прекращение разряда и препятствует появлению вторичных неустойчивостей. В качестве материала барьеров использовался титанат бария с легирующей добавкой ниобия, обладающий относительной диэлектрической проницаемостью ~2000. Такой материал имеет объемное сопротивление ~50 Ом/см. Были разработаны и изготовлены барьерные электроды из титаната бария с добавкой ниобия с размерами активной поверхности 4,5×10 см2, а также конструкция сборных панелей, состоящих из ряда соединенных электродов с активной площадью поверхности 4,5×37 см2. Сборные панельные конструкции встраивались, как элементы, в корпус разрядной камеры.

Способ стабилизации объемного разряда в HF/DF-ИПХЛ осуществляется в разрядной камере следующим образом. В герметичную разрядную камеру, представленную на чертеже, включающую диэлектрический корпус 1, панели с полупроводниковыми барьерами 2 и окна для вывода излучения 3, подается непрерывный поток газовой смеси F2/O2/SF6/H2(D2) определенного состава и давления. Одновременно посредством высоковольтного зарядного устройства 4 производится зарядка накопительных конденсаторов генератора импульсного напряжения 5. После перемешивания компонентов фторводородной (дейтериевой) смеси с помощью специальных смесительных устройств в потоке подается команда на коммутацию генератора импульсного напряжения. Импульс напряжения подается на металлические электроды - основной 6 и промежуточный 7 и полупроводниковые барьерные электроды 2 разрядной камеры. В активной среде возникает объемный разряд с высокой степенью однородности, который инициирует реакцию F2+H2(D2) и генерацию импульса лазерного излучения, который выводится через флюоритовые окна 3. Процесс подачи напряжения, возникновения объемного разряда и генерации лазерного излучения производится с заданной частотой.

В результате экспериментальных исследований, проведенных на образце HF/DF-ИПХЛ, имеющих составные панельные барьерные электроды и большой разрядный промежуток, установлено, что емкостно-резистивный механизм стабилизации объемной фазы разряда приводит к повышению средней плотности тока разряда до 1 кА/см2, т.е. примерно в десять раз по сравнению с лазерной установкой, имеющей емкостной механизм стабилизации, что обеспечивает рост удельных характеристик от ~4 Дж/см3 m~4%) до ~40 Дж/см3m до 78% в зависимости от энерговклада в разряд). Данный механизм стабилизации разряда позволяет повысить предельное давление рабочей смеси до появления контрагирования ~в 1,5 раза.

Успешная апробация данного способа стабилизации объемного разряда позволяет создать конструкцию разрядных камер с большим активным объемом для HF/DF-ИПХЛ большой мощности.

Способ стабилизации объемного разряда в HF/DF импульсно-периодическом химическом лазере, включающий подачу импульсного напряжения на барьерные электроды, связанные с металлическими электродами, отличающийся тем, что импульсное напряжение подают при плотности тока объемной фазы разряда не менее 1 кА/см2 на барьерные электроды, обладающие полупроводниковыми свойствами, сочетающими активное и емкостное сопротивления, где активное сопротивление определяется объемным сопротивлением материала барьерного электрода, равным 48-52 Ом·см, а емкостное сопротивление определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости материала барьерного электрода, равной 1800-2200.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании йодных фотодиссоционных лазеров с оптической накачкой. .

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического тракта непрерывного химического лазера с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, например, в физике низкотемпературной плазмы и биологии. .

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.

Изобретение относится к генераторам синглетного кислорода и может быть использовано в химических кислород-йодных лазерах, а также в технологических установках по дезинфекции воды, нейтрализации и утилизации промышленных органических загрязнителей и отходов.

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. .

Изобретение относится к технической физике - к области генерации когерентного электромагнитного излучения (ЭМИ) - и может быть использовано при создании мощных лазерных систем, например, в технологических установках по фрагментированию отработанного оборудования ядерных реакторов атомных электростанций.

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике. .

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю.

Изобретение относится к химической технике и может быть использовано при разработке химических лазеров. .

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к области лазерной техники, и предназначено для использования при создании высокоэффективных и компактных газовых лазеров высокой мощности для индустриального применения, например для высокоточной сварки и резки металлов.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в медицине при лечении внутриполостных инфекций, в микроэлектронике, лазерной химии и в технологических процессах, требующих мощные УФ-излучения.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к способу получения лазерного излучения и устройству для его реализации. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при производстве волноводных одноканальных СО 2 лазеров с ВЧ-возбуждением. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке и производстве волноводных СО2-лазеров, возбуждаемых высокочастотным полем и имеющих складной двухканальный резонатор.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке лазеров на парах металлов и их соединений для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы.

Изобретение относится к лазерной технике. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с высокочастотным возбуждением активной среды и, в особенности, к отпаянным щелевым CO2 лазерам.

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к созданию импульсно-периодических газовых лазеров с поперечным разрядом, и может быть использовано в научных целях, медицине и лазерных технологиях.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем локации

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой образцов HFDF импульсно-периодических химических лазеров

Наверх