Способ возбуждения рабочей среды проточного газового лазера

 

Использование: в квантовой электротехнике, в частности в процессах возбуждения рабочей среды проточного газового лазера. Сущность изобретения: способ включает подачу напряжения на электроды разрядного промежутка, конвективную прокачку рабочего газа через область разряда поперек направления электрического поля, вдувание через перфорированную диэлектрическую пластину в прикатодную область разряда дополнительного газа со скоростью. Нормальная к направлению потока рабочего газа составляющая V₁, которая удовлетворяет условию: l/bV₀<V<0,1 V₀, где l - длина катодного слоя, b - размер перфорированной пластины в направлении потока рабочей среды, V₀ - скорость потока рабочей среды. Дополнительный газ обладает меньшими значениями прикатодного потенциала, нормальной плотности электрического тока и большим значением теплопроводности по сравнению с соответствующими величинами рабочего газа. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных проточных газовых лазерах с поперечным разрядом.

Известен способ возбуждения разряда, который заключается в том, что разряд возбуждают с направлением вектора напряженности электрического поля перпендикулярным направлению прокачки рабочего газа.

При данном способе возбуждения разряда наблюдается значительная неоднородность распределения характеристик как вдоль, так и поперек направления электрического поля. Напряженность электрического поля в прикатодной области значительно выше, чем в основной области разряда. За счет высокого катодного падения потенциала в прикатодной области происходит значительное энерговыделение. Ток разряда стремится сконцентрироваться в катодное пятно с нормальной плотностью тока. Вследствие повышенной напряженности поля у катода возможность развития неустойчивости в этой части разряда оказывается выше, чем в остальной части разряда.

Целью изобретения является повышение устойчивости газового разряда в поперечном потоке рабочего газа.

Известен способ возбуждения рабочей среды проточного газового лазера, включающий подачу постоянного электрического напряжения на электроды возбуждения и конвективную прокачку рабочей среды через область разряда в направлении, перпендикулярном направлению электрического поля разряда, и вдув дополнительного газа в прикатодную область разряда.

Недостатком известного способа являются недостаточная устойчивость разряда, а соответственно, энерговклад и выходная мощность лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение энерговклада, устойчивости разряда и мощности излучения лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе в прикатодную область разряда вдувают дополнительный газ с меньшими по сравнению с рабочей средой значениями прикатодного падения потенциала и нормальной плотности электрического тока и большим значением теплопроводности, при этом вдув дополнительного газа осуществляют через перфорированную диэлектрическую пластину, расположенную выше катода по потоку рабочей среды, с нормальной по отношению к направлению потока рабочей среды составляющей скорости дополнительного газа V₁, удовлетворяющей следующему соотношению: где l - длина катодного слоя; b - размер перфорированной пластины в направлении потока рабочей среды; V_o - скорость потока рабочей среды.

При организации газового разряда по данному способу в прикатодной области разряда оказывается газ, отличный от рабочего газа, обладающий меньшими значениями катодного падения потенциала и нормальной плотности электрического тока для фиксированного материала катода. При этом для фиксированного общего тока разряда площадь катодного пятна увеличивается, уменьшается неоднородность разряда вдоль тока.

Катодное падение потенциала и напряженность поля в приэлектродной области уменьшаются, что обусловливает увеличение времени развития неустойчивости в прикатодной области и соответственно увеличение устойчивости разряда.

Более высокая теплопроводность дополнительного тока обеспечивает эффективное охлаждение катода и рассасывание тепловых неоднородностей, являющихся причиной перегревно-ионизационной неустойчивости.

Выбор диапазона компоненты скорости V₁ дополнительного газа в направлении, перпендикулярном потоку рабочего газа, значения которой лежат в диапазоне обусловлен тем, что исключает перемешивание дополнительного и рабочего газа в основном объеме и обеспечивает требуемые заданные свойства рабочего газа.

При значениях V₁ меньших нижнего предела, прикатодная область заполнена дополнительным газом не полностью, что приводит к увеличению катодного падения потенциала, что не позволит повысить устойчивость разряда по сравнению с прототипом.

При значениях V₁ больше верхнего предела появляется возможность проникновения дополнительного газа в основной объем разряда и изменения заданных свойств рабочего газа.

На чертеже показано устройство, реализующее способ.

Анод 1 разрядной камеры выполнен сплошным, заделан заподлицо в диэлектрическую стенку 2. Катодный узел, расположенный между диэлектрическими пластинами 3, выполнен секционированным. Катоды 4 заделаны заподлицо в пористую диэлектрическую пластину 5 и через балластные сопротивления Р подключены к отрицательному полюсу источника питания.

Разрядная камера подключена к системам прокачки рабочего газа и вдува дополнительного газа (показаны стрелками). Здесь реализован случай вдува дополнительного газа, нормального к основному потоку рабочего газа.

Данный способ осуществляют следующим образом.

Через разрядную камеру подают основной поток рабочего газа, подают расход дополнительного газа через пористую диэлектрическую пластину в прикатодную область со скоростью, нормальная к направлению основного потока составляющая которой удовлетворяет условию Причем дополнительный газ обладает меньшим значением прикатодного падения потенциала, нормальной плотности электрического тока и большим значением теплопроводности по сравнению с соответствующими величинами для рабочего газа.

Например, рабочим газом может служить азот, а дополнительным газом может служить гелий.

Затем подают напряжение на электроды от источника питания.

В результате вдува дополнительного газа в прикатодную область разряда, если в качестве дополнительного газа использован гелий, а в качестве рабочего газа - азот, и катод был выполнен из железа, у катода плотность электрического тока уменьшается более чем в 180 раз, плотность тепловыделения на единицу длины вдоль направления основного потока уменьшается более чем в 300 раз, теплопроводность газа увеличивается более чем в 5 раз, что уменьшает вероятность развития ионизационно-перегревной неустойчивости у катода и соответственно повышает устойчивость разряда в рабочем газе. (56) Райзер Ю. П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М. : Наука, 1981, с. 544.

Патент США N 4152672, кл. 331-94.5, опублик. 1979.

Формула изобретения

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ ПРОТОЧНОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА, включающий подачу постоянного электрического напряжения на электроды возбуждения и конвективную прокачку рабочей среды через область разряда в направлении, перпендикулярном направлению электрического поля разряда, и вдув дополнительного газа в прикатодную область разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения энерговклада, устойчивости разряда и мощности излучения лазера, в прикатодную область разряда вдувают дополнительный газ с меньшими по сравнению с рабочей средой значениями прикатодного падения потенциала и нормальной плотности электрического тока и большим значением теплопроводности, при этом вдув дополнительного газа осуществляют через перфорированную диэлектрическую пластину, расположенную выше катода по потоку рабочей среды, с нормальной по отношению к направлению потока рабочей среды составляющей скорости дополнительного газа v₁, удовлетворяющей следующему соотношению: l/b v₀ < v₁ < 0,1v₀, где l - длина катодного слоя; b - размер перфорированной пластины в направлении потока рабочей среды;
v₀ - скорость потока рабочей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1