Газоразрядная камера быстропроточного лазера

 

Изобретение относится к области лазерной техники. Для упрощения конструкции и повышения эффективности работы коробчатый корпус газоразрядной камеры по ходу газового потока разделен на две части: переднюю с электродами предыонизации с параллельными боковыми стенками и заднюю с основными электродами, в которой стенки с катодной платой и анодной плитой расходятся по потоку под небольшим углом, электроды предыонизации расположены в плоскости, образующей угол 30-45^o с поверхностью передней части корпуса, содержит два токоподвода, подсоединенные к противоположным концам электродов и размещенные в плитах из диэлектрического материала. Анодная плита может состоять из расположенных в один ряд коробчатых профилей, выдвинутых относительно внутренней поверхности передней части корпуса, по которым проходит часть газового потока, в этих профилях могут быть отверстия для прохода газа, а сами профили в ряду могут быть расположены с небольшим зазором. Внутренняя поверхность коробчатых профилей покрыта слоем каталитического регенератора газовой смеси. Кроме того, в газоразрядной камере диэлектрик на электродах может иметь трубчатую форму при минимальном зазоре между трубкой и электродом, расстояние от электрода к анодной плите меньше или равно расстоянию между электродами, а между торцами электродов и удерживающими плитами имеется небольшой зазор . 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а точнее к газоразрядным камерам быстропроточных лазеров.

Известные газоразрядные камеры быстропроточных лазеров обычно состоят из коробчатого корпуса с параллельными стенками, внутри которого прокачивается рабочий газ, основных электродов, представляющих собой секционированную катодную, плату, закрепленную на одной внутренней стенке корпуса, и плоскую анодную плиту, закрепленную на противоположной стенке корпуса, электрода предыонизации в виде протяженного металлического стержня, покрытого диэлектриком и расположенного поперек газового потока перед основными электродами и возбуждаемого переменным током (см. газоразрядную камеру лазера фирмы "Мицубиси").

Недостатки этой газоразрядной камеры быстропроточного лазера заключаются в низкой эффективности ее работы из-за возбуждения разряда предыонизации в малой части поперечного сечения газового потока, а также из-за высокого газодинамического сопротивления корпуса вследствие повышения давления газа по потоку при его нагреве. Кроме того, основные элементы газоразрядной камеры сложны по конструкции.

Задачами предлагаемого технического решения являются упрощение конструкции элементов и повышение эффективности работы. Поставленные задачи реализуются за счет того, что коробчатый корпус по ходу газового потока разделен на две части: переднюю с электродами предыонизации с параллельными боковыми стенками и заднюю с основными электродами, в которой стенки с катодной платой и анодной плитой расходятся по потоку под небольшим углом, электроды предыонизации расположены в плоскости, образующей угол 30-45^o с поверхностью передней части корпуса, двух токоподводов, подсоединенных к противоположным концам электродов и размещенных в плитах из диэлектрического материала, удерживающих электроды.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 2 анодная плита состоит из расположенных в один ряд коробчатых профилей, оси которых совпадают с направлением газового потока, причем анодная плита смещена относительно внутренней поверхности передней части коробчатого корпуса внутрь на расстояние, равное ширине коробчатого профиля за вычетом толщины его стенки.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 3 стенки коробчатых профилей анодной плиты, прилегающие к разрядному пространству, имеют отверстия для прохода газа.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 4. коробчатые профили анодной плиты в ряду расположены с небольшим зазором между ними.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 5 внутренняя поверхность коробчатых профилей анодной плиты покрыта слоем каталитического регенератора газовой смеси.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 6 диэлектрик на электродах предыонизации имеет трубчатую форму, поверхность электродов предыонизации концентрична поверхности трубок, а расстояние между этими поверхностями минимально.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 7 расстояние между анодной плитой и ближайшим электродом предыонизации меньше или равно расстоянию между электродами предыонизации.

В газоразрядной камере быстропроточного лазера по п. 8 между торцевыми поверхностями электродов предыонизации, противоположными токоподводам, и плитами, удерживающими электроды, имеется небольшой зазор.

Разделение коробчатого корпуса на две части и расширение стенок в задней части по потоку под небольшим углом позволяет повысить однородность параметров газового потока за счет компенсации расширения газа при его нагреве и уменьшить газодинамическое сопротивление задней части коробчатого корпуса. Расположение электродов предыонизации в плоскости, образующий угол 30-45^o с поверхностью передней части корпуса, приводит к снижению газодинамического сопротивления передней части коробчатого корпуса.

Подсоединение токоподводов к противоположным концам электродов и размещение их в плитах из диэлектрического материала предотвращает возникновение пробоя между ними и связанных с этим непроизвольных потерь электроэнергии.

Наличие зазора между торцевыми поверхностями электродов предыонизации, противоположными токоподводам, и плитами, удерживающими электроды, позволяет поддерживать разряд на некотором расстоянии от поверхностей плит и предотвратить эрозию этих поверхностей.

Концентричность поверхности электродов ионизации поверхности трубок из диэлектрического материала при минимальном расстоянии между этими поверхностями позволяет снизить непроизвольные потери электроэнергии на электродах предыонизации за счет повышения однородности разряда и минимальной диэлектрической проницаемости.

Расстояние между анодной плитой и ближайшим электродом предыонизации, меньше или равное расстоянию между электродами, позволяет поддерживать разряд между двумя электродами и между ними и анодной плитой и тем самым повысить плотность электронов в рабочем газе.

Смещение анодной плиты, состоящей из коробчатых профилей, относительно внутренней поверхности передней части коробчатого корпуса внутрь на расстояние, равное ширине коробчатого профиля за вычетом толщины его стенки, приводит к минимальным искажениям газового потока. Наличие отверстий в стенках коробчатых профилей анодной плиты позволяет выходить газу в разрядный промежуток и охлаждать газовый поток разрядного промежутка. Небольшой зазор между коробчатыми профилями приводит к более эффективному охлаждению анодной плиты. Покрытие внутренней поверхности коробчатых профилей слоем каталитического регенератора газовой смеси приводит к увеличению срока службы рабочей смеси и к повышению снимаемой мощности лазерного излучения.

В результате всех вышеперечисленных конструктивных отличий эффективность работы газоразрядной камеры быстропроточного лазера повышается. Расположение электродов предыонизации в плоскости позволяет уменьшить размеры анодной плиты. Размещение токоподводов в плитах, удерживающих электроды предыонизации, позволяет объединить в плитах функции закрепления электродов и изоляции токоподводов. Выполнение анодной плиты из коробчатых профилей, расположенных в один ряд вдоль газового потока, дает возможность использовать охлаждение этой плиты не водой, а газовым потоком.

Эти конструктивные меры приводят к упрощению конструкции элементов газоразрядной камеры.

На фиг. 1 показана газоразрядная камера быстропроточного лазера, вид сбоку; на фиг. 2 - вид А со стороны входа газового потока; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3.

Коробчатый корпус 1 газоразрядной камеры состоит из передней части 2 с параллельными стенками и из задней части 3, стенки которой расходятся по потоку на небольшой угол: примерно 3^o. При большем угле может возникать неоднородность газового потока, а при меньшем может увеличиваться сопротивление течению газа. В задней части 3 на одной внутренней стенке корпуса 1 закреплена секционированная катодная плата 4, на противоположной стенке закреплена плоская анодная плита 4.

В передней части 2 корпуса 1 размещены электроды 6 предыонизации, покрытые диэлектриком 7 и расположенные в плоскости, образующей с внутренней поверхностью передней части 2 корпуса 1 угол , имеющий значения 30-45^o (фиг. 1). Минимальное газодинамическое сопротивление обеспечивается при угле наклона , равном 45^o.

Увеличение угла наклона плоскости электродов приводит к увеличению газодинамического сопротивления и увеличению размеров анодной плиты 5, что обуславливает снижение эффективности работы газоразрядной камеры и увеличению ее размеров. Уменьшение угла наклона до 30^o еще не приводит к заметному снижению газодинамического сопротивления, в то же время имеется возможность увеличить длину передней части 2 и уменьшить длину анодной плиты 5, что способствует более плавному течению газового потока.

Расстояние b между анодной плитой 5 и ближайшим электродом 6 предыонизации может быть меньшим или равным расстоянию a между двумя электродами 6 предыонизации.

К противоположным концам электродов 6 подсоединены токоподводы 8, размещенные в плитах 9 из диэлектрического материала, одновременно удерживающих электроды 6 (фиг. 2).

Диэлектрик 7 на поверхности электродов 6 может иметь трубчатую форму, например, быть изготовленным из стекла, поверхность электродов 6 концентрична поверхности трубок при минимальном зазоре между этими поверхностями (фиг. 1). В этом случае электроды могут быть в виде цилиндрических стержней, в виде фольги или в виде жидкого металла (ртути), плотно заполняющего внутренний объем трубок.

На фиг. 2 изображен вариант конструкции, в котором между торцевыми поверхностями электродов 6, противоположными токоподводам 8, и плитами 9 имеется небольшой зазор l, составляющий обычно 40-50 мм, что, как правило, больше или равно расстоянию между электродами 6.

На фиг. 3 показан узел I газоразрядной камеры быстропроточного лазера в варианте, когда анодная плита состоит из расположенных в один ряд коробчатых профилей 10, оси которых совпадают с направлением газового потока V_г. В этом случае анодная плита 5 смещена относительно внутренней поверхности передней части 2 коробчатого корпуса 1 внутрь на расстояние, равное ширине коробчатого профиля 10 за вычетом толщины его стенки. Внутренние стенки коробчатых профилей могут иметь отверстия 11.

На фиг. 4 показан вид Б на анодную плиту 5, состоящую из коробчатых профилей 10, расположенных в ряду с небольшим зазором . При этом внутренняя поверхность коробчатых профилей 10 покрыта слоем каталитического регенератора 12 газовой смеси, который представляет собой тонкий слой окислов металлов (CuO, ZnO, Al₂O₃, Fe₂O₃, MnO₂ и др.) или слой благородных металлов (An, Pt, Pd). При нагреве анодной плиты 5 до нескольких сот градусов каталитический регенератор 12 восстанавливает молекулы рабочей смеси газов (например, CO₂ и N₂).

Представленная газоразрядная камера быстропроточного лазера работает следующим образом. Через коробчатый корпус 1 прокачивают поток рабочего газа со скоростью V_г, обычно находящейся в пределах 50-100 м/с. На электроды 6 предыонизации, расположенные в передней части 2 корпуса 1, через токоподводы 8 подают переменное напряжение для поджига между ними тлеющего разряда. Роль балластного сопротивления в электродах 6 предыонизации выполняет слой диэлектрика 7. Расположение электродов 6 предыонизации в плоскости, наклоненной к внутренней поверхности передней части 2 корпуса 1 под углом , составляющим 30-45^o, приводит к минимальному газодинамическому сопротивлению передней части 2. Одновременно с этим можно увеличивать длину передней части 2 корпуса 1, что способствует более плавному течению газового потока при переходе от конфузора на входе (на фиг. 1 не показан) к задней части 3 корпуса 1. Трубчатая форма диэлектрика при концентричной и цилиндрической поверхности электродов 6 позволяет повысить однородность разряда, а минимальный зазор между поверхностью диэлектрика 7 и поверхностью электродов 6 приводит к снижению потерь электроэнергии (фиг. 1).

Наличие зазора l между электродами 6 и плитами 9 обеспечивает отсутствие контакта разряда и поверхностью плит 9 (фиг. 2). Расположение электродов 6 и анодной плиты 5 на расстоянии ab обеспечивает поддержание разряда не только между электродами 6, но и между электродом 6 и анодной плитой 5, что повышает эффективность предыонизации (фиг. 1).

Одновременно с подачей электрического напряжения на электроды 6 предыонизации, на анодную плиту 5 и секционированную катодную плату 4 подают постоянное высокое напряжение для создания между ними основного тлеющего разряда. Расширение стенок задней части 3 по потоку под небольшим углом позволяет скомпенсировать эффект расширения газа при его нагреве и тем самым уменьшить газодинамическое сопротивление.

В случае использования анодной плиты 5, состоящей из коробчатых профилей 10, часть газового потока проходит внутри коробчатых профилей 10, что приводит к их охлаждению. Смещение анодной плиты 5 внутрь на расстояние h уменьшает завихрения в газовом потоке (фиг. 3).

При наличии на внутренних стенках коробчатых профилей 10 отверстий 11 часть газа проходит из коробчатых профилей в разрядный промежуток задней части 3 корпуса 1, что приводит к дополнительному охлаждению газовой смеси.

При расположении коробчатых профилей в ряду с небольшим зазором (фиг. 4) газовый поток охлаждает каждый профиль 10 по четырем внутренним и трем наружным поверхностям. При наличии на внутренней поверхности коробчатых профилей регенерирующего вещества происходит его активизация из-за нагрева и частичное восстановление рабочего газа.

Формула изобретения

1. Газоразрядная камера быстропроточного лазера, состоящая из коробчатого корпуса, внутри которого прокачивается поток рабочего газа, основных электродов, представляющих собой секционированную катодную плату, закрепленную на одной внутренней стенке корпуса, и плоскую анодную плиту, закрепленную на противоположной стенке корпуса, электрод предионизации в виде протяженного металлического элемента, покрытого диэлектриком и расположенного поперек газового потока перед основными электродами, отличающаяся тем, что введен второй протяженный электрод предионизации, покрытый диэлектриком, электроды предионизации расположены параллельно друг другу в плоскости, образующей угол 30 - 45^o с поверхностью передней части корпуса, коробчатый корпус по ходу газового потока разделен на две части: переднюю с электродами предионизации с параллельными боковыми стенками и заднюю с основными электродами, в которой стенки с катодной платой и анодной плитой расходятся по потоку под небольшим углом, электроды предионизации расположены в плоскости, образующей угол 30 - 45^o с поверхностью передней части корпуса, а также введены два токоподвода, подсоединенных к противоположным концам электродов предионизации и размещенных в плитах из диэлектрического материала, удерживающих электродов предионизации.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что анодная плита состоит из расположенных в один ряд коробчатых профилей, оси которых совпадают с направлением газового потока, причем анодная плита смещена относительно внутренней поверхности передней части коробчатого корпуса внутрь на расстояние, равное ширине коробчатого профиля за вычетом толщины его стенки.

3. Камера по п. 2, отличающаяся тем, что стенки коробчатых профилей анодной плиты, прилегающие к разрядному пространству, имеют отверстия для прохода газа.

4. Камера по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что коробчатые профили анодной плиты в ряду расположены с небольшим зазором между ними.

5. Камера по каждому из пп.2, 3 и 4, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность коробчатых профилей анодной плиты покрыта слоем каталитического регенератора газовой смеси.

6. Камера по каждому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что диэлектрик на электродах предионизации имеет трубчатую форму, поверхность электродов предионизации концентрична поверхности трубок, а расстояние между этими поверхностями минимально.

7. Камера по каждому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что расстояние между анодной плитой и ближайшим электродом предионизации меньше или равно расстоянию между электродами предионизации.

8. Камера по каждому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что между торцевыми поверхностями электродов предионизации, противоположными токоподводам, и плитами, удерживающими эти электроды, имеется небольшой зазор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4