Устройство для возбуждения молекул и атомов газа

Устройство для возбуждения молекул и атомов газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Назначение

Предлагаемое изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в системах накачки газовых лазеров, для генерации плазмы и в иных источниках излучения (света) на основе использования газового разряда.

Уровень техники

Известно устройство возбуждения молекул и атомов рабочего газа с помощью комбинированного газового разряда в электроразрядном лазере (Патент Великобритании №1306746), содержащем два ряда цилиндрических электродов, подключенных к высоковольтному импульсному генератору, и расположенный между ними ряд цилиндрических электродов, подключенных к основному источнику питания. Через все три ряда электродов организован поток рабочего газа. Катодом выбран ряд нижних по потоку газа электродов, каждый из которых через индивидуальный резистор заземлен. При подаче высоковольтного импульса от генератора на верхний по потоку газа ряд электродов между ними и остальными электродами зажигаются самостоятельные разряды, создающие плазму. Для того чтобы самостоятельные разряды загорелись между всеми тремя рядами электродов, каждый из электродов среднего ряда подключен к основному источнику питания через последовательно соединенные индуктивности с резисторами. Созданная между вторым и третьим (по потоку газа) рядами электродов плазма проводит ток от источника питания. При очередной подаче высоковольтного импульса процесс повторяется.

Недостатками устройства являются относительно малые мощность и энерговклад, низкая граница устойчивости газового разряда, а также сложность конструкции электронной системы лазера, которая состоит из 132 электродов. Для возбуждения несамостоятельного разряда используется только часть того объема, в котором возбуждается самостоятельный разряд, что требует увеличения мощности генератора и габаритов. Кроме того, использование токоограничивающих резисторов снижает КПД лазера.

Известно еще одно устройство для возбуждения молекул и атомов рабочего газа (Патент РФ №2148882). Газовый лазер содержит газовую кювету с устройствами для прокачки газа и вывода излучения, теплообменником и разрядной камерой с двумя основными электродами и одним дополнительным, расположенным между основными электродами электродом, который через импульсные генераторы соединен с основными электродами, при этом электроды имеют внутренние каналы для потока газа, а поверхности электродов, перекрывающие газовый поток, выполнены в виде решеток, у которых наибольший размер сквозной решетки не превышает 3 мм. Данному техническому решению присущ значительный недостаток, связанный с контракцией объемного газового разряда в потоке газа, ограничивающей вводимые мощности и объемный вклад и, соответственно, мощность излучения электроразрядного газового лазера и его КПД.

Устройство (Патент РФ №2255398), принятое за прототип, содержит средство формирования потока, источник питания, рабочий газ и разрядную камеру, в которой размещены выполненные в виде решеток анод и катод. Причем решетка катода выполнена с регулярным шагом, не превышающим толщины катодного слоя нормального объемного тлеющего разряда. Для газовой смеси CO₂:N₂:He при давлении 30 тор шаг отверстий и перемычек катода составляет ~0,2 мм. Так как размер перемычек и отверстий достаточно мал, то участки катодного слоя соседних перемычек смыкаются в единую однородную, сплошную структуру. Весь поток газовой смеси проходит через катодный слой, затем через область положительного столба и через анодный слой прозрачного для потока анода, выполненного аналогично катоду, но с другим размером регулярного шага, после чего попадает в область генерации излучения. Поток газа пребывает в катодном слое очень малое время (частота смены газа ~10 Гц). Быстрая смена газа в тонком катодном слое (~10^-2 см) не позволяет развиться тепловой неустойчивости, что не только значительно повышает границу устойчивого горения нормального объемного тлеющего разряда, но и реализует аномальный объемный тлеющий разряд, удельные мощности накачки которого значительно превосходят накачку в нормальном объемном тлеющем разряде. Удельный энерговклад (энергия, введенная внутрь молекул, заполняющих единицу объема) достигает ~0,010 Дж/см³ как в области катодного слоя, так и в положительном столбе. Имеются ограничения на увеличение этой величины энерговклада, определяемые мощностью, габаритами и массой лазера. Эти ограничения связаны, в частности, с недостаточной проработкой вопроса формирования газового потока. Целью предлагаемого изобретения является увеличение энерговклада при неизменных габаритах и мощности устройства (или же снижение габаритов и мощности устройства при сохранении заданного энерговклада) за счет новой организации формирования газового потока.

Раскрытие изобретения

Устройство для возбуждения молекул и атомов газа представляет собой протяженную газовую кювету в виде вытянутого параллелепипеда, имеющего внешний корпус из изоляционного материала. Внутри корпуса вдоль стен газовой кюветы, параллельно друг другу, расположены электроды - анод и катод, выполненные в виде сеток, закрепленных на корпусе с помощью держателей. Держатели выполнены в виде рамок, закрепленных параллельно боковым граням кюветы с использованием изоляционных вставок. Сеточные электроды имеют ячейки размером в несколько мкм с таким же регулярным шагом между ячейками. Пространство между электродами представляет собой разрядную камеру для осуществления горения тлеющего разряда.

Сущность изобретения заключается в том, что в газовой кювете между каждым электродом-сеткой и стенками газовой кюветы образованы околоэлектродные камеры, выполняющие роль формирователя газового потока, причем каждая камера имеет индивидуальный подвод газа извне. Конструктивное решение подачи газа в околоэлектродные камеры представлено в виде нескольких продольно расположенных вдоль стенок кюветы трубок с отверстиями в своих стенках для выпуска газа.

При прохождении газовой смеси через сетчатые электроды между последними возникает аномальный тлеющий разряд, а в прикатодной и прианодной областях возникают тонкие приэлектродные слои. Так как размеры отверстий и перемычек между ними в электродах выбраны достаточно малыми, то струи газа над отдельными перемычками сливаются в сплошной поток, берущий начало из отверстий трубок формирователя газового потока. В зоне положительного столба разряда, а также в прианодном и прикатодном слоях образуется рабочая область, в которой происходит передача электрической энергии молекулам и атомам газа и их возбуждение. Использование трубок с отверстиями для подачи потока газа позволяет формировать поток с низкой скоростью прохождения газа через приэлектродные слои и положительный столб тлеющего разряда. Это приводит к увеличению времени пребывания газа в тонких приэлектродных слоях, где значительно увеличивается число возбужденных молекул или атомов и, соответственно, повышается общий энерговклад. Кроме того, использование трубок с отверстиями позволяет сформировать поток газа однородный по плотности по всей поверхности электродов. Это способствует выравниванию продолжительности пребывания газа в приэлектродных слоях на разных участках электродов, что также ведет к увеличению энерговклада.

В одной из боковых стенок газовой кюветы выполнена щель для выпуска из разрядной камеры потока возбужденных молекул или атомов газа в зону усиления излучения (в область резонатора, формирующего поток излучения).

Электроды разрядной камеры имеют возможность подключения к внешнему источнику постоянного тока, а подача рабочего газа к трубкам формирователя потока обеспечивается внешней системой газообеспечения.

Такое техническое решение позволяет увеличить энерговклад до ~1 Дж/см³ сек.

Перечень графических иллюстраций:

Фиг.1 - схема устройства для возбуждения молекул и атомов газа; Фиг.2 - конструкция газового лазера.

Выполнение

Рассмотрим пример конкретного схематичного исполнения устройства для возбуждения молекул и атомов газа (фиг.1). Устройство представляет собой газовую кювету 1 в виде параллелепипеда длиной 1 м прямоугольного сечения (длина сторон 9 см на 18 см), со стенками, выполненными из термостойкого пластика «дюростон», толщиной 5 мм. Внутри кюветы размещены анод 2 и катод 3.

Держатели электродов (держатель анода 4 и держатель катода 5) выполнены из алюминиевого сплава АМГ6 в виде рамок прямоугольно сечения, которые закреплены в угловых зонах по всей длине параллелепипеда параллельно боковым граням кюветы. Держатели 4, 5 заизолированы друг от друга с помощью пластин 6 из сапфира толщиной 3 см. Электроды 2, 3 выполнены в виде сеток, изготовленных из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм. Сетки имеют ячейки диаметром 5 мкм с регулярным шагом между ячейками 5 мкм. В околоэлектродных камерах-зонах 7 между каждым электродом и параллельной ему боковой гранью располагаются по две трубки 8 для подачи газа. Каждая трубка 8 имеет диаметр 6 мм. В боковой поверхности всех трубок имеются отверстия диаметром 0,2 мм. В торце газовой кюветы выполнена щель 9, имеющая зазор 5 мм и длину 80 см.

Конструкция газового лазера (фиг.2) включает в себя, помимо газовой кюветы, источник постоянного тока 10 напряжением 2 кВ, мощностью 20 кВт для питания разрядной камеры. Резонатор образован двумя зеркалами 11 и 12, причем зеркало 12 является полупрозрачным.

При работе в составе лазера (например, с газовым составом СО₂:N₂) заявляемое устройство размещается в вакуумной камере 13, где также размещены и зеркала 11 и 12, образующие резонатор. Между зеркалами, напротив щели 9, образуется зона усиления излучения 14. Выход излучения происходит через прозрачное окно 15 в торцевой стенке вакуумной камеры 13. Подача газа N₂ осуществляется из газификатора транспортной криогенной цистерны 16, а газа CО₂ - из баллона 17 со сжатым газом через распределительные устройства 18. Откачка из вакуумной камеры 13 осуществляется с помощью вакуумного насоса 19.

Устройство работает следующим образом. При включении источника питания 10 напряжение подается на сетки-электроды 2 и 3. Включается вакуумный насос 19. Одновременно в систему труб 8 формирователя газового потока через распределительные устройства 18 поступает газ из газификатора транспортной криогенной цистерны 16 и баллона высокого давления 17. Эти газы выходят в газовую кювету через отверстия в трубках 8 и перемешиваются в зонах 7 между стенкой кюветы 1 и электродами-сетками 2 и 3.

При прохождении газовой смеси через сетчатые электроды 2 и 3 между ними возникает тлеющий разряд, а в прикатодной и прианодной областях возникают тонкие приэлектродные слои. В межэлектродном пространстве в зоне положительного столба разряда и приэлектродных слоях реализуется рабочая область, где происходит накачка энергией молекул и атомов газа, которые через щель 9 попадают в вакуумную камеру 13, а именно в зону усиления излучения 14 резонатора. Усиленное в резонаторе излучение выводится наружу через окно 15 в стенке вакуумной камеры.

Реализация предлагаемого изобретения обеспечивает - для одних и тех же габаритов устройства - увеличение энерговклада до величины ~1 Дж/см³ сек за счет организации новой системы формирования газового потока.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец устройства, который при испытаниях подтвердил достижение вышеуказанного технического эффекта.

1. Устройство для возбуждения молекул и атомов газа, выполненное в виде протяженной газовой кюветы с диэлектрическими стенками, имеющей щель для вывода потока газа в зону резонатора, содержащее разрядную камеру с двумя параллельными решетчатыми электродами и формирователь газового потока, отличающееся тем, что формирователь газового потока состоит из двух отдельных камер, образованных внутри газовой кюветы электродами и расположенными за ними диэлектрическими стенками, причем каждая камера имеет индивидуальный подвод газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвод газа в каждую камеру выполнен в виде трубок с отверстиями в стенках, а трубки расположены продольно в зонах между электродами и стенками газовой кюветы.