УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА
DEVICE FOR GENERATING VOLUMETRIC DISCHARGE

Область техники
Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газоразрядных устройствах, в частности в электроразрядных импульсно-периодических лазерах с поперечным разрядом.
Уровень техники
Известно, что в электроразрядных лазерах, в момент предшествующий формированию объемного разряда, создание в объеме разрядного промежутка некоторой величины начальной концентрации электронов, достаточной для перекрытия лавин, развивающихся из начальных электронов при приложении к промежутку импульса высокого напряжения, качественным образом улучшает характеристики разряда. Обычно для получения начальной концентрации электронов в разрядном промежутке применяется предыонизация газовой смеси.
Известно, что в импульсно-периодических газовых лазерах время горения объемного разряда обычно достаточно мало, а средняя скорость носителей заряда (электронов и ионов) отличается на несколько порядков. В связи с этим в разрядном промежутке происходит образование объемного заряда, смещающего среднюю напряженность поля в сторону катода. Реализация механизма предыонизации, противодействующего этому эффекту, позволяет улучшить условия формирования объемного разряда, тем самым повысить удельный энерговклад, качество лазерного излучения, КПД, частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера. Типичный источник предварительной ионизации - УФ-излучение искрового разряда (разряда по поверхности, барьерного или коронного).
Известно устройство для формирования объемного разряда, включающее разрядную камеру с двумя противоположно расположенными электродами основного разряда, подключенными к источнику питания. Вдоль первого из основных электродов с двух сторон установлены электроды формирования емкостного разряда предварительной ионизации, каждый из которых выполнен в виде металлического проводника, заключенного в закрытую с одного конца и открытую с другого конца диэлектрическую трубку, и вспомогательного электрода. При этом металлический проводник соединен с дополнительным источником питания со стороны открытого конца трубки, а вспомогательный электрод соединен со вторым основным электродом [1].
Недостатком данного устройства является то, что не обеспечивается однородная предыонизация по поперечному сечению разрядного промежутка из-за того, что источник УФ-излучения освещает разрядный промежуток по конусу, поскольку электроды формирования емкостного разряда расположены таким образом, чтобы исключить их влияние на условия течения рабочей среды.
Известно устройство для формирования объемного разряда, включающее: лазерную камеру; электроды, образованные секциями, расположенными в верхней и в нижней частях разрядной камеры параллельно оптической оси излучения. Причем секции одного электрода смещены в продольном направлении относительно секций другого электрода, в котором выполнены отверстия; зеркала резонатора; синхронизирующий разрядник, расположенный в диэлектрической экранирующей трубке с отверстиями, соосными с отверстиями в секциях одного из электродов; источник питания с подключенными секциями электродов, соединенными в последовательную электрическую цепь [2].
Известно устройство для формирования объемного разряда, содержащее разрядную камеру, заполненную рабочей средой, два протяженных вдоль оптической оси лазера и расположенных симметрично относительно нее электрода, один из которых образован профилированными секциями и подключен к источнику питания, и предыонизатор. Предыонизатор расположен со стороны второго электрода, второй электрод также образован профилированными секциями. Секции одного электрода смещены в продольном направлении относительно секций другого электрода на половину их длины. На краях секций выполнены выступы, обращенные к оптической оси лазера, в выступах секций электрода, обращенного к предыонизатору, образованы сквозные отверстия. Предыонизатор выполнен в виде синхронизирующего разрядника, размещенного внутри диэлектрической экранирующей трубки с отверстиями напротив отверстий в секциях второго электрода, при этом источник питания подключен к крайним секциям первого электрода.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обладает однородностью предварительной ионизации рабочей среды из-за того, что выбрано устройство предыонизации разрядного промежутка в виде засветки излучением искры, проходящим последовательно через соответствующее отверстие в диэлектрической трубке и отверстие в нижнем электроде. Кроме того, при приложении к крайним секциям первого электрода импульса напряжения от источника питания, распределение разности потенциалов между секциями, образующими последовательную электрическую цепь, будет неизбежно неравномерно.
Известно устройство, содержащее разрядную камеру с двумя параллельно расположенными электродами основного разряда, подключенными к генератору импульсного напряжения питания основного разряда, электрод предыонизации, подключенный к вспомогательному генератору импульсного напряжения питания разряда предыонизации. При этом анод выполнен цельным и профилированным, а катод плоским и перфорированным, частично прозрачным для УФ излучения разряда предыонизации. Электрод предыонизации выполнен в виде металлической шины и отделен от катода диэлектрической пластиной [3].
К недостаткам данного устройства следует отнести то, что в нем не обеспечивается однородная по высоте засветка разрядного промежутка, поскольку источник УФ-излучения расположен под одним из основных электродов. Кроме того, использование отдельного источника импульсного напряжения для разряда предыонизации не позволяет применять для питания основного разряда источник знакопеременного (импульсно-периодический режим с изменением полярности основных электродов) или осциллирующего напряжения.
Последнее из рассмотренных решений [3], как наиболее близкое по технической и физической сущности к заявляемому изобретению, выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является получение однородного разряда в устройстве формирования объемного разряда при одновременном повышении надежности его работы при использовании как униполярного, так и знакопеременного напряжения питания разряда, а также получение компактной и модульной конструкции устройства.
Технический результат в заявляемом изобретении по п.1 достигается тем, что устройство формирования объемного разряда включает разрядную камеру, по крайней мере, одну электродную секцию, состоящую из двух основных электродов, расположенных параллельно и подключенных к источнику питания, электрод разряда предварительной ионизации, при этом один из основных электродов выполнен полупрозрачным, а электрод разряда предварительной ионизации в виде металлической шины отделен от него диэлектрической пластиной. Новым в устройстве является то, что второй основной электрод выполнен полупрозрачным, а с его обратной стороны установлен дополнительный электрод разряда предварительной ионизации в виде металлической шины и отделен от него диэлектрической пластиной, при этом оба электрода разряда предварительной ионизации электрически соединены, а источником питания служит генератор импульсных напряжений униполярного или знакопеременного напряжения. При этом в устройстве по п.2 электродные секции, число которых может быть как четным, так и нечетным, соединены в последовательную электрическую цепь таким образом, что анодный электрод какой либо секции соединен с катодным электродом смежной секции, а катодный с анодным другой смежной секции, а источник питания подключен к свободным электродам крайних секций.
Установка с обратной стороны второго полупрозрачного электрода дополнительного электрода разряда предварительной ионизации в виде металлической шины и отделенного от него диэлектрической пластиной и соединенного с первым электродом разряда предварительной ионизации позволяет повысить однородность начальной ионизации по высоте разрядного промежутка и получить однородный разряд в устройстве формирования объемного разряда при одновременном повышении надежности его работы при использовании как униполярного или знакопеременного, так и осциллирующего импульсного напряжения питания разряда.
Соединение электродных секций, число которых может быть как четным, так и нечетным, в последовательную электрическую цепь, подключенную к источнику питания, позволяет получить компактную и модульную конструкцию устройства. Кроме того, «перемешивание» прикатодных и прианодных зон генерации увеличивает однородность распределения энергии по высоте лазерного излучения.
Благодаря тому что электроды разряда предварительной ионизации не требуют подключения ни к потенциальным шинам, снижаются требования в диэлектрической изоляции соединения, ни к внешним источникам питания, электрически соединены только между собой, в конструкции лазерной камеры уменьшается количество вакуумных уплотнений - повышается надежность и упрощается конструкция лазера в целом.
Использование как униполярного или знакопеременного, так и осциллирующего импульсного напряжения питания основного разряда позволяет расширить функциональные возможности заявляемого устройства, а именно реализовывать квазинепрерывный режим работы лазера при его накачке ВЧ и СВЧ-разрядом.
Схема заявляемого устройства формирования объемного разряда с одной секцией представлена на фиг.1; на фиг.2 - по п.2, где 1 - разрядная камера, 2 и 3 - основные электроды, 4 - электроды предварительной ионизации, 4а - металлическая шина электрода предварительной ионизации, 4б - диэлектрическая пластина электрода предварительной ионизации, 5 - обратный токопровод электрода предварительной ионизации, 6 - генератор импульсного напряжения, 7 - электродная секция.
Заявляемое устройство выполнено следующим образом.
В разрядной камере 1 устройства формирования объемного разряда по п.1 размещена, по крайней мере, одна электродная секция, состоящая из двух параллельно установленных основных электродов 2 и 3, подключенных к источнику питания 6, двух электродов предварительной ионизации 4 в виде металлических шин 4а, отделенных с обратных сторон основных электродов 2 и 3 диэлектрическими пластинами 4б. Основные электроды 2 и 3 выполнены полупрозрачными и расположены вплотную к диэлектрическим пластинам 4а или с зазором, постоянным или переменным в поперечном сечении. Оба электрода разряда предварительной ионизации 4 электрически соединены посредством обратного токопровода 5, а источником питания служит генератор импульсных напряжений униполярного или знакопеременного напряжения 6. Электродные секции 7, используемые в устройстве по п.2, число которых может быть как четным так и нечетным, соединены в последовательную электрическую цепь, подключенную к источнику питания 6.
ОБ
БАР
Основные электроды и электроды предыонизации образуют общую емкость (С), подключенную параллельно разрядному промежутку и являющуюся последовательным соединением барьерных емкостей (С) каждой пары: основной электрод - диэлектрическая пластина электрода предварительной ионизации - металлическая шина электрода предварительной ионизации.
БАР
ДИЭЛ
ГАЗ
В том случаем, когда основные электроды выполнены с зазором с диэлектрическими пластинами электрода предварительной ионизации, С в свою очередь является последовательным соединением двух емкостей. Одна емкость образована диэлектрической пластиной (С), другая (С) - газовым промежутком.
БАР
Причем в общем случае основные электроды могут быть выполнены с разными зазорами по отношению к соответствующим им диэлектрическим платанам электрода предварительной ионизации и их С могут не совпадать.
Работу заявляемого устройства по п.1 формулы изобретения рассмотрим при реализации вариантов размещения основных электродов к диэлектрической пластине вплотную или с зазором.
ОБ
В первом варианте при подаче на основные электроды импульса напряжения происходит заряд емкости общей емкости (С), сопровождающийся емкостным разрядом по поверхности диэлектрических пластин электрода предварительной ионизации - скользящим разрядом незавершенной стадии. При этом коэффициент прозрачности основных электродов выбирается таким, чтобы развивающийся емкостной разряд формировался по всей поверхности диэлектрических пластин электрода предварительной ионизации, незанятой металлом. Емкостные разряды, во-первых, являясь интенсивными и однородными распределенными источниками УФ-излучения, осуществляют предыонизацию разрядного промежутка, а во-вторых, развивают эффективную поверхность основных электродов.
ОБ
ГАЗ
ДИЭЛ
Во втором варианте при подаче на основные электроды импульса напряжения происходит заряд емкости общей емкости (С). При этом, так как емкость газового промежутка (С) много меньше емкости диэлектрического барьера (С), практически все прикладываемое напряжение падает на емкостях газовых зазоров. При достижении напряженностью поля в газовых зазорах определенной величины, определяемой природой газа, происходит пробой в газе - формирование барьерного разряда (разряда ограниченного с одной или двух сторон диэлектриком). УФ-излучение барьерного разряда осуществляет предыонизацию промежутка основного разряда. Расположение источников УФ-излучения, барьерных разрядов под обоими полупрозрачными основными электродами повышает объемную однородность предыонизации разрядного промежутка, а следовательно, и однородность энерговклада в объемный разряд и надежность работы устройства формирования объемного разряда.
Заявляемое устройство по п.2 формулы изобретения работает следующим образом.
ОБ
ОБ
ОБ
ОБ
При подаче на основные электроды крайних электродных секций 7 импульса напряжения происходит заряд емкости С′, образованной последовательным соединением С n-секций. Таким образом С′ выполняет роль шунта, обеспечивающего равномерное распределение прикладываемого напряжения между последовательно включенными электродными секциями, обеспечивая одинаковую разность потенциалов на каждом разрядном промежутке. Заряд С каждой n-ой секции сопровождается формированием емкостного разряда и обеспечивает предыонизацию n-ого разрядного промежутка. В результате последовательного соединения секций происходит «перемешивание» прикатодных и прианодных зон генерации, что увеличивает однородность распределения энергии по высоте лазерного излучения. Кроме того, секционное выполнение устройства позволяет получить компактную и модульную конструкцию.
На предприятии проведена экспериментальная проверка работоспособности заявляемого устройства формирования объемного разряда. На экспериментальной установке с устройством формирования объемного разряда, выполненным по первому варианту п.1 (основные электроды расположены вплотную к диэлектрическим пластинам электродов предыонизации), получено экспериментальное подтверждение высокой однородности энерговклада в разрядный промежуток.
Заявляемое устройство найдет применение в газоразрядных устройствах, в частности в электроразрядных лазерах с повышенной частотой инициирования, с источниками знакопеременного импульсного напряжения, в технологических операциях, медицине, экологии и других областях техники.
Источники информации
1. Патент США №6650679, кл. H01S 3/0977 опубл. 18.11.2003.
2. Патент RU №2008753, кл. Н01S 3/0977 опубл. 28.02.1994.
3. В. Lacour «High average power HF/DF lasers» Proceedings of SPIE, vol.4071, p.9-16, 2000.