ТРУБКА ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ДЛЯ ЛАЗЕРА НА СТРОНЦИИ

Настоящая полезная модель относится к устройствам со стимулированным излучением, в частности к газовым лазерам, и может быть использована для создания лазеров на парах стронция, обеспечивающего генерацию излучения в течение длительного времени без замены выходных окон и самой газоразрядной трубки.
Известна трубка газоразрядная для лазера на парах стронция, описанная в заявке на изобретение «Лазер на парах стронция» № 2008120259 с приоритетом от 21.05.2008, опубликована  27.11.2009.
Эта трубка газоразрядная содержит керамическую трубку из окиси бериллия, в канале которой помещена навеска металлического стронция, а на концах этого канала  установлено по одному электроду. При этом указанная керамическая трубка помещена внутри кварцевой трубки, пространство между этими трубками заполнено каолиновой ватой, канал керамической трубки и внутреннее пространство кварцевой трубки соединены между собой. На каждом из концов указанной кварцевой трубки жёстко закреплено по одному выходному окну, каждое из которых изготовлено в виде плоской пластины из фторида бария или кальция, причём эти  выходные окна расположены на концах указанной кварцевой трубки таким образом, чтобы они полностью перекрывали канал керамическая трубки, а их плоскость была наклонена к оптической оси этой керамическая трубки под углом (85÷88) градусов в плоскости продольного сечения этой же трубки.
При работе этой газоразрядной трубки в её разрядном канале образуются пары стронция, которые распространяются по всему объёму этого канала и при этом оседают на поверхности каждого из выходных окон. В результате этого по истечении небольшого отрезка времени излучение, генерируемое данной газоразрядной трубкой, перестаёт проходить через выходные окна этой трубки и полностью прекращается генерация излучения лазером, в котором установлена данная  газоразрядная трубка. Обусловлено это тем, что между парами стронция в канале указанной керамической трубки  и выходными окнами, закреплёнными на концах газоразрядной трубки, нет ничего, что препятствовало бы прохождению паров стронция к поверхности этих выходных окон.
Ближайшей из известных является газоразрядная трубка для лазера на парах стронция, описанная в патенте РФ №2439763 с приоритетом от 21.07.2010, опубликован 10.01.2012. Эта газоразрядная трубка для лазера на парах стронция содержит: керамическую трубку  из окиси бериллия; два электрода, расположенные в канале указанной керамической трубки на обеих её концах; кварцевую трубку  и два выходных окна, каждое из которых выполнено в виде плоской пластины из монокристаллического фторида бария или кальция; при этом керамическая трубка  из окиси бериллия выполнена с внутренним диаметром (8÷50)мм и длиной (20÷150) см и в канале этой трубки помещён металлический стронций, а внутри этого канала у каждого его конца установлено по одному металлическому электроду; при этом указанная кварцевая трубка выполнена с внутренним диаметром, превышающим диаметр керамической трубки  из окиси бериллия, по меньшей мере, на 3 мм, а указанная керамическая трубка  расположена внутри этой кварцевой трубки соосно с ней, причём пространство между стенками этих трубок заполнено термостойким теплоизолятором, например каолиновой ватой; при этом указанные плоские выходные окна жёстко закреплены на концах кварцевой трубки  - по одному на каждом конце, и закреплены таким образом, чтобы они полностью перекрывали канал керамической трубки  из окиси бериллия и чтобы при этом оба они были расположены таким образом, чтобы через геометрический центр плоскости каждого из них проходила геометрическая ось указанной керамической трубки  и чтобы сами эти  плоскости были наклонены к геометрической оси керамической трубки  под углом (85 ÷ 88) (93÷98) градусов в плоскости продольного сечения всей газоразрядной трубки и чтобы при этом они отстояли от торцов этой керамической трубки  на расстояние, равное (4÷6) D, где D - внутренний диаметр этой же керамической трубки.
При работе этой трубки газоразрядной на электроды, расположенные в канале керамической трубки  из окиси бериллия, подают высокое импульсное напряжение и в канале керамической трубки  из окиси бериллия возникает высоковольтный электрический разряд, в результате чего в этом канале создаётся высокая температура и расположенный в нём металлический стронций переходит в пар, который распространяется по всему объёму этого канала, и при этом частицы стронция оседают на поверхности каждого из выходных окон, в результате чего по истечении небольшого отрезка времени излучение, генерируемое данной газоразрядной трубкой, перестаёт проходить через выходные окна этой рубки и полностью прекращается генерация излучения лазером, в котором установлена данная  газоразрядная трубка. Обусловлено это тем, что между парами стронция в канале керамической трубки  из окиси бериллия и выходными окнами, закреплёнными на концах этой газоразрядной трубки, нет ничего, что препятствовало бы прохождению паров стронция к поверхности этих выходных окон.
Технической задачей данной полезной модели является создание внутри газоразрядной трубки такого условия, которое сильно снизит объём прохождения паров стронция к поверхности выходных окон.
кер
кер
Поставленная задача решается тем, что так же, как известная газоразрядная трубка для лазера на стронции, данная газоразрядная трубка содержит кварцевую трубку, керамическую трубку  из окиси бериллия с электродами на её концах и два выходных окна, выполненных в виде плоских пластин из монокристаллического фторида бария или кальция; при этом кварцевая трубка имеет толщину стенок (1÷3) мм, керамическая трубка  из окиси бериллия выполнена с толщиной стенок (2÷3) мм, с внутренним диаметром (8÷50) мм и длиной (20÷150) см, в канале этой керамической трубки помещён металлический стронций,  а у каждого конца этого канала установлено по одному металлическому электроду; при этом указанная кварцевая трубка выполнена с внутренним диаметром, превышающим диаметр керамической трубки  из окиси бериллия, по меньшей мере, на 3 мм, причём указанная керамическая трубка из окиси бериллия расположена внутри указанной кварцевой трубки и соосно с ней, а пространство между стенками   кварцевой и  керамической трубок заполнено термостойким теплоизолятором, например каолиновой ватой, а каналы кварцевой и  керамической трубок связаны между собой; при этом указанные выходные окна жёстко закреплены на концах кварцевой трубки  - по одному на каждом конце - и установлены таким образом, чтобы они полностью перекрывали канал керамической трубки из окиси бериллия и при этом оба были расположены таким образом, чтобы через геометрический центр плоскости каждого них проходила геометрическая ось указанной керамической трубки  и чтобы сами эти  плоскости были наклонены к геометрической оси керамической трубки  под углом (85 ÷ 88) или (93÷ 95) градусов в плоскости продольного сечения всей газоразрядной трубки, причём каждое из указанных окон отстоит от конца керамической трубки, по меньшей мере, на 5D, где D - диаметр канала керамической трубки из окиси бериллия.
В отличие от известной в данной газоразрядной трубке каждый из установленных на концах керамической трубки металлических электродов выполнен в виде усечённого конуса, при этом диаметр каждого из оснований этих усечённых конусов равен диаметру канала кварцевой трубки, в канале которой установлена керамическая трубка, диаметр усечённой вершины этого конуса равен диаметру канала керамической трубки, а угол при вершине этого конуса равен (35÷45) градусов, причём оба этих металлических электрода выполнены из листового металла толщиной (1÷ 3) мм, внутренняя поверхность выполнена блестящей и оба эти электрода установлены внутри кварцевой трубки так, чтобы плоскость основания усечённого конуса каждого, в виде которого они выполнены, совпадала с плоскостью торца керамической трубки или отстояла от неё не более, чем на 2 мм, и чтобы оба эти электрода были расположены соосно с керамической трубкой.
Расположение отражающих поверхностей под углом друг к другу (35÷55), как это существует в коническом отражателе, отражает падающее на них инфракрасное излучение, создаваемое электрическим разрядом в кварцевой трубке. Причём во внутреннем объёме конического отражателя формируется поле инфракрасного излучения большой интенсивности. Обусловлено это тем, что при отражении от поверхностей, расположенных под такими углами, лучи этого излучения перекрывают друг друга, оставаясь в пределах внутреннего объёма отражателя.
При расположении  этих  поверхностей под углом меньше 35 градусов отражённое инфракрасное излучение  выходит в виде оптического поля за пределы внутреннего объёма конического отражателя со стороны выходного окна, вследствие чего температура во внутреннем объёме отражателя снижается. При расположении  этих  поверхностей под углом больше 55 градусов отражённое инфракрасное излучение также выходит в виде оптического поля за пределы внутреннего объёма конического отражателя,  но со стороны основания  отражателя, вследствие чего температура во внутреннем объёме отражателя тоже снижается. Эта особенность отражения инфракрасного излучения была установлена авторами данной полезной модели экспериментально.
Таким образом, внутри конического отражателя при возбуждении в керамической рубке высоковольтного электрического разряда внутри конического отражателя возникает зона с температурой выше, чем температура в канале самой керамической трубки, и эта зона оказывается расположенной перед выходным окном. В результате этого пары стронция не могу пройти к поверхности выходных окон, т.к. эти пары находятся в более холодной зоне. Таким разом поверхности выходных окон не загрязняются оседающими на них частицами стронция. Техническим результатом этого является значительное увеличение срока службы лазера на парах стронция без замены выходных окон.
На рисунке показана трубка газоразрядная для лазера на парах стронция  в сечении по продольной оси. Эта трубка содержит:
- кварцевую трубку 1;
2
2
- керамическую трубку из BaF или CaF- 2;
- два выходных она - 3;
- два конических электрода - 4;
- теплоизолятор, например каолиновую вату - 5;
- металлический стронций - 6.
При этом кварцевая трубка 1 имеет толщину стенок (1÷3) мм. Керамическая трубка  из окиси бериллия 2 выполнена с толщиной стенок (2÷3) мм, с внутренним диаметром (8÷50)мм и длиной (20÷150) см и она расположена в канале кварцевой трубки 1 и соосно с ней.
В канале керамической трубки 2 помещён в виде небольших кусочков металлический стронций 6,  а у каждого конца этого канала установлено по одному металлическому электроду 4, причём эти металлические электроды 4 выполнены в виде усечённого конуса, при этом диаметр каждого из оснований этих усечённых конусов равен диаметру канала кварцевой трубки 1, в канале которой установлена керамическая трубка 2, диаметр усечённой вершины этого конуса равен диаметру канала керамической трубки 2, а угол при вершине этого конуса равен (35÷45) градусов, причём оба указанных металлических электрода 4 выполнены из листового металла толщиной (1÷ 3) мм, а их  внутренняя поверхность выполнена блестящей. Указанные металлические электроды 4 установлены внутри кварцевой трубки 1 и таким образом, чтобы они располагались соосно с керамической трубкой 2 и чтобы их основания, которые являются основанием усечённой пирамиды, упирались в торец этой керамической трубки 2. К каждому металлическому электроду 4 одним концом жестко прикреплены электрические выводы 7 - по одному на каждый электрод 4 - причём один конец каждого из этих выводов 7 выведен через стенку кварцевой трубки 1 наружу и оставлен свободным.
Данная трубка газоразрядная для лазера на стронции работает следующим образом.
Через электрические выводы 7 на металлические электроды 4 от внешнего источника электрического тока, например от блока питания электрическим током _______, подают импульсный электрический ток под высоким напряжением, причём характеристики этого тока задаются указанным источником электрического тока. Вследствие этого между металлическими электродами 4 в канале  керамической трубки 2 возникает высоковольтный импульсный электрический разряд. Этот импульсный электрический разряд разогревает пространство в канале керамической трубки 2 до такой температуры, при которой находящийся в канале керамической трубки 2 металлический стронций 6 переходит в парообразное состояние. Разогретая в канале указанного электрического разряда газовая среда, содержащая пар стронция, генерирует инфракрасное излучение, которое по каналу керамической трубки 2, проходит через усечённую вершину каждого металлического электрода 4 и доходит до каждого из выходных окон 3. При этом, указанное инфракрасное излучение, проходя через объём каждого из металлических электродов 4, отражается от внутренней поверхности этих электродов 4. Поскольку металлические электроды 4 выполнены в виде усечённых конусов и расположены соосно и навстречу друг другу своими основаниями, то инфракрасное излучение проходит через основания этих электродов сквозь их объём и попадает на выходные окна 3 этой трубки газоразрядной. Проходя через объём каждого из металлических электродов 4, инфракрасное излучение отражается от внутренних поверхностей в каждом электроде 4 и таким образом, что инфракрасное излучение, отражённое от противоположных сторон электрода 4, распространяется во внутреннем объёме электрода 4 навстречу друг другу и заполняет внутренний объём электрода 4. При этом, поскольку отражающие стороны электрода 4 расположены под углом друг к другу в (35÷44) градусов, то инфракрасное излучение заполняет, в основном, только внутренний объём каждого из  электродов 4. При этом следует учитывать, что если отражающие стороны электрода 4 расположены под углом 35 градусов, то отражённое от сторон электрода 4 инфракрасное излучение выйдет за пределы внутреннего объёма электрода 4 со стороны усечения конуса, в виде которого выполнен электрод 4, или со стороны выходного окна 3. Если же отражающие стороны электрода 4 расположены под углом 55 градусов, то отражённое от сторон электрода 4 инфракрасное излучение выйдет за пределы внутреннего объёма электрода 4 со стороны основания конуса, в виде которого выполнен электрод 4, или со стороны керамической трубки 2.
инфракрасное излучение, заполнившее внутренний объём электрода 4, как показано выше, сформирует во внутреннем объёме электрода 4 область с более высокой температурой, чем в канале керамической трубки 2. В результате этого содержащиеся в канале керамической трубки 2 пары стронция будут задерживаться в этой зоне, расположенной во внутреннем объёме электрода 4, и не пройдут к поверхности каждого из выходных окон 3. Вследствие этого на поверхности выходных окон 3 не будут осаждаться частицы стронция, а значит, эти окна 3 не будут загрязняться и трубка будет работать без замены выходных окон 3 намного дольше. Именно в этом заключается технический эффект, достигаемый за счёт использования данной полезной модели.