СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПОВТОРЯЮЩЕГОСЯ РАЗРЯДА В ГАЗЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CREATING PULSED REPETITIVE DISCHARGE IN GAS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к лазерной технике, а конкретнее - к способу создания импульсного повторяющегося разряда в газе и к устройству для его осуществления.
Уровень техники
Для получения активной лазерной среды в газовых электроразрядных лазерах, работающих в импульсно-периодическом режиме, необходимо создавать повторяющиеся электрические разряды в газовой среде такого лазера.
В настоящее время известны способы и устройства, создающие импульсные повторяющиеся разряды в газовой среде.
Например, в патенте РФ 2236074 (опубл. 10.09.2004) описаны способ формирования объемного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере и устройство для его реализации. В этом техническом решении электроды на противоположных стенках камеры выполнены в виде наклонных лезвий, что позволяет подавлять возникающие в камере акустические волны. Минусом данного технического решения является недостаточно высокая частота повторения разрядных импульсов вследствие того, что после каждого разряда в камере остается на некоторое время след ионизированного газа, который способен при последующем импульсе инициировать начальную неоднородность, развивающуюся далее с формированием резко неоднородного шнурового разряда.
Попытка преодоления этого недостатка предпринята в устройстве формирования объемного разряда по патенту РФ 2596908 (опубл. 10.09.2016), в котором используется электрод предварительной ионизации. Этого, однако, недостаточно для устранения вышеуказанного отрицательного явления.
В качестве наиболее близкого аналога следует указать патент США 4464760 (опубл. 07.08.1984), в котором раскрыто устройство с удлиненной камерой для использования в комбинации с поперечно возбуждаемым газовым лазером. В этом устройстве электроды установлены вдоль удлиненной разрядной камеры с четырех ее сторон и запитываются попарно переменным напряжением со сдвигом на 90° друг от друга. В результате разряд горит непрерывно, но при этом направление тока «вращается» внутри камеры, что позволяет повысить устойчивость разряда к возникновению пространственной неоднородности. Однако спонтанно возникшая неоднородность может вращаться в пространстве между электродами вместе с постепенным изменением направления тока. Кроме того, частота повторения разрядных импульсов все же остается недостаточно высокой.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на преодоление указанных недостатков уровня техники, в том числе и ближайшего аналога. Технический результат заключается в повышении устойчивости разряда к возникновению пространственной неоднородности и в существенном повышении частоты повторения разрядных импульсов, при одновременном расширении арсенала технических средств.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ создания импульсного повторяющегося разряда в газе, заключающийся в выполнении следующих действий: размещают в электроразрядной камере две пары электродов так, что катод и анод в каждой паре находятся на противоположных поверхностях электроразрядной камеры, а угол пересечения линий, соединяющих центры симметрии рабочих поверхностей обеих пар электродов, составляет от 45° до 135°; заполняют электроразрядную камеру рабочим газом; запитывают каждую из пар электродов импульсным напряжением поочередно во времени.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что на противоположных поверхностях электроразрядной камеры могут размещать либо одноименные, либо разноименные электроды разных пар.
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что временной интервал между запитывающими импульсами разных пар электродов могут выбирать из условия минимизации влияния следа от предыдущего разряда в рабочем газе на следующий разряд.
Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что запитку пар электродов могут осуществлять либо импульсным напряжением, либо синусоидальным напряжением через диодный выпрямитель.
Наконец, еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что электроразрядную камеру могут либо заполнять рабочим газом однократно, либо создавать через нее поток рабочего газа.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено электроразрядное устройство для создания импульсного повторяющегося разряда в газе, содержащее: электроразрядную камеру, заполненную рабочим газом; две пары электродов, размещенные в электроразрядной камере так, что катод и анод в каждой паре расположены на противоположных поверхностях электроразрядной камеры, а угол пересечения линий, соединяющих центры симметрии рабочих поверхностей обеих пар электродов, составляет от 45° до 135°; источник электропитания, выполненный с возможностью подавать импульсы питания на каждую из пар электродов поочередно во времени.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что на противоположных поверхностях электроразрядной камеры могут быть размещены либо одноименные, либо разноименные электроды разных пар.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что временной интервал между запитывающими импульсами разных пар электродов может быть выбран из условия минимизации влияния следа от предыдущего разряда в рабочем газе на следующий разряд.
Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что источник электропитания может быть выполнен в виде генератора импульсов с двумя выходами, предназначенными для поочередной выдачи импульсов и соединенные с соответствующими электродами обеих пар электродов.
Еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что источник электропитания может быть выполнен в виде генератора синусоидального напряжения и снабжен диодным выпрямителем, выполненным с возможностью подавать синусоидальные полуволны разной полярности на разные пары электродов.
Наконец, еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что электроразрядная камера может быть выполнена либо с возможностью однократного заполнения рабочим газом, либо с возможностью протекания потока рабочего газа.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана условная схема электроразрядного устройства по второму объекту настоящего изобретения.
На Фиг. 2 приведена примерная схема варианта переключающего средства в устройстве по Фиг. 1.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящее изобретение описано далее со ссылками на чертежи.
Способ по первому объекту настоящего изобретения может быть реализован с помощью электроразрядного устройства по второму объекту настоящего изобретения, условная схема которого показана на Фиг. 1. Это электроразрядное устройство для создания импульсного повторяющегося разряда в газе содержит не показанную на Фиг. 1 электроразрядную камеру, заполненную рабочим газом. В качестве рабочего газа может использоваться любой газ или смесь газов, используемые в газовых электроразрядных лазерах, например, такие, как описано в упомянутом патенте США 4464760, либо как раскрыто в патенте США 4426706 (опубл. 17.01.1984).
Отметим, что, как известно специалистам, электроразрядная камера может заполняться рабочим газом как однократно, так и путем пропускания через нее потока рабочего газа. В последнем случае создаваемый в электроразрядной камере газовый поток обеспечивает вынос нагретого разрядом газа и замену его холодным газом, что, в свою очередь, обеспечивает конвективное охлаждение активного объема электроразрядной камеры.
Внутри электроразрядной камеры на противоположных поверхностях размещены изоляторы 1 и 2. На изоляторе 1 размещены катод 3.1 первой пары электродов и анод 4.2 второй пары электродов; на противоположном изоляторе 4 размещены анод 4.1 второй пары электродов и катод 3.2 первой пары электродов. При этом обе пары электродов расположены так, что угол а пересечения линий 5 и 6, соединяющих центры симметрии рабочих поверхностей обеих пар электродов, составляет от 45° до 135°. В предпочтительном варианте осуществления этот угол близок к 90°. Здесь каждый из электродов может иметь и несимметричную форму, в таком случае линии 5 и 6 соединяют некоторые центры рабочих поверхностей электродов.
В принципе, порядок расположения электродов 3.1, 4.2 и, соответственно 4.1, 3.2 не имеет большого значения. На противоположных поверхностях электроразрядной камеры (на изоляторах 1 и 2) могут располагаться как одноименные электроды обеих пар (к примеру, аноды или катоды), так и разноименные электроды обеих пар (к примеру, как показано на Фиг. 1). Важен именно угол между линиями 5 и 6.
Электроразрядное устройство для создания импульсного повторяющегося разряда в газе по Фиг. 1 содержит далее источник 7 электропитания, выполненный с возможностью подавать импульсы питания на каждую из пар электродов поочередно. Эта возможность может быть реализована в нескольких вариантах.
Как показано на Фиг. 1, источник 7 электропитания включает в себя генератор 8 однополярных повторяющихся импульсов, и эти импульсы подаются на два его выхода, соединенных со входами коммутатора 9, который попеременно переключает поступающие на его входы импульсы то на первый выход и, соответственно, на первую пару электродов 3.1, 3.2, то на второй выход и, следовательно, на вторую пару электродов 4.1, 4.2. Амплитуда импульсов выбрана достаточной для того, чтобы в рабочем газе внутри электроразрядной камеры происходил разряд. В результате этот разряд происходит между электродами то первой, то второй пары.
На Фиг. 2 показана схема другого варианта осуществления источника 7 электропитания. В этой схеме источник 7 электропитания содержит генератор 10, который выдает на свой выход разнополярные чередующиеся импульсы, а не повторяющиеся однополярные, как в варианте с генератором 8 по Фиг. 1. Выход этого генератора 10 соединен со входами диодного выпрямителя 11, выходы которого подключены к соответствующим электродам, ссылочные позиции которых указаны на Фиг. 2. В данном варианте диодный выпрямитель 11 выполняет функцию переключающего коммутатора, поэтому отсутствует необходимость в подаче управляющего коммутацией сигнала (как для коммутатора 9).
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется в электроразрядном устройстве по Фиг. 1 следующим образом.
После вышеописанного размещения в электроразрядной камере двух пар электродов так, что катод и анод в каждой из этих пар находятся на противоположных поверхностях электроразрядной камеры, а угол пересечения линий, соединяющих центры симметрии рабочих поверхностей обеих пар электродов, составляет от 45° до 135° (предпочтительно около 90°), электроразрядную камеру заполняют рабочим газом (один раз либо пропуская поток рабочего газа через электроразрядную камеру) и запитывают каждую из пар электродов поочередно, подавая разрядные импульсы сначала на электроды одной, а затем на электроды другой пары. Целесообразно выполнять пары электродов одинаковыми и размещать их симметрично.
Предпочтительно, временной интервал между запиткой разных пар электродов выбирают из условия минимизации влияния следа от предыдущего разряда в рабочем газе на следующий разряд.
Как уже отмечено, запитку пар электродов осуществляют импульсным напряжением в соответствии с Фиг. 1 или Фиг. 2. Однако эту запитку можно осуществлять и синусоидальным напряжением, подаваемым через показанный на Фиг. 2 диодный выпрямитель. В этом случае источник 7 электропитания, как правило, существенно упрощается,
Действительно, ток разряда в рабочем газе будет возникать (резко нарастать), только начиная с момента, когда напряжение достигло некоторой пороговой величины. И ток разряда будет быстро снижаться после момента, когда при снижении напряжения оно станет меньше некоторого порога. Тем самым, при синусоидальном напряжении, ток разряда будет иметь вид импульсов, между которыми есть зазоры.
Например, пусть используется синусоида напряжения с амплитудой 1000 В промышленной частоты 50 Гц, то есть с длиной полупериода 10 миллисекунд. Ток будет резко нарастить с момента, когда напряжение превысит величину, достаточную для быстрой ионизации газа, например, ~800 В. После того, как напряжение при снижении станет менее некоторой величины, при которой ионизация становится малой, например, ~700 В, ток начнет резко снижаться. Длина импульса тока окажется примерно ~3 мс, а зазор между импульсами тока составит ~7 мс. Время нарастания тока (роста ионизации) и время снижения тока (рекомбинационного снижения ионизации) обычно сильно различаются по величине.
2
Синусоидальное электропитание питание интересно тем, что источник такого напряжения нередко гораздо проще и дешевле, чем генератор периодических импульсов, форма которых почти прямоугольная. Для лазеров с немалыми средними мощностями это может быть значительным достоинством. Для СО-лазеров при давлении газа от 1 до 5-10 десятков Торр (мм рт. ст.) речь о частотах порядка 30-1000 Гц. Для других лазеров и при более высоких давлениях частота следования импульсов может быть значительно выше.
Как понятно специалистам, электроразрядное устройство по настоящему изобретению может содержать не одну пару электродов, а несколько, расположенных друг за другом. Важно, чтобы эти пары электродов были одинаковыми и имели одно и то же расположение «крест-накрест». Тогда след, оставшийся от разряда, происшедшего в одной паре электродов, практически не будет мешать следующему разряду, происходящему в другой паре электродов.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет существенно повысить наибольшую частоту повторения разрядных импульсов, при которой разряд горит устойчиво, без возникновения пространственной неоднородности. Проведенные эксперименты показывают почти двукратное увеличение этой частоты следования разрядов.