Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом

Полезная модель относится к газоразрядным источникам спонтанного и когерентного излучения испускаемого газоразрядной плазмой, создаваемой в объемном разряде.
2
2
Известно, что в данном типе разряда сложно удержать однородную форму горения разряда при высоких плотностях тока ≥10 А/см, так как с увеличением плотности тока на катоде возникают неоднородности электронной эмиссии, которые приводят к пространственным неоднородностям разрядной плазмы и появлению в ней каналов с высокой проводимостью, шунтирующих объемный разряд.
2
В литературе имеется ряд работ, в которых описаны устройства для формирования импульсного продольного разряда, используемого для накачки азотных и эксимерных лазеров [1-4]. При этом разряд зажигался в разрядных трубках из стекла или керамики, состоящих из одной или нескольких секций. Эффективная накачка разрядной плазмы достигалась в трубках с длиной от 15 до 40 см. Зажигание разряда происходило либо от энергии электрического поля [1-3], либо от энергии магнитного поля [4]. Типичные давления газа в разрядной трубке составляли доли - десятки миллиметров ртутного столба. Плотность разрядного тока не превышала 1-3 кА/см.
Наиболее близкими аналогами предлагаемого газоразрядного устройства являются два устройства, которые были использованы в импульсных азотных лазерах с электрическим продольным разрядом [3] и с индукционным разрядом [4]. Устройство, описанное в работе [4], включает в себя цилиндрическую разрядную трубку из стекла, на которую навит соленоид длиной 600 мм и индуктивностью 120 нГн, зарядный и разрядный контуры на основе конденсаторов, коммутатор. На концах разрядная трубка с внутренним диаметром 33 мм закрывается кварцевыми окнами. Трубка наполнялась азотом с давлением 0,1-1,5 мм рт. ст. Принцип работы устройства заключается в следующем. При разрядке конденсатора емкостью 18 нФ на соленоид около внутренней стенки трубки за счет импульсного индукционного поперечного разряда создается объемная разрядная плазма в форме кольца толщиной 1-1,5 мм. Недостатком данного устройства является невозможность повышения давления газа в разрядной трубке более 1,5 мм рт. ст., увеличения объема разрядной плазмы и повышения мощности накачки.
2
3
Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является азотный лазер, описанный в работе [3]. Устройство состоит из двухсекционной кварцевой газоразрядной трубки диаметром 4-17 мм, включающей цилиндрический острийный катод в середине трубки и два кольцевых острийных анода на ее торцах, генератор импульсного напряжения (ГИН) на основе конденсаторов и коммутаторов, разрядный конденсатор для зажигания разряда. Данное устройство позволяет зажигать продольный объемный разряд с азотом или воздухом при давлениях 1-20 мм рт. ст., использовалось для накачки азотного лазера. Принцип работы устройства заключается в следующем. После зарядки накопительного конденсатора и срабатывания коммутаторов заряжаются конденсаторы, подключенные к секциям трубки, в трубке создается объемная разрядная плазма. На начальной стадии зажигания разряда в резко-неоднородном электрическом поле, создаваемом около катода и анодов, происходит предварительная ионизация газа убегающими электронами и стримерными каналами. Далее около внутренней стенки разрядной трубки зажигается однородный объемный разряд в кольце толщиной 2-4 мм с плотностью тока до 5 кА/см и удельной мощностью накачки до 5 МВт/см.
3
2
Главным недостатком технического решения, реализованного в прототипе, является развитие неоднородностей в плазме при повышении удельной мощности накачки более 5 МВт/см и давления азота или воздуха более 20 мм рт. ст. Кроме этого, зажигание объемного разряда в газах с высоким потенциалом ионизации (Не) и в сложных молекулах (СО) и в смесях газов с электроотрицательными компонентами приводило при повышении удельной мощности накачки к развитию неоднородностей в плазме.
Задачей полезной модели является уменьшение неоднородностей в газоразрядной плазме и, вследствие этого, повышение удельной мощности и эффективности накачки.
3
2
Техническим результатом является возможность зажигания объемного разряда при повышении удельной мощности накачки более 5 МВт/см и повышении давления до 1 атм в газах с высоким потенциалом ионизации (Не), в сложных молекулах (СО), в смесях (Ne-Xe(Kr)-HCl).
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газоразрядном устройстве, включающем диэлектрическую двухсекционную газоразрядную трубку с размещенными на ее торцах кольцевыми острийными анодами и установленным в середине трубки цилиндрическим острийным катодом, образующими разрядные промежутки, соединенные последовательно с генератором импульсного напряжения (ГИН) и параллельно с разрядными конденсаторами, осуществляющими импульсное питание продольного электрического разряда, согласно предложенному техническому решению, дополнительно на секции газоразрядной трубки навиты соленоиды, каждый из которых подключен к собственному импульсному источнику питания, включающему конденсатор и коммутатор генератора импульсного напряжения, которые осуществляют импульсное питание поперечного индукционного разряда.
Предложенное техническое решение основано на обнаруженном нами факте зажигания диффузного разряда для различных газов с более однородной плазмой при большей мощности накачки и большем давлении путем использования в разрядном промежутке дополнительно к электрическому полю магнитного поля. Данный эффект был обусловлен дополнительной предварительной ионизацией газа в разрядной трубке индукционным разрядом и влиянием электродвижущей силы (ЭДС) вихревого электрического поля, создаваемого соленоидами в разрядной трубке, на динамику горения продольного разряда.
Схематическое изображение конструкции и электрическая схема накачки газоразрядного устройства представлены на фиг.1.
Устройство содержит кварцевую разрядную трубку, состоящую из двух секций длиной 190-200 мм, разделенных общим цилиндрическим острийным катодом. Внутренний диаметр разрядной трубки может варьироваться от 4 до 17 мм. На торцах трубки установлены кольцевые острийные аноды и окна из кварца. На секции разрядной трубки навиты соленоиды, соединенные с анодами и подключенные к собственному импульсному источнику питания. Соленоиды длиной по 150 мм состоят из параллельно соединенных пяти частей, каждая выполнена из трех витков изолированного провода.
1
2
0
1
3
L
2
0
0
1
L
1
2
3
0
1
2
1
3
2
3
3
0
1
2
1
2
3
4
ш
3
Схема импульсного питания продольного электрического разряда в устройстве состоит из ГИН на основе емкостей C, С с коммутаторами Р, P и разрядных емкостей С. Схема импульсного питания поперечного индукционного разряда состоит из конденсаторов C, соленоидов L и коммутатора Р. Коммутатор Р выполнен на основе тиратрона марки ТПИ3-10к/25, a P - на основе искрового разрядника. Величина емкостей составляет: C=2,8 нФ, C=С=8,4 нФ, С=2.8 нФ. Емкости собираются из конденсаторов марки TDK UHV-6A, 700, 2700 pF & 30 kV. В схеме имеются зарядные и разрядные индуктивности: L=100 мкГн используется для зарядки емкостей C и С, L=0,6 мкГн используется в цепи зарядки емкостей С, L=0,3 мкГн является индуктивностью соленоидов, L=0,1 мкГн - индуктивность разрядного контура емкости С. Сопротивления R используются для зарядки емкостей C и С, омический делитель R, R используется для измерения ЭДС магнитного поля, омический делитель R, Rиспользуется для измерения напряжения на катоде, шунт R - для измерения тока зарядки и разряда на секцию трубки конденсатора С.
L
1
2
0
0
1
3
L
3
10
-3
Принцип работы устройства заключается в следующем. После зарядки конденсаторов C, C и С до напряжения U=24 кВ включаются коммутаторы Р, P и ГИН начинает заряжать емкости С, а емкость C начинает создавать ток в соленоидах, генерирующих вихревое электрическое поле с ЭДС самоиндукции до 20 кВ. Это приводит к развитию с катода и анодов стримерных каналов, вблизи внутренней поверхности трубки развивается незавершенный скользящий разряд, под действием вихревого электрического поля зажигается индукционный разряд. Происходит предварительная ионизация газа до более высокой концентрации электронов в плазме (~10 см) по сравнению с прототипом. После достижения пробивного напряжения между катодом и анодами в трубке зажигается объемный разряд. Кроме этого, во время зарядки и разрядки емкостей С, подключенных к секциям разрядной трубки, соленоиды под действием этого тока генерируют ЭДС взаимоиндукции до 20-25 кВ. В результате прямой ток разряда вызывает круговое движение электронов, увеличивая их энергию, улучшая условия формирования продольно-поперечного объемного разряда с однородным распределением плазмы в разрядной трубке.
2
2
В качестве примера были исследованы условия зажигания и режимы горения объемного разряда в данном устройстве с различными газами (N, Не, СО, Ne-Xe(Kr)-HCl) при давлениях 0,01-1 атм и при различных внутренних диаметрах разрядной трубки (4-17 мм). Использование устройства для создания газоразрядной плазмы в воздухе или азоте приводило к увеличению области объемного разряда и возможности повышения давления газа в несколько раз по сравнению с прототипом. При увеличении диаметра трубки от 4 мм до 17 мм удельная мощность накачки снижалась, так как увеличивался объем разрядной плазмы.
к
C3
2
2
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены типичные осциллограммы напряжения на катоде U, разрядного тока в трубке I и импульсов излучения при заполнении трубки диаметром 6,7 мм гелием с давлением 0,05 атм (фиг. 2) и СО с давлением 0,015 атм (фиг. 3) для случая без индукционного разряда (а) и с индукционным разрядом (б). Наглядно представлено, что мощность излучения разрядной плазмы во втором случае, при осуществлении продольно-поперечного разряда, в гелии увеличилась более чем в 4 раза, а в СО - более чем в два раза.
2
2
3
Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают возможность зажигания сильноточного продольно-поперечного разряда с однородным распределением плазмы в разрядной трубке в газовой среде (N, СО, Не) в диапазоне давлений 0,01-1 атм с плотностью мощности накачки до 10 МВт/см. Данное устройство также позволяет зажигать однородный разряд в эксимерных смесях (Ne-Xe(Kr)-HCl) при давлении x до 1 атм. С использованием данной полезной модели можно создавать относительно простые по конструкции источники мощного спонтанного излучения в различных газах с продольно-поперечной накачкой, масштабировать их для получения световых импульсов с высокой мощностью.
Источники информации:
1. Козлов Б.Α., Паюров А.Я., Трусов В.С. Азотный лазер // патент №2313872 С2 от 03.10.2005.
2
2. Furuhashi Η., Goto Т. Longitudinal discharge N laser with automatic preionization using an LC inversion circuit // Rev. Sci. Instrum. 1988. V. 59. N 12. P. 2552-2556.
3. Панченко Ю.Η., Коновалов И.Η., Лосев В.Φ., Пучикин А.В. Азотный лазер, возбуждаемый продольным электрическим разрядом // Патент на изобретение №2664780 С1 от 22.08.2018.
4. А.М. Ражев, С.Д. Чуркин, Н.С. Тарасов. Исследование параметров генерации индукционного лазера на молекулярном азоте // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2, выпуск 4. С. 113-117.