Газоразрядная трубка для лазера на парах стронция

Полезная модель относится к устройствам со стимулированным излучением, в частности, к газовым лазерам, и может быть использована для создания лазеров на парах стронция, обеспечивающих генерацию излучения в течение длительного времени без замены выходных окон и самой газоразрядной трубки.
Известна газоразрядная трубка 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 газоразрядная трубка 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, а канал керамической трубки и внутреннее пространство кварцевой трубки заполнены смесью инертных газов, причём сама кварцевая трубка выполнена отпаянной. На концах указанной кварцевой трубки жёстко закреплены выходные окна, которые изготовлены в виде плоской пластины из фторида бария или кальция и расположены таким образом, чтобы они полностью перекрывали канал указанной керамическая трубки, а их плоскость была наклонена к оптической оси этой трубки под углом (85...88) или (95...98) градусов в плоскости продольного сечения всей газоразрядной трубки.
При работе известной 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.
Известная газоразрядная трубка для лазера на парах стронция содержит: керамическую трубку из окиси бериллия; два электрода, расположенные в канале указанной керамической трубки на 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, в канале этой трубки помещена навеска металлического стронция, а внутри этого канала у каждого его конца установлено по одному металлическому электроду. 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, канал кварцевой и керамической трубок заполнен смесью инертных газов, при этом сама кварцевая трубка выполнена полностью отпаянной и изготовлена таким образом, чтобы вся её внутренняя полость вместе с расположенными в ней керамической трубкой и теплоизолятором была полностью загерметизирована; при этом указанные плоские выходные окна жёстко закреплены по одному на каждом конце кварцевой трубки и 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) или (95... 98) градусов в плоскости продольного сечения газоразрядной трубки.
При работе этой газоразрядной трубки 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, при этом частицы стронция оседают на поверхности каждого из выходных окон. В результате этого по истечении небольшого отрезка времени поверхности окон покрываются слоем из частиц стронция, а излучение, генерируемое данной газоразрядной трубкой, перестаёт проходить через выходные окна этой трубки, и генерация излучения лазером полностью прекращается. Обусловлено это тем, что между парами стронция в канале керамической трубки из ВеО и выходными окнами, закреплёнными на концах этой газоразрядной трубки, нет ничего, что препятствовало бы прохождению паров стронция к поверхности выходных окон.
Технической задачей данной полезной модели является создание в канале керамической трубки из окиси бериллия условия, которое будет препятствовать распространению паров стронция в сторону поверхности выходных окон, закреплённых на концах газоразрядной трубки, причём канал этой керамической трубки должен оставаться свободным по всей своей длине.
2
2
Поставленная задача решается тем, что заявленная газоразрядная трубка для лазера на парах стронция, так же, как известная, содержит керамическую трубку из ВеО (окиси бериллия) с электродами на её концах, соосную с ней кварцевую трубку с внутренним диаметром, превышающим диаметр керамической трубки, и два выходных окна, выполненных в виде плоских пластин, прозрачных для излучения во всём диапазоне спектра излучения лазера и изготовленных, например, из монокристаллического BaFили CaF, при этом керамическая трубка выполнена с внутренним диаметром (8...50) мм и с толщиной стенок (2...5) мм, в канале керамической трубки помещена навеска металлического стронция, у каждого конца этого канала установлено по одному металлическому электроду, выполненному в виде продолговатого тела с заострённым концом и расположенному так, чтобы острые концы электродов были направлены навстречу друг другу, при этом пространство между стенками кварцевой и керамической трубок заполнено термостойким теплоизолятором, например каолиновой ватой, а каналы кварцевой и керамической трубок заполнены смесью нейтральных (инертных) газов под низким давлением, при этом выходные окна жёстко закреплены на концах кварцевой трубки таким образом, чтобы ось керамической трубки проходила через геометрический центр плоскости окон, чтобы окна полностью перекрывали канал керамической трубки, чтобы плоскость каждого из этих окон была расположена под углом (85...88) или (95...98) градусов к продольному сечению газоразрядной трубки, а каждое из выходных окон отстояло от конца керамической трубки не менее чем на 5D, где D – диаметр канала керамической трубки.
В отличие от известной газоразрядной трубки на поверхность каждого конца керамической трубки нанесён слой из пористого кварца длиной (1,0...2,0)D, где D – диаметр канала керамической трубки, и толщиной не менее 2 мм, причём каждый из этих слоев расположен под слоем теплоизолятора и перекрывает ту область керамической трубки, где расположен электрод.
Авторами установлено, что наличие слоя из пористого кварца, расположенного на поверхности концов керамической трубки из окиси бериллия под слоем теплоизолятора, создаёт в канале этой керамической трубки под слоем из пористого кварца область с повышенной температурой, причём эта область имеет одинаковую температуру по всей своей длине и температура этой зоны превышает температуру во всех других областях канала керамической трубки на (10...20) градусов. При этом размеры области с повышенной температурой устанавливаются такими, что её наличие не существенно повышает температуру в активной зоне канала керамической трубки из окиси бериллия и поэтому интенсивность излучения, генерируемого в газоразрядной трубке, не будет снижаться. Вследствие этого пары стронция, которые возникают при прохождении через канал трубки электрического разряда, задерживаются в этой тепловой зоне и не могут пройти к поверхности выходных окон, закреплённых на концах кварцевой трубки. Результатом этого является то, что пары стронция, постоянно находящиеся в канале керамической трубки из окиси бериллия во время возбуждения генерации излучения, оседают на поверхности этих окон в небольшом количестве и слабо загрязняют эти поверхности. Техническим результатом данного решения является то, что данная газоразрядная трубка для лазера на парах стронция работает без замены отражающих зеркал в 10 раз дольше, чем любая из известных газоразрядных трубок на парах стронция, причём этот эффект не известен специалистам, работающим над созданием лазеров на парах стронция, поскольку не предполагалось, что с помощью пористого кварца в канале керамической трубки из ВеО можно создать особую тепловую зону, которая исключит прохождение паров стронция к выходным окнам.
В частном варианте выполнения устройства оба конца кварцевой трубки могут быть выполнены более тонкими в поперечном сечении (в виде патрубков), чем всё тело этой трубки, начиная от того места, где находится торец керамической трубки, и выполнены, например, с диаметром внутреннего канала на (3...5) мм больше, чем канал керамической трубки из окиси бериллия, что обеспечивает максимально полное прохождение пучка излучения, генерируемого в данной газоразрядной трубке, через канал каждого из этих патрубков. Если диаметр поперечного сечения внутреннего канала тонкого конца кварцевой трубки будет меньше диаметра канала керамической трубки на величину более 3 мм, то идущий из керамической трубки пучок излучения будет задевать стенки этого канала, и эффективность этого пучка будет снижена. Если же диаметр сечения внутреннего канала тонкого конца кварцевой трубки будет больше диаметра канала керамической трубки на величину более 5 мм, то находящиеся в этом канале пары стронция будут значительно охлаждены, и эффективность генерации излучения от паров стронция, находящихся в этом канале, будет также значительно снижена. При этом длина каждого из этих более тонких концов кварцевой трубки должна быть равной (3...5)D, где D – диаметр канала керамической трубки. Такая длина тонких концов кварцевой трубки исключает перегрев выходных зеркал. В то же время, если длина этих концов будет превышать величину 5D, то каналы этих концов будут охлаждены сильнее, чем нужно, вследствие чего эффективность генерации излучения от паров стронция, находящихся в этом канале, будет снижена.
Выполнение концов кварцевой трубки описанным образом, во-первых, дополнительно снижает уровень загрязнения выходных окон, т.ик. пропускная способность каналов этих концов для паров стронция значительно ниже, чем пропускная способность каналов самой кварцевой трубки, и, во-вторых, на эти концы могут быть установлены выходные окна гораздо меньшего диаметра, чем на концы этой же трубки без патрубков.
На фиг. 1 и фиг.2 изображена схема газоразрядной трубки для лазера на парах стронция. Газоразрядная трубка содержит: 1 - керамическая трубка из окиси бериллия; 2 - два выходных окна, каждое из которых изготовлено в виде плоской пластины из монокристаллического фторида бария или кальция; 3 - кварцевая трубка, 4 - два металлических электрода, 5 - два слоя из пористого кварца по одному на каждом конце керамической трубки; 6 - слой теплоизолятора; 7 – более тонкий конец (патрубок); 8 - электрические выводы к металлическим электродам.
Керамическая трубка из окиси бериллия 1 полностью помещена в канал кварцевой трубки 3 и с боковых сторон покрыта теплоизолятором 4 (каолиновой ватой). При этом кварцевая трубка 3 выполнена полностью отпаянной и таким образом, чтобы каналы кварцевой трубки 3 и керамической трубки из окиси бериллия 1 не имели связи с внешней средой. При этом выходные окна 2 жёстко закреплены на срезах указанной кварцевой трубки 3 таким образом, чтобы через геометрический центр плоскости каждого них проходила геометрическая ось указанной керамической трубки из окиси бериллия 1, и чтобы сами эти плоскости были наклонены к геометрической оси керамической трубки 1 под углом (85 ... 88) или (95...98) градусов к плоскости продольного сечения всей газоразрядной трубки. Два металлических электрода 4 установлены по одному на концах керамической трубки 1 и внутри неё. На поверхность обоих концов керамической трубки 1 нанесён слой пористого кварца 5 толщиной не менее 2 мм и длиной (1,0 ... 2,0)D, где D – диаметр канала керамической трубки из окиси бериллия, причём слой этот нанесён таким образом, чтобы он был расположен под слоем теплоизолятора и чтобы он перекрывал ту область керамической трубки, где расположен электрод.
На фиг. 2 изображена схема газоразрядной трубки, у которой оба конца выполнены более тонкими в поперечном сечении, чем всё тело этой газоразрядной трубки. В этой газоразрядной трубке более тонкие концы обозначены позицией 7, электрические выводы – 8, а все остальные элементы имеют те же обозначения, что и на фиг. 1
Газоразрядная трубка для лазера на парах стронция работает следующим образом. Предварительно внутренний объём газоразрядной трубки заполняют смесью инертных газов под низким давлением, например смесью газов «гелий – неон». После этого на электроды 4, установленные в канале керамической трубки 1, через электрические выводы 8 подают высокое импульсное напряжение. В результате в канале керамической трубки из ВеО 1 возникает разряд, под воздействием которого в канале этой трубки создаётся такая высокая температура, достаточная для перехода металлического стронция в парообразное состояние. Пары стронция распространяются по каналу. Расположенный у наружных сторон керамической трубки 1 слой каолиновой ваты 4 является хорошим теплоизолятором и сдерживает выход тепла через боковые стороны трубки 1, что позволяет снизить расход энергии на поддержание нужной температуры в канале трубки 1. Нанесённые на концах керамической трубки 1 слои пористого кварца 5 дополнительно существенно сдерживают выход тепла через боковые стенки, так как теплопроводность пористого кварца на порядок ниже теплопроводности каолиновой ваты (коэффициент теплопроводности каолиновой ваты 0,0255 Вт/мК; коэффициент теплопроводности пористого кварца менее 0,0014 Вт/мК). Вследствие этого на концах канала керамической трубки 1 под слоем пористого кварца 5 образуется зона с температурой более высокой, чем в других областях этого же канала, причём эта зона расположена перед каждым из выходных окон 2. Вследствие этого содержащиеся в канале керамической трубки 1 пары стронция не проходят в сторону этих выходных окон 2, и на поверхность выходных окон 2 будет оседать очень небольшое количество металлического стронция, что обеспечивает работу газоразрядной трубки в течение большего времени, чем в газоразрядной трубке, не имеющей зоны с повышенной температурой перед выходными окнами.
Таким образом, газоразрядная трубка обеспечивает получение технического результата, который заключается в том, что она работает без замены выходных окон по меньшей мере в 10 раз дольше, чем газоразрядные трубки, имеющие другую конструкцию. Это приводит к существенному снижению затрат на эксплуатацию газоразрядной трубки, поскольку замена выходных окон требует полной переборки газоразрядной трубки, а именно полного перезаполнения трубки смесью инертных газов под низким давлением, замены навески металлического стронция, новой установки выходных окон и т.д.