Электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда

 

Изобретение относится к лазерной технике и представляет собой электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в импульсно-периодическом газовом лазере ТЕ-типа. Устройство содержит источник питания, пару основных протяженных электродов, генераторы коронного разряда, расположенные поперечно основным электродам. Внутренние проводники генераторов коронного разряда являются токопроводами, соединяющими высоковольтный электрод с источником питания. Технический результат изобретения: создание малоиндуктивного основного разрядного контура электродного устройства, увеличение КПД лазера и обеспечение простой, надежной и дешевой конструкции изолятора герметичного токоввода к одному из высоковольтных электродов. 8 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в импульсно-периодических газовых лазерах TE-типа.

Известно электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в газовом лазере (патент США N 4555787, класс 372/86, от 26.11.85). Генератор коронного разряда содержит относительно длинную диэлектрическую трубку, расположенную вдоль основных электродов, проводник внутри этой трубки и проводящую полоску на внешней стороне трубки. Внутренний проводник и проводящая полоска соединены с тем же высоковольтным источником, что и основные разрядные электроды. Для изоляции высоковольтных элементов корпус лазера выполнен из диэлектрика.

Известно электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в газовом лазере (патент США N 4817107, класс 372/61, от 28.03.89), в котором элементы предыонизации представляют собой пару расположенных симметрично относительно основных электродов трубок из изолирующего материала с внутренним проводником. Трубки тянутся вдоль одного из основных разрядных электродов. Все элементы камеры лазера, в которой закреплены электроды, и генераторы коронного разряда выполнены из диэлектрических материалов, таких как керамика.

Известно электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в газовом лазере (патент США N 5719896, класс 372/086, от 17.02.98), в котором вдоль основных электродов расположены трубки для предыонизации относительно большой длины. Трубки установлены с возможностью легкой замены в случае поломки. В качестве материала используется поликристаллический оксид керамики. Внутри трубок расположен проводник, а внешняя сторона трубок контактирует с другим проводником, внутренний и внешний проводник соединены с источником питания. Герметичный высоковольтный ввод от источника питания к высоковольтному электроду осуществлен с применением изолирующего элемента относительно больших габаритов.

Известно электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда (патент США N 4718072, класс 372/086, от 15.05.88), в котором генератор коронного разряда представляет собой диэлектрическую трубку с внутренним проводником и касающимся диэлектрической трубки внешним проводником. Внутренний проводник генератора коронного разряда электрически соединен с одним из основных электродов внутри камеры лазера, а внешний проводник генератора коронного разряда электрически соединен со вторым основным электродом. Как трубки генератора коронного разряда, так и изолятор высоковольтного электрода имеют относительно большие габариты и выполнены из высококачественного диэлектрического материала.

Как аналоги, так и прототип имеют следующие недостатки.

Тонкостенные диэлектрические трубки имеют длину L, большую длины основных электродов, малый диаметр (порядка 0.01 L) и малый допуск на прогиб (порядка 0.0001 L). Поэтому данный элемент относительно дорог в изготовлении, особенно если в качестве диэлектрика используется керамика.

Для закрепления трубок используется специальная конструкция, исключающая изгибные деформации трубок при установке и эксплуатации, что усложняет конструкцию.

Так как генератор коронного разряда установлен вблизи одного из разрядных электродов, то ультрафиолетовое излучение неравномерно освещает разрядный промежуток в направлении, поперечном продольной оси электрода.

Электрическая цепь питания генераторов коронного разряда имеет высокую индуктивность, так как внутренний проводник при малом поперечном сечении имеет большую длину и может быть подсоединен к элементам цепи только с торцов трубки. Это уменьшает крутизну фронта нарастания напряжения на генераторе коронного разряда, что ведет к уменьшению выхода ультрафиолетового излучения от коронного разряда.

Так как генератор коронного разряда находится внутри разрядного контура, то по этой причине минимальная площадь сечения основного разрядного контура увеличена, а значит, увеличена индуктивность основного разрядного контура, что снижает КПД лазера.

Для обеспечения малоиндуктивного высоковольтного герметичного ввода к высоковольтному электроду и его крепления требуется либо диэлектрический корпус камеры лазера, либо дополнительный изолирующий элемент относительно больших габаритов. При использовании в качестве материала камеры или изолирующего элемента наиболее предпочтительного керамического материала стоимость изделия значительно возрастает.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности электродного устройства с предварительной ионизацией от коронного разряда в газовом лазере, уменьшение индуктивности основного разрядного контура и применение простой, надежной и дешевой конструкции изолятора герметичного токоввода через корпус газового лазера от источника питания к одному из основных электродов.

Для решения этой задачи в электродном устройстве с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда, содержащем пару основных протяженных электродов, установленных в герметичном корпусе, соединенных токопроводами с источником питания, генераторы коронного разряда, каждый из которых содержит трубку из диэлектрического материала, внешняя поверхность которой контактирует с проводящим элементом, электрически соединенным с первым основным электродом, внутри трубки расположен проводник, соединенный со вторым основным электродом, генераторы коронного разряда установлены поперечно продольной оси основных электродов, проводники, расположенные внутри диэлектрических трубок, электрически соединены параллельно и являются силовым токопроводом основного разряда, соединяющим второй электрод и источник питания, проводящий элемент, электрически соединенный с первым основным электродом, является элементом корпуса, генераторы коронного разряда закреплены в элементе корпуса герметично, второй электрод закреплен на генераторах коронного разряда, генераторы коронного разряда установлены в виде хотя бы одного ряда, расположенного вдоль зоны основного разряда, генераторы коронного разряда установлены в виде двух рядов с одинаковым шагом, причем в продольном направлении один ряд смещен относительно другого на 1/2 шага, внешняя поверхность генератора коронного разряда в направлении распространения коронного разряда, то есть вдоль продольной оси трубки, имеет развитую поверхность, на внешней поверхности диэлектрических трубок генератора коронного разряда имеются охватывающие замкнутые проводящие кольца, диэлектрическая трубка генератора коронного разряда выполнена из керамики, внешняя поверхность диэлектрической трубки генератора коронного разряда имеет форму с малым аэродинамическим сопротивлением в направлении, поперечном продольной оси электродов и продольной оси самой трубки.

Генераторы коронного разряда установлены поперечно продольной оси основных электродов, провода внутри диэлектрических трубок являются токопроводами, соединяющими второй электрод и источник питания. Это позволяет использовать относительно короткие диэлектрические трубки, что более просто изготовить, дешевле. Внутренние провода генераторов коронного разряда выполняют также функцию токопровода от источника питания ко второму электроду. Так как генератор коронного разряда конструктивно объединен с токопроводом ко второму электроду, то по сравнению с прототипом площадь сечения основного разрядного контура может быть уменьшена, образованный малоиндуктивный контур способствует увеличению КПД лазера.

Проводящий элемент, электрически соединенный с первым основным электродом, является элементом корпуса, генераторы коронного разряда закреплены на нем герметично. Второй электрод закреплен на генераторах коронного разряда. Крепление электродов не требует сложной крупногабаритной конструкции электрического изолятора электродов от корпуса, что в случае изготовления изолятора из керамики существенно удешевляет конструкцию. Из-за меньшей базовой поверхности, по которой идет крепление и уплотнение керамического изолятора, существенно повышается надежность изолятора при сборке и эксплуатации, так как изгибные напряжения, нежелательные для малоупругих материалов, таких как керамика, отсутствуют.

Генераторы коронного разряда установлены в виде хотя бы одного ряда, расположенного вдоль зоны основного разряда. Генераторы коронного разряда установлены в виде двух рядов с одинаковым шагом, причем в продольном направлении один ряд смещен относительно другого на 1/2 шага. Это позволяет осуществить более равномерную по длине основного разрядного промежутка предварительную ионизацию, что способствует более равномерной концентрации заряженных частиц в зоне разряда, а, как следствие, в процессе работы обеспечивается более однородный объемный разряд накачки. Кроме того, наличие большого количества коротких проводников, электрически соединенных параллельно, создает малоиндуктивный токопровод, соединяющий источник питания с высоковольтным электродом для быстрого энерговклада в основной разряд. Это позволяет электродной системе работать длительное время с высокой эффективностью на газовых смесях, требующих больших энерговкладов за короткие промежутки времени.

Внешняя поверхность генератора коронного разряда в направлении распространения коронного разряда имеет развитую поверхность. На внешней поверхности трубки коронного разряда имеются охватывающие проводящие кольца. При подаче импульса напряжения между внутренним проводом генератора коронного разряда и касающимся диэлектрической трубки элементом, на внешней поверхности диэлектрической трубки начинает развиваться коронный разряд, скорость распространения коронного разряда достаточно высока. Чтобы пробой основного разрядного промежутка произошел до того момента, как коронный разряд дойдет до конца диэлектрической трубки, необходимо соответственно увеличить путь коронного разряда. Это достигается развитием поверхности диэлектрической трубки, а также формированием проводящих колец на внешней поверхности диэлектрической трубки. В последнем случае коронный разряд на каждом проводящем кольце будет останавливаться и с характерной временной задержкой начинаться снова. Это увеличивает время до нежелательного полного перекрытия электрическим разрядом поверхности изолятора при сохранении малой индуктивности контура.

Диэлектрическая трубка выполнена из керамики. Керамика, например алюминооксидная керамика, является одним из лучших материалов, который применяется в генераторах коронного разряда, поскольку керамика химически устойчива к действию широкого диапазона лазерных газов, в том числе и к действию газов, содержащих галогены, и обладает необходимыми электроизоляционными свойствами. Это позволяет использовать предлагаемую конструкцию в эксимерных лазерах.

Внешняя поверхность диэлектрических трубок генераторов коронного разряда имеет форму с малым аэродинамическим сопротивлением в направлении, поперечном продольной оси электродов. В случае применения прокачки газа, когда поток газа идет через разрядный промежуток, внешняя форма трубок с малым аэродинамическим сопротивлением уменьшает энергозатраты на прокачку газа. Это позволяет осуществить эффективную работу электродного устройства в лазерах TE типа с высокой частотой следования импульсов.

Техническим результатом изобретения является электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда в газовом лазере, обеспечивающее высокую эффективность предыонизации, обеспечивающее малоиндуктивный основной разрядный контур, обеспечивающее высокую эффективность работы электродного устройства на газовых смесях, требующих больших энерговкладов за короткие промежутки времени, обеспечивающее применение простой, надежной и дешевой конструкции изолятора герметичного токоввода к одному из основных электродов.

На чертеже показано поперечное сечение электродного устройства с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда.

Основные электроды 1, 2 образуют разрядный промежуток, электрод 1 закреплен на проводящем элементе 3 (крышке) корпуса 4, генераторы коронного разряда, каждый из которых состоит из диэлектрической трубки 5 и внутреннего проводника 6, герметично установлены в элементе корпуса 3. Электрод 2 установлен на ступенчатой металлической пластине 7, соединенной с проводником 6. Проводник 6 и токопровод 3 электрода 1 соединены с источником питания 8. На внешней поверхности трубок 5 сформированы проводящие кольца 9, а также цилиндрические выступы и канавки, увеличивающие длину поверхности.

При подаче импульса напряжения на выполняющий роль токопровода элемент корпуса 3 и проводники 6, на внешней стороне трубок 5, от точек контактов трубок 5 с элементом корпуса 3 (наиболее напряженных, так называемых тройных точек, в которых сопрягаются проводник, диэлектрик и газ), распространяется коронный разряд. Ультрафиолетовое излучение от коронного разряда ионизирует газ, находящийся в разрядном промежутке. Когда на электродах 1, 2 напряжение поднимется до пробивного значения, газовый разряд происходит в ионизированной межэлектродной области и поэтому имеет объемный характер.

Генераторы коронного разряда могут быть сформированы и установлены таким образом, что расстояние от внешней поверхности трубки 5 до электрода 1, имеющего потенциал, близкий потенциалу плазмы коронного разряда, будет меньшим, чем расстояние до электрода 2, потенциал которого сильно отличается от потенциала плазмы коронного разряда. В таком исполнении генераторы коронного разряда эффективнее освещают разрядный промежуток, без возникновения паразитного пробоя от генератора коронного разряда на электрод 2. При этом индуктивность основного разрядного контура минимальна.

Герметизация трубок 5 на корпусе 3 и вводов 6 в трубках 5 осуществляется пайкой или любым другим известным способом.

Наряду с использованием предыонизации коронным разрядом по предлагаемому техническому решению в конструкции можно использовать традиционные методы предыонизации, например диэлектрические трубки с внутренним проводником, расположенные вдоль хотя бы одного из электродов. В этом случае интенсивность и однородность предыонизации выше, чем в прототипе, а конструкция изолятора герметичного токоввода к высоковольтному электроду проще, дешевле и надежнее.

Формула изобретения

1. Электродное устройство с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением от коронного разряда, содержащее пару основных протяженных электродов, установленных в герметичном корпусе, соединенных токопроводами с источником питания, генераторы коронного разряда, каждый из которых содержит диэлектрическую трубку, внешняя поверхность которой контактирует с проводящим элементом, электрически соединенным с первым основным электродом, внутри трубки расположен проводник, соединенный со вторым основным электродом, отличающееся тем, что генераторы коронного разряда установлены поперечно продольной оси основных электродов, провода внутри диэлектрических трубок являются токопроводами, соединяющими второй электрод и источник питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводящий элемент, электрически соединенный с первым основным электродом, является элементом корпуса, генераторы коронного разряда закреплены в элементе корпуса герметично.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что второй электрод закреплен на генераторах коронного разряда.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генераторы коронного разряда установлены в виде хотя бы одного ряда, расположенного вдоль зоны основного разряда.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что генераторы коронного разряда установлены в виде двух рядов с одинаковым шагом, причем в продольном направлении один ряд смещен относительно другого на 1/2 шага.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя поверхность генератора коронного разряда в направлении распространения коронного разряда имеет развитую поверхность.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внешней поверхности диэлектрических трубок генератора коронного разряда имеются охватывающие замкнутые проводящие кольца.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая трубка генератора коронного разряда выполнена из керамики.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешняя поверхность диэлектрической трубки генератора коронного разряда имеет форму с малым аэродинамическим сопротивлением в направлении, поперечном продольной оси электродов и продольной оси самой трубки.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:
Публикацию о досрочном прекращении действия патента на изобретение считать недействительной

Номер и год публикации бюллетеня: 35-2004

Извещение опубликовано: 27.04.2005        БИ: 12/2005