一种模块化CO2激光器放电盒
技术领域
本发明涉及激光器的放电装置,具体地说是一种通过高电压直流激励工作气体产生稳定辉光放电的模块化CO2激光器放电盒。
背景技术
在工业用激光器中,十分追求高稳定性的激光功率输出;而获得长时间稳定的辉光放电是功率稳定最基本的保证。为此,人们对放电系统的设计很重视,它是激光器设计中一个关键的核心部件。
目前,横流激励CO2激光器的放电结构主要有针板式、管板式以及电子束维持放电等三种方式。广泛应用于工业生产中的是前两种,采用针板式放电结构是把放电空间均匀分割成若干小单元,分别单独加以控制,从而实现高气压下大体积稳定辉光放电。
现有常见的针板式放电盒主要存在以下问题:
1.放电盒结构繁杂,阳极板水路设计不合理,加工成本高,可靠性差,可维护性差。
2.放电盒可调性差,基本为安装后不可调节,不方便灵活调整增益区中心位置。
3.放电盒阴极针与阳极板间距安装工艺性差,精度不高,导致辉光放电均匀性差,容易产生弧光放电,很难保证高功率激光的稳定输出。
而管板式是由作为阴极的铜管放电,铜管容易氧化,工作寿命较短,需要定期清洁。
发明内容
为了解决上述放电方式存在的问题,本发明的目的在于提供一种模块化CO2激光器放电盒;该放电盒为针板式结构,可以获得长时间稳定的辉光放电,保证高功率激光的稳定输出,增强放电盒的可维护性、可靠性和可更换性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明包括阴极及阳极,阴极包括阴极放电针及阴极支撑板,所述阳极包括阳极板、阳极支撑板及冷却水管,其中阴极放电针及阳极板分别通过阴极支撑板和阳极支撑板安装在两侧的端面支撑板上,阴、阳极支撑板之间形成放电区气流通道;所述阴极支撑板上均布有多个阴极放电针,各阴极放电针与阳极板之间的距离相等;所述阳极板上设有带走热量的冷却水管。
其中:所述阴、阳极支撑板的相对面在位于热气出口侧分别设有阴、阳极防护瓷板;所述阴、阳极支撑板相对面的两侧均为斜面,上下两斜面形成喇叭状;所述阴极支撑板沿长度方向开有条形孔,孔内安装有放电瓷板,在放电瓷板上分三排交错排列地均布有多个阴极放电针;所述阴极放电针为铼钨丝针;所述阴极支撑板的上表面分别设有防止其机械变形及受热变形的阴极支撑板加强筋及多个阴极散热片;各阴极散热片中间开槽,槽内容置有可拆卸的冷却水管,该冷却水管通过安装在阴极支撑板上的阴极压块固定;所述阴极支撑板加强筋及阴极散热片上设有绝缘盖板,该绝缘盖板的上方安装有压线板;所述阳极支撑板沿长度方向开有凹槽,阳极板安装在凹槽内,在阳板板的下方设有多条可拆卸的冷却水管,该冷却水管通过安装在阳极板下表面的阳极冷却管压板支撑固定;所述阳极支撑板的下表面设有防止其机械变形及受热变形的阳极支撑板加强筋及多个阳极散热片;各阳极散热片中间开槽,槽内容置有可拆卸的冷却水管,该冷却水管通过安装在阳极支撑板上的阳极压块固定;所述阳极板的边缘为圆滑过渡,其放电表面与阳极支撑板的上表面处于同一水平面内。
本发明的优点与积极效果为:
1.本发明采用模块化设计,保证了各零部件的独立性、通用性以及可维护性,阴极放电针采用标准量块安装模式,保证了每根放电针与阳极板的间距一致,阴极放电针采用灌封胶灌封在放电瓷板上,保证阴极放电针牢固可靠且绝缘性好。
2.本发明的阴、阳极支撑板在热气体排出一侧采用硅胶粘接了阴、阳极防护瓷板,避免了阴、阳极支撑板与高温工作气体长期接触发生毛化的现象。
3.本发明阴、阳极支撑板的工作气体进、出两侧均设计成斜面,上下形成喇叭状,使冷气体的进入速度提高,而热气体的流出速度降低,最大程度地带出了放电产生的热量。
4.本发明在阴、阳极支撑板上分别安装了加强筋及散热片,又在散热处中设置了冷却水管,加强筋可以避免支撑板因支撑重量累积而发生机械变形,散热片与冷却水管能够及时带走支撑板位于热气体出口侧累积的热量。
5.本发明在阴极支撑板上的加强筋及散热片上分别设置了绝缘盖板及压线板,绝缘盖板可以防止阴极放电针的电线对其它金属部件放电,而压线板则可以防止各阴极放电针上的电线窜动。
6.本发明阳极板的四周边缘为圆滑过渡,避免对其它零部件产生尖端放电。
7.本发明由两侧的端面支撑板及阴、阳极支撑板构成整体框架,整体框架采用环氧树脂板材料制成,保证良好的放电盒绝缘性能及热稳定性,同时具有较高的强度,保证安装精度要求。
8.本发明的阳极板采用紫铜材料,保证良好的导电性,同时紫铜具有良好导热性,能及时把工作气体放电产生的热量带走,阳极板采用整块紫铜板直接机加完成,能够保证阳极板表面良好的平面度及粗糙度。
9.本发明的阴极放电针采用铼钨丝针,能够有效减少阴极溅射、延长阴极寿命,有利于提高辉光放电稳定性。
10.本发明的放电盒采用模块化设计,可实现放电盒及其组成部件的随意更换,降低了安装和维护难度;安装放电盒的箱体可串联或并联使用。
11.本发明的阳极板与冷却水管采用分体式设计,冷却水管可拆卸,既保证了冷却水路高可靠性,又大大降低了安装拆卸难度和维护成本。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图之一;
图2为本发明的立体结构示意图之二;
图3为本发明的仰视图;
图4为本发明的俯视图;
图5为图4的A-A剖视图;
图6为图4的左视剖视图;
图7为本发明放电区气流通道示意图;
其中:1为端面支撑板;
2为阴极,201为阴极放电针,202为放电瓷板,203为阴极支撑板,204为阴极防护瓷板,205为阴极散热片,206为阴极压块,207为绝缘盖板,208为压线板,209为阴极冷却管道压板,210为阴极支撑板加强筋,211为阴极冷却管道;
3为阳极,301为阳极板,302为阳极支撑板,303为阳极防护瓷板,304为阳极支撑板加强筋,305为阳极冷却水管道,306为阳极散热片,307为阳极压块,308为阳极冷却管压板;
4为放电区气流通道,5为冷却水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1~6所示,本发明包括阴极2及阳极3,其中阴极2包括阴极放电针201及阴极支撑板203,阳极包括阳极板301、阳极支撑板302及冷却水管5,阴极支撑板203及阳极支撑板302的两端分别通过螺钉把紧在两侧的端面支撑板1上,阴极支撑板203与阳极支撑板302之间形成供气体通过的放电区气流通道4。阴极支撑板203与阳极支撑板302之间的距离可在45~50mm,本实施例间距为48mm,通过调整端面支撑板1上的螺纹高度可以调节。
阴极支撑板203与阳极支撑板302相对的一面在位于气体进、出口的两侧均为斜面,斜面的角度可为6~10°,本实施例为8°;在位于热气体出口侧的阴极支撑板203的与阳极支撑板302相对的表面上采用硅胶粘接有阴极防护瓷板204,该阴极防护瓷板204可采用95氧化铝陶瓷材料制成,板厚为1mm。
阳极支撑板302与阴极支撑板203相对的一面在位于气体进、出口的两侧也均为斜面,斜面的角度可为6~10°,本实施例为8°;阴、阳极支撑板两侧的斜面上下形成喇叭状,这样冷气体在压缩段A进入放电区气流通道4时,由于通道间距缩小,使得冷气体的流动速度减慢,在工作区C可以充分吸收;而当热气体由扩散段D被吸出时,由于通道间距变大,热气体的流动速度加快,将热量迅速带出。而在位于热气体出口侧的阳极支撑板302的与阴极支撑板203相对的表面上也采用硅胶粘接有阳极防护瓷板303,该阳极防护瓷板303可采用95氧化铝陶瓷材料制成,板厚为1mm;阴、阳极防护瓷板204、303可以避免阴、阳极支撑板203、302因与高温工作气体长期接触而发生毛化的现象。
阴极支撑板203沿长度方向开有条形孔,放电瓷板202通过止口定位在孔的下端、并由螺钉固定在阴极支撑板203上。在放电瓷板202上沿长度方向分三排交错排列地均布有多个阴极放电针201,具体按1根/cm2分布,并使用标准量块进行安装,保持所有阴极放电针201与阳极板之间的间距相等,该间距的误仅在±0.1mm范围内;本实施例每排有108根阴极放电针,共计324根。阴极放电针201为铼钨丝针,各阴极放电针201插设在放电瓷板202的孔内,放置好后向孔内灌封胶灌封,保证各阴极放电针牢固可靠且绝缘性良好;各阴极放电针201的顶端分别与高压电源电连接。
在阴极支撑板203的上表面分别设有防止其机械变形及受热变形的阴极支撑板加强筋210及多个阴极散热片205,本实施例是在阴极支撑板203上的条形孔的两侧各安装一阴极支撑板加强筋210,使得各阴极放电针201的上方形成阴极冷却管道211,便于散热;在阴极支撑板203位于热气体出口侧的上表面、沿长度方向安装了两排阴极散热片205,两排阴极散热片205之间还安装了一个阴极支撑板加强筋210。两排中的各阴极散热片205中间开有“U”形槽,槽内容置有可拆卸的冷却水管5,该冷却水管5通过安装在阴极支撑板203上的阴极压块206固定;阴极压块206上开设倒“U”形槽,冷却水管5被固定在阴极散热片及阴极压块的槽中。在位于热气体出口侧的阴极支撑板加强筋210及阴极散热片205上设有绝缘盖板207,绝缘盖板207通过螺钉固定在阴极支撑板加强筋210上,该绝缘盖板207可以防止阴极放电针的电线对其它金属部件放电;在阴极支撑板203上的条形孔两侧的阴极支撑板加强筋210上通过螺钉固定有压线板208、位于绝缘盖板207的上方,各阴极放电针201的电线通过压线板208压紧在绝缘盖板207上,避免发生窜动。
阳极支撑板302沿长度方向开有凹槽,阳极板301位于凹槽内的止口处、通过螺钉固定在阳极支撑板302上;在阳板板301的下方设有多条冷却水管5(本实施例为4条),冷却水管5的下方由通过螺钉固定在阳极板301下表面的阳极冷却管压板308支撑固定。在阳极支撑板302的下表面分别设有防止其机械变形及受热变形的阳极支撑板加强筋304及多个阳极散热片306,本实施例是在阳极支撑板302上的凹槽两侧各安装一阳极支撑板加强筋304,并在位于热气体出口侧阳极支撑板加强筋304的外侧沿长度方向设置了一排阳极散热片306,各阳极散热片306中间开有“U”形槽,槽内容置有可拆卸的冷却水管5,该冷却水管5通过安装在阳极支撑板302上的阳极压块307固定;阳极压块307上开设倒“U”形槽,冷却水管5被固定在阳极散热片及阳极压块的槽中。阳极板301的四周边缘为圆滑过渡,可防止对其它零部件产生尖端放电;阳极板301的放电表面与阳极支撑板302的上表面处于同一水平面内。
本发明阳极板301底部的四条冷却水管及阳极散热片306中的一条冷却水管的两端分别接至阳极冷却水管道305上;阴极散热片205中的两条冷却水管的两端先通过固定在端面支撑板1上的阴极冷却管道压板209固定、再分别接至阳极冷却水管道305上,该阳极冷却水管道305有两个,分别安装在两侧的端面支撑板1的下部,每个阳极冷却水管道305上均设有与水源相连接的进/出水口,循环冷却水由其中一个阳极冷却水管道305进入通过阳极冷却水管道305分配给各冷却水管,再由另一阳极冷却水管道305排出。
本发明的工作原理为:
如图7所示,工作气体由放电盒的一侧进入气体流道B(即放电区气流通道4),经压缩段A进入气体工作区C。同时各阴极放电针201接通高压电源在与阳极板301之间施加直流高压,引起工作气体辉光放电,改变注入电流的大小便可以调节激光输出功率的大小;在阴极放电针放电的过程中散发的热量被工作气体吸收,经扩散段D由放电盒另一侧被及时带出,工作气体经冷却后可再次循环,保证激光器连续工作。被放电加热的工作气体排出一侧,阴、阳极支撑板203、302上分别通过各自的散热片散热,同时注入冷却水进行循环冷却,防止阴、阳极支撑板203、302因受热变形;而各支撑板加强筋可以防止支撑板因支撑其它零部件而发生机械变形。
本发明的阴极放电针201采用铼钨材料,放电瓷板202采用95氧化铝陶瓷材料,阴极支撑板203采用环氧树脂板材料,阴极支撑板加强筋210采用硬铝材料,在保证阴极整体机械结构稳定性的同时也保证了阴极良好的绝缘性;阴极散热片205与阴极冷却管道211组成的冷却系统能够及时带走阴极长时间工作累积的热量,保证阴极长时间稳定工作;阴极防护瓷板204能够防止阴极支撑板203与高温工作气体长期接触发生毛化现象。
本发明的阳极板301采用紫铜材料制成,具有良好的导热性;阳极支撑板302采用环氧树脂板材料,阳极支撑板加强筋304采用硬铝材料,保证了阳极整体机械结构稳定性及绝缘要求;阳极冷却水管道305能够及时带走阳极板301及阳极支撑板302累积的热量,保证阳极长时间工作机械结构稳定性;采用阳极防护瓷板303能够防止阳极支撑板302与高温工作气体长期接触发生毛化现象。本发明两侧的端面防护板采用环氧树脂板材料制成。
采用本发明放电盒的模块化CO2激光器,其主要技术参数指标为:激励方式为高压直流激励;激励电压范围0~4500V;单针注入电流范围0~20mA;总注入电流0~7A;输出激光功率范围0~3000W;使用寿命>6000小时;尺寸范围1320mm×220mm×148mm;重量45kg。