CN103022858B - 一种电晕预电离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的电晕预电离装置，该装置包括同心布置的电晕外电极，介质管、内电极，电晕内电极位于介质管内，半径略小于介质管的内径，电晕外电极与放电腔的第一主放电电极是电气相连的，内电极通过引线与放电腔的第二主放电电极相连。通过采用大面积的电晕外电极与介质管间隔形成障碍放电，获得均匀分布的较高预电离电子密度。外电极将UV辐射限制在主放电区，从而提高了UV利用率，避免了一些有害弧光和寄生放电的产生。电晕电极布局结构紧凑，不会影响工作气体的流动。采用半径略小于介质管内径的电晕内电极且将内电极一端固定，另一端用弹片柔性连接的方法消除了由于长期工作内电极受热膨胀的影响，提高了预电离装置长期工作的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于气体激光器预电离技术，具体涉及一种电晕预电离的结构装置，尤其是能产生均匀分布的较高预电离电子密度、性能稳定的电晕预电离装置
背景技术
脉冲激光器的性能(主要包括最大注入能量密度和激光光束质量)，特别是大体积TEA CO2、高重复频率的准分子激光器等受气体介质的预电离程度(即主放电前的初始电子密度及其分布)影响极大。最常见的紫外预电离技术有火花针预电离(利用热电弧发出强烈的紫外光)、电晕预电离。由于火花预电离的气体寿命比电晕预电离短，以及火花放电预电离的工作方式会污染腔内各种元件，如电极等，并且工作效率较低，产生的初始电子密度的均匀性也不够高，特别是它不适用于高重复率工作的准分子激光器，所以一般采用电晕预电离。早期，常用的电晕预电离装置由圆柱棒状内电极、介质管、平板外电极组成，将内电极嵌在介质管内，平板外电极直接贴在电介质的表面，电晕电极分别接在对应的主电极上。后来Kakizaki等人(US patent，2003.6,654,402B1)将平板电极改进为网状的，这在一定程度上，解决了气体流通不畅，平板电极遮挡UV紫外辐射的弊病。但是，平板外电极与圆柱状介质管形成还是线状接触，电极间的场强较弱，不能得到较高的预电离密度，均匀性的影响也较大。另外，电晕放电产生的辐射(下部)会被电极板挡掉，平板电极还会阻碍气流的局部流动，又由于电晕预电离产生的UV辐射是无方向的，即向四周都会发生辐射，如果不加限制，主放电区域外部的区域也受到UV辐射，一方面，造成UV辐射的浪费，另一方面，这也有可能导致弧光放电的产生。如被电介质腔壁吸收后，会在腔壁积聚电子，产生一些无用的弧光放电和寄生放电。
最近Igor Bragin等人(US Patent6650679)设计的装置如图1所示，该套装置包括一对主电极即第一主放电电极11、第二主放电电极12，放电区17，电晕外电极16被做成一个弯曲的形状，使得主放电区域以外的UV辐射被遮挡，通过该结构可以限制UV辐射的方向，使辐射主要集中在主放电区域，网状或多孔的箔19，使紫外透过，而元件15由金属或其它导体组成，用来加固预电离装置的外部电极。元件14则由陶瓷或其它电介性质的绝缘体构成，用来加固电介质。该装置明显的缺点就是结构复杂，操作繁琐，而且会使阴极电极表面和预电离电介质表面的气体停滞不动，阻碍工作气体的流动，工作产生的热量也不易被带走，长时间工作以后对预电离的强度及均匀性会有影响。
发明内容
为了克服现有电晕预电离装置预电离强度较弱和放电不均匀、容易起弧和一些有害的寄生放电、稳定性较差等诸多缺点，本发明提供一种新型的电晕预电离装置，该装置不仅能获得均匀分布的较高预电离电子密度，而且解决了预电离结构的热影响问题。
本发明提供的一种电晕预电离装置，其特征在于，该装置包括同心布置的电晕外电极，介质管他和内电极，电晕内电极位于介质管内，且半径略小于介质管的内径，电晕外电极与放电腔的第一主放电电极是电气相连的，内电极通过引线与放电腔的第二主放电电极相连。
作为上述技术方案的改进，所述电晕外电极包括圆弧外电极，圆弧面外电极和外电极平板段；圆弧外电极为一圆弧柱面，其圆弧面与圆弧面外电极的圆弧面半径相等，圆弧面外电极紧靠第二主放电电极，起到支撑作用，圆弧外电极和圆弧面外电极分布在介质管的两侧，并通过外电极平板段连接在一起，外电极平板段同介质管相切。
作为上述技术方案的进一步改进，在介质管两端固定在有小孔的绝缘挡板上，并在介质管与小孔接头处安装绝缘密封圈；电晕内电极上设置用于与外电路电气连接的铜质弹片。
本发明提供的电晕预电离装置，通过采用大面积的电晕外电极与介质管间隔形成障碍放电，获得较高预电离电子密度，而且放电均匀。外电极将UV辐射限制在主放电区，从而提高了UV利用率，避免了一些有害弧光和寄生放电的产生。电晕电极布局结构紧凑，不会影响工作气体的流动。
本发明通过在介质管两端设置具有支撑功能的绝缘挡板，介质管与绝缘挡板外内电极引脚及金属外壳采用绝缘O圈密封的方式解决内外电极爬电问题，采用半径略小于介质管内径的电晕内电极且将内电极一端固定，另一端用弹片柔性连接的方法消除了由于长期工作内电极受热膨胀的影响的方法，提高了预电离装置长期工作的稳定性。
附图说明
图1是现有的电晕预电离装置的结构示意图；
图2是本发明提供的放电腔中电晕预电离装置整体布局示意图；
图3是电晕预电离装置结构图；
图4是电晕预电离装置剖面图；
图5是绝缘挡板三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的电晕预电离放电腔如图2所示，其结构主要由第一、第二主放电电极21，22，电晕外电极23，介质管24，电晕内电极25构成。电晕外电极23，介质管24、内电极25同心放置，电晕内电极25位于介质管24内，半径略小于介质管24的内径，它们共同构成预电离装置；第一、第二主放电电极21，22位于整个放电腔的中心，两套同样的预电离装置对称分布于主放电电极22的两侧，沿主放电电极21，22长度方向放置且与电场方向垂直；电晕外电极23与第一主放电电极22是电气相连的，内电极25通过引线与第二主放电电极21相连。
所述的电晕外电极23结构如图3所示，主要由圆弧外电极31，圆弧面外电极32和外电极平板段33构成。圆弧外电极31为一圆弧柱面，其圆弧面与圆弧面外电极32的圆弧面半径相等，圆弧面外电极32紧靠第二主放电电极22，起到支撑作用，圆弧外电极31和圆弧面外电极32分布在介质管的两侧，并通过外电极平板段33连接在一起，外电极平板段33同介质管24相切；电晕外电极23的圆弧面的圆周弧度可以为200°～250°(优选值为225°)，并且与介质管外表面保持一定距离，范围可以在10～200um。
图4所示为预电离装置的剖面图，电晕外电极23长度短于介质管24，介质管24两端固定在打有小孔的绝缘挡板41上，并在管与小孔接头处用绝缘密封圈42来密封固定。电晕内电极25略长于介质管24，并用铜质弹片43来与外电路构成电气连接。
为方便理解，图5电晕预电离装置两端与绝缘挡板及密封圈连接的三维立体图。由于有对称分布的两套预电离装置，故具有支撑功能的绝缘挡板41上有两同样大小的安装孔51，绝缘挡板41上还开有出光孔52。
电晕外电极23和介质管24之间留有间隔的目的在于利用间隔产生障碍放电、放电产生的弱等离子体产生UV辐射，并且有间隔时，照射介质管24，使其产生电子发射，提供一定量的种子电子，这样可以均匀放电更容易发生。电晕放电实质上是两电极形成的电容放电击穿过程，电容越大，其上耦合的能量就越大，电晕就越强，大弧度的电晕外电极23正好提供了大电容所需的大面积电极，而且阻碍了UV光向非主放电区辐射而产生有害的弧光或寄生放电。为了进一步增大两电极形成的电容，介质管24可以采用介电常数较大的材料制作，如陶瓷、钛酸锶等材料制成。具有一定厚度且紧靠主放电电极22的电晕外电极32部分则可以起到固定支撑介质管6的作用，这样整套装置就很紧凑、牢固。
在激光器工作过程中，要在电晕内外电极上施加几万伏的高压，很容易在电晕内外电极之间形成爬电。爬电是有害的，因为它是直接击穿内外电极之间的工作气体而没有通过介质管，这样就起不到预电离的目的，而且浪费了能量，使后续的预电离过程无法正常发生。为此本发明在介质管24两端外加支撑功能的绝缘挡板41，并用绝缘密封圈42加以密封，这样就隔绝了电晕的内外电极，从根本上解决了爬电问题。
另外，由于在工作过程中，电极的温度会被加热到很高，而电极的膨胀系数相对比较大，如黄铜的热膨胀系数为1.9×10-5/k，紫铜的热膨胀系数为1.7×10-5/k，这会使电极膨胀，而电介质具有易碎的性质则在工作过程电极的膨胀会挤压电介质，使其弯曲和破裂，电晕内电极长度也会因受热而延长而对两端的连接装置产生挤压，为此本发明采将电晕内电极25一端固定，另一端用弹片43柔性连接的方法消除了由于长期工作内电极受热膨胀而导致长度延伸的影响，且内电极25半径略小于介质管24内径，这样就为受热膨胀预留了空间，保证电晕放电持久稳定的进行。
综上所述，本发明的电晕预电离装置能产生主放电所需的初始电子浓度，且分布均匀，具有UV利用率高、寄生放电少、结构紧凑、稳定性好、寿命长等优点。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种电晕预电离装置，其特征在于，该装置包括同心布置的电晕外电极，介质管和内电极，电晕内电极位于介质管内，且半径略小于介质管的内径，电晕外电极与放电腔的第一主放电电极是电气相连的，内电极通过引线与放电腔的第二主放电电极相连；
所述电晕外电极包括圆弧外电极，圆弧面外电极和外电极平板段；圆弧外电极为一圆弧柱面，其圆弧面与圆弧面外电极的圆弧面半径相等，圆弧面外电极紧靠第二主放电电极，起到支撑作用，圆弧外电极和圆弧面外电极分布在介质管的两侧，并通过外电极平板段连接在一起，外电极平板段同介质管相切。
2.根据权利要求1所述的电晕预电离装置，其特征在于，介质管两端固定在带有出光孔的绝缘挡板上，并在介质管与小孔接头处安装绝缘密封圈；电晕内电极上设置用于与外电路电气连接的铜质弹片。
3.根据权利要求1或2所述的电晕预电离装置，其特征在于，电晕外电极的圆弧面的圆周弧度为200°～250°，并且与介质管外表面保持一定距离。
4.根据权利要求1或2所述的电晕预电离装置，其特征在于，电晕外电极的圆弧面与介质管外表面的距离为10um～200um。
5.根据权利要求1或2所述的电晕预电离装置，其特征在于，电晕外电极的圆弧面的圆周弧度为225°。
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