CN105098580A - 一种气体放电预电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体放电预电离装置，包括放电电极、预电离针、绝缘基板、密封圈、固定螺母、插拔结构和峰化电容。放电电极和预电离针垂直穿过绝缘基板，并通过密封圈和固定螺母紧固，确保激光气室良好的真空密封性能。预电离针沿电极长度方向均匀布放于放电阴极两侧，电极两侧面加工成尖棱状，与预电离针构成预电离间隙。预电离针与置于气室外部的峰化电容通过插拔结构相联，构成预电离充放电回路。当放电电极加载脉冲高压时预电离间隙快速击穿，形成弧光放电，辐射高强度紫外光，辐照主电极间隙中的激光气体介质，实现介质的紫外光自动预电离。由于预电离针与放电电极处于同一平面内，预电离结构不会对循环气体的流场结构造成影响任何影响，非常适合于重频气体放电激光器。

Description

一种气体放电预电离装置

技术领域

本发明属于气体激光技术领域，涉及一种用于气体预电离装置的结构，尤其是一种适用于气体激光器气体介质预电离的结构。

背景技术

在放电激励高功率气体激光技术研究中，激光产生原理是：激光器泵浦源在主电极间隙形成脉冲高电压，同时，预电离装置对气体进行预电离，产生一定密度的自由电子分布。电极间隙高压气体介质在脉冲高压和预电离共同作用下发生均匀体放电，放电产生的等离子体将激光介质激励至高能态形成激活介质，激活介质高能态向低能态跃迁过程中形成光辐射，并在激光谐振腔的作用下产生激光输出。由原理可知，在电极间隙中的高压气体介质形成大体积范围内的均匀体放电是实现激光器高能量高效率输出的基础前提，而预电离是实现气体介质均匀体放电的关键技术措施。因此，高压气体介质预电离是放电激励高功率气体激光技术研究中的一项关键技术。

现有放电激励高功率气体激光器通常采用如图1所示的紫外光预电离结构，主要包括密封的激光气室8，激光气室8内包含两只椭球形的电极1、在电极1间隙两侧设置的一对预电离针2、与预电离针联接的峰化电容10，气体介质沿9的方向从电极1间隙之间流过，电极1则通过电极引杆6与外部的储能电容5相联。当电极1之间的电压升高时，预电离针2的火花隙发生弧光放电产生紫外光辐照气体介质。

这种结构设计虽然可以实现气体介质的预电离，但存在三方面的不足。一是为确保激光器内部的电气绝缘，预电离结构尺寸较大，导致放电回路电感较大，影响了激光器总体效率。二是峰化电容器置于气室内部，安装维护不方便，且容易受到气体介质的腐蚀。三是预电离火花隙布放在激光电极间隙两侧，当激光器处于重频运行状态时会影响气体介质的循环流动，流场结构的改变将导致激光器最大稳定运行频率下降。因此，设计一种结构紧凑、操作方便、可以实现大体积气体介质均匀预电离，且不对循环气体流场结构造成影响的预电离装置，是高重频气体放电激励激光器急需解决的技术难题。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种气体预电离装置，在实现放电间隙气体介质的预电离的同时，不会对气体介质循环时的流场结构造成影响，且具有结构紧凑，操作方便，可靠性高，可确保激光器重频稳定运行。

本发明的技术方案如下：

一种气体放电预电离装置，包括在激光气室内设置的一对长条性的放电电极、若干对针尖相对的预电离针和激光气室外设置的储能电容、若干对峰化电容；所述的放电电极包括沿垂向设置的上电极和下电极，激光气室内的气体介质在上电极和下电极之间的间隙流过；预电离针通过插拔机构与对应的峰化电容两联，构成预电离充放电回路；储能电容通过电极引杆与上电极相联；放电电极的横截面为纺锤形，每对预电离针正对上电极纺锤形结构的两个尖端设置。

上述气体放电预电离装置中，预电离针与上电极纺锤形结构的两个尖端之间的距离为1-5mm。

上述气体放电预电离装置中，预电离针与上电极纺锤形结构的两个尖端之间的距离为2mm。

上述气体放电预电离装置中，激光气室的上部设置有绝缘基板，插拔机构和电极引杆通过密封圈和固定螺母固定在激光气室的外部。

上述气体放电预电离装置中，放电电极和预电离针均由不锈钢、铝或铜制成。

上述气体放电预电离装置中，绝缘基板由尼龙制作而成。

上述气体放电预电离装置中，峰化电容为陶瓷电容器。

上述气体放电预电离装置中，插拔结构为金属材料制成。

上述气体放电预电离装置中，上电极为阴极。

上述气体放电预电离装置中，预电离针有数十对，间距为2cm。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明预电离火花隙位于电极两侧，预电离放电产生的紫外光直接辐照主放电区域气体介质，紫外光利用效率高。

2、本发明预电离沿电极长度方向均匀布放于电极两侧，易于实现大体积气体介质的均匀预电离。

3、本发明预电离针与电极构成的预电离间隙仅1-5mm，在放电电极间加载脉冲高压时预电离间隙快速击穿，形成弧光放电通道，产生紫外光。因而，本发明无需采用其它辅助电路或装置，可以实现气体介质的紫外光自动预电离，同时结构紧凑，放电回路电感小，放电效率高，并易于实现预电离针与激光器其它部件的电气绝缘。

4、本发明预电离针与放电电极处于同一平面内，不会对循环气体的流场结构造成影响任何影响。

5、本发明峰化电容置于气室外部，预电离针与峰化电容通过插拔结构相连，方便、快捷，而且气室内的气体不会对电容腐蚀，延长了器件的使用寿命，增加了系统的可靠性。

附图说明

图1为传统的气体放电紫外预电离装置结构示意图；

图2为本发明气体放电紫外预电离装置的结构示意图；

图3为本发明放电电极结构与预电离针位置示意图。

附图标记为：1、上电极；2、预电离针；3、密封圈；4、紧固螺母；5、储能电容；6、电极引杆；7、绝缘基板；8、激光气室；9、气体介质循环流动方向；10、峰化电容；11、插拔结构；21、下电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2和图3所示，本发明的气体放电预电离装置分为激光气室8内部和激光气室8外部两个部分。其中激光气室8内包括若干对预电离针2和一对放电电极；激光气室8外包括储能电容5和若干对峰化电容10；激光气室8内的气体介质在一对放电电极之间的间隙流过；预电离针2通过插拔机构11与对应的峰化电容10两联，构成预电离充放电回路；放电电极包括上下设置的上电极1和下电极21，储能电容5通过电极引杆6与上电极相联。

如3所示，放电电极的形状为长条形，预电离针2沿放电电极长度方向均匀布置；如图2所示，放电电极的横截面为纺锤形结构，每对预电离针2针尖相对，且正对上电极的纺锤形结构的两个尖端设置，图中上电极1为阴极。

电极1和预电离针2均为不锈钢材料，两者垂直穿过绝缘基板7，并通过密封圈3和紧固螺母4固定以及确保激光气室8良好的真空密封性能。预电离针2沿放电电极1长度方向均匀布放于上电极1两侧，每两根预电离针之间的距离为2cm。绝缘基板7为尼龙，用以隔离激光器气室8和上电极1及预电离针2上的高电压。激光器储能电容5通过电极引杆6向电极1提供气体放电所需的高压脉冲。插拔结构11将预电离针2和峰化电容10连接，构成预电离充放电回路。由于预电离针2和峰化电容10的数量为数十只，一般大于50，插拔结构11的使用将使得激光器的安装调试变得方便、快捷。

激光器运行时，储能电容5的电能经由电极引杆6加载至上电极1，形成脉冲高电压。此时，下电极21和预电离针2均处于地电位，因此，在上下两放电电极间隙以及上电极1与预电离针2构成的预电离间隙上均会产生脉冲强电场。由于预电离针2与上电极1构成的预电离间隙仅为2mm，在脉冲强电场作用下，预电离间隙会快速击穿，并向峰化电容10充电，同时预电离间隙形成的弧光放电通道持续辐射高强度紫外光，辐照主电极间隙中的激光气体介质，实现介质的紫外光自动预电离。预电离火花隙紧邻放电区，预电离放电产生的紫外光辐照主放电区域气体介质的利用效率较高。峰化电容10的作用是为持续预电离过程提供能量，确保预电离的时间和强度满足激光器设计要求。

如图2和图3所示，预电离针2与放电电极处于同一平面内，区别于图1的传统紫外预电离装置结构，本发明的预电离设计不会对循环气体的流场结构造成任何影响，确保激光器重频稳定运行。峰化电容器置于气室外部，安装维护方便，且不会受到气体介质的腐蚀。此外，本发明预电离针设计的结构非常紧凑，放电回路电感小，放电效率高，并易于实现预电离针与激光器其它部件的电气绝缘。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如放电电极可以选择硬铝及黄铜等其它金属材料制作，绝缘基板也可选用其它电绝缘材料，预电离针之间的距离和预电离间隙可以根据激光器充电电压、介质气压、放电电极间距和预电离电容值等参数作适当调整，电极侧面和预电离针尖棱的微观面型可以根据数值模拟结果进行优化设计等等。以上变化，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体放电预电离装置，包括一对长条性的放电电极、若干对针尖相对的预电离针(2)、储能电容(5)、若干对峰化电容(10)和激光气室(8)；所述的放电电极和预电离针(2)设置在激光气室(8)内，所述的储能电容(5)和峰化电容(10)设置在激光气室(8)外；所述的放电电极包括沿垂向设置的上电极(1)和下电极(21)，所述激光气室(8)内的气体介质在上电极(1)和下电极(21)之间的间隙流过；所述的预电离针(2)通过插拔机构(11)与对应的峰化电容(10)两联，构成预电离充放电回路；所述的储能电容(5)通过电极引杆(6)与上电极(1)相联；所述的放电电极的横截面为纺锤形，每对预电离针(2)正对上电极纺锤形结构的两个尖端设置。

2.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的预电离针(2)与上电极纺锤形结构的两个尖端之间的距离为1-5mm。

3.根据权利要求2所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的预电离针(2)与上电极纺锤形结构的两个尖端之间的距离为2mm。

4.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的激光气室(8)的上部设置有绝缘基板(7)，所述的插拔机构(11)和电极引杆(6)通过密封圈(3)和固定螺母(4)固定在激光气室(8)的外部。

5.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的放电电极和预电离针(2)均由不锈钢、铝或铜制成。

6.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的绝缘基板(7)由尼龙制作而成。

7.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的峰化电容(10)为陶瓷电容器。

8.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的插拔结构(11)为金属材料制成。

9.根据权利要求1所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的上电极(1)为阴极。

10.根据权利要求1或2所述的气体放电预电离装置，其特征在于：所述的预电离针(2)有数十对，间距为2cm。