CN108336633A - 一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，包括导电通气铜管和超音速喷管放电头，导电通气铜管内设有依次连通的进气通道、定位孔段和内螺纹孔段，内螺纹孔段设于导电通气铜管的前端，超音速喷管放电头包括前后设置的定位段和外螺纹段，定位段与定位孔段配合，外螺纹段与内螺纹孔段螺纹配合，超音速喷管放电头内沿气体流动方向设有依次连通的进气段、收缩锥段、喉道和出气扩张锥段，进气段与进气通道连通。本发明的超音速阳极组件能够自冷却，具有放电效率高、抗烧蚀的优点。

Description

一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件

技术领域

本发明涉及电激励化学激光器技术领域，尤其涉及一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件。

背景技术

电激励氟化氢/氟化氘化学激光器通过放电方式产生氟原子，再通过氟原子与氢气/氘气分子进行泵浦反应，把放热置换化学反应过程释放的能量转化为氟化氢/氟化氘分子内能，改变氟化氢/氟化氘分子振动-转动态分布，产生粒子数反转，进而激射输出中心波长2.7/3.8微米的具有重要用途的氟化氢/氟化氘多波长激光。整个激光器包括高压直流电源、进气组件、放电管组件、光腔组件、增益段以及排气通道组件等。通过高压直流电源在放电管两端施加高电压而引起低压气流的辉光放电，放电解离六氟化硫/三氟化氮/氟气(SF₆/NF₃/F₂)等气体化合物而产生氟原子(F)，解离过程如下：

SF₆+e→(6-i)F+SF_i(i＝2、3、4、5)

上述的放电管是电激励氟化氢/氟化氢化学激光器中至关重要的部件之一，直接关系着激光器的功率水平，放电管主要包括阳极、阴极和放电管(石英管或陶瓷管)，阳极安装在阳极体上。辉光放电是低气压气体放电，特点是高电压、小电流，具有相对低温的特性，适合长时间稳定运行，且放电管注入功率可随气流量大小改变而提升方便，是电激励氟化氢/氟化氘激光器使用最多的放电方式之一。美国航空研究实验室J.J.Hinchen研发的小型电激励连续波氟化氢/氟化氘化学激光器放电管阳极为10根Φ3mm×100mm的长镍针。他在文章中记载，这个设计是为了利用整个气体体积，但因辉光放电在多根镍针电极间跳移，所以无法保证在所有情况下成功。美国D.J.Spencer设计的电激励氟化氢/氟化氘激光器放电管阳极为采用8根Φ1.59mm×152mm对称分布的气冷镍针。中国科学院大连化学物理研究所的黄瑞平、孙以珠研发的电激励氟化氢化学激光器使用的阳极为8根Φ2mm×200mm的铜针，阴极为水冷铝环。国防科技大学后期研发的电激励氟化氢/氟化氘化学激光器放电管阳极为1根Φ10mm的321不锈钢棒。综上所述，先前的电激励氟化氢/氟化氘化学激光器放电管阳极一般使用多针型或棒状结构，如图1和图2所示。针状结构有效放电截面面积小，导致含氟气体的解离效率不高，总电效率也不高。此外，两种电极在长时间多次放电后，由于放电解离出的氟原子与阳极金属材料直接接触，会产生氧化反应或烧蚀沾染，特别是在放电电流较大的运行参数条件下，需要频繁维护或定期更换，对电激励激光器的使用带来很多不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种放电效率高、抗烧蚀、自冷却的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，包括导电通气铜管和超音速喷管放电头，所述导电通气铜管内设有依次连通的进气通道、定位孔段和内螺纹孔段，所述内螺纹孔段设于导电通气铜管的前端，所述超音速喷管放电头包括外螺纹段和定位段，所述定位段与定位孔段配合，所述外螺纹段与内螺纹孔段螺纹配合，所述超音速喷管放电头内沿气流方向依次设有连通的进气段、进气收缩锥段、喉道和出气扩张锥段，所述进气段与所述进气通道连通。

作为上述技术方案的进一步说明：

所述定位孔段包括锥孔段和直孔段，所述锥孔段设于内螺纹孔段与直孔段之间，所述直孔段与进气通道直接连通，所述定位段包括圆柱段和球面段，所述球面段设于圆柱段与外螺纹段之间，所述圆柱段与直孔段配合，所述球面段与锥孔段配合。

所述导电通气铜管外壁设有进气口，所述进气口与进气通道连通。

所述导电通气铜管中部加工成第一六棱柱台，后端设有螺纹段，所述螺纹段内设有与一高压直流导电线连接头旋接的螺纹孔。

所述进气通道延伸至螺纹段内，所述进气口设于螺纹段上。

所述超音速喷管放电头的外螺纹段超出内螺纹孔段的部分加工成第二六棱柱台。

本发明的创新在于：本发明的超音速阳极组件中，气体从导电通气铜管的进气通道进入后，经过喉道之后喷出，进行放电解离，解离后的氟原子与阳极内外表面都没有直接接触，因此能够完全有效避免阳极出现烧蚀沾染问题，极大延长了阳极使用寿命，无需维护与更换。也就是说，该超音速阳极组件把放电气体从外部亚音速气流变为内部超声速气流，结构简单，只有导电通气铜管两个零件，易于拆装，密封性能好，在工程上容易实现。现有技术中，无论是多针型或棒状结构的阳极，放电气体在放电管内直接与多针型阳极或棒状阳极外表面接触，在接触的表面发生了解离，解离的氟原子一直与多针型阳极或棒状阳极接触，进而对多针型阳极或棒状阳极产生氧化烧蚀，从多针型阳极或棒状阳极的尖端开始，使得多针型阳极或棒状阳极在累积运行过程中逐渐变短，因而需要定期更换或频繁维护。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)具有放电效率高的特性：由于超音速阳极组件以超音速喷管放电头作为阳极，放电气流经亚声速收缩段加速后，在喉道处达到声速，然后在扩张段中膨胀加速，最后在出口处形成超声速气流，实现低气压、低密度、低温气流放电，符合化学激光器直流辉光放电的特性需求，有利于提高放电效率；另外，因为放电头的喷管结构，放电气体在喉道后的扩张结构内发生放电，有效放电面积增大，也有利于放电效率提高，因此，该超音速阳极组件具有放电效率高的特性。

(2)具有抗烧蚀、自冷却的优点：现有技术中的多针型或棒状结构阳极为外部流动型电极，含氟气体化合物气流在沿表面放电之后，解离的氟原子与电极表面直接接触，发生氧化反应与烧蚀沾染现象，电极使用寿命短，需要频繁维护或定期更换，相比较之下，本发明的超音速阳极组件将先前的外部流动结构改为内部流动结构，三氟化氮(NF₃)等含氟气体从喷管流出后进入超音速扩张段，被解离后立即流出阳极，氟原子与阳极没有直接接触，因此能够完全有效避免阳极出现烧蚀沾染问题，极大延长了阳极使用寿命；此外，新型阳极采用喷管结构，具有自冷却的功能：当气体在喷管中流动，膨胀加速成为超音速气流，气体温度将下降，低温气体对该阳极具有自冷却作用，适合长时间稳定运行。

(3)密封性和同轴性好：该超音速阳极组件采用球头与圆锥面结构相切压紧并以内外螺纹配合锁紧的连接方式，密封性良好，解决了放电气体在阳极的泄漏问题，避免了气体流量不稳定的问题；同时，因设计有相互匹配的圆柱段与直孔段，保证了两零件装配连接的同轴性，从而确保了放电气流沿放电管轴向流动；该超音速阳极组件的装配连接方式保证了电激励激光器的出光稳定性和运行可靠性；另外，该超音速阳极组件无需焊接，有效避免了由于焊接缺陷导致的结构变形和多根放电管并联运行时的流量不均匀问题。

(4)超音速放电头可更换：该超音速阳极组件由导电通气铜管以及超音速喷管放电头两个零件组成，两者以螺纹配合连接，拆装方便；当阳电极组件用于电激励多波段(氟化氢/氟化氘/二氧化碳)激光的输出时，或者使用不同的含氟化合物气源(三氟化氮/六氟化硫/氟气等)时，超音速放电头可以很方便拆下，更换不同喉道尺寸的放电头，从而适应不同类型或不同氟源激光器的试验与运行需求。

附图说明

图1是现有技术中多针型阳极结构示意图。

图2是现有技术中棒状阳极结构示意图。

图3是本发明超音速阳极组件的结构示意图。

图4是本发明中导电通气铜管的结构示意图。

图5是本发明中超音速喷管放电头的结构示意图。

图6是本发明超音速阳极组件在放电管上位置示意图。

图7是图6的A处放大图。

图8是采用本发明超音速阳极组件的电激励氟化氢/氟化氘激光器试验台。

图中各标号表示：

1、导电通气铜管；11、第一六棱柱台；12、螺纹段；121、螺纹孔；2、超音速喷管放电头；21、进气段；22、进气收缩锥段；23、喉道；24、出气扩张锥段；3、内螺纹孔段；4、定位孔段；41、锥孔段；42、直孔段；5、进气通道；6、外螺纹段；61、第二六棱柱台；7、定位段；71、圆柱段；72、球面段；8、进气口；91、阳极体；92、石英管；93、进气接头；94、高压直流导电线连接头；95、放电管水冷夹套；96、阴极。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图3至图7所示，本实施例的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，包括导电通气铜管1和超音速喷管放电头2，导电通气铜管1内设有依次连通的进气通道5、定位孔段4和内螺纹孔段3，内螺纹孔段3设于导电通气铜管1的前端，超音速喷管放电头2包括外螺纹段6和定位段7，定位段7与定位孔段4同轴配合，外螺纹段6与内螺纹孔段3配合，超音速喷管放电头2内沿气流方向设有依次连通的进气段21、进气收缩锥段22、喉道23和出气扩张锥段24，进气段21与进气通道5连通。

本实施例中，该超音速阳极组件为电激励氟化氢/氟化氘化学激光器放电管的阳极，放电管主要包括阳极组件、石英管92、放电管水冷夹套95和阴极96。如图6和图7所示，导电通气铜管1与超音速喷管放电头2装配好构成阳极组件，整体通过导电通气铜管1的后端螺纹安装在阳极体91上，导电通气铜管1的前端和超音速喷管放电头2位于石英管92内，放电管的阴极96位于超音速喷管放电头2的气流下游(放电管右侧)，石英管92内的放电头下游气流区域为辉光放电区。

本实施例中，放电气体由进气接头93进入进气通道5内，先经超音速喷管放电头2的进气收缩锥段22亚声速加速后在喉道23处达到声速，再经出气扩张锥段24加速，在放电头出口处形成超声速气流，实现低气压、低密度、低温的气流放电，放电头结构使得含氟化合物(三氟化氮/六氟化硫/氟气等)气体被解离后立即流出阳极，氟原子与阳极表面没有接触，因此能够有效避免阳极出现氧化反应或烧蚀沾染问题，可极大延长阳极组件特别是超音速喷管放电头2的使用寿命。通过超音速喷管放电头2的外螺纹段6与导电通气铜管1内螺纹孔段3拧合装配实现高性能密封，可实现放电气体从放电头中无泄漏地全部注入到放电管中。本发明的结构超音速阳极组件，加工工艺上容易保证放电头喉部尺寸具有很好的一致性，从而可以实现各个放电管气体流量的一致性控制，进而实现多根放电管并联使用时的均匀流量分配和放电效率等性能的一致性。

本实施例中，定位孔段4包括锥孔段41和直孔段42，锥孔段41设于内螺纹孔段3与直孔段42之间，直孔段42与进气通道5直接连通，定位段7包括圆柱段71和球面段72，球面段72设于圆柱段71与外螺纹段6之间，圆柱段71与直孔段42配合，球面段72与锥孔段41配合。圆柱段71与直孔段42的配合保证导电通气铜管1与超音速喷管放电头2之间的同轴性，球面段72与锥孔段41相切旋紧以保证密封性，外螺纹段6与内螺纹孔段3配合保证了阳极组件连接的稳固性和密封性。

本实施例中，导电通气铜管1外壁设有进气口8，进气口8与进气通道5装配时连通。导电通气铜管1中部加工成第一六棱柱台11，后端设有螺纹段12，螺纹段12内设有螺纹孔121。设置第一六棱柱台11便于装配扳手操作，螺纹段12用于与阳极体91螺纹装配连接，进气口8设于螺纹段12上，进气通道5延伸至螺纹段12内，进气口8与进气接头93连通供气，进气接头93螺纹连接固定在阳极体91上，螺纹段12的螺纹孔121与一高压直流导电线连接头94连接。这里需要强调的是，本实施例中，将导电通气铜管1的后端内嵌于绝缘的阳极体91内，在导电通气铜管1的后端设置螺纹孔121，在该螺纹孔121安装高压直流导电线连接头94，通过高压直流导电线连接头94外接高压电源正极，该设置使得系统安全性好，且在潮湿环境下运行时无漏放电、击穿等问题。

本实施例中，超音速喷管放电头2的外螺纹段6超出内螺纹孔段3的部分加工成第二六棱柱台61，第二六棱柱台61主要用于装配扳手操作，便于安装拆卸。

本实施例中，具体地，导电通气铜管1和超音速喷管放电头2采用H62黄铜材料，加工完成后表面镀镍处理。对应的石英管92内径尺寸为Φ20mm×400mm，阴极96为Φ25mm镀镍铜环，导电通气铜管1和超音速喷管放电头2的参数设置如下：

本发明的超音速阳极组件，导电通气铜管1由棒料车铣复合加工完成，螺纹段12尺寸为M10×28mm，中间圆柱部分尺寸为Φ16mm×45mm，第一六棱柱台11的对边距离为14.5mm，长度为10mm，螺纹段12前端为深度8mm的M6螺纹孔121。竖直进气口8孔径为Φ5mm，贯穿至水平的进气通道5，进气口8孔心距离螺纹孔121端面为18mm；进气通道5孔径为Φ5mm；内螺纹孔段3的内螺纹尺寸为M14×1.5，螺纹长度10mm；锥孔段41的小端尺寸为Φ5.5mm，大端为Φ7mm，锥高2.65mm；直孔段42尺寸为Φ7×3.5mm。

超音速喷管放电头2圆柱段71的尺寸为Φ6.98×2.5mm，球面段72的球面半径6mm、高4mm；前端圆柱尺寸为Φ14×19.5mm，其中外螺纹体6的尺寸为M14×1.5，长度10mm，第二六棱柱台61对边距离12.8mm，柱台高度为8mm；放电头进气段21尺寸为Φ5×6.4mm，进气收缩锥段22大端直径为Φ5mm，底部直径Φ2mm，收缩全角为50°，喉道23尺寸为Φ2mm×2mm；出气扩张锥段24上底与喉道23相连，出口直径Φ11.3mm，扩张全角为30°。

上述相关设计参数是结合机械加工工艺，利用气体动力学公式，通过对各节点位置的流动工况计算与评估优化得出的。

本发明的超音速阳极组件把放电气体从外部亚音速气流变为内部超声速气流，结构简单，只有2个零件，易于拆装，密封性能好，在工程上容易实现；喉道段23通过加工易保证尺寸一致性，多个放电管气体流量的一致性好；低密度、低温超音速气流放电均匀，放电效率高。采用上述新型阳极的某试验装置包含2个放电管模块，每个模块包含6根放电管，如图8所示，该装置上的12根放电管经过高强度间断性试验运行验证，阳极组件中超音速放电头未发生烧蚀现象，在未作任何维护保养的情况下，该电激励激光器的运行性能良好如新。与之对比，现有技术中的多针型与棒状电极一般累计运行几小时后，就会有明显的电极氧化反应、烧蚀沾染、电极变短等问题，激光器的运行性能会有明显下降，需要维护保养或更换电极。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的修改或等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何修改及等同变化，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：包括导电通气铜管(1)和超音速喷管放电头(2)，所述导电通气铜管(1)内设有依次连通的进气通道(5)、定位孔段(4)和内螺纹孔段(3)，所述内螺纹孔段(3)设于导电通气铜管(1)的前端，所述超音速喷管放电头(2)包括外螺纹段(6)和定位段(7)，所述定位段(7)与定位孔段(4)配合，所述外螺纹段(6)与内螺纹孔段(3)螺纹配合，所述超音速喷管放电头(2)内沿气流方向依次设有连通的进气段(21)、进气收缩锥段(22)、喉道(23)和出气扩张锥段(24)，所述进气段(21)与所述进气通道(5)连通。

2.根据权利要求1所述的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：所述定位孔段(4)包括锥孔段(41)和直孔段(42)，所述锥孔段(41)设于内螺纹孔段(3)与直孔段(42)之间，所述直孔段(42)与进气通道(5)直接连通，所述定位段(7)包括圆柱段(71)和球面段(72)，所述球面段(72)设于圆柱段(71)与外螺纹段(6)之间，所述圆柱段(71)与直孔段(42)配合，所述球面段(72)与锥孔段(41)配合。

3.根据权利要求2所述的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：所述导电通气铜管(1)外壁设有进气口(8)，所述进气口(8)与进气通道(5)连通。

4.根据权利要求3所述的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：所述导电通气铜管(1)中部加工成第一六棱柱台(11)，后端设有螺纹段(12)，所述螺纹段(12)内设有与一高压直流导电线连接头(94)旋接的螺纹孔(121)。

5.根据权利要求4所述的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：所述进气通道(5)延伸至螺纹段(12)内，所述进气口(8)设于螺纹段(12)上。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的用于电激励激光器放电管的超音速阳极组件，其特征在于：所述超音速喷管放电头(2)的外螺纹段(6)超出内螺纹孔段(3)的部分加工成第二六棱柱台(61)。