CS244991B1 - Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera - Google Patents

Description

244991

Vynález sa týká výbojového zariadenia vý-konového plynového lasera na vytváranierovnoměrného stabilného výboja.

Doteraz známe výbojové zariadenia využí-vajú na zabezpečenie rovnoměrného' stabil-ného výboja o vysokej prúdo-vej hustotě e-lektródové systémy, iktoré sú umiestnené vprúdiacom plyne v oblasti, kde je najužšíprierez kanála pre prúdenie plynu a kdeprúdenie plynu dosahuje najváčšie rýchlos-ti. To je spojené s tým, že v týchto mies-tach potom dochádza v důsledku velkýchodporov proti prúdeniu plynu k úměrně vel-kým stratám energie prúdu plynu. Pre prú-denie plynu je vytvořený aerodynamický ka-nál, ktorý formuje prúdenie plynu tak, žev najužšom priereze kanála, kde je spravid-la umiestnený elektrodový systém a kde do-chádza k horeniu výboja medzi elektroda-mi elektródového systému, dosahuje rých-losť prúdenia plynu maximálně hodnoty.

Prúdenie plynu okrem zabezpečenia kon-vektívneho odvodu prebytočnej energie zvýboja zabezpečuje vytváranie homogén-nych podmienok pozdíž celého výboja. Ty-pické rýchlosti prúdenia potřebné na do-statočný odvod prebytočnej tepelnej ener-gie ZO' systému v najužšom priereze kanáladosahujú hodnoty 30- až 100 m/s pri pracov-nám .tlaku okolo 5,3 kPa. Potřeba dosaho-vat takéto rýchlosti je vynútená tým, že tak-mer všetka prebytočná energie uvolněná vovýboji je odvádzaná konvektívne — prúde-ním plynu cez výboj. Pri uvedených poměr-ně vysokých rýchlostiach prúdenia plynu saprejavujú nehomogenity prúdiaceho plynu,ako je napr. nerovnoměrný rýchlostný pro-fil po celom priereze, čo vedie k vytváraniurozdielnych lokálnych teplot a tým k ne-rovnoměrným podmienkam v oblasti výbojas náchylnosťou prechádzať do oblúku. Te-pelná energia z prúdiaceho plynu je odvád-zaná výmenníkom tepla, ktorý představujevelký odpor proti prúdeniu plynu. Tieto ipredtým uvedené okolnosti vyžadujú použi-tie výkonových agregátov pre náhon plynuv závislosti od požadovanej rýchlosti prúde-nia. Odvod velkého množstva tepelnej ener-gie kladie úměrné požiadavky na výmenníktepla, čo je spojené s konštrukčnou a roz-měrovou náročnosťou výmenníka, popřípa-dě použitím viacerých výmenníkov.

Rozměrné účinné výmenníky tepla zabu-dované do prúdiaceho plynu s velkým -od-porom proti prúdeniu plynu zvyšujú náro-ky na agregát pre náhon plynu. Pri konvek-tívnom odvode tepla sa uplatňujú následov-ně přestupy tepla: prostredie výboja — prú-diaci plyn, prúdiaci plyn — výmenník tepla,výmenník tepla — chladiace médium. Kaž-dý přestup prispieva k znižovaniu celkovejúčinnosti chladenia.

Vytváranie homogénnych podmienok v ce-lom objeme výbojového priestoru je důleži-té z hladiska stability výboja pri vysokejprúdovej hustotě s cielom predísť přechoduvýboja do- oblúka, čím je v podstatě limini- tované množstvo energie vkládané do vý-bojového priestoru a tiež z hladiska homo-genity optického prostredia, kto-ré slúži akoaktivně prostredie pre generovanie lasero-vého žiarenia. Toto v konečnom důsledkuvyplývá na celkovú účinnost laserového za-riadenia.

Doteraz známe laserové zariadenia využí-vajú rožne formy stabilizácie a homogeni-zácie horenia výboja. Využívajú segmento-vanie katody na niek-olko sto individuálněodporovo- zatažených segmentov, alebo tiežsegmentovanie anody alebo obidvoch, t. j.katody i anody. Použitie velkého- počtu seg-mentov niektorej elektrody vedie ku zvýše-niu stability, vyznačuje sa však zložitoukonštrukciou, zvýšenými požiadavkami natechnológiu výroby a materiály, čo je spo-jené s vysokou teplotou na povrchu elek-trod, s výskytom vysokého pracovného na-pátia na elektrodách, s nutnosťou zachovattěsnost a čistotu pracovného priestoru s po-žiadavkou vysokej spolehlivosti a životnos-ti elektródového systému. V ino-m zariadenísa na odvod tepla zo segmentovanej elek-trody používá nepriame chladenie, čo všakznižuje účinnost chladenia v tomto i dal-ších podobných případech nepriameho chla-denia. Pre vytvorenie homogénnych podmie-nok sa zavádza do výbojového priestoru tur-bulencia plynu, ktorá je vytváraná samo-statnými turbulentnými přepážkami tvarusieťky, mriežky, lišty apod. Tieto přepážkysú umiestnené v blízkosti výbojového pries-toru v najužšom priereze kanála. Použitiesamostatných generátor-ov turbulencie u-miestnených v najužšom priereze aerodyna-mického kanála prispieva k zvýšeniu odpo-rov proti prúdeniu plynu a tým spatné kuzvýšeniu požiadavok na agregáty pre náhonplynu vyplývajúcich z pokrytia strát ener-gie na týchto odporoch.

Vyššie uvedené nevýhody zmierňuje atechnický problém rieši výbojové zariadenievýkonového plynového lasera, ktorého pod-statou je, že nad katodou tvořenou aspoňjedným válcovým segmentom, uloženou na-prieč směru prúdeniu plynu, je uloženáaspoň jedna plošná anoda, pričom po smereprúdu plynu je před prvým válcovým seg-mentom katody umiestnená pomocná seg-mentovaná elektroda. Každý segment kato-dy a každá anoda má vytvorenú dutinu prechladiace médium. Medzi jednotlivými ano-dami sú uložené elektricky nevodivé pod-ložky vytvárajúce so stěnou anody hornústenu aerodynamického kanála. PriTáhle kplošnej anóde je z jednej strany uloženávrchná difúzorová doska tak, že hrana ploš-nej anody přesahuje cez difúzorovú došku az druhej strany vrchná konfúzorová doska,tvoriace hornú stenu aerodynamického ka-nála. Segmentovaná elektroda je uchytenáv držiaku, ku kterému je prilahle uloženáspodná difúzorová doska tvoriaca spolu sdržiakom spodnú stenu aerodynamického 244991

S tunela. Pod katodou je uložená spodná kon-fúzorová doska. Do podstaty vynálezu patřítiež to, že ak sú nad katodou uložené triplošné anody, dížka strednej plošnej anody]'e rovnaká alebo vačšia ako dížka krajnýchplošných anód. Elektricky nevodivé podlož-ky medzi plošnými anodami sú v jednej ro-vině so spodnou plochou plošných anód.Prvý segment katody umiestnený za držia-kom je svojím povrchom v rovině alebo podúrovňou roviny tvorenej povrchom držiakaa spodnou difúzorovou doskou a ďalšie seg-menty katody sú usporiadané za sebou. Po-zdíž prvého' segmentu katody sú umiestne-né tvarové konce pomocnej segmentovej e-lektródy tak, že jednotlivé segmenty po-mocnej segmentovanej elektrody sú rovno-měrně vysunuté před výbojovým priestoromnad úrovňou roviny tvorenej povrchom dr-žiaka a spodnou difúzorovou doskou. Výhodou výbojového zariadenia výkono-vého plynového lasera podl'a vynálezu je,že sa vyznačuje jednoduchou, spolehlivoua úspornou konštrukciou, nevyžaduje po-užitie špeciálnych materiálov, čo je pred-pokladom dlhej životnosti a spolehlivosti za-riadenia pri dosahovaní vysokých výkonov.Vzhladom na znížené nároky na konvektív-ny odvod tepelnej energie z výboja, umož-ňuje používat, ako· agregát pre náhon plynuběžné ventilátory používané vo vzducho-technike. Výbojové zariadenia podlá vyná-lezu ako súčasť prietočného plynového vý-konového lasera prispieva ku zvýšeniu cel-kovej účinnosti laserového zariadenia. Výbojové zariadenie výkonového plynové-ho iasera je příkladné znázorněné na při-pojených výkresoch, kde na obr. 1 je na-kreslený pohlad na výbojové zariadenie vý-konového' plynového lasera v řeze, na obr.2 je nakreslené uloženie elektrod v axono-meirií a na obr. 3 je nakreslený rez kolmýna os elektrod. Výbojové zariadenie výkonového laserapozostáva z agregátu 1 pre náhon plynu,ktorý je umiestnený vo vnútri pracovnéhopriestoru ohraničeného plášfom 18 zariade-nia. V pracovnom priestore zariadenia je u-miestnená katoda 2 tvořená tromi válcový-mi segmentami vloženými naprieč směruprúdenia plynu. Nad katodou 2 sú uloženétri plošné anody 1. Po smere prúdenia ply-nu je před prvým válcovým segmentem ka-tody 2 umiestnená pomocná segmentovanáelektroda 3. Každý segment katody 2 a kaž-dá anoda 1 má vytvorenú dutinu pre chla-diace médium. Medzi jednotlivými anodami1 sú uložené elektricky nevodivé podložky6, vytvárajúce so stěnou anody 1 hornú ste-nu aerodynamického kanála. Prilahle k ploš-nej anóde 1 je z jednej strany uložená vrch-ná difúzorová doska 5 tak, že hrana ploš-nej anody 1 přesahuje cez difúzorovú doš-ku 3 a z druhej strany vrchná konfúzorovádoska 8, tvoriace hornú stenu aerodynamic-kého kanála. Segmentovaná elektroda 3 jeuchytená v držiaku 4, ku ktorému je pri- l'ahle uložená spodná difúzorová doska 9tvoriaca spolu s držiakom 4 spodnú stenuaerodynamického tunela. Pod Ikatódou 2 jeuložená spodná konfúzorová doska 7. V pří-pade, že nad katodou 2 sú umiestnené triplošné anody 1, dížka strednej plošnej anó-dy 1 je rovnaká, aleba vačšia ako dížkakrajných plošných anód 1. Prvý segment ka-tody 2 umiestnený za držiakom 4 je svojimpovrchom v rovině, alebo pod úrovňou ro-viny tvorenej povrchom držiaka 4 a spod-nou difúzorovou doskou 9 a ďalšie segmentykatody 2 sú usporiadané za sebou. Pozdížprvého segmentu katody 2 sú umiestnenétvarové konce pomocnej segmentovej elek-trody 3 tak, že jednotlivé segmenty pomoc-nej segmentovanej elektrody 3 sú rovno-měrně vysunuté před výbojovým priestorom10 nad úrovňou roviny tvorenej povrchomdržiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9.Funkcia výbojového' zariadenia výkonovéhoplynového lasera je nasledovná: Vo výbojo-vom zariadení prúdi plyn v uzavretej sluč-ke. Plyn prúdi od agregátu 13 pre náhonplynu, difúzorovou oblasťou 19, ďalej naj-užším prierezom aerodynamického kanála17, potom prúdi výbojovým priestorom 10a konfúzorovým priestorom 20. Za konfúzo-rovým priestorom 20 je prúdenie plynu na-směrované k výmenníku tepla 16, ktorý jeumiestnený naprieč směru prúdenia plynu.Homogénny stabilný hlavný výboj hor? vovýbojovom priestore 10 medzi segme^t-m’katody 2 a plošnými an daroi 1. K' s'_b;’·'zácii hlavného· výboja prispievp pom-rvýboj, ktorý je udržiavaný medzi prvým sementom katody 2 a segmentami pomocné'segmentovej elektródy 3. Prúdenie plvndosahuje maximálnu hodnotu rýchlosti vnajužšom priereze aerodynamického kaná-la 17. Prúdenie plynu je ovplyvňované atvarované před výbojovým priestorom 10vzájomným usporiadaním vrchnej difúzoro-vej došky 5, spodnej difúzorovej došky 9,držiakom 4 pomocnej segmentovanej elek-tródy 3 a plošnými anodami 1 s izolačnýmivložkami B.

Každý segment pomocnej segmentovanejelektródy 3 je připojený na obvod napája-ného zdroja cez individuálně zaťažové od-pory 11 pomocnej elektródy 3, ktoré majúspravidla rovnakú hodnotu. Plošné anody 1sú zaťažané individuálnymi záťažovými ano-dovými odpormi 12, cez ktoré sú plošné anó-dy 1 připojené do obvodu napájacieho zdro-ja. Segmenty katody 2 sú do- obvodu napá-jacieho zdroja zapojené cez záťažové odpo-ry 13, 14. Hodnoty anodových odporov 12můžu byť odlišné a možno nimi potláčaťvplyv nerovnoměrného rýchlostného profi-lu prúdenia plynu na horenie výboja, čo saprejavuje hlavně pod krajnými plošnýmianodami 1. Vzájomným pomerom záťažo-vých katodových odporov 13, 14 a záťažo-vých anodových odporov 12 možno ovplyv-ňovať hustotu elektrického prúdu medzi seg-

Claims (3)

244991 mentami katody 2 a plošnými anodami 1.Hodnoty záfažových odporov 12, 13, 14 zá-visia od konkrétných podmienok. Homogénny a stabilný objemový výboj ovysokej prúdovej hustotě produkovaný za-riadením podl'a vynálezu je vhodný ako ak-tivně prostredie pre generovanie výkonné-ho laserového žiarenia. Typické použitie jeaj pre lasery využívajúce ako aktivně mé-dium molekuly kysličníka uhličitého, kdeprúdiaci plyn je tvořený zmesou kysličníkauhličitého, dusíka a hélia v zvolenom po-měre jednotlivých zložiek. Zariadenie podlá vynálezu dovoluje po-užitie viacprechodového typu optického re-zonátora a tým plnšie využitie aktívnej ob-lasti vytváranej výbojom. Časť zariadenia,ktorá slúži na vytváranie pomocného sta-bilizačného výboja má univerzálně použitie.Možno ju použil v podobných výbojovýchsystémoch, které používajú tzv. dvojvýbo-jové usporiadanie, kde pomocný výboj vy-tvára podmienky pre stabilně horenie hlav-ného výboja. Táto časť zariadenia bola po-užitá vo' výlkonovom prietočnom lasere no-minálneho výkonu 1 000 W. PREDMET

1. Výbojové zariadenie výkonového plyno-vého lasera, pozostávajúce z aerodynamic-kého kanála, agregátu pre náhon plynu, vý-menníka tepla, katody, anody a pomocnéjsegmentovanej elektrody, vyznačujúce satým, že nad katodou (2), tvořenou aspoňjedným válcovým segmentom, uloženou na-prieč směru prúdenia plynu, je totožnáaspoň jedna plošná anoda (1), pričom posmere prúdenia plynu je před prvým vál-covým segmentom katody (2) umiestnenápomocná segmentovaná elektroda (3], zatial'čo každý segment katody (2) a každá ano-da (1) má vytvořenu dutinu pre chladiacemédium a medzi jednotlivými anodami (1)sú uložené elektricky nevodivé podložky(6), vytvárajúce so stěnou anody (1) hornústenu aerodynamického kanála (17], pri-čom prilahle k plošnej anóde (1) je z jed-nej strany uložená vrchná difúzorová dos-Ika (5) tak, že hrana plošnej anódy (1) pře-sahuje difúzorovú došku (5) a z druhejstrany vrchná konfúzorová doska (8), tvo-riace hornú stenu aerodynamického kaná-la (17), zatial' čo segmentovaná elektroda (3) je uchytená v držiaku (4), ku ktorémuje prilahle uložená spodná difúzorová dos- VYNALEZU ka (9), tvoriaca spolu s držiakom (4) spod-nú stenu aerodynamického kanála (17),kým pod katodou (2) je uložená spodnákonfúzorová doska (7).

2. Výbojové zariadenie výkonového plyno-vého lasera podlá bodu 1 vyznačujúce satým, že nad katodou (2) sú uložené tri ploš-né anódy (1), pričom dížka strednej ploš-nej anódy (1) je rovnaká, alebo váčšia akodížka krajných plošných anód (1).

3. Výbojové zariadenie výkonového ply-nového lasera podlá bodu 1 vyznačujúce satým, že prvý segment katody (2), umiestne-ný za držiakom (4) je svojím povrchom vrovině, alebo pod úrovňou roviny tvorenejpovrchom držiaka (4) a spodnou difúzoro-vou doskou (9) a ďalšie segmenty katódy(2) sú usporiadané za sebou, pričom pozdížprvého segmentu katódy (2) sú umiestnenétvarové konce pomocnej segmentovej elek-trody. (3) tak, že jednotlivé segmenty po-mocnej segmentovanej elektrody (3) sú rov-noměrně vysunuté před výbojovým priesto-rom (10) nad úrovňou roviny tvorenej po-vrchom držiaka (4) a spodnou difúzorovoudoskou (9). 2 listy výkresov