RU2065242C1

RU2065242C1 - Electric-ionization gas laser having external excitation and longitudinal direction of gas flow

Info

Publication number: RU2065242C1
Application number: RU93015021/25A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Бодакин; А.А. Макаревич; н Г.Ш. Манук; Г.Ш. Манукян; И.А. Туманов
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: CO₂ lasers for machinery, mining and other industrial applications. SUBSTANCE: device uses closed circuit of gas population, which is ionized by electronic beam. Device has cathode and anode electrodes which are located in discharge chamber and are designed as grills. Gas flow is directed towards electrodes in direction of electric field between electrodes. Ionization source generates electronic beam which is directed opposite to electric field. Optical axis of cavity is perpendicular to gas flow and electric field. Dielectric screens are inserted in space between electrodes directly in discharge area in perpendicular to electrode planes. These dielectric screens are made from porous ceramics and their processed surface is directed to inner side of gas discharge chamber. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к СО₂-лазерам с замкнутым контуром прокачки рабочей среды и ионизацией газа электронным пучком, предназначенным для использования в металлообрабатывающей, горнодобывающей и других отраслях промышленности.The invention relates to CO ₂ lasers with a closed-loop pumping of the working medium and gas ionization by an electron beam, intended for use in metalworking, mining and other industries.

Известен электроионизационный лазер с поперечной прокачкой газовой смеси [Пат. США 3702973, Н01S3/00, выдан 14.11.75 г] В газоразрядной области лазера установлены катод и анод прямоугольной формы, между которыми прокачивается газовая смесь N2-CO2-He. Перпендикулярно потоку газа в межэлектродное пространство со стороны катода, имеющего сетчатую структуру, направлен пучок электронов, а оптическая ось резонатора перпендикулярна пучку электронов и потоку газа. Known electroionization laser with transverse pumping of the gas mixture [US Pat. USA 3702973, H01S3 / 00, issued 11/14/75 g] A rectangular cathode and anode are installed in the gas discharge region of the laser, between which the N2-CO2-He gas mixture is pumped. An electron beam is directed perpendicularly to the gas flow into the interelectrode space from the side of the cathode having a mesh structure, and the optical axis of the resonator is perpendicular to the electron beam and the gas flow.

Недостатками конструкции электроионизационных лазеров с поперечным разрядом являются:
наличие протяженных приэлектродных перегретых погранслоев рабочей смеси из-за прокачки смеси вдоль анодного и катодного электродов;
наличие периферийных участков энерговклада вдоль потока газа, а также на входе и выходе из газоразрядной области вследствие рассеяния ионизирующего электронного пучка на выводном устройстве источника электронов в газе;
повышенные турбулентные пульсации плотности газа и показателя преломления вследствие требуемой для такой схемы разряда повышенной скорости газа;
расплывание тепловой пробки расширившегося газа вдоль потока за счет турбулентности, диффузии и теплопроводности при работе в импульсно-периодическом режиме;
высокая мощность, требуемая для системы прокачки газовой смеси;
повышенные линейные размеры зоны энерговклада вдоль потока.The disadvantages of the design of transverse-discharge electroionization lasers are:
the presence of extended near-electrode superheated boundary layers of the working mixture due to pumping of the mixture along the anode and cathode electrodes;
the presence of peripheral sections of the energy input along the gas stream, as well as at the entrance and exit of the gas discharge region due to scattering of the ionizing electron beam at the output device of the electron source in the gas;
increased turbulent pulsations of the gas density and refractive index due to the increased gas velocity required for such a discharge circuit;
the expansion of the heat plug of the expanded gas along the flow due to turbulence, diffusion, and thermal conductivity when operating in a pulse-periodic mode;
high power required for the gas mixture pumping system;
increased linear dimensions of the energy input zone along the flow.

От вышеуказанных недостатков свободна продольная схема разряда. Известен электроионизационный лазер [Joder M.J. et al, Theoretical and Experimental Performance of High-Power-Sustained Electron Laser. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, N 6] содержащий расположенные в газоразрядной камере катодный и анодные электроды, выполненные в виде решеток. Поток газа направлен в межэлектродное пространство со стороны анода через электроды, т.е. по направлению электрического поля. В противоположном направлении со стороны катода в это пространство подан пучок электронов через выводное устройство источника ионизации. Оптическая ось резонатора в таком лазере направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю. A longitudinal discharge circuit is free of the above disadvantages. Known electroionization laser [Joder M.J. et al, Theoretical and Experimental Performance of High-Power-Sustained Electron Laser. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, N 6] containing cathode and anode electrodes located in the gas discharge chamber made in the form of gratings. The gas flow is directed into the interelectrode space from the side of the anode through the electrodes, i.e. in the direction of the electric field. In the opposite direction from the cathode, an electron beam is fed into this space through the lead-out device of the ionization source. The optical axis of the resonator in such a laser is directed perpendicular to the gas flow and electric field.

Приведенная конструкция не обеспечивает достаточной однородности газового потока, вносит ограничения по напряженности электрического поля, а также не обеспечивает необходимой однородности электрического разряда непосредственно в зоне разряда вследствие удаленности межэлектродных стенок газоразрядной камеры. The above design does not provide sufficient uniformity of the gas flow, introduces restrictions on the electric field strength, and also does not provide the necessary uniformity of the electric discharge directly in the discharge zone due to the remoteness of the interelectrode walls of the gas discharge chamber.

Изобретение направлено на решение задачи создания промышленной лазерной установки с продольной схемой разряда при формировании однородного профиля скорости газового потока в зоне разряда и пространственном ограничении зоны ионизации газа, т.е. на создание лазерной установки с повышенной однородностью и устойчивостью разряда. The invention is aimed at solving the problem of creating an industrial laser system with a longitudinal discharge scheme when forming a uniform profile of the gas flow velocity in the discharge zone and spatial limitation of the gas ionization zone, i.e. to create a laser system with increased uniformity and discharge stability.

В электроионизационном газовом лазере с несамостоятельным разрядом и продольной конфигурацией прокачки газовой смеси, содержащем расположенные в газоразрядной камере катодный и анодный электроды, выполненные в виде решеток, на которые поток газа направлен по направлению электрического поля между электродами, пучок электронов направлен противоположно направлению электрического поля, а оптическая ось резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю, указанная задача решается тем, что в пространстве между электродами непосредственно в зоне разряда перпендикулярно к плоскостям электродов установлены диэлектрические экраны, выполненные из пористой керамики. Структура этой керамики сформирована из тонких волнистых керамических слоев с образованием между слоями ячеистых промежутков с развитой поверхностью. Экран устанавливается так, чтобы развитая поверхность с ячеистыми промежутками являлась внутренней боковой стенкой газоразрядной камеры. In an electroionization gas laser with a non-self-sustaining discharge and a longitudinal configuration of pumping the gas mixture, containing cathode and anode electrodes located in the gas discharge chamber, made in the form of gratings, to which the gas flow is directed in the direction of the electric field between the electrodes, the electron beam is directed opposite to the direction of the electric field, and the optical axis of the resonator is directed perpendicular to the gas flow and electric field, this problem is solved by the fact that in the space between the electric By the rods directly in the discharge zone perpendicular to the planes of the electrodes, dielectric screens made of porous ceramics are installed. The structure of this ceramic is formed of thin wavy ceramic layers with the formation between the layers of cellular gaps with a developed surface. The screen is installed so that the developed surface with cellular gaps is the inner side wall of the gas discharge chamber.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности лазерного излучения, уменьшение его угловой расходимости, что приводит к увеличению яркости излучения в дальней зоне. Это обеспечивается пространственным ограничением зоны энерговклада диэлектриком из пористой керамики. The technical result of the invention is to increase the power of laser radiation, reducing its angular divergence, which leads to an increase in the brightness of the radiation in the far zone. This is ensured by the spatial limitation of the energy deposition zone by a porous ceramic insulator.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого лазера, а на фиг.2 изображен фрагмент блока пористой керамики, из которых набираются диэлектрические экраны, ограничивающие зону энерговклада. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a schematic representation of the proposed laser, and Fig. 2 shows a fragment of a block of porous ceramics from which dielectric screens are drawn that limit the energy input zone.

В корпусе лазера 1 в газоразрядной камере (фиг.1) установлены на расстоянии друг от друга катодный электрод 2 и анодный электрод 3, имеющие прямоугольную форму и решетчатую структуру. Катодный электрод заземлен, а к анодному электроду 3 подключен высоковольтный ввод 4, к которому подведено напряжение 15-40 кВ (в зависимости от давления рабочей смеси), формирующее электрическое поле в межэлектродном пространстве. Направление поля показано стрелкой 5. Между краями электродов 2 и 3 установлены диэлектрическими экраны 6, образованные блоками из пористой керамики, установленными перпендикулярно к плоскостям электродов. От источника ионизации 7 (в качестве которого может быть использован широкоапертурный электронный ускоритель) в зону разряда направлен пучок электронов 8. От блока прокачных устройств 9 в камеру через анодный электрод направлен газовый поток 10 (смесь газов CO2-N2-He). В корпусе лазера 1 между блоком прокачных устройств 9 и стенками корпуса установлены теплообменники 11, а между блоком прокачных устройств и анодным электродом установлены диэлектрические стенки 12. Оптическая ось 13 резонатора направлена перпендикулярно потоку газа и электрическому полю (показана знаком "+"). Это означает, что одно из зеркал резонатора находится над плоскостью чертежа, а второе под ней. In the laser housing 1 in the gas discharge chamber (Fig. 1), a cathode electrode 2 and an anode electrode 3 are installed at a distance from each other, having a rectangular shape and a lattice structure. The cathode electrode is grounded, and a high-voltage input 4 is connected to the anode electrode 3, to which a voltage of 15–40 kV is applied (depending on the pressure of the working mixture), which forms an electric field in the interelectrode space. The direction of the field is shown by arrow 5. Between the edges of the electrodes 2 and 3, dielectric shields 6 are formed, formed by blocks of porous ceramics mounted perpendicular to the planes of the electrodes. An electron beam 8 is directed from the ionization source 7 (which can be used as a wide-aperture electron accelerator) to the discharge zone 8. From the block of pumping devices 9, a gas stream 10 (gas mixture CO2-N2-He) is directed through the anode electrode. Heat exchangers 11 are installed in the laser housing 1 between the pumping device unit 9 and the housing walls, and dielectric walls 12 are installed between the pumping device unit and the anode electrode 12. The optical axis 13 of the resonator is directed perpendicular to the gas flow and electric field (indicated by the “+” sign). This means that one of the resonator mirrors is located above the plane of the drawing, and the second below it.

Сторона А (фиг.2) блока пористой керамики и противоположная ей сторона соприкасаются с поверхностями электродов, а сторона В образует внутреннюю поверхность газоразрядной камеры. Side A (figure 2) of the porous ceramic block and the opposite side are in contact with the surfaces of the electrodes, and side B forms the inner surface of the gas discharge chamber.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Газовый поток 10 нагнетается блоком прокачных устройств 9 в зону разряда через анодный электрод 3. Одновременно зона разряда ионизируется внешним электронным пучком 8 источника ионизации 7 и накачивается энергией электрического поля 5, приложенного между электродами 3 и 2. The gas stream 10 is pumped by a block of pumping devices 9 into the discharge zone through the anode electrode 3. At the same time, the discharge zone is ionized by an external electron beam 8 of the ionization source 7 and is pumped by the energy of the electric field 5 applied between the electrodes 3 and 2.

Керамические экраны 6 способствуют формированию однородного профиля скорости газа, препятствуют образованию в зоне разряда рассеянного неоднородного пучка электронов, а развитая мелкоячеистая структура экранов позволяет достигнуть высокую напряженность электрического поля в разряде, что в совокупности приводит к повышению однородности и устойчивости разряда, к повышению мощности энерговклада, снимаемой оптическим резонатором 13 мощности лазерного излучения и уменьшению угловой расходимости лазера. Керамика, из которой изготовлены экраны 6, обеспечивает высокую радиационную стойкость экранов и надежность работы лазера. Кроме этого, в импульсно-периодическом режиме работы лазера керамические пористые экраны служат эффективными глушителями газодинамических возмущений, т.е. повышают оптическую однородность активной среды и уменьшают угловую расходимость лазера. Из зоны разряда газовая смесь выносится через катодный электрод 2, обтекая выводное устройство источника ионизации 7, проходит через теплообменник 11 и поступает на вход блока прокачных устройств 9. Ceramic screens 6 contribute to the formation of a uniform gas velocity profile, prevent the formation of a scattered inhomogeneous electron beam in the discharge zone, and the developed fine-mesh structure of the screens allows one to achieve a high electric field strength in the discharge, which together leads to an increase in the uniformity and stability of the discharge, to an increase in the energy input power, removed by the optical resonator 13 of the laser radiation power and reducing the angular divergence of the laser. The ceramic of which the screens 6 are made provides high radiation resistance of the screens and the reliability of the laser. In addition, in the pulse-periodic mode of laser operation, ceramic porous screens serve as effective silencers for gas-dynamic perturbations, i.e. increase the optical uniformity of the active medium and reduce the angular divergence of the laser. From the discharge zone, the gas mixture is carried out through the cathode electrode 2, flowing around the output device of the ionization source 7, passes through the heat exchanger 11 and enters the inlet of the pumping unit 9.

Реализация данного технического решения на экспериментальной установке в НТЦ "Энергия" НИИЭФА им. Д.В.Ефремова позволила повысить мощность лазера на 15-20% и снизить угловую расходимость лазера на 20-25% The implementation of this technical solution in an experimental installation in the Scientific and Technical Center "Energy" NIIEFA them. D.V. Efremova allowed to increase the laser power by 15-20% and reduce the angular divergence of the laser by 20-25%

Claims

An electroionization gas laser with a non-self-sustained discharge and a longitudinal configuration of pumping the gas mixture containing cathode and anode electrodes located in the gas discharge chamber, made in the form of gratings, to which the gas flow is directed in the direction of the electric field between the electrodes, the electron beam from the ionization device is directed opposite to the direction of the electric field , and the optical axis of the resonator is directed perpendicular to the gas flow and electric field, characterized in that in space m waiting electrodes directly in the zone of discharge electrodes installed perpendicular planes dielectric shields made of a porous ceramic formed of a wavy thin layers facing cut conducted perpendicularly wavy layers of ceramics, to the interior of the gas discharge chamber.