RU206537U1 - Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом - Google Patents

Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом Download PDF

Info

Publication number
RU206537U1
RU206537U1 RU2021113333U RU2021113333U RU206537U1 RU 206537 U1 RU206537 U1 RU 206537U1 RU 2021113333 U RU2021113333 U RU 2021113333U RU 2021113333 U RU2021113333 U RU 2021113333U RU 206537 U1 RU206537 U1 RU 206537U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
tube
longitudinal
transverse
gas
Prior art date
Application number
RU2021113333U
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Николаевич Коновалов
Юрий Николаевич Панченко
Валерий Федорович Лосев
Алексей Владимирович Пучикин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН)
Priority to RU2021113333U priority Critical patent/RU206537U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU206537U1 publication Critical patent/RU206537U1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом предназначено для генерирования спонтанного и когерентного излучения. Газоразрядное устройство содержит двухсекционную трубку с размещенными на ее торцах кольцевыми острийными анодами и установленным в середине трубки цилиндрическим острийным катодом. Трубка соединена последовательно с генератором импульсного напряжения и параллельно с разрядными конденсаторами, осуществляющими импульсное питание продольного электрического разряда. На секции трубки навиты соленоиды, каждый из которых подключен к собственному импульсному источнику питания, включающему конденсатор и коммутатор генератора импульсного напряжения, осуществляющие импульсное питание поперечного индукционного разряда. За счет конструктивного выполнения в газоразрядном устройстве зажигается продольно-поперечный объемный разряд с однородным распределением плазмы в разрядной трубке, с плотностью мощности накачки до 10 МВт/см3в газовых средах (Не, N2, СО2, Ne-Xe(Kr)-HCl) в диапазоне давлений 0,01-1 атм. С использованием данного устройства можно создавать эффективные источники излучения, масштабировать их для получения световых импульсов с высокой мощностью.

Description

Полезная модель относится к газоразрядным источникам спонтанного и когерентного излучения испускаемого газоразрядной плазмой, создаваемой в объемном разряде.
Известно, что в данном типе разряда сложно удержать однородную форму горения разряда при высоких плотностях тока ≥102 А/см2, так как с увеличением плотности тока на катоде возникают неоднородности электронной эмиссии, которые приводят к пространственным неоднородностям разрядной плазмы и появлению в ней каналов с высокой проводимостью, шунтирующих объемный разряд.
В литературе имеется ряд работ, в которых описаны устройства для формирования импульсного продольного разряда, используемого для накачки азотных и эксимерных лазеров [1-4]. При этом разряд зажигался в разрядных трубках из стекла или керамики, состоящих из одной или нескольких секций. Эффективная накачка разрядной плазмы достигалась в трубках с длиной от 15 до 40 см. Зажигание разряда происходило либо от энергии электрического поля [1-3], либо от энергии магнитного поля [4]. Типичные давления газа в разрядной трубке составляли доли - десятки миллиметров ртутного столба. Плотность разрядного тока не превышала 1-3 кА/см2.
Наиболее близкими аналогами предлагаемого газоразрядного устройства являются два устройства, которые были использованы в импульсных азотных лазерах с электрическим продольным разрядом [3] и с индукционным разрядом [4]. Устройство, описанное в работе [4], включает в себя цилиндрическую разрядную трубку из стекла, на которую навит соленоид длиной 600 мм и индуктивностью 120 нГн, зарядный и разрядный контуры на основе конденсаторов, коммутатор. На концах разрядная трубка с внутренним диаметром 33 мм закрывается кварцевыми окнами. Трубка наполнялась азотом с давлением 0,1-1,5 мм рт. ст. Принцип работы устройства заключается в следующем. При разрядке конденсатора емкостью 18 нФ на соленоид около внутренней стенки трубки за счет импульсного индукционного поперечного разряда создается объемная разрядная плазма в форме кольца толщиной 1-1,5 мм. Недостатком данного устройства является невозможность повышения давления газа в разрядной трубке более 1,5 мм рт. ст., увеличения объема разрядной плазмы и повышения мощности накачки.
Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является азотный лазер, описанный в работе [3]. Устройство состоит из двухсекционной кварцевой газоразрядной трубки диаметром 4-17 мм, включающей цилиндрический острийный катод в середине трубки и два кольцевых острийных анода на ее торцах, генератор импульсного напряжения (ГИН) на основе конденсаторов и коммутаторов, разрядный конденсатор для зажигания разряда. Данное устройство позволяет зажигать продольный объемный разряд с азотом или воздухом при давлениях 1-20 мм рт. ст., использовалось для накачки азотного лазера. Принцип работы устройства заключается в следующем. После зарядки накопительного конденсатора и срабатывания коммутаторов заряжаются конденсаторы, подключенные к секциям трубки, в трубке создается объемная разрядная плазма. На начальной стадии зажигания разряда в резко-неоднородном электрическом поле, создаваемом около катода и анодов, происходит предварительная ионизация газа убегающими электронами и стримерными каналами. Далее около внутренней стенки разрядной трубки зажигается однородный объемный разряд в кольце толщиной 2-4 мм с плотностью тока до 5 кА/см2 и удельной мощностью накачки до 5 МВт/см3.
Главным недостатком технического решения, реализованного в прототипе, является развитие неоднородностей в плазме при повышении удельной мощности накачки более 5 МВт/см3 и давления азота или воздуха более 20 мм рт. ст. Кроме этого, зажигание объемного разряда в газах с высоким потенциалом ионизации (Не) и в сложных молекулах (СО2) и в смесях газов с электроотрицательными компонентами приводило при повышении удельной мощности накачки к развитию неоднородностей в плазме.
Задачей полезной модели является уменьшение неоднородностей в газоразрядной плазме и, вследствие этого, повышение удельной мощности и эффективности накачки.
Техническим результатом является возможность зажигания объемного разряда при повышении удельной мощности накачки более 5 МВт/см3 и повышении давления до 1 атм в газах с высоким потенциалом ионизации (Не), в сложных молекулах (СО2), в смесях (Ne-Xe(Kr)-HCl).
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном газоразрядном устройстве, включающем диэлектрическую двухсекционную газоразрядную трубку с размещенными на ее торцах кольцевыми острийными анодами и установленным в середине трубки цилиндрическим острийным катодом, образующими разрядные промежутки, соединенные последовательно с генератором импульсного напряжения (ГИН) и параллельно с разрядными конденсаторами, осуществляющими импульсное питание продольного электрического разряда, согласно предложенному техническому решению, дополнительно на секции газоразрядной трубки навиты соленоиды, каждый из которых подключен к собственному импульсному источнику питания, включающему конденсатор и коммутатор генератора импульсного напряжения, которые осуществляют импульсное питание поперечного индукционного разряда.
Предложенное техническое решение основано на обнаруженном нами факте зажигания диффузного разряда для различных газов с более однородной плазмой при большей мощности накачки и большем давлении путем использования в разрядном промежутке дополнительно к электрическому полю магнитного поля. Данный эффект был обусловлен дополнительной предварительной ионизацией газа в разрядной трубке индукционным разрядом и влиянием электродвижущей силы (ЭДС) вихревого электрического поля, создаваемого соленоидами в разрядной трубке, на динамику горения продольного разряда.
Схематическое изображение конструкции и электрическая схема накачки газоразрядного устройства представлены на фиг.1.
Устройство содержит кварцевую разрядную трубку, состоящую из двух секций длиной 190-200 мм, разделенных общим цилиндрическим острийным катодом. Внутренний диаметр разрядной трубки может варьироваться от 4 до 17 мм. На торцах трубки установлены кольцевые острийные аноды и окна из кварца. На секции разрядной трубки навиты соленоиды, соединенные с анодами и подключенные к собственному импульсному источнику питания. Соленоиды длиной по 150 мм состоят из параллельно соединенных пяти частей, каждая выполнена из трех витков изолированного провода.
Схема импульсного питания продольного электрического разряда в устройстве состоит из ГИН на основе емкостей C1, С2 с коммутаторами Р0, P1 и разрядных емкостей С3. Схема импульсного питания поперечного индукционного разряда состоит из конденсаторов CL, соленоидов L2 и коммутатора Р0. Коммутатор Р0 выполнен на основе тиратрона марки ТПИ3-10к/25, a P1 - на основе искрового разрядника. Величина емкостей составляет: CL=2,8 нФ, C1=С2=8,4 нФ, С3=2.8 нФ. Емкости собираются из конденсаторов марки TDK UHV-6A, 700, 2700 pF & 30 kV. В схеме имеются зарядные и разрядные индуктивности: L0=100 мкГн используется для зарядки емкостей C1 и С2, L1=0,6 мкГн используется в цепи зарядки емкостей С3, L2=0,3 мкГн является индуктивностью соленоидов, L3=0,1 мкГн - индуктивность разрядного контура емкости С3. Сопротивления R0 используются для зарядки емкостей C1 и С2, омический делитель R1, R2 используется для измерения ЭДС магнитного поля, омический делитель R3, R4 используется для измерения напряжения на катоде, шунт Rш - для измерения тока зарядки и разряда на секцию трубки конденсатора С3.
Принцип работы устройства заключается в следующем. После зарядки конденсаторов CL, C1 и С2 до напряжения U0=24 кВ включаются коммутаторы Р0, P1 и ГИН начинает заряжать емкости С3, а емкость CL начинает создавать ток в соленоидах, генерирующих вихревое электрическое поле с ЭДС самоиндукции до 20 кВ. Это приводит к развитию с катода и анодов стримерных каналов, вблизи внутренней поверхности трубки развивается незавершенный скользящий разряд, под действием вихревого электрического поля зажигается индукционный разряд. Происходит предварительная ионизация газа до более высокой концентрации электронов в плазме (~1010 см-3) по сравнению с прототипом. После достижения пробивного напряжения между катодом и анодами в трубке зажигается объемный разряд. Кроме этого, во время зарядки и разрядки емкостей С3, подключенных к секциям разрядной трубки, соленоиды под действием этого тока генерируют ЭДС взаимоиндукции до 20-25 кВ. В результате прямой ток разряда вызывает круговое движение электронов, увеличивая их энергию, улучшая условия формирования продольно-поперечного объемного разряда с однородным распределением плазмы в разрядной трубке.
В качестве примера были исследованы условия зажигания и режимы горения объемного разряда в данном устройстве с различными газами (N2, Не, СО2, Ne-Xe(Kr)-HCl) при давлениях 0,01-1 атм и при различных внутренних диаметрах разрядной трубки (4-17 мм). Использование устройства для создания газоразрядной плазмы в воздухе или азоте приводило к увеличению области объемного разряда и возможности повышения давления газа в несколько раз по сравнению с прототипом. При увеличении диаметра трубки от 4 мм до 17 мм удельная мощность накачки снижалась, так как увеличивался объем разрядной плазмы.
На фиг. 2 и фиг. 3 представлены типичные осциллограммы напряжения на катоде Uк, разрядного тока в трубке IC3 и импульсов излучения при заполнении трубки диаметром 6,7 мм гелием с давлением 0,05 атм (фиг. 2) и СО2 с давлением 0,015 атм (фиг. 3) для случая без индукционного разряда (а) и с индукционным разрядом (б). Наглядно представлено, что мощность излучения разрядной плазмы во втором случае, при осуществлении продольно-поперечного разряда, в гелии увеличилась более чем в 4 раза, а в СО2 - более чем в два раза.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают возможность зажигания сильноточного продольно-поперечного разряда с однородным распределением плазмы в разрядной трубке в газовой среде (N2, СО2, Не) в диапазоне давлений 0,01-1 атм с плотностью мощности накачки до 10 МВт/см3. Данное устройство также позволяет зажигать однородный разряд в эксимерных смесях (Ne-Xe(Kr)-HCl) при давлении x до 1 атм. С использованием данной полезной модели можно создавать относительно простые по конструкции источники мощного спонтанного излучения в различных газах с продольно-поперечной накачкой, масштабировать их для получения световых импульсов с высокой мощностью.
Источники информации:
1. Козлов Б.Α., Паюров А.Я., Трусов В.С. Азотный лазер // патент №2313872 С2 от 03.10.2005.
2. Furuhashi Η., Goto Т. Longitudinal discharge N2 laser with automatic preionization using an LC inversion circuit // Rev. Sci. Instrum. 1988. V. 59. N 12. P. 2552-2556.
3. Панченко Ю.Η., Коновалов И.Η., Лосев В.Φ., Пучикин А.В. Азотный лазер, возбуждаемый продольным электрическим разрядом // Патент на изобретение №2664780 С1 от 22.08.2018.
4. А.М. Ражев, С.Д. Чуркин, Н.С. Тарасов. Исследование параметров генерации индукционного лазера на молекулярном азоте // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2, выпуск 4. С. 113-117.

Claims (1)

  1. Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом, включающее диэлектрическую двухсекционную газоразрядную трубку с размещенными на ее торцах кольцевыми острийными анодами и установленным в середине трубки цилиндрическим острийным катодом, образующими разрядные промежутки, соединенные последовательно с генератором импульсного напряжения (ГИН) и параллельно с разрядными конденсаторами, осуществляющими импульсное питание продольного электрического разряда, отличающееся тем, что дополнительно на секции газоразрядной трубки навиты соленоиды, каждый из которых подключен к собственному импульсному источнику питания, включающему конденсатор и коммутатор генератора импульсного напряжения, осуществляющие импульсное питание поперечного индукционного разряда.
RU2021113333U 2021-05-11 2021-05-11 Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом RU206537U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113333U RU206537U1 (ru) 2021-05-11 2021-05-11 Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113333U RU206537U1 (ru) 2021-05-11 2021-05-11 Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU206537U1 true RU206537U1 (ru) 2021-09-15

Family

ID=77746301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021113333U RU206537U1 (ru) 2021-05-11 2021-05-11 Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU206537U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793616C1 (ru) * 2021-10-25 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) Способ накачки в газоразрядных импульсных лазерах

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7672354B2 (en) * 2005-05-23 2010-03-02 Ltb-Lasertechnik Berlin Gmbh Electrically excited gas discharge laser for generating high-repetition frequency light pulses and method for the production thereof
RU95909U1 (ru) * 2010-03-11 2010-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") Газоразрядный лазер
JP2012009892A (ja) * 2011-09-05 2012-01-12 Komatsu Ltd 放電励起式パルス発振ガスレーザ装置
RU121399U1 (ru) * 2012-05-23 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Газоразрядное устройство
RU2519591C2 (ru) * 2012-08-16 2014-06-20 Дмитрий Викторович Бочков Газоразрядный прибор

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7672354B2 (en) * 2005-05-23 2010-03-02 Ltb-Lasertechnik Berlin Gmbh Electrically excited gas discharge laser for generating high-repetition frequency light pulses and method for the production thereof
RU95909U1 (ru) * 2010-03-11 2010-07-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") Газоразрядный лазер
JP2012009892A (ja) * 2011-09-05 2012-01-12 Komatsu Ltd 放電励起式パルス発振ガスレーザ装置
RU121399U1 (ru) * 2012-05-23 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Газоразрядное устройство
RU2519591C2 (ru) * 2012-08-16 2014-06-20 Дмитрий Викторович Бочков Газоразрядный прибор

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793616C1 (ru) * 2021-10-25 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) Способ накачки в газоразрядных импульсных лазерах

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1201156A (en) Glow discharge generating apparatus
RU206537U1 (ru) Газоразрядное устройство с продольно-поперечным разрядом
Kozlov et al. High-voltage pulse generators for effective pumping of super-atmospheric pressure CO2-lasers
Bhadani et al. Efficient long pulse TE‐CO2 laser using magnetic‐spiker sustainer excitation
Razhev et al. Effect of the pump intensity on the efficiency of a KrF excimer electric-discharge laser on a He—Kr—F2 mixture
RU2664780C1 (ru) Азотный лазер, возбуждаемый продольным электрическим разрядом
RU2517796C1 (ru) Устройство для формирования объемного самостоятельного разряда
RU2507654C1 (ru) Газоразрядный лазер, лазерная система и способ генерации излучения
Furuhashi et al. Longitudinal discharge N2 laser with automatic preionization using an LC inversion circuit
Panchenko et al. Pulsed gas lasers pumped by generators with inductive energy storage
RU189839U1 (ru) Генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом
US3491309A (en) Pulsed carbon dioxide laser with high voltage gradient and high gas pressure
RU2032972C1 (ru) Электроразрядный лазер
RU2141708C1 (ru) Устройство накачки мощного импульсно-периодического газового лазера
Skakun et al. High-power UV excilamps excited by a glow discharge
Bychkov et al. Experimental investigation and modeling of kinetic processes in a KrF laser
Konovalov et al. Long-Pulse N 2-Laser Pumped by a Longitudinal Discharge
RU201615U1 (ru) Устройство для питания газоразрядной лампы
Panchenko et al. The TEA CO 2-lasers with high output emission intensity
Christov et al. An efficient and compact discharge-excited XeCl laser
RU2107366C1 (ru) Электроразрядный лазер (варианты)
Skakun et al. Coaxial excimer lamps pumped by barrier and longitudinal discharges
Borovkov et al. XeCl laser based on a three-electrode system of a double discharge formation
Cohn CO2 laser excited by preionized transverse discharge through a dielectric
Kozlov et al. Pulse-periodical TEA-laser operating on a mixture of carbon dioxide and air