RU2096881C1

RU2096881C1 - Device for discharge initiation in gas laser

Info

Publication number: RU2096881C1
Application number: RU96108509A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Сатов; Ю.Б. Смаковский; С.В. Хоменко
Original assignee: Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: to increase stability of discharge and laser efficiency, auxiliary low-induction electric circuit may be used to form voltage pulses in intraelectrode space. Electric circuit includes spark gap. induction coil and capacitor. Rated values of the latter should be 5-10 times as low as the respective ratings of main power supply circuit. EFFECT: more effective functioning. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для создания импульсных газовых лазеров. The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create pulsed gas lasers.

Известно устройство для возбуждения разряда в газовом лазере, содержащее основные металлические электроды, выполненные по профилю Роговского, основную накопительную емкость, подсоединенную через газовый разрядник к электродам, и две проволочки, натянутые сбоку вдоль электродов и подсоединенные с обеих сторон к одному из них через вспомогательные емкости. После коммутации разрядника происходит зарядка вспомогательной емкости, и возникающий с проволочек коронный разряд осуществляет ультрафиолетовую (УФ) подсветку разрядного объема [1]
Недостатком данного устройства является то, что в силу слабой интенсивности коронного разряда УФ-подсветка, а следовательно, и предыонизации разрядного объема малы, что ограничивает энерговклад в разряд.A device for initiating a discharge in a gas laser is known, containing the main metal electrodes made along the Rogowski profile, the main storage capacitor connected through the gas spark gap to the electrodes, and two wires stretched laterally along the electrodes and connected on both sides to one of them through auxiliary capacitors . After switching the arrester, the auxiliary capacity is charged, and the corona discharge arising from the wires carries out ultraviolet (UV) illumination of the discharge volume [1]
The disadvantage of this device is that, due to the weak intensity of the corona discharge, the UV illumination and, consequently, the preionization of the discharge volume are small, which limits the energy input into the discharge.

Известно устройство для возбуждения разряда в газовом лазере с дополнительной схемой формирования импульса напряжения, наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому изобретению, содержащее основные металлические электроды, выполненные по профилю Роговского, источник питания (основную накопительную емкость и разрядник-коммутатор) и цепочки из пар обостряющих конденсаторов, которые имеют суммарную величину много меньшую основной емкости. Цепочки подсоединены малоиндуктивно, параллельно и независимо одна от другой к электродам сбоку от разрядного промежутка, причем каждая цепочка состоит из соединенных последовательно конденсаторов и электродов предыонизации, разделенных газовым зазором. Источник импульсного напряжения через конструктивную емкость подключен к основным электродам [2]
После коммутации разрядника на электродном промежутке практически мгновенно (со временем зарядки паразитной емкости между электродами предыонизации) формируется напряжение, которое приложено одновременно к электродам предыонизации и вследствие большого перенапряжения пробивает газовый промежуток между ними, после чего происходит зарядка цепочек, обостряющих конденсаторов, сопровождающаяся дуговым разрядом между электродами предыонизации, который является источником ультрафиолетового излучения и которое, в свою очередь, производит предварительную ионизацию основного разрядного промежутка.A device for exciting a discharge in a gas laser with an additional circuit for generating a voltage pulse, the closest in technical essence to the proposed invention, containing the main metal electrodes made according to the Rogowski profile, a power source (main storage capacitor and a spark gap switch) and chains of sharpening pairs capacitors that have a total value much less than the main capacitance. The chains are connected inductively, in parallel and independently from one another to the electrodes on the side of the discharge gap, each chain consisting of capacitors and preionization electrodes connected in series, separated by a gas gap. The source of the pulse voltage through the structural capacitance is connected to the main electrodes [2]
After switching the arrester on the electrode gap almost instantly (with the charging time of the parasitic capacitance between the preionization electrodes), a voltage is formed that is applied simultaneously to the preionization electrodes and, due to a large overvoltage, breaks the gas gap between them, after which the chains sharpening the capacitors are charged, accompanied by an arc discharge between preionization electrodes, which is a source of ultraviolet radiation and which, in turn, produces um preliminary ionization of the main discharge gap.

Одновременно происходит передача энергии из основной емкости в обостряющие через собственную индуктивность цепи. Такой процесс носит колебательный характер и вследствии малой величины обостряющей емкости в некоторый момент времени на ней и вместе с тем на основных электродах происходит удвоение напряжения по сравнению с напряжением зарядки основной емкости. В этот период происходит интенсивная ионизация газа в разрядном промежутке под действием электрического поля высокой напряженности и увеличивается значительно концентрация электронов, созданных после УФ-предыонизации, что позволяет в дальнейшем разрядится основной емкости без дугообразований при более низких напряженностях поля за время рекомбинационного распада плазмы. Ионизация газа электрическим полем в первый период импульса напряжения является существенным фактором предварительной ионизации как второй стадии после УФ-предыонизации, так как плазма, создаваемая УФ-подсветкой, имеет низкую концентрацию и сама по себе не позволяет пропустить высокие токи и, следовательно, накачать лазерную среду до высоких энерговкладов. At the same time, energy is transferred from the main capacitance to sharpening circuits through its own inductance. Such a process is oscillatory in nature and, due to the small value of the sharpening capacitance at some point in time on it and at the same time on the main electrodes, the voltage doubles in comparison with the charging voltage of the main capacitance. During this period, intense gas ionization occurs in the discharge gap under the action of a high-intensity electric field and the concentration of electrons created after UV preionisation increases significantly, which subsequently allows the main capacitance to be discharged without arcing at lower field intensities during the recombination decay of the plasma. Gas ionization by an electric field in the first period of a voltage pulse is a significant factor in preliminary ionization as the second stage after UV preionization, since the plasma created by UV illumination has a low concentration and by itself does not allow high currents to pass through and, therefore, pump the laser medium to high energy input.

Недостатком данного устройства является то, что увеличение предварительной ионизации, необходимое для обеспечения большей однородности и устойчивости разряда, и увеличение энерговклада в разряд возможно осуществить только путем увеличения зарядного напряжения основной емкости и одновременного уменьшения времени разряда за счет уменьшения номинала емкости, что приводит в свою очередь, к увеличению напряженности электрического поля в период ее разрядки, то есть в период лазерной накачки и, следовательно, уменьшает ее эффективность из-за роста фактора E/p (E напряженность поля, p давление газа). The disadvantage of this device is that an increase in pre-ionization, necessary to ensure greater uniformity and stability of the discharge, and an increase in energy input into the discharge can only be achieved by increasing the charging voltage of the main capacitance and at the same time reducing the discharge time by reducing the capacity rating, which in turn leads to , to an increase in the electric field strength during its discharge, that is, during the period of laser pumping and, therefore, reduces its efficiency from due to the growth of the factor E / p (E field strength, p gas pressure).

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение энерговклада в разряд и КПД лазера. The technical result of the proposed invention is to increase the energy input into the discharge and laser efficiency.

Этот результат достигается тем, что в известное устройство для возбуждения разряда в газовом лазере, содержащее основные электроды анод и катод, первый из которых непосредственно соединен с источником питания, и, по крайней мере, две цепочки из последовательно соединенных через искровой зазор двух конденсаторов, первая цепочка подключена параллельно источнику питания, а вторая параллельно основным электродам, при этом емкости C₀, C₁, C₂ конденсаторов источника питания, первой и второй цепочек соответственно выбраны так, что C₀>>C₁>>C₂ и L₁<<L₀; предложено дополнительно ввести разрядник и индуктивность, величина которой много меньше величины индуктивности источника питания, и подключение первой цепочки ко второму основному электроду-катоду осуществить через введенные последовательно соединенные разрядник и индуктивность.This result is achieved by the fact that in a known device for exciting a discharge in a gas laser, containing the main electrodes anode and cathode, the first of which is directly connected to the power source, and at least two chains of two capacitors connected in series through the spark gap, the first the circuit is connected parallel to the power source, and the second parallel to the main electrodes, while the capacitances C ₀ , C ₁ , C _{2 of the} capacitors of the power source, the first and second chains, respectively, are selected so that C ₀ >> C ₁ >> C ₂ and L ₁ <<L₀; It is proposed to additionally introduce a spark gap and inductance, the value of which is much less than the magnitude of the inductance of the power source, and connect the first circuit to the second main electrode-cathode through the introduced series-connected spark gap and inductance.

На чертеже изображена схема предложенного устройства. The drawing shows a diagram of the proposed device.

Устройство содержит основные электроды 1 (анод) и 2 (катод), источник питания импульсного напряжения 3 (например генератор импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса), подключенный к аноду через собственную (конструктивную) индуктивность 4, две цепочки обостряющих конденсаторов, соединенных последовательно через искровой зазор 5, размещенные с боковых сторон основных электродов. Первая цепочка конденсаторов 6 подсоединена к аноду непосредственно, а к катоду через индуктивность 7 и разрядник 8. Вторая цепочка конденсаторов 9 подсоединена к катоду и аноду непосредственно с минимальной индуктивностью много меньшей индуктивности 7 (на чертеже не показана). При этом параметры электрической цепи выбраны так, что C₀>>C₁>>C₂ и L₁<<L₀.The device contains the main electrodes 1 (anode) and 2 (cathode), a pulse voltage power supply 3 (for example, a pulse voltage generator according to the Arkadyev-Marx scheme) connected to the anode through its own (constructive) inductance 4, two chains of sharpening capacitors connected in series through spark gap 5, placed on the sides of the main electrodes. The first chain of capacitors 6 is connected directly to the anode, and to the cathode through an inductance 7 and a spark gap 8. The second chain of capacitors 9 is connected directly to the cathode and anode with a minimum inductance much less than inductance 7 (not shown). The parameters of the electrical circuit are selected so that C ₀ >> C ₁ >> C ₂ and L ₁ << L ₀ .

Устройство работает следующим образом. После срабатывания источника питания 3 на первой цепочке обостряющих конденсаторов 6 практически мгновенно формируется напряжение, которое оказывается приложенным к искровому зазору 5 и пробивает его, после чего идет периодический процесс переразрядки емкости источника питания через индуктивность 4 в цепочку конденсаторов 6. В этот период в искровом зазоре горит дуговой разряд, являющийся источником УФ-излучения, и происходит предварительная ионизация межэлектродного промежутка. В некоторый момент напряжение на первой цепочке конденсаторов становится равным удвоенному напряжению источника питания. Разрядник 8 регулируется таким образом, что к этому моменту он срабатывает и в дальнейшем происходит аналогичный процесс перезарядки первой цепочки емкостей во вторую цепочку через индуктивность 7. Отличие заключается только в том, что временной масштаб процесса много меньше (по крайней мере в 5 10 раз), поскольку номиналы индуктивности 7 и конденсаторов 9 выбраны много меньше (по крайней мере в 5 10 раз), чем для индуктивности 4 и конденсаторов 6. Процесс приводит к удвоению через четверть периода напряжения на второй цепочке по сравнению с амплитудой сформированной на первой цепочке. В результате на основном межэлектродном промежутке возникает учетверенное в сравнении с источником питания напряжение. Одновременно в искровом зазоре 5 второй цепочки горит дуговой разряд, также являющийся источником УФ-излучения. После формирования импульса на электродном промежутке происходит дополнительная интенсивная ионизация газа. Эффект увеличения напряжения на межэлектродном промежутке является значительным, поскольку скорость ионизации зависит от напряженности поля практически экспоненциально. The device operates as follows. After the power source 3 is triggered, a voltage is generated almost instantly on the first chain of sharpening capacitors 6, which is applied to the spark gap 5 and punches it, after which there is a periodic process of overdischarging the capacity of the power source through inductance 4 into the chain of capacitors 6. During this period, in the spark gap an arc discharge is lit, which is a source of UV radiation, and preliminary ionization of the interelectrode gap occurs. At some point, the voltage across the first capacitor chain becomes equal to twice the voltage of the power source. Arrester 8 is regulated in such a way that by this moment it is triggered and in the future there is a similar process of recharging the first chain of capacities into the second chain through inductance 7. The only difference is that the time scale of the process is much smaller (at least 5 10 times) , since the values of the inductance 7 and capacitors 9 are chosen much less (at least 5 10 times) than for inductance 4 and capacitors 6. The process doubles after a quarter of the voltage period on the second circuit compared to the amp tudoy formed on the first string. As a result, a quadruple voltage arises in the main interelectrode gap compared to the power source. Simultaneously, in the spark gap 5 of the second chain, an arc discharge burns, which is also a source of UV radiation. After the pulse is formed, an additional intense ionization of the gas occurs in the electrode gap. The effect of increasing the voltage across the interelectrode gap is significant, since the ionization rate depends on the field strength almost exponentially.

Затем происходит смена рабочего газа, зарядка источника питания, после чего начинается новый цикл работы лазера. Then there is a change in the working gas, charging of the power source, after which a new laser operation cycle begins.

Более значительная предыонизация позволяет создать разряд с большим энерговкладом, чем в прототипе без изменения напряжения источника питания, то есть повысить эффективность лазера. More significant preionization allows you to create a discharge with a greater energy input than in the prototype without changing the voltage of the power source, that is, to increase the efficiency of the laser.

Claims

A device for exciting a discharge in a gas laser, containing the main electrodes anode and cathode, the first of which is directly connected to the power source, and at least two chains of two capacitors connected in series through the spark gap, the first chain is connected in parallel to the power source, and the second parallel to the main electrodes, the capacitance C _0, C _1, C ₂ capacitors power source, first and second chains respectively selected so that C ₀ C ₁ ≥ C ≥ _2, characterized in that it additional tionary introduced arrester and the inductance value of which is less than the inductance value of the power source, and connecting the first chain to the second electrode of the cathode-effected through input serially connected arrester and the inductance.