RU2219626C2

RU2219626C2 - Electric-discharge kinetic-reaction hf (df) laser

Info

Publication number: RU2219626C2
Application number: RU2001119663/28A
Authority: RU
Inventors: В.В. Аполлонов; С.Ю. Казанцев; А.М. Прохоров; тецкий С.В. П; С.В. Пятецкий; А.В. Сайфулин; К.Н. Фирсов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Энергомаштехника"
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: laser engineering; electric-discharge lasers. SUBSTANCE: proposed laser has discharge chamber, metal anode in the form of screen pulled on former, metal cathode, dc voltage supply, gas mixture pumping-out and pumping-in systems, and optical cavity. Anode screen transparency is chosen between 50 and 70%. Spark gaps measuring 3-5 mm are formed by insulated conductors on rear side of anode. Insulated conductors forming spark gaps are connected to anode former and are spaced 2-3 cm apart through anode length. Simultaneous breakdown of all spark gaps is ensured due to isolation of their inherent inductance. EFFECT: enhanced homogeneity and peak radiation power. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газовым лазерам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства для научно-исследовательских и технологических целей. The invention relates to quantum electronics, in particular to gas lasers, which can be used in various sectors of the national economy for research and technological purposes.

Известен нецепной электроразрядный HF(DF)-лазep с энергией излучения 28 Дж и с инициированием химической реакции объемным самостоятельным разрядом (ОСР) (см. VII Конф. по физике газового разряда, Рязань, изд-во Рязан. радиотехнической акад., 1996, [1], Квантовая электроника, Москва 24, 213, 1997 [2]). A non-chain electric discharge HF (DF) laser with a radiation energy of 28 J and with the initiation of a chemical reaction by a volume independent discharge (OCR) is known (see VII Conf. On gas discharge physics, Ryazan, publishing house Ryazan. Radio Engineering Acad., 1996, [ 1], Quantum Electronics, Moscow 24, 213, 1997 [2]).

В известном устройстве значительно увеличены объем активной среды и энергия лазерного излучения за счет использования для получения ОСР барьерного разряда, распределенного по всей поверхности катода. При шероховатой поверхности катода (ЖТФ, 22(23), 60, 1996 [3]) ОСР в смеси SF₆ с углеводородами (или угледейтеридами) можно получить без специальных устройств предыонизации.In the known device, the volume of the active medium and the energy of laser radiation are significantly increased due to the use of a barrier discharge distributed over the entire surface of the cathode to obtain an OCR. With a rough cathode surface (ZhTF, 22 (23), 60, 1996 [3]), OCPs in a mixture of SF ₆ with hydrocarbons (or carbon deuterides) can be obtained without special preionization devices.

В [3] ОСР зажигался в однородном электрическом поле между электродами с профилем Чанга. Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что при увеличении объема активной среды и апертуры излучения лазера использование электродов с профилем Чанга приводит к увеличению габаритов лазерной камеры и индуктивности разрядного контура, что критично для HF(DF)-лазера из-за ограниченного времени горения ОСР. In [3], the OCP was ignited in a uniform electric field between electrodes with a Chang profile. A disadvantage of the known device is the fact that with an increase in the volume of the active medium and the aperture of the laser radiation, the use of electrodes with a Chang profile leads to an increase in the dimensions of the laser chamber and inductance of the discharge circuit, which is critical for the HF (DF) laser due to the limited burning time of the OCR.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный нецепной электроразрядный НF(DF)-лазер [4] (см. Квантовая электроника, 25, 2, с. 123, 1998), в котором получен ОСР с однородным вкладом энергии по разрядному объему без устройств предыонизации с компактной электродной системой при использовании плоского катода. Обычно такие системы отличаются высоким краевым усилением электрического поля. Однако в активной среде HF(DF) лазера эти неоднородности удалось устранить за счет специфики протекания тока в сильно электроотрицательном газе. В результате создан широкоапертурный нецепной HF(DF)-лазep с энергией лазерного излучения 140 Дж на HF и 115 Дж на DF при компактной электродной системе. Эти лазеры дают достаточно однородное излучение с высокой пиковой мощностью (0,5-0,6 ГВт). Closest to the claimed one in terms of its technical essence is the well-known non-chain electric discharge НF (DF) laser [4] (see Quantum Electronics, 25, 2, p. 123, 1998), in which an OCR with a uniform energy contribution over the discharge volume without preionization devices with a compact electrode system using a flat cathode. Typically, such systems are characterized by high edge amplification of the electric field. However, in the active medium of the HF (DF) laser, these inhomogeneities were eliminated due to the specifics of the current flow in a strongly electronegative gas. As a result, a wide-aperture nonchain HF (DF) laser with a laser energy of 140 J at HF and 115 J at DF was created with a compact electrode system. These lasers produce fairly uniform radiation with a high peak power (0.5-0.6 GW).

Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что в HF(DF)-лазepax с большой апертурой (15-30 см) генерация на краю разрядного промежутка начинается на ~100 нс раньше, чем на оптической оси (Int. Symp. Flow and Chemical Lasers, High power Lasers Conf., 31 August - 5 Sept., 1998, St. Petersburg [5]). Этот нежелательный эффект обусловлен спецификой формирования ОСР без предыонизации. ОСР начинается в виде катодного пятна с привязанным к нему диффузным каналом в области краевой неоднородности электрического поля и затем растекается по всей поверхности катода. A disadvantage of the known device is that in HF (DF) laserax with a large aperture (15-30 cm), generation at the edge of the discharge gap begins ~ 100 ns earlier than on the optical axis (Int. Symp. Flow and Chemical Lasers, High power Lasers Conf., 31 August - 5 Sept., 1998, St. Petersburg [5]). This undesirable effect is due to the specifics of the formation of OCP without preionization. The OCP starts as a cathode spot with a diffuse channel attached to it in the region of the edge inhomogeneity of the electric field and then spreads over the entire surface of the cathode.

Заявляемый в качестве изобретения нецепной электроразрядный HF(DF)-лазер направлен на обеспечение генерации лазерного излучения одновременно по всему объему разрядного промежутка. The inventive non-chain electric discharge HF (DF) laser is aimed at ensuring the generation of laser radiation simultaneously over the entire volume of the discharge gap.

Указанный результат достигается тем, что нецепной электроразрядный HF(DF)-лазep содержит разрядную камеру, металлические анод и катод, источник постоянного напряжения на 50-100 кВ мощностью 0,5-10 кВт, системы откачки и напуска газовой смеси, оптический резонатор, при этом анод выполнен в виде сетки с прозрачностью 50-70%, натянутой на каркас, а с обратной стороны анода установлены искровые зазоры 3-5 мм, которые соединены с каркасом анода изолированными проводниками и распределены по длине анода с шагом 2-3 см. This result is achieved by the fact that the non-chain electric discharge HF (DF) laser contains a discharge chamber, a metal anode and cathode, a 50-100 kV DC voltage source with a power of 0.5-10 kW, a gas mixture pumping and inlet system, an optical resonator, This anode is made in the form of a grid with a transparency of 50-70%, stretched over the frame, and spark gaps of 3-5 mm are installed on the reverse side of the anode, which are connected to the anode frame by insulated conductors and distributed along the length of the anode in increments of 2-3 cm.

Отличительными признаками заявляемого нецепного электроразрядного НF(DF)-лазера являются:
- выполнение анода в виде сетки с прозрачностью 50-70%;
- установка с обратной стороны анода искровых зазоров размером 3-5 мм;
- распределение искровых зазоров по длине анода с шагом 2-3 см;
- соединение искровых зазоров с каркасом анода изолированными проводниками.Distinctive features of the claimed non-chain electric discharge HF (DF) laser are:
- the implementation of the anode in the form of a grid with a transparency of 50-70%;
- installation of spark gaps of 3-5 mm in size from the back of the anode;
- distribution of spark gaps along the length of the anode in increments of 2-3 cm;
- connection of spark gaps with the anode frame by insulated conductors.

Выполнение анода в виде сетки с прозрачностью 50-70% позволяет обеспечить равномерное инициирование ОСР на катоде. The implementation of the anode in the form of a grid with a transparency of 50-70% allows for uniform initiation of OCP at the cathode.

Установка с обратной стороны анода искровых зазоров размером 3-5 мм, распределение зазоров по длине анода с шагом 2-3 см и соединение искровых зазоров с каркасом анода изолированными проводниками позволяют обеспечить однородную подсветку катода ультрафиолетовым излучением искровых зазоров, расположенных за анодом в виде сетки. Installing spark gaps on the reverse side of the anode 3-5 mm in size, distributing the gaps along the length of the anode in increments of 2-3 cm, and connecting the spark gaps to the anode skeleton with insulated conductors ensures uniform illumination of the cathode by ultraviolet radiation from spark gaps located behind the anode in the form of a grid.

Выбор величины прозрачности (50-70%) анода в виде сетки обусловлен конкуренцией двух явлений:
- с одной стороны, плотность тока на аноде не должна быть слишком большой для исключения возможности искрового пробоя в местах появления высокой плотности тока в результате искажения электрического поля;
- с другой стороны, прозрачность анода в виде сетки должна обеспечивать однородную подсветку катода ультрафиолетовым излучением искровых зазоров.The choice of the transparency value (50-70%) of the anode in the form of a grid is due to the competition of two phenomena:
- on the one hand, the current density at the anode should not be too large to exclude the possibility of spark breakdown in places where a high current density appears as a result of distortion of the electric field;
- on the other hand, the transparency of the anode in the form of a grid should provide uniform illumination of the cathode with ultraviolet radiation from spark gaps.

Сущность заявляемого нецепного электроразрядного НF(DF)-лазера поясняется примером его реализации и графическими материалами. The essence of the claimed non-chain electric discharge HF (DF) laser is illustrated by an example of its implementation and graphic materials.

На фиг. 1 представлена типичная схема получения ОСР в HF(DF)-лазepe в плоскости, перпендикулярной оптической оси. На этой фигуре А и К - сплошные металлические анод и катод, C₁ - конденсатор зарядный, C₂ - обостряющий конденсатор, Р - разрядник, I - направление разрядного тока.In FIG. Figure 1 shows a typical scheme for producing OCP in an HF (DF) laser in a plane perpendicular to the optical axis. In this figure, A and K are solid metal anode and cathode, C ₁ is a charging capacitor, C ₂ is a sharpening capacitor, P is a spark gap, I is the direction of the discharge current.

На фиг.2 приведено схематическое изображение заявляемого HF(DF)-лазера. Плоский анод А изготовлен в виде сетки 1, натянутой на каркас 2. За анодом расположены искровые зазоры 3. Figure 2 shows a schematic representation of the inventive HF (DF) laser. Flat anode A is made in the form of a mesh 1, stretched over the frame 2. Spark gaps 3 are located behind the anode.

Лазер работает следующим образом. Энергия запасается в конденсаторе C₁. Зарядка производится постоянным напряжением, возможна импульсная зарядка. Через разрядник напряжение прикладывается к обостряющему конденсатору С₂ и по мере его зарядки к разрядному промежутку. С целью получения короткого разрядного импульса в таких схемах делается очень плотная ошиновка так, что ток зарядки емкости C₂ и C₁ протекает по поверхности электродов. Направление этого тока на фиг.1 показано стрелками. При большом поперечном размере электродов в лазерах с большой апертурой (15 и более см) и плотной ошиновке разрядной камеры индуктивность электрода составляет значительную часть (до 1/6) от суммарной индуктивности контура перезарядки C₁ и С₂, поэтому индуктивное падение напряжения на поперечном размере электрода, Lэ dI/dt, достигает нескольких десятков киловольт.The laser operates as follows. Energy is stored in capacitor C ₁ . Charging is carried out by constant voltage, pulse charging is possible. Through the arrester, voltage is applied to the sharpening capacitor C ₂ and as it charges to the discharge gap. In order to obtain a short discharge pulse in such circuits, a very dense busbar is made so that the charging current of the capacitance C ₂ and C ₁ flows along the surface of the electrodes. The direction of this current in figure 1 is shown by arrows. With a large transverse size of the electrodes in lasers with a large aperture (15 cm or more) and a dense busbar of the discharge chamber, the inductance of the electrode is a significant part (up to 1/6) of the total inductance of the recharge circuit C ₁ and C ₂ , therefore, the inductive voltage drop across the transverse size electrode, Le dI / dt, reaches several tens of kilovolts.

При зарядке емкости С₂ от C₁ за счет падения напряжения на индуктивности электрода

искровые зазоры пробиваются и обеспечивают зажигание ОСР за счет инициирования электронов на катоде. Параллельный пробой всех искровых зазоров обеспечен за счет развязки их собственной индуктивностью.When charging capacitance C ₂ from C ₁ due to the voltage drop across the inductance of the electrode

spark gaps break through and provide the OCR ignition due to the initiation of electrons at the cathode. A parallel breakdown of all spark gaps is ensured by decoupling their own inductance.

Испытания предложенного лазера проводились на НF(DF)-лазере с межэлектродным расстоянием 27 см. Длина катода составляла 100 см, анода 120 см при ширине соответственно катода и анода 20 и 40 см. На фиг.3 показаны осциллограммы наложенных импульсов генерации на оптической оси (1) и на краю разрядного промежутка (2), полученные в прототипе. Из фиг. 3 видно, что действительно генерация на краю начинается раньше, чем в центре. На фиг.4 представлены осциллограммы импульсов генерации на оптической оси и на краю промежутка, снятые с использованием предложенного изобретения. Видно, что импульсы генерации в центре и на краю разрядного промежутка в данном случае практически накладываются. The proposed laser was tested on an HF (DF) laser with an interelectrode distance of 27 cm.The length of the cathode was 100 cm and that of the anode 120 cm and the width of the cathode and anode was 20 and 40 cm, respectively. Figure 3 shows oscillograms of superimposed lasing pulses on the optical axis ( 1) and on the edge of the discharge gap (2) obtained in the prototype. From FIG. Figure 3 shows that indeed generation at the edge begins earlier than at the center. Figure 4 presents the waveforms of the generation pulses on the optical axis and on the edge of the gap, shot using the proposed invention. It is seen that the generation pulses in the center and at the edge of the discharge gap in this case are practically superimposed.

Таким образом, за счет инициирования ОСР УФ-излучением без дополнительных затрат энергии значительно уменьшен временной сдвиг начала генерации в центре и на краю разрядного промежутка. Thus, due to the initiation of OCR by UV radiation at no additional energy cost, the time shift of the onset of generation at the center and at the edge of the discharge gap is significantly reduced.

Claims

A random electric discharge HF (DF) laser, including a discharge chamber, a metal anode in the form of a grid stretched over the frame, a metal cathode, a DC voltage source of 50-100 kV, a power of 0.5-10 kW, a gas mixture pumping and inlet system, optical resonator, characterized in that the transparency of the anode grid is selected in the range of 50-70%, spark gaps of 3-5 mm in size are formed on the reverse side of the anode by insulated conductors, and the insulated conductors forming spark gaps are connected to the anode frame and distributed along no anode 2-3 cm increments, with the simultaneous breakdown of the spark gap is provided at the expense of their own decoupling inductance.