RU2254650C1 - Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation - Google Patents

Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation Download PDF

Info

Publication number
RU2254650C1
RU2254650C1 RU2004102329/28A RU2004102329A RU2254650C1 RU 2254650 C1 RU2254650 C1 RU 2254650C1 RU 2004102329/28 A RU2004102329/28 A RU 2004102329/28A RU 2004102329 A RU2004102329 A RU 2004102329A RU 2254650 C1 RU2254650 C1 RU 2254650C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
magnetic
discharge tube
pulse
compression device
Prior art date
Application number
RU2004102329/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Салмин (RU)
В.В. Салмин
А.С. Проворов (RU)
А.С. Проворов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный университет"
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 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный университет"
Priority to RU2004102329/28A priority Critical patent/RU2254650C1/en
Priority to PCT/RU2005/000013 priority patent/WO2005071806A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2254650C1 publication Critical patent/RU2254650C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01—Shaping pulses
    • H03K5/12—Shaping pulses by steepening leading or trailing edges
    • 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
    • H01S3/0971—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser transversely excited
    • H01S3/0973—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser transversely excited having a travelling wave passing through the active medium
    • 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
    • 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
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315—Waveguide lasers
    • 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
    • H01S3/09702—Details of the driver electronics and electric discharge circuits
    • 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
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2237—Molecular nitrogen (N2), e.g. in noble gas-N2 systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: pulsed gas lasers excited by fast longitudinal discharge in second positive set of molecular nitrogen streaks.
SUBSTANCE: proposed laser has coaxial sectionalized discharge cell forming low-inductance power transmission line with pulse shaping circuit connected to central electrode, and thyratron placed in conducting shell which is part of common low-inductance power transmission line. Pulse shaping circuit made in the form of magnetic pulse compressing device has saturating reactors inductively and capacitively coupled with discharge tube mounted in magnetic pulse compressing device. Laser has coaxial sectionalized discharge cell with gas gap between plates. Gas gap thickness to discharge tube wall thickness ratio is higher than dielectric constant of discharge tube material. Sheet-steel ballast capacitors are disposed coaxially to discharge cell and symmetrically to magnetic pulse compressing device. The latter uses parallel circuit arrangement for connecting magnetic compression power lines. Each line incorporates additional saturating reactor in first section. Parallel-connected to ground are limiting saturating reactor and peaking capacitor.
EFFECT: enhanced life in sealed-off condition, increased repetition rate without forced cooling and specific pulse power; reduced electromagnetic noise.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области газовых лазеров и может использоваться в конструкциях импульсных газовых лазеров, возбуждаемых быстрым продольным разрядом, например, в лазерах на второй положительной системе полос молекулярного азота (азотных лазерах).The invention relates to the field of gas lasers and can be used in the design of pulsed gas lasers excited by a fast longitudinal discharge, for example, in lasers on the second positive system of molecular nitrogen bands (nitrogen lasers).

Известна конструкция импульсного газового лазера с коаксиальной разрядной ячейкой [Пат. 3,458,830 США, М.кл. H 01 S 3/22, Transmission Line Gas Laser/M.Geller, D.E.Altman, 1969], где формирование импульса тока осуществляется за счет разрядки длинной линии, выполненной из коаксиального кабеля, с помощью разрядника. Однако применение разрядника приводит к ограничению по частоте повторения импульсов, как правило, не более 100 Гц и ограничивает ресурс работы лазера - не более 107 импульсов.A known design of a pulsed gas laser with a coaxial discharge cell [US Pat. 3,458,830 USA, M.C. H 01 S 3/22, Transmission Line Gas Laser / M.Geller, DEAltman, 1969], where the formation of a current pulse is carried out by discharging a long line made of a coaxial cable using a spark gap. However, the use of a spark gap leads to a limitation in the pulse repetition rate, as a rule, of no more than 100 Hz and limits the life of the laser to not more than 10 7 pulses.

Известна конструкция продольно возбуждаемого компактного газового лазера с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой, образующей малоиндуктивную электрическую передающую линию с подключенной к центральному электроду формирующей цепью, выполненной на малоиндуктивных конденсаторах и использующей в качестве ключа газонаполненный водородный тиратрон, помещенный в проводящий кожух, выполняющий роль части общей малоиндуктивной электрической передающей линии [Пат. 4,189,687 США, М.кл. H 01 S 3/02, Compact laser construction/I.Weider, R.H.Breedlove, 1980 (прототип)].A known design of a longitudinally excited compact gas laser with a coaxial sectioned discharge cell, forming a low-inductance electric transmission line with a forming circuit connected to the central electrode, made on low-inductance capacitors and using a gas-filled hydrogen thyratron as a key, placed in the conductive casing, acting as part of the common small transmission line [Pat. 4,189,687 USA, M.C. H 01 S 3/02, Compact laser construction / I.Weider, R.H. Breedlove, 1980 (prototype)].

Известно устройство магнитного сжатия импульса, предназначенное для возбуждения импульсных газовых лазеров, в частности азотного лазера [Проворов А.С., Салмин В.В. "Компактный N2-лазер с магнитным сжатием/"Квантовая электроника", т.20, № 6, с.608-610, 1993 (прототип)], имеющее три звена магнитного сжатия, с насыщающимися дросселями, выполненными на ферритовых кольцах и конденсаторах. Устройство выполняет одновременно роль накопителя энергии, и формирует выходной импульс за счет последовательной разрядки конденсаторов звеньев цепи через тиратрон. Для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено использует дифференцирующую цепочку с проходным конденсатором.A device for magnetic compression of the pulse, designed to excite pulsed gas lasers, in particular a nitrogen laser [Provorov AS, Salmin VV "Compact N 2 -laser with magnetic compression /" Quantum Electronics ", v.20, No. 6, pp. 608-610, 1993 (prototype)], having three links of magnetic compression, with saturable chokes made on ferrite rings and capacitors The device simultaneously performs the role of energy storage and generates an output pulse due to the sequential discharge of the capacitors of the circuit links through the thyratron. For galvanic isolation of the output circuit from the high voltage source, the last link uses a differentiating circuit with a feed-through capacitor.

Недостатками вышеприведенного продольно возбуждаемого компактного газового лазера с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой являются:The disadvantages of the above longitudinally excited compact gas laser with a coaxial sectioned discharge cell are:

формирование коаксиальной разрядной ячейки с помощью расположенной на непосредственно внешней поверхности разрядной трубки обкладки приводит к тому, что малый промежуток между внутренним и внешним диаметрами трубки, который целесообразно сохранить для эффективного отведения тепла из разряда, приводит к ограничению на максимальное прикладываемое напряжение, поскольку может произойти электрический пробой стенки трубки, что соответственно также ограничивает величину максимально допустимой энергии, которую можно вложить в разряд, а малая разница между внешним и внутренним диаметрами коаксиальной линии приводит к увеличению емкости линии, что приводит к дополнительной нагрузке на генератор импульсного напряжения, а также формированию за счет большого тока смещения разряда емкостного типа, называемого в литературе как «барьерный» или «тихий разряд».the formation of a coaxial discharge cell using the lining located on the directly external surface of the discharge tube leads to the fact that a small gap between the inner and outer diameters of the tube, which is expedient to maintain for efficient heat removal from the discharge, leads to a limitation on the maximum applied voltage, since an electric voltage can occur breakdown of the tube wall, which accordingly also limits the maximum allowable energy that can be invested in the discharge, and m The large difference between the outer and inner diameters of the coaxial line leads to an increase in the line capacitance, which leads to an additional load on the pulse voltage generator, as well as the formation of a capacitive type discharge, referred to in the literature as a “barrier” or “quiet discharge” due to a large bias current.

Асимметрия внешней обкладки, оставляющей не экранированной часть разрядной ячейки, приводит к высоким электромагнитным шумам, создаваемым быстрым сильноточным продольным разрядом в окружающем пространстве.The asymmetry of the outer lining, which leaves part of the discharge cell unshielded, leads to high electromagnetic noise created by a fast high-current longitudinal discharge in the surrounding space.

Использование анодных электродов с внутренним диаметром, сравнимым с диаметром канала или разрядной ячейки, и малой длины приводит к тому, что при импульсном разряде не происходит эффективного тушения ударной волны, возникающей в канале, что может привести к эрозии на поверхности зеркал, малая площадь внутренней поверхности электрода и непосредственная их близость к области разряда с высокой плотностью тока приводит к образованию на поверхности электрода анодных пятен во время разряда, из которых происходит эффективный выброс материала электрода в рабочий газ и существенно сокращает ресурс работы лазера в отпаянном режиме.The use of anode electrodes with an inner diameter comparable to the diameter of the channel or discharge cell and a small length leads to the fact that during a pulsed discharge there is no effective quenching of the shock wave arising in the channel, which can lead to erosion on the surface of the mirrors, a small area of the inner surface electrode and their close proximity to the discharge region with a high current density leads to the formation of anode spots on the electrode surface during the discharge, from which an effective discharge of material and the electrode in the working gas and significantly reduces the life of the laser in a sealed-off mode.

Использование буферной емкости, вынесенной за пределы разрядной ячейки, приводит к ограничению скорости обмена газа, неэффективно используется объем конструкции.The use of a buffer tank outside the discharge cell limits the gas exchange rate; the volume of the structure is used inefficiently.

Использование схемы формирования импульса только с одним проходным конденсатором приводит к тому, что снижается эффективность возбуждения лазера.The use of a pulse-forming circuit with only one pass-through capacitor leads to a decrease in the laser excitation efficiency.

Использование диода или резистора для зарядки накопительной емкости приводит к нежелательному протеканию тока через разряд в конечной стадии разрядки накопительной емкости, когда произошел существенный спад напряжения, дальнейшее протекание тока не идет на эффективное возбуждение лазерной среды, а только нагревает газ, в свою очередь это обстоятельство приводит к ограничению частоты повторения импульсов и к снижению общего ресурса работы лазера в отпаянном режиме.The use of a diode or resistor to charge the storage capacitance leads to an undesirable current flow through the discharge in the final stage of discharge of the storage capacitance, when a significant voltage drop occurs, further current flow does not go to the effective excitation of the laser medium, but only heats the gas, which in turn leads to this to limit the pulse repetition rate and to reduce the total life of the laser in sealed mode.

Недостатки устройства магнитного сжатия импульса заключаются в следующем:The disadvantages of the magnetic pulse compression device are as follows:

- первый каскад устройства представлен емкостью, которая непосредственно разряжается через тиратрон, что приводит к выделению активной мощности на самом тиратроне и соответственно может сократить ресурс его работы,- the first cascade of the device is represented by a capacity that is directly discharged through the thyratron, which leads to the release of active power on the thyratron itself and, accordingly, can reduce the resource of its operation,

- увеличение энергии импульса, за счет увеличения значений емкостей в каскадах устройства приводит к увеличению длительности выходного импульса,- an increase in pulse energy, due to an increase in capacitance values in stages of the device, leads to an increase in the duration of the output pulse,

- время зарядки обострительного конденсатора зависит от времени пробоя в выходной нагрузке, и не всегда конденсатор успевает зарядится до амплитудного значения выходного напряжения,- the charging time of the sharpening capacitor depends on the breakdown time in the output load, and the capacitor does not always have time to charge up to the amplitude value of the output voltage,

- обострительный конденсатор полностью разряжается через нагрузку на всей стадии спада напряжения, что приводит к нежелательному перегреву лазерной ячейки.- the sharpening capacitor is completely discharged through the load at the entire stage of the voltage drop, which leads to undesirable overheating of the laser cell.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик компактного импульсного газового лазера с тиратроном, а именно увеличение ресурса работы в отпаянном режиме, повышение частоты повторения без использования принудительного охлаждения, увеличение удельной импульсной мощности, снижение электромагнитных помех.The technical result of the invention is to improve the operational characteristics of a compact pulsed gas laser with a thyratron, namely increasing the service life in sealed mode, increasing the repetition rate without using forced cooling, increasing the specific pulse power, and reducing electromagnetic interference.

Технический результат достигается тем, что в компактном импульсном газовом лазере, содержащем коаксиальную секционированную разрядную ячейку, содержащую разрядную трубку, подключенную центральным электродом к формирующей импульс цепи, и тиратрон, подключенный анодом к формирующей импульс цепи и источнику высокого напряжения и помещенный в проводящий кожух, причем кожух является частью общей малоиндуктивной электрической цепи и соединен с катодом тиратрона, новым является то, что формирующая импульс цепь выполнена в виде устройства магнитного сжатия импульса, содержит насыщающиеся дроссели, имеющие индуктивно-емкостную связь с разрядной трубкой, разрядная трубка вставлена в устройство магнитного сжатия импульса, лазер имеет коаксиальную секционированную разрядную ячейку с газовым промежутком между разрядной трубкой и анодной трубкой, причем отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки и 2 балластные емкости из листовой стали, расположенные коаксиально по отношению к разрядной трубке и симметрично по отношению к устройству магнитного сжатия импульса, балластные емкости герметично установлены на корпусе устройства магнитного сжатия импульса, тиратрон расположен с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия и подключен анодом к входному звену устройства магнитного сжатия импульса.The technical result is achieved in that in a compact pulsed gas laser containing a coaxial sectioned discharge cell containing a discharge tube connected by a central electrode to a pulse generating circuit, and a thyratron connected by the anode to the pulse generating circuit and a high voltage source and placed in a conductive casing, the casing is part of a common low-inductance electric circuit and is connected to the cathode of the thyratron; new is that the pulse-forming circuit is made in the form of a device pulse compression, contains saturable chokes having inductive-capacitive coupling with the discharge tube, the discharge tube is inserted into the magnetic pulse compression device, the laser has a coaxial sectioned discharge cell with a gas gap between the discharge tube and the anode tube, and the ratio of the thickness of the gas gap to the wall thickness the discharge tube is larger than the dielectric constant of the material of the discharge tube and 2 ballast containers made of sheet steel, located coaxially along elations to the discharge tube and symmetrically with respect to the magnetic pulse compression device, ballast tanks sealingly mounted on the housing of the magnetic pulse compression devices, the thyratron is located on the side of the magnetic compression device body and an anode connected to the input member of the magnetic pulse compression device.

И технический результат достигается тем, что в устройстве магнитного сжатия импульса, содержащем электрическую длинную линию, состоящую из последовательно подключенных звеньев, каждое из которых состоит из насыщающего дросселя с ферритовым кольцеобразным сердечником и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора, для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено соединено с разделительным конденсатором, новым является то, что имеет параллельную схему включения линий магнитного сжатия, при этом число линий четное и каждая линия магнитного сжатия использует дополнительный насыщающий дроссель в первом звене, к корпусу устройства магнитного сжатия импульса подключены параллельно ограничивающий насыщающий дроссель и обострительный конденсатор.And the technical result is achieved by the fact that in a magnetic pulse compression device containing an electric long line, consisting of series-connected links, each of which consists of a saturating inductor with a ferrite ring-shaped core and a low-inductance high-voltage capacitor, for the galvanic isolation of the output circuit from the high voltage source the link is connected to an isolation capacitor, new is that it has a parallel circuit for connecting magnetic compression lines, etc. this is an even number of lines and each line of magnetic compression uses an additional inductor saturates in the first link, to the housing of the magnetic pulse compression device connected in parallel bounding saturating inductor and peaking capacitor.

Таким образом, в заявляемый компактный импульсный газовый лазер с коаксиальной секционированной разрядной ячейкой введены новые элементы:Thus, in the inventive compact pulsed gas laser with a coaxial sectioned discharge cell introduced new elements:

- устройство магнитного сжатия импульса, играющее роль формирующей импульс цепи,- a device for magnetic compression of a pulse, playing the role of forming a pulse circuit,

- коаксиальная разрядная ячейка, имеющая газовый промежуток между обкладками и- coaxial discharge cell having a gas gap between the plates and

- 2 балластные емкости, выполненные из листовой стали и расположенные коаксиально с разрядной ячейкой.- 2 ballast tanks made of sheet steel and located coaxially with the discharge cell.

Многозвенное устройство магнитного сжатия импульса с емкостной развязкой в выходной цепи, выполненное на насыщающихся дросселях с ферритовыми кольцеобразными сердечниками и малоиндуктивных высоковольтных конденсаторах, отличается параллельной схемой включения электрических длинных линий, число которых может быть произвольным, но четным с использованием дополнительного насыщающегося дросселя в первом звене, и устройство имеет ограничивающий насыщающийся дроссель, подключенный параллельно обострительному конденсатору.A multi-link device for magnetic compression of a pulse with capacitive isolation in the output circuit, made on saturable inductors with ferrite ring-shaped cores and low-inductance high-voltage capacitors, is distinguished by a parallel circuit for switching on electric long lines, the number of which can be arbitrary but even using an additional saturable inductor in the first link, and the device has a limiting saturable inductor connected in parallel with the sharpening capacitor.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, позволило выявить технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, однако при их введении в указанные связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство, вышеупомянутые блоки проявляют новые свойства:Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field, allowed to identify technical solutions containing features similar to those distinguishing the claimed technical solution from the prototype, however, when introduced into the indicated connections with other elements of the circuit in The claimed device, the above blocks exhibit new properties:

- так функционирование устройства магнитного сжатия импульса зависит от наличия разрядной ячейки в канале устройства, в частности за счет наличия емкостной связи обмоток дросселей устройства магнитного сжатия импульса с разрядным каналом, уменьшается индуктивность дросселя в насыщенном состоянии, в свою очередь емкостная связь позволяет осуществить предыонизацию газа в разрядной ячейке в области, прилегающей к дросселю, что позволяет увеличить мощность лазерного импульса, индуктивная связь разрядного канала с дросселями обеспечивает удержание тока в выходной цепи до момента зарядки обострительного конденсатора (магнитная изоляция), и увеличение предельной скорости нарастания тока в канале после насыщения дросселей, причем автоматически обеспечивается намагничивание дросселя в направлении, обратном направлению намагничивания дросселей, в момент разрядки конденсаторов в звеньях устройства магнитного сжатия импульса, это обеспечивает удвоение величины магнитной индукции, требуемой для насыщения дросселей, и это соответственно позволяет вдвое уменьшить необходимое сечение сердечников дросселей, что соответственно улучшает отвод тепла от сердечников, либо в четыре раза увеличить емкость конденсаторов в звеньях устройства магнитного сжатия импульса при сохранении скорости нарастания выходного импульса и соответственно поднять энергию и мощность импульса генерации;- so the functioning of the magnetic pulse compression device depends on the presence of a discharge cell in the channel of the device, in particular due to the presence of capacitive coupling of the windings of the chokes of the magnetic pulse compression device with the discharge channel, the inductance of the inductor in a saturated state decreases, in turn, the capacitive coupling allows gas preionization in the discharge cell in the area adjacent to the inductor, which allows to increase the power of the laser pulse, inductive coupling of the discharge channel with the inductors provides holding the current in the output circuit until the sharpening capacitor is charged (magnetic isolation), and increasing the maximum slew rate of the current in the channel after saturation of the chokes, the magnetization of the choke in the direction opposite to the magnetization of the chokes is automatically ensured at the time of discharge of the capacitors in the links of the magnetic compression device pulse, this provides a doubling of the magnitude of the magnetic induction required to saturate the chokes, and this accordingly allows you to halve the required imoe section core chokes, which consequently improves the heat removal from the core or to quadruple the capacity of the capacitors in the links of the magnetic pulse compression device while maintaining the slew rate of the output pulse and thus raise the energy and power generation pulse;

- использование коаксиальной конструкции разрядной ячейки с газонаполненным промежутком между обкладками и большим отношением диаметра внешней обкладки, выполняющей роль анода, и диаметра газоразрядного канала, позволило увеличить ресурс работы лазера в отпаянном режиме;- the use of a coaxial design of the discharge cell with a gas-filled gap between the plates and a large ratio of the diameter of the outer plate, which plays the role of the anode, and the diameter of the gas discharge channel, allowed to increase the laser operating life in the sealed-off mode;

- использование коаксиальных балластных емкостей из листовой стали позволило снизить электромагнитные помехи, создаваемые разрядной ячейкой.- the use of coaxial ballast capacities made of sheet steel made it possible to reduce the electromagnetic interference caused by the discharge cell.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».All this allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 представлен поперечный разрез лазера в плоскости, проходящей через оптическую ось. На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства магнитного сжатия импульса.Figure 1 shows a transverse section of the laser in a plane passing through the optical axis. Figure 2 presents a schematic diagram of a device for magnetic compression of a pulse.

Лазер содержит разрядную трубку 1, тиратрон 2, устройство магнитного сжатия импульса 3 и две одинаковые балластные емкости 4. Емкости расположены симметрично от устройства магнитного сжатия импульса. Емкости в форме стакана имеют отверстие 5, расположенное на его дне. Ось отверстий в балластных емкостях впоследствии совпадает с оптической осью лазера 6. Отверстие 5 предназначено для прохода лазерного излучения до зеркал или оптических окон 7, 8. Зеркала 7, 8 приклеиваются или припаиваются герметично, соосно с отверстиями 5. Разрядная трубка 1 выполнена из трубчатого диэлектрического материала, например, из ВеО керамики, Аl2O3 керамики, плавленого кварца, стекла. В центре трубки 1 имеет отверстие 9 до внутреннего канала. Три металлических кольца 10, 11, 12 с внутренним диаметром, равным наружному диаметру разрядной трубки 1 с небольшим положительным допуском припаяны или приклеены на разрядную трубку 1 коаксиально. Внешний диаметр колец 10, 11, 12 совпадает с диаметром канала 13 в устройстве магнитного сжатия импульса 3 с небольшим отрицательным допуском, позволяющим свободно вставить трубку 1 в канал 13 устройства магнитного сжатия импульса 3 в процессе сборки. Одно кольцо 11, выполняющее роль катода, размещается в центре трубки 1 герметично, закрывая имеющееся там отверстие 9. Два других 10, 12 располагаются симметрично относительно отверстия 9 и расстояние между ними равно размеру корпуса устройства магнитного сжатия импульса 3 вдоль оси канала 13. Длина трубки 1 выбирается таким образом, чтобы концы трубки располагались на расстоянии не менее 3 см от зеркал 7, 8. Разрядная трубка 1 вставлена в устройство магнитного сжатия импульса 3 в канал 13 так, чтобы кольцо 11 встало по центру кольца 14, являющимся коаксиальным выходным контактом устройства магнитного сжатия импульса 3. Два других кольца 10, 12 припаиваются к корпусу устройства магнитного сжатия импульса 3 по всему периметру колец 10, 12. Две металлические трубки 15 из тугоплавкого инертного по отношению к среде лазера материала. В случае азотного лазера наиболее оптимальным является применение титана либо титанового сплава с высоким процентным содержанием титана. Трубки 15 закрепляются основанием к корпусу устройства магнитного сжатия импульса коаксиально с разрядной трубкой 1. Трубки 15 выполняют роль анодов, и внешней обкладки коаксиальной разрядной ячейки. В общем случае внутренний диаметр трубки 15 определяется требуемым волновым сопротивлением. Отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки 1 больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки 1. Длина трубок 15 не больше длины балластной емкости 4 в направлении оси отверстий 5 за вычетом примерно четверти диаметра трубки 15. Балластные емкости герметично устанавливаются на корпусе устройства магнитного сжатия импульса 3, так чтобы ось отверстия 5 совпала с оптической осью лазера 6. По крайней мере одна из балластных емкостей 4 (не показано) имеет небольшое отверстие для подключения лазера к газовому посту для заполнения лазера рабочим газом. Давление и состав газа выбираются оптимальными по лазерной мощности и зависят как от необходимости получения генерации на требуемом лазерном переходе, так и от напряжения питания. После заполнения лазера рабочим газом лазер может быть отпаян от газового поста. Тиратрон 2 располагается в коаксиальном проводящем кожухе 16 с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия импульса 3, так чтобы минимизировать индуктивность между анодом тиратрона 17 и коаксиальным входом на корпусе устройства магнитного сжатия импульса 3. Ориентация оси тиратрона 2 может варьироваться, т.е. быть как перпендикулярной, так и параллельной оси лазера 6. Тип тиратрона 2 не оговаривается. Анод тиратрона 17 подключается к источнику высокого напряжения положительной полярности.The laser contains a discharge tube 1, a thyratron 2, a device for magnetic compression of a pulse 3 and two identical ballast tanks 4. The tanks are located symmetrically from the device for magnetic compression of a pulse. Glass-shaped containers have an opening 5 located at its bottom. The axis of the holes in the ballast tanks subsequently coincides with the optical axis of the laser 6. Hole 5 is intended for the passage of laser radiation to the mirrors or optical windows 7, 8. The mirrors 7, 8 are glued or soldered tightly, coaxially with the holes 5. The discharge tube 1 is made of tubular dielectric material, for example, from BeO ceramics, Al 2 O 3 ceramics, fused silica, glass. In the center of the tube 1 has a hole 9 to the inner channel. Three metal rings 10, 11, 12 with an inner diameter equal to the outer diameter of the discharge tube 1 with a small positive tolerance are soldered or glued to the discharge tube 1 coaxially. The outer diameter of the rings 10, 11, 12 coincides with the diameter of the channel 13 in the device for magnetic compression of the pulse 3 with a small negative tolerance, which allows you to freely insert the tube 1 into the channel 13 of the device for magnetic compression of the pulse 3 during the assembly process. One ring 11, acting as a cathode, is sealed in the center of the tube 1, closing the hole 9 there. The other two 10, 12 are symmetrically relative to the hole 9 and the distance between them is equal to the size of the casing of the pulse 3 magnetic compression device along the channel axis 13. The length of the tube 1 is chosen so that the ends of the tube are at least 3 cm from the mirrors 7, 8. The discharge tube 1 is inserted into the magnetic pulse compression device 3 in the channel 13 so that the ring 11 is centered on the ring 14, which is coax the other output contact of the pulse magnetic compression device 3. Two other rings 10, 12 are soldered to the casing of the pulse magnetic compression device 3 around the entire perimeter of rings 10, 12. Two metal tubes 15 are made of a refractory material inert to the medium of the laser. In the case of a nitrogen laser, the most optimal is the use of titanium or a titanium alloy with a high percentage of titanium. The tubes 15 are fixed by the base to the housing of the magnetic pulse compression device coaxially with the discharge tube 1. The tubes 15 act as anodes and an external lining of the coaxial discharge cell. In the General case, the inner diameter of the tube 15 is determined by the desired wave impedance. The ratio of the thickness of the gas gap to the wall thickness of the discharge tube 1 is greater than the dielectric constant of the material of the discharge tube 1. The length of the tubes 15 is not greater than the length of the ballast tank 4 in the direction of the axis of the holes 5 minus about a quarter of the diameter of the tube 15. Ballast tanks are sealed on the device magnetic compression of the pulse 3, so that the axis of the hole 5 coincides with the optical axis of the laser 6. At least one of the ballast tanks 4 (not shown) has a small hole for connecting a laser gas for filling the post laser working gas. The pressure and composition of the gas are chosen optimal in terms of laser power and depend both on the need to obtain generation at the desired laser transition, and on the supply voltage. After filling the laser with working gas, the laser can be sealed off from the gas station. The thyratron 2 is located in the coaxial conductive casing 16 on the side of the casing of the magnetic pulse compression device 3, so as to minimize the inductance between the anode of the thyratron 17 and the coaxial input on the casing of the magnetic pulse compression device 3. The orientation of the axis of the thyratron 2 can vary, i.e. be both perpendicular and parallel to the axis of the laser 6. The type of thyratron 2 is not specified. The anode of the thyratron 17 is connected to a high voltage source of positive polarity.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 имеет многозвенную схему. Каждое звено 18 выполнено из насыщающегося дросселя 19 и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора 20. Звенья подключены последовательно. К входному звену 18 подключен анод тиратрона 17, а к выходному звену 21 через разделительный конденсатор 22 катод разрядной ячейки 11. Цепочка звеньев образует электрическую длинную линию 23, которая располагается параллельно одной секции 24 двухсекционной разрядной ячейки. Величина емкости конденсатора в (k+1) звене в 4 раза меньше чем в k звене, где k - номер текущего звена. Тип материала сердечников дросселей, их размеры для всех звеньев равны.The magnetic pulse compression device 3 has a multi-link circuit. Each link 18 is made of a saturable inductor 19 and a low-inductance high-voltage capacitor 20. The links are connected in series. The anode of the thyratron 17 is connected to the input link 18, and the cathode of the discharge cell 11 is connected to the output link 21 through the isolation capacitor 22. The chain of links forms an electric long line 23, which is parallel to one section 24 of the two-section discharge cell. The capacitor value in the (k + 1) unit is 4 times less than in the k unit, where k is the number of the current unit. The type of core material of the chokes, their sizes for all links are equal.

Требования к материалу сердечника для устройств магнитного сжатия импульса общеизвестны. Так для обеспечения максимального коэффициента сжатия, максимальной скорости насыщения, минимальных потерь, и максимальной частоты повторения необходимо:The requirements for core material for magnetic pulse compression devices are well known. So to ensure maximum compression ratio, maximum saturation rate, minimum loss, and maximum repetition rate, you must:

- Большое значение максимальной магнитной восприимчивости.- The high value of the maximum magnetic susceptibility.

- Большое значение магнитной индукции насыщения.- The great importance of saturation magnetic induction.

- Малое значение коэрцитивной силы.- The low value of coercive force.

- Прямоугольная форма предельной петли гистерезиса, что эквивалентно тому, что отношение остаточной магнитной индукции и индукции насыщения близко к единице.- The rectangular shape of the limit hysteresis loop, which is equivalent to the fact that the ratio of residual magnetic induction and saturation induction is close to unity.

- Большое значение удельного сопротивления.- Great value of resistivity.

Объем сердечника рассчитывается по формуле (1)The core volume is calculated by the formula (1)

Figure 00000002
Figure 00000002

где ΔBs - величина магнитной индукции насыщения,where ΔB s is the magnitude of the magnetic induction of saturation,

Е - энергия, запасенная в конденсаторе,E is the energy stored in the capacitor,

g - коэффициент сжатия,g is the compression ratio,

μS - значение насыщенной магнитной восприимчивости,μ S is the value of saturated magnetic susceptibility,

μ0 - магнитная восприимчивость вакуума,μ 0 - the magnetic susceptibility of the vacuum,

Sа - коэффициент заполнения или отношение площади поперечного сечения сердечника к площади витка.S a - fill factor or the ratio of the cross-sectional area of the core to the area of the coil.

Вторая электрическая длинная линия 25 располагается симметрично параллельно второй секции 26 разрядной ячейки. Между катодом 11 разрядной ячейки и корпусом 27 устройства магнитного сжатия импульса 3 подключены параллельно обострительный конденсатор 28 и ограничивающий насыщающийся дроссель 29. Дроссели в длинной линии выполнены на ферритовых кольцеобразных сердечниках и располагаются с небольшим промежутком соосно друг другу и соосно с разрядной трубкой 1. Снаружи дроссели окружены общим проводящим кожухом 30 с диаметром, определяемым необходимым волновым сопротивлением разрядной ячейки, и соединенным с корпусом устройства магнитного сжатия 27. Конденсаторы 20 подключаются через отверстия в кожухе 31, и располагаются так, чтобы минимизировать индуктивность между точкой подключения и «землей». В средней части кожуха располагается кольцо 14 для подключения к катоду разрядной ячейки 11.The second electric long line 25 is located symmetrically parallel to the second section 26 of the discharge cell. A sharpening capacitor 28 and a limiting saturable inductor 29 are connected in parallel between the cathode 11 of the discharge cell and the housing 27 of the magnetic pulse pulse device 3. The inductors in a long line are made on ferrite ring-shaped cores and are spaced coaxially with each other and coaxially with the discharge tube 1. Outside the inductors surrounded by a common conductive casing 30 with a diameter determined by the necessary wave impedance of the discharge cell, and connected to the housing of the magnetic compression device 27. Co. The capacitors 20 are connected through the holes in the casing 31, and are located so as to minimize the inductance between the connection point and the "ground". In the middle part of the casing is a ring 14 for connection to the cathode of the discharge cell 11.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 может выполнятся в различных модификациях, когда количество электрических длинных линий 23, подключенных параллельно по входу и выходу располагающихся параллельно одной секции разрядной ячейки, больше одного.The pulse magnetic compression device 3 can be performed in various modifications, when the number of electric long lines 23 connected in parallel at the input and output located parallel to one section of the discharge cell is more than one.

В этом случае дроссели 19 из различных электрических длинных линий располагаются последовательно друг за другом, так чтобы дроссели 19 из одинаковых по счету звеньев оказались рядом. Порядок чередования дросселей 19 из различных длинных линий произвольный, но повторяющийся для каждого соответствующего звена. Соотношение диаметров разрядной трубки 1 и сердечника дросселя 19 таково, что обеспечивается минимальный зазор между наружной стенкой разрядной трубки 1 и внутренним диаметром дросселя 19.In this case, the chokes 19 from various electric long lines are arranged sequentially one after another, so that the chokes 19 from the same counting links are next to each other. The alternation order of the chokes 19 from various long lines is arbitrary, but repeating for each corresponding link. The ratio of the diameters of the discharge tube 1 and the core of the inductor 19 is such that a minimum clearance is ensured between the outer wall of the discharge tube 1 and the inner diameter of the inductor 19.

Количество витков дросселей 19 различно для различных звеньев длинной линии 25 и рассчитывается по формуле:The number of turns of the chokes 19 is different for different links of the long line 25 and is calculated by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где τ - время насыщения сердечника зависит от номера звена,where τ is the core saturation time depends on the link number,

А - площадь поперечного сечения сердечника,A is the cross-sectional area of the core,

U(t) - напряжение на дросселе зависит от номера звена,U (t) - voltage at the inductor depends on the number of the link,

ΔВ - изменение магнитной индукции в течение времени насыщения.ΔВ is the change in magnetic induction during the saturation time.

Витки выполняются таким образом, чтобы использовать всю длину сердечника, предотвратить межвитковый пробой максимально плотно к сердечнику.The turns are performed in such a way as to use the entire length of the core, to prevent inter-turn breakdown as tightly as possible to the core.

Устройство магнитного сжатия импульса 3 располагается в стальном корпусе 27 и заполняется минеральным маслом для предотвращения электрического пробоя и охлаждения. Заполнение производится после установки разрядной ячейки 1 и соответствующей герметизации корпуса 27 устройства магнитного сжатия импульса 3.The pulse magnetic compression device 3 is located in a steel casing 27 and is filled with mineral oil to prevent electrical breakdown and cooling. Filling is done after installing the discharge cell 1 and the corresponding sealing of the housing 27 of the magnetic pulse compression device 3.

Лазер работает следующим образом. При подаче высокого напряжения от высоковольтного блока питания 32 к аноду тиратрона 17 происходит зарядка устройства магнитного сжатия импульса 3 до напряжения питания. При этом происходит зарядка конденсаторов 20, 22 до напряжения питания. Зарядка сопровождается протеканием тока через дроссели 19. В следствии этого сердечники дросселей намагничиваются и после зарядки конденсаторов 20, 22 имеют остаточную намагниченность Вг. После подачи управляющего импульса на сетку тиратрона 2 от генератора управляющих импульсов 33 происходит его открытие и напряжение на входном дросселе возрастает до напряжения питания. К моменту полного открытия тиратрона 2 происходит насыщение сердечника входного дросселя, индуктивность его резко падает и конденсатор 20 в первом звене быстро разряжается. Изменение потенциала обмотки дросселя приводит к протеканию тока смещения через участок разрядной трубки 1, находящийся в непосредственном контакте с дросселем. Ток смещения формирует быстрый разряд в рабочем газе в области дросселя. В этом участке формируется начальная проводимость. Формирование разряда приводит к еще большему уменьшению индуктивности дросселя и соответственно к укорочению времени разрядки конденсатора 20. После чего напряжение на втором дросселе устанавливается равным удвоенному напряжению питания. К этому моменту происходит насыщение сердечника и конденсатор второго звена быстро разряжается на первый конденсатор. Ток смещения, возникший в следствии изменения потенциала обмотки второго дросселя предыонизует следующий участок газа в разрядной трубке 1, расположенный ближе к катоду 11. После чего напряжение на третьем дросселе устанавливается равным учетверенному напряжению питания. К этому моменту происходит насыщение сердечника и конденсатор третьего звена быстро разряжается на второй конденсатор. И так далее до разрядки последнего конденсатора 22, который обеспечивает гальваническую развязку катода разрядной ячейки и источника питания. При этом формируется импульс отрицательной полярности с амплитудой U0·2n-1, где U0 - напряжение питания, а n - число звеньев магнитного сжатия. Поскольку в последующем звене время разрядки конденсатора меньше нежели чем в предыдущем, время разрядки последнего конденсатора равно времени включения тиратрона, деленное на коэффициент сжатия на одном звене в степени n, где n - число звеньев в электрической длинной линии. Указанный импульс заряжает обострительный конденсатор 28 и формирует разряд в разрядной трубке 1. К началу выходного импульса сердечники дросселей оказываются намагничены в обратном направлении до величины индукции - Вг. Формирование разряда начинается при достижении на разрядном промежутке пробойного напряжения. Первая фаза пробоя газа начинается с возникновения ионизирующей волны градиента потенциала, фронт которой с большой скоростью движется вдоль канала трубки 1 по направлению к анодам 15. Поскольку участки газа, прилегающие к дросселям, имеют проводимость в следствии предыонизации, то волна пробоя распространяется от близлежащего к аноду входного дросселя 19. По мере распространения волны ионизации в канале разрядной трубки 1 формируется проводимость и коаксиальная линия начинает заряжаться. Для зарядки коаксиальной линии от устройства магнитного сжатия импульса 3 поступает заряд, поэтому появляется дополнительная электрическая нагрузка в выходной цепи устройства магнитного сжатия импульса. Поскольку дроссели намагничены в обратном направлении, то до их насыщения в прямом направлении рост тока на этой стадии ограничен большой индуктивностью разрядной ячейки. На этой стадии происходит зарядка обострительного конденсатора 28 до амплитудного значения. После установки первоначальной проводимости в канале разрядной трубки 1, начинается вторая фаза пробоя - ионизационное размножение. К моменту перехода ко второй стадии на выходном коаксиальном контакте 14 устройства магнитного сжатия импульса 3 напряжение достигает уровня, который позволяет сформировать необходимую для эффективного возбуждения верхнего лазерного уровня электронную температуру. После чего происходит насыщение дросселей в прямом направлении, индуктивность ячейки резко падает, в разряде происходит лавинообразное увеличение концентрации электронов, что сопровождается ростом тока, протекающего через разряд до тех пор, пока скорость нарастания тока в разряде не достигнет максимального уровня, обеспечиваемого устройством магнитного сжатия импульса 3. После этого начинается третья стадия пробоя - стадия спада напряжения на разряде за счет шунтирования разрядом устройства магнитного сжатия импульса 3. В течение этой стадии максимальна электронная плотность, и пока напряженность поля не упала ниже критического значения, определяемого электронной температурой и энергией верхнего лазерного уровня в лазерах, возбуждаемых прямым электронным ударом (например, азотном лазере), формируется основной вклад в инверсию населенностей. Дальнейшее поддержание тока в разрядной трубке 1 нецелесообразно, поскольку оно не приводит к созданию инверсии, а только нагревает газ. Поэтому очень важно иметь высокую скорость обрыва тока. Этому способствует наличие ограничивающего насыщающегося дросселя 29, параметры которого выбираются таким образом, чтобы момент насыщения наступил на этапе спада напряжения ниже критического значения.The laser operates as follows. When a high voltage is applied from the high-voltage power supply 32 to the anode of the thyratron 17, the magnetic compression device 3 of the pulse 3 is charged to the supply voltage. In this case, the capacitors 20, 22 are charged to the supply voltage. Charging is accompanied by the flow of current through the chokes 19. As a result of this, the cores of the chokes are magnetized and, after charging the capacitors 20, 22, have a residual magnetization of V g . After applying the control pulse to the grid of the thyratron 2 from the generator of control pulses 33, it opens and the voltage at the input choke increases to the supply voltage. By the time the thyratron 2 is fully opened, the core of the input inductor is saturated, its inductance drops sharply, and the capacitor 20 in the first link quickly discharges. Changing the potential of the inductor winding leads to the flow of bias current through the portion of the discharge tube 1, which is in direct contact with the inductor. The bias current generates a fast discharge in the working gas in the throttle region. In this section, the initial conductivity is formed. The formation of the discharge leads to an even greater decrease in the inductance of the inductor and, accordingly, to shorten the discharge time of the capacitor 20. After that, the voltage at the second inductor is set equal to twice the supply voltage. At this point, the core is saturated and the capacitor of the second link is quickly discharged to the first capacitor. The bias current resulting from a change in the potential of the winding of the second inductor preionizes the next section of gas in the discharge tube 1, located closer to the cathode 11. After that, the voltage at the third inductor is set equal to four times the supply voltage. At this point, the core is saturated and the capacitor of the third link is quickly discharged to the second capacitor. And so on, until the last capacitor 22 is discharged, which provides galvanic isolation of the cathode of the discharge cell and the power source. In this case, a pulse of negative polarity is formed with an amplitude of U 0 · 2 n-1 , where U 0 is the supply voltage, and n is the number of magnetic compression links. Since in the next link the discharge time of the capacitor is shorter than in the previous one, the discharge time of the last capacitor is equal to the turn-on time of the thyratron divided by the compression ratio on one link to the power of n, where n is the number of links in the electric long line. The specified pulse charges the sharpening capacitor 28 and forms a discharge in the discharge tube 1. By the beginning of the output pulse, the cores of the chokes are magnetized in the opposite direction to an induction value of V g . The formation of the discharge begins when the breakdown voltage is reached on the discharge gap. The first phase of gas breakdown begins with the appearance of an ionizing wave of the potential gradient, the front of which moves with great speed along the channel of the tube 1 towards the anodes 15. Since the gas portions adjacent to the chokes have conductivity due to preionization, the breakdown wave propagates from the one adjacent to the anode input choke 19. As the ionization wave propagates in the channel of the discharge tube 1, conductivity forms and the coaxial line begins to charge. To charge the coaxial line from the magnetic pulse compression device 3, a charge is supplied, therefore, an additional electrical load appears in the output circuit of the magnetic pulse compression device. Since the chokes are magnetized in the opposite direction, before their saturation in the forward direction, the current growth at this stage is limited by the large inductance of the discharge cell. At this stage, the sharpening capacitor 28 is charged to an amplitude value. After setting the initial conductivity in the channel of the discharge tube 1, the second breakdown phase begins - ionization propagation. By the time of the transition to the second stage, at the output coaxial contact 14 of the pulse 3 magnetic compression device, the voltage reaches a level that allows the formation of the electronic temperature necessary for effective excitation of the upper laser level. After that, the chokes are saturated in the forward direction, the cell inductance drops sharply, an avalanche-like increase in the electron concentration occurs in the discharge, which is accompanied by an increase in the current flowing through the discharge until the current rise rate in the discharge reaches the maximum level provided by the magnetic pulse compression device 3. After this, the third phase of the breakdown begins - the stage of voltage drop across the discharge due to shunting of the pulse magnetic compression device by the discharge 3. During this Step maximum electron density, and while the field strength has not fallen below the critical value determined by the electron temperature and the energy of the upper laser level in lasers excited by direct electron impact (e.g. a nitrogen laser), the main contribution to forming a population inversion. Further maintaining the current in the discharge tube 1 is impractical, since it does not lead to the creation of an inversion, but only heats the gas. Therefore, it is very important to have a high current break rate. This is facilitated by the presence of a limiting saturable inductor 29, the parameters of which are selected so that the saturation moment occurs at the stage of voltage drop below a critical value.

Энергия, запасенная на верхнем лазерном уровне, реализуется в виде энергии вынужденного электромагнитного излучения. Скорость этого процесса зависит от плотности электромагнитного излучения. Для ее увеличения в лазере используется оптический резонатор, образованный зеркалами 7, 8. По крайней мере одно из зеркал имеет коэффициент отражения на длине волны лазерной генерации, близкий к 100%, коэффициент отражения второго полупрозрачного зеркала выбирается путем максимизации выходной мощности лазерной генерации. В случае азотного лазера на второй положительной системе полос коэффициент усиления оказывается достаточно высоким для того, чтобы использовать в качестве выходного зеркала плоскопараллельную оптическую пластину из прозрачного в УФ области спектра материала, например плавленого кварца, CaF2, LiF. В случае использования устройства в качестве оптического усилителя вместо зеркал используются оптические окна, прозрачные на длине волны рабочего перехода. После испускания лазерного излучения наступает процесс релаксации энергии из возбужденных состояний в основное состояние. Релаксация энергии осуществляется при столкновении возбужденных атомов или молекул со стенками разрядной трубки 1. После прохождения мощного импульса тока, газ очень быстро нагревается, увеличивается поступательная скорость атомов или молекул газа, что способствует формированию ударной волны, распространяющейся с большой скоростью вдоль канала разрядной трубки 1 к ее концам. При выходе из канала амплитуда ударной волны быстро затухает за счет расширения в области анодов 15. Большой диаметр анода 15 по отношению к диаметру канала разрядной трубки 1 и большое расстояние от концов разрядной трубки 1 до зеркал 7, 8 дает возможность эффективно погасить ударную волну в области зеркал 7, 8, что предотвращает эрозию зеркал. При указанных расстояниях до зеркал и большом диаметре анодной трубки 15 эрозия не наблюдается после 109 импульсов разряда в лазере при давлениях газа более 5 мм рт.ст. Указанные геометрические соотношения между диаметром канала разрядной трубки 1, диаметром анода 15 позволяют также избежать бомбардировки ионами, формирующимися в плазме поверхности зеркал при рабочих давлениях свыше 5 мм рт.ст. Указанная геометрия анодных трубок 15, а также короткая длительность импульса тока, сформированного устройством магнитного сжатия импульса 3, позволяет избежать появления в процессе разряда анодных пятен и соответственно увеличивают ресурс работы лазера. В случае использования азота в качестве рабочего газа достигнут ресурс более 109 импульсов без видимого снижения мощности лазерной генерации.The energy stored at the upper laser level is realized in the form of energy of stimulated electromagnetic radiation. The speed of this process depends on the density of electromagnetic radiation. To increase it, the laser uses an optical resonator formed by mirrors 7, 8. At least one of the mirrors has a reflection coefficient at the laser wavelength close to 100%, and the reflection coefficient of the second translucent mirror is selected by maximizing the output power of the laser generation. In the case of a nitrogen laser with a second positive system of bands, the gain is high enough to use a plane-parallel optical plate made of a material transparent in the UV region, for example, fused silica, CaF 2 , LiF, as an output mirror. In the case of using the device as an optical amplifier, instead of mirrors, optical windows are used that are transparent at the wavelength of the working transition. After the emission of laser radiation, the process of relaxation of energy from excited states to the ground state begins. Energy relaxation is carried out in the collision of excited atoms or molecules with the walls of the discharge tube 1. After the passage of a powerful current pulse, the gas heats up very quickly, the translational velocity of the atoms or molecules of the gas increases, which contributes to the formation of a shock wave propagating at high speed along the channel of the discharge tube 1 to its ends. When leaving the channel, the amplitude of the shock wave attenuates rapidly due to expansion in the region of the anodes 15. The large diameter of the anode 15 with respect to the diameter of the channel of the discharge tube 1 and the large distance from the ends of the discharge tube 1 to the mirrors 7, 8 make it possible to effectively extinguish the shock wave in the region mirrors 7, 8, which prevents erosion of mirrors. At the indicated distances to the mirrors and a large diameter of the anode tube 15, erosion is not observed after 10 9 discharge pulses in the laser at gas pressures of more than 5 mm Hg. The indicated geometrical relations between the channel diameter of the discharge tube 1 and the diameter of the anode 15 also make it possible to avoid bombardment by ions formed in the plasma of the mirror surface at operating pressures above 5 mm Hg. The indicated geometry of the anode tubes 15, as well as the short duration of the current pulse generated by the device for magnetic compression of the pulse 3, avoids the appearance of anode spots during the discharge process and, accordingly, increase the laser life. In the case of using nitrogen as a working gas, a resource of more than 10 9 pulses was achieved without a visible decrease in the laser power.

Повышение давления в канале разрядной трубке 1 после разряда вследствии нагрева газа приводит также к формированию потока газа. Часть газа из канала разрядной трубки 1 выходит в область анодной трубки 15, повышая там давление, и как следствие часть газа из анодной трубки поступает в балластную емкость 4. После охлаждения канала разрядной трубки 1 процесс миграции газа в следствии разности давлений происходит в обратном направлении. Таким образом, обеспечивается эффективное обновление газа из балластных емкостей 4 в разрядной трубке 1 и пространстве анодной трубки 15. Наличие потока газа вдоль оси разрядной трубки 1 позволяет более эффективно обмениваться энергией молекулам или атомам со стенками разрядной трубки 1, что приводит к эффективной релаксации энергии возбужденных состояний в основное. Охлаждение разрядной трубки 1 происходит за счет теплопередачи между разрядной трубкой 1 и устройством магнитного сжатия импульса 3, а также за счет конвекционного охлаждения рабочим газом части разрядной трубки 1, находящейся в балластных емкостях 4. В свою очередь и корпус устройства магнитного сжатия импульса 3 и балластные емкости 4 эффективно охлаждаются за счет конвекции атмосферного воздуха, за счет большой площади и металлической поверхности.The increase in pressure in the channel of the discharge tube 1 after discharge due to heating of the gas also leads to the formation of a gas flow. Part of the gas from the channel of the discharge tube 1 enters the region of the anode tube 15, increasing the pressure there, and as a result, part of the gas from the anode tube enters the ballast tank 4. After cooling the channel of the discharge tube 1, the gas migrates in the opposite direction due to the pressure difference. In this way, efficient updating of the gas from the ballast tanks 4 in the discharge tube 1 and the space of the anode tube 15 is ensured. The presence of a gas flow along the axis of the discharge tube 1 allows more efficient energy exchange between molecules or atoms with the walls of the discharge tube 1, which leads to effective relaxation of the energy of the excited states to the main. The cooling of the discharge tube 1 occurs due to heat transfer between the discharge tube 1 and the magnetic pulse compression device 3, as well as due to convection cooling with the working gas of the part of the discharge tube 1 located in the ballast tanks 4. In turn, the casing of the pulse magnetic compression device 3 and ballast containers 4 are effectively cooled by convection of atmospheric air, due to the large area and metal surface.

Наличие симметричной конструкции внешней обкладки коаксиальной разрядной ячейки с общей длиной, превышающей длину разрядной трубки, а также наличие балластных емкостей 4 и устройства магнитного сжатия импульса 3, имеющего также металлический стальной корпус, позволяет эффективно экранировать электромагнитный импульс, возникающий в окружающем пространстве в результате протекания быстрого разряда. Наличие металлического кожуха 9 вокруг тиратрона 16, также позволяет экранировать электромагнитный импульс, возникающий в процессе срабатывания тиратрона 2. При наличии внешнего металлического корпуса для всей конструкции (не показан) для электромагнитного импульса, возникающего при разряде в разрядной трубке 1, обеспечивается тройная экранировка. Причем наличие стального корпуса, как у устройства магнитного сжатия импульса 3, так и у балластных емкостей 4 позволяет надежно экранировать как электрическую, так и магнитную составляющие электромагнитного импульса. Тиратрон 2 имеет двойной экран. Поскольку скорость разряда тиратрона 2 меньше нежели разрядной трубки 1 в несколько раз, то мощность электромагнитного импульса, возникающего от разрядной трубки 1, даже при одинаковых линейных размерах тиратрона 12 и разрядной трубки 1 во много раз превосходит мощность электромагнитного импульса, возникающего в результате срабатывания тиратрона 12. Поэтому электромагнитная экранировка для разрядной трубки 1 должна быть более надежной, чем для тиратрона 12.The presence of a symmetrical design of the outer lining of the coaxial discharge cell with a total length exceeding the length of the discharge tube, as well as the presence of ballast tanks 4 and a magnetic pulse compression device 3, which also has a metal steel casing, makes it possible to effectively shield the electromagnetic pulse arising in the surrounding area as a result of a fast discharge. The presence of a metal casing 9 around the thyratron 16 also allows you to shield the electromagnetic pulse that occurs during the operation of the thyratron 2. In the presence of an external metal casing for the entire structure (not shown) for the electromagnetic pulse that occurs during a discharge in the discharge tube 1, triple shielding is provided. Moreover, the presence of a steel casing, both in the device for magnetic compression of the pulse 3 and in the ballast tanks 4 allows you to reliably shield both the electrical and magnetic components of the electromagnetic pulse. The thyratron 2 has a dual screen. Since the discharge rate of the thyratron 2 is several times lower than the discharge tube 1, the power of the electromagnetic pulse arising from the discharge tube 1, even with the same linear dimensions of the thyratron 12 and the discharge tube 1, is many times greater than the power of the electromagnetic pulse resulting from the operation of the thyratron 12 Therefore, the electromagnetic shielding for the discharge tube 1 should be more reliable than for the thyratron 12.

Экспериментальные исследования заявляемого устройства в случае азотного лазера с длинной волны 337 нм показали, что удельная импульсная мощность достигает 100 МВт/л, что в несколько раз выше, чем для аналогичных устройств, частота повторения импульсов генерации без принудительного охлаждения достигает 500 Гц, по сравнению с 300 Гц, полученными для прототипа, ресурс работы лазера в отпаянном режиме без ухудшения энергетических характеристик превышает 109 импульсов, тогда как предельные ресурсы аналогичных азотных лазеров с продольным возбуждением ограничены уровнем 109 импульсов. Снижен уровень электромагнитных помех, создаваемых лазером до стандартных норм, что позволяет эксплуатировать лазер в непосредственной близости с чувствительной измерительной электронной аппаратурой, компьютерами, устройствами радиосвязи.Experimental studies of the inventive device in the case of a nitrogen laser with a wavelength of 337 nm showed that the specific pulse power reaches 100 MW / l, which is several times higher than for similar devices, the pulse repetition rate of the generation pulses without forced cooling reaches 500 Hz, compared with 300 Hz, obtained for the prior art, without impairing the characteristics of the laser energy resource in the sealed-off mode higher than 10 9 pulses, while limiting resources similar nitrogen lasers excited with a longitudinal Niemi limited level September 10 pulses. The level of electromagnetic interference generated by the laser is reduced to standard standards, which allows the laser to be operated in close proximity to sensitive electronic measuring equipment, computers, and radio communication devices.

Claims (2)

1. Компактный импульсный газовый лазер, содержащий коаксиальную секционированную разрядную ячейку, содержащую разрядную трубку, подключенную центральным электродом к формирующей импульс цепи, и тиратрон, подключенный анодом к формирующей импульс цепи и источнику высокого напряжения и помещенный в проводящий кожух, причем кожух является частью общей малоиндуктивной электрической цепи и соединен с катодом тиратрона, отличающийся тем, что формирующая импульс цепь выполнена в виде устройства магнитного сжатия импульса, содержит насыщающие дроссели, имеющие индуктивно-емкостную связь с разрядной трубкой, разрядная трубка вставлена в устройство магнитного сжатия импульса, лазер имеет коаксиальную секционированную разрядную ячейку с газовым промежутком между разрядной трубкой и анодной трубкой, причем отношение толщины газового промежутка к толщине стенки разрядной трубки больше, чем величина диэлектрической проницаемости материала разрядной трубки, и две балластные емкости из листовой стали, расположенные коаксиально по отношению к разрядной трубке и симметрично по отношению к устройству магнитного сжатия импульса, балластные емкости герметично установлены на корпусе устройства магнитного сжатия импульса, тиратрон расположен с боковой стороны корпуса устройства магнитного сжатия и подключен анодом к входному звену устройства магнитного сжатия импульса.1. A compact pulsed gas laser containing a coaxial sectioned discharge cell containing a discharge tube connected to a pulse generating circuit by a central electrode and a thyratron connected by an anode to a pulse generating circuit and a high voltage source and placed in a conductive casing, the casing being part of a common low-inductance electrical circuit and connected to the cathode of the thyratron, characterized in that the pulse-forming circuit is made in the form of a magnetic pulse compression device, contains other inductors having inductive-capacitive coupling with the discharge tube, the discharge tube is inserted into the magnetic pulse compression device, the laser has a coaxial sectioned discharge cell with a gas gap between the discharge tube and the anode tube, and the ratio of the thickness of the gas gap to the wall thickness of the discharge tube is greater than the dielectric constant of the material of the discharge tube, and two ballast containers made of sheet steel, located coaxially with respect to the discharge tube and symmetrically with respect to the magnetic pulse compression device, the ballast tanks are hermetically mounted on the housing of the magnetic pulse compression device, the thyratron is located on the side of the magnetic compression device housing and is connected by the anode to the input link of the magnetic pulse compression device. 2. Устройство магнитного сжатия импульса, содержащее длинную линию, состоящую из последовательно подключенных звеньев, каждое из которых состоит из насыщающего дросселя с ферритовым кольцеобразным сердечником и малоиндуктивного высоковольтного конденсатора, для гальванической развязки выходной цепи от источника высокого напряжения последнее звено соединено с разделительным конденсатором, отличающееся тем, что имеет параллельную схему включения электрических линий магнитного сжатия, при этом число линий четное и каждая линия магнитного сжатия использует дополнительный насыщающий дроссель в первом звене, к корпусу устройства магнитного сжатия импульса подключены параллельно ограничивающий насыщающий дроссель и обострительный конденсатор.2. A magnetic pulse compression device containing a long line consisting of series-connected links, each of which consists of a saturating inductor with a ferrite ring-shaped core and a low-inductance high-voltage capacitor, for galvanic isolation of the output circuit from the high voltage source, the last link is connected to an isolation capacitor, different the fact that it has a parallel circuit for connecting electric lines of magnetic compression, while the number of lines is even and each line of magnesium Nogo compression uses an additional inductor saturates in the first link, to the housing of the magnetic pulse compression device connected in parallel bounding saturating inductor and peaking capacitor.
RU2004102329/28A 2004-01-27 2004-01-27 Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation RU2254650C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004102329/28A RU2254650C1 (en) 2004-01-27 2004-01-27 Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation
PCT/RU2005/000013 WO2005071806A1 (en) 2004-01-27 2005-01-17 Small-sized pulsed gas laser and device for magnetic compression of a pulse for exciting it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004102329/28A RU2254650C1 (en) 2004-01-27 2004-01-27 Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2254650C1 true RU2254650C1 (en) 2005-06-20

Family

ID=34806299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004102329/28A RU2254650C1 (en) 2004-01-27 2004-01-27 Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2254650C1 (en)
WO (1) WO2005071806A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106452157B (en) * 2016-12-07 2019-02-01 中国工程物理研究院流体物理研究所 A kind of Impulsive Current device based on three plate transmission structures

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5177754A (en) * 1986-09-25 1993-01-05 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Magnetic compression laser driving circuit
GB2204728A (en) * 1987-05-15 1988-11-16 British Aerospace Gas discharge driver circuit
JP2820722B2 (en) * 1989-06-29 1998-11-05 日立金属株式会社 High voltage pulse generation circuit, discharge pumped laser and accelerator using the same
RU2089042C1 (en) * 1993-03-29 1997-08-27 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Pulse magnetic compression device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005071806A1 (en) 2005-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5448580A (en) Air and water cooled modulator
US5247531A (en) Apparatus for preionizing apulsed gas laser
RU2446530C1 (en) Pulse-periodic gas-discharge laser
Gerritsen et al. High‐efficiency operation of a gas discharge XeCl laser using a magnetically induced resonant voltage overshoot circuit
US4937832A (en) Methods and apparatus for producing soft x-ray laser in a capillary discharge plasma
US4635267A (en) Excitation system for generating a fast pulsed high-voltage discharge, particularly for exciting a high-power laser
US5138627A (en) Preionizationd device, in particular for x-ray preionization in discharge-pumped gas lasers, in particular excimer lasers
Taylor et al. Magnetic-spiker excitation of gas-discharge lasers
JP3552979B2 (en) ArF excimer laser device
RU2254650C1 (en) Space-saving pulsed gas laser and magnetic pulse compressing device for its excitation
US4677637A (en) TE laser amplifier
Nodomi et al. High repetition rate, wide-aperture KrF lasers for subpicosecond amplification
US4679203A (en) Magnetically induced pulser laser excitation system
US6167065A (en) Compact discharge pumped soft x-ray laser
RU2507654C1 (en) Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation
JP2996706B2 (en) Pulse laser oscillation device
US6229837B1 (en) Metal-vapor pulsed laser
GB2180094A (en) Discharge tube arrangements
Witteman et al. Discharge technology for excimer lasers of high-average power
Atanasov et al. 540.1 nm pulsed Ne laser excited by a sliding discharge
JP3441218B2 (en) Semiconductor switch device and electric device using the same
RU2531069C2 (en) Gas-discharge laser system and method of generating radiation
JPH04105378A (en) Discharge-excited excimer laser device
Witteman et al. Design studies of a high-pulse excimer Eurolaser
RU2519867C2 (en) Gas-discharge laser

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120128