RU2289868C2

RU2289868C2 - Gas-discharge device

Info

Publication number: RU2289868C2
Application number: RU2003121716/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Дубинов (RU); Александр Евгеньевич Дубинов; Ирина Дмитриевна Дубинова (RU); Ирина Дмитриевна Дубинова; Сергей Сергеевич Журавлёв (RU); Сергей Сергеевич Журавлёв; Максим Михайлович Иванов (RU); Максим Михайлович Иванов; Павел Борисович Репин (RU); Павел Борисович Репин
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2006-12-20
Also published as: RU2003121716A

Abstract

FIELD: gas-discharge engineering.

SUBSTANCE: proposed gas-discharge device that can be used to produce DC glow discharge for various purposes, primarily for pumping gas lasers, has cathode in the form of hollow cylinder and anode in the form of at least four rods uniformly disposed within cathode and equally spaced from its axis. Hollow cylinder guide is made in the form of equal-radii circle arcs whose convex part is aimed away from hollow cylinder axis, all cathode sections being equidistant from anode rods. Developed surface of cathode enhances discharge current.

EFFECT: enhanced specific plasma glow intensity per unit volume, precluded azimuthal heterogeneities of glow discharge.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано для получения тлеющего разряда (ТР) постоянного тока для различных целей, преимущественно для накачки газовых лазеров.The invention relates to a gas discharge technique and can be used to obtain a glow discharge (TR) of direct current for various purposes, mainly for pumping gas lasers.

Известно газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему пяти стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода - рис.2 [1] (Kan-ichi Fujii, Shun-ichi Miyazawa, Shu-ichi Takano, Toshio Oikawa, «Morphologic study of external cathode type hollow-cathode discharge», Jap.J. Appl. Phys., 1979, v. 18, №4, p.803-807). При надлежащем выборе давления и сорта газа, или смеси газов, или газа с парами металлов и при подключении к электродам источника постоянного напряжения внутри цилиндрической поверхности, на которой расположена система стержней, зажигается ТР постоянного тока, который возбуждает активную среду газового лазера.A gas-discharge device is known that contains a hollow cathode in the form of a straight circular cylinder, in the cavity of which an anode is installed, which is a system of five rods parallel to the cathode generatrix and located uniformly on the surface of a straight circular cylinder with an axis parallel to the cathode generatrix - Fig. 2 [1] ( Kan-ichi Fujii, Shun-ichi Miyazawa, Shu-ichi Takano, Toshio Oikawa, “Morphologic study of external cathode type hollow-cathode discharge”, Jap. J. Appl. Phys., 1979, v. 18, No. 4, p .803-807). With a proper choice of pressure and type of gas, or a mixture of gases, or gas with metal vapors and when a constant voltage source is connected to the electrodes inside the cylindrical surface on which the rod system is located, a direct current transformer is ignited, which excites the active medium of the gas laser.

Известно также газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему 14 стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода - рис.6а [2] (David C.Gerstenberger, Rajendra Solanki, George J. Collins, «Hollow cathode metal ion lasers», IEEE J. Quantum Electronics, 1980, v. 16, №8, р. 820-834).It is also known a gas-discharge device containing a hollow cathode in the form of a straight circular cylinder, in the cavity of which an anode is installed, which is a system of 14 rods parallel to the cathode generatrix and located uniformly on the surface of a straight circular cylinder with an axis parallel to the cathode generatrix - Fig.6a [2] (David C. Gerstenberger, Rajendra Solanki, George J. Collins, "Hollow cathode metal ion lasers", IEEE J. Quantum Electronics, 1980, v. 16, No. 8, p. 820-834).

Известно также газоразрядное устройство, содержащее полый катод в виде прямого кругового цилиндра, в полости которого установлен анод, представляющий собой систему 24 стержней, параллельных образующей катода и расположенных равномерно на поверхности прямого кругового цилиндра с осью, параллельной образующей катода, - рис.1 [3] (K.Rózsa, M.Jánossy, J.Bergou, L.Csillac, «Noble gas mixture CW hollow cathode laser with internal anode system». Optics Communications, 1977, v. 23, №1, p.15-18). Это газоразрядное устройство выбрано за прототип.It is also known a gas-discharge device containing a hollow cathode in the form of a straight circular cylinder, in the cavity of which an anode is installed, which is a system of 24 rods parallel to the cathode generatrix and located uniformly on the surface of a straight circular cylinder with an axis parallel to the cathode generatrix, Fig. 1 [3 ] (K. Rózsa, M. Janossy, J. Bergou, L. Csillac, “Noble gas mixture CW hollow cathode laser with internal anode system”. Optics Communications, 1977, v. 23, No. 1, p.15-18) . This gas discharge device is selected as the prototype.

Известным газоразрядным устройствам [1-3] присущ следующий недостаток: малое значение разрядного тока при данном напряжении питания разряда, что приводит к малому энергетическому вкладу в газ или газовую смесь. Малое значение разрядного тока объясняется тем, что в этих устройствах работают только те участки катодной поверхности, которые наиболее близко расположены к анодным стержням, то есть имеет место снижение эффективной площади катода по сравнению с геометрической площадью. Это снижает удельную на единицу объема интенсивность свечения плазмы.The known gas-discharge devices [1-3] have the following disadvantage: a small value of the discharge current at a given supply voltage of the discharge, which leads to a small energy contribution to the gas or gas mixture. The low value of the discharge current is explained by the fact that only those sections of the cathode surface that are closest to the anode rods operate in these devices, that is, there is a decrease in the effective area of the cathode compared to the geometric area. This reduces the specific per unit volume of the plasma glow intensity.

Другой недостаток устройств [1-3] заключается в том, что ТР в них получается азимутально-неоднородным, это также объясняется тем, что работают только те участки катодной поверхности, которые наиболее близко расположены к анодным стержням. Неоднородность горения ТР снижает кпд лазера, основанного на известных газоразрядных устройствах.Another disadvantage of the devices [1-3] is that the TP in them turns out to be azimuthally inhomogeneous, this is also explained by the fact that only those sections of the cathode surface that are closest to the anode rods work. The heterogeneity of the combustion of the TP reduces the efficiency of the laser based on the known gas-discharge devices.

Технической задачей изобретения является увеличение разрядного тока при одинаковом с прототипом напряжении питания и одинаковом межэлектродном расстоянии и исключение азимутальной неоднородности ТР.An object of the invention is to increase the discharge current at the same supply voltage with the prototype and the same interelectrode distance and the exclusion of the azimuthal heterogeneity of the TR.

Техническим результатом изобретения является увеличение удельной на единицу объема интенсивности свечения плазмы при одинаковом с прототипом напряжении питания, получение однородного ТР.The technical result of the invention is to increase the specific per unit volume of the intensity of the plasma glow at the same supply voltage as the prototype, to obtain a homogeneous TR.

Технический результат достигается тем, что в газоразрядном устройстве, содержащем катод в виде полого цилиндра, анод в виде, по крайней мере, четырех стержней, равномерно размещенных в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси, новым является то, что направляющая полого цилиндра выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней.The technical result is achieved in that in a gas discharge device containing a cathode in the form of a hollow cylinder, the anode in the form of at least four rods uniformly placed in the cathode cavity at the same distance from its axis, new is that the guide of the hollow cylinder is made in the shape of arcs of circles of the same radius with a bulge directed from the axis of the hollow cylinder, while all sections of the cathode are equidistant from the anode rods.

Покажем, каким образом достигается технический результат. Если предлагаемое газоразрядное устройство выполнить в соответствии с формулой изобретения, то площадь катода в нем будет увеличена в

раз по сравнению с прототипом при одинаковом с прототипом межэлектродном расстоянии (φ - угловой размер дуг (см. чертеж), из которых состоит направляющая катода; N - количество анодных стержней; r - радиус дуг; R - радиус катода у прототипа, равный радиусу окружности, в которую вписана направляющая катода). При этом все точки поверхности катода будут находиться на одинаковом расстоянии r от анодных стержней, что обеспечит более высокую однородность ТР.We show how the technical result is achieved. If the proposed gas discharge device is performed in accordance with the claims, the cathode area in it will be increased in

times compared with the prototype at the same interelectrode distance (φ is the angular size of the arcs (see drawing) of which the cathode guide consists; N is the number of anode rods; r is the radius of the arcs; R is the prototype cathode radius equal to the circle radius in which the guide of the cathode is inscribed). In this case, all points of the cathode surface will be at the same distance r from the anode rods, which will provide higher uniformity of the TP.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемого газоразрядного устройства. Его поперечное сечение показано на чертеже, где 1 - катод в виде полого цилиндра, направляющая которого выполнена в форме дуг окружностей одинакового радиуса с выпуклостью, направленной от оси полого цилиндра, при этом все участки катода равноудалены от анодных стержней 2. Анодные стержни 2 равномерно размещены в полости катода на одинаковом расстоянии от его оси, 3 - отрицательное свечение ТР - характерная область ТР, отличающаяся наибольшей яркостью свечения - см. рис.IV. 3.3 на с.19 [4] («Энциклопедия низкотемпературной плазмы», под ред. Фортова В.Е., М.: Наука, 2000, Вводный том, кн. 2). Тонкими линиями показаны: окружность, на которой расположены анодные стержни 2, и окружность, на которой лежат точки сопряжения каждой дуги направляющей катода 1 с соседними дугами.Consider an example of the proposed gas discharge device. Its cross section is shown in the drawing, where 1 is a cathode in the form of a hollow cylinder, the guide of which is made in the form of arcs of circles of the same radius with a convexity directed from the axis of the hollow cylinder, while all sections of the cathode are equidistant from the anode rods 2. The anode rods 2 are evenly placed in the cathode cavity at the same distance from its axis, 3 — negative TR luminescence — a characteristic region of the TR, characterized by the highest luminosity — see Fig. IV. 3.3 on p.19 [4] (“Encyclopedia of Low-Temperature Plasma”, edited by V. Fortov, Moscow, Nauka, 2000, Introductory Volume, book 2). Thin lines show: the circle on which the anode rods 2 are located, and the circle on which the interface points of each arc of the cathode guide 1 with adjacent arcs lie.

Катод 1 и анодные стержни 2 можно выполнить, например, из нержавеющей стали или вольфрама. Количество анодных стержней 2, например, - 8, они располагаются по окружности радиуса 3,4 мм, их диаметр - 0,25 мм. Тогда при электродном зазоре 1,8 мм (радиусы дуг тоже r=1,8 мм) угловой размер дуг окружностей, из которых состоит направляющая катода 1 φ≈0,778 π, а радиус окружности, в которую вписана направляющая катода 1, R=5,2 мм. При таких размерах коэффициент увеличения площади катода χ≈1,06 раза по отношению к катоду прототипа с радиусом R=5,2 мм.The cathode 1 and the anode rods 2 can be made, for example, stainless steel or tungsten. The number of anode rods 2, for example, is 8, they are located around a circumference of a radius of 3.4 mm, their diameter is 0.25 mm. Then, with an electrode gap of 1.8 mm (the radius of the arcs is also r = 1.8 mm), the angular size of the arcs of the circles of which the cathode guide 1 is φ≈0.778 π, and the radius of the circle into which the cathode guide 1 is inscribed, R = 5, 2 mm. With such dimensions, the coefficient of increase in the cathode area is χ≈1.06 times with respect to the cathode of the prototype with a radius R = 5.2 mm

Работает газоразрядное устройство следующим образом. Сначала в устройство закачивают газовую смесь требуемого состава и требуемого давления (например, для активной среды газоразрядного лазера). Затем к электродам 1 и 2 прикладывают постоянное напряжение величиной несколько сотен вольт. Тогда в устройстве зажигается ТР с отрицательным свечением 3, занимающим место вблизи оси устройства. При этом однородность ТР обеспечивается тем, что размеры заявляемого устройства подобраны так, что все участки катода 1 равноудалены от анодных стержней 2, а сам катод 1 работает азимутально однородно. Поэтому разрядный ток в предлагаемом устройстве превышает разрядный ток прототипа более чем в χ раз.The gas discharge device operates as follows. First, a gas mixture of the required composition and the required pressure is pumped into the device (for example, for the active medium of a gas-discharge laser). Then, a constant voltage of a few hundred volts is applied to the electrodes 1 and 2. Then TP is ignited in the device with a negative glow 3, taking place near the axis of the device. Moreover, the uniformity of the TR is ensured by the fact that the dimensions of the claimed device are selected so that all sections of the cathode 1 are equidistant from the anode rods 2, and the cathode 1 itself operates azimuthally uniformly. Therefore, the discharge current in the proposed device exceeds the discharge current of the prototype by more than χ times.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предложенного устройства и выполнен макет. Испытания показали, что заявляемое устройство решает поставленную задачу с достижением указанного технического результата.The enterprise carried out a theoretical calculation of the operability of the proposed device and made the layout. Tests have shown that the inventive device solves the problem with the achievement of the specified technical result.

Применение данного газоразрядного устройства позволило увеличить кпд газовых лазеров.The use of this gas discharge device has increased the efficiency of gas lasers.

Claims

A gas-discharge device containing a cathode in the form of a hollow cylinder, an anode in the form of at least four rods uniformly placed in the cathode cavity at the same distance from its axis, characterized in that the guide of the hollow cylinder is made in the form of arcs of circles of the same radius with convexity, directed from the axis of the hollow cylinder, while all sections of the cathode are equidistant from the anode rods.