RU2722864C1 - System for circulation of working medium of gas laser - Google Patents
System for circulation of working medium of gas laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2722864C1 RU2722864C1 RU2019125692A RU2019125692A RU2722864C1 RU 2722864 C1 RU2722864 C1 RU 2722864C1 RU 2019125692 A RU2019125692 A RU 2019125692A RU 2019125692 A RU2019125692 A RU 2019125692A RU 2722864 C1 RU2722864 C1 RU 2722864C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- circuit
- working
- working substance
- vapor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube
-
- 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
- H01S3/095—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using chemical or thermal pumping
- H01S3/0951—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using chemical or thermal pumping by increasing the pressure in the laser gas medium
- H01S3/0953—Gas dynamic lasers, i.e. with expansion of the laser gas medium to supersonic flow speeds
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для систем формирования потока рабочей среды в газовых лазерах замкнутого цикла.The invention relates to laser technology and can be used for systems for generating a working medium flow in closed-loop gas lasers.
Известно устройство системы циркуляции рабочей среды газового лазера с поперечной оптической накачкой (И.В. Андреев и др., Молодежь в науке: сборник докладов 13-й научно-технической конференции. - г. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2014 с. 4-10). Рабочая среда представляет собой смесь паров рабочего вещества с буферным газом, например, аргоном, ксеноном, гелием и т.д.). Лазерная камера включена в двухконтурный газовый тракт с прокачкой рабочей среды по замкнутому циклу. В первом газовом контуре первый нагнетатель обеспечивает непрерывный проток рабочей среды через первый канал внутри лазерной камеры. Во втором газовом контуре второй нагнетатель формирует отсекающие потоки в виде четырех струй через раздельные щелевые зазоры для защиты четырех окон камеры от попадания паров рабочего вещества. При эксплуатации устройства реализуется режим работы, при котором часть паров рабочего вещества переходит из первого канала в щелевые зазоры и уносится отсекающими потоками. В стенках первого канала выполнены сквозные отверстия прямоугольной формы для прохождения пучков накачки и генерации. Лазерная камера снабжена четырьмя трубчатыми защитными секциями, в которых закреплены окна из оптически прозрачного материала, например, кварца.A device for circulating a working medium of a gas laser with transverse optical pumping is known (I.V. Andreev et al., Youth in Science: a collection of reports of the 13th Scientific and Technical Conference. - Sarov: FSUE RFNC-VNIIEF, 2014 with . 4-10). The working medium is a mixture of the vapor of the working substance with a buffer gas, for example, argon, xenon, helium, etc.). The laser chamber is included in the dual-circuit gas path with pumping the working medium in a closed cycle. In the first gas circuit, the first supercharger provides a continuous flow of the working medium through the first channel inside the laser chamber. In the second gas circuit, the second supercharger forms cutoff flows in the form of four jets through separate slotted gaps to protect the four chamber windows from the ingress of working substance vapors. During operation of the device, an operating mode is realized in which a part of the vapor of the working substance passes from the first channel to the slotted gaps and is carried away by cutoff flows. Rectangular through holes are made in the walls of the first channel for the passage of pump and generation beams. The laser chamber is equipped with four tubular protective sections in which windows of optically transparent material, for example, quartz, are fixed.
К недостаткам аналога можно отнести конструктивную особенность газового тракта, состоящую в том, что рабочая среда всегда протекает через центральную часть лазерной камеры и происходит непрерывное осаждение частиц рабочего вещества на стенки первого канала и щелевых зазоров в центральной части лазерной камеры. При нагреве конструкционных элементов центральной части лазерной камеры происходит испарение рабочего вещества со стенок первого контура и возрастание его концентрации в первом газовом контуре. В области щелевых зазоров происходит взаимодействие дозвуковых потоков первого и второго газовых контуров, приводящее к возникновению турбулентных вихрей, которые вызывают увеличение количества осаждаемого на стенках первого контура и щелевых зазоров рабочего вещества.The disadvantages of the analogue include the design feature of the gas path, which consists in the fact that the working medium always flows through the central part of the laser chamber and the particles of the working substance are continuously deposited on the walls of the first channel and slotted gaps in the central part of the laser chamber. When the structural elements of the central part of the laser chamber are heated, the working substance evaporates from the walls of the primary circuit and increases its concentration in the primary gas circuit. In the region of gap gaps, subsonic flows of the first and second gas circuits interact, leading to the appearance of turbulent vortices, which cause an increase in the amount of working substance deposited on the walls of the first circuit and gap gaps.
Известно устройство газового лазера с оптической накачкой по описанию к заявке US №2014/0023100 авторов J. Zweiback et al., опубликованной 23.01.2014, включающее в себя лазерную камеру с накачиваемым объемом рабочей среды и с прозрачными торцевыми окнами, первый газовый контур для непрерывной прокачки рабочей среды через внутреннюю полость лазерной камеры, второй газовый контур, предназначенный для обдува окон лазерной камеры, источник паров рабочего вещества, расположенный перед лазерной камерой с накачиваемым объемом в первом газовом контуре и предназначенный для насыщения буферного газа парами рабочего вещества, нагнетатель для прокачки рабочей среды по первому каналу через лазерную камеру, входящему в состав первого газового контура и щелевые зазоры обдува окон, входящие в состав второго газового контура, систему очистки буферного газа от паров рабочего вещества в виде конденсатора-теплообменника, расположенную в первом газовом контуре после лазерной камеры и обеспечивающую поступление на вход нагнетателя чистого буферного газа, подогреваемый источник паров рабочего вещества с развитой поверхностью. Рабочая среда представляет собой смесь из буферного газа и паров рабочего вещества.A device for a gas laser with optical pumping is described in accordance with the application US No. 2014/0023100 by J. Zweiback et al. Published on 01/23/2014, which includes a laser chamber with an inflated volume of the working medium and with transparent end windows, the first gas circuit for continuous pumping the working medium through the internal cavity of the laser chamber, a second gas circuit designed to blow the windows of the laser chamber, a source of working substance vapor located in front of the laser chamber with a pumped volume in the first gas circuit and designed to saturate the buffer gas with working medium vapor, a supercharger for pumping the working medium through the first channel through the laser chamber, which is part of the first gas circuit and the gap gaps blowing windows that are part of the second gas circuit, a system for cleaning the buffer gas from working substance vapor in the form of a condenser-heat exchanger located in the first gas circuit after the laser chamber and providing income supplying a clean buffer gas to the inlet of the supercharger, a heated source of vapor of a working substance with a developed surface. The working medium is a mixture of buffer gas and vapor of the working substance.
Второй газовый контур соединен одним концом с первым газовым контуром в области между нагнетателем и источником паров рабочего вещества, а другим концом - с лазерной камерой.The second gas circuit is connected at one end to the first gas circuit in the region between the supercharger and the source of vapor of the working substance, and the other end to the laser chamber.
В результате нагрева источника паров рабочего вещества рабочее вещество испаряется и смешивается с буферным газом, протекающим по первому газовому контуру от нагнетателя к лазерной камере. После выхода из центральной части лазерной камеры, смесь буферного газа и паров рабочего вещества направляется в первый газовый контур и поступает в конденсатор-теплообменник. В конденсаторе-теплообменнике буферный газ охлаждается и очищается от паров рабочего вещества. Очищенный буферный газ подается на вход нагнетателя, обеспечивающего дальнейшую его циркуляцию внутри первого газового контура. Чистый буферный газ поступает с участка первого газового контура, расположенного между нагнетателем и источником паров рабочего вещества, в щелевые зазоры, являющиеся частью второго газового контура. Вывод буферного газа из щелевых зазоров осуществляется непосредственно в первый газовый контур.As a result of heating the source of vapor of the working substance, the working substance evaporates and mixes with the buffer gas flowing along the first gas circuit from the supercharger to the laser chamber. After exiting the central part of the laser chamber, a mixture of buffer gas and vapor of the working substance is sent to the first gas circuit and enters the condenser-heat exchanger. In the condenser-heat exchanger, the buffer gas is cooled and purified from the vapor of the working substance. The purified buffer gas is fed to the inlet of the supercharger, which ensures its further circulation inside the first gas circuit. Pure buffer gas flows from the section of the first gas circuit located between the supercharger and the source of vapor of the working substance into the gap gaps that are part of the second gas circuit. The output of the buffer gas from the gap gaps is carried out directly into the first gas circuit.
В качестве основных достоинств приведенной конструкции можно выделить возможность частичной очистки газовой среды от паров рабочего вещества на выходе из центральной части лазерной камеры и осуществление непрерывного контроля его концентрации в потоке первого газового контура.The main advantages of this design are the possibility of partial purification of the gaseous medium from the vapor of the working substance at the outlet of the central part of the laser chamber and the continuous monitoring of its concentration in the flow of the first gas circuit.
Недостатками данного устройства является необходимость полной очистки буферного газа от паров рабочего вещества в первом газовом контуре после прохождения им центральной части лазерной камеры и наполнения буферного газа парами рабочего вещества до требуемой концентрации после прохождения нагнетателя и конструктивная реализация, при которой в режиме работы устройства происходит непрерывное осаждение паров рабочего вещества на конструкционные элементы в центральной части лазерной камеры. При включении источника оптической накачки происходит резкое возрастание концентрации рабочего вещества в потоке рабочей среды, которое оказывает негативное влияние на выходные параметры устройства.The disadvantages of this device is the need for complete cleaning of the buffer gas from the vapor of the working substance in the first gas circuit after it passes through the central part of the laser chamber and filling the buffer gas with the vapor of the working substance to the required concentration after passing the supercharger and a constructive implementation in which continuous deposition occurs in the operation mode of the device vapors of the working substance on structural elements in the central part of the laser chamber. When the optical pump source is turned on, a sharp increase in the concentration of the working substance in the flow of the working medium occurs, which has a negative effect on the output parameters of the device.
Таким образом, указанные недостатки не позволяют предотвратить рост концентрации рабочего вещества в составе рабочей среды лазера в процессе работы источника оптической накачки при нагреве конструктивных элементов центральной части лазерной камеры.Thus, these drawbacks do not allow to prevent an increase in the concentration of the working substance in the composition of the working medium of the laser during the operation of the optical pump source while heating the structural elements of the central part of the laser chamber.
Известна также система для циркуляции рабочей среды газового лазера (Hersman F William, Watt David W., патент США US 9653869 (B1) опубликован 16.05.2017), выбранная за прототип. Система для циркуляции рабочей среды газового лазера содержит лазерную камеру и два газовых контура, в одном из примеров с нагнетателями, проходящих через внутренний объем камеры с образованием каналов, так, что внутри камеры первый канал отделен от второго канала стенками с образованием конструкции типа труба в трубе, первый контур служит для циркуляции рабочей среды, включающей пары рабочего вещества и буферный газ, а второй контур предназначен для циркуляции буферного газа, первый газовый контур содержит источник паров рабочего вещества, а второй газовый контур содержит устройство очистки от паров рабочего вещества, в стенках выполнены сквозные технологические отверстия, через которые обеспечивается контакт газовых потоков обоих каналов. Элементы первого и второго газового контуров снабжены нагревателями.There is also known a system for circulating the working environment of a gas laser (Hersman F William, Watt David W., US patent US 9653869 (B1) published 05.16.2017), selected for the prototype. The system for circulating the working medium of a gas laser contains a laser chamber and two gas circuits, in one example with superchargers passing through the internal volume of the chamber to form channels, so that inside the chamber the first channel is separated from the second channel by walls to form a pipe-like structure in the pipe , the first circuit is used to circulate the working medium, including vapors of the working substance and buffer gas, and the second circuit is used to circulate the buffer gas, the first gas circuit contains a source of vapor of the working substance, and the second gas circuit contains a device for cleaning the vapor of the working substance, made in the walls through technological holes through which the gas flows of both channels are in contact. Elements of the first and second gas circuits are equipped with heaters.
В примере конкретной реализации устройство имеет внутреннюю полость, в которой создано поле оптической накачки, и формирователь потоков, оптически и газодинамически связанный с полостью, причем формирователь потоков включает в себя первый канал, имеющий в своем составе диффузор, конфузор и промежуток между ними. Кромки диффузора и конфузора профилированы на местах примыкания к полости. Первый канал выполнен с возможностью подачи потока рабочей газовой среды, содержащей пары рабочего вещества в полость, содержащую поле оптической накачки. Второй канал окружает первый канал по типу конструкции труба в трубе с образованием каналов, выполненных в виде щелевых зазоров между стенками первого и второго газовых контуров. Второй контур выполнен с возможностью подачи газового потока, не содержащего пары рабочего вещества в указанные каналы, и ограничивает по периферии первый поток газа, содержащий пары рабочего вещества. Поток газа в щелевых зазорах между стенками первого и второго газовых контуров не содержит пары рабочего вещества и образует защитный слой вдоль оптических окон с целью предотвращения или минимизации химического воздействия на него и/или осаждения на внутренних поверхностях оптических окон. В примере конкретной реализации оптические окна выполнены из плавленого кварца или сапфира.In an example of a specific implementation, the device has an internal cavity in which an optical pump field is created, and a flow former that is optically and gasdynamically coupled to the cavity, the flow former includes a first channel having a diffuser, a confuser, and a gap between them. The edges of the diffuser and confuser are profiled at the junctions to the cavity. The first channel is configured to supply a flow of a working gas medium containing vapor of the working substance into a cavity containing an optical pumping field. The second channel surrounds the first channel according to the type of construction of the pipe in the pipe with the formation of channels made in the form of gap gaps between the walls of the first and second gas circuits. The second circuit is configured to supply a gas stream that does not contain a pair of working substance in these channels, and limits the periphery of the first gas stream containing a pair of working substance. The gas flow in the gap gaps between the walls of the first and second gas circuits does not contain a pair of working substance and forms a protective layer along the optical windows in order to prevent or minimize chemical attack on it and / or deposition on the inner surfaces of the optical windows. In a specific implementation example, the optical windows are made of fused silica or sapphire.
Система циркуляции газа в прототипе может быть сконфигурирована так, чтобы приводить в движение газы в двух отдельных контурах циркуляции: первый газовый контур циркуляции рабочей среды с парами рабочего вещества и второй газовый контур циркуляции буферного газа без паров рабочего вещества.The gas circulation system in the prototype can be configured to drive gases in two separate circuits: the first gas circuit of the circulation of the working medium with the vapor of the working substance and the second gas circuit of the circulation of the buffer gas without vapor of the working substance.
В некоторых вариантах осуществления изобретения рабочая среда, содержащая пары рабочего вещества, и буферный газ без паров рабочего вещества могут одновременно поступать в оптическую полость накачки с разными температурами. Например, в одном примере, газ, содержащий пары рабочего вещества и на входе диффузора, может иметь температуру в диапазоне около 100°С или выше (например, около 150-200°С), в то время как буферный газ проходящий в щелевых зазорах имеет температуру около 100°С или менее (например, комнатную температуру).In some embodiments of the invention, the working medium containing the vapor of the working substance, and a buffer gas without vapor of the working substance can simultaneously enter the optical pump cavity with different temperatures. For example, in one example, a gas containing vapors of the working substance and at the inlet of the diffuser may have a temperature in the range of about 100 ° C or higher (for example, about 150-200 ° C), while the buffer gas passing in the slit gaps has a temperature of about 100 ° C or less (e.g. room temperature).
В этих условиях стенки первого канала в центральной части лазерной камеры находятся при некоторой промежуточной температуре между температурами газа в основном канале и газа в канале обдува, определяемого стационарным решением уравнения теплопроводности с заданными граничными условиями. Из-за разности температур стенок первого канала и потока рабочей среды в промежутке времени до момента включения источника оптической накачки происходит осаждение паров рабочего вещества. Количество осажденного рабочего вещества определяется в соответствии с уравнением, описывающим зависимость давления насыщенных паров рабочего вещества от температуры и тепловым режимом работы устройства.Under these conditions, the walls of the first channel in the central part of the laser chamber are at a certain intermediate temperature between the temperatures of the gas in the main channel and the gas in the blowing channel, which is determined by the stationary solution of the heat equation with given boundary conditions. Due to the temperature difference between the walls of the first channel and the flow of the working medium in the time interval until the optical pump source is turned on, vapor deposition of the working substance occurs. The amount of deposited working substance is determined in accordance with the equation describing the temperature dependence of the saturated vapor pressure of the working substance and the thermal mode of operation of the device.
При включении источника оптической накачки в устройстве происходит объемное выделение тепла в газовую среду первого рабочего контура за счет кинетических процессов, происходящих в активной среде, а также возникновение изотропного по направлению спонтанного излучения. Данные факторы, действуя совместно, приводят к существенному разогреву стенок первого и второго каналов в центральной части лазерной камеры.When the optical pump source is turned on in the device, volumetric heat is released into the gaseous medium of the first working circuit due to kinetic processes occurring in the active medium, as well as the appearance of spontaneous radiation isotropic in the direction. These factors, acting together, lead to a significant heating of the walls of the first and second channels in the central part of the laser chamber.
Основным недостатком устройства, принятого за прототип, является его конструктивная реализация, при которой в режиме работы без включения источников накачки происходит непрерывное осаждение паров рабочего вещества на конструкционные элементы в центральной части лазерной камеры. В основном осаждение реализуется на стенках первого и второго каналов, а также на ряде элементов газового тракта, имеющих пониженную относительно потока рабочей среды температуру.The main disadvantage of the device adopted for the prototype is its structural implementation, in which in the operation mode without switching on the pump sources, the vapor of the working substance is continuously deposited on the structural elements in the central part of the laser chamber. Basically, deposition is realized on the walls of the first and second channels, as well as on a number of elements of the gas path having a temperature lower than the flow of the working medium.
Указанный недостаток обусловлен тем, что при непрерывном течении рабочей среды через первый канал частицы рабочего вещества неизбежно оседают на стенках, образуя моно или мульти атомарные слои. Кроме этого в центральной части лазерной камеры непрерывно контактируют два потока: поток рабочей среды первого газового контура и поток второго газового контура. В зоне контактов потоков наблюдается их турбулентное перемешивание и, соответственно, массоперенос частиц рабочего вещества во второй контур. По аналогии с первым контуром происходит осаждение частиц рабочего вещества на стенки второго контура. При включении источника оптической накачки происходит резкое возрастание концентрации рабочего вещества в потоке рабочей среды, вызываемое нагревом стенок первого и второго каналов потоком спонтанного излучения. Неконтролируемое увеличение концентрации рабочего вещества в первом контуре, протекающем через внутреннюю полость лазерной камеры, и вызываемое им увеличение концентрации во втором контуре, оказывают негативное влияние на выходные характеристики устройства.This drawback is due to the fact that during continuous flow of the working medium through the first channel, particles of the working substance inevitably settle on the walls, forming mono or multi-atomic layers. In addition, two streams continuously contact in the central part of the laser chamber: the flow of the working medium of the first gas circuit and the flow of the second gas circuit. In the contact zone of the flows, their turbulent mixing and, correspondingly, mass transfer of particles of the working substance to the secondary circuit are observed. By analogy with the first circuit, particles of the working substance are deposited on the walls of the second circuit. When the optical pump source is turned on, a sharp increase in the concentration of the working substance in the flow of the working medium occurs, caused by the heating of the walls of the first and second channels by the flow of spontaneous radiation. An uncontrolled increase in the concentration of the working substance in the first circuit flowing through the internal cavity of the laser chamber, and the increase in concentration in the second circuit caused by it, negatively affect the output characteristics of the device.
Таким образом, известное устройство, выбранное за прототип, не позволяет предотвратить рост концентрации рабочего вещества в составе рабочей среды лазера в процессе работы источников накачки, при нагреве конструктивных элементов центральной части лазерной камеры.Thus, the known device selected for the prototype, does not prevent the growth of the concentration of the working substance in the composition of the working medium of the laser during the operation of the pump sources, when heating the structural elements of the Central part of the laser chamber.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание системы для циркуляции рабочей среды газового лазера, в которой предусмотрены средства, предотвращающие осаждение частиц рабочего вещества на конструктивные элементы в центральной части лазерной камеры.The technical problem to which the claimed invention is directed is to create a system for circulating a working environment of a gas laser, in which means are provided that prevent the deposition of particles of the working substance on structural elements in the central part of the laser chamber.
Техническим результатом является предотвращение роста концентрации рабочего вещества в составе рабочей среды лазера в процессе работы источника оптической накачки, вызываемого нагревом конструктивных элементов центральной части лазерной камеры.The technical result is to prevent the growth of the concentration of the working substance in the composition of the working medium of the laser during the operation of the optical pump source, caused by heating of the structural elements of the Central part of the laser chamber.
Другим техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым устройством является поддержание температуры потока рабочей среды в первом газовом контуре, как при включенном источнике оптической накачки, так и при выключенном.Another technical result provided by the claimed device is to maintain the temperature of the working fluid flow in the first gas circuit, both when the optical pump source is on and off.
Кроме этого в устройстве заложена конструктивная особенность, позволяющая эффективно очищать газовый поток второго контура от поступающих туда паров рабочего вещества посредством конденсационной очистки и контролировать его температуру на входе в центральную часть лазерной камеры в широком диапазоне температур, как при включенном, так и при выключенном источнике оптической накачки.In addition, the device has a design feature that allows you to effectively clean the gas stream of the second circuit from the working substance vapors there by condensation cleaning and to control its temperature at the inlet to the central part of the laser chamber in a wide temperature range, both when the optical source is on and off pumping.
В дополнение к этому устройство обеспечивает непрерывный контроль концентрации паров рабочего вещества во всех режимах эксплуатации, за счет применения узла измерения, установленного между источником паров рабочего вещества и трехходовым клапаном на входе лазерной камеры.In addition to this, the device provides continuous monitoring of the concentration of the vapor of the working substance in all operating modes, through the use of a measurement unit installed between the source of vapor of the working substance and a three-way valve at the inlet of the laser chamber.
Данный технический результат достигается тем, что в системе для циркуляции рабочей среды газового лазера, содержащей лазерную камеру и два контура с нагнетателями для циркуляции рабочей среды, проходящих через внутренний объем камеры с образованием каналов, так, что внутри камеры первый канал отделен от второго канала стенками с образованием конструкции типа труба в трубе, первый контур служит для циркуляции рабочей среды, включающей пары рабочего вещества и буферный газ, а второй контур предназначен для циркуляции буферного газа, первый газовый контур содержит источник паров рабочего вещества, а второй газовый контур содержит устройство очистки от паров рабочего вещества, в стенках выполнены сквозные технологические отверстия, через которые обеспечивается контакт газовых потоков обоих каналов, элементы первого и второго газового контуров снабжены нагревателями, новым является то, что в состав первого газового контура дополнительно включены два управляемых трехходовых клапана, установленных на входе и выходе из лазерной камеры и обводной контур, размещенный между трехходовыми клапанами, таким образом, что в одном из положений трехходовые клапаны обеспечивают течение рабочей среды по обводному контуру, через источник паров рабочего вещества, часть первого контура включающего нагнетатель, минуя внутреннюю область камеры, а в другом положении трехходовых клапанов обеспечивается течение рабочей среды через внутреннюю область камеры, источник паров рабочего вещества и часть первого контура, включающего нагнетатель.This technical result is achieved in that in a system for circulating a working medium of a gas laser containing a laser chamber and two circuits with superchargers for circulating a working medium passing through the internal volume of the chamber to form channels, so that inside the chamber the first channel is separated by walls with the formation of a pipe-like construction in a pipe, the first circuit serves to circulate the working medium, including the vapor of the working substance and the buffer gas, and the second circuit is used to circulate the buffer gas, the first gas circuit contains a source of vapor of the working substance, and the second gas circuit contains a device for cleaning vapors of the working substance, through the technological holes are made in the walls through which the gas flows of both channels are contacted, the elements of the first and second gas circuits are equipped with heaters, the new one is that two controllable three-way valves are additionally included in the composition of the first gas circuit, located at the inlet and outlet of the laser chamber and the bypass circuit, located between the three-way valves, so that in one of the positions of the three-way valves provide the flow of the working medium along the bypass circuit, through the vapor source of the working substance, part of the first circuit including the supercharger, bypassing the inner region chamber, and in a different position of the three-way valves, the flow of the working medium through the inner region of the chamber, the source of vapor of the working substance and part of the first circuit, including the supercharger, is provided.
В первом частном случае заявляемое устройство содержит в составе первого газового контура теплообменник, установленный после трехходового клапана на выходе из лазерной камеры до источника паров рабочего вещества.In the first particular case, the inventive device comprises a heat exchanger in the composition of the first gas circuit, installed after the three-way valve at the outlet of the laser chamber to the source of vapor of the working substance.
Во втором частном случае заявляемое устройство содержит в составе первого газового контура узел измерения концентрации паров рабочего вещества, установленный между источником паров рабочего вещества и трехходовым клапаном на входе лазерной камеры.In the second particular case, the inventive device comprises, as part of the first gas circuit, a site for measuring the concentration of the working substance vapor, installed between the source of working substance vapor and a three-way valve at the inlet of the laser chamber.
В третьем частном случае заявляемое устройство содержит в составе второго газового контура теплообменник, установленный между устройством очистки и лазерной камерой.In the third particular case, the inventive device comprises a heat exchanger as a part of the second gas circuit installed between the cleaning device and the laser chamber.
Влияние признаков на технический результатThe influence of signs on the technical result
Первый контур предназначен для обеспечения протока рабочей среды через внутреннюю полость в центральной части лазерной камеры, в которой осуществляется накачка. Циркуляцию рабочей среды по первому контуру обеспечивает нагнетатель. Узел измерения концентрации паров рабочего вещества, установленный между источником паров рабочего вещества и трехходовым клапаном на входе лазерной камеры, позволяет в режиме реального времени вести контроль концентрации паров рабочего вещества в составе рабочей среды в первом газовом контуре для обоих положений трехходовых клапанов.The first circuit is designed to ensure the flow of the working medium through the internal cavity in the Central part of the laser chamber, in which the pump is carried out. The primary circuit is circulated by a supercharger. The site for measuring the concentration of working vapor, installed between the source of vapor of the working substance and the three-way valve at the inlet of the laser chamber, allows real-time monitoring of the concentration of vapor of the working substance in the composition of the working medium in the first gas circuit for both positions of the three-way valves.
Трехходовые клапаны обеспечивают два режима работы. Режимы реализуются за счет перенаправления потока рабочей среды первого контура либо через центральную часть лазерной камеры, либо через обводной контур.Three-way valves provide two modes of operation. The modes are implemented by redirecting the flow of the working medium of the primary circuit either through the central part of the laser chamber or through the bypass circuit.
Первый режим составляет более 90% от общего времени работы устройства, второй - 10% или менее, в зависимости от режимов эксплуатации устройства.The first mode is more than 90% of the total operating time of the device, the second - 10% or less, depending on the operating modes of the device.
В первом режиме, когда источник оптической накачки не работает, поток рабочей среды в первом газовом контуре распространяется последовательно через нагнетатель, источник паров рабочего вещества, трехходовой клапан на входе в центральную часть лазерной камеры, обводной контур, трехходовой клапан на выходе из центральной части лазерной камеры, элементы первого газового контура, выполненные в виде труб, теплообменник первого газового контура и подается на вход нагнетателя, замыкая цикл. При этом прокачка буферного газа во втором контуре через каналы в виде щелевых зазоров, образованных в центральной части лазерной камеры может осуществляться с заданной скоростью, а может и не осуществляться, в зависимости от режима работы устройства.In the first mode, when the optical pump source does not work, the flow of the working medium in the first gas circuit is distributed sequentially through the supercharger, the source of working substance vapor, a three-way valve at the inlet to the central part of the laser chamber, a bypass circuit, a three-way valve at the outlet from the central part of the laser chamber , the elements of the first gas circuit, made in the form of pipes, the heat exchanger of the first gas circuit and is fed to the input of the supercharger, closing the cycle. Moreover, the pumping of buffer gas in the second circuit through channels in the form of slit gaps formed in the central part of the laser chamber may or may not occur, depending on the operating mode of the device.
Скорость потока в первом газовом контуре, замкнутом на обводной контур, может быть минимально достаточной для формирования и поддержания концентрации рабочего вещества в первом газовом контуре.The flow rate in the first gas circuit, closed to the bypass circuit, can be minimally sufficient to form and maintain the concentration of the working substance in the first gas circuit.
Контроль концентрации паров рабочего вещества может осуществляться в узле измерения концентрации паров рабочего вещества, установленным между источником паров рабочего вещества и трехходовым клапаном на входе лазерной камеры.The concentration of the working substance vapor can be monitored in the node for measuring the concentration of the working substance vapor, which is installed between the source of the working substance vapor and the three-way valve at the inlet of the laser chamber.
В первом режиме работы попадание паров рабочего вещества на стенки первого и второго газовых контуров в центральной части лазерной кюветы полностью исключается, так как отсутствует физический контакт потока рабочей среды, насыщенной парами рабочего вещества, со стенками первого и второго каналов. Таким образом, заявляемое устройство в данном режиме обеспечивает поддержание концентрации паров рабочего вещества в первом газовом контуре, замкнутом на обводной контур, на требуемом уровне и обеспечивает чистоту стенок каналов первого и второго газовых контуров в центральной части лазерной кюветы.In the first operating mode, ingress of working substance vapors onto the walls of the first and second gas circuits in the central part of the laser cell is completely eliminated, since there is no physical contact of the working medium stream saturated with working medium vapors with the walls of the first and second channels. Thus, the inventive device in this mode maintains the concentration of vapor of the working substance in the first gas circuit, closed to the bypass circuit, at the required level and ensures the purity of the walls of the channels of the first and second gas circuits in the Central part of the laser cell.
Во втором режиме, когда источник оптической накачки работает, поток рабочей среды в первом газовом контуре распространяется последовательно через нагнетатель, источник паров рабочего вещества, трехходовой клапан на входе в центральную часть лазерной камеры, лазерную камеру, трехходовой клапан на выходе из центральной части лазерной камеры, элементы первого газового контура, выполненные в виде труб, теплообменник первого газового контура и подается на вход нагнетателя, замыкая цикл. При этом прокачка рабочей среды в первом газовом контуре через каналы в центральной части лазерной камеры осуществляется с повышенной скоростью. Буферный газ во втором газовом контуре прокачивается так же с увеличенной по отношению к первому режиму скоростью. Значения скоростей в каналах первого и второго газовых контуров согласованы между собой по критерию минимизации массопереноса паров рабочего вещества из первого газового контура во второй в зоне контакта потоков в центральной части лазерной камеры.In the second mode, when the optical pump source is operating, the flow of the working medium in the first gas circuit is distributed sequentially through a supercharger, a source of vapor of the working substance, a three-way valve at the inlet to the central part of the laser chamber, a laser chamber, a three-way valve at the outlet of the central part of the laser chamber, the elements of the first gas circuit, made in the form of pipes, the heat exchanger of the first gas circuit and is fed to the input of the supercharger, closing the cycle. In this case, the pumping of the working medium in the first gas circuit through the channels in the Central part of the laser chamber is carried out with increased speed. The buffer gas in the second gas circuit is pumped in the same way with a speed increased in relation to the first mode. The velocities in the channels of the first and second gas circuits are consistent with each other according to the criterion of minimizing the mass transfer of the vapor of the working substance from the first gas circuit to the second in the flow contact zone in the central part of the laser chamber.
При работе источника оптической накачки рабочая среда нагревается вследствие кинетических процессов, происходящих в активной среде. Область накачки является источником спонтанного излучения, которое поглощается стенками каналов, вызывая их нагрев. Наиболее сильно нагреваются стенки, расположенные в непосредственной близости от внутреннего объема камеры, в котором сформировано поле накачки и поле излучения генерации. Учитывая высокую плотность мощности излучения, нагрев стенок может достигать нескольких сот градусов.During operation of the optical pump source, the working medium is heated due to kinetic processes occurring in the active medium. The pumping region is a source of spontaneous radiation, which is absorbed by the walls of the channels, causing them to heat up. The most heated are the walls located in close proximity to the internal volume of the chamber in which the pump field and the radiation field of generation are formed. Given the high density of radiation power, wall heating can reach several hundred degrees.
Два указанных фактора, действуя совместно, приводят к дополнительному нагреву газовых потоков в первом и втором газовых контурах.Two of these factors, acting together, lead to additional heating of the gas flows in the first and second gas circuits.
В первом контуре скорость прокачки рабочей среды в частном случае может изменяться в зависимости от температуры рабочей среды на выходе из центральной части лазерной камеры.In the primary circuit, the rate of pumping of the working medium in a particular case can vary depending on the temperature of the working medium at the exit from the central part of the laser chamber.
Таким образом, во втором режиме стенки первого и второго газовых контуров находятся при температуре, превышающей температуру потока рабочей среды в первом газовом контуре и буферного газа во втором газовом контуре. Такое различие в температуре не позволяет осесть парам рабочего вещества на стенки. С учетом того, что в первом режиме (работа через обводной контур) осаждение паров рабочего вещества на стенки не осуществляется и стенки каналов остаются чистыми. При их быстром нагреве не происходит выброса частиц рабочего вещества с поверхности и концентрация паров рабочего вещества в потоке не изменяется.Thus, in the second mode, the walls of the first and second gas circuits are at a temperature higher than the temperature of the flow of the working medium in the first gas circuit and the buffer gas in the second gas circuit. Such a difference in temperature does not allow the vapor of the working substance to settle on the walls. Given that in the first mode (work through the bypass circuit) vapor deposition of the working substance on the walls is not carried out and the walls of the channels remain clean. When they are heated quickly, there is no ejection of particles of the working substance from the surface and the concentration of vapor of the working substance in the stream does not change.
Существует также короткий промежуток, в котором происходит переключение трехходовых клапанов из первого режима во второй. При этом в первый контур подключается дополнительный объем рабочей среды, содержащийся в первом канале в центральной части лазерной камеры, не насыщенной парами рабочего вещества, и подбором определенного повышенного пропорционально соотношению объемов центральной части лазерной камеры и обводного контура значения концентрации паров рабочего вещества можно обеспечить оптимальное их значение во втором режиме.There is also a short gap in which the three-way valves switch from the first mode to the second. In this case, an additional volume of the working medium is contained in the first circuit, which is contained in the first channel in the central part of the laser chamber, which is not saturated with vapor of the working substance, and the selection of a certain concentration of the vapor of the working substance, which is increased in proportion to the ratio of the volumes of the central part of the laser chamber and the bypass circuit, can ensure their optimum value in the second mode.
В случае обратного переключения стенки первого и второго газовых контуров в центральной части лазерной кюветы остаются нагретыми до значительно температуры и осаждения паров рабочего вещества на них не происходит.In the case of reverse switching, the walls of the first and second gas circuits in the central part of the laser cell remain heated to a significant temperature and vapor deposition of the working substance does not occur on them.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех режимах работы, включая переходные.Thus, the claimed device ensures the achievement of the claimed technical result in all modes of operation, including transient.
Теплообменник установлен в основном контуре и предназначен для отвода тепла из рабочей среды, полученного в центральной части лазерной камеры при вводе излучения накачки во внутреннюю полость лазерной камеры. Охлаждение или нагрев теплоносителя осуществляются внешней системой, работающей в режиме с обратной связью по температуре. Применение данной составной части изобретения позволяет контролировать температуру рабочей среды в первом газовом контуре.The heat exchanger is installed in the main circuit and is designed to remove heat from the working medium obtained in the Central part of the laser chamber by introducing pump radiation into the internal cavity of the laser chamber. Cooling or heating of the coolant is carried out by an external system operating in a temperature feedback mode. The use of this component of the invention allows you to control the temperature of the working medium in the first gas circuit.
Источник паров рабочего вещества предназначен для его загрузки в объем лазерной камеры и последующего образования рабочей лазерной смеси.The source of vapor of the working substance is intended for its loading into the volume of the laser chamber and the subsequent formation of the working laser mixture.
Конденсационное устройство очистки с развитой поверхностью теплопроводных стенок обеспечивает очистку газовой смеси контура обдува от паров рабочего вещества. В данном устройстве газовый поток второго контура охлаждается до температуры ниже температуры фазового перехода в твердое состояние для рабочего вещества.A condensation cleaning device with a developed surface of heat-conducting walls ensures the cleaning of the gas mixture of the blowing circuit from the vapor of the working substance. In this device, the gas stream of the second circuit is cooled to a temperature below the temperature of the phase transition to the solid state for the working substance.
Нагнетатель контура обдува обеспечивает циркуляцию газовой смеси по контурам обдува.The blower circuit blower circulates the gas mixture along the blower circuits.
Теплообменник контура обдува предназначен для нагрева газовой смеси контура обдува до требуемого значения, после ее охлаждения в конденсационном устройстве очистки.The heat exchanger of the blowing circuit is designed to heat the gas mixture of the blowing circuit to the desired value, after it has been cooled in the condensing cleaning device.
Обводной контур предназначен для перенаправления потока рабочей среды по дополнительному пути, минуя центральную часть лазерной камеры, для предотвращения осаждения паров рабочего вещества на элементах газового тракта в центральной части лазерной кюветы.The bypass circuit is designed to redirect the flow of the working medium along an additional path, bypassing the central part of the laser chamber, to prevent the deposition of vapor of the working substance on the elements of the gas path in the central part of the laser cell.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На Фиг. 1 приведен первый вариант системы для циркуляции рабочей среды газового лазера замкнутого цикла, где:In FIG. 1 shows the first version of the system for circulating the working fluid of a closed-circuit gas laser, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - первый газовый контур;2 - the first gas circuit;
3 - второй газовый контур;3 - second gas circuit;
4 - нагнетатель первого газового контура;4 - supercharger of the first gas circuit;
5 - нагнетатель второго газового контура;5 - a supercharger of the second gas circuit;
6 - канал для циркуляции потока рабочей среды;6 - channel for circulating the flow of the working medium;
7 - каналы для циркуляции буферного газа;7 - channels for the circulation of buffer gas;
8 -стенки, отделяющие первый канал от второго;8 - walls separating the first channel from the second;
9 - источник паров рабочего вещества;9 - source of vapor of the working substance;
10 - устройство очистки газового потока во втором газовом контуре от паров рабочего вещества;10 - device for cleaning the gas stream in the second gas circuit from the vapor of the working substance;
11 - сквозные технологические отверстия в стенках первого и второго газовых контуров;11 - through technological holes in the walls of the first and second gas circuits;
12 - газовый поток первого газового контура;12 - gas stream of the first gas circuit;
13 - газовый поток второго газового контура;13 - gas stream of the second gas circuit;
14 - трехходовой клапан, установленный на входе в лазерную камеру;14 - three-way valve installed at the entrance to the laser chamber;
15 - трехходовой клапан, установленный на выходе из лазерной камеры;15 - three-way valve installed at the exit of the laser chamber;
16 - обводной контур;16 - bypass circuit;
17 - теплообменник первого газового контура;17 - heat exchanger of the first gas circuit;
18 - узел измерения концентрации паров рабочего вещества,18 - node measuring the concentration of vapor of the working substance,
19 - внутренний объем камеры, содержащий поле оптической накачки и лазерной генерации.19 is the internal volume of the chamber, containing the field of optical pumping and laser generation.
На Фиг. 2 приведен второй вариант системы для циркуляции рабочей среды газового лазера замкнутого цикла, где:In FIG. 2 shows a second version of a system for circulating a closed-loop gas laser gas environment, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - первый газовый контур;2 - the first gas circuit;
3 - второй газовый контур;3 - second gas circuit;
4 - нагнетатель первого газового контура;4 - supercharger of the first gas circuit;
5 - нагнетатель второго газового контура;5 - a supercharger of the second gas circuit;
6 - канал для циркуляции потока рабочей среды;6 - channel for circulating the flow of the working medium;
7 - каналы для циркуляции буферного газа;7 - channels for the circulation of buffer gas;
8 -стенки, отделяющие первый канал от второго;8 - walls separating the first channel from the second;
9 - источник паров рабочего вещества;9 - source of vapor of the working substance;
10 - устройство очистки газового потока во втором газовом контуре от паров рабочего вещества;10 - device for cleaning the gas stream in the second gas circuit from the vapor of the working substance;
11 - сквозные технологические отверстия в стенках первого и второго газовых контуров;11 - through technological holes in the walls of the first and second gas circuits;
12 - газовый поток первого газового контура;12 - gas stream of the first gas circuit;
13 - газовый поток второго газового контура;13 - gas stream of the second gas circuit;
14 - трехходовой клапан, установленный на входе в лазерную камеру;14 - three-way valve installed at the entrance to the laser chamber;
15 - трехходовой клапан, установленный на выходе из лазерной камеры;15 - three-way valve installed at the exit of the laser chamber;
16 - обводной контур;16 - bypass circuit;
17 - теплообменник первого газового контура;17 - heat exchanger of the first gas circuit;
18 - узел измерения концентрации паров рабочего вещества;18 - node measuring the concentration of vapor of the working substance;
19 - внутренний объем камеры, содержащий поле оптической накачки и лазерной генерации;19 is the internal volume of the chamber, containing the field of optical pumping and laser generation;
20 - теплообменник второго газового контура.20 - heat exchanger of the second gas circuit.
На Фиг. 3 приведено изображение системы для циркуляции рабочей среды газового лазера замкнутого цикла в режиме прокачки потока рабочей среды через лазерную камеру при работе оптического источника накачки, где:In FIG. Figure 3 shows an image of a system for circulating the working medium of a closed loop gas laser in the mode of pumping the working medium flow through the laser chamber during operation of the optical pump source, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - первый газовый контур:2 - the first gas circuit:
3 - второй газовый контур;3 - second gas circuit;
4 - нагнетатель первого газового контура; 9 - источник паров рабочего вещества;4 - supercharger of the first gas circuit; 9 - source of vapor of the working substance;
14 - трехходовой клапан, установленный на входе в лазерную камеру;14 - three-way valve installed at the entrance to the laser chamber;
15 - трехходовой клапан, установленный на выходе из лазерной камеры;15 - three-way valve installed at the exit of the laser chamber;
16 - обводной контур;16 - bypass circuit;
17 - теплообменник первого газового контура;17 - heat exchanger of the first gas circuit;
На Фиг. 4 приведено изображение системы для циркуляции рабочей среды газового лазера замкнутого цикла в режиме прокачки потока рабочей среды через обводной контур в случае, когда оптический источник накачки не работает, где:In FIG. Figure 4 shows an image of a system for circulating the working medium of a closed loop gas laser in the mode of pumping the working medium flow through the bypass circuit in the case when the optical pump source does not work, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - первый газовый контур;2 - the first gas circuit;
3 - второй газовый контур;3 - second gas circuit;
4 - нагнетатель первого газового контура; 9 - источник паров рабочего вещества;4 - supercharger of the first gas circuit; 9 - source of vapor of the working substance;
14 - трехходовой клапан, установленный на входе в лазерную камеру;14 - three-way valve installed at the entrance to the laser chamber;
15 - трехходовой клапан, установленный на выходе из лазерной камеры;15 - three-way valve installed at the exit of the laser chamber;
16 - обводной контур;16 - bypass circuit;
17 - теплообменник первого газового контура;17 - heat exchanger of the first gas circuit;
На Фиг. 5 приведено сечение лазерной камеры через геометрический центр внутреннего объема, в котором формируется поле накачки, где:In FIG. 5 shows a cross section of the laser chamber through the geometric center of the internal volume in which the pump field is formed, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
6 - канал для циркуляции потока рабочей среды;6 - channel for circulating the flow of the working medium;
7 - каналы для циркуляции буферного газа;7 - channels for the circulation of buffer gas;
8 - стенки, отделяющие первый канал от второго;8 - walls separating the first channel from the second;
11 - сквозные технологические отверстия в стенках первого и второго газовых контуров;11 - through technological holes in the walls of the first and second gas circuits;
На Фиг. 6 приведена схема трехходового клапана в режиме направления газового потока первого конура через лазерную камеру, где:In FIG. 6 is a diagram of a three-way valve in the direction of gas flow of the first circuit through the laser chamber, where:
1 - лазерная камера;1 - laser camera;
2 - первый газовый контур;2 - the first gas circuit;
14 - трехходовой клапан, установленный на входе в лазерную камеру;14 - three-way valve installed at the entrance to the laser chamber;
16 - обводной контур;16 - bypass circuit;
На Фиг. 7 приведена расчетная зависимость количества осажденного на стенках первого канала рабочего вещества в атомарных слоях от времени при выключенном источнике оптической накачки. Расчеты выполнены для устройства - прототипа, не содержащего обводного контура (поток рабочей среды постоянно протекает через центральную часть лазерной камеры) при следующих начальных значениях: температура источника паров рабочего вещества 160°С, температура нагнетателя и элементов первого газового контура 120°С, средняя температура поверхности стенок первого канала в центральной части лазерной камеры 100°С. По вертикальной оси отложено количество осажденного на стенках первого канала в центральной части лазерной камеры рабочего вещества в атомарных слоях, по горизонтальной оси - время в часах.In FIG. Figure 7 shows the calculated time dependence of the amount of the working substance deposited on the walls of the first channel in the atomic layers on the time when the optical pump source is turned off. The calculations were performed for a prototype device that does not contain a bypass circuit (the flow of the working medium constantly flows through the central part of the laser chamber) at the following initial values: temperature of the vapor source of the working substance 160 ° С, temperature of the supercharger and elements of the first gas circuit 120 ° С, average temperature the surface of the walls of the first channel in the Central part of the
На Фиг. 8 приведена расчетная зависимость количества остающегося на стенках первого канала рабочего вещества в атомарных слоях от времени при включенном источнике оптической накачки. Расчеты выполнены для устройства - прототипа, не содержащего обводного контура (поток рабочей среды постоянно протекает через центральную часть лазерной камеры) при следующих начальных значениях: температура источника паров рабочего вещества 160°С, температура нагнетателя и элементов первого газового контура 120°С, средняя температура поверхности стенок первого канала в центральной части лазерной камеры 250°С. По вертикальной оси отложено количество остающегося на стенках первого канала в центральной части лазерной камеры рабочего вещества в атомарных слоях, по горизонтальной оси - время в секундах.In FIG. Figure 8 shows the calculated time dependence of the amount of working substance remaining on the walls of the first channel in the atomic layers when the optical pump source is turned on. The calculations were performed for a prototype device that does not contain a bypass circuit (the flow of the working medium constantly flows through the central part of the laser chamber) at the following initial values: temperature of the vapor source of the working substance 160 ° С, temperature of the supercharger and elements of the first gas circuit 120 ° С, average temperature the surface of the walls of the first channel in the Central part of the
На Фиг. 9 приведена расчетная зависимость количества осажденного на стенках первого канала рабочего вещества в атомарных слоях от времени для заявляемого устройства в промежутке времени между переключением трехходовых клапанов с обводного контура на центральную часть лазерной камеры и включением источника оптической накачки. Расчеты выполнены для заявляемого устройства, содержащего обводной контур (поток рабочей среды протекает через центральную часть лазерной камеры короткое время до включения источника и во время работы источника оптической накачки, остальное время поток рабочей среды протекает через обводной контур) при следующих начальных значениях: температура источника паров рабочего вещества 160°С, температура нагнетателя и элементов первого газового контура 120°С, средняя температура поверхности стенок первого канала в центральной части лазерной камеры 100°С. По вертикальной оси отложено количество осажденного на стенках первого канала в центральной части лазерной камеры рабочего вещества в атомарных слоях, по горизонтальной оси - время в секундах.In FIG. 9 shows the calculated time dependence of the amount of working substance deposited on the walls of the first channel in the atomic layers for the inventive device in the time interval between switching the three-way valves from the bypass circuit to the central part of the laser chamber and switching on the optical pump source. The calculations were performed for the inventive device containing a bypass circuit (the flow of the working medium flows through the central part of the laser chamber for a short time before turning on the source and during operation of the optical pump source, the rest of the time, the flow of the working medium flows through the bypass) for the following initial values: temperature of the vapor source the working substance is 160 ° C, the temperature of the supercharger and the elements of the first gas circuit is 120 ° C, the average surface temperature of the walls of the first channel in the central part of the laser chamber is 100 ° C. The vertical axis shows the amount of working substance deposited on the walls of the first channel in the central part of the laser chamber of the working substance in atomic layers, the horizontal axis shows time in seconds.
На Фиг. 10 приведена расчетная зависимость количества остающегося на стенках первого канала рабочего вещества в атомарных слоях от времени при включенном источнике оптической накачки во втором рабочем режиме. Расчеты выполнены для заявляемого устройства, содержащего обводной контур (поток рабочей среды протекает через центральную часть лазерной камеры, источник оптической накачки работает) при следующих начальных значениях: температура источника паров рабочего вещества 160°С, температура нагнетателя и элементов первого газового контура 120°С, средняя температура поверхности стенок первого канала в центральной части лазерной камеры 250°С. По вертикальной оси отложено количество остающегося на стенках первого канала в центральной части лазерной камеры рабочего вещества в атомарных слоях, по горизонтальной оси - время в секундах.In FIG. Figure 10 shows the calculated time dependence of the amount of working substance remaining on the walls of the first channel in the atomic layers when the optical pump source is turned on in the second operating mode. The calculations were performed for the inventive device containing a bypass circuit (the flow of the working medium flows through the central part of the laser chamber, the optical pump source works) at the following initial values: temperature of the source of vapor of the working substance 160 ° C, temperature of the supercharger and elements of the first gas circuit 120 ° C, the average surface temperature of the walls of the first channel in the central part of the laser chamber is 250 ° C. The vertical axis represents the amount of working substance remaining on the walls of the first channel in the central part of the laser chamber in the atomic layers, the horizontal axis shows time in seconds.
Работает заявляемое устройство следующим образом.The claimed device operates as follows.
Система для циркуляции рабочей среды газового лазера монтируется из следующих компонентов: лазерной камеры 1; первого газового контура 2 с нагнетателем 4 и теплообменником 17; второго газового контура 3 с нагнетателем 5, устройством очистки от паров рабочего вещества 10 и теплообменником 20; управляемых трехходовых клапанов 14 и 15, установленных на входе и выходе из лазерной камеры соответственно, обводного контура 16; источника паров рабочего вещества 9; узла измерения концентрации паров рабочего вещества 18 и нагревательных элементов с датчиками температуры.The system for circulating the working medium of a gas laser is mounted from the following components:
Конструкция лазерной камеры 1 выполнена в виде каналов 6 и 7 проходящих через внутренний объем камеры 19, так, что внутри камеры первый канал 6 отделен от второго канала 7 стенками 8 с образованием конструкции типа труба в трубе. В стенках каналов 6 и 7 выполнены сквозные технологические отверстия 11, через которые обеспечивается контакт газовых потоков первого газового контура 2 и второго газового контура 3.The design of the
После сборки трехходовые клапаны 14 и 15 ориентированы таким образом, что обеспечивают прокачку рабочей среды через обводной контур 16, минуя центральную часть лазерной камеры 1. Нагнетатель первого газового контура 4 обеспечивает прокачку рабочей среды в первом газовом контуре 2 с минимальной постоянной скоростью ~1 м/с. Нагнетатель второго газового контура 5 обеспечивает скорость движения чистого буферного газа по второму газовому контуру 3 со скоростью так же ~1 м/с. Далее осуществляется плавный нагрев элементов циркуляции рабочей среды газового лазера в соответствии с заданным тепловым режимом. Теплообменники 17 и 20 с внешними системами подогрева и утилизации тепловой энергии выводятся на требуемые значения по энерговкладам и энергосьемам. После достижения заданного теплового режима с применением узла измерения концентрации рабочего вещества 18 определяется фактическое значение концентрации паров рабочего вещества в потоке первого газового контура 2. При соответствии концентрации паров рабочего вещества требуемому значению устройство полностью переходит в первый рабочий режим. В случае если концентрация паров рабочего вещества избыточна или недостаточна осуществляется коррекция теплового режима работы нагревателей конструктивных элементов первого 2 и второго 3 газовых контуров. Скорости движения газового потока рабочей среды в первом газовом контуре 2 и буферного газа во втором газовом контуре 3 не изменяются. Осуществляется повторное измерение концентрации паров рабочего вещества в потоке рабочей среды в первом газовом контуре 2. Устройство может находиться в первом рабочем режиме продолжительное время. Стенки каналов 6 и 7 в центральной части лазерной камеры 1 не подвергаются процессу осаждения паров рабочего вещества из газового потока первого газового контура 2. Концентрация паров в потоке первого газового контура 2 стабильна.After assembly, the three-
Далее, для получения лазерной генерации заявляемого устройство переводится во второй рабочий режим. В этом режиме проводится переключение трехходовых клапанов 14 и 15 в положение, при котором поток рабочей среды первого газового контура протекает непосредственно через центральную часть лазерной камеры 1. Скорость потоков газовых сред в первом 2 и втором 3 газовых контурах увеличивается до требуемого уровня и в общем случае может быть нестационарной. После этого включается источник оптической накачки и возникает лазерная генерация.Further, to obtain laser generation of the claimed device is transferred to the second operating mode. In this mode, the three-
В случае нестационарной скорости прокачки газовых сред в центральной части лазерной камеры 1, ее значение регулируется в цикле с обратной связью по фактическому значению температуры потока рабочей среды на выходе из внутреннего объема камеры 19, содержащего поле оптической накачки и лазерной генерации. Скорость прокачки рабочей среды в первом газовом контуре 2 увеличивается при росте температуры и уменьшается при ее спаде. Скорость движения буферного газа во втором газовом контуре 3 согласована со скоростью движения рабочей среды в первом газовом контуре 2 посредством выбранного математического соотношения, в частном случае это может быть линейная зависимость.In the case of an unsteady flow rate of gas media in the central part of the
Поток буферного газа во втором газовом контуре 3 очищается от попадающих паров рабочего вещества в устройстве конденсационной очистки 10, температура внутренних стенок которого поддерживается за счет протока теплоносителя на уровне ниже точки кристаллизации паров рабочего вещества.The buffer gas stream in the
Теплообменники 17 и 20 первого и второго газовых контуров обеспечивают подогрев или охлаждение протекающей газовой среды. При этом их температура поддерживается на несколько градусов выше, чем температура источника паров рабочего вещества 9.The
Процесс лазерной генерации во втором рабочем режиме занимает значительно меньшее время по сравнению с первым рабочим режимом. Поскольку стенки каналов в центральной части лазерной камеры 1 практически не содержат частиц рабочего вещества на своей поверхности, то их нагрев существенным образом не изменяет концентрации паров рабочего вещества в потоке первого газового контура 2.The laser generation process in the second operating mode takes significantly less time compared to the first operating mode. Since the channel walls in the central part of the
В конце процесса лазерной генерации источник оптической накачки выключается и происходит переключение трехходовых клапанов 14 и 15 в первый рабочий режим, при котором поток рабочей среды проходит через обводной контур 16. Теплообменник первого газового контура 17 осуществляет охлаждение потока рабочей среды до заданной температуры. Стенки каналов в центральной части кюветы 1 постепенно охлаждаются потоком буферного газа второго газового контура 3 с соответствующим теплообменником 20 и устройством конденсационной очистки 10. Происходит непрерывный мониторинг значения концентрации рабочего вещества в первом газовом контуре 2. При выходе на заданные температурные режимы устройство в случае необходимости обеспечивает повторение цикла с получением лазерной генерации.At the end of the laser generation process, the optical pump source is turned off and the three-
Эффективность работы устройства поясняют приведенные расчетные графики зависимости количества осажденного рабочего вещества в атомных слоях на стенках первого канала в зависимости от времени в первом и втором рабочих режимах (Фиг. 7 и Фиг. 8). Расчеты выполнены для прототипа и для заявляемого устройства. Видно, что в устройстве прототипа (Фиг. 7) стенки канала первого газового потока за 10 часов полностью покрываются рабочим веществом с толщиной пленки 300 атомарных слоев. При включении источника оптической накачки в прототипе происходит резкое испарение рабочего вещества со стенок первого канала в центральной части лазерной камеры. Менее чем за 70 секунд все осажденное рабочее вещество испаряется в поток первого газового контура устройства прототипа. Таким образом, устройство, взятое за прототип, не обеспечивает предотвращение роста концентрации рабочего вещества в составе рабочей среды лазера в процессе работы источника оптической накачки, вызываемого нагревом конструктивных элементов центральной части лазерной камеры.The efficiency of the device is explained by the calculated graphs of the amount of deposited working substance in the atomic layers on the walls of the first channel as a function of time in the first and second operating modes (Fig. 7 and Fig. 8). Calculations are performed for the prototype and for the inventive device. It can be seen that in the prototype device (Fig. 7), the channel walls of the first gas stream are completely covered with a working substance with a film thickness of 300 atomic layers in 10 hours. When you turn on the optical pump source in the prototype, a sharp evaporation of the working substance from the walls of the first channel in the Central part of the laser chamber. In less than 70 seconds, all deposited working substance is vaporized into the flow of the first gas circuit of the prototype device. Thus, the device, taken as a prototype, does not prevent the growth of the concentration of the working substance in the composition of the working medium of the laser during the operation of the optical pump source caused by heating of structural elements of the Central part of the laser chamber.
В случае работы заявляемого устройства в первом рабочем режиме потока рабочей среды не контактирует со стенками первого канала за исключением моментов времени переключения трехходовых клапанов из одного положения в другое и времени работы оптического источника накачки (Фиг. 9). Таки образом практически полностью исключается длительное осаждение паров рабочего вещества на стенки каналов в центральной части лазерной камеры. В качестве примера сделан расчет осаждения паров рабочего вещества на стенках первого канала в процессе переключения трехходовых клапанов из первого рабочего режима во второй. Из представленного на Фиг. 10 графика видно, что за характерное время переключения трехходовых клапанов из первого рабочего режима во второй ~60 секунд стенки канала первого газового контура в центральной части лазерной камеры не успевают полностью покрыться моноатомарным слоем рабочего вещества. Даже за время порядка 5 минут на стенках канала первого газового контура оседает не более 4 атомарных слоев рабочего вещества. При включении источника оптической накачки осевшие слои испаряются за время менее 3 секунд.In the case of operation of the inventive device in the first operating mode, the flow of the working medium does not contact the walls of the first channel, with the exception of the time when the three-way valves switch from one position to another and the operating time of the optical pump source (Fig. 9). In this way, prolonged deposition of the working substance vapor on the channel walls in the central part of the laser chamber is almost completely eliminated. As an example, the calculation of vapor deposition of the working substance on the walls of the first channel in the process of switching three-way valves from the first operating mode to the second is made. From the one shown in FIG. Figure 10 shows that for the characteristic time of switching the three-way valves from the first operating mode to the second ~ 60 seconds, the channel walls of the first gas circuit in the central part of the laser chamber do not have time to completely cover with a monoatomic layer of the working substance. Even in a time of the order of 5 minutes, no more than 4 atomic layers of the working substance settle on the walls of the channel of the first gas circuit. When the optical pump source is turned on, the deposited layers evaporate in less than 3 seconds.
Таким образом заявляемое устройство в достаточной мере предотвращает рост концентрации рабочего вещества в составе рабочей среды лазера в процессе работы источника оптической накачки, вызываемого нагревом конструктивных элементов центральной части лазерной камеры.Thus, the inventive device sufficiently prevents the growth of the concentration of the working substance in the composition of the working medium of the laser during the operation of the optical pump source, caused by the heating of the structural elements of the Central part of the laser chamber.
При работе устройства заявляемый основной технический результат обеспечивается за счет применения трехходовых клапанов 14 и 15 с обводным контуром 16 в составе системы для циркуляции рабочей среды газового лазера.When the device is operating, the claimed main technical result is achieved through the use of three-
В примере конкретного выполнения устройство представляет собой систему для циркуляции рабочей среды газового лазера с поперечной оптической накачкой. В качестве источника оптической накачки используется высокоэффективный источник ближнего ИК диапазона. Трехходовые клапаны управляются электроприводом через магнитную муфту. В качестве теплообменника используется кожухотрубный теплообменник с кремнийорганическим теплоносителем и внешним устройством охлаждения. Рабочая среда и буферный газ находятся в газовых контурах при давлении, превышающем одну атмосферу. Рабочее вещество имеет температуру плавления, более 30°С, и химически не взаимодействует с компонентами газовой рабочей среды, буферным газом и конструктивными элементами заявляемого устройства в широком диапазоне температур. Узел измерения концентрации паров рабочего вещества обеспечивает непрерывное измерение концентрации рабочего вещества в обоих рабочих режимах, а также в случаях приключения режимов между собой. Устройство конденсационной очистки выполнено на основе теплообменника с развитой поверхностью и водяным охлаждением. Скорости прокачки рабочей среды по первому газовому контуру и буферного газа по второму газовому контуру не превосходят скорости звука.In a specific embodiment, the device is a system for circulating a working medium of a transverse optical pumped gas laser. As a source of optical pumping, a highly efficient source of near-IR range is used. Three-way valves are controlled by an electric actuator through a magnetic coupling. A shell-and-tube heat exchanger with an organosilicon coolant and an external cooling device is used as a heat exchanger. The working medium and the buffer gas are in the gas circuits at a pressure exceeding one atmosphere. The working substance has a melting point of more than 30 ° C, and does not chemically interact with the components of the gas medium, the buffer gas and the structural elements of the claimed device in a wide temperature range. The unit for measuring the concentration of the working substance vapor provides a continuous measurement of the concentration of the working substance in both operating modes, as well as in cases of adventure of the modes among themselves. The condensation cleaning device is based on a heat exchanger with a developed surface and water cooling. The pumping speeds of the working medium along the first gas circuit and the buffer gas along the second gas circuit do not exceed the speed of sound.
Использование заявляемого изобретения по сравнению с известными устройствами обеспечивает качественно новые технические и эксплуатационные характеристики по сравнению с наиболее прогрессивными отечественными и зарубежными аналогами.The use of the claimed invention in comparison with known devices provides a qualitatively new technical and operational characteristics in comparison with the most progressive domestic and foreign counterparts.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125692A RU2722864C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | System for circulation of working medium of gas laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125692A RU2722864C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | System for circulation of working medium of gas laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2722864C1 true RU2722864C1 (en) | 2020-06-04 |
Family
ID=71067494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019125692A RU2722864C1 (en) | 2019-08-13 | 2019-08-13 | System for circulation of working medium of gas laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2722864C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4718071A (en) * | 1985-12-16 | 1988-01-05 | Asulab S.A. | Gas laser equipped with triple function valves |
RU2536095C1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | System for restoring gas composition and pressure in laser |
US9653869B1 (en) * | 2012-10-26 | 2017-05-16 | University Of New Hampshire | Optical surface preservation techniques and apparatus |
US20180301862A1 (en) * | 2017-04-17 | 2018-10-18 | Fanuc Corporation | Laser machining device |
-
2019
- 2019-08-13 RU RU2019125692A patent/RU2722864C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4718071A (en) * | 1985-12-16 | 1988-01-05 | Asulab S.A. | Gas laser equipped with triple function valves |
US9653869B1 (en) * | 2012-10-26 | 2017-05-16 | University Of New Hampshire | Optical surface preservation techniques and apparatus |
RU2536095C1 (en) * | 2013-05-31 | 2014-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | System for restoring gas composition and pressure in laser |
US20180301862A1 (en) * | 2017-04-17 | 2018-10-18 | Fanuc Corporation | Laser machining device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8872142B2 (en) | Extreme ultraviolet light generation apparatus | |
RU2521737C2 (en) | Control method and device of fluid medium temperature and flow rate | |
KR20210080552A (en) | Coating Apparatus, Process Chamber, and Method of Coating Substrates and Substrates Coated with One or More Layers of Material | |
JP7269889B2 (en) | Radiation source module and lithographic apparatus | |
TWI818081B (en) | An exhaust gas purification device | |
RU2722864C1 (en) | System for circulation of working medium of gas laser | |
US7246497B2 (en) | Mist generation, freezing, and delivery system | |
KR100293836B1 (en) | By air current | |
US20140023100A1 (en) | Metal vapor circulating system | |
EP0509844B1 (en) | Apparatus for cooling electronic equipment | |
JP4246343B2 (en) | Gas atmosphere forming apparatus and gas atmosphere forming method | |
TWI819097B (en) | An exhaust gas purification device | |
JP2001193900A5 (en) | ||
JP2005211742A (en) | Contaminant removing apparatus | |
Tada et al. | A new concept of porous thermoelectric module using a reciprocating flow for cooling/heating system | |
KR20090040001A (en) | Power trap for semiconductor or lcd equipment | |
JPH07122800A (en) | Continuous gas control type excomer laser device | |
Makarov et al. | Numerical simulation of energy separation of low-Prandtl gas mixture flowing in the finned single Leontiev tube | |
KR102304343B1 (en) | Cooling system installed in particle counter in the fluid | |
TWI855055B (en) | Contamination trap, debris mitigation system for use in radiation source, radiation source for producing radiation, lithographic system, and method of manufacturing of contamination trap for use in debris mitigation system of radiation source | |
TWI811455B (en) | An exhaust gas purification system | |
Cabrera et al. | Use of Genetic Algorithms to Extract Fundamental Heat Transfer Performance Parameters From Evaporative Cooler Test Data | |
JPH04118980A (en) | Laser gas cooler for co gas laser | |
RU2259224C1 (en) | Air purifier | |
SU1460545A1 (en) | Method of treating air in a room |