SU649273A1

SU649273A1 - Gas discharge tube of gas laser

Info

Publication number: SU649273A1
Application number: SU762427373A
Authority: SU
Inventors: А.Н. Власов; В.А. Перебякин; Г.Т. Тимошенко
Original assignee: Предприятие П/Я В-8769
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1992-08-30

Description

Изобретение относитс к квантовой электронике и может бЬ1ть использовано при производстве газовых лазеров с поперечным разр дом,The invention relates to quantum electronics and can be used in the manufacture of gas lasers with transverse discharge,

Известна конструкци газового лазера с активным элементом, в котором дл обеспечени равномерной эмиссии с поверхности катода последний выполнен секционированным и составлен через изол торы из нескольких по следовательно расположенных цилиндров одинакового диаметра, подключенных через разные сопротивлени к источнику питани .A known design of a gas laser with an active element, in which, in order to ensure uniform emission from the cathode surface, the latter is made partitioned and composed through insulators of several consequently arranged cylinders of the same diameter connected through different resistances to the power supply.

Така конструкци активного элемента с холодным катодом имеет недостатки , которые не позвол ют примен ть ее в стабильных газовых лазерах как с продольным, так и с поперечным тлеющим разр дом. Увеличение числа элементов снижает надежность работы прибора, усложн ет технологию изготовлени и эксплуатацию конструкции , что не дает положительного эффекта по увеличению ресурса работы завис щего от долговременной ста бильности разр да.Such a cold cathode active element design has drawbacks that prevent its use in stable gas lasers with both longitudinal and transverse glow discharges. The increase in the number of elements reduces the reliability of the device, complicates the technology of manufacturing and operation of the structure, which does not give a positive effect on increasing the service life of the discharge, depending on the long-term stability.

Если в начальный момент работы активного элемента и обеспечиваетс однородный по всей длине катода тлеющий разр д, то в результате того, что им покрыта вс поверхность катода стационарность разр да вследствие внешних воздействий будет нарушена, и разр д постепенно сконцентрируетс на небольшом участке катода.If a glow discharge is uniform throughout the cathode at the initial moment of operation of the active element, as a result of covering the entire surface of the cathode with it, the discharge will be disturbed due to external influences and the discharge will gradually concentrate on a small portion of the cathode.

Известна также газоразр дна трубка газового лазера с поперечным р дом, содержаща разр дный канал с эктивной средой и расположенные вдол разр дного канала анод и катод, R ко торой тлеющий разр д в газовой смеси осуществл етс поперечным полем между холодным полмм продолговатым катодом и проволочным анодом, помещенным в продольную щель катода по всей ее длине параллельно оси разр дной трубки на рассто нии от катода, равном его внутреннему радиусу, В данной конструкции даже при при менении специального профил продолговатого катода так же, как и в предыдущей конструкции, не может быть осуществлен долговременный стабильный разр д, Лл получени долговременного стационарного разр да в такой конструкции необходимо обеспечит нормальный тлеющий разр д. Действительно , как следует из закона Гел если вследствие большого внешнего сопротивлени сила тока в тлеющем разр де невелика, то рабоча поверхность катода пропорциональна силе тока, т.е. j о величина посто нна , где j - плотность тока, А/см2; I - рабочий ток. А; S - площадь эмитирующей поверхности катода, см, Тогда катодное падение напр жени Икагэт будет также величиной посто нной , Б этом случае зар дна нейтральность стационарного разр да обес печиваетс тем, что нескомпенсированный oбъeмны зар д создает дополнительное электрическое поле, которо выравнивает зар дность до динамического равновеси . При слабом поле, действующем в стационарном разр де, ускор емые им электроны вскоре тер ю заметную долю составл ющей направлен ного движени вследствие непрерывног столкновени между собой и с атомами газа. В аномальном тлеющем разр де, когда поверхность холодного катода вс покрываетс свечением, Vitatr} растет пропорционально току. В этом слу чае разр д равномерно покрывает поверхность катода в какой-то определе ный промежуток времени. Затем, когда вследствие внешних воздействий, например радиоактивной ионизации, плот ность тока в какой-то точке катода окажетс большер чем в окружающей среде, разр д становитс неустойчивым , так как условие стационарности в этой точке может быть выполнено при меньшем катодном падении, нем в других точках. Но так как напр жение еще велико дл поддержани большого катодного падени в окружающей среде, где пространственный зар д слабее, то в этог точке образуетс больше ионов, чем их необходимо дл обеспечени стационарного разр да, т.е. ток в этой точке растет, Одновременно растет общий ток разр да, так как в рассматриваемой точке растет число образующихс и переносимых к электродам зар женных частиц . С ростом тока увеличиваетс и внешнее падение потенциала, а потенциал разр дного промежутка уменьшаетс , Поэтому приложенное к электродам напр жение становитс недостаточным дл поддержани услови стационарности в окружающем точку пространстве . В нем образуетс все меньше ионов, чем нужно дл сохранени плотности стационарного зар да, и она прогрессирующе уменьшаетс , Меньша плотность тем более не может остатьс стационарной. Разр д концентрируетс , т.е. на некоторых участках поверхности катода плотность тока увеличиваетс до величинЫг соответствующей установившемус мини- мальному напр жению, а на других участках уменьшаетс до нул а это приводит к интенсивному распылению катода и изменению параметров рабочей среды. Цель изобретени - повышение стабильности разр да. Это достигаетс тем, что на рабочую поверхность анода нанесена полупровод ща пленка с удельным сопротивлением , большим, чем удельное динамическое сопротивление рабочего плазменного столба в разр дном канале , а также тем что полупровод ща пленка на рабочей поверхности анода выполнена из двуокиси магни . Увеличение стабильности выходных параметров непрерывного излучени предлагаемого газового лазера с поперечным разр дом достигаетс за счет увеличени стабильности разр да в рабочем канале его активнсгго элемента . 5-6 На чертеже изображена предлагаема газоразр дна трубка, общий вид (один из вариантов). Газоразр дна трубка содержит выходные оптические узлы 1 (выходные окна или отражатели), расположенные вдоль разр дного канала 2 напротив друг друга, катод 3 и анод , на который нанесена стабилизирую ща разр д полупровод ща пленка S, выполненна , например, из двуокиси магни . Прот женные электроды (катод 3 и анод i), между которыми воз никает разр д, разделены боковыми стенками 6 разр дного канала. Благодар нанесению на анод полу провод щей пленки, удельное сопроти ление которой больше, чем удельное динамическое сопротивление рабочего плазменного столба, осуществл етс стабилизаци активного разр да. Воз можность шнуровани разр да здесь устран етс , так как, если в какоймомент его стационарность случайно нарушаетс , зар дна нейтральность разр да сразу же и восстанавливаетс вследствие перераспределени нос телей в активной среде вдоль рабоче поверхности анода. Кроме того, в данном устройстве в св зи с наличие на аноде полупровод щей пленки не требуетс включени в цепь питани активного элемента балластных сопротивлений , следовательно релаксационные электрические колебани в устройстве и возможность их по влени свод тс практически к минимуму т.е. разр д еще более стабилизируетс , Границы разр да в таком устройстве Могут быть ограничены дл достижени еще большей стабильности ра р да, не показанной на чертеже сет кой, на поверхность которой нанесен полупровод ща плeнka с удельной npoвoдимoctью, меньшей удельной дин мической проводимости охватывающего ее газового разр да. Сетка располагаетс между анодом и катодом. Оболочкой активного элемента газового лазера могут быть при определенном конструктивном сочетании анод, като и раздел ющие их стенки разр дного канала. Возможно и самосто тельное конструктивное выполнение оболочки, поэтому на чертеже не показана, При применении в данном устройстве макального катода оно пригодно как дл активных элементов тлеющего разр да, так и дугового разр да. При использовании холодного катода оно применимо дл активных элементов тлеющего разр да, причем дл поддержани стационарности этого разр да необходимо демпфировать случайные колебани плотности тока и на поверхности катода, этого вдоль рабочей поверхности катода необходимо создать (в зависимости от конструкции) одну или несколько зон, обладающих несколько большим сопротивлением распространению газового разр да, чем его растекание по этой поверхности , дл того, чтобы не вс поверхность катода была бы покрыта разр дом, т.е. чтобы разр д не концентрировалс На отдельных участках катода. Эти зоны могут бытьобразованы , например, при снабжении катода диэлектрическими экранами или при выполнении рабочей поверхности катода в виде гофры. При этом оптимальную конструкцию катодного узла надежнее всего определ ть эксперимен- , тально методом моделировани . Устройство применимо также и дл газовых лазеров с СВЧ закачкой. Предложенна конструкци газоразр дной трубки непрерывного действи с поперечным разр дом на посто нном токе со стабильными выходными параметрами излучени открывает возможность широкого использовани поперечного разр да при разработках газовых лазеров, Вследствие того, что в предложенной конструкции возможно обеспечение стабильного рабочего разр да при расположении электродов активного элемента вдоль всего разр дного канала напротив друг друга, в этом случае внутри него при температурных изменени х окружающей среды нестационарность разр да сводитс к минимуму , т,е, предлагаемое устройство позвол ет облегчить разработку устойчивых к климатическим воздействи м газовых лазеров. Использование поперечного разр да по сравнению с продольным позвол ет снизить напр жение накачки до величины пор дка дес тков вольт, т.е. значительно упростить разработку и изготовление источников питани газовых лазеров, В предложенном устройстве практически отсутствует продольный дрейфAlso known is a gas discharge tube of a gas laser with a transverse row, containing a discharge channel with an active medium and an anode and a cathode located along the length of the discharge channel, the R of which the glow discharge in the gas mixture is carried out by a transverse field between the cold field and an elongated cathode and wire anode placed in the longitudinal slit of the cathode along its entire length parallel to the axis of the discharge tube at a distance from the cathode equal to its internal radius. In this design even with the use of a special profile of an elongated cathode as well as in the previous construction, a long-term stable discharge cannot be realized, Ll of obtaining a long-term stationary discharge in such a construction it is necessary to provide a normal glow discharge. Indeed, as follows from the law of gel, if due to a large external resistance the current in the glow If the discharge is small, then the working surface of the cathode is proportional to the strength of the current, i.e. j o the value is constant, where j is the current density, A / cm2; I - working current. BUT; S is the area of the cathode emitting surface, cm. Then the Ikaget cathode voltage drop will also be a constant value. In this case, the neutrality of the stationary discharge is ensured by the fact that an uncompensated charge creates an additional electric field that balances the charge to the dynamic balance With a weak field acting in a stationary discharge, the electrons accelerated by it will soon have a noticeable fraction of the directional motion component due to continuous collision between themselves and with the gas atoms. In an anomalous glow discharge, when the surface of the cold cathode is completely covered with luminescence, Vitatr} grows in proportion to the current. In this case, the discharge evenly covers the surface of the cathode for some definite period of time. Then, when due to external influences, such as radioactive ionization, the current density at some point of the cathode will be greater than in the environment, the discharge becomes unstable, since the condition of stationarity at this point can be fulfilled with a smaller cathode drop, it is in others points. But since the voltage is still high to maintain a large cathodic drop in the environment where the spatial charge is weaker, more ions are generated at this point than they are needed to ensure a steady discharge, i.e. the current at this point rises. At the same time, the total current of the discharge rises, since at the point in question the number of charged particles transferred to the electrodes increases. As the current increases, the external potential drop also increases, and the potential of the discharge gap decreases. Therefore, the voltage applied to the electrodes becomes insufficient to maintain the stationary condition in the space surrounding the point. It produces less and less ions than is necessary to maintain the density of a stationary charge, and it progressively decreases. Less density all the more cannot remain stationary. The discharge is concentrated, i.e. in some areas of the cathode surface, the current density increases to the magnitude of the corresponding steady-state minimum voltage, and in other areas decreases to zero and this leads to intensive sputtering of the cathode and changes in the parameters of the working medium. The purpose of the invention is to increase the stability of the discharge. This is achieved by applying a semiconductor film with a specific resistance to the working surface of the anode, greater than the specific dynamic resistance of the working plasma column in the discharge channel, and also the semiconductive film on the working surface of the anode of magnesium dioxide. The increase in the stability of the output parameters of the continuous radiation of the proposed gas laser with transverse discharge is achieved by increasing the stability of the discharge in the working channel of its active element. 5-6 In the drawing, the proposed gas discharge tube, a general view (one of the options). The gas discharge tube contains optical output nodes 1 (exit windows or reflectors) located along the discharge channel 2 opposite each other, the cathode 3 and the anode on which the semiconductive film S is stabilized by discharge, made, for example, of magnesium dioxide. The extended electrodes (cathode 3 and anode i), between which the discharge arises, are separated by the side walls of discharge channel 6. By depositing a semi-conducting film on the anode, the specific resistivity of which is greater than the specific dynamic resistance of the working plasma column, the active discharge is stabilized. The possibility of discharge stringing is eliminated here, since if at any time its stationarity is accidentally disturbed, the charge neutrality of the discharge is immediately and restored due to the redistribution of carriers in the active medium along the working surface of the anode. In addition, due to the presence of a semiconducting film on the anode, this device does not require the inclusion of ballast resistances in the power circuit of the active element, therefore, the relaxation electric oscillations in the device and the possibility of their appearance are minimized. The discharge is even more stabilized. The discharge boundaries in such a device may be limited to achieve even greater stability of the grid, not shown in the drawing, on the surface of which a semiconducting film is deposited with a specific conductivity less than the specific conductivity of the gas surrounding it. bit The grid is located between the anode and the cathode. The shell of the active element of a gas laser can be at a certain structural combination of the anode, the cathode and the walls of the discharge channel separating them. A self-contained structural embodiment of the shell is also possible; therefore, it is not shown in the drawing. When a mapping cathode is used in this device, it is suitable for both active elements of a glow discharge and an arc discharge. When using a cold cathode, it is applicable to active elements of a glow discharge, and to maintain the stationarity of this discharge, it is necessary to damp random fluctuations of the current density and on the cathode surface, this along the working surface of the cathode must create (depending on the design) one or more zones possessing somewhat greater resistance to the propagation of a gas discharge than its spreading over this surface, so that not the entire surface of the cathode would be covered with discharge, i.e. so that the discharge is not concentrated In certain areas of the cathode. These zones can be formed, for example, when the cathode is supplied with dielectric screens or when the working surface of the cathode is made in the form of corrugations. In this case, the optimal design of the cathode assembly is most reliably determined experimentally by the simulation method. The device is also applicable to gas lasers with microwave injection. The proposed design of a continuous-discharge gas discharge tube with a transverse discharge on a direct current with stable output radiation parameters makes it possible to make wide use of the transverse discharge in the development of gas lasers. Due to the fact that the proposed design provides a stable working discharge along the entire discharge channel opposite each other, in this case inside it, with temperature changes of the environment, nest -stationary discharge is minimized, t, e, the proposed device allows to facilitate the development of stable climatic exposure meters of gas lasers. The use of a transverse discharge compared to a longitudinal one allows one to reduce the pump voltage to a value of the order of ten volts, i.e. greatly simplify the development and manufacture of power sources for gas lasers. In the proposed device there is practically no longitudinal drift

носителей, что делает такие элементы удобными дл использовани в кольцевых газовых лазерах. Но особенно данное устройство перспективно дл создани стабильных мощных газовых лазеров ,carriers, which makes such elements suitable for use in ring gas lasers. But this device is especially promising for creating stable high-power gas lasers,

ЖF

1- - . . . one- - . . .

Claims

1. A GAS DISCHARGE TUBE of a GAS LASER with a transverse discharge, containing a discharge channel with an active medium and anode and cathode located along the discharge channel, characterized in that, in order to increase the discharge stability, a semiconducting film with a resistivity of than the specific dynamic resistance of the working plasma column in the discharge channel.

2. The tube according to claim 1, characterized in that the semiconducting film on the working surface of the anode is made of magnesium dioxide, '