Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В ГАЗОВОМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ И ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В ГАЗОВОМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ И ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В ГАЗОВОМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ И ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение реализуется на эксимерных, Ar-Xe- и других лазерах и позволяет исключить коммутирующие элементы из основной цепи энергопитания, уменьшить энергию для предварительной ионизации и формирования разряда, повысить электропрочность и умеьшить индуктивность разрядной камеры, создать компактный газовый контур, и как следствие, поднять энергию и мощность лазера. Сущность изобретения: по способу прокачивают лазерную среду в двух последовательно соединенных межэлектродных промежутках с общим электродом 13, создают квазистационарную разность потенциалов между основными электродами 8, 9, размножают начальную концентрацию электронов преимущественно в одном из промежутков, подают высоковольтный импульс на общий электрод 13, последовательно во времени формируют предварительный разряд сначала в первом 6, затем во втором 7 промежутках при смене потенциала на электроде 13 и напряженности электрического поля, в 1,5 и более раза превышающей среднюю между электродами 8, 9. Корпус 3 разрядной камеры выполнен из двух полостей 20, в каждой расположен свой промежуток 6, 7. К электродам 8, 9 непосредственно подсоединен двухполярный основной источник 1, 2 с заземленной средней точкой 32, соединенной с электродом 13 через индуктивность 33. Емкости 10, 11 дополнительного контура 12 подсоединены к электродам 13, 8, 9. Один или два симметрично расположенных газовода 17 замыкают встречные потоки 31 газа в двух полостях 20. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029423
Класс(ы) патента: H01S3/09, H01S3/097
Номер заявки: 5041851/25
Дата подачи заявки: 13.05.1992
Дата публикации: 20.02.1995
Заявитель(и): Боровков В.В.; Воронин В.В.; Воронов С.Л.; Жеребцов В.Е.; Иванов В.В.; Лажинцев Б.В.; Нор-Аревян В.А.; Тананакин В.А.; Федоров Г.И.
Автор(ы): Боровков В.В.; Воронин В.В.; Воронов С.Л.; Жеребцов В.Е.; Иванов В.В.; Лажинцев Б.В.; Нор-Аревян В.А.; Тананакин В.А.; Федоров Г.И.
Патентообладатель(и): Лажинцев Борис Васильевич
Описание изобретения: Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к способу и устройству возбуждения импульсно-периодических лазеров, и может быть использовано в pешении технологических, медицинских, экологически и лазерно-химических задач. Особенно предпочтительно использовать заявляемое устройство для лазерно-активных сред на основе ХеCl, KrF, Ar-Xe, CO2 и др.
Известны способ работы электроразрядного импульсно-периодического лазера с накачкой объемным самостоятельным разрядом и устройство для его осуществления. Способ включает прокачку газовой лазерной среды в межэлектродном промежутке, периодическое создание ионизирующего излучения в межэлектродном промежутке, увеличение за время, сравнимое с длительностью разряда накачки, разности потенциалов электрического поля между электродами до величины, необходимой для формирования объемного разряда с помощью основного импульсного источника энергопитания, при этом интервал времени между двумя последовательными циклами создания разности потенциалов электрического поля выбирают больше времени исчезновения электрических носителей из областей межэлектродных промежутков, и вывод лазерного излучения из области разряда. В устройстве, реализующем этот способ на эксимерной лазерной среде, общие внешние поверхности корпуса разрядной камеры и газовода выполнены в виде металлического цилиндра, а общие внутренние поверхности - в виде диэлектрического цилиндра. Оси цилиндров смещены, в области минимального расстояния между поверхностями цилиндров в образовавшейся полости размещена электродная система, а в области максимального расстояния - теплообменник. Между электродной системой и теплообменником с одной стороны полости размещены вентиляторы. Электродная система включает два основных электрода, один из которых непосредственно подключен к основному источнику энергопитания - зарядному устройству, а другой электрод через тиратрон. Кроме того, основные электроды через минимальную индуктивность подключены к электрической формирующей линии. Вниз по потоку от электродной системы расположена система, создающая ионизирующее излучение в межэлектродном промежутке на основе коронного разряда с включением от дополнительного тиратрона. Электрическая формирующая линия расположена внутри диэлектрического цилиндра. После включения прокачки при периодическом срабатывании тиратронов, один из которых включает систему ионизации, а другой подключает основной электрод к основному источнику энергопитания, в промежутке возникает начальная концентрация носителей заряда, а на электродах увеличивается разность потенциалов при зарядке формирующей линии за время, сравнимое с длительностью разряда (около сотни наносекунд). По достижении определенной разности потенциалов формируется объемный самостоятельный разряд, а электрическая формирующая линия разряжается на плазму разряда за время около сотни наносекунд. С помощью оптического резонатора лазерное излучение выводится из объема активной среды (патент США N 4611327, кл. Н 01 S 3/097, 1986).
К недостаткам данных способа и устройства следует отнести трудности создания увеличивающейся за время, сравнимое с длительностью разряда накачки, разности потенциалов электрического поля между электродами до величины, необходимой для формирования самостоятельного объемного разряда с помощью основного импульсного источника энергопитания - зарядного устройства при перебросе запасенной в нем электрической энергии в электрическую формирующую линию, напряженный режим работы тиратрона, периодически коммутирующего энергию, запасенную в зарядном устройстве для переброса ее в электрическую формирующую линию. При увеличении коммутируемой энергии возникают большие сложности из-за снижения надежности тиратрона и ресурса его работы. Увеличение энергетики устройства приводит к сложностям с размещением линии внутри диэлектрического цилиндра, что вызывает увеличение диаметров внутреннего и наружного цилиндров, т. е. объема и веса лазера и его газоводов. Возникают трудности с вводом высокого напряжения в разрядную камеру, так как к изолятору высоковольтного электрода приложено полное зарядное напряжение. В устройстве сложно разместить по крайней мере еще одну электродную систему из-за проникновения в ее межэлектродный промежуток теплового следа от первой, что затрудняет формирование в ней объемного разряда.
В другом устройстве, реализующем указанный способ на эксимерной лазерной среде, разрядная камера представляет собой два независимых идентичных объема, имеющих общий заземленный электрод и два высоковольтных электрода, укрепленных на диэлектрических крышках, образующих часть наружной стенки разрядной камеры. Вверх и вниз по потоку диэлектрические крышки соприкасаются с металлическим корпусом камеры, который переходит в замкнутый газовый контур. Оба газоразрядных объема имеют идентичные искровые промежутки для создания ионизирующего излучения и идентичные системы накачки, расположенные по обе стороны от общего заземленного электрода. Газовый поток в обоих объемах направлен в одну и ту же сторону, в результате чего газоводы охватывают либо одну, либо обе электрические системы накачки. Высоковольтный электрод каждого объема непосредственно подключен к основному источнику энергопитания - конденсаторной батарее и через искровой промежуток - к обострительной емкости. Общий заземленный электрод подключен к обострительной емкости и через коммутатор-тиратрон к основному источнику энергопитания. После включения прокачки при периодическом срабатывании тиратрона происходит пробой искровых промежутков, создающих ионизирующее излучение, через искры происходит зарядка обострительной емкости и увеличение разности потенциалов электрического поля между основными электродами за время, сравнимое с длительностью разряда (около сотни наносекунд). По достижении определенной разности потенциалов формируется объемный самостоятельный разряд, а обострительная емкость и основной источник энергопитания разряжаются на плазму разряда за время около сотни наносекунд. Достигнутая степень синхронизации ≈ 5 нс источников энергопитания в обоих объемах позволяет формировать объемные разряды в обоих промежутках практически одновременно. С помощью оптического резонатора лазерное излучение выводится из объема активной среды (Квантовая электроника, т. 14, N 5, 1987, с. 936-942).
К недостаткам данного устройства следует отнести трудности создания увеличивающейся за время, сравнимое с длительностью разряда накачки, разности потенциалов между электродами до величины, необходимой для формирования самостоятельного объемного разряда с помощью основного импульсного источника энергопитания - конденсаторной батареи при перебросе запасенной в нем электрической энергии в обострительную емкость, напряженный режим работы тиратрона, периодически коммутирующего энергию, запасенную в конденсаторной батарее, для переброса ее в обострительную емкость. При увеличении энергии надежность и ресурс работы тиратрона снижаются. Из-за охвата газоводами электрических систем лазера увеличивается объем используемой лазерной среды. Возникают трудности с вводом высокого напряжения в разрядную камеру, так как к изолятору высоковольтного электрода приложено полное зарядное напряжение.
Известны способ работы электроразрядного лазера с накачкой объемным самостоятельным разрядом и устройство для его осуществления. Способ включает увеличение за время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки, разности потенциалов электрического поля между электродами, создание ионизирующего излучения в межэлектродном промежутке, подачу высоковольтного импульса с помощью дополнительного электрического контура на один из электродов для формирования в промежутке самостоятельного объемного разряда, вывод лазерного излучения из области разряда. В устройстве, реализующем этот способ на эксимерной лазерной среде, один из электродов подключен непосредственно к основному источнику энергопитания и к источнику предварительного самостоятельного разряда, другой электрод подключен к источнику энергопитания через магнитный коммутатор и к источнику предварительного разряда через управляемый разрядник. Источником ионизирующего излучения в межэлектродном промежутке является искровой скользящий разряд, излучение которого проходит в промежуток через сетчатый катод. После увеличения за время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки, разности потенциалов между электродами, т.е. зарядки основного источника энергопитания до необходимого напряжения, срабатывает источник ионизирующего излучения, и через ≈150 нм с помощью дополнительного электрического контура - источника предварительного разряда на один из электродов подают высоковольтный импульс. Между электродами формируется слаботочная фаза самостоятельного объемного разряда - предварительный разряд. На полученную плазму начинает разряжаться основной источник энергопитания, ток разряда увеличивается и по достижении им величины тока насыщения магнитного коммутатора (насыщающегося дросселя) индуктивность коммутатора падает. В результате этого резко увеличивается разрядный ток и источник энергопитания эффективно разряжается на плазму самостоятельного объемного разряда (Квантовая электроника, т. 17, N 1, 1990, с. 35-39.).
К недостаткам данных способа и устройства следует отнести сложности с подачей высоковольтного импульса с помощью дополнительного электрического контура, конструктивные сложности, связанные с изготовлением и малоиндуктивным размещением магнитного коммутатора, рассчитанного на полную энергетику источника, снижение КПД устройства накачки из-за потерь электрической энергии в коммутаторе и неоптимальности формы токового импульса через разрядный промежуток, необходимость коммутации довольно большой части (20-30%) электрической энергии, запасенной в дополнительном контуре, по сравнению с основным источником энергопитания. При увеличении энергетики устройства эти недостатки проявляются сильнее.
Известны способ работы электроразрядного лазера с накачкой комбинированным разрядом и устройство для его осуществления. Способ включает создание двумя основными разнополярными источниками энергопитания постоянного напряжения U1 разности потенциалов электрического поля между двумя основными электродами двух последовательно соединенных межэлектродных промежутков с общим электродом, одновременную подачу высоковольтного импульса на оба основных электрода с помощью дополнительного электрического контура, заряженного до напряжения U2>> U1, для одновременного формирования в обоих промежутках самостоятельного объемного разряда при одинаковой для обоих промежутков величине напряженности электрического поля, создаваемой высоковольтным импульсом и основным источником энергопитания за счет выбора соответствующего расстояния между основным и общим электродами в каждом промежутке, вывод основной энергетики квазистационарного лазерного излучения из области несамостоятельного разряда. В устройстве, реализующем этот способ на активной среде СО2-лазера, два основных электрода установлены параллельно, каждый из них через свое сопротивление подключен к своему источнику постоянного напряжения U1, причем полярности напряжения источников противоположны, а между основными электродами установлен общий непосредственно заземленный электрод. Два последовательно соединенных конденсатора подсоединены к основным электродам, а их общая точка соединена через сопротивление с общим электродом и через коммутатор с источником импульсного напряжения U2 >> U1 дополнительного электрического контура. Расстояния l1 и l2между поверхностями электродов в промежутках связаны соотношением l1-l2 = l1+ l . Енс, где Ен - напряженность электрического поля, создаваемая между основными электродами источниками постоянного напряжения; Ес - напряженность электрического поля, создаваемая между электродами источником импульсного напряжения, причем Ес >> Ен. После включения источником постоянного напряжения и зарядки конденсаторов до напряжения +U1 и -U1 соответственно создают ионизирующее излучение в промежутках и подают импульс высокого напряжения на общую точку последовательно соединенных конденсаторов. Этот высоковольтный импульс через эти конденсаторы поступает на межэлектродные промежутки, пробивает их, и в них развивается самостоятельный объемный разряд, далее при разрядке конденсаторов он переходит в несамостоятельный, поддерживаемый источниками постоянного напряжения. При работе устройства с прокачкой и периодическом включении высоковольтного импульса может быть реализован режим непрерывной работы лазера (авт.св. СССР N 1102455, кл. Н 01 S 3/097, 20.12.82).
К недостаткам данных способа и устройства следует отнести сложности с реализацией одновременного пробоя двух промежутков высоковольтным импульсом, что можно осуществить лишь на газовых лазерных смесях, имеющих относительно большое сопротивление плазмы разряда, таких как СО2-лазеры. Использование сопротивлений для развязки высоковольтного импульса от источников постоянного напряжения не позволяет применять такие способ и устройство для эксимерных лазеров, так как возникают большие потери энергии источника накачки на этих сопротивлениях, а также сложность создания большой величины напряжения для одновременного пробоя промежутков. Использование источников постоянного напряжения не позволяет работать с лазерными смесями на основе эксимеров и благородных газов из-за малых сопротивлений плазмы самостоятельного разряда и потери устойчивости разряда при временах накачки 1 мкс. Таким образом, указанные особенности способа и устройства не позволяют применять их для формирования разряда в эксимерных лазерах и лазерах на благородных газах. Кроме того, возникают дополнительные трудности при формировании лазерного излучения с малой расходимостью и шириной линии в двух промежутках с неравными расстояниями между электродами.
Известны способ работы электроразрядного лазера с накачкой комбинированным разрядом и устройство для его осуществления. Способ включает прокачку газовой лазерной среды в двух электрически последовательно соединенных промежутках с общим электродом, создание основным источником энергопитания постоянного напряжения U1 разности потенциалов электрического поля между основными электродами промежутков, периодическую подачу на общий электрод с помощью дополнительного электрического контура, заряженного до напряжения U2 >> U1, высоковольтного импульса, создающего ионизирующее излучение одновременно в обоих промежутках, а затем одновременно формирующего в них самостоятельный объемный разряд при разных для обоих промежутков напряженностях электрического поля, создаваемых высоковольтным импульсом и основным источником энергопитания за счет выбора соответствующего расстояния между основным и общим электродами в каждом промежутке, причем интервал времени между высоковольтными импульсами меньше времени полной убыли заряженных частиц в несамостоятельном pазpяде, и вывод основной энергетики квазистанционного лазерного излучения из области несамостоятельного разряда. В устройстве, реализующем этот способ на активной среде СО2-лазера, электродная система из двух межэлектродных промежутков включает два основных электрода, один из которых заземлен, установленных параллельно и непосредственно подключенных к основному источнику энергопитания - конденсаторной батарее, заряжаемой постоянным напряжением U1, и к последовательно соединенным емкостям дополнительного электрического контура, заряженного до напряжения U2 >> U1, средняя точка которых соединена через коммутатор с общим электродом, установленным между ними. Система предионизации включает ряд последовательно соединенных конденсаторов и искровых промежутков, свободные концы которых подсоединены к основному и общему электродам в каждом межэлектродном промежутке. Расстояния l1 и l2 между поверхностями электродов в промежутках связаны соотношением l2-l1 = ± h, где h = =l2+ l1;A = ± (4-18) коэффициент, учитывающий оптимальные условия накачки;B = ± (45-60) - коэффициент, учитывающий условия зажигания импульсного самостоятельного разряда в межэлектродных промежутках. Газовый поток в обоих промежутках направлен в одну сторону. Конденсаторные батареи основного источника энергопитания и дополнительного электрического контура выполнены в виде отдельных блоков, в результате чего имеют большую индуктивность подсоединения к электродной системе. После зарядки от источников постоянного напряжения основного источника энергопитания и двух последовательно соединенных конденсаторов включают коммутатор. Высокое напряжение зажигает искровые промежутки, в результате чего возникает ионизирующее излучение одновременно в обоих промежутках. По достижении пробивного напряжения в обоих промежутках одновременно формируется самостоятельный объемный разряд, причем потенциал на общем электроде при этом не изменяется. Далее последовательно соединенные конденсаторы и конденсаторы системы предионизации разряжаются на плазму разряда, после чего самостоятельный разряд переходит в несамостоятельный, поддерживаемый основным источником энергопитания, и на этой стадии несамостоятельного разряда вводится основная доля энергии. При уменьшении тока несамостоятельного разряда и мощности генерации до заданной величины снова подают высоковольтный импульс (авт.св. N 713468, кл. Н 01 S 3/09, 20.01.78). Эти способ и устройство как наиболее близкие по технической сущности к изобретению выбраны за прототип.
К недостаткам данных способа и устройства следует отнести трудности с реализацией одновременного пробоя двух промежутков высоковольтным импульсом, что можно осуществить лишь на газовых лазерных смесях, имеющих относительно большое сопротивление плазмы разряда, таких как СО2-лазеры, сложности с получением высоковольтного импульса с напряжением, много большим напряжения основного источника энергопитания, для осуществления одновременного пробоя. Использование источников постоянного напряжения не позволяет работать с лазерными смесями на основе эксимеров и благородных газов из-за малых сопротивлений плазмы разряда, потерь их устойчивости при временах ≥ 1 мкс, перехода объемного разряда в дуговую фазу при наличии остаточного напряжения на промежутке. Большая индуктивность дополнительного электрического контура при разряде последовательно соединенных конденсаторов на разрядные промежутки из-за включения в контур коммутатора и выполнения всего контура в виде отдельного блока существенно затрудняет формирование объемной стадии разряда в эксимерных лазерах и лазерах на благородных газах. Возникают трудности при формировании лазерного излучения в оптическом резонаторе в двух промежутках с неравными расстояниями между электродами, особенно при получении самой угловой расходимости и ширины линии генерации, и вводе высокого напряжения в разрядную камеру, так как к изолятору высоковольтного электрода приложено полное зарядное напряжение. Газоввод, соединяющий вход и выход разрядной камеры, должен иметь достаточный объем, быть материалоемким, что в результате значительно увеличивает объем используемой лазерной среды. Таким образом, указанные особенности способа и устройства не позволяют применять их для формирования разряда в эксимерных лазерах и лазерах на благородных газах.
Задачами, на решение которых направлены заявляемые способ и устройство, являются формирование самостоятельного объемного разряда в эксимерных смесях и смесях на основе благородных газов в лазерах с большой запасаемой энергетикой ( 50 Дж) и объемами активной среды ( 0,5 л) при энерговводах от мегаватта до десятков киловатт в кубических сантиметрах в относительно простых конструкциях, при полном исключении любых коммутаторов или разделяющих элементов (дросселей) из электрической цепи источника энергопитания, снижение энергетики в других контурах лазера, уменьшение нагрузок на изоляторы высоковольтных вводов в камеру, создание компактных, по возможности симметричных контуров прокачки, не мешающих осуществлению электрической компоновки лазера.
Указанные недостатки способа и устройства могут быть преодолены в способе работы электроразрядного лазера с накачкой самостоятельным объемным разрядом, где по отношению к известному способу работы электроразрядного лазера с накачкой несамостоятельным разрядом, в котором прокачивают газовую лазерную среду в двух электрически последовательно соединенных межэлектродных промежутках с общим электродом, создают основным источником энергопитания между основными электродами промежутков разность потенциалов электрического поля, периодически создают ионизирующее излучение в межэлектродных промежутках, после чего формируют в промежутках предварительный самостоятельный объемный разряд путем формирования на общем электроде высоковольтного импульса дополнительным контуром, осуществляют вывод лазерного излучения из области объемного разряда, охлаждают лазерную среду, новым является то, что разность потенциалов электрического поля между основными электродами создают за время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки, а интервал времени между двумя последовательными циклами создания разности потенциалов электрического поля выбирают больше времени исчезновения электрических носителей из областей межэлектродных промежутков, до формирования разряда размножают начальную концентрацию электронов, создаваемую ионизирующим излучением, преимущественно в одном из межэлектродных промежутков, формирование в промежутках предварительного самостоятельного объемного разряда осуществляют последовательно во времени - сначала в первом промежутке при потенциале на общем электроде, по знаку противоположном потенциалу основного электрода первого промежутка, и увеличенной более чем в полтора раза напряженности электрического поля по сравнению со средней по обоим промежуткам напряженностью поля между основными электродами, создаваемой основным источником энергопитания, а затем во втором промежутке после смены знака потенциала на общем электроде при увеличенной более чем в два с половиной раза напряженности поля в этом промежутке по сравнению со средней по обоим промежуткам напряженностью поля.
В другом варианте реализации способа новым является то, что при равных межэлектродных промежутках сначала создают ионизирующее излучение во втором, а затем с задержкой от 30 до 150 нс в первом межэлектродном промежутке.
В третьем варианте реализации способа новым является то, что при равных межэлектродных промежутках одновременно с созданием разности потенциалов между основными электродами между общим и основным электродами второго промежутка создают разность потенциалов, составляющую 60-100% величины разности потенциалов между основными электродами.
В четвертом варианте реализации способа новым является то, что при равных межэлектродных промежутках и потенциале на общем электроде, совпадающем по знаку с потенциалом основного электрода первого промежутка, во втором промежутке создают напряженность электрического поля, до двух и более раз превышающую среднюю напряженность поля по обоим промежуткам, на время от создания ионизирующего излучения в одном из промежутков до формирования высоковольтного импульса дополнительным электрическим контуром.
В пятом варианте реализации способа новым является то, что расстояние между электродами в первом промежутке выбирают от 3 до 7 раз большим расстояния во втором, ионизирующее излучение в большем промежутке создают при напряженностях поля в нем больше средней напряженности по обоим промежуткам, поле ионизирующего излучения в меньшем промежутке начинают создавать менее чем за 30 нс до формирования предварительного разряда в большем промежутке, а вывод лазерного излучения осуществляют лишь из большего промежутка.
Указанные отличия от известного способа позволяют получить следующие технические результаты - осуществить формирование самостоятельного разряда, в плазме которого осуществляется высокоэффективное образование возбужденных молекул эксимеров, а также ионов благородных газов, служащих активной средой лазеров, значительно расширить возможные режимы работы эксимерных лазеров и лазеров на благородных газах в сторону увеличения длительности импульса генерации, существенно снизить величину используемого напряжения основного источника энергопитания, увеличить энергетику таких лазеров в одиночных импульсах и в результате этого поднять среднюю мощность лазеров при работе в периодическом режиме за счет исключения коммутирующих и разделительных элементов в энергетической цепи лазера, уменьшить энергетику, необходимую для предварительной ионизации смеси и создания предварительного самостоятельного объемного разряда, повысить электропрочность межэлектродных промежутков, снизив амплитуду напряжения высоковольтного импульса дополнительного электрического контура. Кроме того, способ позволяет формировать объемные разряды и в смесях на основе СО2.
Способ может быть реализован в устройстве лазера с накачкой самостоятельным объемным разрядом, где по отношению к известному электроразрядному лазеру с накачкой несамостоятельным разрядом, содержащему основной источник энергопитания, корпус разрядной камеры, ограниченный двумя несущими поверхностями, параллельными газовому потоку, и двумя торцовыми поверхностями, с размещенными в нем по крайней мере одной электродной системой из двух межэлектродных промежутков, включающей два основных электрода, непосредственно подключенных к основному источнику энергопитания и к емкости дополнительного электрического контура, через который основные электроды соединены с общим электродом указанных промежутков, установленным между основными электродами, и двумя системами предварительной ионизации по одной на каждый из промежутков, установленный на торцевых поверхностях оптический резонатор, соединенный с корпусом газовод с вентилятором внутри него, расположенный в газовом потоке теплообменник, новым является то, что корпус разрядной камеры выполнен в виде двух полостей, ограниченных двумя несущими поверхностями и общей внутренней поверхностью, в каждой из полостей расположен свой межэлектродный промежуток электродной системы, ограниченный соответствующими эквивалентными по профилю рабочими поверхностями основного электрода и общего электрода, непосредственно подсоединенного к выводам распределенной емкости дополнительного контура, вторые выводы которой соединены с одним или двумя основными электродами либо заземлены, по крайней мере на одной из боковых сторон корпус соединен с газоводом, чья внешняя поверхность переходит в несущие поверхности корпуса на этой же боковой стороне, а внутренняя стыкуется с внутренней поверхностью корпуса, газовод совместно с вентилятором формирует в обоих межэлектродных промежутках встречные потоки газа, источник энергопитания для каждой электродной системы выполнен двухполярным в виде распределенной емкости с заземленной средней точкой, соединенной с общим электродом через развязывающую индуктивность или сопротивление, разнополярные части источника энергопитания расположены по разные стороны от плоскости общего электрода, а вблизи входа газового потока в газовод установлен теплообменник.
Во втором варианте выполнения устройства новым является то, что токовводы, соединяющие заземленные средние точки разнополярных частей источника энергопитания, установлены внутри корпуса в сплошных диэлектрических втулках симметрично общему электроду.
В третьем варианте выполнения устройства новым является то, что общий электрод выполнен из двух частей с рабочей поверхностью каждой части, обращенной к соответствующему основному электроду, обе части общего электрода и основные электроды установлены рабочими поверхностями перпендикулярно потоку газа и выполнены со сквозными отверстиями для его прохождения, а система предварительной ионизации в каждой из полостей расположена с тыльной стороны основного или частей общего электрода вниз по потоку газа от соответствующего электрода.
В четвертом варианте выполнения устройства тело обеих частей общего и основных электродов в области, контактирующей с разрядом, выполнено из пластин, расположенных перпендикулярно рабочим поверхностям электродов, проекции которых на эту поверхность образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол ϕ = d/l, где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек; l - длина пластинчатой части электродов.
В пятом варианте выполнения устройства новым является то, что между основным электродом первого промежутка и местом соединения выводов распределенной емкости дополнительного электрического контура этого промежутка с основным источником энергопитания включена распределенная дополнительная индуктивность, составляющая свыше 75% от величины полной индуктивности контура разрядки указанной емкости на первый промежуток.
В шестом варианте выполнения устройства новым является то, что расстояние между основным и общим электродами первого межэлектродного промежутка превышает расстояние между общим и основным электродами второго промежутка в 3-7 раз, между одним из электродов и выводами распределенной емкости дополнительного контура второго промежутка включены искровые промежутки системы предварительной ионизации, шунтируемые индуктивностью, а оптический резонатор установлен лишь на первом межэлектродном промежутке.
Указанные отличия от известного устройства позволяют получить следующие технические результаты - осуществить формирование самостоятельного объемного разряда в эксимерных лазерных смесях и лазерных смесях на основе благородных газов без использования для таких лазеров коммутаторов и разделительных элементов в электрической цепи источника энергопитания и тем самым исключить основные технические сложности на пути создания лазеров с большой энергетикой и объемом активной среды, формировать разряд при средних и низких напряжениях основного источника энергопитания и энерговводах от мегаватта до десятков киловатт в кубических сантиметрах, что позволяет реализовать в эксимерных лазерах длительность генерации от 10-7 до (5-6) ˙10-7 с и достигать высоких КПД лазеров на благородных газах, снизить двое нагрузки на изоляторы высоковольтных основных электродов и тем самым использовать комплектующие (конденсаторы, зарядные устройства и др.) с двое меньшими номиналами по напряжению, существенно (в два-три раза) сократить объем лазера и используемой лазерной среды, создать симметричный газовый контур, не осложняющий электротехническую компоновку лазера.
Известны способы, служащие для формирования объемного самостоятельного разряда в лазерных средах, в которых использованы отличительные от прототипа признаки, а именно разность потенциалов электрического поля между основными электродами создают за время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки, интервал времени между двумя последовательными циклами создания разности потенциалов электрического поля выбирают больше времени исчезновения электрических носителей из областей межэлектродных промежутков. Технический результат, достигаемый при использовании этих признаков в изобретении и в известных способах, одинаков.
Не обнаружены способы, служащие для формирования объемного самостоятельного разряда в лазерных средах, в которых до формирования разряда размножают начальную концентрацию электронов, создаваемую ионизирующим излучением преимущественно в одном из межэлектродных промежутков, формирование в промежутках предварительного самостоятельного объемного разряда осуществляют последовательно во времени - сначала в первом промежутке при увеличенной более чем в полтора раза напряженности электрического поля по сравнению со средней по обоим промежуткам напряженностью поля между основными электродами, создаваемой основным источником энергопитания, а затем во втором промежутке после смены знака потенциала на общем электроде при увеличенной более чем 2,5 раза напряженности поля в этом промежутке по сравнению со средней по обоим промежуткам напряженностью поля, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют реализовать задачу, на решение которой направлено изобретение, и получить необходимый технический результат - сформировать самостоятельный объемный разряд в лазерных смесях на основе эксимеров и благородных газов. Именно такая последовательность действий, при которой, во-первых, преимущественно размножают начальную концентрацию электронов в одном из промежутков, создавая оптимальные условия для формирования разряда в каждом из них, и, во-вторых, последовательно по промежуткам формируют предварительный разряд и позволяет сформировать объемный разряд, в плазме которого эффективно возбуждаются разные лазерные смеси.
Как показывают проведенные эксперименты, эффективное размножение начальной концентрации электронов происходит при напряженностях электрического коля более 40% от пробивной для используемых составов лазерных смесей, а при указанных напряженностях поля в зависимости от длительности фронта нарастания напряженности в первом и втором промежутках и уровня размноженной концентрации электронов происходит формирование разряда с необходимыми лазерными характеристиками.
Отсутствие коммутаторов позволяет существенно увеличить энергетику лазеров, увеличить его КПД, упростить конструкцию. Оптимизация условий формирования разряда по каждому из отличительных признаков позволяет сформировать разряд в широком диапазоне напряжений основного источника энергопитания, энергий и напряжений высоковольтного импульса дополнительного контура и в различных лазерных смесях, причем конструкция лазера практически не изменяется. Диапазон энерговводов в лазерную смесь при использовании способа может изменяться от мегаватта до десятков киловатт в кубических сантиметрах. Размножение начальной концентрации электронов позволяет значительно уменьшить энергию, необходимую для предварительной ионизации, что также увеличивает ресурс рабочей смеси.
Не обнаружены способы по формированию объемного самостоятельного разряда в лазерных средах, в которых при равных межэлектродных промежутках сначала создают ионизирующее излучение во втором, а затем с задержкой от 30 до 150 нс в первом межэлектродном промежутке, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют при равной величине промежутков, т.е. в оптимальных условиях для формирования излучения в резонаторе, сформировать объемный разряд. Увеличение времени размножения во втором промежутке, т.е. достижение в нем более высокой концентрации электронов, по отношению к первому позволяет оптимизировать условия формирования разряда для различных фронтов нарастания величины напряженности поля в двух промежутках и сформировать объемный разряд с высокими лазерными характеристиками. Именно во втором промежутке, особенно при равных межэлектродных промежутках, из-за короткого фронта нарастания напряженности на нем возникают сложности с формированием предварительного разряда. Как показывают проведенные эксперименты, в зависимости от состава лазерной среды, мощности источника предварительной ионизации, разности потенциалов между основными электродами диапазон задержек лежит в интервале от 30 до 150 нс.
Не обнаружены способы по формированию объемного самостоятельного разряда, в которых при равных межэлектродных промежутках одновременно с созданием разности потенциалов между основными электродами между общим и основным электродами второго промежутка создают разность потенциалов, составляющую от 60 до 100% величины разности потенциалов между основными электродами, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют в оптимальных условиях для формирования излучения в резонаторе сформировать объемный разряд. Увеличение напряженности поля во втором промежутке, т.е. достижение в нем более высокой концентрации электронов за счет размножения в более сильном поле, по отношению к первому позволяет оптимизировать условия формирования разряда. Как показывают проведенные эксперименты, в зависимости от состава лазерной среды, мощности источника предварительной ионизации, его задержки относительно высоковольтного импульса, разности потенциалов между основными электродами диапазон разности потенциалов между электродами второго промежутка лежит в интервале от 60 до 100% величины разности потенциалов между основными электродами.
Не обнаружены способы по формированию объемного самостоятельного разряда, в которых при равных межэлектродных промежутках во втором промежутке создают напряженность электрического поля, до двух и более раз превышающую напряженность поля по обоим промежуткам на время от создания ионизирующего излучения в одном из промежутков до формирования высоковольтного импульса дополнительным электрическим контуром, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют в оптимальных условиях для формирования излучения в резонаторе сформировать объемный разряд. Увеличение напряженности поля во втором промежутке до двух и более раз позволяет даже при очень низких напряжениях основного источника, т.е. в режимах с малыми мощностями накачки, оптимизировать условия формирования разряда. При этом повышенная напряженность поля на втором промежутке создается на несколько десятков наносекунд, что не снижает электропрочности межэлектродных промежутков в процессе создания разности потенциалов на основных электродах. Таким образом, повышается устойчивость режима работы лазера.
Не обнаружены способы по формированию объемного самостоятельного разряда, в которых расстояние между электродами в первом промежутке выбирают от 3 до 7 раз большим расстояния во втором, ионизирующее излучение в большем промежутке создают при напряженностях поля в нем больше средней напряженности по обоим промежуткам, поле ионизирующего излучения в меньшем промежутке начинают создавать менее чем за 30 нс до формирования предварительного разряда в большом промежутке, а вывод лазерного излучения осуществляют лишь из большего промежутка, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют сформировать разряд при максимальной величине расстояния между электродами первого промежутка и низких напряжениях основного источника энергопитания, что дает возможность получить максимально большую длительность генерации в эксимерных лазерах и высокие съемы и КПД в лазерах на благородных газах. Увеличение напряженности поля в первом промежутке больше средней позволяет размножить в нем начальную концентрацию электронов до оптимальной. Из-за большой разницы в величине пробойных напряжений для предварительно ионизованного и неионизованного промежутков при подаче высоковольтного импульса дополнительным контуром разряд формируется лишь в первом большем промежутке. После создания ионизирующего излучения во втором промежутке и возникающих во втором после пробоя первого промежутка больших напряженностей поля (в 5 и более раз выше средней) объемный разряд формируется и во втором промежутке. Как показывают проведенные эксперименты, величина пробойных напряжений в промежутках без ионизации до 6-7 раз больше, чем в ионизованных.
Известно устройство, в котором использован отличительный от прототипа признак, а именно корпус разрядной камеры выполнен в виде двух полостей, ограниченных двумя внешними поверхностями и общей внутренней поверхностью. Технический результат, достигаемый при использовании этого признака в изобретении и в известных устройствах, одинаков.
Не обнаружены технические решения, в которых в каждой из полостей расположен своей межэлектродный промежуток электродной системы, ограниченный соответствующими эквивалентными по профилю рабочими поверхностями основного электрода и общего электрода, непосредственно подсоединенного к выводам распределенной емкости дополнительного контура, вторые выводы которой соединены с одним или двумя основными электродами либо заземлены, по крайней мере на одной из боковых сторон корпус соединен с газоводом, чья внешняя поверхность переходит в несущие поверхности корпуса на этой же боковой стороне, а внутренняя стыкуется с внутренней поверхностью корпуса, газовод совместно с вентилятором, расположенным в нем, формирует в обоих межэлектродных промежутках встречные потоки газа, источник энергопитания для каждой межэлектродной системы выполнен двухполярным в виде распределенной емкости с заземленной средней точкой, соединенной с общим электродом через развязывающую индуктивность или сопротивление, разнополярные части источника энергопитания расположены по разные стороны от плоскости общего электрода, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют реализовать задачу, на решение которой направлено изобретение, и получить необходимый технический результат - осуществить формирование самостоятельного объемного разряда в эксимерных лазерных смесях и лазерных смесях на основе благородных газов без использования для таких лазеров коммутаторов и разделительных элементов в электрической цепи источника энергопитания, снизить вдвое нагрузки на изоляторы высоковольтных основных электродов, существенно (в два-три раза) сократить объем лазера и используемой лазерной среды, создать симметричный газовый контур, не осложняющий электротехническую компоновку лазера, уменьшить индуктивность подсоединения основного источника энергопитания к электродной системе, улучшить изоляцию общего электрода, выполняя ее только на импульсное напряжение, позволяет последовательно по газовому потоку подсоединять несколько электродных систем.
Не обнаружены технические решения, в которых токовводы, соединяющие заземленные средние точки разнополярных частей источника энергопитания, установлены внутри корпуса в сплошных диэлектрических втулках симметрично общему электроду, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень". Указанные отличия позволяют до минимума сократить индуктивность электродной системы камеры и увеличить электропрочность токоввода относительно импульсных напряжений на общем электроде.
Не обнаружены технические решения, в которых общий электрод выполнен из двух частей с рабочей поверхностью каждой части, обращенной к соответствующему основному электроду, обе части общего электрода и основные электроды установлены рабочими поверхностями перпендикулярно потоку газа и выполнены со сквозными отверстиями для его прохождения, а система предварительной ионизации расположена в каждой из полостей, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют получить минимальную индуктивность электродной системы и контура энергопитания, максимально увеличить частоту импульса лазера за счет уменьшения коэффициента сменности лазерной среды в межэлектродном промежутке и более быстрого затухания акустических возмущений в газе после разряда в относительно малой по объему полости межэлектродного промежутка, образованной стенками камеры и ребрами электродов, между которыми проходит поток газа, исключить тепловой след от общего электрода в следующем по потоку промежутке при прокачке газа через электроды относительно варианта последовательного расположения всех электродов по потоку газа.
Не обнаружены технические решения, в которых тело обеих частей общего и основных электродов в области, контактирующей с разрядом, выполнено из пластин, расположенных перпендикулярно рабочим поверхностям электродов, проекции которых на эту поверхность образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол ϕ= d/l, где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек; l - длина пластинчатой части электродов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют добиться максимально возможной прозрачности электродов для излучения системы предварительной ионизации и минимально возможного сопротивления потоку газовой активной среды при достаточной жесткости и эрозионной стойкости электродов. Кроме того, разряд не приобретают слоистой структуры вдоль оптической оси из-за общего поворота ребристой структуры электродов на угол ϕ= d/l к оптической оси резонатора, что улучшает условия формирования излучения лазера.
Не обнаружены технические решения, в которых между основным электродом первого промежутка и местом соединения выводов распределенной емкости дополнительного электрического контура этого промежутка с основным источником энергопитания включена распределенная дополнительная индуктивность, составляющая свыше 75% от величины полной индуктивности контура разрядки указанной емкости на первый промежуток, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют увеличить напряженность поля на втором промежутке по отношению к средней (в 4 и более раза) после пробоя первого, и увеличить фронт нарастания напряженности поля в нем, что значительно улучшает условия пробоя второго промежутка и позволяет сформировать разряд с высокими характеристиками особенно в лазерах на благородных газах.
Не обнаружены технические решения, в которых расстояние между основным и общими электродами первого промежутка превышает расстояние между общим и основным электродами второго промежутка в 3-7 раз, между одним из электродов и выводами распределенной емкости дополнительного контура второго промежутка включены искровые промежутки системы предварительной ионизации, шунтируемые дополнительной индуктивностью, а оптический резонатор установлен лишь на первом межэлектродном промежутке, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Указанные отличия позволяют, подбирать величину дополнительной индуктивности и расстояния между электродами искровых промежутков, добиться отсутствия искр предварительной ионизации во втором промежутке до пробоя первого и возникновения искр после пробоя первого промежутка при увеличении напряженности поля во втором промежутке. В результате может быть сформирован разряд при малой разности потенциалов на основных электродах и получена большая длительность генерации в эксимерном лазере, достигнут высокий КПД и энергосъем в Ar-Xe-лазере.
На фиг. 1, 2 и 3 представлено заявляемое устройство для реализации способа, варианты; на фиг. 4 показан вид А на фиг. 3.
Устройство содержит основной источник 1, 2 энергопитания, корпус 3 разрядной камеры, ограниченный двумя несущими поверхностями 4, параллельными газовому потоку, и двумя торцовыми поверхностями, с размещенными в нем по крайней мере одной электродной системой 5 из двух межэлектродных промежутков 6, 7, включающий два основных электрода 8, 9, непосредственно подключенных к основному источнику 1, 2 энергопитания и к емкости 10, 11 дополнительного электрического контура 12, через который основные электроды 8, 9 соединены с общим электродом 13 промежутков 6, 7, установленным между основными электродами 8, 9, и двумя системами 14, 15 предварительной ионизации по одной на каждый из промежутков 6, 7, установленный на торцовых поверхностях оптический резонатор 16, соединенный с корпусом 3 газовод 17 с вентилятором 18 внутри него, расположенный в газовом потоке теплообменник 19. Корпус 3 разрядной камеры выполнен в виде двух полостей 20, ограниченных двумя несущими поверхностями 4 и общей внутренней поверхностью 21. В каждой из полостей 20 расположен свой межэлектродный промежуток 6, 7 электродной системы 5, ограниченный соответствующими эквивалентными по профилю рабочими поверхностями 22 основных 8, 9 электродов и общего электрода 13, непосредственно подсоединенного к выводам 23, 24 распределенной емкости 10, 11 дополнительного контура 12, вторые выводы 25, 26 которой соединены с одним или двумя основными электродами 8, 9 либо заземлены (показано пунктиром на фиг.1). Между общим 13 и основными 8 и 9 электродами подключены делительные сопротивления 27. По крайней мере на одной из боковых сторон 28 корпус соединен с газоводом 17, чья внешняя поверхность 29 переходит в несущие поверхности 4 корпуса 3 на этой же боковой стороне 28, а внутренняя 30 стыкуется с внутренней поверхностью 21 корпуса 3. Газовод 17 совместно с вентилятором 18 формирует в обоих межэлектродных промежутках 6, 7 встречные потоки 31 газа. Источник 1, 2 энергопитания для каждой электродной системы 5 выполнен двухполярным, в виде распределенной емкости с заземленной средней точкой 32, соединенной с общим электродом 13 через развязывающую индуктивность 33 или сопротивление. Разнополярные части источника 1, 2 энергопитания расположены по разные стороны от плоскости общего электрода 13. Вблизи входа 34 газового потока 31 в газовод 17 установлен теплообменник 19. Токовводы 35 (фиг.1,2), соединяющие заземленные средние точки 32 разнополярных частей источника 1, 2 энергопитания, установлены внутри корпуса 3 в сплошных диэлектрических втулках 36 симметрично общему электроду 13.
Между основным электродом 8 первого промежутка 6 (фиг.2) и местом 37 соединения выводов 25 распределенной емкости 10 дополнительного электрического контура этого промежутка с основным источником 1 энергопитания включена распределенная дополнительная индуктивность 38, составляющая свыше 75% от величины полной индуктивности контура разрядки емкости 10 на первый промежуток 6.
Общий электрод 13 может быть выполнен из двух частей 39, 40 (фиг.3) с рабочей поверхностью 22 каждой части 39, 40, обращенной к соответствующему основному электроду 8, 9. Обе части 39, 40 общего электрода 13 и основные электроды 8, 9 установлены рабочими поверхностями 22 перпендикулярно потоку 31 газа и выполнены со сквозными отверстиями 41 для его прохождения, а система 14, 15 предварительной ионизации в каждой из полостей 20 расположена с тыльной стороны основного 8, 9 или частей 39, 40 общего 13 электрода вниз по потоку газа от соответствующего электрода. Тело обеих частей 39, 40 общего 13 и основных 8, 9 электродов в области, контактирующей с разрядом, выполнено из пластин 42, расположенных перпендикулярно рабочим поверхностям 22 электродов. Проекция пластин 42 на поверхность 22 образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями 43 ячеек, повернутыми относительно осевых линий 44 электродов на угол ϕ= d/l, где d -расстояние между диагоналями соседних ячеек; l - длина пластинчатой части электродов. Расстояние между основным 8 и общим 13 электродами первого межэлектродного промежутка 6 превышает расстояние между общим 13 и основным 9 электродами второго промежутка 7 в 3-7 раз. Между одним из электродов 9 и выводами 26 распределенной емкости 11 дополнительного контура 12 второго промежутка 7 включены искровые промежутки системы 15 предварительной ионизации, шунтируемые индуктивностью 45. Оптический резонатор 16 установлен лишь на первом межэлектродном промежутке 6.
Способ реализуется следующим образом.
Организуют прокачку газовой лазерной среды в двух электрически последовательно соединенных межэлектродных промежутках 6, 7 с общим электродом 13, для чего включают вентилятор 18, расположенный в газоводе 17, в результате в промежутках 6, 7 формируются встречные потоки 31 лазерной среды, причем газовый поток 31 может проходить параллельно рабочим поверхностям 22 электродов (фиг. 1 и 2) или перпендикулярно им (фиг.3). За время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки (интервал времени составляет в зависимости от лазерной среды и напряженности поля от 1 до 50 мкс и более), создают разность потенциалов электрического поля между основными электродами 8, 9, для чего за указанное время заряжают основной источник 1, 2 энергопитания, выполненный двухполярным в виде распределенной емкости, причем потенциал на электроде 8 составляет -U1, а на электроде 9 - +U2, так что разность потенциалов составляет U1 + U2. Интервал времени между двумя последовательными циклами зарядки основного источника 1, 2 выбирают больше времени исчезновения электрических носителей из области межэлектродных промежутков 6, 7, и в зависимости от состава смеси и скорости прокачки этот интервал лежит в диапазоне от 10-1 до 10-3 с. Периодическое создание ионизирующего излучения в промежутках 6, 7 осуществляют системой 14, 15 предварительной ионизации, например, на основе периодически возникающей искры или коронного разряда. Начальную концентрацию электронов, созданную системой 14, 15 ионизации, размножают в электрическом поле в каждом из межэлектродных промежутков 6, 7. Уровень размножения зависит от напряженности поля в промежутках 6, 7 и длительности процесса размножения, состава лазерной среды, поэтому, увеличивая напряженность поля по сравнению со средней в одном из промежутков или увеличивая в нем длительность процесса размножения можно добиться преимущественного размножения электронов в одном из промежутков. Как показывают проведенные эксперименты, эффективное размножение возникает при напряженности поля ≈ 3-10 кВ/см и временах размножения от 30 до 150 нс.
Для реализации способа по п.2 включают систему 15 предварительной ионизации сначала на втором промежутке 7, а затем на первом 6. Для реализации способа по п. 3 на общий электрод 13 с помощью например, делительных сопротивлений 27, подключенных между общим 13 и основными 8, 9 электродами, подают от 20 до 100% величины потенциала первого электрода 8. В результате на втором промежутке 7 создается разность потенциалов, составляющая от 60 до 100% величины разности потенциалов между основными электродами 8 и 9. Для реализации способа по п.4 на общем электроде 13 с помощью, например, еще одного высоковольтного импульса создают потенциал, совпадающий по знаку с потенциалом первого электрода 8, и напряженность поля на втором промежутке 7, до двух и более раз превышающую среднюю по обоим промежуткам 6 и 7. Таким образом, реализуются способы по пп. 2, 3 и 4, позволяющие до формирования разряда размножать начальную концентрацию электронов, создаваемую ионизирующим излучением, преимущественно в одном из промежутков.
Формирование в промежутках предварительного разряда осуществляют последовательно во времени - сначала в первом промежутке 6, формируя на общем электроде 13 при включении дополнительного электрического контура 12 высоковольтный импульс Uобщ(t), создающий при перезарядке емкостей 10, 11 знак потенциала на общем электроде 13, противоположный потенциалу основного электрода 8 первого промежутка 6, и соответственно разность потенциалов на первом промежутке U1 + +Uобщ(t). В результате на первом промежутке 6 увеличивается напряженность поля, и по достижении определенной величины напряженности поля происходит пробой первого промежутка и формирование в нем предварительного разряда. В зависимости от разности потенциалов на основных электродах 8, 9, длительность фронта нарастания высоковольтного импульса, состава лазерной смеси, уровня размножения напряженности поля на первом промежутке 6 увеличивается от 1,5 до 3 и более раз по сравнению со средней напряженностью по обоим промежуткам 6, 7 -(U1 + U2)(l1 + l2), где l1 и l2 - расстояния между общим 13 и основными 8, 9 электродами в первом 6 и втором 7 промежутках. После формирования разряда в первом промежутке 6 потенциал на общем электроде 13 изменяется и становится совпадающим со знаком потенциала на основном электроде 8 первого промежутка, напряженность поля во втором промежутке 7 увеличивается, и по достижении определенной величины происходит пробой второго промежутка и формирование в нем предварительного самостоятельного разряда. В зависимости от уровня размножения, состава лазерной смеси, разности потенциалов на основных электродах 8, 9, амплитуды зарядки емкостей 10, 11 дополнительного контура 12 высоковольтным импульсом и индуктивности их подсоединения к электродам 8, 9, 13 напряженность поля на втором промежутке 7 увеличивается от 2,5 до 5 и более раз по сравнению со средней (U1 + U2)/(l1 + l2). Как показывают проведенные эксперименты, именно при таком увеличении напряженности поля на первом 6 и втором 7 промежутках формируется предварительный разряд высокого качества.
Далее основной источник 1, 2 энергопитания через плазму, образованную предварительными разрядами в первом 6 и втором 7 промежутках, разряжается на указанные промежутки с эффективным возбуждением лазерной среды. Лазерное излучение выводят с помощью оптического резонатора 16, а активную смесь охлаждают в теплообменнике 19, расположенном вблизи входа 34 газового потока 31 в газовод 17.
Для реализации способа по п.5 (фиг.3) при выбранных расстояниях между основными 8, 9 и общим 13 электродами с помощью делительных сопротивлений 27 увеличивают разность потенциалов между общим 13 и основным 8 электродами первого промежутка 6, включают систему 14 предварительной ионизации первого промежутка, а затем на общий электрод 13 подают высоковольтный импульс. За менее чем 30 нс до формирования предварительного разряда в первом промежутке 6 включают систему 15 предварительной ионизации второго промежутка 7. Это можно осуществить либо через управляемый коммутатор, либо автоматически. Лазерное излучение выводят из объема плазмы разряда первого промежутка.
Рассмотрим конкретное устройство на примере электроразрядного лазера на эксимерной смеси Me:Xe:HCl = 1800:10:1 с общим давлением до 5 атм и лазере на смеси благородных газов Ar:Xe = 100:1 с общим давлением до 2 атм. Длина области разряда составляла до 110 см. Разность потенциалов между основными электродами 8, 9, создаваемая основным источником 1, 2, изменялась от 16 до 50 кВ. Энергозапас основного источника энергопитания изменялся от 0,3 до 1,6 Дж на 1 см длины разряда. Коммутируемая энергия, запасаемая в дополнительном контуре 12, составляла от 1 до 12% энергии основного источника 1, 2 энергопитания. Максимальная энергия генерации, полученная на XeCl-лазере, составила более 3 Дж с КПД 2,2% и длительностью импульса τ0,5 ~ 110 нс и более 2 Дж с КПД 2% и длительностью τ0,5 500 нс. Максимальная энергия генерации на Ar-Xe-лазере составила ~ 0,4 Дж с КПД 1,1%. Лазеры работали в частотном режиме с частотой 2-5 Гц с охлаждением на свободной конвекции.
При разработке соответствующего зарядного устройства и системы вентиляторов мощность генерации аналогичного лазера на XeCl может быть доведена до 1-2 кВт, а на Ar-Xe - до 50-100 Вт. Лазеры с таким уровнем мощности найдут широкое применение в новых технологиях в промышленности, медицине, связи, экологии и научном эксперименте.
Формула изобретения: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В ГАЗОВОМ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОМ ЛАЗЕРЕ И ГАЗОВЫЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР.
1. Способ получения генерации в газовом электроразрядном лазере, включающий прокачку рабочей среды через два электрически последовательно соединенных межэлектродных разрядных промежутка, имеющих общий электрод, последовательные циклы создания разряда накачки рабочей среды, каждый из которых включает формирование основным источником энергопитания разности потенциалов между основными электродами разрядных промежутков, периодическое создание ионизирующего излучения в промежутках, формирование в разрядных промежутках предварительного самостоятельного объемного разряда путем подачи на общий электрод высоковольтного импульса дополнительным электрическим контуром, вывод лазерного излучения из области разряда и охлаждение рабочей среды, отличающийся тем, что разность потенциалов между основными электродами разрядных промежутков создают за время, в десятки раз превышающее длительность разряда накачки, а интервал времени между двумя последовательными циклами создания разности потенциалов устанавливают больше времени исчезновения электрических носителей из области разрядных промежутков, до формирования разряда накачки размножают начальную концентрацию электронов, создаваемую ионизирующим излучением, преимущественно в одном из разрядных промежутков, формирование в разрядных промежутках предварительного самостоятельного объемного разряда осуществляют последовательно во времени - сначала в первом разрядном промежутке при потенциале на общем электроде по знаку, противоположному знаку потенциала основного электрода первого разрядного промежутка и напряженности электрического поля в этом промежутке, более чем в полтора раза превышающей среднюю напряженность поля по обоим промежуткам между основными электродами промежутков, создаваемую основным источником энергопитания, а затем во втором разрядном промежутке после смены знака потенциала на общем электроде и напряженности электрического поля в этом промежутке, превышающей более чем в два с половиной раза указанную среднюю напряженность поля.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при равных межэлектродных разрядных промежутках сначала создают ионизирующее излучение во втором, а затем с задержкой 30 - 150 нс в первом межэлектродном разрядном промежутке.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при равных межэлектродных разрядных промежутках одновременно с созданием разности потенциалов между основными электродами между общим и основным электродом второго промежутка создают разность потенциалов, составляющую 60 - 100% от величины разности потенциалов между основными электродами.
4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при равных межэлектродных промежутках и потенциале на общем электроде, совпадающем по знаку с потенциалом основного электрода первого промежутка, во втором промежутке создают напряженность поля, до двух и более раз превышающую среднюю напряженность поля по обоим промежуткам, на время от создания ионизирующего излучения в одном из промежутков до формирования высоковольтного импульса дополнительным электрическим контуром.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между электродами в первом промежутке выбирают в 3 - 7 раз больше расстояния во втором, ионизирующее излучение в большем промежутке создают при напряженностях поля в нем больше средней напряженности по обоим промежуткам, ионизирующее излучение в меньшем промежутке начинают создавать менее чем за 30 нс до формирования предварительного самостоятельного объемного разряда в большем промежутке, а вывод лазерного излучения осуществляют лишь из большего промежутка.
6. Газовый электроразрядный лазер, содержащий основной источник энергопитания, корпус разрядной камеры, ограниченный двумя несущими поверхностями, параллельными направлению потока рабочей среды и двумя торцевыми поверхностями, размещенную в корпусе по крайней мере одну электродную систему из двух межэлектродных промежутков, включающую два основных электрода, непосредственно подключенных к основному источнику энергопитания и соединенных через емкости дополнительного электрического контура с общим электродом промежутков, установленным между основными электродами, две системы предварительной ионизации, по одной на каждый промежуток, установленный на торцевых поверхностях камеры оптический резонатор и соединенный с корпусом камеры газовод с расположенными внутри него вентилятором и теплообменником, отличающийся тем, что корпус разрядной камеры выполнен в виде двух полостей, каждая из которых ограничена одной из несущих поверхностей корпуса и установленной в корпусе общей внутренней поверхностью, в каждой из полостей образован один из межэлектродных промежутков электродной системы, ограниченный соответствующими эквивалентными по профилю рабочими поверхностями основного и общего электродов, причем общий электрод непосредственно подключен к первым выводам емкости дополнительного электрического контура, выполненной в виде распределенной емкости, вторые выводы которой непосредствено подключены к одному или двум основным электродам либо заземлены, газовод соединен с корпусом камеры по крайней мере одной из боковых сторон и совместно с вентилятором формирует в межэлектродных промежутках встречные потоки рабочей среды за счет сопряжения внешней поверхности газовода с несущей поверхностью корпуса камеры, а внутренней - с общей внутренней поверхностью корпуса, основной источник энергопитания каждой электродной системы выполнен двухполярным в виде распределенной емкости с заземленной средней точкой, соединенной с общим электродом через развязывающую индуктивность или сопротивление, разнополярные части источника расположены по разные стороны от плоскости общего электрода, при этом теплообменник установлен на входе газовода.
7. Лазер по п.6, отличающийся тем, что токовводы, соединяющие заземленные средние точки разнополярных частей источника энергопитания, установлены в корпусе в сплошных диэлектрических втулках симметрично общему электроду.
8. Лазер по п.6, отличающийся тем, что общий электрод выполнен из двух частей с рабочей поверхностью каждой части, обращенной к соответствующему основному электроду, обе части общего электрода и основные электроды установлены рабочими поверхностями перпендикулярно потоку рабочей среды и выполнены со сквозными отверстиями для его прохождения, а система предварительной ионизации в каждой из полостей расположена с тыльной стороны основного или частей общего электрода вниз по потоку среды от соответствующего электрода.
9. Лазер по пп.6 - 8, отличающийся тем, что тело обеих частей общего и основных электродов в области, контактирующей с разрядом, выполнено из пластин, расположенных перпендикулярно рабочим поверхностям электродов, проекции которых на эту поверхность образуют квадратную ячеистую структуру с диагоналями ячеек, повернутыми относительно осевых линий электродов на угол ϕ = d/l , где d - расстояние между диагоналями соседних ячеек, l - длина пластинчатой части электродов.
10. Лазер по пп.6 - 8, отличающийся тем, что между основным электродом первого промежутка и местом соединения выводов распределенной емкости дополнительного электрического контура этого промежутка с основным источником энергопитания включена распределенная дополнительная индуктивность, составляющая свыше 75% от величины полной индуктивности контура разрядки указанной емкости на первый промежуток.
11. Лазер по пп.6 - 8, отличающийся тем, что расстояние между основным и общим электродами первого межэлектродного промежутка превышает расстояние между общим и основным электродами второго промежутка в 3 - 7 раз, между одним из электродов и выводами распределенной емкости дополнительного контура второго промежутка включены искровые промежутки системы предварительной ионизации, шунтируемые индуктивностью, а оптический резонатор установлен лишь на первом межэлектродном промежутке.