Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА

Область техники.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройству формирования объемного разряда. Особенно предпочтительно использование заявляемого устройства в электроразрядных импульсно-периодических лазерах с поперечным разрядом, а также в технологических операциях, медицине, экологии, в решении плазменно-химических задач и т.п.

Уровень техники.

Известно, что в электроразрядных лазерах, в момент, предшествующий формированию объемного разряда, создание в объеме разрядного промежутка некоторой величины начальной концентрации электронов, достаточной для перекрытия лавин, развивающихся из начальных электронов при приложении к промежутку импульса высокого напряжения, качественным образом улучшает характеристики разряда. Обычно для получения начальной концентрации электронов в разрядном промежутке применяется предварительная ионизация газовой смеси. Реализация механизма предварительной ионизации позволяет улучшить условия формирования объемного разряда, тем самым повысить удельный энерговклад, качество лазерного излучения, КПД, частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера. Типичный источник предварительной ионизации - УФ-излучение искрового разряда (разряда по поверхности, барьерного или коронного).

Известно устройство, содержащее разрядную камеру с двумя электродами основного разряда (сплошной анод и перфорированный катод), разделенными разрядным промежутком, электрод предварительной ионизации, расположенный под катодом, и генераторы импульсного напряжения основного разряда и разряда предварительной ионизации [1].

Недостатком данного устройства является то, что приходится обеспечивать высокую точность синхронизации времени приложения напряжения от источников импульсного напряжения к электродам основного разряда и разряда предварительной ионизации. Кроме того, использование отдельного источника импульсного напряжения не позволяет применять для питания основного разряда источник знакопеременного напряжения (импульсно-периодический режим с изменением полярности основных электродов).

Известен электроразрядный импульсно-периодический газовый лазер, в котором для повышения максимальной частоты повторения импульсов лазерного излучения электроды предварительной ионизации, формирующие коронный разряд через диэлектрик, расположены около боковых сторон одного основного электрода, соединены с другим электродом основного разряда посредством сетчатого токопровода, сквозь который проходит поток газа, и выполнены так, чтобы облегчить прокачку газа через разрядный промежуток [2].

Данное устройство обладает теми же недостатками, что и устройство [1]. Кроме того, соединение электродов предварительной ионизации с другим электродом основного разряда неизолированным сетчатым токопроводом повышает вероятность пробоя на него напряжения питания разряда. Расположение сетчатого токопровода (даже с высоким коэффициентом прозрачности), обладающего газодинамическим сопротивлением, в области потока газа снижает скорость потока газовой смеси по сравнению со скоростью в его отсутствии.

Известно устройство формирования объемного разряда, представленное на фиг.1 и содержащее разрядную камеру с двумя противоположно расположенными электродами основного разряда (1 и 2), подключенными к источнику питания (25). Вдоль одного из основных электродов (1) с двух сторон установлены электроды формирования разряда предварительной ионизации, каждый из которых выполнен в виде металлического проводника (3а), заключенного в закрытую с одного конца и открытую с другого конца диэлектрическую трубку (3b), и вспомогательного электрода (27). При этом металлический проводник (3а) соединен с дополнительным источником питания посредством элементов (24), (26) со стороны открытого конца трубки, а вспомогательный электрод (27) соединен с основным электродом (1) [3]. В этом устройстве, так же как и в устройствах [1, 2], источником начальной концентрации электронов служит УФ-излучение разряда предварительной ионизации.

Данному устройству присущи все недостатки устройства [1]. Кроме того, к его недостаткам следует отнести возможность пробоя в области вывода электрического соединения с металлическим проводником электрода предионизации, находящейся в непосредственной близости от зоны основного разряда, а также неоднородное распределение начальной концентрации электронов, приводящее к неоднородному энерговкладу в поперечном сечении разрядного промежутка. Наличие этих недостатков не позволяет достичь оптимального энерговклада во всем активном объеме устройства формирования объемного разряда.

Последнее из рассмотренных решений [3], как наиболее близкое по технической и физической сущности к заявляемому изобретению, выбрано в качестве прототипа.

Раскрытие изобретения.

Техническим результатом изобретения является создание устройства формирования объемного разряда, обеспечивающего повышение однородности основного разряда и надежности его работы при использовании как униполярного, так и знакопеременного импульсного напряжения питания основного разряда.

Технический результат в заявляемом изобретении достигается тем, что в устройстве формирования объемного разряда, включающем разрядную камеру с подключенными к генератору импульсного напряжения основными электродами и, по крайней мере, с одним электродом разряда предварительной ионизации, состоящим из металлического проводника, заключенного в диэлектрическую трубку, закрытую с одного конца, и расположенным вдоль одного из основных электродов, новым является то, что электрод разряда предварительной ионизации выполнен таким размером, что он расположен и вдоль боковой стороны другого основного электрода, при этом диэлектрическая трубка закрыта с другого конца, а генератором импульсных напряжений служит источник питания с униполярным или знакопеременным напряжением.

Выполнение электрода разряда предварительной ионизации с размером, обеспечивающим его размещение вдоль боковых сторон основных электродов, позволяет повысить однородность основного разряда. Это происходит за счет улучшения однородности начальной концентрации электронов, получаемых УФ-излучением разряда предварительной ионизации в активном объеме между электродами основного разряда.

Благодаря тому, что диэлектрическая трубка с металлическим проводником закрыта с обоих концов, исключается возможность пробоев и повышается надежность работы устройства формирования объемного разряда.

Использование как униполярного, так и знакопеременного импульсного напряжения питания основного разряда позволяет расширить функциональные возможности заявляемого устройства, а именно реализовывать квазинепрерывный режим работы лазера при его накачке ВЧ и СВЧ-разрядом.

Не обнаружены технические решения, совокупность признаков которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого устройства формирования объемного разряда, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков является новым техническим средством, которое обеспечивает получение технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена схема устройства-прототипа, где 1 и 2 - основные электроды, 25 - генератор импульсных напряжений. 3а - металлический проводник электрода разряда предварительной ионизации, подключенный к дополнительному источнику питания 26, 3b - диэлектрическая трубка, 27 - вспомогательный электрод.

Схема заявляемого устройства представлена на фиг.2а (вид спереди) и фиг.2b (вид слева), где 1 и 2 - основные электроды, 3а - металлический проводник электрода разряда предионизации, 3b - диэлектрическая трубка, 4 - разрядная камера, 5 - генератор импульсных напряжений, 6 - разряд предионизации, 7 - основной разряд, 8 - держатели.

Заявляемое устройство выполнено следующим образом.

В разрядной камере 4 вдоль основных электродов 1 и 2, подключенных к генератору импульсного напряжения 5, с двух сторон расположены электроды разряда предварительной ионизации в виде металлического проводника 3а, заключенного в полую диэлектрическую трубку 3b, закрытую с обоих концов. Каждый электрод разряда предварительной ионизации выполнен таким размером, что он расположен вдоль боковых сторон обоих основных электродов, т.е. одна его часть вдоль одного из основных электродов, а вторая - вдоль другого. Электроды разряда предварительной ионизации закреплены в держателях 8, количество которых определяется длиной основных электродов. Причем основные электроды 1 и 2, объединенные посредством реактивной связи электрода разряда предварительной ионизации, с точки зрения электростатики, образуют последовательное соединение четырех конденсаторов: С_г-С_д-С_д-С_г (где С_г - емкость газового промежутка, а С_д - емкость слоя материала диэлектрической трубки), в котором основные электроды 1 и 2 и металлический проводник За выполняют роль обкладок конденсаторов, а газовые промежутки (промежутки, разделяющие каждый из основных электродов и металлический проводник электрода разряда предварительной ионизации) и диэлектрическая трубка 3b - роль заполняющего между ними пространство диэлектрика.

Заявляемое устройство формирования объемного разряда работает следующим образом.

При приложении к основным электродам (1 и 2) импульса напряжения происходит заряд емкости С_г-С_д-С_д-С_г. Поскольку С_г≪С_д, то основное падение напряжения происходит на С_г, на газовых промежутках между основными электродами и частями электродов разряда предварительной ионизации. При достижении некоторого порогового напряжения на газовом промежутке происходит его пробой - формирование барьерного разряда (6). Поскольку система эквивалентных емкостей С_г-С_д-С_д-С_г последовательная, то пробой разрядных промежутков, разделяющих основные электроды и соответствующие им части электрода разряда предварительной ионизации, происходит одновременно, через них протекает одинаковый, общий ток разряда. За счет того, что разряд предварительной ионизации формируется как барьерный, обеспечивается его высокая однородность вдоль всей длины основных электродов. Это приводит к высокой однородности УФ-излучения и однородной предварительной ионизации основного разрядного промежутка по всей его длине. Формирование разряда предварительной ионизации вблизи обоих основных электродов обеспечивает высокую однородность предварительной ионизации рабочей среды по высоте разрядного промежутка, а следовательно, и энерговклад в объемный разряд 7. При этом исключение возможности пробоев на металлический проводник За импульсного напряжения основного разряда повышает надежность устройства формирования объемного разряда.

На предприятии проведена экспериментальная проверка работоспособности заявляемого устройства формирования объемного разряда. В экспериментальной установке основные электроды были выполнены профилированными, электроды разряда предварительной ионизации были выполнены из медного проводника, помещенного в стеклянную трубку. Исходя из размеров разрядного промежутка (высоты и ширины) подбиралась величина зазора между основными электродами и электродами разряда предварительной ионизации. Получено экспериментальное подтверждение высокой однородности энерговклада в разрядный промежуток.

Заявляемое устройство найдет применение в электроразрядных лазерах с повышенной частотой инициирования, с источниками знакопеременного импульсного напряжения, в технологических операциях, медицине, экологии и других областях техники.

Источники информации

1. В.Lacour «High average power HF/DF lasers» Proceedings of SPIE, vol.4071, p.9-16, 2000.

2. И.В.Павлишин, Ю.А.Балошин. Патент RU №2025009, кл. H01S 3/097, опубл. 15.12.94.

3. Патент США №6650679, кл. H01S 3/0977, опубл. 18.11.2003.