Результат интеллектуальной деятельности: РАЗРЯДНАЯ ТРУБКА ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к разрядным трубкам лазеров на парах металлов, и может быть использовано при их конструировании с целью повышения надежности и долговечности без усложнения конструкции.

Отличительной особенностью указанного класса лазеров является наличие паров активного вещества (меди, золота, свинца, бария) в плазме газового разряда при температуре порядка 3000^oС и не смачиваемой активным веществом оболочки (например, из керамики). Известна разрядная трубка лазера на парах меди с не смачиваемой активным веществом оболочкой, в которой активное вещество (медь) в виде отдельных колец малой толщины введено в разрядную трубку лазера [1]. При включении разряда активное вещество разогревается до плавления, часть его, определяемая температурой в области разряда, переходит в пар и участвует далее в процессах образования лазерной энергии. Оставшаяся часть, вследствие несмачиваемости керамической оболочки активным веществом, приобретает форму сфер, частично перекрывая апертуру пучка излучения и снижая его мощность.

Наиболее близким техническим решением, прототипом изобретения, является конструкция разрядной трубки лазера на парах металлов, включающая оболочку (1), экранирующие элементы (2) и блоки активного вещества, содержащие подложку из смачиваемого активным веществом материала (3а) с нанесенным на нее расплавом активного вещества (3б) (фиг.1) [2]. Активным веществом в конструкции является медь, но может быть и другой металл из перечисленных выше. Подложка для активного вещества имеет вид полого цилиндра. Блоки активного вещества поддерживаются молибденовыми опорами (4) в области, прилегающей к высокотемпературному столбу газового разряда перед экранирующими элементами, расположенными вдоль внутреннего контура оболочки, и разделены керамическими изоляторами (5). Экранирующие элементы выполняют роль теплоизоляторов, отражающих тепловое излучение, способствуя достижению необходимой рабочей температуры.

При включении разряда активное вещество плавится и испаряет атомы металла, которые в процессе диффузии заполняют все свободное пространство газоразрядной трубки. Масса вещества, вследствие смачиваемости молибдена, удерживается поверхностью молибдена, не меняет форму и не перекрывает апертуру пучка излучения.

Недостатком конструкции является наличие молибденовых опор в области высокотемпературной плазмы, выполняющих одновременно роль тепловой развязки. При высокой рабочей температуре происходит структурная перестройка металлических элементов конструкции с образованием дендритов [3], их охрупчивание, разрушение и, как следствие, перекрытие апертуры пучка излучения, что ограничивает долговечность конструкции.

Другой недостаток прототипа - наличие в такой конструкции относительно холодной оболочки. В процессе работы под воздействием градиента температуры атомы испарившегося металла диффундируют в сторону оболочки и конденсируются на ее поверхности. Со временем блок активного вещества полностью истощается, а металл накапливается на соседних с блоком поверхностях оболочки, расположенных дальше от оси разряда и имеющих более низкую температуру. "Охлажденный" металл уже не может образовать количество пара, плотность которого оптимальна для получения той же мощности излучения. Это приводит к уменьшению мощности, а следовательно, и долговечности лазера.

Кроме того, конструкция трубки значительно усложняется.

Целью настоящего технического решения является повышение долговечности разрядной трубки на парах металлов без усложнения конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в разрядной трубке на парах металлов, включающей оболочку (1), экранирующие элементы (2) и блоки активного вещества, содержащие подложку из смачиваемого активным веществом материала (3а) с нанесенным на нее расплавом активного вещества (3б) (фиг.2, 3), в стенке оболочки в плоскости ее поперечного сечения с внутренней стороны выполнены глухие пазы кольцевой формы, оси которых совпадают с осью оболочки, блоки активного вещества установлены в пазах оболочки так, что их поверхность прилегает к поверхности паза, а внутренний диаметр блока активного вещества не менее диаметра соседних с ним частей оболочки, экранирующие элементы установлены непрерывно вокруг всей оболочки и аксиально ее поверхности.

Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.

Исключить конденсацию паров металла на оболочке можно, если в рабочем режиме температура внутренних поверхностей оболочки будет не меньше, чем температура расплавленного металла блока активного вещества. Поскольку температура внутренних поверхностей разрядной трубки определяется их расстоянием от оси разряда, то этого можно достичь, если в стенке оболочки в плоскости ее поперечного сечения с внутренней стороны проточить глухие пазы кольцевой формы, оси которых совпадают с осью оболочки, блоки активного вещества установить в пазах оболочки так, чтобы их поверхность прилегала к поверхности паза, внутренний диаметр был не менее диаметра соседних с ним частей оболочки, а экранирующий элемент расположить непрерывно вокруг всей поверхности оболочки и аксиально с ее поверхностью для создания одинаковых условий по теплоизоляции всем частям оболочки.

В этом случае даже при равенстве внутренних диаметров блоков и межблочных частей оболочки температура поверхности активного вещества блока будет ниже температуры поверхности соседней части оболочки, т.к. толщина оболочки, имеющей определенные теплоизолирующие свойства, за блоками активного вещества будет меньше, чем толщина оболочки между блоками.

Пазы могут иметь замкнутую форму (кольцо) (фиг.2) или незамкнутую (часть кольца) (фиг. 3). Вид паза зависит от требования к времени готовности лазерного излучателя, поскольку с увеличением общей массы активного металла увеличивается время на его разогрев, а следовательно, и время готовности излучателя.

Такая конструкция позволит также исключить использование опорных молибденовых дисков. Опорой будет служить сама оболочка, что значительно упростит конструкцию.

С целью упрощения технологии изготовления трубки и утилизации составляющих ее элементов оболочку трубки можно собрать из нескольких разделенных промежутком керамических трубок (6), соединенных по внешнему периметру керамическими втулками (7) (фиг.4). Однако при этом в связи с тем, что пазы разрядной трубки заполнены металлом, теплопроводность которого существенно выше, чем у керамики, центральные части втулок нагреваются быстрее, чем их концы, контактирующие с керамическими трубками. Это может привести к возникновению тепловых напряжений в зоне контакта и к разрушению втулок. Для выравнивания температуры по поверхности втулки последнюю предлагается установить в металлическую обойму (8) (поскольку металл обладает хорошей теплопроводностью), внутренняя поверхность которой плотно прилегает к внешней поверхности втулки (фиг.4).

Для повышения надежности оболочки ее конструкция может быть выполнена из длинной основной трубы (9), внутрь которой с промежутком введены короткие отрезки изолирующих трубок (10), причем внешний диаметр коротких трубок равен внутреннему диаметру длинной трубы (фиг.5).

Промежутки между трубками в обоих вариантах оболочки служат пазами для блоков активного вещества.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена конструкция прототипа, на фиг.2 - конструкция предложенного решения, на фиг.3 - конструкция предложенного решения с вариантом формы паза, на фиг. 4, 5 - варианты конструкции оболочки, на фиг.6 - фотография разрядной трубки и молибденового кольца. На фиг. 1-6:
1 - оболочка разрядной трубки,
2 - экранирующие элементы,
3 - блок активного вещества,
4 - опора из молибдена,
5 - изолятор,
6 - трубка,
7 - втулка,
8 - металлическая обойма,
9 - труба,
10 - изолирующая трубка,
11 - вид трубки со стороны анода,
12 - вид трубки со стороны катода,
13 - молибденовое кольцо через 200 часов воздействия разряда. Видны образования дендритов.

Устройство работает следующим образом. Разогретый в разряде металл (3б) блока активного вещества превращается в жидкость, испаряющую атомы. Над поверхностью металла возникает равновесная концентрация паров. Внутренняя стенка оболочки (1) трубки, соседняя с блоком активного вещества, нагревается до температуры, не меньшей, чем сам блок. В результате диффузии атомы металла заполняют все пространство разрядной трубки, не конденсируясь на оболочке (фиг.2).

Эффективность изобретения проверена экспериментальным путем на примере трубки на парах меди (фиг.6). Молибденовое кольцо, вложенное внутрь разрядной трубки вместо одного из блоков активного вещества, в течение первых 200 часов работы покрывалось дендритами, перекрывающими апертуру канала, что приводило к потере 50% мощности излучения лазера. Отрицательное влияние конденсации паров на оболочке проявлялось в более длительные сроки и зависело от количества металла в блоке активного вещества. Исключение обеих причин позволило увеличить долговечность разрядной трубки лазера по сравнению с прототипом в 7-10 раз. Полученная долговечность составила 1500-2000 часов и была связана уже с запылением окон трубки. Конструкция трубки существенно упростилась.

Эффективность изобретения будет не менее высокой, если в качестве активного вещества использовать золото, свинец или барий, т.к. температура плавления этих веществ ниже, чем у меди, и, следовательно, оболочка трубки будет испытывать меньшую температурную нагрузку, чем в случае с медью.

Источники информации
1. H 01 S 3/02, GB 2 126 413 "Лазер на парах металла и смеси газов гелия и кадмия", приор. от 1982 г.

2. H 01 S 3/03, GB 2 176 335. А. Мэйтленд "Разрядная трубка лазеров на парах химических веществ", приор. от 1985 г.

3. Н. А. Левина, Э.Н. Марнер "Условия службы высокоогнеупорной окисной керамики в вакуумных электропечах с нагревателями из молибдена, вольфрама, ниобия". Огнеупоры, 11, ноябрь 1968 г.