Способ получения разряда в газовой среде

(Л с ГОСУДАРСТВЕН АЛЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1129680, кл. Н 01 Т 1/20, 1980.Газовые лазеры. Под ред. И.Мак-Даниеля и У.Нигэна. М,: Мир, 1986, с, 464 - 467.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗРЯДА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для запуска разрядных промежутков, выполняющих функцию генерации светового излучения или лазерного излучения. Цель изобретения - повышение мощности лазерного излучения разряда и уменьшение расходимости,1О , 1 690044 А 1 пучка путем увеличения равномерности распределения тока разряда в среде. Для пол-.учения разряда в промежуток между . диэлектрическими обкладками 1 и 2 вводят среду 5 (газ или смесь газов) и электродную систему 11. Включают источник электрической энергии 6. В результате поверхности обкладок 1 и 2 заряжаются зарядами разных знаков. Затем электродную систему 11 посредством привода 12 удаляют из промежутка между обкладками 1 и 2. Замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между обкладками 3 и 4 снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между обкладками 1 и 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на обкладках 1 и 2. 16 ил.1690044 Корректор Т.Пал Редактор В изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 аз 3819ВНИИПИ Го Составитель М,ЗахарянТехред М. Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Изобретение относится к электротехни- или в виде диодов 15 и 16 (фиг. 4), диоды 17ке и может быть использовано для получе- и 18, обдувающее устройство, включающеения разряда в среде, выполняющей компрессор 21 и сопла 22 и 23, установленфункцию генерации (в процессе разряда) ные в камере 8, Электроды 3 и 4 могут бытьлазерного или светового излучения, 5 подключены как к одному источнику электриЦель изобретения - повышение мощно- ческой энергии (фиг. 3), так и к двум источнисти лазерного излучения и уменьшение рас- кам электрической энергии 6 и 24 (фиг. 5 и 3).ходимости пучка лазерного излучения В варианте на фиг, 6 электроды 3 и 4путем увеличения равномерности распре- подключены к источнику 6 через емкостныеделения тока разряда в среде, 10 накопители 25 - 30 энергии, а развязываюНа фиг, 1, 3., 6, 9 - 16 представлены уст- щий элемент сеточных электродов (из полуройства для реализации способа; на фиг, 2, проводящего материала) 13 и 14 выполнен в4, 5, 7 и 8 - конструктивныеразновидности виде диода 15, Этот вариант может бытьэлементов, реализующих способ, выполнен как с коммутатором 7, так и сВ вариантах на фиг. 1,3, 6,8,9, 14-16 в 15 коммутатором 31,промежуток, образованный электродами 3 В варианте на фиг. 7 вводимое в промеи 4, введены два тела 1 и 2 из диэлектриче- жуток между электродами тело выполненоского материала, двухслойным и состоит из сегнетоэлектриВ вариантах на фиг, 10 - 13 в промежу- ческаго материала 32 с нанесенным на неготок, образованный электродами 3 и 4, вве слоем термостойкого материала 1.дено одно тело 1 из диэлектрического В варианте на фиг, 8 коммутатор 7 кроматериала. ме своей функции выполняет и функциюВ вариантах на фиг. 14 и 15 среду 5 предиониэации излучением (во время сраограждают материалом с зеркальной повер- батывания межэлектродных промежутковхностью или среду 5 ограждают материа коммутатора). В этом варианте электродылом, отражающим ультрафиолетовое коммутатора выполнены в виде последовательно соединенных межэлектродных проВ варианте на фиг. 16 в среду 5 вводят межутков 19 и 34, установленных по бокамдополнительные электроды 43 и 44, посред- тел 1 и 2, изготовленных из диэлектрическихством которых возбуждают коронный раз материалов. Равномерная предионизацияпо всей длине тел 1 и 2 может быть легкоряд.Устройствадля реалиэацииспособасо- обеспечена путем установки с параллельдержаттела 1 и 2 из диэлектрического мате- ным подключением пар последовательнориала (или тело из диэлектрического соединенных между собой межэлектродматериала фиг. 10 - 13, электроды 3 и 4, сре ных промежутков. 19 и 34 и индуктивногоду 5, источник 6 электрической энергии, сопротивления 3(индуктивные сопротивлеэлектрически связанный с электродами 3 и ния 33 обеспечивают пробой всех и пар по 4 через индуктивные (или активные) сопро- следовательно соединенных промежутковтивления 9 и 10(или через сопротивление 9), 19 и 34), Эти пары могут быть установлены,коммутатор 7 (для шунтирования электро например, с шагом 7-15 мм в направлениидов 3 и 4) или дополнительный источник 35 длины тел.1 и 2 (в направлении оси У).электрической энергии (выполненный, на- Вариант на фиг. 9 содержит дополнипример, в виде генератора импульсных на- тельный источник 35 электрической энергиипряжений Маркса), герметичную камеру 8 (выполненный, например, в виде генерато(наполненную средой 5) с установленными 45 ра импульсных напряжений Маркса) и комвнутри нее электродами 3, 4 и телами 1 и 2 мутатор 36,из диэлектрического материала (на фиг, 8, Вариант на фиг, 10 содержит конденсатор 28, соединенный последовательно сВариант устройства на фиг. 1 содержит электродами 3 и 4 (электрод 4 выполнен вэлектродную систему 11 (выполненную, на виде стержня). Тело 1 из диэлектрическогопример, в виде ряде ряда игольчатых элек. ро- материала выполнено в виде полого цилиндов), связанную с приводом 12, дра, а электрод 3 прилегает к внешней поЭ с ема 11 может быть выпол- верхности тела 1, или электрод 3 нанесен вЭлектродная системанена также и в виде ряда проволок (фиг, 2) с виде слоя на тело 1.длиной не менее длины тел 1 и 2 (фиг, 1). 55 Варианты на фиг. 14 и 15 содержат маВариант устройства на фиг, 3 содержит териал 37 с зеркальной поверхностью илисеточные электроды и13 и 14 выполненные материал 37 (например, фторопласт), отраиз полупроводящегоо материала, развязы- жающий ультрафиолетовое излучение,вающие элементы иенты 15 и 16, выполненные в В варианте на фиг. 15 к телам 1 и 2 извиде индуктивных сопротивлопротивлений (Фиг. 3) диэлектрического материала с высоким зна 1690044чением е (например, из сегнетоэлектрического материала) примыкает диэлектрический материал 38 и 39 с относительномалым значением я (например, иэ тефлона), Среда 5 ограждена материалами 37, 40, 41 и 42, имеющими определенные коэффициенты отражения светового излучения заданной длины волны.В варианте на фиг. 16 в среду 5 введены ряд электродов - проводов 43 и 44 (протянутых в направлении оси У или протянутых внаправлении оси Х), предназначенных для предиониэации коронным разрядом, Электроды 43 и 44 подключены к источнику 45 электрической энергии через индуктивные сопротивления 46 и 47 (фиг, 16 б). Электроды - провода 43 и 44 могут быть выполнены из полупроводящего материала, напримернихрома, или полупроводящего материала, имеющего большее чем нихром удельное объемное сопротивление.Коммутатор 7 может быть выполнен ввиде управляемого газоразрядного коммутатора 19, запуск которого осуществляется блоком 20 запуска (фиг. 3, 8.В вариантах на фиг, 1 а, 3 и 6 электродная система 11 и сеточные электроды 13 и 14 вводятся (фиг. 1 а) или устанавливаются (фиг. 3) на расстоянии примерно 2 - 3 мм от тел 1 и 2.Способ посредством устройства, представленного на фиг. 1, осуществляют следующим образом.В промежуток между электродами 3 и 4вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала (или электроды 3 и 4 покрывают диэлектрическим материалом 1 и 2), среду 5(газили смесь газов) и электродную систему 11,К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в результате чего напряженность электрического поля впромежутке электродная система 11 - диэлектрическое тело 1 и в промежутке электродная система 11 - диэлектрическое тело2 превышает пробивную прочность среды 5и в этих промежутках возникает электрический разряд. При этом поверхность диэлектрического тела 1 заряжается зарядамиотрицательного знака, а поверхность диэлектрического тела 2 - зарядами положительного знака. На электроде 3 накапливается заряд положительного знака, а на электроде 4 - заряд отрицательного знака, После окончания процесса зарядки электродов 3 и 4 электродную систему 11 посредством привода 12 удаляют изнутри промежутка между телами 1 и 2 (фиг. 1 б). Затем замыкают коммутатор 7, При этом разность потенциалов между электродами 35 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 и 4 снижается, а напряженносгь электриче ского поля в среде 5 (в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2) увеличива. ется до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и диэлектрическом телом 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрическом теле 1 и на диэлектрическом теле 2.Объемный разряд происходит за время 10 7 - 109 с, и поэтому источник 6 на этот процесс практически не влияет, а сопротивления 9 и 10 обеспечивают практическую разрядку источника 6 и предотвращают КЗ источника 6 (в случае, если источник не отключается после зарядки электродов 3 и 4),Способ посредством устройства, представленного на фиг. 3, осуществляют следующим образом.В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6. в результате чего напряженность электрического поля в промежутках электрод 13 - диэлектрическое тело 1, электрод 14 - диэлектрическое тело 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этих промежутках возникает электрический разряд. При этом поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем замыкают коммутатор 7 (путем подачи запускающего импульса от блока 20). При этом разность поте н циалов между точ к а ми поверхностей диэлектрических тел 1 и 2 возрастает до значения, примерно равного удвоенному значению напряжения источника 6, а напряженность электрического поля в среде 5 превышает пробивную прочность среды 5 и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и диэлектрическим телом 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрическом теле 1 и диэлектрическом теле 2.Относительно высокие значения сопро. тивлений электродов 13 и 14 (электроды 13 и 14 выполняют из полупроводящего материала) практически исключают протекание тока через тело электродов 13 и 14 в процессе объемного разряда. Сопротивления 15 и 16 (фиг. 3) или диоды 15 и 16 обеспечивают практическую разрядку электрической связи между электродами 13 и 14 в процессе объемного разряда.Способ посредством устройсгва, представленного на фиг. 6, осуществляют следующим образом.Б промежуток между эле .1 рг лями 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрд "г .го мате 1690044риала и среду 5. Включают источник 6. В результате включения источника 6 напряженность электрического поля в промежутках электрод 13 - диэлектрическое тело 1, электрод 14- диэлектрическое тело 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5 (так как емкость конденсатора, обкладками которого служат электроды 3 и 40 намного меньше емкости накопителей 25 - 30 энергии, и в этих промехолках возникает электрический разряд.Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между обкладками накопителей 25 и 30 энергии уменьшается, а напряженность электрического поля в среде 5 возрастает да значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрических телах 1 и 2,Диод 15 обеспечивает практическуюразвязку электрической связи между электродами 13 и 14 в процессе объемного разряда.Если вместо коммутатора 7 замкнутькоммутатор 31, то это также приведет к возрастанию напряженности электрического поля в среде 5. Однако в этом случае скорость роста напряженности электрического поля в среде 5 и амплитудное значение напряженности уменьшатся.Способ посредством устройства, представленного на фиг, 8, осуществляют следующим образом.В промежуток между электродами 3 и 4вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника (который на фиг. 8 ие показан) в результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд.Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем замыкают коммутатор 7. При этом разность потенциалов между электродами 3 и 4 снижается, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивнуюпрочность среды 5, и в промежутке междудиэлектрическими телами 1 и 2 возникаетобъемный разряд, Способ посредством р;1.рпйства, представленного на фнг. 9, огл:,",твляют следующим образом.До запуска генератора 35 коммутатором 36 можно разорвать электрическую связь генератора 35 и источника 6. Однако это не обязательно, так как такую функцию могут выполнять индуктивные сопротивления 9 и 10.Способ посредством устройства, представленного на фиг. 10, осуществляют следующим образом,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, в результате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возрастает до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхности диэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков. Затем запускают генератор 35 импульсных напряжений Маркса и напряжение между телами 1 и 2 возрастает примерно до значения, равного сумменапряжений источника 6 и генератора 35, напряженность электрического поля в среде 5 превышает пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на диэлектрических телах 1 и 2. В промежуток между электродами 3 и 4 вводят тело 1 иэ диэлектрического материала и среду 5, Включают источник 6. В результате приложения напряжения от источника 6 напряженность электрического поля в промежутке между электродом 4 и диэлектрическим телом 1 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5 (так как емкость конденсатора, обкладками которого служат электроды 3 и 4, намного меньше емкости накопителя 28 энергии, и в этом промежутке возникает электрический разряд, Поверхность диэлектрического тела 1 заряжается зарядами отрицательного знака, а электрод 3 - зарядами положительного знака. После окончания процесса зарядки электрическое поле в промежутке между электродом 4 и диэлектрическим телом 1 уменьшается до значения меньше пробивной прочности среды разрядного промежутка, Затем замыкают коммутатор 7. При этом напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическим телом 1 и электродом 4 возникает объемный разряд,Способ посредством устройства, представленного на фиг. 11, осуществляют аналогично способу па фиг. 10.Способ посредством устройства, представленного на фиг. 12, осуществляют следующим образом,В промежуток между электродами 3 и 4вводят тело 1 из диэлектрического материала и среду 5, К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, врезультате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическим телом 1 и электродом 3 и впромежутке между диэлектрическим телом1 и электродом 4 возрастает до значения,превышающего пробивную прочность среды 5, и в этих промежутках возникает электрический разряд. Часть поверхностидиэлектрического тела 1 заряжается зарядами положительного знака, а другая часть- зарядами отрицательного знака. Затем замыкают коммутатор 7, При этом разностьпотенциалов между электродами 3 и 4 снижается, а напряженность электрическогополя в среде 5 увеличивается до значения,превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутках диэлектрическое тело1 - электрод 3, диэлектрическое тело 1 -электрод 4 возникает объемный разряд.Способ посредством устройства, представленного на фиг. 13, осуществляют аналогично способу по фиг. 12. В этом вариантевыполнение диэлектрического тела 1 в виделенточного транспортера позволяет охлаждать ту часть диэлектрического тела 1, которая расположена в промежутке междуэлектродами 3 и 4.Способ посредством устройства, пред-.ставленного на фиг. 16, осуществляют следующим образом,В промежуток между электродами 3 и 4вводят тела 1 и 2 из диэлектрического материала и среду 5. К электродам 3 и 4 прикладывают напряжение от источника 6, врезультате чего напряженность электрического поля в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возрастает дозначения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в этом промежутке возникает электрический разряд. Поверхностидиэлектрических тел 1 и 2 заряжаются зарядами противоположных знаков, После окончания процесса зарядки от источника 45электрической энергии к системе электродов 43 и 44, выполненных из полупроводящего материала, прикладываетсянапряжение больше напряжения зажигания коронного разряда между электродами43 и 44 и меньше напряжения пробоя междуэлектродами 43 и 44. Затем замйкают ком имеют поверхности, обращенные друг к другу с размерами (500 - 800) х 300 мм, а в качестве среды 5 используют смесь газов -90 Аг (аргона); -106 Кг (криптана) и ме нее 0,5 Р 2(фтора) при давлении(1-3) х 10Па, Тела 1 и 2 выполняют из сегнетоэлектрического материала с е= 2000 и более,П р и м е р 4, Осуществляют так же ипри тех же параметрах, что и пример 3,5 10152025 30 3540 4550 мутатор 7, При этом разность патенцидлая между электродами 3 и 4 сниж;.ется, а напряженность электрического поля в среде 5 увеличивается до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд,П р и м е р 1. Тела 1 и 2, выполненные из диэлектрического материала с высоким значением е(например, из материала диэлектрика конденсаторов типа КВИили К 15-10) с размерами поверхностей, обращенных друг крругу, примерно равными (250 - 350)х 30 мм, устанавливают на расстоянии друг от друга, примерно равном 1724 мм (фиг, 1 б), Резонатором служит глухое зеркало с алюминиевым покрытием и кварцевая пластина, Коммутатором 7 служит управляемый разрядник. Промежуток между диэлектрическими телами 1 и 2 заполняютазотом при давлении 120 - 160 Торр (система электродов 11 отсутствует, фиг, 1 б), Включают источник 6 электрической энергии с выходным напряжением 30 - 34 кВ. В результате включения источника 6 в промежутке между диэлектрическими телами 1 и 2 возникает электрический разряд и поверхность тела 1 заряжается зарядами отрицательного знака, а поверхность тела 2 - зарядами положительного знака(фиг, 1 б). После окончания процесса зарядки переводят коммутатор 7 (выполненный в виде управляемого газоразрядного коммутатора, фиг, 8) из не- проводящего состояния в проводящее, чта приводит к увеличению напряженностиэлектрического поля в среде 5 до значения, превышающего пробивную прочность среды 5, и в промежутке междудиэлектрическими телами 1 и 2 возникает объемный разряд, нейтрализуя заряды на поверхности диэлектрических тел 1 и 2, генерируя лазерноеизлучение.П р и м е р 2. Осуществляют при тех же параметрах, что и пример 1, только в отличие от примера 1 обкладки 1 и 2 имеют поверхности, обращенные друг к рругу с размерами (250 - 300) х (250 - 300) мм .П р и м е р 3. Осуществляют так же и при тех же параметрах, что и пример 1,только в отличие от примера 1 тела 1 и 2только в отличие от примера 3 в качестве среды 5 используют смесь газов: -97-98 Не; -2 Хе (ксенона); 0,2 - О,Зф НС при давлении 1-3 ат.П р и м е р 5. Тела 1 и 2, выполненные из материала с высоким значением е с размерами поверхностей, обращенных друг к другу, примерно равными (250 - 300) х (250- 300) мм, устанавливают на расстоянии друг от друга, примерно равном 17-24 мм (фиг. 15). Среду 5 ограждают глухими зеркалами 40 и 41 с коэффициентами отражения, близкими к 90 - 100, и поверхностями 37 и 42 с коэффициентами отражения 15-30 (например, кварцевыми пластинами 37 и 42), Коммутатором 7 служит управляемый газоразрядный коммутатор (фиг. 15 и 8).Промежуток между обкладками 1 и 2 заполняют азотом при давлении 120-160 Торр.Включают источник 6 с выходным напряжением ЗО - 34 кВ. После окончания процесса зарядки поверхности тел 1 и 2 переводят.коммутатор 7 из непроводящего состояния в проводящее, что приводит к возникновению объемного разряда, в процессе которого генерируется лазерное излучение во взаимно перпендикулярных направлениях, Лазерное излучение поступает в окружающую среду через поверхности 37 и 42.П р и м е р 6. Осуществляют так же, что и пример 5, только в отличие от примера 5 в среду 5 вводят нихромовые дополнительные электроды 43 и 44 (фиг. 16) с шагом.7-15 мм с диаметром электродов - проводов 43 и 44, примерно равным 0,15-0,3 мм, и между проводами 43 и 44 до и в процессе перевода коммутатора 7 из непроводящего состояния в проводящее возбуждают коронный разряд путем подачи напряжения от источника 45 (фиг. 16).П р и м е р 7, Осуществляют так же, что и пример 6, только в отличие,от примера 6 тела 1 и 2 имеют поверхности, обращенные друг к уугу с размерами (500 - 800) х (500 - 800) мм, а в качестве среды 5 используют смесь газов: 90 Аг (аргона); -10 Кг(криптона) и менее 0,5 фтора при давлении (1 - 3) х х 10 Па. Тела 1 и 2 выполняютиз сегнетоэлектрического материала с е -2000 и более.П р и м е р 8, Осуществляют так же ипри тех же параметрах, что и пример 7, 5 только в отличие от примера 7 е качествесреды 5 используют смесь газов: -9798 оНе; -2 Хе(ксенона); 0,2-0,3 НО при давлении 1-3 ат.Таким образом, предложенный способ 10 исключает шнурование разряда и повышаетравномерность распределения тока разряда в среде, что значительно уменьшает как активное, так и реактивное сопротивление разрядного промежутка и тем самым, при 15 прочих равных условиях, повышает мощность энерговклада.и мощность светового и лазерного излучения разряда. Указанное обстоятельство позволяет путем увеличения ширины межэлектродного промежутка 20 повысить мощность светового и лазерногоизлучения, что невозможно осуществить известными способами.Кроме того предложенный способ позволяет уменьшить расходимость пучка ла зерного излучения вследствие увеличенияравномерности распределения тока разряда в среде.Формула изобретения Способ получения разряда в газовой.30 среде, включающий увеличение напряженности электрического поля в среде до значения, превышающего пробивную прочность среды путем приложения к электродам напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с 35 целью повышения мощности лазерного излучения и уменьшения расходимости его пучка путем увеличения равномерности распределения тока разряда в среде, до приложения упомянутого напряжения в 40 промежуток, образованный электродами,вводят по крайней мере один элемент из диэлектрического материала, а после приложения к электродам указанного напряжения их шунтируют или подключают к 45 дополнительному источнику электрическойэнергии, полярность выводов которого йротивоположна полярности укаэанных электродов.