CS244991B1 - Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera - Google Patents

Abstract

Riešenie sa týká výbojového zariadenia výkonového plynového lasera na vytváranie rovnoměrného stabilného výboja. Podstatou vynálezu je, že nad katodou (2) tvořenou aspoň jedným válcovým segmentom, uloženou napríeč . směru prúdenia plynu je uložená aspoň jedna plošná anoda (1), pričom po smere prúdenia plynu je před prvým válcovým segmentom katody (2) umiestnená pomocná segmentová elektroda (3). Každý segment katody (2) a každá anoda (1) má vytvorenú dutinu pre chladiace médium. Medzi jednotlivými anodami (1) sú uložené elektricky nevodivé podložky (6), vytvára- júce so stěnou anody (1) hornú stenu aerodynamického kanála (17). Pritahle k plošné j anóde (1) je z jednej strany uložená vrchná difúzorovaná doska (5) tak, že hrana plošnej anody (1) přesahuje cez difúzo- rovú došku (5) a z druhej strany vrchná konfúzorová doska (8), tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála (17). Segmentová elektroda (3) je uchytená v držiaku (4), ku ktorému je pritahle uložená spodná difúzorová doska (9), tvoriaca spolu s držiakom (4) spodnú stenu aerodynamického tunela (17). Pod katodou (2) je uložená spodná konfúzorová doska (7).

Description

Vynález sa týká výbojového zariadenia výkonového plynového lasera na vytváranie rovnoměrného stabilného výboja.

Doteraz známe výbojové zariadenia využívajú na zabezpečenie rovnoměrného' stabilného výboja o vysokej prúdovej hustotě elektródové systémy, iktoré sú umiestnené v prúdiacom plyne v oblasti, kde je najužší prierez kanála pre prúdenie plynu a kde prúdenie plynu dosahuje najvSčšie rýchlosti. To je spojené s tým, že v týchto miestach potom dochádza v dosledku velkých odporov proti prúdeniu plynu k úměrně velkým stratám energie prúdu plynu. Pre prúdenie plynu je vytvořený aerodynamický kanál, ktorý formuje prúdenie plynu tak, že v najužšom priereze kanála, kde je spravidla umiestnený elektrodový systém a kde dochádza k horeniu výboja medzi elektrodami elektródového systému, dosahuje rýchlosť prúdenia plynu maximálně hodnoty.

Prúdenie plynu okrem zabezpečenia konvektívneho odvodu prebytočnej energie z výboja zabezpečuje vytváranie homogénnych podmienok pozdíž celého výboja. Typické rýchlosti prúdenia potřebné na dostatočný odvod prebytočnej tepelnej energie zo· systému v najužšom priereze kanála dosahujú hodnoty 30- až 100 m/s pri pracovnám .tlaku okolo 5,3 kPa. Potřeba dosahovat takéto rýchlosti je vynútená tým, že takmer všetka prebytočná energie uvolněná vo výboji je odvádzaná konvektívne — prúdením plynu cez výboj. Pri uvedených poměrně vysokých rýchlostiach prúdenia plynu sa prejavujú nehomogenity prúdiaceho plynu, ako je napr. nerovnoměrný rýchlostný profil po celom priereze, čo vedie k vytváraniu rozdielnych lokálnych teplot a tým k nerovnoměrným podmienkam v oblasti výboja s náchylnosťou prechádzať do oblúku. Tepelná energia z prúdiaceho plynu je odvádzaná výmenníkom tepla, ktorý představuje velký odpor proti prúdeniu plynu. Tieto i predtým uvedené okolnosti vyžadujú použitie výkonových agregátov pre náhon plynu v závislosti od požadovanej rýchlosti prúdenia. Odvod velkého množstva tepelnej energie kladie úměrné požiadavky na výmenník tepla, čo je spojené s konštrukčnou a rozměrovou náročnosťou výmenníka, popřípadě použitím viacerých výmenníkov.

Rozměrné účinné výmenníky tepla zabudované do prúdiaceho plynu s velkým odporom proti prúdeniu plynu zvyšujú nároky na agregát pre náhon plynu. Pri konvektívnom odvode tepla sa uplatňujú následovně přestupy tepla: prostredie výboja — prúdiaci plyn, prúdiaci plyn — výmenník tepla, výmenník tepla — chladiace médium. Každý přestup prispieva k znižovaniu celkovej účinnosti chladenia.

Vytváranie homogénnych podmienok v celom objeme výbojového priestoru je důležité z hladiska stability výboja pri vysokej prúdovej hustotě s cielom predísl přechodu výboja do· oblúka, čím je v podstatě liminitované množstvo energie vkládané do výbojového priestoru a tiež z hladiska homogenity optického prostredia, ktoré slúži ako aktivně prostredie pre generovanie laserového žiarenia. Toto v konečnom důsledku vyplývá na celkovú účinnost laserového zariadenia.

Doteraz známe laserové zariadenia využívajú rožne formy stabilizácie a homogenizácie horenia výboja. Využívajú segmentovanie katody na niekolko sto individuálně odporovo- zatažených segmentov, alebo tiež segmentovanie anody alebo obidvoch, t. j. katody i anody. Použitie velkého počtu segmentov niektorej elektrody vedie ku zvýšeniu stability, vyznačuje sa však zložitou konštrukciou, zvýšenými požiadavkami na technológiu výroby a materiály, čo je spojené s vysokou teplotou na povrchu elektrod, s výskytom vysokého pracovného napatia na elektrodách, s nutnosťou zachovat těsnost a čistotu pracovného priestoru s požiadavkou vysokej spolehlivosti a životnosti elektródového systému. V inom zariadení sa na odvod tepla zo segmentovanej elektrody používá nepriame chladenie, čo však znižuje účinnost chladenia v tomto i dalších podobných případech nepriameho chladenia. Pre vytvorenie homogénnych podmienok sa zavádza do výbojového priestoru turbulencia plynu, ktorá je vytváraná samostatnými turbulentnými přepážkami tvaru sieťky, mriežky, lišty apod. Tieto přepážky sú umiestnené v blízkosti výbojového priestoru v najužšom priereze kanála. Použitie samostatných generátorov turbulencie umiestnených v najužšom priereze aerodynamického kanála prispieva k zvýšeniu odporov proti prúdeniu plynu a tým spatné ku zvýšeniu požiadavok na agregáty pre náhon plynu vyplývajúcich z pokrytia strát energie na týchto odporoch.

Vyššie uvedené nevýhody zmierňuje a technický problém rieši výbojové zariadenie výkonového plynového lasera, ktorého podstatou je, že nad katodou tvořenou aspoň jedným válcovým segmentom, uloženou naprieč směru prúdeniu plynu, je uložená aspoň jedna plošná anoda, pričom po smere prúdu plynu je před prvým válcovým segmentom katody umiestnená pomocná segmentovaná elektroda. Každý segment katody a každá anoda má vytvorenú dutinu pre chladiace médium. Medzi jednotlivými anodami sú uložené elektricky nevodivé podložky vytvárajúce so stěnou anody hornú stenu aerodynamického kanála. Prifáhle k plošnej anóde je z jednej strany uložená vrchná difúzorová doska tak, že hrana plošnej anody přesahuje cez difúzorovú došku a z druhej strany vrchná konfúzorová doska, tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála. Segmentovaná elektroda je uchytená v držiaku, ku ktorému je prilahle uložená spodná difúzorová doska tvoriaca spolu s držiakom spodnú stenu aerodynamického tunela. Pod katodou je uložená spodná konfúzorová doska. Do podstaty vynálezu patří tiež to, že ak sú nad katodou uložené tri plošné anody, dížka strednej plošnej anody je rovnaká alebo vačšia ako dížka krajných plošných anód. Elektricky nevodivé podložky medzi plošnými anodami sú v jednej rovině so spodnou plochou plošných anód. Prvý segment katody umiestnený za držiakom je svojim povrchom v rovině alebo pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka a spodnou difúzorovou doskou a dalšie segmenty katody sú usporiadané za sebou. Pozdíž prvého· segmentu katody sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektródy tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektrody sú rovnoměrně vysunuté před výbojovým priestorom nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka a spodnou difúzorovou doskou.

Výhodou výbojového zariadenia výkonového plynového lasera podl'a vynálezu je, že sa vyznačuje jednoduchou, spolehlivou a úspornou konštrukciou, nevyžaduje použitie špeciálnych materiálov, čo je predpokladom dlhej životnosti a spolahlivosti zariadenia pri dosahovaní vysokých výkonov. Vzhladom na znížené nároky na konvektívny· odvod tepelnej energie z výboja, umožňuje používat, ako agregát pre náhon plynu běžné ventilátory používané vo vzduchotechnike. Výbojové zariadenia podlá vynálezu ako súčasť prietočného plynového výkonového lasera prispieva ku zvýšeniu celkovej účinnosti laserového zariadenia.

Výbojové zariadenie výkonového plynového iasera je příkladné znázorněné na připojených výkresoch, kde na obr. 1 je nakreslený pohlad na výbojové zariadenie výkonového· plynového lasera v řeze, na obr. 2 je nakreslené uloženie elektrod v axonomtnril a na obr. 3 je nakreslený rez kolmý na os elektrod.

Výbojové zariadenie výkonového lasera pozostáva z agregátu 1 pre náhon plynu, ktorý je umiestnený vo vnútri pracovného priestoru ohraničeného plášťom 18 zariadenia. V pracovnom priestore zariadenia je umiestnená katoda 2 tvořená tromi válcovými segmentami vloženými naprieč směru prúdenia plynu. Nad katodou 2 sú uložené tri plošné anody 1. Po smere prúdenia plynu je před prvým válcovým segmentem katody 2 umiestnená pomocná segmentovaná elektroda 3. Každý segment katody 2 a každá anoda 1 má vytvorenú dutinu pre chladiace médium. Medzi jednotlivými anodami 1 sú uložené elektricky nevodivé podložky 6, vytvárajúce so stěnou anody 1 hornú stenu aerodynamického kanála. Prifahle k plošnej anóde 1 je z jednej strany uložená vrchná difúzorová doska 5 tak, že hrana plošnej anody 1 přesahuje cez difúzorovú došku 5 a z druhej strany vrchná konfúzorová doska 8, tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála. Segmentovaná elektroda 3 je uchytená v držiaku 4, ku ktorému je pril'ahle uložená spodná difúzorová doska 9 tvoriaca spolu s držiakom 4 spodnú stenu aerodynamického tunela. Pod Ikatódou 2 je uložená spodná konfúzorová doska 7. V případe, že nad katodou 2 sú umiestnené tri plošné anody 1, dížka strednej plošnej anódy 1 je rovnaká, aleba vačšia ako dížka krajných plošných anód 1. Prvý segment katody 2 umiestnený za držiakom 4 je svojim povrchom v rovině, alebo pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9 a dalšie segmenty katody 2 sú usporiadané za sebou. Pozdíž prvého segmentu katody 2 sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektrody 3 tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektrody 3 sú rovnoměrně vysunuté před výbojovým priestorom 10 nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9. Funkcia výbojového· zariadenia výkonového plynového lasera je nasledovná: Vo výbojovom zariadení prúdi plyn v uzavretej slučke. Plyn prúdi od agregátu 15 pre náhon plynu, difúzorovou oblasťou 19, ďalej najužším prierezom aerodynamického kanála 17, potom prúdi výbojovým priestorom 10 a konfúzorovým priestorom 20. Za konfúzorovým priestorom 20 je prúdenie plynu nasměrované k výmenníku tepla 16, ktorý je umiestnený naprieč směru prúdenia plynu. Homogénny stabilný hlavný výboj hor^? vo výbojovom priestore 10 medzi segme^t-m’ katody 2 a plošnými an daroi 1. K' zácii hlavného· výboja prispievp pom-r výboj, ktorý je udržiavaný medzi prvým se mentom katody 2 a segmentami pomocné' segmentovej elektródy 3. Prúdenie plvm dosahuje maximálnu hodnotu rýchlosti v najužšom priereze aerodynamického kanála 17. Prúdenie plynu je ovplyvňované a tvarované před výbojovým priestorom 10 vzájomným usporiadaním vrchnej difúzorovej došky 5, spodnej difúzorovej došky 9, držiakom 4 pomocnej segmentovanej elektródy 3 a plošnými anodami 1 s izolačnými vložkami 6.

Každý segment pomocnej segmentovanej elektródy 3 je připojený na obvod napájaného zdroja cez individuálně zaťažové odpory 11 pomocnej elektródy 3, ktoré majú spravidla rovnakú hodnotu. Plošné anody 1 sú zaťažané individuálnymi záťažovými anodovými odpormi 12, cez ktoré sú plošné anódy 1 připojené do obvodu napájacieho zdroja. Segmenty katody 2 sú do· obvodu napájacieho zdroja zapojené cez záťažové odpory 13, 14. Hodnoty anodových odporov 12 možu byť odlišné a možno nimi potláčať vplyv nerovnoměrného rýchlostného profilu prúdenia plynu na horenie výboja, čo sa prejavuje hlavně pod krajnými plošnými anodami 1. Vzájomným pomerom záťažových katodových odporov 13, 14 a záťažových anodových odporov 12 možno ovplyvňovať hustotu elektrického prúdu medzi seg244991 mentami katódy 2 a plošnými anodami 1. Hodnoty záfažových odporov 12, 13, 14 závisia od konkrétných podmienok.

Homogénny a stabilný objemový výboj o vysokej prúdovej hustotě produkovaný zariadením podlá vynálezu je vhodný ako aktivně prostredie pre generovanie výkonného laserového žiarenia. Typické použitie je aj pre lasery využívajúce ako aktivně médium molekuly kysličníka uhličitého, kde prúdiaci plyn je tvořený zmesou kysličníka uhličitého, dusíka a hélia v zvolenom poměre jednotlivých zložiek.

Zariadenie podlá vynálezu dovoluje použitie vlacprechodového typu optického rezonátora a tým plnšie využitie aktívnej oblastí vytváranej výbojom. Část zariadenia, ktorá slúži na vytváranie pomocného stabilizačného výboja má univerzálně použitie. Možno ju použit v podobných výbojových systémoch, ktoré používajú tzv. dvojvýbojové usporiadanie, kde pomocný výboj vytvára podmienky pre stabilně horenie hlavného výboja. Táto část zariadenia bola použitá vo· výkonovom prietočnom lasere nominálneho výkonu 1 000 W.

Claims (3)

1. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera, pozostávajúce z aerodynamického kanála, agregátu pre náhon plynu, výmenníka tepla, katódy, anody a pomocnéj segmentovanej elektrody, vyznačujúce sa tým, že nad katodou (2), tvořenou aspoň jedným válcovým segmentom, uloženou naprieč směru prúdenia plynu, je totožná aspoň jedna plošná anoda (lj, pričom po smere prúdenia plynu je před prvým válcovým segmentom katódy (2) umiestnená pomocná segmentovaná elektroda (3], zatial' čo každý segment katódy (2j a každá anoda (lj má vytvořená dutinu pre chladiace médium a medzi jednotlivými anodami (lj sú uložené elektricky nevodivé podložky (6j, vytvárajúce so stěnou anody (1) hornú stenu aerodynamického kanála (17], pričom prilahle k plošnej anóde (lj je z jednej strany uložená vrchná difúzorová doska (5) tak, že hrana plošnej anódy (1) přesahuje difúzorovú došku (5) a z druhej strany vrchná konfúzorová doska (8), tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála (17), zatial' čo segmentovaná elektroda (3) je uchytená v držiaku (4), ku ktorému je prilahle uložená spodná difúzorová dosVYNÁLEZU ka (9), tvoriaca spolu s držiakom (4) spodnú stenu aerodynamického kanála (17), kým pod katodou (2j je uložená spodná konfúzorová doska (7).

2. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera podlá bodu 1 vyznačujúce sa tým, že nad katodou (2) sú uložené tri plošné anódy (1), pričom dížka strednej plošnej anódy (lj je rovnaká, alebo váčšia ako dížka krajných plošných anód (lj.

3. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera podlá bodu 1 vyznačujúce sa tým, že prvý segment katódy (2j, umiestnený za držiakom (4) je svojím povrchom v rovině, alebo pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka (4) a spodnou difúzorovou doskou (9) a ďalšie segmenty katódy (2) sú usporiadané za sebou, pričom pozdíž prvého segmentu katódy (2j sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektrody. (3J tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektrody (3) sú rovnoměrně vysunuté před výbojovým priestorom (10) nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka (4) a spodnou difúzorovou doskou (9).