Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera

Číslo patentu: 244991

Dátum: 15.11.1987

Autor: Gössl Rainer

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka výbojového zariadenia výkonového plynového lasera na vytváranie rovnomerného stabilného výboja.Doteraz známe výbojove zariadenia využivajú na zabezpečenie rovnomerného- stabilného výboja o vysokej prúdovej hustote elektródové systémy, ktoré sú umiestnené v prúdiacom plyne v oblasti, kde je najužší prierez kanála pre prúdenie plynu a kde prúdenia plynu dosahuje najväčšie rýchlosti. To je spojené s tým, že V týchto miestach potom dochadza V dôsledku veľkých odporov proti prúdeniu plynu k úmerne velkým stratam energie prúdu plynu. Pre prúdenie plynu je vytvorený aerodynamický kanal, ktorý formuje prúdenia plynu tak, že v najužšom priereze kanála, kde je spravidla umiestnený elektrödový systém a kde dochádza k horeniu výboja medzi elektródami elektrodového systému, dosahuje rýchlosť prúdenia plynu maximálne h-odnoty.Prúdenie plynu okrem zabezpečenia konvektívneho odvodu prebytočnej energie z výboja zabezpečuje vytváranie homogénnych podmienok pozdlž celého výboja. Typické rýchlosti prúdenia potrebné na dostatočný odvod prebytočnej tepelnej energie zo systému v najužšom priereze kanála dosahujú hodnoty 30 až 100 m/s pri pracovnomtlaku okolo 5,3 kPa. Potreba dosahovať takéto rýchlosti je vynútená tým, že takmer všetka prebytočná energie uvoľnená vo výboji je odvádzaná konvektívne - prúdenim plynu cez výboj. Pri uvedených pomerne vysokých rýchlostiach prúdenia plynu sa prejavujú nehomogenity prúdiaceho plynu,ako je napr. nerovnomerný rýchlostný profil po celom priereze, čo vedie k vytváraniu rozdielnych lokálnych teplôt a tým k nerovnomerným podmienkam v oblasti výboja s náchylnostou prechádzať do oblúku. Tepelná energia z prúdiaceho plynu je odvádzaná výmennílkom tepla, ktorý predstavuje veľký odpor proti prúdeniu plynu. Tieto i predtým uvedené okolnosti vyžadujú použitie výkonových agregátov pre nähon plynu V závislosti od požadovanej rýchlosti prúdenia. Odvod veľkého množstva tepelnej energie kladie úmerne požiadavky na výmennik tepla, čo je spojené s konštrukčnou a rozmer-ovou náročnosťou výmennika, popripade použitím viacerých výmenníkov.Rozmerné 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 nasledovné prestupy tepla prostredie výboja - prúdiacl plyn, prúdiacl plyn - výmennik tepla,výmenník tepla - chladiace médium. Každý prestup prispieva ľk znižovania celkovej účinnosti chladenia.Vytváranie homogénnych podmienok v celom objeme výbojového priestoru je dôležité z hľadiska stability výboja pri vysokej prúdovej hustote s cieľom predísť prechodu výboja do oblúka, čím je v podstate limini 4tované množstvo energie vkladané do výbojového priestoru a tiež z hladiska homogenity optického prostredia, ktoré slúži ako aktívne prostredie pre generovanie laserového žiarenia. Toto V konečnom dôsledku vyplýva na celkovú účinnosť laserového zariadenia.Doteraz známe laserové zariadenia využivajú rôzne formy stabilizácie a homogenizácie horenia výboja. Využívajú segmentovanie katódy na niekoľko sto individuálne odporovo zaťažených segmentov, alebo tiež segmentovanie anódy alebo obidvoch, t. j. katódy i anódy. Použitie veľkého počtu segmentov niektorej eleiktrödy vedie ku zvýšeniu stability, vyznačuje sa však zložitou konštrukciou, zvýšenými požiadavkami na technológiu výroby a materiály, čo je spojené s vysokou teplotou na povrchu elektród, s výskytom vysokého pracovného na pätia na elektródach, s nutnostou zachovat.tesnost a čistotu pracovného priestoru s požiadavkou vysokej spoľahlivosti a životnosti elektródového systému. V inom zariadeni sa na odvod tepla zo segmentovanej elektrody používa nepriama chladenie, čo však znižuje účinnost chladenia v tomto i ďalších podobných prípadoch nepriameho chladenia. Pre vytvorenie homogénnych podmienok sa zavádza do výbojovéh-o priestoru turbulencia plynu, ktorá je vytvárané samostatnými turbulentnými prepážkami tvaru sieťky, mriežky, lišty apod. Tieto prepážký sú umiestnené v blizkosti výbojového priestoru v najužšom priereze kanála. Použitie samostatných generátorov turbulencie umiestnených v ,uajužšom priereze aerodynamického kanála prispieva k zvýšeniu odpoIOV proti prúdeniu plynu a tým spätne ku zvýšeniu požiadavok na agregáty pre náhon plynu vyplývajúcich z pokrytia strát energie na týchto odporoch.Vyššie uvedené nevýh-ody zmierňuje a technický problem rieši výbojové zariadenie výkonového plynového lasera, ktorého podstatou je, že nad katódou tvorenou aspoň jedným valcovým segmentom, uloženou naprieč smeru prúdeniu plynu, je uložená aspoň jedna plošna anôda, pričom po smere prúdu plynu je pred prvým valcovým segmentotn katódy umiestnená pomocné segmentovaná elektrócla. Každý segment katódy, a každá anóda má vytvorenú dutinu pre chladiace médium. Medzi jednotlivými anódami sú uložené elektricky nevodivé podložlky vytvárajúce so stenou anódy hornú stenu aerodynamického kanála. Priľahle k plošnej anóde je z jednej strany uložená vrchná difúzorová doska tak, že hrana plošnej anódy presahuje cez difúzorovú dosku a z druhej strany vrchná k-onfúzorová doska,tvorlace hornú stenu aerodynamického kanála. Segmentovaná elektróda je uchytená v držiaku, ku ktorému je prilahle uložená spodná difúzorová doska tvoriaca spolu s držiakom spodnú stenu aerodynamickéhotunela. Pod katódou je uložená spodná k-onfúzorová doslka. Do podstaty vynálezu patrí tiež t-o, že ak sú nad katódou uložené tri plošné anódy, dlžka strednej plošnej anódy je rovnaká alebo väčšia ako dlžka krajných plošných anöd. Elektricky nevodivé podložky medzi plošnými anódami sú v- jednej rovine so spodnou plochou plošných anod. Prvý segment katódy umiestnený za držiakom je svojím povrchom v rovine alebo pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka a spodnou difúzorovou doskou a dalšie segmenty katódy sú usporiadané za sebou. Pozdĺž prvého segmentu katödy sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektrody tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektródy sú rovnomerne viysunuté pred výbojovým priestorom nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka a spodnou difúzorovou doskou.Výhodou výbojového zariadenia výkonového plynového lasera podla vynálezu je,že sa vyznačuje jednoduchou, spoľahlivou a úsporu-ou konštrukciou, nevyžaduje použitie špeciálnych materiálov, čo je predpokladom dlhe životnosti a spoľahlivosti zariadenia pri dosahovaní vysokých výkonov. Vzhľadom na znížené nároky na konvektĺvny odvod tepelnej energie z výboja, umožňuje používať, ako agregát pre náhon plynu bežné Ventilátory používané vo vzduchotechnike. Výbojové zariadenia podľa vynálezu ako súčasť prietočného plynového výko~n-ového lasera prispieva ku zvýšeniu celkovej účinnosti laserového zariadenia.Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera je príkladne znázornená na pripojenych výkresoch, kde na obr. 1 je nakreslený pohlad na výbojové zariadenie výkonového» plynového lasera v reze, na obr. 2 je nakreslené uloženie elektrod V axonoiuemi a na obr. 3 je nakreslený rez kolmý na os elektród.Výbojové zariadenie výkonového lasera pozostáva z agregátu 1 pre náh-on plynu,ktorý je umiestnený vo vnútri jiracovného priestoru ohraničeného plášťom 18 zariadenia. V pracovnom priestore zariadenia je umiestnená katóda 2 tvorená tromi valcovými segmentami vloženými naprieč smeru prúdenia plynu. Nad katódou 2 sú uložené tri plošné anódy 1. Po smere prúdenia plynu je pred prvým valcovým segmentom katódy 2 umiestnená pomocnú segmentovaná elektróda 3. Každý segment katody 2 a každá anóda 1 má vytvorenú dutinu pre chladiace médium. Medzi jednotlivými anódami 1 sú uložené elektricky nevodivé podložlky B, vytvárajúce so stenou anódy 1 hornú stenu aerodynamickéh-o kanála. Prilahle k plošnej anöde 1 je z jednej strany uložená vrchná difúzorová doska 5 tak, že hrana plošnej anódy 1 presahuje cez difúzorovú dosku 5 a z druhej strany vrchná konfúzorova doska 8, tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála. Segmentovaná elektroda 3 je uchytená v držiaku 4, ku ktorému je pri lahle uložená spodná difúzorová doska 9 tv-oriaca spolu s držiakom 4 spodnú stenu aerodynamického tunela. Pod Ikatódou 2 je uložená spodná konfúzorová doska 7. V prípade, že nad katódou 2 sú umiestnené tri plošné anódy 1, dĺžka strednej plošnej anódy 1 je rovnaká, aleba väčšia ako dĺžka krajných plošných anód 1. Prvý segment katody 2 umiestnený za držiakom 4 je svojim povrchom v rovine, alebo pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9 a dalšie segmenty katódy 2 sú usporiadané za sebou. Pozdĺž prvého segmentu katódy 2 sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektródy 3 tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektrody 3 sú rovnomerne vysunuté pre-d výbojovým priestorom 10 nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9. Funkcia výbojového zariadenia výkonového plynového lasera je nasledovná Vo výbojavom zariadeni prúdi plyn v- uzavretej slučke. Plyn prúdi od agregátu 15 pre nation plynu, difúzorovou oblasťou 19, ďalej najužším prierezom seno-dynamického kanála 17, potom prúdi výbojovým priestorom 10 a konfúz-orovým priestorom 21. Za konfúzorovým priestorom 2 | je prúdenie plynu nasmerované k výmenniku tepla 16, ktorý je umiestnený naprieč smeru prúdenia plynu. H-omogénny stabilný hlavný výboj hor vo výbojovom priestore lll medzi segmentov katódy 2 a plošnými andami 1. K si zácii hlavného výboja prispieva pom-r výboj, ktorý je udržiavaný medzi prvým se mentom katödy 2 a segmentami pomocné segmentovej elektródy 3. Prúdenie plvn dosahuje maximálnu hodnotu rýchlosti v najužšom priereze aerodynamického kanála 17. Prúdenie plynu je ovplyvňované a tvarované pred výbojovým priestorom 10 vzájomným usporiadanim vrchnej diŕúzorovej dosky 5, spodnej difúz-orovej dosky 9,držiakom 4 pomocnej segmento-vanej elelktródy 3 a plošnými anödami 1 s izolačnými vložkami 6.Každý segment pomocnej segmentovanej elektrödy 3 je pripojený na obvod napájaného zdroja cez individuálne záťažové odpory 11 pomocnej elektródy 3, ktoré majú spravidla rovnakú hodnotu. Plošné anódy 1 sú zaťažané individuálnymi zátažovými anódovými odpormi 12, cez ktoré sú plošné anódy 1 pripojené do obvodu napájacieho zdroja. segmenty katody 2 sú do obvodu napájacieho zdroja zapojené cez záťažové odpory 13, 14. Hodnoty anódových odporov 12 môžu byt odlišné a možno nimi potláčat vplyv nerovnomernéłio rýchlostného profilu prúdenia plynu na horenie výboja, čo sa prejavuje hlavne pod krajnými plošnými anödami 1. Vzájomným pomerom záťažových katödových odporov 13, 14 a záťažoVých anodových odporov 12 možno ovplyvňovat hustotu elektrického prúdu medzi seg 244991mentami katódy 2 a plošnými anódami 1. Hodnoty zátažových odporov 12, 13, 14 závisia od konkrétnych podmienok.Homogénny a stabilný objemový výboj o vysokej prúdovej hustote produkovaný zariadením podľa vynálezu je vhodný ak-o alktívne prostredie pre generovanie výkonného lasertového žiarenia. Typické použitie je a pre lasery využívajúce ako aktívne médium molekuly kysličníka uhličitého, kde prúdiaci plyn je tvorený zmesou kysličníka uhličitého, dusíka a hélia v zvolenom pomere jednotlivých zložiek.Zariadenie podľa vynálezu dovoľuje použitie vlacprechodového typu optického rezonátora a tým plnšie využitie aktívnej o-blasti vytváranej výbojom. Časť zariadenia,ktorá slúži na vytváranie pomocnéh-o stabilizačného výboja má univerzálne použitie. Možno ju použit v podobných výbojových systémoch, ktoré používajú tzv. dvojvýbojové usporiadanie, kde pomocný výboj vytvára podmienky pre stabilné horenie hlavného výboja. Táto časť zariadenia bola použitá vo výfkonovom prietočnom lasere nominálneho výkonu 1 000 W.1. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera, pozostävajúce z aerodynamického kanála, agregátu pre náhon plynu, výmennika tepla, katódy, anódy a pomocnej segmentovanej elektródy, vyznačujúce sa tým, že nad katódou 2, tvorenou aspoň jedným valcovým segmentom, uloženou naprieč smeru prúdenia plynu, je totožné aspoň jedna plošné anóda 1, pričom po smere prúdenia plynu je pred prvým valcovým segmentom katódy 2 umiestnená pomocné segmentovaná elektróda 3, zatiaľ čo každý segment katódy 2 a každá anoda l má vytvorenú dutinu pre chladiace médium a medzi jednotlivými anódami 1 sú uložené elektricky nevodivé podložky 6, vytvárajúce so stenou anódy 1 hornú stenu aerodýnamického kanála 17, príčom priľahle k plošnej anóde 1 je z jednej strany uložená vrchná difúzorova dosIka 5 tak, že hrana plošnej anůcly 1 presahuje difúzorovú dosku 5 a z druhej strany vrchná koníúzorová doska 8, tvoriace hornú stenu aerodynamického kanála 17, zatiaľ čo segment-ovaná elektróda 3 je uchytená v držiaku 4, ku ktorému je priľahle uložená spodná difúzorová dos 2 listy výkresovka 91, tvoriaca spolu s držiakom 4 spodnú stenu aerodynamického kanála 17,kým pod katódou 2 je uložená spodná konfúzorová doska 7.2. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera podľa bodu 1 vyznačujúce sa tým, že nad katódou 2 sú uložené tri plošné anúdy 1, pričom dlžlka strednej plošnej anódy 1 je rovnaká, alebo väčšia ako dĺžka krajných plošných anod 1.3. Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera podľa bodu 1 vyznačujúce sa tým, že prvý segment katódy 2, umiestnený za držiakom 4 je svojim povrchom V rovine, alebo- pod úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 9 a dalšie segmenty katódy 2 sú usporiadané za sebou, pričom pozdĺž prvého segmentu katödy 2 sú umiestnené tvarové konce pomocnej segmentovej elektródy 3 tak, že jednotlivé segmenty pomocnej segmentovanej elektrödy 3 sú rovnomerne vysunuté pred výbojovým priestorom 10 nad úrovňou roviny tvorenej povrchom držiaka 4 a spodnou difúzorovou doskou 91.

MPK / Značky

MPK: H01S 3/096, H01S 3/03

Značky: lasera, výbojové, výkonového, plynového, zariadenie

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-244991-vybojove-zariadenie-vykonoveho-plynoveho-lasera.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Výbojové zariadenie výkonového plynového lasera</a>

Podobne patenty