RU2029420C1 - Electric discharge gas laser - Google Patents

Abstract

FIELD: laser equipment. SUBSTANCE: laser has at least one pair of discharge tubes, each being provided with two electrodes and connected to collectors coupled to gas-dynamic circuit including fan and heat exchanger. Electrodes are placed outside of discharge tubes on their ends and are fabricated in the form of half of hollow torus. Discharge tubes are positioned in case manufactured in the form of two coaxial tubes from heat-resistant dielectric material. In space between tubes there are installed longitudinal ribs forming three collectors together with walls of tubes of case which enter gas-dynamic circuit for pumping through gas mixture. EFFECT: enhanced operational efficiency and reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано, в частности, для сварки, резки, спайки различных металлических и неметаллических материалов. The invention relates to quantum electronics and can be used, in particular, for welding, cutting, soldering various metal and non-metallic materials.

Известен СО₂-лазер [1], содержащий разрядную (плазменную) трубку, окно для циркулярно-поляризованного и линейно-поляризованного выходных лучей, панель дистанционного управления, индикаторную лампу и крышки.Known CO ₂ laser [1], containing a discharge (plasma) tube, a window for circularly polarized and linearly polarized output rays, a remote control panel, an indicator lamp and covers.

Недостатком его является большой расход газа, низкий КПД, невысокая выходная мощность и то, что лазер работает на одной частоте. Its disadvantage is high gas consumption, low efficiency, low output power and the fact that the laser operates at the same frequency.

Наиболее близким изобретению является электроразрядный газовый лазер [2] , содержащий по крайней мере одну пару разрядных трубок, расположенных на одной оптической оси резонатора с размещенными на краях каждой из них перпендикулярно оптической оси лазера катодами и анодами, выполненных из цветного металла, каждая пара газоразрядных трубок снабжена газовыми вводами и выводами, объединенными коллекторами, соединенными с газодинамическим контуром, включающим вентилятор и теплообменник. The closest invention is an electric discharge gas laser [2], containing at least one pair of discharge tubes located on the same optical axis of the resonator with cathodes and anodes made of non-ferrous metal perpendicular to the optical axis of the laser, each pair of discharge tubes equipped with gas inlets and outlets, combined collectors connected to a gas-dynamic circuit, including a fan and a heat exchanger.

Недостатком его является низкая выходная мощность и КПД, обусловленная невозможностью использования в данной конструкции захоложенных газов и различного состава и создания температурного поля внутри разрядной трубки. Its disadvantage is the low output power and efficiency, due to the inability to use refrigerated gases and various compositions in this design and to create a temperature field inside the discharge tube.

Целью изобретения является повышение КПД и выходной мощности лазера при одновременном расширении частотного диапазона генерируемого лазерного излучения. The aim of the invention is to increase the efficiency and output power of the laser while expanding the frequency range of the generated laser radiation.

Цель достигается тем, что в известном электроразрядном лазере электроды разрядных трубок выполнены в виде половины полого тора диаметром D, образованной сечением тора плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии с пристыкованными к краям в плоскости сечения наружными кольцевыми элементами, на поверхностях которых, обратных сфере половины тора, закреплены коаксиальные металлические цилиндры с продольным размером L, на цилиндрах на скользящей посадке установлены диэлектрические эластичные манжеты П-образной формы с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный внешнему диаметру разрядной трубки, и кольцевым отверстием, ширина которого равна диаметру поперечного сечения тора, электроды установлены снаружи разрядных трубок на их концах, причем катоды размещены на близлежащих концах трубок пары и обращены друг к другу выпуклыми рабочими поверхностями, выполненными с пористой структурой с размерами пор d_пор, разрядные трубки в каждой паре установлены на расстоянии D, все разрядные трубки с электродами размещены в корпусе, выполненном в виде двух коаксиальных трубок из термоустойчивого диэлектрического материала так, что внутренняя трубка корпуса имеет плотный контакт с поверхностями эластичных манжет охлаждающих внешние металлические цилиндры, газовые вводы выполнены в стенках трубок корпуса между разрядными трубками в каждой паре, в полости между трубками корпуса установлены со сдвигом на 120^о друг относительно друга продольные ребра, образующие со стенками этих трубок три коллектора, два из которых выполнены сообщающимися внутри полости между трубками корпуса, во внутренней стенке одного из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия диаметром D*, центры которых смещены от торцов трубок, обращенных к газовым вводам на расстояние l₁= L +

на каждой разрядной трубке между электродами в плоскости, отстоящей от этого же торца на расстояние l₂ = L + D*, установлен диэлектрический диск, образующий совместно со стенками корпуса и разрядной трубки анодную и катодную полости, в каждой анодной полости в стенке разрядной трубки выполнены равномерно распределенные отверстия с суммарной площадью S_отв и плотностью m, оси которых направлены под острым углом к направлению прокачки рабочей среды через разрядную трубку, в этих же полостях во внутренней стенке второго из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия, сообщающие этот коллектор с анодными полостями, при этом газовые выводы выполнены во внутренней трубке корпуса, ограничивающей третий коллектор, подсоединенный с газодинамическому контуру, и расположены у торцов каждой пары разрядных трубок, а величины D, L, d_пор, m и S_отв удовлетворяют следующим соотношениям:
D ≅

+r; L ≥ K₂

m·S_отв=

; d_пор≅

где r - радиус разрядной трубки, м;
Р - давление рабочей среды, мм рт.ст.;
I - ток в одной разрядной трубке, А;
U_к - катодное падение напряжения, В;
v_к - скорость отбора газа с рабочей поверхности электрода, м/с;
l_к - толщина катодного слоя, м;
W - внутренняя энергия материала металлических цилиндров, Дж/м³;
v - скорость потока рабочей среды, м/с;
C и σ - теплоемкость и проводимость рабочей среды, Дж/град, 1/Ом˙м;
Е - напряженность поля в разрядной трубке, В/м;
Т_∞ - температура в ядре потока рабочей среды, К;
Т_w - температура втекающего холодного газа, К;
δ _т - толщина пограничного слоя газа, м;
К₁ и К₂ - коэффициенты, определяемые составом рабочей среды;
К₁ =

/Р², где

- плотность тока на поверхности электрода, А/м²;
К₂ = l_к ˙Р.The goal is achieved by the fact that in the known electric-discharge laser, the electrodes of the discharge tubes are made in the form of a half of a hollow torus with a diameter D formed by a section of the torus with a plane perpendicular to its axis of symmetry with outer ring elements joined to the edges in the section plane, on the surfaces of which are opposite to the sphere of half of the torus, coaxial metal cylinders with a longitudinal dimension L are fixed, dielectric elastic cuffs of a U-shape with a central bore are mounted on the cylinders on a sliding fit with a diameter equal to the outer diameter of the discharge tube and an annular hole whose width is equal to the cross-sectional diameter of the torus, the electrodes are installed outside the discharge tubes at their ends, the cathodes being placed at the adjacent ends of the pair tubes and facing each other with convex working surfaces made a porous structure with pore sizes of _pores d, discharge tubes in each pair are set at a distance D, all discharge tubes with the electrodes arranged in a housing formed in form of two coaxial tubes of heat-resistant dielectric material such that the inner casing tube has a tight contact with the surfaces of the elastic cuffs cooling external metal cylinders, gas inlets formed in the walls of the casing tube between the discharge tubes in each pair in the cavity between the tubes housing mounted displaced by ¹²⁰ ° relative to each other longitudinal ribs forming three collectors with the walls of these tubes, two of which are made communicating inside the cavity between the tubes of the housing, in the inner wall of one of communicating collectors, holes with a diameter D * are made, the centers of which are offset from the ends of the tubes facing the gas inlets at a distance l ₁ = L +

on each discharge tube between the electrodes in the plane spaced from the same end by a distance l ₂ = L + D *, a dielectric disk is installed, which forms, together with the walls of the housing and the discharge tube, an anode and a cathode cavity, in each anode cavity in the wall of the discharge tube uniformly distributed openings with a total area S _{of holes} and a density of m, the axes of which are directed at an acute angle to the direction of pumping working fluid through the discharge tube, in these cavities in the inner wall of the second communicating Collect a moat formed hole communicating the collector with the anode cavities, wherein the gas terminals are formed in the inner tube body delimiting a third collector connected with the gas-dynamic contour and are disposed at the ends of each pair of discharge tubes, and the values of D, L, d _pore, m and S _resp satisfy the following relationships:
D ≅

+ r; L ≥ K ₂

m · S _holes =

; d _por ≅

where r is the radius of the discharge tube, m;
P is the pressure of the working medium, mm Hg;
I is the current in one discharge tube, A;
U _to - cathodic voltage drop, V;
v _to - the rate of gas extraction from the working surface of the electrode, m / s;
l _to - the thickness of the cathode layer, m;
W is the internal energy of the material of the metal cylinders, J / m ³ ;
v is the flow rate of the working medium, m / s;
C and σ are the heat capacity and conductivity of the working medium, J / deg, 1 / Ohm˙m;
E is the field strength in the discharge tube, V / m;
T _∞ - temperature in the core of the flow of the working medium, K;
T _w is the temperature of the inflowing cold gas, K;
δ _t - the thickness of the boundary layer of gas, m;
K ₁ and K ₂ - coefficients determined by the composition of the working environment;
K ₁ =

/ R ² , where

- current density on the surface of the electrode, A / m ² ;
K ₂ = l _to ˙P.

На фиг. 1 изображена схема электроразрядного СО₂-лазера; на фиг. 2 - корпус лазера, поперечное сечение.In FIG. 1 shows a diagram of an electric discharge CO ₂ laser; in FIG. 2 - laser housing, cross section.

Схема содержит пористый электрод 1 с рабочей поверхностью в виде полого полутора (катод), металлические коаксиально расположенные цилиндры 2, диэлектрическую эластичную манжету 3, катодную полость 4, диэлектрический диск 5, отделяющий катодную полость от анодной, отверстие 6 ввода газа в анодную полость, анодную полость 7, полость 8 между трубками корпуса, пористый электрод 9 с рабочей поверхностью в виде полого полутора (анод), выходное зеркало резонатора 10-11, отверстия 11, находящиеся в анодной полости, коллектор 12, теплообменник 13, вентилятор 14, отверстие 15 для вывода газа из катодной полости в коллектор, отверстие 16 для вывода газа в другой коллектор, глухое зеркало резонатора 17, первую термоустойчивую диэлектрическую трубку 18, вторую термоустойчивую диэлектрическую трубку 19, газоразрядную трубку 20, поджигающие электроды 21, ребра 22, сообщающийся коллектор 23. The circuit contains a porous electrode 1 with a working surface in the form of a hollow one and a half (cathode), metal coaxially arranged cylinders 2, a dielectric elastic cuff 3, a cathode cavity 4, a dielectric disk 5 separating the cathode cavity from the anode, a gas inlet 6 into the anode cavity, the anode cavity 7, cavity 8 between the tubes of the housing, a porous electrode 9 with a working surface in the form of a hollow one and a half (anode), an output mirror of the resonator 10-11, holes 11 located in the anode cavity, a collector 12, a heat exchanger 13, fan 1 4, a hole 15 for discharging gas from the cathode cavity into the collector, a hole 16 for discharging gas to another collector, a blind mirror of the resonator 17, a first heat-resistant dielectric tube 18, a second heat-resistant dielectric tube 19, a gas discharge tube 20, igniting electrodes 21, fins 22, communicating collector 23.

Лазер работает следующим образом. The laser operates as follows.

В лазер подают захоложенный газ (СО₂ или СО, N₂He) под давлением Р = 10-30 Торр, прокачивают его со скоростью U_прок≈100 м/мин. При этом конвективное время пролета газа много меньше времени его релаксации.A charged gas (CO ₂ or CO, N ₂ He) is supplied to the laser at a pressure of P = 10-30 Torr, it is pumped at a speed of U _proc ≈100 m / min. In this case, the convective gas transit time is much shorter than its relaxation time.

На электроды 1 и 9 подают напряжение. Высоковольтным импульсом напряжения на поджигающих электродах 21 зажигают газовый разряд в газоразрядной трубке 20 между катодами 1 и анодами 9, которым накачивают активную среду лазера. Рабочий газ (активную среду) направляют из теплообменника 1 в промежуток между газоразрядными трубками 20. С поверхностями пористого катода 1, диаметр которого определяется из условия горения разряда в нормальных и аномальных режимах, характеризуемых нормальной и аномальной плотностью тока, отбирают часть газа, который попадает в канал, образованный коаксиальными металлическими цилиндрами 2, охваченными диэлектрической эластичной манжетой 3, длина которой определяется из баланса выделяемой в катодном слое электрической энергии и уносимой потоком газа с учетом нагрева металлических цилиндров. Далее газ попадает в катодную полость 4, образованную диэлектрическим диском 5, газоразрядной трубкой 20, первой термоустойчивой диэлектрической трубкой 18 и катодом 1, далее через отверстие 15 направляется в сообщающиеся коллекторы 23. Коллекторы 23 и 12 образованы поверхностями первой 18, второй 19 термоустойчивыми трубками и ребрами 22. Газ через отверстие 6 попадает в анодную полость 7, в которой часть газоразрядной трубки 20 покрыта периодически расположенными и под углом выполненными отверстиями 11, количество которых на единицу площади и площадь отверстия определяются балансом тепла, выделяемого в пограничном слое и уносимого вдуваемым потоком газа при условии полного перекрытия струй вдуваемого газа. На анодной полости 7 через эти отверстия и пористый анод 9 возвращается в основной нагретый в газоразрядной трубке поток газа, который через отверстия 16 попадает в коллектор 12, по которому газ возвращается в теплообменник 13. Вентилятор 14 обеспечивает движение газа по замкнутому контуру. Продукты разложения газа в газоразрядной трубке и приэлектродных областях вымораживаются в криогенном теплообменнике 13, далее цикл повторяется. The electrodes 1 and 9 are energized. A high voltage voltage pulse on the ignition electrodes 21 ignites a gas discharge in the gas discharge tube 20 between the cathodes 1 and anodes 9, which pump the active medium of the laser. The working gas (active medium) is directed from the heat exchanger 1 into the gap between the gas discharge tubes 20. With the surfaces of the porous cathode 1, the diameter of which is determined from the condition of the discharge burning in normal and abnormal conditions, characterized by normal and abnormal current density, part of the gas that gets into channel formed by coaxial metal cylinders 2 covered by a dielectric elastic cuff 3, the length of which is determined from the balance of electrical energy released in the cathode layer and carried away gas flow taking into account the heating of metal cylinders. Then the gas enters the cathode cavity 4, formed by the dielectric disk 5, the gas discharge tube 20, the first heat-resistant dielectric tube 18 and the cathode 1, then through the hole 15 is directed into communicating collectors 23. The collectors 23 and 12 are formed by the surfaces of the first 18, second 19 heat-resistant tubes and ribs 22. Gas through the hole 6 enters the anode cavity 7, in which part of the gas discharge tube 20 is covered with periodically arranged and angled holes 11, the number of which per unit area and area the holes are determined by the balance of heat generated in the boundary layer and carried away by the injected gas stream provided that the blown gas jets completely overlap. On the anode cavity 7, through these openings and the porous anode 9 returns to the main gas stream heated in the discharge tube, which through the openings 16 enters the manifold 12, through which the gas returns to the heat exchanger 13. The fan 14 provides gas movement in a closed loop. The decomposition products of the gas in the gas discharge tube and the electrode regions are frozen in the cryogenic heat exchanger 13, then the cycle repeats.

Положительный эффект при использовании изобретения заключается в повышении границы устойчивости разряда и удельного энерговклада. A positive effect when using the invention is to increase the boundary of the stability of the discharge and the specific energy input.

Конструкция позволяет работать при пониженной температуре газа со смесями, содержащими СО₂ или СО-газ, т.е. получать излучение с длиной волны 10,6 мкм и 4,8-5,8 мкм. В итоге увеличивается КПД лазера и выходная мощность, уменьшается его расходимость.The design allows working at a reduced gas temperature with mixtures containing CO ₂ or CO gas, i.e. receive radiation with a wavelength of 10.6 microns and 4.8-5.8 microns. As a result, the laser efficiency and output power increase, and its divergence decreases.

Claims (1)

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий по крайней мере одну пару расположенных на оптической оси резонатора разрядных трубок, каждая из которых снабжена двумя электродами из цветного металла - анодом и катодом и газовыми вводами и выводами, подключенными к коллекторам, соединенным с газодинамическим контуром, включающим вентилятор и теплообменник, отличающийся тем, что электроды разрядных трубок выполнены в форме половины полого тора с диаметром D, образованной сечением тора плоскостью, перпендикулярной к его оси симметрии, с пристыкованными к краям в плоскости сечения наружными кольцевыми элементами, на поверхностях которых, обратных сфере половины тора, закреплены коаксиальные металлические цилиндры с продольным размером L, на цилиндрах на скользящей посадке установлены диэлектрические эластичные манжеты П-образной формы с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный внешнему диаметру разрядной трубки, и кольцевым отверстием, ширина которого равна диаметру поперечного сечения тора, электроды установлены снаружи разрядных трубок на их концах, причем катоды размещены на близлежащих концах трубок пары и обращены друг к другу выпуклыми рабочими поверхностями, выполненными с пористой структурой с размерами пор d_{п о р}, разрядные трубки в каждой паре установлены на расстоянии D, все разрядные трубки с электродами размещены в корпусе, выполненном в виде двух коаксиальных трубок из термоустойчивого диэлектрического материала, так, что внутренняя трубка корпуса имеет плотный контакт с поверхностями эластичных манжет, охватывающих внешние металлические цилиндры, газовые вводы выполнены в стенках трубок корпуса между разрядными трубками в каждой паре, в полости между трубками корпуса установлены со сдвигом на 120^o друг относительно друга продольные ребра, образующие со стенками этих трубок три коллектора, два из которых выполнены сообщающимися внутри полости между трубками корпуса, во внутренней стенке одного из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия диаметром D^*, центры которых смещены от торцов трубок, обращенных к газовым вводам, на расстояние

на каждой разрядной трубке между электродами в плоскости, отстоящей от этого же торца на расстояние l₂= L + D^* , установлен диэлектрический диск, образующий совместно со стенками корпуса и разрядной трубки анодную и катодную полости, в каждой анодной полости в стенке разрядной трубки выполнены равномерно распределенные отверстия с суммарной площадью S_{о т в} и плотностью m, оси которых направлены под острым углом к направлению прокачки рабочей среды через разрядную трубку, в этих же полостях во внутренней стенке второго из сообщающихся коллекторов выполнены отверстия, сообщающие этот коллектор с анодными полостями, при этом газовые выводы выполнены во внутренней трубке корпуса, ограничивающей третий коллектор, подсоединенный к газодинамическому контуру, и расположены у торцов каждой пары разрядных трубок, а величины D, L, d_{п о р}, m и S_{о т в} удовлетворяют соотношениям

;

,
где r - радиус разрядной трубки, м;
P - давление рабочей среды, мм рт.ст.;
I - ток в одной разрядной трубке, А;
U_к - катодное падение напряжения, В;
V_к - скорость отбора газа с рабочей поверхности электрода, м/с;
l_к - толщина катодного слоя, м;
W - внутренняя энергия материала металлических цилиндров, Дж/м³;
V - скорость потока рабочей среды, м/с;
C и σ - теплоемкость и проводимость рабочей среды, Дж/град, 1/Ом · м;
E - напряженность поля в разрядной трубке, В/м;
T_∞ - температура в ядре потока рабочей среды, К;
T_w - температура втекающего холодного газа, К;
δ_т - толщина пограничного слоя газа, м;
K₁ и K₂ - коэффициенты, определяемые составом рабочей среды;

, где

- плотность тока на поверхности электрода, А/м²;
K₂ = l_к · P.ELECTRIC DISCHARGE GAS LASER, containing at least one pair of discharge tubes located on the optical axis of the resonator, each of which is equipped with two non-ferrous metal electrodes - an anode and a cathode and gas inlets and outlets connected to collectors connected to a gas-dynamic circuit, including a fan and a heat exchanger characterized in that the electrodes of the discharge tubes are made in the form of a half hollow torus with a diameter D formed by a section of the torus with a plane perpendicular to its axis of symmetry, with Coaxial metal cylinders with a longitudinal dimension L are fastened to the edges in the section plane on the surfaces of the section, on the surfaces of which are opposite to the sphere of the half of the torus; dielectric elastic cuffs of a U-shape with a central hole having a diameter equal to the outer are mounted on the cylinders on a sliding fit the diameter of the discharge tube, and an annular hole, the width of which is equal to the diameter of the cross section of the torus, the electrodes are installed outside the discharge tubes at their ends, and the cathode They are located at the adjacent ends of the pair tubes and face each other with convex working surfaces made with a porous structure with pore sizes d _{p about p} , the discharge tubes in each pair are installed at a distance D, all the discharge tubes with electrodes are placed in a housing made in the form two coaxial tubes of heat-resistant dielectric material, so that the inner tube of the housing has tight contact with the surfaces of the elastic cuffs covering the outer metal cylinders, gas inlets are made into the wall x casing tubes between the discharge tubes in each pair, longitudinal ribs are mounted with a shift of 120 ^o relative to each other in the cavity between the casing tubes, forming three collectors with the walls of these tubes, two of which are made communicating inside the cavity between the casing tubes, in the inner wall of one holes of diameter D ^{* are} made of communicating collectors, the centers of which are displaced from the ends of the tubes facing the gas inlets to a distance

on each discharge tube between the electrodes in the plane spaced from the same end by a distance l ₂ = L + D ^* , a dielectric disk is installed, which forms, together with the walls of the housing and the discharge tube, an anode and a cathode cavity, in each anode cavity in the wall of the discharge tube uniformly distributed openings with a total area S _{of m in} density and m, the axes of which are directed at an acute angle to the direction of pumping working fluid through the discharge tube, in these cavities in the inner wall of the second communicating col tori openings, informing the collector to the anode cavities, wherein the gas terminals are formed in the inner tube body delimiting a third collector connected to the gas-dynamic contour and are disposed at the ends of each pair of discharge tubes, and the values of D, L, d _{n to p,} m and S _{about t in} satisfy the relations

;

,
where r is the radius of the discharge tube, m;
P - pressure of the working medium, mm Hg;
I is the current in one discharge tube, A;
U _to - cathodic voltage drop, V;
V _to - the rate of gas extraction from the working surface of the electrode, m / s;
l _to - the thickness of the cathode layer, m;
W is the internal energy of the material of the metal cylinders, J / m ³ ;
V is the flow rate of the working medium, m / s;
C and σ are the heat capacity and conductivity of the working medium, J / deg, 1 / Ohm · m;
E is the field strength in the discharge tube, V / m;
T _∞ - temperature in the core of the flow of the working medium, K;
T _w is the temperature of the inflowing cold gas, K;
δ _t - the thickness of the boundary layer of gas, m;
K ₁ and K ₂ - coefficients determined by the composition of the working environment;

where

- current density on the surface of the electrode, A / m ² ;
K ₂ = l _to P.

Images