RU2817541C1 - Cold cathode for active element of metal vapor laser - Google Patents
Cold cathode for active element of metal vapor laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817541C1 RU2817541C1 RU2023136054A RU2023136054A RU2817541C1 RU 2817541 C1 RU2817541 C1 RU 2817541C1 RU 2023136054 A RU2023136054 A RU 2023136054A RU 2023136054 A RU2023136054 A RU 2023136054A RU 2817541 C1 RU2817541 C1 RU 2817541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal vapor
- laser
- cathode
- vapor laser
- groove
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 15
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 6
- WMTSAHAFZXEJBV-UHFFFAOYSA-N [Ba].[W] Chemical group [Ba].[W] WMTSAHAFZXEJBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 3
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 3
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 2
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к безнакальным катодам для активных элементов (АЭ) импульсного лазера на парах металлов. Предлагаемый катод долговечен, не усложняет конструкцию и сохраняет высокую стабильность параметров лазерного излучения.The invention relates to laser technology, namely to non-heated cathodes for active elements (AE) of a pulsed metal vapor laser. The proposed cathode is durable, does not complicate the design and maintains high stability of laser radiation parameters.
Безнакальный катод АЭ импульсного лазера на парах металлов. работает в сложных и не совсем обычных для газоразрядных приборов условиях:Non-heated cathode of an AE pulsed metal vapor laser. works in difficult and not quite usual conditions for gas-discharge devices:
- высокое давление (до атмосферного) в АЭ буферного газа,- high pressure (up to atmospheric) in the buffer gas AE,
- высоковольтное импульсное напряжение,- high-voltage pulse voltage,
- высокая частота повторения импульсов в режиме импульсного дугового разряда, - high pulse repetition rate in pulsed arc discharge mode,
- импульсы тока с амплитудой сотни ампер,- current pulses with an amplitude of hundreds of amperes,
- высокая рабочая температура при интенсивной ионной бомбардировке.- high operating temperature under intense ion bombardment.
Известна конструкция безнакальнго катода в промышленных отпаянных саморазогревных АЭ лазера на парах металлов принятая за прототип [Григорьянц А. Г., Казарян М. А., Лябин Н. А. Лазерная прецизионная микрообработка материалов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. – гл. 3 с.111 Рис.3.13,3.14; с.133 Табл.3-3; с.144 Табл.3-4].The design of a non-heated cathode in industrial sealed self-heating metal vapor laser AEs is known and adopted as a prototype [Grigoryants A. G., Kazaryan M. A., Lyabin N. A. Laser precision microprocessing of materials. – M.: FIZMATLIT, 2017. – Ch. 3 p.111 Fig.3.13,3.14; p.133 Table 3-3; p.144 Table 3-4].
Активный элемент наполнен буферным газом неоном в смеси с водородом. Горение высоковольтного импульсного дугового разряда локализуется на катоде в малое пятно. Катод разогрет за счет ионной бомбардировки до высокой температуры. Катод выполнен в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная (кольцевая) проточка шириной 0,5-1 мм и глубиной до 3 мм. В кольцевой проточке создается электрическое поле высокой напряженности, обеспечивая более эффективную работу катода в режиме автоэлектронной эмиссии. Пятно горения локализуется в проточке, разогревая область диаметром до трех размеров ширины проточки. Увеличение рабочего давления неона в активном элементе от 200 мм рт. ст. до атмосферного приводит к изменению размера пятна примерно от 1 до 0,5 мм за счет сжатия разряда. При этом в локализованном пятне и в зоне термического воздействия катода достигаются высокие температуры, близкие к плавлению вольфрама, в следствие чего, катод переходит в устойчивый режим работы термоэлектронной эмиссии, обеспечивая стабильные параметры лазерного излучения. Катодное пятно в процессе работы, по мере истощения бария в активном веществе, постепенно перемещается по периметру проточки, сохраняя стабильные параметры.The active element is filled with a buffer gas of neon mixed with hydrogen. The combustion of a high-voltage pulsed arc discharge is localized at the cathode into a small spot. The cathode is heated to a high temperature due to ion bombardment. The cathode is made in the form of a metal-porous tungsten-barium ring installed in a molybdenum cylindrical holder; in the center of the inner surface of the ring there is a longitudinal (circular) groove 0.5-1 mm wide and up to 3 mm deep. A high-intensity electric field is created in the annular groove, ensuring more efficient operation of the cathode in the field emission mode. The combustion spot is localized in the groove, heating an area with a diameter up to three times the width of the groove. Increasing the operating pressure of neon in the active element from 200 mm Hg. Art. to atmospheric leads to a change in spot size from approximately 1 to 0.5 mm due to discharge compression. At the same time, in a localized spot and in the thermally affected zone of the cathode, high temperatures close to the melting of tungsten are reached, as a result of which the cathode switches to a stable mode of operation of thermionic emission, providing stable parameters of laser radiation. During operation, as the barium in the active substance is depleted, the cathode spot gradually moves along the perimeter of the groove, maintaining stable parameters.
Недостатком конструкции является ограниченность рабочей длины продольной (кольцевой) проточки, что снижает долговечность катода.The disadvantage of the design is the limited working length of the longitudinal (circular) groove, which reduces the durability of the cathode.
Техническим результатом является повышение долговечности безнакальноого катода АЭ лазера на парах металлов при сохранении высокой стабильности параметров лазерного излучения.The technical result is to increase the durability of the non-heated cathode of an AE metal vapor laser while maintaining high stability of laser radiation parameters.
Технический результат достигается тем, что безнакальный катод для активного элемента лазера на парах металлов выполнен в виде металлопористого вольфрам-бариевого кольца, установленного в молибденовом цилиндрическом держателе, по центру внутренней поверхности кольца выполнена продольная проточка шириной до одного мм и глубиной до трех мм. На внутренней поверхности кольца дополнительно выполнены поперечные проточки с шагом до трех мм, причем ширина и глубина каждой проточки как у продольной проточки.The technical result is achieved by the fact that the non-heated cathode for the active element of a metal vapor laser is made in the form of a metal-porous tungsten-barium ring installed in a molybdenum cylindrical holder; in the center of the inner surface of the ring there is a longitudinal groove up to one mm wide and up to three mm deep. On the inner surface of the ring there are additional transverse grooves in increments of up to three mm, with the width and depth of each groove being the same as a longitudinal groove.
Выполнение поперечных проточек увеличивает общую рабочую длину, что увеличивает долговечность безнакальнго катода при сохранении стабильности параметров лазерного излучения АЭ лазера на парах металлов. Performing transverse grooves increases the total working length, which increases the durability of the non-heated cathode while maintaining the stability of the laser radiation parameters of an AE metal vapor laser.
Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated by the drawing.
На Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого безнакального катода для активного элемента лазера на парах металлов, где:Figure 1 shows a block diagram of the proposed heatless cathode for the active element of a metal vapor laser, where:
металлопористое кольцо 1,metal-porous ring 1,
молибденовый цилиндрический держатель 2,molybdenum cylindrical holder 2,
продольная проточка 3,longitudinal groove 3,
поперечная проточка 4.cross groove 4.
Пример.Example.
Металлопористый вольфрам-бариевый безнакальный катод для активного элемента лазера на парах меди выполнен в виде кольца с 7% массовым содержанием активного вещества 3ВаО Аl2О3*0,5СаО SiО2 и работой выхода 2 эВ.The metal-porous tungsten-barium non-heated cathode for the active element of a copper vapor laser is made in the form of a ring with a 7% mass content of the active substance 3BaO Al 2 O 3 * 0.5 CaO SiO 2 and a work function of 2 eV.
Кольцо 1 с габаритными размерами Ø32* Ø24*3,5 мм, установлено в молибденовом цилиндрическом держателе 2 с габаритными размерами Ø32,8* 21,2 мм. По центру кольца на внутренней поверхности выполнена продольная (кольцевая) проточка 3 с внешним диаметром Ø24 мм, шириной 1 мм и глубиной 2 мм. Дополнительно на внутренней поверхности катода выполнены равномерно поперечные проточки 4 с шагом 3 мм в количестве 24, при чем ширина и глубина каждой проточки как у продольной (кольцевой). Кольцевая и поперечные проточки в конструкция катода изготовлены на механообрабатывающем оборудовании. Общая рабочая длина проточек увеличилась до 135 мм. Ring 1 with overall dimensions Ø32* Ø24*3.5 mm, installed in a molybdenum cylindrical holder 2 with overall dimensions Ø32.8* 21.2 mm. In the center of the ring on the inner surface there is a longitudinal (circular) groove 3 with an outer diameter of Ø24 mm, a width of 1 mm and a depth of 2 mm. Additionally, on the inner surface of the cathode, there are 24 uniform transverse grooves 4 with a pitch of 3 mm, the width and depth of each groove being the same as a longitudinal (circular) one. The annular and transverse grooves in the cathode structure are made using machining equipment. The total working length of the grooves has increased to 135 mm.
Предлагаемый безнакальный катод для АЭ лазера на парах металлов работает следующим образом.The proposed heatless cathode for an AE metal vapor laser operates as follows.
При подаче высоковольтного импульсного напряжения на электроды АЭ лазера на парах металлов, наполненного буферным газом , загорается импульсный дуговой разряд, локализующийся в процессе разогрева на безнакальном катоде в пятно размером ~1 мм в одной из проточек,. В этой проточке создается электрическое поле высокой напряженности, обеспечивающее эффективную работу катода в режиме автоэлектронной эмиссии. Размер пятна определяется давлением газа и согласуется с шириной проточки. Благодаря интенсивной ионной бомбардировке при высокой частоте повторения импульсов материал катода в пятне и окружающей его области диаметром до ~3 мм разогревается до высокой температуры, обеспечивая устойчивую работу в режиме термоэлектронной эмиссии и соответственно стабильные параметры лазерного излучения. Область разогрева катода наблюдается хорошо по его яркому свечению с помощью оптического пирометра и определяется по следам эрозии материала. Катодное пятно, в процессе истощения активного вещества в области его разогрева, перемещается вдоль всех проточек. When a high-voltage pulse voltage is applied to the electrodes of an AE metal vapor laser filled with a buffer gas, a pulsed arc discharge ignites, which is localized during heating on a non-heated cathode into a spot of ~1 mm in size in one of the grooves , . A high-intensity electric field is created in this groove, ensuring efficient operation of the cathode in the field emission mode. The spot size is determined by the gas pressure and is consistent with the width of the groove. Thanks to intense ion bombardment at a high pulse repetition rate, the cathode material in the spot and the surrounding area with a diameter of up to ~3 mm is heated to a high temperature, ensuring stable operation in the thermionic emission mode and, accordingly, stable parameters of laser radiation. The heating area of the cathode is clearly observed by its bright glow using an optical pyrometer and is determined by traces of material erosion. The cathode spot, in the process of depletion of the active substance in the area of its heating, moves along all the grooves.
Эффективность изобретения проверена экспериментальным путем на примере промышленного отпаянного саморазогревного АЭ лазера на парах меди ГЛ-205А [КРПГ.433757.001-003 ТУ]. Давление буферного газа неона в смеси с водородом составляло 250 мм рт. ст., частота повторения импульсов 12 кГц. Конструкция безнакального катода обеспечила стабильные параметры лазерного излучения. Общая рабочая длина продольной и поперечных проточек увеличилась в 1,7 раза ̶ до 135 мм, что соответствует увеличению долговечности безнакального катода от 6000 до 10000 часов. The effectiveness of the invention was tested experimentally using the example of an industrial sealed self-heating AE copper vapor laser GL-205A [KRPG.433757.001-003 TU]. The pressure of the neon buffer gas mixed with hydrogen was 250 mm Hg. Art., pulse repetition frequency 12 kHz. The design of the non-heated cathode ensured stable laser radiation parameters. The total working length of the longitudinal and transverse grooves increased by 1.7 times - up to 135 mm, which corresponds to an increase in the durability of the non-heated cathode from 6,000 to 10,000 hours.
Испытания проводились в составе действующего стенда тренировки и испытаний АЭ лазера на парах меди. Предлагаемый катод с дополнительными поперечными проточками может работать до 10000 ч, т. е. в 1,7 раза дольше аналога, что следует из анализа следов эрозии после разборки АЭ.The tests were carried out as part of an existing training and testing stand for an AE copper vapor laser. The proposed cathode with additional transverse grooves can operate up to 10,000 hours, i.e. 1.7 times longer than the analogue, as follows from the analysis of erosion traces after disassembling the AE.
Конструкция предлагаемого безнакального катода может быть применима для других лазеров на парах металлов, работающих в режиме высокочастотного импульсного дугового разряда: марганца, золота, бария.The design of the proposed heatless cathode can be applicable to other metal vapor lasers operating in the high-frequency pulsed arc discharge mode: manganese, gold, barium.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817541C1 true RU2817541C1 (en) | 2024-04-16 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2065239C1 (en) * | 1993-07-02 | 1996-08-10 | Букшпун Леонид Маратович | Discharge tube for vapor laser |
| JP2010147215A (en) * | 2008-12-18 | 2010-07-01 | Ushio Inc | Extreme-ultraviolet light source device |
| RU2497224C2 (en) * | 2011-12-09 | 2013-10-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Gas-discharge switchboard |
| RU182658U1 (en) * | 2018-05-18 | 2018-08-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (АО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") | CATHODE ASSEMBLY OF THE LASER SENSOR |
| RU221836U1 (en) * | 2023-08-25 | 2023-11-24 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А. И. Шокина" | Active element of a metal vapor laser |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2065239C1 (en) * | 1993-07-02 | 1996-08-10 | Букшпун Леонид Маратович | Discharge tube for vapor laser |
| JP2010147215A (en) * | 2008-12-18 | 2010-07-01 | Ushio Inc | Extreme-ultraviolet light source device |
| RU2497224C2 (en) * | 2011-12-09 | 2013-10-27 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Gas-discharge switchboard |
| RU182658U1 (en) * | 2018-05-18 | 2018-08-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (АО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") | CATHODE ASSEMBLY OF THE LASER SENSOR |
| RU221836U1 (en) * | 2023-08-25 | 2023-11-24 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А. И. Шокина" | Active element of a metal vapor laser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hartmann et al. | Evidence for large‐area superemission into a high‐current glow discharge | |
| Bickel et al. | High-repetition rate sealed-off pseudospark switches for pulsed modulators | |
| WO2006130036A1 (en) | Controllable gas-discharge device | |
| RU2817541C1 (en) | Cold cathode for active element of metal vapor laser | |
| RU2089003C1 (en) | Gasous-discharge device with cold cathode | |
| RU2654494C1 (en) | Vacuum spark discharger | |
| US2911567A (en) | Ultra short light pulse generation | |
| Mehr et al. | Investigations about triggering of coaxial multichannel pseudospark switches | |
| US3705325A (en) | Short arc discharge lamp | |
| RU2031503C1 (en) | Metal vapor laser | |
| US3192427A (en) | Plasma flame generator | |
| RU203340U1 (en) | Controlled gas-filled arrester | |
| RU2215383C1 (en) | Plasma electron source | |
| RU2751542C1 (en) | Gas-discharge generator of high-frequency pulses | |
| RU2476950C1 (en) | Gas discharge switching device | |
| RU2519591C2 (en) | Gas-discharge device | |
| Hartmann et al. | Long pulse switching properties of pseudospark switches | |
| SU654998A1 (en) | Method of volumetric excitation of gas | |
| RU199340U1 (en) | PULSE DISCHARGE IGNITER DEVICE | |
| Park et al. | Stable microplasmas in air generated with a silicon inverted pyramid plasma cathode | |
| Schwandner et al. | Investigations of carbide electrodes in high-current pseudospark switches | |
| US3366824A (en) | Low pressure gas discharge device with parallel electrodes and a sliding spark triggering electrode | |
| SU1121716A1 (en) | Thyratron | |
| RU1407365C (en) | Metal-vapor laser | |
| Romheld et al. | Compact, high-current radial pseudospark switch |