Излучатели с конвективным охлаждением рабочей смеси.

Прокачка газовой смеси с целью охлаждения может осуществляться как вдоль, так и поперёк оптической оси излучателя.

Если газовая смесь движется вдоль оси трубки со скоростью υ_Г, т.о. мощность излучения лазера определяется по формуле:

(2.21)

Эта формула отличается от ранее приведённой для однолучевого излучателя с диффузионным охлаждением наличием множителя , где - время охлаждения смеси за счёт диффузии, - тоже, но за счёт конвекции. Причём:

(2.22)

- скорость звука, - длина свободного пробега частиц газа. Если взять типичные значения R_Т=2÷3см, =1м, , то по приведённым формулам получаем , а , т.е. на порядок выше, чем излучателей с диффузионным охлаждением.

Излучатель непрерывного действия с продольной прокачкой схематично имеет следующую конструкцию:

1. – газоразрядные промежутки; 2. – зеркала оптического резонатора;

3.– теплообменник; 4.– вентилятор; 5.– газоводы

Рис.

Прокачка рабочей газовой смеси осуществляется по замкнутому контуру.

Значительно более перспективным с точки зрения повышения мощности являются излучатели с поперечной прокачкой газа. В этом случае направление движения газа перпендикулярно направлению оптической оси. В результате значения в формуле резко уменьшается, т.к. оно равно ширине газоразрядной камеры и измеряется несколькими см, - соответственно возрастает, т.е. охлаждение газовой смеси существенно улучшается. В результате мощность излучателя значительно возрастает. При этом она может быть оценена по формуле:

(2.23)

- теплопроводность 1,5÷2

- удельный вес 10^-5÷10^-4 Г/см³

- высота камеры 3÷10см,

- длина активной среды, т.е газоразрядной камеры,

м/с

=0,1÷0,2

=200°К, - температура газа на входе.

Вычисления по приведённой формуле дают значения

, что может быть намного выше, чем при рассмотренных выше конструкциях излучателей.

Схематично конструкция излучателя имеет вид.

Обозначения те же что на предыдущем рисунке.

Рис.

При большой скорости прокачки бесполезное тепло отводиться с помощью конвекции (рис. ), т.е. намного более эффективно, чем при диффузионном охлаждении

Рис.

Это позволяет повысить рабочие параметры лазера:

1. Давление газовой смеси до 100 мм.рт.ст.( на порядок). Предельное давление 100мм.рт.ст обусловлено переходом тлеющей формы эл., разряда в искровую и дуговую.

2. Выходную мощность на единицу длины трубки до 1кВт/м и выше.

3. Предельную выходную мощность до 15кВ

4. К.П.Д. до 20-30%

5. Средняя разрядная напряжённость возрастает до 4-6кВ/см. Поэтому применяется поперечный разряд с целью уменьшения длины разрядного промежутка и напряжения источника питания. При продольном разряде потребовалось бы напряжение >500кВ

Для излучателей с поперечной прокачкой применяются различные конструкции электродной системы для создания тлеющего электрического разряда и возбуждения активной среды.

Наиболее распространённым является разряд постоянного тока. В этом случае в основном применяются две конструкции

м/с

Катод – трубчатый, анод – плоский.

Рис.

Рабочее давление не более 15÷20 мм.рт.ст., а h<1÷3см., т.к. при больших значениях не обеспечивается однородное распределение тока разряда по объёму промежутка.

м/с

Катод – плоский.

Рис.

Для повышения однородности разряда применяют секционирование анода как вдоль, так и поперёк потока газа. Последовательно с каждым элементом включается балластный резистор R_б , на котором выделяется до 50% напряжения источника. При такой конструкции давление можно повысить до 50 мм.рт.ст. h до 4-5 см. В результате повышаются и .

Перспективным направлением в создании новых конструкций излучателей является применение в них самостоятельного разряда переменного тока, обычно высокой частоты.

Рис.

Электроды выполнены секционированными. Последовательно с каждой секцией включена балластная ёмкость для получения однородного разряда.

Для таких излучателей достигнуты следующие параметры: до 100 м/с, давление до 50 мм.рт.ст., Р до 10кВт, до 5кВт/м, h до 6-8см.

При высокой частоте напряжения источника применяют электроды с диэлектрическим покрытием

Рис.

Диэлектрическое покрытие выполняет функцию балластной ёмкости.

Для таких излучателей получены следующие значения: до 100 м/с, давление до 50 мм.рт.ст., Р до 2кВт, до 2кВт/м, h до 4см.

Могут также применяться незавершённые и несамостоятельные электрические разряды.

Например, используется электродная система типа

Рис.

Периодическое импульсное напряжение вызывает незавершённый самостоятельный разряд U_и>U_н. При этом U<U_Н – несамостоятельный разряд в промежутке между импульсами. Для импульсного напряжения могут применяться отдельные электроды различных конструкций.

Рис.

Несамостоятельный разряд постоянного напряжения с использованием в качестве ионизатора УФ излучения вспомогательного искрового разряда в промежутках S_B .