一种气体辉光放电腔

摘要

一种用于气体激光器或气体放电灯上的气体辉光放电腔。其主要特点在于引入由电解质板和绝缘板密封而成的放电腔内一金属丝网，使其放电腔获得多种气体的大面积、高气压的横向均匀稳定放电。放电腔的结构和要求的供电回路简单，寿命长，操作方便，便于推广应用。

说明书

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本发明属于用在气体激光器或气体放电灯上一种气体辉光放电装置。

一般大气压或高于一个大气压的横向放电激发气体极容易产生弧光，造成放电不均匀。为此，气体激光器的横向放电装置上通常采用特殊面型的电极或者采用予电离的措施，如电子束予电离、X光予电离、紫外光予电离，以及双放电等，由此带来一整套的予电离设备，予电离与主放电之间，不仅要求结构设计精确，而且要求增加予电离的电源和同步触发放电系统，既使如此，放电均匀的稳定性、重复性仍然难于达到要求，因为操作复杂，难于推广应用。

Blumlein快放电系统，结构虽然简单，但放电激活体积无法扩大，对激活的气体选择性强，限制了应用范围。

美国专利（United    States    Patent    №3745481）采用电介质做电极的放电腔，结构也大大简化了。但是，放电腔的纵向体积无法扩大，储能密度低，着火电压高。

加拿大（A.K.Laflamme）采用电介质电容触发的双放电系统（“Dauble Discharge Excitation For Atmosphere Pressure CO₂Laser”Rev.Sci.Inetri.41、1578.1970年）其放电腔与储能系统是相对独立的，增加了储能电容器，其结构复杂化。

本发明目的为了克服上述种种困难，采用简单的结构，便可获得均匀稳定的横向放电。放电腔内既可充入高于一个大气压的气体又可充入多种类的气体，做为气体激光器，可以获得多种波长的激光输出，因结构简单，成本低，操作程序简单化，也就便于推广应用。

本发明的气体放电腔其结构如图（一）所示，放电腔由两块外表面镀有金属膜层。（如银，金或铝膜），介电常数ε＞200的电介质板（1）和四块绝缘板（2）密封而成。放电腔内，距两电介质板（1）的内表面分别置放二层金属丝网（3），金属丝网平行于电介质板（1）并与之内表面有一距离D，一端由导线（4）引出放电腔外，两导线（4）之间用联接元件（5）连接。联接元件（5）可以用电感、电阻、二极管或用导线直接连接。电介质板（1）外表面镀有金属膜层作为连接电极用。

放电腔通过高速开关（6）和限流电阻（7）与直流电源（8）连成回路，如图（二）所示。高速开关（6）可以用火花隙、闸流管、继电器场畸变等开关元件。

将开关（6）转向限流电阻（7）位置，电源对电介质板施加大于腔内气体击穿电压的直流电压，放电腔经过金属丝网开始电荷装填式充电，然后开关（6）转向，与限流电阻（7）断开，使放电腔两外表面短路，致已装填在介质板（1）表面的“自由”电子弹射到放电腔中，其中小部分电子被金属丝网（3）吸收，引起金属丝网（3）与介质板（4）之间的气体放电，其余大部分“自由”电子穿过空间直接泵浦气体，完成放电过程。

若在放电腔两端各置放一反射镜（其中之一为输出反射镜）形成激光谐振腔，当放电腔内激光工作气体被直接泵浦造成粒子数反转时，即有激光束输出。

根据激光束要求，激光工作气体的性质以及电介质材料的特性，可以确定放电腔的尺寸，电介质板（1）的厚度以及需要加在介质板上的电压。

放电腔的长度L可以由下面公式（1）求出。

L＝ (We)/(W_λ·A·P)>

其中，We-为激光单个脉冲的能量

A-为输出激光束横截面积

A＝G×H，G-两纵向绝缘板之间的距离，H-两金属丝网（3）之间距离。

P-为放电腔里充入的激光工作的气体压强

W_λ-为某一特定波长λ的气体单位气压激光输出的体能量密度。

对于某一特定波长λ的激光工作气体最佳激发条件：E/P值，（E-电场强度，P-气体压强），可以从“激光手册”中查出。

电介质板（1）的厚度d可由公式（2）求出。

d= (ε·n_i·E²·H)/(16π·W_λ·P)>

其中n_i-激光效率，ε-电介质板（1）的介电常数。

若满足E_do·d≥E·H+Vi关系式，其中Vi为着火电压，E_do-为电介质板（1）正常工作电场强度。则加在电介质板（1）上的电压，即称为使用电压V，由公式（3）求出。

V＝E·H+Vi    （3）

为使电介质板（1）正常工作，满足关系式：E_do·d＝E·H+Vi然后再求出电介质板（1）的厚度d和放电腔的长度L。金属丝网（3）与电介质板（1）之间距离D大于0.1毫米，而且D随着腔内气体压强P的降低而增大。依据上述原理，放电腔的结构可以简化成一半，即用一块电介质板（1）和一层金属丝网（3），另一面用一块金属平板（9）代替如图（三）所示。

综上述装填电荷泵浦的气体辉光放电腔，其优点，结构简单，容易实现大面积，高气压的横向均匀稳定的放电。由于腔内靠近介质板（1）引进了金属丝网（3），从而降低了着火电压，降低放电起辉电压，为合理选择最佳激发条件E/P值提供方便条件。

此放电腔可以应用到多种气体上，例如，作为气体激光器，目前已做到从紫外波段（如氮分子激光器）到红外波段（如二氧化碳激光器）。

金属丝网（3）选择不锈钢丝，钼丝或钨丝或其他不怕腐蚀的金属丝，即使放电腔内充入腐蚀性气体，也不致使放电腔受到污染，因此，这种放电腔寿命长。

此放电腔要求供电迴路简单，操作方便，容易成为规格化产品，便于扩大应用。

附图说明：

图（一），放电腔的结构

1.电介质板

2.绝缘板

3.金属丝网

4.导线

5.联接元件

图（二），放电腔与电源之迴路

6.高速开关

7.限流电阻

8.直流电源

图（三），简化的放电腔与电源迴路

9.金属平板

利用图（三）的简化放电腔，说明本发明的实施例。用此放电腔按装了一台气体激光器，其电介质板（1）宽G＝2厘米，长L＝87厘米，本实验中用27块铁电陶瓷板胶合而成，金属丝网（3）用直径为0.3毫米的钼丝制成，网中每根丝之间距离为1毫米，金属丝网（3）距电介质板（1）内表面距离D为1毫米，金属平板（9）为黄铜平板，宽2厘米，长88厘米，它相距电介质板（1）内表面为2.1厘米联接元件（5）用10微亨的电感连接。绝缘板（2）用玻璃板。

结果：电介质板总电容量C＝ (E·S)/(4πd) ＝0.11微法拉，对于氮分子（N₂）激光器，当最佳激发条件取E/P＝200伏/厘米·乇，工作电压V＝20千伏特，着火电压Vi＝4千伏特。储存于电介质板（1）的能量为E＝2/2CV²₀＝14焦耳，获得激光输出单脉冲能量为15毫焦耳，输出激光横截面积为2×2平方厘米。

对于二氧化碳激光器，充入激光工作气体为He-N₂-CO₂，混合气体压强为500乇，最佳激发条件取E/P＝10伏/厘米·乇，着火电压Vi＝4千伏特时，工作电压为V＝14千伏特，输出激光横截面积仍为2×2平方厘米，输出波长为10.6微米的激光单脉冲能量为500毫焦耳。