способ получения генерации в непрерывном электроионизационном co₂-лазере

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ В НЕПРЕРЫВНОМ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННОМ CO₂-ЛАЗЕРЕ, включающий создание проводимости в рабочей смеси, содержащей CO₂, CO, He, Ar, электронным пучком, вводимом в рабочую смесь через металлическую фольгу, и приложение к электродам разрядного промежутка постоянного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы лазера, проводимость в рабочей смеси создают электронным пучком с плотностью тока в диапазоне 0,5 - 3,0 мкА/см², при этом в рабочей смеси устанавливают следующее соотношение компонентов, об. % :

CO₂ 1 - 3

CO 10 - 50

Ar 30 - 40

He 20 - 60

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к технологическим лазерным установкам, предназначенным для резки, сварки и поверхностного упрочнения металлов и сплавов.

Известен способ возбуждения непрерывного электроионизационного СО₂ -лазера, включающий в себя возбуждение несамостоятельным электрическим разрядом потока смеси газов состава N₂: CO₂: Hе (30: 1: 29) - (15: 1: 14), пропускание смеси через силикагель, при непрерывном повышении плотности тока пучка электронов 3-12 мкA/см² по мере роста концентрации окислов азота для компенсации прилипания электронов, снижения тока разряда и КПД генерации [1] .

Недостатками указанного способа являются резкое сокращение срока службы фольги, необходимость частой замены рабочей смеси и регенерации силикагеля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ возбуждения несамостоятельным электрическим разрядом потока смеси газов состава N₂: CO₂: CO: Hе: Ar, проводимость в котором создается электронным пучком с плотностью тока 3-12 мкА/см², вводимым в разрядную камеру через металлическую фольгу, разделяющую вакуумную камеру ускорителя и разрядный объем [2] .

Недостатком способа является малый срок службы лазера из-за разрушения металлической фольги и деградации рабочей смеси.

Целью предлагаемого изобретения является повышение срока службы лазера.

Цель достигается тем, что, с целью повышения срока службы электроионизационного СО₂-лазера проводимость в рабочей смеси, содержащей СО₂, СО, Ar, Hе, создают электронным пучком с плотностью тока в диапазоне (0,5-3,0) мкА/см², при этом в общей смеси устанавливают следующее соотношение компонентов (в об. % ): СО₂ 1 - 3 СО 10 - 50 Ar 30 - 40 Не 20 - 60.

Экспериментально установлено, что использование смеси указанного выше состава позволяет значительно по сравнению с прототипом снизить требуемую для получения непрерывной лазерной генерации плотность тока электронного пучка, пропускаемого через металлическую фольгу, тем самым резко повысить ее срок службы. Использование малых плотностей тока пучка приводит к уменьшению количества образующихся электроотрицательных примесей, уменьшающих ток и облегчающих развитие неустойчивостей разряда. Отсутствие азота в рабочей смеси практически полностью устраняет образование окислов азота под действием электронного пучка и плазмохимических процессов в разряде. В смесях без азота существенно повышается устойчивость разряда к дугообразованию при малых плотностях пучка, причем с увеличением содержания СО в смеси увеличивается предельно возможное значение тока и мощности разряда.

Хотя начальное значение тока разряда в смесях с азотом выше, чем в смесях без азота, однако уже через несколько минут работы лазера ток разряда в смесях с азотом резко падает из-за образования электроотрицательных молекул окислов азота и резко увеличивается дугообразование в разряде, что вынуждает снижать рабочее напряжение и, соответственно, ток разряда и его мощность. В то же время в смесях без азота ток разряда практически не уменьшается в течение нескольких часов и дугообразования происходят весьма редко.

Причиной повышения тока разряда для смесей без азота является уменьшение средней энергии электронов разряда за счет большей величины сечения колебательного возбуждения электронным ударом молекулы СО при энергиях электронов 0,3-1,0 эВ по сравнению с сечениями молекулы N₂. При этом функция распределения электронов сдвигается в область минимума транспортного сечения столкновений электронов с молекулами СО, СО₂ и Аr, что вызывает повышение дрейфовой скорости электронов и соответственно тока разряда. Повышение устойчивости разряда в смесях с большим содержанием СО и без N₂ связано с меньшим количеством отрицательных ионов, образующихся в смеси.

Величина электрооптического КПД (отношение мощности генерации к мощности разряда) непрерывного СО₂-лазера для предлагаемой смеси достигает 9% , что меньше, чем КПД лазера на смесях с азотом, однако большая часть эксплуатационных расходов лазера определяется не стоимостью электроэнергии, т. е. величиной КПД, а ценой лазерной смеси и большими непроизводительными затратами на разборку газоразрядной камеры и замену фольги. В условиях производства более важным является время операционной готовности лазерной установки порядка продолжительности рабочей смены, что и обеспечивается предлагаемым техническим решением.

Процентное содержание компонентов рабочей смеси определяется следующим. При содержании СО₂ менее 1% повышается пороговое значение мощности накачки и снижается КПД, при увеличении содержания СО₂ выше 3% увеличивается скорость прилипания и уменьшается устойчивость разряда. При содержании СО менее 10% снижается КПД, уменьшается ток и устойчивость разряда из-за недостаточной компенсации прилипания. При увеличении содержания СО выше 50% сильно увеличивается необходимое для работы рабочее напряжение и требуемая мощность компрессора для прокачки газовой смеси. Доля Не в смеси в диапазоне 20-60% необходима для эффективной релаксации нижнего лазерного уровня. Повышение содержания Не выше 60% приводит к падению тока разряда и сильно удорожает смесь. Содержание Аr в пределах 30-40% необходимо для обеспечения высокой концентрации электронов, определяемой относительно высокой тормозной способностью Ar, что особенно важно при низкой плотности тока пучка.

На фиг. 1 представлена зависимость необходимой плотности тока электронного пучка от времени работы лазера; на фиг. 2 - вольт-амперные характеристики разряда для смесей различного состава; на фиг. 3 - зависимости удельного объемного энергосъема лазера от приведенной напряженности электрического поля для смесей, содержащих и не содержащих азот.

П р и м е р. Электроионизационный СО₂-лазер с активным объемом 10х15х200 см³, ионизуемым электронным пучком с энергией 120-190 кэВ и плотностью тока 0,5-12 мкА/см² работает при давлении рабочей смеси 25-75 мм рт. ст. , напряжение на разряде 2-5 кВ, скорость прокачки смеси 50-120 м/с. Длина резонатора 9 м, пропускание выходного зеркала 45% .

На фиг. 1 представлены зависимости от времени плотности тока электронного пучка, обеспечивающего получение постоянной мощности генерации лазера: 1 для смеси СО₂: N: He (1: 30: 29), 2 - для смеси СО₂: CO: He: Ar (2: 10: 22: 40). Видно, что при использовании смесей с азотом за 1,5 ч работы лазера необходимая плотность тока пучка увеличивается 3-6 мкA/см², что связано с образованием электроотрицательных молекул окислов азота в плазмохимических реакциях. Через 2,5-3 ч работы лазера необходимая плотность электронного тока достигает предельного значения 12 мкА/см², что вынуждает заменять смесь.

Кривые 3,4,5 на фиг. 2 представляют собой вольт-амперные характеристики разряда для смесей N₂: CO: CO₂: He: Ar (10: 0: 2: 40: 22), (9: 1: 2: 40: 22) и (0: 10: 2: 40: 22) соответственно. Предельный ток разряда в смесях без азота (кривая 5) существенно выше, чем в смесях с азотом (кривые 3,4). Следует отметить, что приведенные выше зависимости получены для "свежей" смеси через 1 мин работы лазера, а через 15-20 мин работы ток в смесях с азотом уменьшается в 2,5 раза, в то время как в смесях без азота практически остается постоянным.

Полученная мощность генерации лазера на смесях без азота при J_пучка = 0,5-3,0 мкА/см² достигает 10-15 кВт с КПД 5-9% в зависимости от величины разрядного напряжения и сохраняется в течение нескольких часов без развития неустойчивостей (дуг).