[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2738463C1 - Device and method for disposal of optical discharge instabilities - Google Patents

Device and method for disposal of optical discharge instabilities Download PDF

Info

Publication number
RU2738463C1
RU2738463C1 RU2020118938A RU2020118938A RU2738463C1 RU 2738463 C1 RU2738463 C1 RU 2738463C1 RU 2020118938 A RU2020118938 A RU 2020118938A RU 2020118938 A RU2020118938 A RU 2020118938A RU 2738463 C1 RU2738463 C1 RU 2738463C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
optical
discharge chamber
radiation
optical discharge
Prior art date
Application number
RU2020118938A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Германович Соловьев
Андрей Николаевич Шемякин
Михаил Юрьевич Якимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН)
Priority to RU2020118938A priority Critical patent/RU2738463C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2738463C1 publication Critical patent/RU2738463C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to devices and a method of eliminating optical discharge instabilities for stabilization of broadband optical radiation with high spectral brightness and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields. Device for elimination of optical discharge instabilities consists of discharge chamber, transparent for input laser radiation and output optical radiation, filled with gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, characterized in that the discharge chamber has two metal electrodes, wherein internal volume of discharge chamber is tightly connected to external reservoir, which is a Helmholtz resonator.EFFECT: elimination of oscillation instability of optical discharge and improvement of its spatial stability due to supply of voltage between two electrodes with frequency corresponding to multiple fractions of resonance acoustic frequency of Helmholtz resonator connected to discharge chamber.2 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к устройствам и способу избавления от неустойчивостей оптического разряда, используемого в качестве источника широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.The claimed technical solution relates to devices and a method for getting rid of instabilities of an optical discharge used as a source of broadband optical radiation with high spectral brightness, and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields.

Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, является одним из самых ярких источников непрерывного оптического излучения в широкой области спектра. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других – 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде – 9000-10000 К. [1] ([1] Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).An optical discharge in a gas, supported by focused laser radiation, is one of the brightest sources of continuous optical radiation in a wide spectral region. Plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in others - 15000-20000 K, while in an arc usually 7000-8000 K, in an HF discharge - 9000-10000 K. [1] ([1] Generalov N.A., Zimakov VP et al. “Continuously burning optical discharge.” Letters to ZhETF, 1970, v. 11, pp. 447-449).

Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq). Sources of broadband radiation based on such an optical discharge are produced, for example, by Energetiq Technology, Inc. (USA), they are described in detail on the website of this company [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq).

Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой препятствуют достижению необходимой во многих случаях стабильности выходных характеристик широкополосного источника света. Главным образом, это связано с влиянием колебаний конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой. The small geometric dimensions of the laser plasma, which are fractions of a millimeter, along with its high temperature, impede the attainment of the stability of the output characteristics of a broadband light source, which is required in many cases. This is mainly due to the influence of oscillations of the convective gas flows in the chamber on the region of the emitting plasma and, accordingly, on the energy and spatial stability of the laser-pumped light source.

Известен способ избавления от неустойчивостей оптического разряда, принятый за аналог, описанный в [3]. ([3] А. Барановский, З. Муха, 3. Перадзыньский (Польша) «Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах». Успехи механики, 1978, том 1, выпуск 3/4, с. 125-147). Авторы предположили, что колебания генерируются снизу оптического разряда, то есть между плазмой и нижним фронтом температуры нагреваемого оптическим разрядом газа. Для подавления колебаний оптического разряда вблизи нижнего градиентного слоя по оси симметрии вводилась вершина твердого конуса. Приближение к оптическому разряду вызывает нагрев конуса, а также нагрев обтекающего его вверх газа. Это вызывало полное исчезновение колебаний во всем потоке. Необходимая температура конуса для подавления колебаний составляла 500-800 градусов Кельвина. Вне оси симметрии это явление не обнаруживается. Второй способ подавления колебаний, предложенный в этом же источнике, состоит в размещении снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток для нагрева восходящего потока газа до нескольких сот градусов Цельсия. Оба способа, как конус, так и вольфрамовая сетка, позволяют избавляться от колебательных неустойчивостей оптического разряда.There is a known method of getting rid of instabilities of an optical discharge, taken as an analogue described in [3]. ([3] A. Baranovsky, Z. Mucha, 3. Peradzynsky (Poland) “Instability of a continuous optical discharge in gases.” Uspekhi mekhaniki, 1978, volume 1, issue 3/4, pp. 125-147). The authors assumed that the oscillations are generated from below the optical discharge, that is, between the plasma and the lower front of the temperature of the gas heated by the optical discharge. To suppress the oscillations of the optical discharge near the lower gradient layer, the apex of a solid cone was introduced along the symmetry axis. The approach to the optical discharge causes heating of the cone, as well as heating of the gas flowing around it. This caused the complete disappearance of vibrations in the entire flow. The required cone temperature to suppress oscillations was 500-800 Kelvin. This phenomenon is not detected outside the axis of symmetry. The second method of suppressing oscillations, proposed in the same source, consists in placing a grid of tungsten wire below the optical discharge, through which an electric current was passed to heat the ascending gas flow to several hundred degrees Celsius. Both methods, both the cone and the tungsten grid, make it possible to get rid of the vibrational instabilities of the optical discharge.

Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для избавления от неустойчивостей при помощи его разогрева является сильный нагрев вершины конуса вблизи высокотемпературного (15-20 тыс. градусов) оптического разряда, что может вызвать плавление и распыление материала конуса, тем самым приводя к изменению характеристик оптического разряда. The disadvantage of introducing a cone from the bottom of the optical discharge to get rid of instabilities by heating it is a strong heating of the top of the cone near a high-temperature (15-20 thousand degrees) optical discharge, which can cause melting and sputtering of the cone material, thereby leading to a change in the characteristics of the optical discharge.

Недостатком размещения снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток, является усложнение конструкции, а также дополнительный разогрев разрядного объема, что может потребовать использования внешнего охлаждения. The disadvantage of placing a grid of tungsten wire, through which an electric current was passed, from the bottom of the optical discharge, is the complication of the design, as well as additional heating of the discharge volume, which may require the use of external cooling.

Недостатком размещения как конуса, так и вольфрамовой сетки снизу оптического разряда является также невозможность использовать часто применяемый способ подачи лазерного излучения снизу вверх по геометрической оси оптического разряда с целью минимизации оптических искажений. The disadvantage of placing both the cone and the tungsten grid at the bottom of the optical discharge is also the impossibility of using the frequently used method of supplying laser radiation from the bottom up along the geometric axis of the optical discharge in order to minimize optical distortions.

Известен способ избавления от неустойчивостей оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). В известном патенте приведено устройство, содержащее плазменную камеру, выполненную с возможностью приема лазерного излучения от источника накачки для поддержания плазмы в газе, один или несколько контуров рециркуляции газа, гидравлически связанных с плазменной камерой, причем первая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана с выходным отверстием плазменной камеры и сконфигурирована для транспортировки по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа от выхода плазменной камеры, при этом вторая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана со входом плазменной камеры и сконфигурирована для подачи охлажденного газа на вход плазменной камеры. В вариантах изобретения используются один или несколько дополнительных источников тепла, причем один или несколько дополнительных источников тепла выполнены с возможностью, по меньшей мере, частичного запуска рециркуляции газа через один или несколько контуров рециркуляции газа, при этом могут использоваться один или несколько насосов, теплообменник. В известном патенте также приведен и способ, включающий: направление лазерного излучения в плазменную камеру для поддержания плазмы в газе, протекающем через плазменную камеру, при этом плазма излучает широкополосное излучение, причем рециркуляция газа через плазменную камеру осуществляется через газовый контур рециркуляции газа, при этом рециркуляция газа через плазменную камеру содержит: транспортировку по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа из плазменной камеры в теплообменник; охлаждение по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа теплообменником; а также транспортировку охлажденного газа из теплообменника в плазменную камеру. Стабильный поток газа через камеру позволяет избавиться от неустойчивости газа в окрестностях оптического разряда. A known method of getting rid of instabilities of an optical discharge, taken as an analogue given in [4]. ([4] Patent US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). The known patent shows a device containing a plasma chamber configured to receive laser radiation from a pumping source to maintain plasma in a gas, one or more gas recirculation circuits hydraulically connected to the plasma chamber, the first part of one or more gas recirculation circuits being hydraulically connected to the outlet of the plasma chamber and configured to transport at least either plasma or heated gas from the outlet of the plasma chamber, wherein the second part of one or more gas recirculation loops is hydraulically connected to the inlet of the plasma chamber and configured to supply cooled gas to the inlet of the plasma chamber. In embodiments of the invention, one or more additional heat sources are used, wherein one or more additional heat sources are configured to at least partially start gas recirculation through one or more gas recirculation loops, and one or more pumps and a heat exchanger can be used. The known patent also discloses a method including: directing laser radiation into a plasma chamber to maintain the plasma in a gas flowing through the plasma chamber, while the plasma emits broadband radiation, and the gas is recirculated through the plasma chamber through the gas recirculation loop, while the recirculation gas through the plasma chamber comprises: transporting at least either plasma or heated gas from the plasma chamber to a heat exchanger; cooling at least either the plasma or the heated gas by a heat exchanger; as well as transportation of cooled gas from the heat exchanger to the plasma chamber. Stable gas flow through the chamber allows one to get rid of gas instability in the vicinity of the optical discharge.

Недостатком известных устройства и способа избавления от неустойчивостей является необходимость присоединения на входе и выходе разрядной камеры одного или нескольких контуров рециркуляции газа, а также возможное размещение в них теплообменников, насосов, фильтров и других элементов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров.The disadvantage of the known device and method of getting rid of instabilities is the need to connect one or more gas recirculation loops at the inlet and outlet of the discharge chamber, as well as the possible placement of heat exchangers, pumps, filters and other elements in them, which leads to a more complex design and an increase in overall dimensions.

Известен способ избавления от неустойчивостей оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). В известном патенте источник света с поддержанием плазмы лазерным излучением включает в себя плазменную лампу, содержащую поток рабочего газа, приводимый в движение электрическим током, поддерживаемым внутри плазменной лампы. В рабочий газ плазменной лампы вводятся заряженные частицы. Расположение электродов, поддерживаемых при разных уровнях напряжения, приводит к движению заряженных частиц через рабочий газ. Движение заряженных частиц в свою очередь приводит к тому, что рабочий газ течет в направлении движения заряженных частиц за счет эффекта увлечения. В вариантах изобретения поток создается за счет нагрева электрической дугой газа, расположенного ниже плазменного источника излучения. Результирующий поток рабочего газа усиливает конвекцию вокруг плазмы и увеличивает взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Поток рабочего газа в плазменных лампах может быть стабилизирован и управляться регулировкой напряжений, присутствующих на каждом из электродов. Стабильный поток рабочего газа через плазму способствует более стабильной форме и положению плазмы внутри лампы. Известный способ позволяет подавлять колебательные неустойчивости в оптическом разряде.The known method of getting rid of the instabilities of the optical discharge, taken as the prototype given in [5]. ([5] Patent US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). In a prior art patent, a laser-supported plasma light source includes a plasma lamp containing a working gas flow driven by an electric current maintained within the plasma lamp. Charged particles are introduced into the working gas of the plasma lamp. The arrangement of the electrodes, maintained at different voltage levels, causes charged particles to move through the working gas. The movement of charged particles, in turn, leads to the fact that the working gas flows in the direction of movement of charged particles due to the drag effect. In embodiments of the invention, the flow is created by heating the gas located below the plasma radiation source with an electric arc. The resulting flow of working gas enhances convection around the plasma and increases the interaction of laser radiation with plasma. The working gas flow in plasma lamps can be stabilized and controlled by adjusting the voltages present at each of the electrodes. A stable flow of working gas through the plasma contributes to a more stable shape and position of the plasma inside the lamp. The known method makes it possible to suppress vibrational instabilities in an optical discharge.

Недостатком известного способа избавления от неустойчивостей является необходимость размещения внутри объема лампы дополнительных электродов (в вариантах патента размещение дополнительных электродов снаружи лампы), дополнительного источника различных напряжений для электродов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров плазменной лампы.The disadvantage of the known method of getting rid of instabilities is the need to place additional electrodes inside the volume of the lamp (in the variants of the patent, placement of additional electrodes outside the lamp), an additional source of various voltages for the electrodes, which leads to a more complex design and an increase in the overall dimensions of the plasma lamp.

Недостатком также является необходимость введения в рабочий газ лампы заряженных частиц, например, электронной эмиссией, коронным разрядом, фотоэмиссией, термоэлектронной эмиссией или нагревом электрода электрической дугой. Все это усложняет конструкцию лампы, а также уменьшает суммарный КПД источника света за счет поглощения выходного излучения дополнительными элементами (электроды, источники заряженных частиц, подводящие провода). The disadvantage is also the need to introduce charged particles into the working gas of the lamp, for example, by electron emission, corona discharge, photoemission, thermionic emission or heating the electrode with an electric arc. All this complicates the design of the lamp, and also reduces the total efficiency of the light source due to the absorption of the output radiation by additional elements (electrodes, sources of charged particles, supply wires).

Заявляемые устройство и способ избавления от неустойчивостей оптического разряда направлены на улучшение его характеристик, а именно на избавления от колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.The claimed device and method for getting rid of the instabilities of an optical discharge are aimed at improving its characteristics, namely at getting rid of the vibrational instability of an optical discharge and improving its spatial stability.

Указанный результат достигается тем, что устройство избавления от неустойчивостей оптического разряда состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, причем, разрядная камера имеет два металлических электрода, при этом внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца.This result is achieved by the fact that the device for eliminating the instabilities of the optical discharge consists of a discharge chamber, transparent for the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, and , the discharge chamber has two metal electrodes, while the internal volume of the discharge chamber is hermetically connected to the external reservoir, which is a Helmholtz resonator.

Указанный результат достигается также тем, что в способе избавления от неустойчивостей оптического разряда, расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним электрическим импульсом между двумя металлическими электродами, причем на два металлических электрода также подают синусоидальное напряжение с частотой, соответствующей кратным долям резонансной акустической частоты резонатора Гельмгольца.This result is also achieved by the fact that in the method of getting rid of instabilities of an optical discharge located in a discharge chamber, in which the initial plasma is ignited by an external electric pulse between two metal electrodes, and a sinusoidal voltage is also applied to two metal electrodes with a frequency corresponding to multiples of the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами. The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства. FIG. 1 shows a schematic representation of the claimed device.

На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда для пояснения возникновения колебательной неустойчивости. FIG. 2 shows sequential shadow photographs of the optical discharge to explain the occurrence of vibrational instability.

На фиг. 3 изображена теневая фотография возможного применения заявляемого изобретения.FIG. 3 shows a shadow photograph of a possible application of the claimed invention.

Устройство избавления от неустойчивостей оптического разряда состоит из прозрачной герметичной камеры 1, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда. При этом внутренний объем разрядной камеры 1 герметично соединен с внешним резервуаром 2, представляющим собой резонатор Гельмгольца. Оптический разряд 3 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения (лазерное излучение на фиг. 1 не показано). Через стенки камеры 1 внутрь объема с газовой смесью введены (впаяны, вварены, вклеены) два неподвижных металлических электрода 4. Электроды 4 расположены таким образом, чтобы их заостренные концы частично входили внутрь боковой поверхности фронта температуры 5 нагреваемого оптическим разрядом 3 газа. Концы электродов 4 не контактируют с нагретой до высокой температуры плазмой оптического разряда 3 для предотвращения расплавления и испарения материала с их поверхности. Электроды 4 могут быть изготовлены из меди, вольфрама, никеля и других металлов. The device for eliminating instabilities of an optical discharge consists of a transparent sealed chamber 1 filled with a gas mixture capable of transmitting both laser radiation to ignite and maintain the optical discharge plasma, and the broadband output radiation of the optical discharge itself. In this case, the internal volume of the discharge chamber 1 is hermetically connected to the external reservoir 2, which is a Helmholtz resonator. The optical discharge 3 is located mainly in the center of the chamber 1 to ensure minimum optical distortion. Its position is determined by the place of focusing of the laser radiation (laser radiation is not shown in Fig. 1). Through the walls of the chamber 1, two fixed metal electrodes 4 are introduced (soldered, welded, glued in) into the volume with the gas mixture. The electrodes 4 are located so that their pointed ends partially enter the side surface of the temperature front 5 of the gas heated by the optical discharge 3. The ends of the electrodes 4 are not in contact with the plasma of the optical discharge 3 heated to a high temperature to prevent melting and evaporation of material from their surface. Electrodes 4 can be made of copper, tungsten, nickel and other metals.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3. Для первоначального поджига оптического разряда к двум металлическим электродам 4 прикладывается внешний электрический импульс напряжения, вызывающий пробой газа внутри разрядной камеры 1. Внешний электрический импульс может подаваться как от генератора 6, так и от внешнего импульсного генератора (на фиг. 1 не показан). При этом образуется облако плазмы, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазма поддерживается за счет поглощения поступающего лазерного излучения, образуя так называемый оптический разряд 3. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 3 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры 5. Облако горячего газа, ограниченное фронтом температуры 5, поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают колебания, причина которых поясняется далее. Частота этих колебаний в стандартных для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется сравнительно медленными тепловыми процессами, происходящими на границе раздела между горячим газом вокруг оптического разряда 3 и относительно холодным газом в остальном объеме разрядной камеры 1. После поджига оптического разряда 3 между двумя металлическими электродами 4 от генератора 6 подается синусоидальное напряжение ниже пробойного, вызывающее дрейфовое движение фотоэлектронов и ионов, возникающих из-за ступенчатой фотоионизации излучением оптического разряда 3. Периодическое движение ионов и электронов с частотой подаваемого синусоидального напряжения от генератора 6 способно генерировать акустические волны в разрядном объеме. При частоте повторения синусоидальных колебаний, соответствующей кратным долям резонансной акустической частоты резонатора Гельмгольца 2, в нем возникают резонансные акустические колебания, определяемые по формулам, известным для резонатора Гельмгольца. В результате на входе в камеру 1 возникает так называемый акустический ветер, известный из уровня техники, описанный, например, в [6] ([6] Стретт, Дж. В. (Лорд Рэлей), Теория звука, 2 изд., т. 2, М., 1955, с. 212). Если направить акустический ветер в сторону оптического разряда 3, то образуется направленный поток газа, охлаждающий и стабилизирующий разогретый оптическим разрядом 3 газ, ограниченный фронтом температуры 5. Интенсивности акустического ветра, производимого резонатором Гельмгольца 2 при воздействии на него резонансной частоты, достаточно для того, чтобы ускорить движение газа вокруг оптического разряда 3 тем самым устраняя неустойчивости, вызванные колебаниями горячего газа.The invention works as follows. Laser radiation from one or several lasers is focused through the transparent walls of the discharge chamber 1 in the region of its center, where it is supposed to ignite the optical discharge 3. For the initial ignition of the optical discharge, an external electrical voltage pulse is applied to the two metal electrodes 4, causing gas breakdown inside the discharge chamber 1. An external electrical impulse can be supplied both from the generator 6 and from an external impulse generator (not shown in Fig. 1). In this case, a plasma cloud is formed, intensely absorbing laser radiation. Further, the plasma is maintained by absorbing the incoming laser radiation, forming the so-called optical discharge 3. Intense heat release by the optical discharge 3 heats the surrounding gas mixture, which forms a heated gas volume that increases in size, and is limited by the temperature front 5. Hot gas cloud limited by the temperature front 5, rises up according to the Archimedes' law, but oscillations arise, the reason for which is explained below. The frequency of these vibrations under standard conditions for an optical discharge is tens of hertz and is determined by the relatively slow thermal processes occurring at the interface between the hot gas around the optical discharge 3 and the relatively cold gas in the rest of the volume of the discharge chamber 1. After the ignition of the optical discharge 3 between two metal electrodes 4, a sinusoidal voltage below the breakdown voltage is supplied from the generator 6, causing a drift motion of photoelectrons and ions arising from stepwise photoionization by radiation of an optical discharge 3. The periodic movement of ions and electrons with the frequency of the supplied sinusoidal voltage from the generator 6 is capable of generating acoustic waves in the discharge volume. At a repetition rate of sinusoidal oscillations corresponding to multiple fractions of the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator 2, resonant acoustic oscillations arise in it, determined by the formulas known for the Helmholtz resonator. As a result, a so-called acoustic wind arises at the entrance to chamber 1, known from the prior art, described, for example, in [6] ([6] Strett, JV (Lord Rayleigh), Theory of Sound, 2nd ed., Vol. 2, M., 1955, p. 212). If the acoustic wind is directed towards the optical discharge 3, then a directed gas flow is formed, cooling and stabilizing the gas heated by the optical discharge 3, limited by the temperature front 5. The intensity of the acoustic wind produced by the Helmholtz resonator 2 when it is exposed to the resonant frequency is sufficient for accelerate the movement of the gas around the optical discharge 3, thereby eliminating the instabilities caused by vibrations of the hot gas.

Вариант возможного осуществления изобретения приведен на фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 2 поясняет процесс возникновения колебательной неустойчивости вокруг оптического разряда. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар (снимки сделаны авторами). Сам оптический разряд 2 виден как яркое эллиптическое пятно в нижней части фотографий. Светлые линии вокруг него представляют собой градиент температуры между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и более холодным объемом газа в остальной части разрядной камеры 1. Фото А на фиг. 2 показывает, что вокруг оптического разряда формируется объем нагретого газа, ограниченный снизу и с боков полусферическим пространством диаметром около 1,5 мм. На следующих фото Б и В видно, что облако нагретого газа увеличивается в размере приблизительно до 2 мм из-за нагрева газа оптическим разрядом. Фото Г показывает, что пузырь горячего газа начинает всплывать вверх согласно закону Архимеда. На фото А виден этот всплывающий пузырь уже выше оптического разряда, а на его месте возникает следующий объем горячего газа. Этот процесс повторяется циклически с частотой около 40 Гц, вызывая, таким образом, периодические колебания холодного и горячего газа вокруг оптического разряда. Так как коэффициент преломления оптического излучения зависит от плотности среды, то такие колебания приводят к отклонениям как лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, так и широкополосного излучения самого оптического разряда. Отклонение лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, приводит к смещению пространственного положения оптического разряда, а отклонение его выходного излучения ухудшает качество фокусировки и стабильность световых характеристик. An embodiment of the invention is shown in FIG. 2 and FIG. 3. FIG. 2 explains the process of occurrence of vibrational instability around an optical discharge. FIG. 2 shows sequential shadow photographs of an optical discharge in xenon at a pressure of about 20 bar (photographs taken by the authors). The optical discharge 2 itself is visible as a bright elliptical spot at the bottom of the photographs. The light lines around it represent the temperature gradient between the hot gas around the optical discharge 2 and the colder volume of gas in the rest of the discharge chamber 1. Photo A in FIG. 2 shows that a volume of heated gas is formed around the optical discharge, limited from below and from the sides by a hemispherical space with a diameter of about 1.5 mm. The next photos B and C show that the heated gas cloud grows in size up to about 2 mm due to the heating of the gas by the optical discharge. Photo D shows that a bubble of hot gas begins to float upwards according to Archimedes' law. Photo A shows this floating bubble already above the optical discharge, and in its place the next volume of hot gas appears. This process is repeated cyclically with a frequency of about 40 Hz, thus causing periodic oscillations of cold and hot gas around the optical discharge. Since the refractive index of optical radiation depends on the density of the medium, such oscillations lead to deviations of both the laser radiation supporting the optical discharge and the broadband radiation of the optical discharge itself. The deflection of the laser radiation supporting the optical discharge leads to a shift in the spatial position of the optical discharge, and the deflection of its output radiation deteriorates the focusing quality and the stability of the light characteristics.

На фиг. 3 изображены теневые фотографии возможного применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 3 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Также на фотографиях видны два электрода, служащие для первоначального зажигания оптического разряда и подачи на них синусоидального напряжения от генератора 6. Область разогретого газа видна на теневых фотографиях в виде темного облака, окружающего оптический разряд. На левой фотографии в ее верхней части виден уже сформировавшийся пузырь разогретого оптическим разрядом газа, всплывающий вверх. Процесс колебаний аналогичен изображенному на фиг. 2. На правой фотографии показано возможное применение изобретения. Акустический ветер, формируемый на выходе резонатора Гельмгольца (на фотографии не показан), образованный за счет периодического движения ионов и электронов с частотой подаваемого синусоидального напряжения от генератора 6 на электроды 4, соответствующей кратным долям резонансной акустической частоты резонатора Гельмгольца 2, изменяет направление теплового факела, увеличивает скорость газа вокруг него и устраняет колебательную неустойчивость оптического разряда. Показанная на этой фотографии картинка остается стабильной во времени, что свидетельствует об избавлении от неустойчивостей и стабилизации оптического разряда. Фотографии сделаны при заполнении разрядной камеры ксеноном при давлении 20 бар. Реальный размер кадров, изображенных на фотографиях, 4х4 мм. Резонансная частота резонатора Гельмгольца определяется его параметрами и выбирается обычно значительно выше частоты колебаний облака горячего газа вокруг оптического разряда 3 для устранения возможных биений частот и раскачки колебаний облака горячего газа.FIG. 3 shows shadow photographs of the possible application of the claimed invention (photo taken by the authors). Optical discharge 3 is visible in the form of a bright ellipse at the bottom of the figure. Also visible in the photographs are two electrodes serving for the initial ignition of the optical discharge and supplying them with a sinusoidal voltage from the generator 6. The area of the heated gas is visible in the shadow photographs as a dark cloud surrounding the optical discharge. In the left photograph, in its upper part, an already formed bubble of gas heated by an optical discharge is visible, floating upwards. The oscillation process is similar to that shown in FIG. 2. The right photograph shows a possible application of the invention. The acoustic wind generated at the output of the Helmholtz resonator (not shown in the photo), formed due to the periodic movement of ions and electrons with the frequency of the applied sinusoidal voltage from the generator 6 to the electrodes 4, corresponding to multiples of the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator 2, changes the direction of the thermal flame, increases the velocity of the gas around it and eliminates the vibrational instability of the optical discharge. The picture shown in this photo remains stable over time, which indicates that instabilities are eliminated and the optical discharge is stabilized. The photographs were taken when the discharge chamber was filled with xenon at a pressure of 20 bar. The actual size of the frames shown in the photographs is 4x4 mm. The resonant frequency of the Helmholtz resonator is determined by its parameters and is usually chosen significantly higher than the oscillation frequency of the hot gas cloud around the optical discharge 3 to eliminate possible frequency beatings and the buildup of oscillations of the hot gas cloud.

Экспериментальный способ определения частоты синусоидальных колебаний, подавляемых на электроды для избавления от неустойчивостей оптического разряда, состоит в следующем. По известным из уровня техники формулам оценивается резонансная частота резонатора Гельмгольца при заданных условиях. Зажигается оптический разряд и производится подача синусоидального напряжения на электроды в диапазоне, соответствующем кратным долям резонансной акустической частоты резонатора Гельмгольца, при этом проводится скоростная видеосъемка либо теневой картины области нагретого газа, либо самого оптического разряда, определяется частота, наиболее эффективно подавляющая неустойчивости либо теневой картины, либо формы и положения оптического разряда. Подбирается также амплитуда синусоидального напряжения.An experimental method for determining the frequency of sinusoidal oscillations suppressed by the electrodes to get rid of the instabilities of an optical discharge is as follows. The formulas known from the prior art are used to estimate the resonant frequency of the Helmholtz resonator under given conditions. An optical discharge is ignited and a sinusoidal voltage is applied to the electrodes in the range corresponding to multiples of the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator, while high-speed video recording of either the shadow pattern of the heated gas region or the optical discharge itself is performed, the frequency that most effectively suppresses instabilities or the shadow pattern is determined. or the shape and position of the optical discharge. The amplitude of the sinusoidal voltage is also selected.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в использовании резонатора Гельмгольца, обладающего высокой добротностью. Применение для раскачки резонансных колебаний резонатора Гельмгольца независимого от оптического разряда синусоидального напряжения между двумя металлическими электродами позволяет в широких переделах изменять параметры оптического разряда сохраняя стабильность его оптических характеристик.A characteristic feature of the claimed invention is the use of a Helmholtz resonator with a high Q factor. The use of a sinusoidal voltage between two metal electrodes, independent of the optical discharge, for the buildup of resonant oscillations of the Helmholtz resonator makes it possible to vary the parameters of the optical discharge in a wide range while maintaining the stability of its optical characteristics.

Claims (2)

1. Устройство избавления от неустойчивостей оптического разряда, состоящее из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, отличающееся тем, что разрядная камера имеет два металлических электрода, при этом внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца.1. A device for eliminating instabilities of an optical discharge, consisting of a discharge chamber transparent for the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, characterized in that The discharge chamber has two metal electrodes, while the internal volume of the discharge chamber is hermetically connected to the external reservoir, which is a Helmholtz resonator. 2. Способ избавления от неустойчивостей оптического разряда, расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним электрическим импульсом между двумя металлическими электродами, отличающийся тем, что на два металлических электрода подают синусоидальное напряжение с частотой, соответствующей кратным долям резонансной акустической частоты резонатора Гельмгольца, причем резонатор Гельмгольца герметично соединен с внутренним объемом разрядной камеры.2. A method of getting rid of instabilities of an optical discharge located in a discharge chamber, in which the initial plasma ignition is carried out by an external electric pulse between two metal electrodes, characterized in that a sinusoidal voltage is applied to two metal electrodes with a frequency corresponding to multiples of the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator , and the Helmholtz resonator is hermetically connected to the internal volume of the discharge chamber.
RU2020118938A 2020-06-08 2020-06-08 Device and method for disposal of optical discharge instabilities RU2738463C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118938A RU2738463C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Device and method for disposal of optical discharge instabilities

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118938A RU2738463C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Device and method for disposal of optical discharge instabilities

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2738463C1 true RU2738463C1 (en) 2020-12-14

Family

ID=73835130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020118938A RU2738463C1 (en) 2020-06-08 2020-06-08 Device and method for disposal of optical discharge instabilities

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2738463C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571433C1 (en) * 2014-08-18 2015-12-20 Игорь Георгиевич Рудой Method of generating broadband high-brightness optical radiation
WO2017205198A1 (en) * 2016-05-25 2017-11-30 Kla-Tencor Corporation System and method for inhibiting vuv radiative emission of a laser-sustained plasma source
WO2019023303A1 (en) * 2017-07-28 2019-01-31 Kla-Tencor Corporation Laser sustained plasma light source with forced flow through natural convection
RU2680143C2 (en) * 2016-03-11 2019-02-18 Игорь Георгиевич Рудой Method of generating broadband high-brightness optical radiation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2571433C1 (en) * 2014-08-18 2015-12-20 Игорь Георгиевич Рудой Method of generating broadband high-brightness optical radiation
RU2680143C2 (en) * 2016-03-11 2019-02-18 Игорь Георгиевич Рудой Method of generating broadband high-brightness optical radiation
WO2017205198A1 (en) * 2016-05-25 2017-11-30 Kla-Tencor Corporation System and method for inhibiting vuv radiative emission of a laser-sustained plasma source
WO2019023303A1 (en) * 2017-07-28 2019-01-31 Kla-Tencor Corporation Laser sustained plasma light source with forced flow through natural convection

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9576785B2 (en) Electrodeless single CW laser driven xenon lamp
TW201448678A (en) Method and system for controlling convective flow in a light-sustained plasma
US8259771B1 (en) Initiating laser-sustained plasma
US10057973B2 (en) Electrodeless single low power CW laser driven plasma lamp
RU2734111C1 (en) Method of preventing oscillations of optical discharge
RU2738463C1 (en) Device and method for disposal of optical discharge instabilities
RU2734112C1 (en) Device and method for disposal of optical discharge instabilities
RU2738462C1 (en) Device and method for elimination of optical discharge instabilities
RU2735948C1 (en) Method of suppressing instabilities of optical discharge
JP2020505733A (en) Electrodeless single low power CW laser driven plasma lamp
RU2734162C1 (en) Device and method of stabilizing optical radiation
RU2738461C1 (en) Device and method for elimination of optical discharge oscillations
JPS6324532A (en) X-ray source
US8569724B2 (en) Induction heated buffer gas heat pipe for use in an extreme ultraviolet source
RU2734074C1 (en) Device and method of stabilizing optical radiation
RU2735947C1 (en) Device and method for suppression of optical discharge oscillations
Zimakov et al. Spatial and Temporal Instabilities of Optical Discharges
US10964523B1 (en) Laser-pumped plasma light source and method for light generation
RU2734026C1 (en) Device and method for disposal of optical discharge oscillations
US4074208A (en) Stabilized repetitively pulsed flashlamps
KR20220133979A (en) Laser Pumped Plasma Light Source and Plasma Ignition Method
Beloplotov et al. Laser monitor visualization of gas-dynamic processes under pulse-periodic discharges initiated by runaway electrons in atmospheric pressure air
Gavin et al. Power electronics for a sulfur plasma lamp working by acoustic resonance: Full scale prototype experimental results
JP7430364B2 (en) Laser-excited plasma light source and light generation method
RU171371U1 (en) VACUUM DISCHARGE