энергию излучения XeCl*.
XeCl-лазер эффективно работает при комбинированной накачке. Это
вытекает при изучении зависимости энерговклада, удельной энергии излучения
и КПД относительно суммарной энергии, вложенной в газ пучком и разрядом от
зарядного напряжения емкостного накопителя.
Основным каналом образования молекул XeCl* является ионная
рекомбинация ионов Xe*, Xe[pic]*и отрицательных ионов Cl.
Отметим, что рабочие смеси XeCl-лазера с галогеноносителем HCl имеют
наибольший ресурс работы из всех эксимерных лазеров.
2.Теоретический расчет схемы накачки электроразрядного эксимерного лазера,
выполненной по типу LC-инвертора
2.1. Описание схемы LC-инвертора
Известно, что для эксимерных лазеров требуется относительно
высокий уровень интенсивности накачки. В электроразрядных эксимерных
лазерах интенсивность накачки составляет от нескольких десятых до
нескольких единиц МВт/см3 причем, для различных типов эксимерных лазеров
оптимальные значения этого параметра, определяемые с точки зрения
максимальной эффективности накачки существенно различны.
При прочих равных условиях возбуждения эксимерных лазеров
оптимальная мощность энерговклада может зависеть от типа используемой
электрической схемы возбуждения (LC-инвертор, емкостная перезарядка,
системы с высоковольтным предимпульсом и т. д.).
В настоящей работе рассмотрена схема возбуждения элекроразрядного
эксимерного лазера, выполненная по типу LC-инвертора. Данная схема (рис.3)
имеет ряд преимуществ. К ним относят возможность увеличение напряжения на
разрядном промежутке, способствующего улучшению однородности разряда и
повышения эффективности энерговклада в активную среду при небольших
зарядных напряжениях, снижение нагрузки на коммутатор и повышение его срока
службы, так как он не включается в цепь последовательно и через него не
проходит вся запасаемая энергия.
Расчет производился для эксимерного электроразряного лазера,
описанного в (10(. На рис.3 представлена его принципиальная электрическая
схема. Излучатель представляет собой диэлектрическую разрядную камеру,
внутри которой располагается профилированный цельнометаллический анод (А),
сетчатый катод (К) и электрод предыонизации (Э). Предыонизация активной
среды в межэлектродном промежутке (МП) осуществлялась излучением емкостного
разряда из-под сетчатого катода при подаче импульса высокого напряжения на
электрод предыонизации. Такое расположение системы предыонизации позволяет
максимально приблизить источник ионизирующего излучения к зоне основного
разряда и достичь однородного распределения начальных электронов в МП.
Основной разрядный объем составляет 90х3,5х2 см3 (ширина разряда 2 см). На
торцах разрядной камеры располагается резонатор лазера, который образован
плоским зеркалом с Al-покрытием и плоскопараллельной кварцевой пластиной.
Возбуждение поперечного разряда осуществляется системой, выполненной по
типу LC-инвертора, принципиальная схема которой также представлена на
рис.3. Она включает НЕ С1 и С2, которые от источника постоянного высокого
напряжения через резистор R заряжались до напряжения Uo. После срабатывания
коммутатора РУ, в качестве которого используется управляемые разрядники РУ-
65, через L2 происходит инверсия напряжения на С2, и через индуктитвность
L1 осуществляется зарядка обострительной емкости (ОЕ) Со до напряжения,
близкого к двойному зарядному. ОЕ Со подключена к электродам лазера с
минимально возможной для данной конструкции индуктивностью Lо. Разряд
предыонизации возбуждаетя от отдельного LC-контура включающего Спр –
накопительную емкость, Lпр – индуктивность в контуре предыонизации, РУ1 –
коммутатор. Спр заряжается от источника постоянного высокого напряжения
через резисторы R3 и R4 до напряжения Uo. Энергия генерации измерялась
калориметром ИМО-2Н, а напряжение на Со, ток разряда, форма и длительность
импульса генерации - осциллографом 6ЛОР-04 с помощью резистивного делителя
Д (R1-R2), поясов Роговского ПР1 и ПР2 и вакуумного фотодиода ФЭК-22СПУ.
Эксперименты, результаты которых представлены ниже, проведены на рабочей
смеси (е: Хе: НС1 (3040:22,5:1,5) при давлении 4 атм. и зарядном напряжении
Uо = 38 кВ.
Для рассчета параметров схемы LC-инвертора (рис.3), заменим
данную схему упрощенной эквивалентной, представленной на (рис.8).
Рис.3. LC-инвертор.
Найдем токи и напряжения в режиме холостого хода (рис.5). Для этого
запишем уравнения Киргоффа для двух контуров (рис.5).
Рис.4. Упрощенная схема LC-
инвертора.
Рис.5.Упрощенная схема LC-инвертора для холостого хода.
[pic]
(30)
Уравнения (30) перепишем в виде
[pic] (31)
Исходя из выбранного направления токов (рис.4) можно записать
следующее уравнение:
[pic] (32)
Продифференцируем его по времени:
[pic] (33)
Значения производных токов I0 и I2 из (31) подставим в (33):
[pic][pic]+[pic]) (34)
Используем тот факт, что
[pic] (35)
а так же учтем, что
[pic] (36)
В итоге получим систему из 6 дифференциальных уравнений
[pic]
[pic][pic]+[pic] (37)
[pic]
В системе (37) под сопротивлением понимается сопротивление
коммутатора. Очевидно, оно не является величиной постоянной во времени.
Зададим сопротивление коммутатора таким образом, что за время порядка 20-
30нс оно изменяется от 10 Ом до 0.2 Ом:
[pic] (38)
Продифференцируем полученное выражение и добавим его в систему (37)
[pic] (39)
Задачу нахождения токов I0-I2 и напряжений U1-U3 будем решать при
следующих начальных условиях:
[pic] (40)
Используя аналогичную методику, решим задачу для полной схемы LC-
инвертора (рис.4) . В итоге получим систему из 8 дифференциальных уравнений
для нахождения токов I0-I4 и напряжений U1-U3:
[pic] (41)
[pic]
Где под R2 подразумевается сопротивление разрядного
промежутка. Очевидно, что R2[pic]const. Далее будем считать, что
сопротивление разрядного промежутка меняется по закону:
[pic] (42)
Параметры R0, Rn и а будут оптимизированы в процессе
расчета.
Продифференцируем последнее уравнение по времени:
[pic] (43)
Кроме последнего выражения добавим в систему (41) уравнение
для нахождения вложенной в разрядный промежуток энергии
[pic] (44)
Дифференцируя, получим:
[pic]
(45)
В итоге получим систему, состоящую из 11 дифференциальных уравнений:
[pic]
(46)
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Систему уравнений (40) будем решать при следующих начальных условиях:
[pic] (47)
Где In0, In1, In2, In3, Un1, Un2, Un3 - соответственно значения токов
и напряжений, взятых из задачи расчета режима холостого хода при значении
времени t0 нс. Данное время, выбрано исходя из условия максимальности в
режиме холостого хода напряжения U3. Для тока I4 принято, что в начальный
момент времени (время пробоя межэлектродного промежутка), данный ток
равняется 0.
Расчет токов и напряжений схемы накачки выполненной по типу LC-
инвертора, производился с помощью математического пакета MathCad 7. Ниже
приведена методика расчета данной схемы в MathCad 7 .
2.2 Описание методики расчетов параметров схемы LC-инвертора
Полученную систему (46) которая состоит из одиннадцати
дифференциальных уравнений, будем искать с помощью встроенной функции среды
Mathcad 7 rkfixed. Зададим параметры, при которых будут расчитанны токи,
напряжения и энерговклад для схемы (рис.4):
Зададим временной интервал, на котором будет вестись расчет и
разобьем его на 5000 точек (шагов вычислений):
Далее найдем значения токов и напряжений для режима холостого
хода. Зададим следующие начальные условия:
Систему (46) запишем в виде вектора-функции f(t,x), где t
переменная времени, х0-х6 переменные, соответствующие значениям токов I0-
I3, напряжений U1-U3 и сопротивления коммутатора R1 как функции от времени.
Подставим данный вектор, а также вектор начальных условий и значения
начального и конечного момента времени, в функцию rkfixed:
Таким образом, мы получили матрицу, в первом столбце которой
записаны значения моментов времени, а в последующих значения токов,
напряжений и сопротивления коммутатора при работе схемы в режиме холостого
хода. Рассмотрим два различных набора параметров схемы LC-инвертора:
1)С1=С2=50 нФ, С3=6нФ, L1=17нГн; 2)С1=С2=150 нФ С3=20 нФ L1=30 нГн. На
рис.6 и рис.7 представлены графики зависимости от времени напряжения U3
для обоих случаев соответственно.
Рис.6. Напряжение холостого хода (первый случай).
Рис.7. Напряжение холостого хода (второй случай).
Видно что, в первом случае максимальное значение напряжения достигает
меньшего значения, чем во втором. Это связано с тем, что величина [pic],
определяющая полупериод колебаний, в первом случае составляет порядка 110
