Основные схемы возбуждения ЭЭЛ
2.Основные схемы возбуждения ЭЭЛ
Гильвин Павел
Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие
сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-
контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения
используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых.
Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы возбуждения на
основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1 Дж, а при
импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж , формировать длинные
импульсы генерации, успешно управлять их формой и длительностью, иметь
высокую генерационную эффективность. Однако такие требования к LC-контуру
как минимальная индуктивность, использование специальных конденсаторов и
низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их применение, особенно когда
необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт) и большая частота
повторения импульсов. В таких случаях чаще всего используются системы
возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них снижены требования к
коммутатору и индуктивности в его цепи и во-вторых, они позволяют вдвое
увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным электродам.
В технике возбуждения газоразрядных лазеров в основном используется
три типа электрических схем: так называемая схема Блюмляйна (рис. 2а),
схема с перезарядкой емкостей (рис.2б) и генератор Маркса(рис. 2в).
Недостатком схемы Блюмляйна является трудность согласования импедансов
нагрузки и контура возбуждения. Но зато существует
теоретическая возможность удвоения напряжения на нагрузке. Кроме того, при
оптимальных параметрах согласования нагрузка на коммутатор низка, т. к.
коммутируется только емкость С1, которая в большинстве случаев в 2-3 раза
меньше С2.
Схема с перезарядкой емкостей (рис. 2б) наиболее сильно нагружает.
коммутатор (тиратрон), т. к. коммутируемая емкость С1 больше С2. Кроме
того, в случае согласованной нагрузки напряжение на ней падает более чем
вдвое по сравнению с начальным напряжением на накопительной емкости С1.
Генератор Маркса применяется в мощных лазерных установках, где
основной упор сделан на энергетические, а не частотные характеристики, т.
к. в этом типе схемы возбуждения в качестве коммутаторов используются
искровые разрядники, не позволяющие работать с частотами выше 10 Гц.
Итак, мы остановились на схеме Блюмляйна, которая, как показывает
анализ, наиболее эффективна для применения в лазерах средней мощности, с
запасаемой в емкостях энергией порядка 10 - 20 Дж. Рассмотрим подробнее
работу этой схемы (рис. 3) переходные процессы, начинающиеся в схеме после
включения тиратрона Т, описываются нелинейным дифференциальным уравнением
пятого порядка. Дело упрощается, если моделировать процесс пробоя
межэлектродного промежутка ступенчатой кривой (рис. 4), где сопротивление
нагрузки падает до 0, 5-0, 3 Ом в момент начала лавинных процессов. Это
приближение сильно упрощает уравнения и довольно хорошо описывает работу
схемы.
Качественно картина работы схемы возбуждения выглядит так:
первоначально емкости С1 и С2 заряжаются от источника питания до напряжения
U0. После включения коммутатора Т в контуре 1 начинается довольно медленный
процесс переразрядки емкости C1 с характерным временем [pic](L1c1), где L1
- индуктивность тиратрона. Этот контур в основном определяет крутизну
нарастания напряжения на нагрузке - межэлектродном промежутке. В идеальном
случае процесс инвертирования заряда на С1 проходит полностью, и в момент
пробоя емкости С1 и С2 оказываются соединенными последовательно, напряжение
на нагрузке удваивается по сравнению с начальным U0. Реально же из-за
довольно медленного процесса, тормозимого конечными переходными
характеристиками тиратрона, нарастание напряжения на нагрузке недостаточно
быстро (около 70 нc), и пробой происходит без существенного перенапряжения.
Длительность импульса тока, следовательно и плотность тока, определяет
контур 11 с характерным временем
[pic]
Как показывают эксперименты, можно пожертвовать скоростью нарастания
напряжения и, подсоединив параллельно нагрузке емкость С3, уменьшить за
счет взаимоиндукции L2 и L3 эффективную индуктивность разрядного контура,
тем самым ускорить процессы энерговклада в плазму. Этот метод оказался
довольно эффективным и позволил поднять кпд лазера в 1, 5 раза.
Практически все схемы возбуждения можно получить исходя из двух
основных схем LC-контур и LC-инвертор .
2.1. Использование LC-контура для возбужденияэлектроразрядных эксимерных
лазеров
Применению LC-контура в качестве системы возбуждения
эксимерных лазеров посвящен ряд работ. Было исследовано влияние на энергию
генерации отдельных параметров разрядного контура, проведена оптимизация
схемы возбуждения, изучено влияние индуктивности контура на энергию
генерации и исследована зависимость выходной энергии и полной эффективности
ХеСl-лазера от отношения накопительной к обострительной ёмкостей С0/С1.
Из результатов исследования влияния величины обострительной
емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера стало ясно, что существует
оптимальное значение обострительной емкости, при которой выходная энергия
максимальна.
Ведущими инжинерами доказано, что энергия генерации максимальна при
соотношении С0/С1(0,6, причем максимальная эффективность в этом случае
достигается при минимальном напряжении.
Эксперименты проводились при трех значениях С1 и изменении С0 в
пределах 0,1С1-0,7С1.Найдено, что для всех значений С1 оптимальное
отношение С0/С1 лежит в диапазоне 0,3-0,5.
Из анализа публикаций следует, что оптимальное соотношение
обострительной и накопительной емкостей лежит в диапазоне 0,2-0,6. Обращает
на себя внимание столь большое различие полученных разными авторами
оптимальных значений отношения С0/С1. Это может быть связано с тем, что
данное соотношение зависит от индуктивности L1, через которую происходит
зарядка C0 от С1, а также потерь при коммутации, прикладываемого
напряжения. Максимальное напряжение, до которого заряжается С0 от С1 при
изменении С0 от 0,1С1 до С1, может линейно изменяться от (2U0 до (U0, где
U0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С0 изменяется
также напряжение, прикладываемое к лазерным электродам, и соответственно
энерговклад в активную среду. Поэтому для каждого конкретного случая
необходимо определять оптимальные значения давления смеси, зарядного
напряжения, величины С1, С0, L1 и L0.
Описанная ситуация имеет место при большом значении L1. При величине
L1, сравнимой с L0, положение, вероятно, изменится, поэтому представлялось
целесообразным изучить работу LC-контура с обострительной емкостью при
L1<10L0 (L0(3нГн). В большинстве случаев уменьшение L1 ниже 10L0 связано со
значительными конструктивными трудностями, поэтому этот диапазон изменений
L1 был практически не исследован.
Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную
емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1
обострительную емкость C0 (см. рис.3). Так как С1 перезаряжается на С0
через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с
сопроти. При С0=15 нФ на импульсе тока от С1 видна колебательная структура,
а при С0=37 нФ наблюдается явный колебательный разряд (см. рис.12,б и в).
Колебательный характер энерговклада отрицательно сказывается на
однородности и длительности объемной стадии разряда.
Для описания данного нестационарного разряда могут быть использованы
формулы, но только до момента времени, когда ток достигает максимальной
величины, влением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется
значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей
увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение
потерь на коммутаторе. С целью выяснения влияния сопротивления коммутатора
на энергию генерации лазера исследовалась ее зависимость от числа
параллельно включенных разрядников РУ-65. Исследования проводились на смеси
НСl:Хе:Ne–1:15:1960, при общем давлении 2,6 атм. и зарядном напряжении до
40кВ. Величины накопительной и обострительной емкостей были равны 70 нФ.
Индуктивность L1 в этой серии экспериментов была постоянной и равнялась
(35нГн, что достигается сменой токоведущих шин.
Проанализируя полученные учёными результаты, делаем выводы, что
существующие способы предыонизации активной среды эксимерных лазеров
позволяют получать начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их
плотности в момент начала генерации (1015-1016см-3. Это значит, в разряде
существует стадия его формирования, в течение которой концентрация
электронов возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии,
преимущественно за счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности
электрического поля в межэлектродном промежутке, происходит
экспоненциальный рост концентрации электронов. При этом, время поддержания
высокой напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-
20наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации
электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию
разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы
объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации
составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного
объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии:
стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо
принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту
концентрации электронов. Это можно сделать, путем значительного уменьшения
напряженности электрического поля на стадии энерговклада, т.е. уменьшения
E/N до значения (E/N)*. Уменьшение напряженности электрического поля можно
достичь путем последовательного включения стабилизирующих элементов
(балластных резисторов, нелинейных индуктивностей), а также созданием
систем возбуждения с изменяющимся во времени по определенному закону
импульсом напряжения.
При малых величинах обострительной емкости С0 основная её функция
состоит в формировании объемного разряда. За короткое время она заряжается
Страницы: 1, 2
