Каталог :: Физика

Доклад: 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 ³1 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
Подпись: Рис.2.типичные схемы
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 U 0. После включения коммутатора Т в контуре 1 начинается довольно медленный процесс переразрядки емкости C1 с характерным временем (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 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 С01. 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 С01~0,6, 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 С 1 оптимальное отношение С01 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 С01. 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 С 0 от С1 при изменении С0 от 0,1С1 до С 1, может линейно изменяться от ~2U0 до ~U0, где U 0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С 0 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 от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем разряжается на межэлектродный промежуток за вдвое меньшее время. При столь высоком перенапряжении (>70 кВ /3,5 см·4 атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной емкости С1. Уменьшение С0 до нескольких нанофарад позволило разделить во времени формирование разряда и его возбуждение. Этот эффект достигнут благодаря тому, что разрядка С0 осуществляется при напряжении в ~2 раза большем, чем напряжение на С1 и длится ~20нс, а разрядка С1 фактически начинается после того, как С0 разрядилась. С увеличением обострительной емкости С0 ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд. Мощность которого сравнима с мощностью энерговклада от С1. Кроме того, так как волновое сопротивление контура L0С0 превышает активное сопротивление плазмы в межэлектродном промежутке, то разряд С0 имеет колебательный характер. Так как L0С0<(L1+L 01, то наложение токов разряда обострительной и накопительной емкостей приводит к колебательному суммарному энерговкладу. При колебательном характере импульса тока напряжение возрастает от нуля до некоторого максимального значения. В этом случае и при быстрое падение разрядного напряжения связано с влиянием собственной индуктивности разряда, приводящей к неустойчивости и его контрагированию. Рассмотренные выше процессы объясняют падение энергии генерации ХеСl- лазера с ростом величины обострительной емкости до ~30 нФ. Максимальная энергия генерации достигается при минимальных С0 и L1. При С 0>15 нФ колебательный энерговклад отражается на импульсах генерации. При С0>30 нФ изменяется режим возбуждения разряда. Мощность энерговклада в течение первого импульса разрядного тока значительно возрастает. Этот рост обусловлен разрядом обострительной емкости, в которую, за время задержки разряда в межэлектродном промежутке, переходит значительная доля энергии, запасенной в С1. Генерация или срывается после первого импульса тока разряда или на втором импульсе возбуждения интенсивность ее значительно ниже. Таким образом, рост энергии генерации с увеличением С0 при L1=23 и 33 нГн происходит благодаря росту мощности энерговклада в течение первого импульса тока разряда. Отсутствие роста энергии генерации с увеличением С0 при L1=11нГн можно объяснить следующим образом. При L1=11 нГн время зарядки С0 от С1 сравнимо с временем разряда С0 на межэлектродный промежуток. После пробоя межэлектродного промежутка при напряжении на С0, близком к максимальному, Со разряжается как на него, так и обратно на С1 . Этот процесс приводит к уменьшению энерговклада во время первого импульса разрядного тока и отсутствию роста энергии генерации. При С1=300 и 225 нФ выходная энергия при одной и той же величине обострительной емкости все же больше при L1=11 нГн, чем при L1=23 и 33 нГн, вследствие большей мощности энерговклада от накопительной емкости. При С1 =75 нФ и L1=23 и 33 нГн энергия генерации значительно больше, чем при L1=11 нГн вследствие уменьшения энерговклада от С1 и обратной переразрядки на нее С0 . Исследовалась также зависимость работы лазера от величины зарядного напряжения при L1=11 нГн, С1=300 нФ и С0=3,6 нФ , 25 нФ , 37 нФ , 70 нФ, без С0. Во всех случаях наблюдается рост энергии генерации ХеС1-лазера с возрастанием U0. Причем максимальная энергия генерации – 1,7 Дж достигается при минимальном значении обострительной емкости С0=3,6 нФ. Без обострительной ёмкости эффективность генерации значительно меньше . Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что уменьшение обострительной емкости С0 до значений (0,01-0,02) С1, при одновременном уменьшении индуктивности L1 в цепи зарядки С0 от С1 до минимально возможной величины, позволяет сформировать для возбуждения активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный (~2U0) для формирования разряда и длинный (~U0) для энерговклада в него, получать с применением емкостной предыонизации однородный объемный разряд длительностью ~200 нс и увеличить энергию генерации лазера в 1,5-2 раза. Анализ публикаций последнего времени показывает, что полученные результаты имеют практическую реализацию в мощных электроразрядных эксимерных лазерах, где энергия генерации ≥10 Дж и КПД ~ 4% достигается при возбуждении лазера сдвоенным разрядом.

2.2 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.5) 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. На рис.5 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.5. Она включает НЕ С 1 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 R 4 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 (R 1-R2), поясов Роговского ПР1 и ПР2 и вакуумного фотодиода ФЭК-22СПУ.

Рис.5. LC-инвертор.

Рис.6. Упрощенная схема LC-инвертора.

Рис.7.Упрощенная схема LC-инвертора для холостого хода.

Заключение

Выполняя свою курсовую работу, которая посвящена теоретическому исследованию систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, используя богатые научные статьи преподавателей кафедры лазерной физики и спектроскопии, а также другие источники, изучил процессы возбуждения эксимерных электроразрядных лазеров.Рассмотрел Возбуждение эксимерного лазера элекронным пучком и импульсным разрядом. Изучил актуальность такой проблемы, как повышение эффективности электроразрядных эксимерных лазеров и улучшение их энергетических и временных характеристик. Теоретически установил оптимальные условия возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров. Ознокомился с предыонизацией активной среды и с использованием на практике таких схем возбуждения как LC-контур и LC-инвертор.

Список используемой литературы

1. Ануфрик С.С., Володенков А.П., Зноско К.Ф.,.Курганский. А.Д Влияние параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. "Лазерная и оптико–электронная техника". – Минск: Университетское, 1992. – С.91–96. 2. Ануфрик С.С. , Володенков А.П. ,. Зноско К.Ф, Курганский А.Д. . Влияние параметров LC-инвертора на выходноую энергию XeCl-лазера. // Лазерная физика и спектроскопия: Труды конференции под ред. А.А. Афанасьева.–Минск: Институт физики НАНБ, 1997.–т.1,–С.200-203. 3. Ануфрик С.С., Володенков А.П., Зноско К.Ф. Энергетические характеристики XeCl-лазера с возбуждением LC-инвертором // ЖПС.–1999.–т.66,№5.– С.702–707. 4. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Оптимизация двухконтурной схемы возбуждения ХеС1-лазера. // Межвуз. сб. “Лазерная и оптико–электронная техника. – Минск: Университетское, 1989. – С.87–91. 5. Ануфрик С.С.,. Зноско, К.Ф. Володенков А.П. Влияние системы предыонизации на энергию генерации XeCl-лазера.// Оптический журнал. 2000, т. 67, № 11, с. 38-45. 6. Вилл А.А. Принципы и технология эксимерных лазеров // Труды ИФ АН ЭССР. – 1984. – Т.56. – С.18–37. 6. Верховский В.С., Мельченко С.В., Тарасенко В.Ф. Генерация на молекулах XeCl при возбуждении быстрым разрядом // Квант. электрон. – 1981. – Т.8, №2. – С.417–419. 7. Влияние параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1- лазера / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Межвуз. сб. “Лазерная и оптико–электронная техника. – Минск: Университетское, 1992. – С.91–96. 8. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д.. Влияние параметров LC-контура на энергию генерации XeCl-лазера.// Квантовая электроника, Т.16, №11, с.2228-2231 (1989). 9. Газовые лазеры: Пер. с англ. / Под ред. И.Мак–Даниеля и У.Нитэна. – М.: Мир, 1986. – 548 с.