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.
(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 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
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
