Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов возбуждения газоразрядных лазеров (литературный обзор) 14
1.1. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе различных типов коммутирующих элементов 14
1.2. Системы питания лазеров на парах меди 23
1.3. Генерация высоковольтных наносекундных импульсов в системах питания эксимерного лазера 32
ГЛАВА 2. Генератор высоковольтных наносекундных импульсов на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором 35
2.1. Высоковольтный твердотельный коммутатор 35
2.2. Генератор наносекундных импульсов на основе высоковольтного транзисторного коммутатора и магнитного компрессора 53
2.3. Расчет системы магнитного сжатия импульсов 58
ГЛАВА 3. Система питания лазера на парах меди на основе твердотельного коммутатора 66
3.1. Структурная схема твердотельной системы накачки лазера на парах меди 66
3.2. Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки 69
3.3. Оптимизация параметров системы питания лазера на парах меди .72
ГЛАВА 4. Генератор импульсов возбуждения эксимерного лазера на основе высоковольтного твердотельного коммутатора 85
4.1. Компьютерное моделирование работы генератора 85
4.2. Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера 92
4.3. Результаты экспериментов 99
Заключение 105
Литература 107
- Генерация высоковольтных наносекундных импульсов в системах питания эксимерного лазера
- Генератор наносекундных импульсов на основе высоковольтного транзисторного коммутатора и магнитного компрессора
- Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки
- Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера
Введение к работе
Актуальность работы
Традиционно в качестве высоковольтного коммутирующего элемента генераторов высоковольтных импульсов возбуждения электроразрядных газовых лазеров используются тиратроны и вакуумные модуляторные лампы, однако эти приборы имеют целый ряд недостатков, которые ограничивают их применение при создании технологичных и надежных лазерных систем.
По мере развития полупроводниковых приборов появляется все больше работ, направленных на создание генератора импульсов возбуждения на основе низковольтной (1-2 кВ) полупроводниковой элементной базы. Недостатком таких схем на основе твердотельных ключей является использование высоковольтного повышающего трансформатора, что ограничивает максимальную длительность импульса и скорость нарастания тока через коммутатор. В результате требуется применение большого числа звеньев магнитного сжатия, что в свою очередь приводит к большим потерям и низкому коэффициенту полезного действия генератора.
Лазеры и технологии на их основе уже стали неотъемлемой частью современного промышленно развитого мира и находят широкое применение в машиностроении, медицине, точном приборостроении, военной технике, технологиях передачи информации и многих Других областях промышленности, науки и техники. Среди различных типов лазеров, лазеры на парах меди и эксимерные ArF - лазеры занимают особое место, поскольку обладают набором уникальных характеристик.
Лазер на парах меди (ЛПМ) является одним из наиболее эффективных источников излучения в видимом диапазоне спектра среди всех известных на сегодняшний день газовых лазеров. ЛПМ имеет такое сочетание характеристик, которое делает его незаменимым в ряде областей науки, техники и медицины.
Эксимерный ArF лазер является наиболее мощным источником вакуумного ультрафиолетового излучения. Благодаря высокой энергии фотонов и короткой длине волны, излучение этого лазера поглощается практически во всех материалах.
Излучение эксимерного ArF лазера может быть сфокусировано в пятно диаметром порядка длины волны, что позволяет получать высокую интенсивность и локальность воздействия лазерного луча на вещество, что особенно важно для его применений в области микрообработки материалов и фотолитографии. Излучение с такой длиной волны является незаменимым инструментом в офтальмологии и нанесении брегговских решеток в световодах.
На основании вышесказанного видно, что разработка и создание долговечных, надежных и эффективных систем накачки ЛПМ и эксимерных ArF лазеров на основе современной твердотельной элементной базы поможет избежать указанных недостатков существующих систем питания и является весьма актуальным направлением исследований.
Объект и предмет исследований
Объектом исследований являются системы накачки лазеров на парах меди и эксимерных ArF лазеров.
Предметом исследований являются твердотельные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе составного коммутатора, состоящего из последовательно-параллельно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).
Цель работы
Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка, создание и исследование твердотельных систем пакачки импульсных и импульсно-периодических газоразрядных лазеров на парах меди и эксимерных ArF лазеров на основе высоковольтного составного транзисторного коммутатора, состоящего из последовательно-параллельно
5 соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором. Исследование электрофизических процессов в системе накачки лазера на парах меди и эксимерного ArF лазера, определение оптимальных параметров элементов и режимов работы предложенных систем накачки.
Методы исследований
Основной подход исследований состоит в применении нового составного высоковольтного твердотельного коммутатора на основе БТИЗ в сочетании со схемой удвоения напряжения за счет неполного разряда накопительного конденсатора и системой магнитной компрессии для создания генераторов высоковольтных наносекундных импульсов, способных эффективно накачивать широкий класс газоразрядных лазеров и других газоразрядных приборов.
Основными методами экспериментального исследования были измерения напряжений и токов соответствующими датчиками с субнаносекундным разрешением и системой сбора данных, а также измерение выходных параметров лазерного излучения с помощью термопарного измерителя и быстродействующего оптического детектора.
В ходе экспериментов проводилась регистрация токов, напряжений и тепловых потерь в схеме коммутатора при различных режимах работы (рабочее напряжение на коммутаторе, тип и величина нагрузки, частота повторения импульсов, параметры импульсов управления), а также измерение энергии и мощности выходного лазерного излучения, измерения его распределения, временной зависимости и разброса задержки между лазерным излучением и синхроимпульсом.
При исследовании схем с параллельно-последовательным включением БТИЗ проводились измерения временных характеристик (разброс времени срабатывания, время нарастания и спада напряжения и тока, падение напряжение, распределение токов, потери) на отдельных транзисторах коммутатора.
Исследование импульсов напряжения проводилось на коллекторах
БТИЗ коммутатора, импульсов тока - на выходе коммутатора. Импульсы напряжения измерялись высоковольтными щупами Tektronix Р6015А, импульсы тока - малоиндуктивными шунтами и датчиками тока.
Регистрация электрических сигналов с щупов и датчиков тока проводилась с помощью цифрового запоминающего осциллографа LeCroy WaveRunner 6051А с полосой пропускания 500 МГц и частотой дискретизации 5 Гвыборок/с.
Для оценки мощности потерь температура на элементах коммутатора регистрировались бесконтактным методом с применением инфракрасного пирометра RayTek MiniTemp.
Научная новизна
В представленной работе впервые предложена, разработана и исследована полностью твердотельная система накачки лазера на парах меди на основе высоковольтного составного транзисторного коммутатора, состоящего из последовательно соединенных БТИЗ и работающего совместно с системой магнитного сжатия импульсов.
В результате исследований автором диссертации была произведена оптимизация параметров предложенной системы накачки ЛПМ с отпаянным саморазогревным активным элементом Kulon LT-10Cu. Достигнуты следующие параметры лазерной системы: средняя мощность -12 Вт, длительность импульса - 17н-20 не, частота повторения 15 кГц, коэффициент полезного действия лазера 0,7 %.
Впервые разработана и создана твердотельная система накачки эксимерпого ArF лазера с высоковольтным твердотельным коммутатором, состоящим из последовательно-параллельно соединенных БТИЗ.
Экспериментально исследована предложенная система накачки газоразрядной камеры эксимерпого ArF лазера модели CL5000. Результаты экспериментов показали надежную работу системы накачки лазера, при этом были достигнуты следующие выходные параметры лазера: энергия излучения в импульсе - 15 мДж, частота повторения импульсов - 2 кГц.
7 Практическая значимость
Разработанная и созданная автором работы полностью твердотельная система накачки лазера на парах меди позволила создать лазерные системы не только не уступающие по основным параметрам лазерным системам на основе традиционных схем накачки, но и по целому ряду эксплуатационных параметров их превосходящие.
Основными преимуществами предложенной системы накачки ЛПМ по сравнению с традиционными схемами, построенными на базе тиратрона и модуляторной лампы, являются: высокая надежность и долговечность, стабильность характеристик, низкие потери и сравнительно малые габариты и вес. Применение предложенной системы накачки ЛПМ совместно с отпаянными саморазогревными активными лазерными элементами ФГУП «Исток» создает реальную возможность выпуска конкурентоспособных ЛПМ для лазерного рынка.
Твердотельная система накачки эксимерного ArF лазера на основе
высоковольтного твердотельного коммутатора, также состоящего из
последовательно-параллельно соединенных БТИЗ, позволяет
изготавливать долговечные, надежные и компактные лазерные системы ультрафиолетового диапазона. Способность предложенной системы накачки работать с достаточно высокой частотой повторения открывает возможность ее применения в технологических эксимерных лазерах, работающих в импульсно-периодическом режиме.
Разработанные в настоящей работе генераторы импульсов для накачки лазеров по своим характеристикам имеют перспективы применения в ряде других областей науки и техники.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы и опытные образцы разработанных твердотельных коммутаторов и систем накачки лазеров на их основе использованы в Учреждениях Российской академии наук Институте электрофизики и электроэнергетики, Центре физического
8 приборостроения Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, Объединенном институте высоких температур Российской академии наук, Физическом институте имени П.Н.Лебедева Российской академии наук, Институте общей физики Российской академии наук, Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, а также РНЦ «Курчатовский институт», Научно-производственных объединениях «Астрофизика» и «Полюс», ООО «Алекс Лаб».
Защищаемые положения;
Генератор импульсов на основе высоковольтного твердотельного коммутатора, состоящего из последовательно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором, может эффективно использоваться для создания систем накачки лазеров на парах меди и представляет собой реальную альтернативу существующим системам, а по ряду параметров их превосходит;
Оптимальные значения параметров режимов работы и величин элементов схемы генератора для предложенной полностью твердотельной системы накачки лазера на парах меди;
Генератор высоковольтных наносекундных импульсов на основе высоковольтного твердотельного коммутатора состоящего из последовательно-параллельно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором может эффективно использоваться для накачки эксимерного ArF лазера;
Высоковольтный твердотельный коммутатор на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором обладает свойством масштабируемости характеристик методом их паралелльно-последовательного соединения.
Вклад автора
При непосредственном участии автора работы были разработаны, созданы и исследованы полностью твердотельные системы накачки лазера
на парах меди и эксимерного ArF лазера на основе высоковольтного составного транзисторного коммутатора, состоящего из последовательно-параллельно соединенных БТИЗ.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в оптимизации параметров - предложенной полностью твердотельной системы накачки лазера на парах меди с отпаянным саморазогревным активным элементом Kulon LT-lOCu.
При личном участии автора была экспериментально исследована предложенная система накачки газоразрядной камеры эксимерного ArF лазера модели CL5000.
Апробация работы и научные публикации
По теме диссертации автором опубликовано 10 научных работ.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах ИЭЭ РАН, а также докладывались на следующих международных конференциях: «Лазерные технологии XXI века» (ноябрь 2007, Москва, РФ), на симпозиумах "Лазеры на парах металлов" (сентябрь 2008 и сентябрь 2010, Лоо, РФ), на 17-й международной конференции по лазерным технологиям Advanced Laser Technologies ALT'09 (август 2009, Анталия, Турция).
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 43 рисунка по тексту и список литературы, который состоит из 145 источников отечественных и зарубежных авторов.
Генерация высоковольтных наносекундных импульсов в системах питания эксимерного лазера
Для тиратрона же характерны ограниченная рабочая скорость нарастания тока и малые предельные частоты повторения импульсов, необходимость использования формирующей линии для получения прямоугольной формы импульса в нагрузке.
Для обоих приборов, приведенных выше, имеет место деградация параметров в течение срока службы и необходимость частого обслуживания или замены. Лампы и тиратроны требуют достаточно мощных и дорогих систем управления и вспомогательных источников питания.
Одно из ограничений, связанных с использованием ламп и тиратронов, состоит в том, что обычно в модуляторе используется один коммутирующий прибор, максимальное коммутируемое напряжение и ток которого определяют. таковые параметры модулятора в целом. Это сужает область применения подобных модуляторов. При разработке новых систем импульсного питания с более высокими требованиями к напряжению и мощности коммутирующего элемента применение ламп и тиратронов становится все более проблематичным. Тем не менее, данные типы высоковольтных ключей до настоящего времени остаются почти безальтернативными решениями проблемы коммутации высоких напряжений и мощностей. В настоящее время наблюдается быстрый прогресс в области создания новых типов полупроводниковых коммутирующих элементов, таких как мощные МОП - транзисторы (металл-окисел-полупроводник) и биполярные транзисторы с изолированным затвором [61], тиристоры, SOS-диоды [45], реверсивно включаемые динисторы [37]. Генераторы высоковольтных импульсов на основе тиристоров- содержат большое число звеньев,магнитного сжатия, что связано с относительно низким быстродействием данного ключа. Недостатком применения тиристоров также можно считать существенный разброс времени включения варьирующийся от прибора к прибору, что приводит к необходимости применения более сложной схемотехники управления либо использованию в схеме генератора импульсного повышающего трансформатора. Как следствие такие системы имеют относительно невысокий КПД. Эффект на котором основана работа SOS-диодов (SOS-эффект), представляет собой обрыв сверхплотных токов в полупроводниках за наносекундные промежутки времени. Наблюдается в кремниевых р+-р-п-п+-структурах при временах накачки порядка сотен наносекунд и плотностях тока в единицы и десятки кА/см . Время обрыва тока при таких условиях лежит в диапазоне 1-10 не [45,62,63,64]. Полупроводниковые прерыватели тока, разработанные на основе этого эффекта, — SOS-диоды — способны переключать импульсную мощность» гигаваттного уровня и работать при напряжениях до 1MB [37]. Другой тип полупроводниковых прерывателей тока — реверсивно включаемый динистор — широко используется при плотности отключаемого тока в сотни ампер и напряжении в десятки киловольт [65-70]. Принцип работы обоих типов прерывателей основан на предварительном пропускании через прибор короткого импульса прямого тока, длительностью не более 200-400 не. В литературе этот процесс называют накачкой [34-45]. Процесс накачки необходим для создания резко неоднородного профиля концентрации избыточной плазмы, когда основная доля накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях полупроводниковой структуры. Такое распределение плазмы позволяет вывести из структуры практически весь накопленный заряд на стадии обратной накачки в фазе высокой обратной проводимости до начала образования областей сильного поля. Кроме этого, короткий импульс прямой накачки также способствует снижению рекомбинационных потерь накопленного заряда. В техническом плане необходимость в коротком импульсе тока прямой накачки приводит к усложнению генератора с прерывателем тока, поскольку требуется использовать мощные схемы накачки. В генераторах на дрейфовых диодах с резким восстановлением (ДДРВ) используются схемы накачки с использованием быстродействующих транзисторных переключателей, имеющих ограниченные возможности по импульсному току и мощности. В генераторах на SOS-диодах с запасаемой энергией в десятки джоулей используется дополнительный магнитный компрессор для предвари тельного сжатия энергии импульса во времени до требуемого значения около 300-400 не. Выходная мощность компрессора достигает сотен МВт, а потери энергии в нем не позволяют получить кпд генератора в целом более 40-50% [71,72,73].
Генератор наносекундных импульсов на основе высоковольтного транзисторного коммутатора и магнитного компрессора
Для тиратрона же характерны ограниченная рабочая скорость нарастания тока и малые предельные частоты повторения импульсов, необходимость использования формирующей линии для получения прямоугольной формы импульса в нагрузке.
Для обоих приборов, приведенных выше, имеет место деградация параметров в течение срока службы и необходимость частого обслуживания или замены. Лампы и тиратроны требуют достаточно мощных и дорогих систем управления и вспомогательных источников питания.
Одно из ограничений, связанных с использованием ламп и тиратронов, состоит в том, что обычно в модуляторе используется один коммутирующий прибор, максимальное коммутируемое напряжение и ток которого определяют. таковые параметры модулятора в целом. Это сужает область применения подобных модуляторов.
При разработке новых систем импульсного питания с более высокими требованиями к напряжению и мощности коммутирующего элемента применение ламп и тиратронов становится все более проблематичным. Тем не менее, данные типы высоковольтных ключей до настоящего времени остаются почти безальтернативными решениями проблемы коммутации высоких напряжений и мощностей.
В настоящее время наблюдается быстрый прогресс в области создания новых типов полупроводниковых коммутирующих элементов, таких как мощные МОП - транзисторы (металл-окисел-полупроводник) и биполярные транзисторы с изолированным затвором [61], тиристоры, SOS-диоды [45], реверсивно включаемые динисторы [37].
Генераторы высоковольтных импульсов на основе тиристоров- содержат большое число звеньев,магнитного сжатия, что связано с относительно низким быстродействием данного ключа. Недостатком применения тиристоров также можно считать существенный разброс времени включения варьирующийся от прибора к прибору, что приводит к необходимости применения более сложной схемотехники управления либо использованию в схеме генератора импульсного повышающего трансформатора. Как следствие такие системы имеют относительно невысокий КПД.
Эффект на котором основана работа SOS-диодов (SOS-эффект), представляет собой обрыв сверхплотных токов в полупроводниках за наносекундные промежутки времени. Наблюдается в кремниевых р+-р-п-п+-структурах при временах накачки порядка сотен наносекунд и плотностях тока в единицы и десятки кА/см . Время обрыва тока при таких условиях лежит в диапазоне 1-10 не [45,62,63,64]. Полупроводниковые прерыватели тока, разработанные на основе этого эффекта, — SOS-диоды — способны переключать импульсную мощность» гигаваттного уровня и работать при напряжениях до 1MB [37]. Другой тип полупроводниковых прерывателей тока — реверсивно включаемый динистор — широко используется при плотности отключаемого тока в сотни ампер и напряжении в десятки киловольт [65-70]. Принцип работы обоих типов прерывателей основан на предварительном пропускании через прибор короткого импульса прямого тока, длительностью не более 200-400 не. В литературе этот процесс называют накачкой [34-45]. Процесс накачки необходим для создания резко неоднородного профиля концентрации избыточной плазмы, когда основная доля накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях полупроводниковой структуры. Такое распределение плазмы позволяет вывести из структуры практически весь накопленный заряд на стадии обратной накачки в фазе высокой обратной проводимости до начала образования областей сильного поля. Кроме этого, короткий импульс прямой накачки также способствует снижению рекомбинационных потерь накопленного заряда. В техническом плане необходимость в коротком импульсе тока прямой накачки приводит к усложнению генератора с прерывателем тока, поскольку требуется использовать мощные схемы накачки. В генераторах на дрейфовых диодах с резким восстановлением (ДДРВ) используются схемы накачки с использованием быстродействующих транзисторных переключателей, имеющих ограниченные возможности по импульсному току и мощности. В генераторах на SOS-диодах с запасаемой энергией в десятки джоулей используется дополнительный магнитный компрессор для предвари тельного сжатия энергии импульса во времени до требуемого значения около 300-400 не. Выходная мощность компрессора достигает сотен МВт, а потери энергии в нем не позволяют получить кпд генератора в целом более 40-50% [71,72,73].
Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки
Описанный в 2.1. составной твердотельный коммутатор не может быть применен для непосредственной генерации высоковольтных наносекундных импульсов методом коммутации постоянного высокого напряжения на нагрузку. Данное ограничение связано с величиной скорости нарастания тока через отдельный БТИЗ коммутатора, которая составляет около 2 А/нс. Повышение скорости нарастания тока может быть достигнуто несколькими различными способами: применением другой модели БТИЗ имеющей более высокие коммутационные параметры. соединением в параллель транзисторов составляющих высоковольтный твердотельный коммутатор. применением Bs схеме генератора специальных схемотехнических решений позволяющих сократить времена нарастания и длительность импульса, полученного на выходе коммутатора. Способ повышения скорости нарастания тока, предлагающий применение другой модели БТИЗ с более высокими коммутационными параметрами, связан с общим прогрессом в области технологий построения биполярных транзисторов с изолированным затвором. Данный способ может быть легко применен разработчиком исходя из анализа характеристик той или иной модели БТИЗ предлагаемой производителями на момент проектирования составного коммутатора.
Параллельно-последовательное соединение БТИЗ, составляющих высоковольтный твердотельный коммутатор позволяет распределить коммутируемый ток между транзисторами, что приводит к повышению предельно допустимого рабочего тока всего составного коммутатора в целом. Как следствие деления тока между параллельно соединенными БТИЗ коммутатора, одно и то же значение тока будет коммутировано за меньший промежуток времени, нежели в коммутаторе без параллельного соединения БТИЗ. Большинство моделей БТИЗ, представленных в широкой продаже имеют отрицательный температурный коэффициент, что позволяет легко реализовать описанный выше подход.
Для уменьшения времен нарастания и длительности импульса, полученного на выходе коммутатора, помимо изменения рабочих характеристик самого коммутатора непосредственно, представляется возможным использовать в схеме генерации высоковольтных наносекундных импульсов различных схемотехнических-решений. Применение такого подхода позволяет понизить требования к скорости нарастания тока через коммутирующий элемент. К недостаткам такого метода можно отнести увеличение" численности составных элементов генератора, необходимость-обеспечения их согласованной работы и некоторое снижение КПД схемы в общем, за счет тепловых потерь в дополнительных элементах. С учетом особенностей высоковольтного твердотельного коммутатора, была предложена схема генератора высоковольтных наносекундных импульсов (рисунок 14) [112,113]. Возможность управляемого выключения нового ключа и гальваническая развязка, цепей управления позволяет реализовать простейшую схему модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора, характерную для модуляторов на электронных лампах, где ключ включен непосредственно между нагрузкой и источником постоянного напряжения. В отличие от модуляторов на основе электронной лампы оба электрода твердотельного ключа могут быть под потенциалом, аютрицательный электрод накопительного конденсатора- заземлен, что исключает ряд громоздких и потребляющих мощность элементов цепей заряда накопительного конденсатора. Как видно из рисунка, генератор состоит из высоковольтной накопительной емкости С1, составного твердотельного коммутатора, зарядной индуктивности L1 и N-ro количества последовательно соединенных звеньев магнитной компрессии импульсов. Накопительная емкость С1 служит для первичного запасания энергии и демпфирования провалов напряжения возникающих при передаче энергии в схему магнитной копрессии в процессе работы генератора. На ней поддерживается постоянное высокое напряжение. Ее величина завсисит от необходимого уровня средней мощности генератора и требований к стабильности параметров выходного сигнала. Зарядная индутивность L1 обеспечивает формирование импульса в процессе заряда емкости С2 первого звена системы магнитной компресии импульсов. Величина индуктивности зарядного дросселя определяется исходя из величины энергии, передаваемой в систему магнитной компресии и оптимальной длительности импульса тока через коммутатор. Импульс напряжения, полученный таким образом на емкости С2 затем проходит через последовательно соединенные звенья магнитной компрессии импульсов, принцип действия которых основан на нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов. В результате длительность фронта имульса напряжения на нагрузке получается в К раз меньше, чем длительность фронта импульса через составной коммутатор. Где К -полный коэффициент сжатия системы магнитной компрессии (2.2.1).
Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера
Для получения импульсов накачки требуемой длительности (50-70 не) быстродействия разработанного коммутатора было недостаточно, поэтому в схеме высоковольтного генератора были применены два звена магнитной компрессии [129,130]. Для оптимизации параметров импульса накачки и повышения полного КПД системы возбуждения ЛПМ были проведены исследования схем генерирования импульсов наносекундной длительности с . -использованием коммутатора совместно с системой магнитного сжатия.
Настоящая глава диссертационной работы посвящена разработке, созданию и исследованию лазера на парах меди с высоконадежной, полностью твердотельной системой накачки на основе высоковольтного полупроводникового ключа и активного саморазогревного лазерного элемента серии Kulon.
Система накачки ЛПМ. состоит из блока питания, составного высоковольтного коммутатора с блоком управления, магнитного компрессора, системы управления и контроля, активного элемента Kulon LT-10Cu и оптического резонатора. Блок питания представляет собой источник с регулируемым и стабилизированным напряжением [131]. В данной работе, блок питания выполнен как импульсный преобразователь мощностью 2 кВт при максимальном напряжении на выходе - 12 кВ; работающийна частоте 100 кГц. Выходное напряжение регулируется в диапазоне от 0 - 12 кВ; максимальный средний ток ограничен значением 170 мА. Блок осуществляет заряд накопительного конденсатора до установленного напряжения и поддерживает его в течении работы. В состав преобразователя входит: фильтр электромагнитных помех корректор коэффициента мощности, построенный по принципу, разработанному фирмой IRF [132-144] высоковольтный трансформатор с выпрямителем напряжения инвертер с устройством управления (УУ) осуществляющим широтно -импульсную модуляцию (ШИМ) Установка выходного напряжения осуществляется многооборотным резистором или с внешнего цифрового устройства. Также устройство управления реализует функции защиты, отключая преобразователь по аварийному сигналу с внешнего датчика (превышение температуры, короткое замыкание в нагрузке и т.п.). Трансформатор выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике. Особенности конструкции и схемы включения вторичных обмоток трансформатора позволили избежать его погружения в масло для повышения электрической прочности. Высокая рабочая частота инвертора позволила значительно снизить вес и габариты преобразователя, улучшить стабильность выходных параметров, а использование современной элементной базы - повысить КПД. Эти достоинства в итоге позволили поместить систему высоковольтного питания в одном блоке со всеми элементами системы. Магнитный компрессор импульсов состоит из двух звеньев. Материал насыщающихся дросселей - феррит. Для снятия требований к высоковольтной изоляции провода обмоток дросселей и повышения эффективности теплоотвода каждый дроссель разбивается на четыре звена. Все звенья соединяются последовательно между собой. Гальваническая развязка цепей управления ключом от электродов позволила реализовать схему с удвоением напряжения за счет неполного разряда накопительного конденсатора.
Генератор содержит высоковольтный источник заряда накопительного конденсатора СО; высоковольтный твердотельный коммутатор; блок управления и контроля; зарядный дроссель Ьз; два звена магнитного сжатия импульсов CI, LI, С2, L2. Активный элемент - Kulon LT-10Cu. Обостряющий конденсатор расположен в непосредственной близости от электродов активного элемента, в совокупности с обратным токопроводом это снижает паразитную индуктивность разрядного контура.
При открывании ключа происходит резонансный заряд конденсатора С1 первого звена сжатия через дроссель L0 за время равное 250 не. Поскольку емкость накопительного конденсатора С0»С1 (СО - 100 нФ, С1 - 0.5 нФ), напряжение в конце заряда достигает почти удвоенного напряжения на входе ключа. После прохождения импульса через две ступени магнитной компрессии его длительность сокращаетеяв пять раз. 3.2. Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки.
Низковольтные схемы системы накачки расположены около заземленного электрода активного элемента, на заземленной пластине. Здесь же располагается устройство управления твердотельным ключем. Разводка электрических плат выполненна с учетом их помехозащищенности, что особенно важно для надежной работы в условиях генерации сильных внешних электромагнитных полей, источниками которых являются элементы силовой части системы накачки.
Высоковольтный твердотельный ключ, состоящий из шести последовательно соединенных модулей закреплен на электроизолирующей подложке, обеспечивающую необходимую электрическую прочность конструкции как по объему, так и по поверхности.
Конструкция двухступенчатой системы магнитного сжатия импульсов представлена на рисунке 19. Каждая из нелинейных индуктивностей магнитного компрессора выполненна на основе четырех ферритовых сердечников тороидальной формы с внешним диаметром 40 мм и площадью поперечного сечения 92 мм2. Материал сердечников - НМ2000. Обмотка каждого ферритового кольц состоит из двух параллельных полуобмоток. Обмотки всех колец нелинейной индуктивности соединены последовательно.
