Устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере

 

Использование: в квантовой электронике, в электроразрядных лазерах ТЕ-типа. Сущность изобретения: устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере содержит импульсно заряжаемый первый конденсатор и параллельно подсоединенные к нему через магнитный ключ h генераторов импульсного напряжения, каждый из которых содержит первый LC -инвертор, выполненный в виде двух последовательно соединенных конденсаторов, к крайним выводам которых подсоединена первая катушка индуктивности и к одному из конденсаторов подсоединен тиратрон. С целью повышения амплитуды импульсного напряжения и осуществления возможности увеличения апертуры лазера, его энергия генерации и средней мощности излучения в каждый генератор импульсных напряжения введены второй-k-й последовательно соединенные LC -инверторы, причем общие выводы конденсаторов каждого LC -инвертора соединены между собой дополнительными второй-k-й катушками индуктивности и каждый тиратрон подсоединен к соответствующему конденсатору через насыщаемый дроссель. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для систем накачки преимущественно в широкоапертурных импульсно-периодических эксимерных лазерах.

Известно устройство для возбуждения импульсного объемного разряда с тиратроном в качестве коммутатора, в котором производится перезарядка одной емкости на другую, малоиндуктивно подсоединенную к электродам лазера [1]. Устройство отличается простотой, высоким ресурсом работы при большой частоте следования импульсов.

Ограничением устройства является малая величина разрядного напряжения, не позволяющая увеличить апертуру лазера и его энергию генерации.

Указанного недостатка лишено устройство для возбуждения объемного разряда, содержащее каскадный генератор Маркса с разрядниками в качестве коммутаторов, импульсно заряжаемую симметричную линию Блюмляйна с водяной изоляцией, подсоединенную через разрядник к электродам лазера [2]. При использовании в эксимерном лазере устройство позволяет получать энергию генерации на два порядка большую, чем в предыдущем аналоге.

Однако устройство имеет большие массу и габариты и не может быть использовано для работы в частотном режиме.

Прототипом изобретения является устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере, содержащее первый конденсатор и подсоединенные к нему через магнитный ключ первый - n-й генераторы импульсного напряжения (ГИН), подключенные между собой параллельно, причем каждый из ГИН содержит первый LC-инвертор, выполненный в виде двух последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов, к крайним выводам которых подключена первая катушка индуктивности, а крайний вывод второго конденсатора через тиратрон связан с выводом источника напряжения [3]. При использовании в эксимерном электро- разрядном лазере прототип позволяет получать высокую среднюю мощность лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме и обладает большим ресурсом работы. Указанное устройство позволяет примерно вдвое повысить разрядное напряжение по сравнению с первым аналогом.

Однако в прототипе затруднено дальнейшее увеличение напряжения и соответственно апертуры объемного разряда, энергии генерации и средней мощности излучения лазера из-за ограниченного диапазона напряжения до U_т≈30 кВ, при которых осуществляется устойчивая работа тиратронов в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим при использовании устройства в эксимерном лазере его энергия генерации примерно на порядок ниже, чем в предыдущем аналоге.

Задача изобретения - повышение амплитуды импульсного напряжения и осуществление возможности увеличения апертуры лазера, его энергии генерации и средней мощности излучения.

Задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащим первый конденсатор и подсоединенные к нему через магнитный ключ первый n-й ГИН, подключенные между собой параллельно, причем каждый из ГИН содержит первый LС-инвертор, выполненный в виде двух последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов, к крайним выводам которых подключена первая катушка индуктивности, а крайний вывод второго конденсатора через тиратрон связан с выводом источника напряжения. Отличие устройства заключается в том, что в каждый ГИН введены второй-К-й последовательно соединенные LC-инверторы, вторая-К-я катушки индуктивности и первый-К-й насыщаемые дроссели, причем общие выводы второго и третьего конденсаторов первого- К-го LC-инверторов соединены между собой соответственно через вторые-К-е катушки индуктивности, при этом упомянутые общие выводы подключены к соответствующему тиратрону через первый-К-й насыщаемые дроссели также соответственно.

Выполнение устройства в указанном виде позволяет, используя стандартные высокоресурсные частотные коммутаторы, в несколько раз увеличить амплитуду напряжений, возбуждающих объемный разряд в импульсном лазере. Это дает возможность увеличить апертуру лазера и существенно, примерно в К² раз, увеличить его энергию генерации, где К - количество LC-инверторов, соединенных последовательно в каждом ГИН. При этом подсоединение каждого тиратрона к соответствующему второму конденсатору через насыщаемый дроссель снижает потери при коммутации, что позволяет минимизировать количество тиратронов и соответственно число ГИН.

На чертеже схематично изображено устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере.

Устройство содержит n ГИН 1, в состав каждого из которых входит К последовательно соединенных LC-инверторов 2. На чертеже изображен случай двух, n = 2, параллельно соединенных ГИН, в состав каждого из которых входит по два, К = 2, последовательно соединенных LC-инвертора. К крайним выводам последовательно соединенных второго 3 и третьего 4 конденсаторов каждого LC-инвертора 2 подключена первая катушка 5 индуктивности. Общие выводы второго 3 и третьего 4 конденсаторов, последовательно соединенных первого-К-го LC-инверторов 2 в каждом ГИН соединены между собой вторыми-К-ми катушками 6 индуктивности. К второму конденсатору 3 каждого первого-К-го LC-инвертора подсоединен тиратрон 7 через насыщаемый дроссель 8, причем в каждом ГИН тиратрон первого LC-инвертора подключен к выводу источника напряжения U_о. Параллельно соединенные между собой ГИН 1 через магнитный ключ 9 подсоединены к первому конденсатору 10, который подключен к катоду 11 и аноду 12 лазера.

Устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере работает следующим образом.

Содержащиеся в ГИН 1, каждый из которых состоит из К последовательно соединенных LC-инверторов 2, вторые 3 и третьи 4 конденсаторы заряжаются до начального напряжения U_о (источник напряжения не показан). За исключением вторых конденсаторов 3 первых LC-инверторов, конденсаторы 3, 4 заряжаются через катушки 5, 6 индуктивности. Осуществляется запуск тиратронов 7. Насыщаемые дроссели 8 задерживают на небольшое время, ≈100 нс, начало резкого нарастания тока через тиратроны 7 во время их замыкания, что снижает в них стартовые потери. После насыщения дросселей 8 за время τ₁=π , где L₁ - индуктивность контура, включающего тиратрон 7, второй конденсатор 3 и дроссель 8; С - величина емкости второго конденсатора 3, происходит инвертирование напряжения на вторых конденсаторах 3. При равенстве емкостей конденсаторов 3, 4 на каждом LC-инверторе 2 разность потенциалов на последовательно соединенных конденсаторах 3, 4 достигает величины -2U_о. На выходе каждого ГИН 1, состоящего из К последовательно соединенных LC-инверторов 2, напряжение достигает величины -2KU_о. Происходит срабатывание магнитного ключа 9, представляющего собой малоиндуктивный одновитковый дроссель с замкнутым сердечником, насыщение которого происходит за время ≈10 нс. Осуществляется импульсная зарядка первого конденсатора 10, малоиндуктивно подсоединенного к катоду 11 и аноду 12. В процессе импульсной зарядки происходит перекачка энергии из n параллельно соединенных между собой ГИН 1 в первый конденсатор 10 за время τ₂. Для эффективной передачи энергии параметры устройства выбираются такими, что >>τ₁ и τ₂ (τ₁/5), где L₂ - величина индуктивностей катушек 5, 6. Во время импульсной зарядки первого конденсатора 10 происходит нарастание напряжения между катодом 11 и анодом 12. Одновременно производится предыонизация разрядного объема между электродами 11, 12 устройством, не показанным на чертеже. Когда напряжение между катодом и анодом достигает значения пробивного напряжения U_пр, происходит основной объемный разряд между ними, что позволяет получить генерацию. Через время ≅0,1 мс, необходимое для восстановления электрической прочности тиратронов, цикл работы устройства повторяется. Во время импульсного срабатывания часть тиратронов ГИН 1 оказывается под высоким напряжением. В связи с этим устройства, обеспечивающие работу тиратронов во втором-К-м LC-инверторах: накальные трансформаторы, импульсные трансформаторы блоков запуска и др. снабжены обмотками с высоковольтной изоляцией.

При работе устройства диапазон зарядных напряжений U_о ограничен максимально допустимым значением напряжения U_т, при котором осуществляется устойчивая высокоресурсная работа тиратронов в импульсно-периодическом режиме: U_o ≅ U_т . (1) Для осуществления пробоя и зажигания однородного объемного разряда в лазере амплитуда напряжения 2KU_о на выходе ГИН должна быть выше напряжения U_пр, при которых происходит пробой между электродами лазера: 2KU_o>U (2) Из выражений (1), (2) следует условие для величины К - количества последовательно соединенных LC-инверторов в каждом ГИН: K>0,5U_пр/U (3) Для упрощения устройства количество К последовательно соединенных LC-инверторов выбирается минимальным, удовлетворяющим условию (3): K=0,5U_пр/U+I
(4)
При работе устройства за каждый импульс через каждый тиратрон протекает заряд Q_о, величина которого определяется необходимой для накачки лазера суммарной энергией Е_о, запасаемой в n ГИН, количеством тиратронов, равным nK, и величиной зарядного напряжения:
Q_o = 2E_o/nKU_о . (5)
Для высокоресурсной работы тиратронов величина Q_о не должна быть выше некоторого номинального значения заряда Q_т, определяемого паспортными данными тиратрона:
Q_o ≅ Q_т. (6)
С учетом выражений (1), (5), (6) условие для величины
n ≥ 2E_o/(KU_тQ_т) . (7)
Для упрощения устройства количество n параллельно соединенных ГИН выбирается минимальным, удовлетворяющим условию (7):
n = [2E_o/(KU_тQ_т)] при {2E_o/(KU_тQ_т)} ≈0 или
n = [2E_o/(KU_тQ_т)] + I при {2E_o/(KU_тQт_} > 0. (8)
Введение в цепь коммутации тиратронов насыщаемых дросселей 8 снижает потери в тиратронах, что позволяет использовать для выбора величины n первое равенство выражения (8), минимизируя количество параллельно соединенных ГИН.

Использование предложенного устройства для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере обеспечивает по сравнению с прототипом увеличение апертуры объемного разряда, повышение энергии генерации и средней мощности излучения лазера.

В настоящее время предложенное устройство в соответствии с чертежом при К= =2, n = 2 испытано для возбуждения XeCl-лазера с апертурой 9х6 см². Суммарная емкость двух ГИН "в ударе" составляла 100 нФ. При частоте следования импульсов 70 Гц и зарядом напряжения 30,5 кВ получена энергия генерации 12 Дж, максимальная в настоящее время для электроразрядных импульсно-периодических эксимерных лазеров.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРЕ содержащее первый конденсатор и подсоединенные к нему через магнитный ключ n генераторов импульсного напряжения, подключенных между собой параллельно, причем каждый из генераторов содержит первый LC-инвентор, выполненный в виде последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов, к крайним выводам которых подключены соответственно первый и второй выводы первой катушки индуктивности, а крайний вывод второго конденсатора через тиратрон связан с выводом источника напряжения, отличающееся тем, что в каждый генератор импульсных напряжений введены второй - K-й последовательно соединенные LC-инверторы, вторая - K-я катушки индуктивности и первый - K-й дроссели, причем общие выводы второго и третьего конденсаторов инверторов соединены между собой соответственно через вторые - K-е катушки индуктивности, при этом общие выводы подключены к соответствующему тиратрону через указанные дроссели соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1