устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере

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.

Описание изобретения к патенту

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_т30 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 ₁= , 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 ₂. Для эффективной передачи энергии параметры устройства выбираются такими, что >>₁ и ₂ (₁/5), 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.