Основные схемы возбуждения ЭЭЛ

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. 5а), схема с перезарядкой емкостей (рис.5б) и генератор Маркса(рис. 5в). Рис.5. Типичные схемы возбуждения газовых лазеров с самостоятельным разрядом: а) схема Блюмляйна; б) схема с перезарядкой емкости; в)генератор Маркса. Недостатком схемы Блюмляйна является трудность согласования импедансов нагрузки и контура возбуждения. Но зато существуеттеоретическая 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. 5б) 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. Рис. 6. Схема возбуждения лазера типа ЭЛИ Рис.7. Сопротивление R и напряжение U на нагрузке – модельные кривые. 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. 6) 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. 7), 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 U₀. 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: 3.6 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/С_1. 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<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 10-20 наносекундами. 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 С₁Уменьшение 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+L₀)С₁, 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 собственнойиндуктивности разряда, приводящей к неустойчивости и его контрагированию.Рассмотренные выше процессы объясняют падение энергии генерации ХеСl- лазера сростом величины обострительной емкости до ~30 нФ. Максимальная энергиягенерации достигается при минимальных С₀ и L₁. При С₀>15 нФ колебательный энерговклад отражается на импульсах генерации.При С₀>30 нФ изменяется режим возбуждения разряда. Мощностьэнерговклада в течение первого импульса разрядного тока значительно возрастает.Этот рост обусловлен разрядом обострительной емкости, в которую, за времязадержки разряда в межэлектродном промежутке, переходит значительная доляэнергии, запасенной в С₁. Генерация или срывается после первогоимпульса тока разряда или на втором импульсе возбуждения интенсивность еезначительно ниже. Таким образом, рост энергии генерации с увеличением С₀ при L₁=23 и 33 нГн происходит благодаря росту мощности энерговклада втечение первого импульса тока разряда. Отсутствие роста энергии генерации сувеличением С₀ при L₁=11нГн можно объяснить следующимобразом. При L₁=11 нГн время зарядки С₀ от С₁ сравнимо с временем разряда С₀ на межэлектродный промежуток. Послепробоя межэлектродного промежутка при напряжении на С₀, близком кмаксимальному, С_о разряжается как на него, так и обратно на С₁. Этот процесс приводит к уменьшению энерговклада во время первого импульсаразрядного тока и отсутствию роста энергии генерации. При С₁=300 и225 нФ выходная энергия при одной и той же величине обострительной емкости всеже 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 приL₁=11 нГн вследствие уменьшения энерговклада от С₁ иобратной переразрядки на нее С₀.Исследовалась также зависимость работы лазера от величины зарядного напряженияпри L₁=11 нГн, С₁=300 нФ и С₀=3,6 нФ, 25 нФ,37 нФ, 70 нФ, без С₀. Во всех случаях наблюдается рост энергиигенерации ХеС1-лазера с возрастанием U₀. Причем максимальная энергиягенерации – 1,7 Дж достигается при минимальном значении обострительной емкостиС₀=3,6 нФ. Без обострительной ёмкости эффективность генерациизначительно меньше.Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что уменьшениеобострительной емкости С₀ до значений (0,01-0,02) С₁, приодновременном уменьшении индуктивности L₁ в цепи зарядки С₀ от С₁ до минимально возможной величины, позволяет сформировать длявозбуждения активной среды лазера сдвоенный импульс: короткий высоковольтный(~2U₀) для формирования разряда и длинный (~U₀) дляэнерговклада в него, получать с применением емкостной предыонизации однородныйобъемный разряд длительностью ~200 нс и увеличить энергию генерации лазера в1,5-2 раза.Анализ публикаций последнего времени показывает, что полученные результатыимеют практическую реализацию в мощных электроразрядных эксимерных лазерах,где энергия генерации ≥10 Дж и КПД ~ 4% достигается при возбуждениилазера сдвоенным разрядом.