ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам с управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов, в фотохимии и в световых технологиях обработки материалов.
Для решения указанных задач требуются излучатели с высокой яркостью и большой площадью свечения, способные формировать световые импульсы с заданной сложной временной формой в широком диапазоне длительностей, включая и импульсы малой длительности в несколько десятков миллисекунд с достаточно крутыми фронтами.
Наиболее перспективными плазменными источниками светового излучения, удовлетворяющими требованиям решаемой задачи, являются источники на основе сильноточного стабилизированного стенками прибора или магнитным полем дугового разряда. Формирование такого разряда может осуществляться, например, в достаточно длинных по сравнению с диаметром колбы газоразрядных лампах, когда границы разряда жестко заданы внутренними стенками колбы. В открытой атмосфере формирование дугового разряда может осуществляться, например, в лотках, роль одной отсутствующей стенки в которых выполняет прижимающее плазму ко дну лотка магнитное поле, - магнитоприжатый дуговой разряд. Параллельное включение нескольких ламп, располагаемых в одной плоскости, может использоваться для увеличения излучающей поверхности лампового излучателя.
Известен плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК Н05Н 1/50, приор. 20.10.2008], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с синхронизатором, а выход - через разделительный диод со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, выход которого соединен с корпусом, и узел инициирования газового разряда, выход которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, а управляющий вход - с выходом синхронизатора.
Такое устройство с управляемым источником питания, например тиристорным выпрямителем, позволяет получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем, большой излучающей поверхностью и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела. Однако такой плазменный источник светового излучения недостаточно надежен в начальной стадии формирования разряда.
Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №149862, МПК Н05Н 1/50, приор. 30.09.2014], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с синхронизатором, а выход через управляемый ключ и разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, объединенным с выходом узла инициирования газового разряда, анод разделительного диода соединен с корпусом через конденсатор, второй выход блока управления соединен с первым входом схемы сравнения, выход которой соединен со вторым входом блока управления, а второй вход - с выходом датчика выходного сигнала, например, датчика тока, причем выход синхронизатора соединен с управляющим электродом управляемого ключа непосредственно, а с управляющим входом узла инициирования газового разряда через блок задержки, величина временной задержки которого определена условием, зависящим от параметров плазменного источника светового излучения.
Такой плазменный источник светового излучения обладает повышенной надежностью в начальной стадии формирования дугового разряда за счет оптимизации момента времени инициирования дугового разряда относительно начала переходного процесса включения тиристорного источника питания. Реализация такого источника позволяет надежно получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем и большой излучающей поверхностью. Однако при таком решении плазменного источника светового излучения не удается формировать относительно короткие импульсы, например, с фронтами менее 20 мс. При его реализации, за счет фильтрующих свойств конденсатора, пульсации на форме светового импульса удается несколько понизить. Но увеличение емкости конденсатора для снижения уровня пульсаций дополнительно увеличивает и без того достаточно длинные фронты генерируемых световых импульсов.
Нами предложен мощный и надежный плазменный источник светового излучения, способный работать как в квазинепрерывном режиме, так и в режиме формирования относительно коротких импульсов со сложной временной формой и с крутыми фронтами, обеспечивающий стабильность формирования заданных временных форм при высокой интенсивности светового излучения в течение всего времени жизни узлов формирования стабилизированного дугового газового разряда.
Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, выход которого через разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного газового разряда и выходом узла инициирования газового разряда, блок управления, вход которого соединен с выходом синхронизатора, и датчик выходного сигнала, новым является то, что в него дополнительно введены выпрямитель, резистор, управляемый ключ и блок согласования, а управляемый источник питания выполнен в виде управляемого преобразователя постоянного напряжения, вход которого через дополнительный резистор, зашунтированный управляемым ключом, соединен с выходом выпрямителя, а управляющий вход с выходом блока управления, управляющий вход управляемого ключа соединен с выходом датчика выходного сигнала через блок согласования, а управляющий вход узла инициирования газового разряда соединен с выходом синхронизатора, причем датчик выходного сигнала выполнен в виде датчика тока.
Если необходимо получить максимальное соответствие временных форм управляющего напряжения преобразователя постоянного напряжения и светового импульса, то управляемый преобразователь постоянного напряжения выполняют с обратной связью по выходному току (см. п. 2 Формулы).
Если необходимо обеспечить надежное переключение управляемого ключа, то блок согласования выполняют в виде порогового элемента (см. п. 3 Формулы).
Если необходимо получить минимальные выбросы напряжения на входе преобразователя постоянного напряжения, то пороговый элемент блока согласования выполняют с уровнем срабатывания по току, найденным из условия:
ПОР
ОГР
I≈0,9 I,
ПОР
I - ток срабатывания порогового элемента блока согласования, А;
ОГР
I - ток ограничения управляемого преобразователя постоянного напряжения, А (см. п. 4 Формулы).
На чертеже представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, блок 2 управления, синхронизатор 3, узел 4 формирования стабилизированного дугового газового разряда, узел 5 инициирования газового разряда, разделительный диод 6, датчик 7 выходного сигнала, выпрямитель 8, резистор 9, управляемый ключ 10 и блок 11 согласования.
Устройство работает следующим образом.
Задается временная форма импульса управляющего напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и вводится в память блока 2 управления, но при этом на выходе блока 2 управления, а значит и на управляющем входе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения управляющего напряжения еще нет. Управляемый ключ 10 разомкнут из-за отсутствия выходного сигнала. На выходе выпрямителя 8 присутствует выпрямленное напряжение питающей сети, но на входе преобразователя 1 постоянного напряжения напряжение понижено до безопасного для него уровня из-за наличия резистора 9, который вместе с входным сопротивлением преобразователя 1 постоянного напряжения образует делитель напряжения. Поэтому на выходе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения присутствует напряжение холостого хода, обычно не превышающее нескольких процентов от максимального. Тока на его выходе нет, т.к. газовый разряд в узле 4 формирователя стабилизированного газового разряда пока еще не инициирован и узел 4 формирования стабилизированного газового разряда находится в непроводящем состоянии. Узел 5 инициирования газового разряда приведен в исходное состояние, но на его выходе напряжения нет из-за отсутствия на его управляющем входе запускающего импульса с выхода синхронизатора 3.
Запуск плазменного источника светового излучения осуществляется подачей запускающего импульса с выхода синхронизатора 3 одновременно на вход блока 2 управления и на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда. Блок 2 управления с приходом запускающего импульса начинает вырабатывать с учетом заданных в его памяти временной формы управляющее напряжение и подает его со своего выхода на управляющий вход управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. Тот же импульс синхронизатора 3 одновременно приходит на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда. В узле 5 инициирования газового разряда с приходом запускающего импульса включаются собственные внутренние ключи, и на его выходе появляется импульсное напряжение, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка и инициирования газового разряда в узле 4 формирования стабилизированного дугового газового разряда. Межэлектродный промежуток узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда пробивается импульсным напряжением, приложенным от узла 5 инициирования газового разряда, и в нем инициируется газовый разряд. Диод 6 предотвращает поступление энергии от узла 5 инициирования газового разряда к выходу управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. По узлу 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда начинает протекать электрический ток от узла 5 инициирования газового разряда. Этим током начинается формирование в узле 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда излучающего плазменного слоя. Таким образом, на некоторое время, пока протекает ток от узла 5 инициирования газового разряда, обеспечивается проводимость узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда.
Вследствие возникшей проводимости узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда он теперь готов принимать ток от управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. И поэтому, как только напряжение на разрядном промежутке от узла 5 инициирования газового разряда становится меньше напряжения на выходе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, разделительный диод 6 открывается и ток преобразователя 1 постоянного напряжения начинает протекать по сформировавшейся плазме в межэлектродном промежутке узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда совместно с током узла 5 инициирования газового разряда. Благодаря своим высоким частотным свойствам, обычно десятки килогерц для современного уровня полупроводниковых приборов, управляемый преобразователь 1 постоянного напряжения еще до окончания инициирующего разряда обеспечивает на своем выходе ток, заданный управляющим напряжением. Если величина суммарного тока обоих источников превышает величину тока дугового разряда, соответствующего минимуму его вольт-амперной характеристики, то разряд надежно подхватывает ток управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и далее продолжает стабильно гореть, потребляя в конечном итоге ток только от управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, величина которого определяется заданным управляющим напряжением.
ОГР
Появление и рост тока в узле 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда ведет к увеличению потребления тока управляемым преобразователем 1 постоянного напряжения от выпрямителя 8. Из-за наличия резистора 9 и существования внутреннего сопротивления у выпрямителя 8 и цепей его питания входное напряжение управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения начинает понижаться. С другой стороны, с ростом тока газового разряда увеличивается и падение напряжения на межэлектродном промежутке. Таким образом, с ростом газоразрядного тока входное напряжение управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения понижается, а выходное - повышается. В конечном итоге падение напряжения на управляемом преобразователе 1 постоянного напряжения становится настолько мало, что он теряет управляющую функцию. Т.е. вне зависимости от величины управляющего напряжения дальнейший рост тока в узле 4 формирователя стабилизированного газового разряда становится невозможным. При этом выходной ток ограничивается управляемым преобразователем 1 постоянного напряжения на некотором уровне (I), величина которого зависит от сопротивления нагрузки при протекании по ней такого тока и суммарного сопротивления цепи его питания: внутреннего сопротивления выпрямителя 8 и резистора 9. Ограничение тока газового разряда ведет к ограничению интенсивности генерируемого светового импульса.
В предлагаемом техническом решении устранение режима ограничения интенсивности светового импульса осуществляется включением шунтирующего резистор 9 управляемого ключа 10, напряжением с датчика 7 выходного сигнала через блок 11 согласования. Блок 11 согласования обеспечивает согласование выходного напряжения датчика 7 выходного сигнала с требуемым уровнем сигнала управления управляемым ключом 10.
В начале формирования фронта выходного сигнала напряжение на выходе блока согласования 11 меньше напряжения, необходимого для включения управляемого ключа 10. Когда с ростом интенсивности выходного сигнала напряжение на выходе блока 11 согласования становится выше напряжения, требуемого для включения управляемого ключа 10, управляемый ключ 10 включается и своим малым сопротивлением шунтирует резистор 9. Т.е. верхнее плечо упомянутого выше делителя напряжения становится малым, что ведет к возрастанию напряжения на входе преобразователя 1 постоянного напряжения, отодвигая в область больших токов начало работы управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения в режиме ограничения тока. Такое состояние схемы будет продолжаться до тех пор, пока уровень выходного сигнала не понизится ниже требуемого управляющего напряжения управляемого ключа 10.
В качестве датчика 7 выходного сигнала можно было бы использовать фотодатчик, что было достаточно эффективно в устройстве-прототипе. Однако в рассматриваемом случае фотодатчик не всегда правильно отражает временную форму выходного сигнала. Так, например, при облучении различных образцов мощными световыми импульсами, как правило, в атмосферу выделяются различные дымы, испарения материалов с облучаемой поверхности и т.д., особенно при работе с открытыми разрядами, к которым относится магнитоприжатый дуговой разряд. Поэтому фотодатчики не могут обеспечить точного и своевременного переключения управляемого ключа 10. Если в качестве датчика 7 выходного сигнала использовать датчик выходного тока управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, то вне зависимости от конструктивных изменений узла 4 формирователя стабилизированного газового разряда, появления вблизи него дымов или продуктов горения испытуемых образцов ток переключения будет оставаться всегда постоянным. Последнее гарантирует надежную, устойчивую работу плазменного источника светового излучения при любых условиях его применения.
При переключении управляемого ключа 10 соответственно изменяется входное напряжение преобразователя 1 постоянного напряжения, обеспечивающее расширение токового диапазона. Однако расширение токового диапазона в этом случае ведет к обязательному изменению заданной временной формы генерируемого светового импульса. Для устранения влияния изменяющегося входного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения на временную форму генерируемого светового импульса управляемый преобразователь 1 постоянного напряжения может быть выполнен с обратной связью по току. Более того, наличие обратной связи по току в рассматриваемом узле устройства ведет к дополнительному повышению надежности запуска газового разряда после его инициирования из-за исходного максимально высокого выходного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения с обратной связью по току (см. п. 2 Формулы).
При относительно медленной скорости нарастания выходного сигнала, особенно при наличии шумов, характерных при работе мощных плазменных установок, управляемый ключ может перейти как бы в колебательный режим работы, что неминуемо ведет к искажению временной формы генерируемого светового импульса. Для устранения этого явления блок 11 согласования выполняют в виде порогового элемента. В этом случае, при достижении заданного тока переключения управляемого ключа 10 выходной сигнал блока 7 согласования будет не относительно медленно, а скачкообразно увеличиваться до предварительно заданной, вплоть до предельной, величины. При таком выполнении блока 11 согласования, кроме того, будут понижены пульсации на форме выходного сигнала, которые, если и появляются, то только вблизи предельных значений интенсивности генерируемого светового импульса (см. п. 3 Формулы).
В моменты переключения управляемого ключа 10 скачкообразно изменяется входное напряжение преобразователя 1 постоянного напряжения. Величина скачка напряжения тем больше, чем меньше заданная величина выходного тока, при которой происходит переключение управляемого ключа 10. Казалось бы, что нужно выбирать ток переключения предельно большим. Но тогда при включении устройства относительно высокоомные нагрузки могут вообще не разогнать ток разряда до уровня переключающего тока. Для обеспечения минимальной величины скачка входного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения при работе с относительно высокоомными газовыми разрядами, например газоразрядными лампами, пороговый элемент блока 11 согласования должен быть выполнен с уровнем срабатывания по току, найденным из соотношения:
ПОР
ОГР
I≈0,9 I, где
ПОР
I - ток срабатывания порогового элемента блока согласования, А;
ОГР
I - ток ограничения управляемого преобразователя постоянного напряжения, А.
При таком выборе уровня переключения в пороговом элементе блока 11 согласования гарантированно происходит переключение управляемого ключа 10 при минимальных выбросах входного напряжения преобразователя 1 постоянного напряжения вне зависимости от типа и характера нагрузки (см. п. 4 Формулы).
Таким образом, выполнение в плазменном источнике светового излучения управляемого источника 1 питания в виде высокочастотного управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и практически безынерционной дополнительной цепи коррекции его входного напряжения по внешнему сигналу обеспечило возможность формирования мощных световых импульсов малой длительности с крутыми фронтами, высокую надежность запуска газоразрядной нагрузки, а также расширенный диапазон рабочих интенсивностей световых импульсов. Дополнительный резистор 9, кроме того, ограничивает пусковой ток устройства на уровне, не превышающем рабочий ток плазменного источника светового излучения, а применение простого, относительно дешевого диодного выпрямителя 8 понижает стоимость плазменного источника.
2
На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. В качестве стабилизированного дугового газового разряда использовались как магнитоприжатый разряд в открытой атмосфере с площадью излучающей поверхности 16 см (длина 8 и ширина 2 см), так и ламповая панель из 14 ксеноновых ламп типа ИНП-16/250. В качестве управляемого преобразователя постоянного напряжения использовался преобразователь ПП-ПППТ-6,5к-600-И-УХЛ4, работающий по методу ШИМ с частотой следования импульсов 12 кГц. Преобразователь мог обеспечивать в нагрузке ток до 6500 А при питающем напряжении 600 В. Управление преобразователем выполнено с использованием обратной связи по выходному току, т.е. в нормальных условиях временная форма выходного тока преобразователя полностью соответствует временной форме управляющего напряжения. Запитывался преобразователь постоянного напряжения через дополнительный резистор от выпрямителя, выполненного по схеме Ларионова из шести диодов типа Д173-5000. При входном сопротивлении преобразователя постоянного напряжения около 3,4 Ома величина дополнительного резистора, выполненного из нихромовой ленты, составила величину около 0,5 Ома. Такое соотношение указанных сопротивлений обеспечило возможность увеличения как питающего напряжения выпрямителя, так и тока ограничения преобразователя постоянного напряжения почти в 1,3 раза. Управляемый ключ был выполнен на двух IGBT модулях типа МТКИ-3500-12КН. Каждый модуль использовался со своим драйвером ДРИ22-30-12-10П1К-1. Суммарная величина фильтрующей емкости на входе преобразователя постоянного напряжения составляла около 58 мФ. Развязка для магнитоприжатого разряда осуществлялась через разделительный диод типа Д173-2000. Развязка при применении ламповой панели осуществлялась для каждой лампы - через три последовательно соединенных разделительных диода типа Д143-800. В качестве узла инициирования газового разряда был выбран заряженный до напряжения около 2000 В конденсатор К75-100 с емкостью 100 мкФ и рабочим напряжением 3000 В. Этот конденсатор присоединялся к узлу магнитоприжатого разряда через игнитрон ИРТ-6. При использовании ламповой панели такой конденсатор присоединялся через дополнительную ограничивающую ток цепь непосредственно к электроду каждой ксеноновой лампы. Поджиг ламп ламповой панели осуществлялся от вспомогательного импульсного генератора с амплитудой выходного импульса около 20 кВ. Поджиг магнитоприжатого разряда осуществлялся с использованием инициатора из алюминиевой фольги. Такая система питания с электрической мощностью до 4 МВт обеспечивала в низкоомной (50-80 мОм) газоразрядной нагрузке импульсы тока с амплитудой до 6500 А при напряжении около 600 В и длительностью до 5 секунд. Функции синхронизатора и блока управления выполнял персональный компьютер с дополнительными усилителями. В качестве датчика тока стабилизированного газового разряда использовался прибор, работающий на основе эффекта Холла, с гальванической развязкой между силовой и измерительной цепями типа НАХ 5000-S. Для согласования выходного напряжения датчика тока с требуемым управляющим напряжением драйверов транзисторных модулей управляемого ключа была разработана специальная схема блока согласования с усилительным транзистором, работающим в ключевом режиме. Это, во-первых, обеспечивало требуемый пороговый характер переключения выходного сигнала и, во-вторых, позволяло достаточно просто регулировать величину переключающего управляющие каналы тока путем изменения величины входного токоограничивающего резистора этого транзистора.
2
3
2
В серии пусков, выполненных как с ламповой панелью, так и с магнитоприжатым дуговым разрядом была получена высокая надежность подхвата системой питания газоразрядной нагрузки, а также подтверждена высокая стабильность воспроизведения временной формы импульса света с достаточно крутыми фронтами. Оптимальный ток переключения управляющего ключа составил для низкоомного магнитоприжатого разряда величину около 1000 А, а для относительно высокоомной нагрузки ламповой панели (около 0.1 Ома) - 800 А. При таких настройках порогового элемента блока согласования максимальный ток в магнитоприжатом разряде достигал предельного значения, т.е. 6500 А, а в ламповой панели - 6100 А. В этих экспериментах при яркостной температуре плазмы плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого разряда около 5600°К в видимой области спектра, энергетическая светимость была не хуже 700 Дж/см, а поверхностная плотность энергии излучения - на уровне 4⋅10 Вт/см. Длительности фронтов световых импульсов, измеренные при формировании импульсов с прямоугольной временной формой, не превышали 1 мс, в то время как в устройстве-прототипе получить длительности фронтов менее 18 мс не удавалось. Скачки напряжения при переключении управляющего ключа во время формирования импульсов света практически не сказывалась на временной форме световых импульсов, что проверялось при формировании световых импульсов треугольной временной формы при различных длительностях импульсов от 40 мс до 5 секунд. Амплитудные значения интенсивностей световых импульсов не изменялись при изменении напряжения питающей сети в пределах 10%. Пульсации на форме светового импульса наблюдались, в основном, в области предельных интенсивностей светового импульса и могли достигать 7%.
При работе системы питания без включения управляемого ключа при формировании импульса, например, при неправильной настройке блока согласования, разрядные токи ограничивались и не превышали 1300 А и 1000 А для магнитоприжатого разряда и ламповой панели соответственно, хотя фронты импульсов формировались достаточно крутыми. В таком режиме на фронте прямоугольного импульса как разрядного тока, так и света всегда наблюдался достаточно большой экспоненциально спадающий пик, что обусловлено большим начальным запасом энергии в фильтрующем конденсаторе на входе преобразователя постоянного напряжения.
Таким образом, испытания макета плазменного источника светового излучения показали, что энергетические параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве, а также надежность подхвата разрядного тока и стабильность воспроизводства временной формы генерируемого импульса света от импульса к импульсу не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. А по временным динамическим параметрам показатели значительно повышены, что позволяет моделировать более расширенный набор природных и техногенных источников светового излучения, включая и очень короткие вплоть до нескольких миллисекунд по длительности.