ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к устройствам с импульсной 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 и с различным спектральным составом излучения.
В настоящее время для решения этих задач используются различные источники света. Так, для формирования секундных импульсов могут быть применены стационарно горящие дуги. Однако, яркости и площади излучающих поверхностей традиционных дуговых разрядов относительно невелики. Такие импульсные источники, как термохимические генераторы и истекающие в воздух плазменные струи, можно формировать с большими размерами излучающей поверхности. Однако они тоже обладают относительно невысокими яркостями. Обладающие высокими яркостями искровые разряды, капиллярные разряды, магнитоплазменные компрессоры, слойные импульсные разряды, ударные волны, импульсные лампы и т.д., как правило, имеют относительно небольшие излучающие поверхности и способны формировать только относительно короткие световые импульсы.
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 или в открытых с одной стороны лотках, роль отсутствующей стенки в которых выполняет прижимающее плазму ко дну лотка магнитное поле, - магнитоприжатый дуговой разряд. Для увеличения излучающей поверхности лампового излучателя возможно применение параллельного включения нескольких ламп, располагаемых в одной плоскости.
Известен плазменный источник светового излучения [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитопри-жатого разряда. ТВТ. 1986. Т. 2. №5, с. 837.], включающий источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка магнитной катушки.
Такой плазменный источник светового излучения позволяет получать излучающую импульсную плазму с достаточно большой площадью излучающей поверхности и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела, в течение практически всего времени разряда емкостного накопителя. Однако, такой плазменный импульсный источник излучения не является эффективным излучателем вне области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме сильно отличаются по величине. Вследствие этого увеличение длительности свечения такого плазменного источника света в секундную область невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК H05H 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. В этой стадии, в начале протекания тока источника питания, разряд неустойчив и легко гаснет. На генерируемом импульсе света присутствуют значительные пульсации интенсивности, что негативно сказывается на форме моделируемого светового импульса. Попытка понизить эти пульсации увеличением величины фильтрующей индуктивности источника питания ведет к понижению вероятности включения газового разряда.
Кроме того, в таком плазменном источнике светового излучения не всегда обеспечивается воспроизводимость генерируемых световых импульсов от импульса к импульсу. Так, изменения напряжения питающей силовой сети приводит к изменениям в интенсивности генерируемых световых импульсов. Узлы формирования стабилизированного дугового газового разряда со временем стареют либо из-за выгорания дна и стенок разрядного лотка при стабилизации открытого дугового разряда магнитным полем, либо из-за деградации газового состава дуговых ламп. Это ведет к изменению вольт-амперной характеристики стабилизированного дугового разряда. Т.е. даже при неизменном напряжении на выходе управляемого источника питания изменяется ток газового разряда, что ведет к изменению временной формы и, в частности, интенсивности генерируемых импульсов света.
Нами предложен мощный и надежный плазменный источник светового излучения, способный работать как в импульсном, так и в квазинепрерывном режиме, обеспечивающий стабильность заданных временной формы и максимальной интенсивности светового излучения в течение всего времени жизни узлов формирования стабилизированного дугового газового разряда.
зад
Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с синхронизатором, разделительный диод, катод которого соединен 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, новым является то, что в него дополнительно введены конденсатор, включенный между анодом разделительного диода и корпусом, схема сравнения, первый вход которой соединен со вторым выходом блока управления, а выход -со вторым входом блока управления, датчик выходного сигнала, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, и управляемый ключ, включенный между выходом управляемого источника питания и анодом разделительного диода, причем управляющий электрод дополнительного управляемого ключа соединен с выходом синхронизатора непосредственно, а управляющий вход узла инициирования газового разряда - через блок задержки, величина временной задержки τ которого определена условием:
, где
L - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;
C - емкость дополнительного конденсатора, Ф.
Если необходимо получить форму импульса света с минимальными искажениями в момент инициирования разряда, то блок задержки выполнен с величиной временной задержки:
, где
L - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;
C - емкость конденсатора, Ф;
N
R - сопротивление газового разряда после инициирования, Ом;
- волновое сопротивление, Ом. (см. п. 2 Формулы).
Ш
Если необходимо максимально повысить воспроизводимость временной формы импульса света, то параллельно конденсатору включен резистор, величина R которого определена условием:
Ш
min
min
R>U/I, где
min
U - минимальное напряжение горения газового разряда, В;
min
I - минимальный ток дополнительного управляемого ключа, А. (см. п. 3 Формулы).
Если необходимо обеспечить независимость генерируемой формы светового импульса от внешних условий, то датчик выходного сигнала выполнен в виде датчика тока управляемого источника питания, (см.п.4 Формулы).
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, блок 2 управления, синхронизатор 3, разделительный диод 4, узел 5 формирования стабилизированного дугового газового разряда, узел 6 инициирования газового разряда, конденсатор 7, схема 8 сравнения, датчик 9 выходного сигнала, управляемый ключ 10, блок 11 задержки.
Устройство работает следующим образом.
Задают временную форму импульса управляющего напряжения управляемого источника 1 питания и вводят ее в память блока 2 управления. Также вводят в память блока 2 управления напряжение уставки минимального тока, обеспечивающего нормальную работу управляемого источника1 питания в области малых токов. На втором выходе блока 2 управления постоянно формируется опорное напряжение для схемы 8 сравнения, которое равняется большему напряжению из двух, введенных в память: напряжения управляющего импульса (в исходном состоянии это нулевое напряжение) и напряжения уставки минимального тока. Из-за ненулевого напряжения уставки минимального тока в исходном состоянии на втором выходе блока 2 управления присутствует некоторое управляющее напряжение, способное обеспечить протекание в нагрузке управляемого источника 1 питания минимального выходного тока, определенного величиной напряжения уставки минимального тока. Однако, поскольку управляемый ключ 10 разомкнут, то выходной ток управляемого источника питания 1 отсутствует; конденсатор 7 находится в разряженном состоянии, а на выходе датчика 9 выходного сигнала напряжение отсутствует. В таких условиях на выходе схемы 8 сравнения существует сигнал ошибки, который подается на второй вход блока 2 управления. Из-за наличия на втором входе сигнала ошибки блок 2 управления увеличивает на своем первом выходе управляющее напряжение, стремясь скомпенсировать указанную ошибку. Вследствие этого исходное выходное напряжение управляемого источника 1 питания становится максимальным. Узел 6 инициирования газового разряда приведен в исходное состояние, но на его выходе напряжения нет из-за отсутствия на его управляющем входе запускающего импульса с выхода блока 11 задержки.
Для запуска плазменного источника светового излучения подают запускающие импульсы с выхода синхронизатора 3 одновременно на первый вход блока 2 управления, на управляющий электрод дополнительного управляемого ключа 10 и на вход блока 11 задержки. Блок 2 управления с приходом запускающего импульса вырабатывает с учетом заданных в памяти временной формы управляющего напряжения, напряжения уставки минимального тока и сигнала ошибки итоговое управляющее напряжение и подает его на управляющий вход управляемого источника 1 питания. Одновременно тем же импульсом синхронизатора включается управляемый ключ 10, и начинается заряд конденсатора 7. Ток заряда конденсатора ограничен суммарной выходной индуктивностью управляемого источника 1 питания. Тока в узле 5 формирования дугового газового разряда нет, поскольку разряд еще не инициирован узлом 6 инициирования газового разряда и его сопротивление очень велико. Поэтому выходной ток управляемого источника 1 питания имеет синусоидальную форму во времени. Обычно ток заряда конденсатора 7 меньше тока, заданного управляющим напряжением с первого выхода блока 2 управления. Напряжение на выходе управляемого источника 1 питания продолжает оставаться максимальным. Соответственно максимальна и скорость нарастания выходного тока.
зад
Через определяемый блоком 11 задержки промежуток времени τ импульс синхронизатора 3 приходит на управляющий вход узла 6 инициирования газового разряда. Узел 6 инициирования газового разряда включается собственным внутренним ключом и на его выходе появляется импульсное напряжение, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка узла 5 формирования стабилизированного дугового газового разряда. Диод 4 предотвращает поступление энергии от узла 6 инициирования газового разряда к выходу управляемого источника 1 питания. Межэлектродный промежуток узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда пробивается напряжением, приложенным от узла 6 инициирования газового разряда. По узлу 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда начинает протекать электрический ток от узла 6 инициирования газового разряда. Этим током формируется в узле 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда излучающий плазменный слой. Таким образом, на некоторое время, пока протекает ток от узла 6 инициирования газового разряда, обеспечивается проводимость узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда.
Вследствие возникшей проводимости узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда он теперь готов принять ток от управляемого источника 1 питания. И поэтому, как только напряжение на разрядном промежутке от узла 6 инициирования газового разряда становится меньше напряжения на конденсаторе 7, диод 4 открывается и ток, ранее заряжавший конденсатор 7, теперь начинает течь по сформировавшейся плазме в разрядном промежутке узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда. Т.е. индуктивность управляемого источника 1 питания не только не тормозит нарастание тока в нагрузке, но наоборот предотвращает его понижение. Для обеспечения заметного начального тока в индуктивности управляемого источника 1 питания временная задержка, формируемая блоком 11 задержки, должна находиться в определенных пределах, задаваемых выражением: . Если величина этого начального тока превышает величину тока дугового разряда, соответствующего минимуму вольт-амперной характеристики, то разряд надежно подхватывает ток управляемого источника питания 1 и далее продолжает стабильно гореть, потребляя ток только от управляемого источника 1 питания. Свечение плазмы регистрируется датчиком 9 выходного сигнала, например, фотодатчиком. На его выходе появляется сигнал, что ведет к снижению величины ошибки на выходе схемы 8 сравнения. Соответственно, блок 2 управления изменяет величину управляющего напряжения на своем первом выходе так, что выходной ток управляемого источника 1 питания начинает соответствовать заданному управляющему напряжению в блоке 2 управления. При этом выходной сигнал, регистрируемый фотодатчиком 9, становится практически совпадающим с заданным в памяти блока 2 управления. Так работа устройства продолжается далее при поддержании светимости в соответствии с заданной во времени формой импульса.
Если изменяется напряжение питающей сети управляемого источника 1 питания, то это не сказывается ни на надежности поджига разряда, ни на величине интенсивности генерируемого импульса света, поскольку сразу же появляется сигнал ошибки на выходе схемы 8 сравнения и блок 2 управления тут же отрабатывает эту ошибку. Задержка прохождения сигналов по цепи обратной связи в нашем случае, когда рассматриваются секундные (квазинепрерывные) световые импульсы, не влияет на качество управления. Подходы к решению этой задачи известны. Если в процессе старения узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда несколько изменяется вольт-амперная характеристика стабилизированного дугового газового разряда, то, несмотря на то, что изменяется соотношение между током разряда и приложенным к нему напряжением в каждый момент времени, блок 2 управления поддерживает требуемую интенсивность света в соответствии с заданной в памяти временной функцией управления. Таким образом, предложенная совокупность признаков обеспечивает надежную работу плазменного источника светового излучения при высокой стабильности воспроизведения интенсивности генерируемых импульсов света с заданной временной формой.
зад
зад
зад
N
В начале формирования импульса света через межэлектродный промежуток узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда в общем случае протекают одновременно два тока: ток от управляемого источника 1 питания и ток от уже заряженного конденсатора 7. Соотношение величин этих токов зависит от величины временной задержки τ. При большом токе от конденсатора 7 на временной форме импульса света может наблюдаться выброс интенсивности. Обратной связью через фотодатчик 10, схему 9 сравнения и блок 2 управления этот выброс понижается и укорачивается за счет понижения напряжения на выходе управляемого источника питания 1. В такой ситуации будет уменьшаться выходной ток, протекающий через выходную индуктивность управляемого источника 1 питания, что влечет понижение напряжения на межэлектродном промежутке узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда. А это, в свою очередь, может привести к погасанию разряда. Поэтому для улучшения временной форы генерируемого импульса света, т.е. понижения указанного выброса, и для сохранения максимальной надежности поджига газового разряда необходимо так выбирать величину τ, чтобы дополнительный ток от разряда конденсатора 7 исключался или хотя бы значительно понижался. Нами было теоретически показано и экспериментально подтверждено, что оптимальная величина задержки τ зависит от величины сопротивления R возбужденного газового разряда. При этом для минимизации тока разряда конденсатора 7 в возбужденном газовом разряде необходимо и достаточно, чтобы временная задержка соответствовала условию: . (См. п. 2 Формулы)
Ш
Ш
min
min
min
min
Воспроизводимость условий инициирования газового разряда, а следовательно, и начального участка светового импульса зависит от исходного напряжения на конденсаторе 7, т.к. именно разность напряжений на выходе управляемого источника питания 1 и на конденсаторе 7 определяет как скорость нарастания тока в выходной индуктивности управляемого источника 1 питания, так и его максимальную величину. А поскольку на конденсаторе 7 по окончании формирования очередного светового импульса остается напряжение, близкое к минимальному напряжению вольт-амперной характеристики газового разряда, то это напряжение между импульсами необходимо снимать. Т.е. для достижения максимальной воспроизводимости временной формы светового импульса конденсатор 7 целесообразно зашунтировать резистором, причем величина этого резистора Rдолжна соответствовать условию: R>U/I, где U - минимальное напряжение горения газового разряда, а I - минимальный ток дополнительного управляемого ключа 11. (см. п. 3 Формулы).
Использование в качестве датчика выходного сигнала 9 фотодатчика в некоторых случаях малоэффективно. Так, например, при облучении различных образцов мощными и длинными по времени световыми импульсами, как правило, в атмосферу выделяются различные дымы, испарения материалов с облучаемой поверхности и т.д. Вследствие этого, расположенные в области образцов фотодатчики могут неверно отображать интенсивность излучателя, что приводит к значительным отличиям временной формы генерируемого излучения от заданной. С другой стороны, у стабилизированных дуговых газовых разрядов в рабочей области вольт-амперная характеристика слабо возрастает. Так для магнитоприжатого разряда с размерами 2 см на 8 см при изменении тока от минимального 2000 А до максимального 6000 А напряжение изменяется приблизительно от 250 В до 300 В. Т.е при изменении тока в 3 раза напряжение на разряде меняется на величину не превышающую 18%. В таких условиях можно ожидать, что временная форма светового импульса будет с высокой точностью совпадать с временной форме импульса тока газового разряда. Поэтому выполнение датчика выходного сигнала 9 в виде датчика тока управляемого источника 1 питания позволяет при проведении испытаний полностью исключить все побочные явления, имеющие место при использовании фотодатчика. (См. п. 4 Формулы)
На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. В качестве стабилизированного дугового газового разряда мог использоваться как магнитоприжатый разряд в открытой атмосфере с площадью излучающей поверхности 16 см (длина 8 и ширина 2 см), так и панель из 14 ксеноновых ламп типа ИНП-16/530. Питание стабилизированного дугового газового разряда осуществлялось от управляемого источника питания, выполненного на основе промышленного шестипульсного тиристорного выпрямителя КТЭУ-4000 с выходным фильтрующим индуктивным реактором типа СРОСз, индуктивность которого составляла величину около 0,5 мГн. Управляемый ключ выполнен на тиристоре Т173-5000 с максимальным током при нормальных условиях около 6000 А. Развязка для магнитоприжатого разряда осуществлялась через диод типа Д173-2000, а для каждой лампы - через три последовательно соединенных диода типа Д143-800. При работе с лампами все аноды развязывающих диодов объединялись. Конденсатор, включенный между анодом развязывающего диода и корпусом, имел емкость около 25 мФ и был зашунтирован сопротивлением около 500 Ом. 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 ксеноновых ламп осуществлялся от вспомогательного импульсного генератора с амплитудой выходного импульса около 20 кВ; поджиг магнитоприжатого разряда осуществлялся с использованием инициатора из алюминиевой фольги. Такой управляемый источник питания с электрической мощностью около 3 МВт позволял получать в низкоомной (50 - 80 мОм) газоразрядной нагрузке импульсы тока с амплитудой до 6000 А при напряжении до 600 В и длительностью в несколько секунд. Минимальные напряжения на таких газоразрядных нагрузках составляли величины около 180 и 250 В при токах около 1500 и 2000 А для комплеса ксеноновых ламп и магнитоприжатого разряда соответственно. При меньших напряжениях разряд не существовал. Функции синхронизатора, блоков управления и задержки и схемы сравнения выполнял персональный компьютер с дополнительными усилителями. Время задержки варьировалось в пределах 2-7 мс. Задержки оптимизировались в зависимости от начального сопротивления формируемого разряда.
2
3
2
В серии пусков, выполненных в разные дни для проверки зависимости формы генерируемого импульса света от изменения сетевого питающего напряжения как с ламповой панелью, так и с магнитоприжатым разрядом была подтверждена высокая стабильность воспроизведения временной формы импульса света. Так, при яркостной температуре плазмы плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого разряда 5500°К в видимой области спектра, энергетическая светимость достигала 700 Дж/см, а поверхностная плотность энергии излучения составляла величину на уровне 4-10Вт/см. Диапазон изменения питающего напряжения составлял величину около 12%. В устройстве - прототипе при аналогичных условиях при использовании ламповой панели изменения амплитуды формируемых импульсов превышали 18%. Можно отметить, что при испытании магнитоприжатого разряда в устройстве - прототипе часто наблюдались случаи аварийного отключения управляемого источника питания из-за сильного увеличения разрядного тока при обычном увеличении напряжения питающей сети. Интенсивность светового импульса при использовании магнитоприжатого разряда оставалась неизменной даже при более чем полуторакратном изменении его ширины из-за выгорании его боковых стенок.
Таким образом, работа макета плазменного источника светового излучения показала, что как энергетические, так и временные параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. А по таким параметрам, как стабильность воспроизводства формы генерируемого импульса света от импульса к импульсу по сравнению с известными устройствами показатели значительно повышены. При этом одновременно было получено увеличение времени работоспособности узлов формирования стабилизированных дуговых газовых разрядов за счет возможности их использования даже при измененных геометрических параметрах. Применение датчика тока управляемого источника питания вместо фотодатчика в условиях стабилизации временных параметров излучения позволило значительно ускорить выполнение работ по производству испытаний различных образцов и, в результате, понизить их стоимость.