УСТРОЙСТВО НАКАЧКИ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
DEVICE FOR PUMPING PULSE-PERIODIC ELECTRIC DISCHARGE GAS LASER

Область техники
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам накачки электроразрядных импульсно-периодических широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации, и может быть использовано в мощных лазерных системах.
Уровень техники
Для обеспечения длительного импульсно-периодического режима работы электроразрядных широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и с металлическими электродами необходимо обеспечить такие параметры импульса накачки, при которых в течение этого импульса сохраняется устойчивость объемного разряда в их разрядных камерах (РК), а также создать условия для сохранения стабильности выходных характеристик лазера. Устойчивость объемного разряда в РК растет с уменьшением длительности импульса тока накачки. В широкоапертурных (площадь РК не менее 100 см) электроразрядных газовых лазерах параллельно выходам генератора высоковольтных импульсов в большинстве случаев подсоединяют обостряющую емкость. Это приводит к уменьшению длительности фронта импульса тока накачки и, как следствие, к повышению устойчивости объемного разряда в РК. Стабильность выходных характеристик таких лазеров обычно обеспечивается с помощью замены рабочей смеси газов между электродами РК. Для уменьшения возмущения потока смеси газов устройство накачки - генератор высоковольтных импульсов - расположен на достаточном удалении от РК и соединен с ней с помощью передающей линии. В широкоапертурных электроразрядных газовых лазерах параметры межэлектродной емкости РК, индуктивности и емкости соответствующей передающей линии, обостряющей емкости с соответствующей индуктивностью могут попасть в диапазон значений, при которых ударное возбуждение объединяющего их колебательного контура приводит к появлению в нем высокочастотных резонансных колебаний. С помощью обхода этого контура в произвольном направлении и замены параллельно и последовательно соединенных реактивных элементов эквивалентными емкостью (С) и индуктивностью (L) можно показать, что он является параллельным колебательным контуром (ПКК) с питанием от генератора высоковольтных импульсов.
В момент срабатывания генератора высоковольтных импульсов происходит ударное возбуждение ПКК. При этом амплитуда высокочастотных резонансных колебаний может быть сравнима с амплитудой импульса напряжения накачки. Период высокочастотных резонансных колебаний обычно существенно ниже длительности импульса напряжения накачки, и эти колебания могут возникать в диапазоне частот, в котором происходит значительное уменьшение электрической прочности газовой среды в РК лазера. Вышеперечисленные факторы могут стимулировать электрический пробой межэлектродного промежутка РК лазера гораздо раньше момента достижения импульсом напряжения накачки амплитудного значения. Это приводит к увеличению длительности импульса тока накачки, уменьшению устойчивости объемного разряда в РК и, как следствие, к снижению ресурса работы лазера.
В [1] исследован объемный разряд в элегазе между металлическими электродами без барьеров и при наличии диэлектрических барьеров на обоих электродах. Такой разряд в элегазе с малыми примесями, например, водорода используется для накачки импульсных химических газовых лазеров. На фиг.1 представлены сигналы импульсов напряжения и тока разряда между металлическими электродами РК без барьеров в элегазе. Авторами работы [1] отмечено наличие высокочастотных колебаний на осциллограммах напряжения и тока накачки. Сделан вывод, что эти колебания обусловлены высокочастотным контуром, образованным индуктивностью и емкостью ошиновки, соединяющей РК с генератором. Показано, что из множества катодных пятен в определенный интервал времени выделяются несколько доминирующих, которые приводят к развитию искровых каналов и контрагированию объемного разряда. Это вызывает срыв процесса накачки.
Для устранения причины контрагирования объемного разряда - образования катодных пятен - предложено покрывать поверхности металлических электродов РК диэлектрическими барьерами. Однако по утверждению автора при колебательном импульсе напряжения накачки или на спаде униполярного импульса, когда «бывший» прикатодный слой становится прианодным, зоны с повышенной плотностью заряда (поверхность диэлектрических барьеров) не только не выполняют стабилизирующих функций, а, наоборот, становятся центрами искрообразования. Это стимулирует ускоренное разрушение электродов и снижение ресурса работы лазера.
За прототип выбрано, как наиболее близкое по технической сущности, устройство накачки импульсно-периодических электроразрядных широкоапертурных лазеров с металлическими электродами без диэлектрических барьеров, описанное в работе [1].
К недостаткам прототипа следует отнести преждевременный электрический пробой межэлектродного промежутка РК из-за возникновения высокочастотных колебаний на ее электродах. Это приводит к снижению ресурса работы лазера.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является увеличение ресурса работы импульсно-периодического электроразрядного широкоапертурного газового лазера без предыонизации.
Технический результат достигается тем, что устройство накачки электроразрядного импульсно-периодического газового лазера без предыонизации включает генератор высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого соединены образующие контур обостряющая емкость и дополнительная резистивная нагрузка, а также последовательная цепь из передающей линии и электродов разрядной камеры.
Новым в устройстве является то, что дополнительная резистивная нагрузка выбрана с такими значениями активной и индуктивной составляющих ее импеданса, чтобы активная составляющая была, с одной стороны, больше половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышала его полного значения. Выбранная индуктивная составляющая была, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний контура.
Приведем доказательство причинно-следственной связи отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата.
При срабатывании генератора высоковольтных импульсов происходит ударное возбуждение ПКК. В нем возникают высокочастотные резонансные колебания. Амплитуда и частота этих колебаний зависят от параметров контура. В частности, затухание d параллельного колебательного контура может быть определено по формуле:
п
где ρ - волновое сопротивление, a R - шунтирующее сопротивление параллельного колебательного контура.
Волновое сопротивление контура находится по формуле:
где L, С - соответственно эквивалентные индуктивность и емкость в ветвях контура. Определение величин этих элементов для вышеописанных ПКК лазеров приведено ниже.
Значение резонансной частоты ω можно найти, используя условия резонанса токов в ПКК с потерями [2]:
об
oб
п
Поскольку паразитное сопротивление R включено последовательно с индуктивностью L для определения эквивалентного ему значения сопротивления R, шунтирующего ПКК, можно воспользоваться формулой [4]:
.
где ω - круговая частота резонансных колебаний контура.
п
Эквивалентное значение индуктивности L, шунтирующей при этом ПКК, может быть найдено следующим образом:
Известно [3], что любой параллельный колебательный контур будет апериодическим и резонансные колебания после его ударного возбуждения будут быстро затухать, если соблюдается условие:
ш
где R - дополнительная резистивная нагрузка, шунтирующая ПКК.
об
об
п
ш
Величина R обычно составляет десятые доли Ом. С учетом того что значение L может находиться в пределах нескольких десятков нГн, а ω - сотен МГц, эквивалентное для R сопротивление R будет намного больше ρ. В связи с этим в ПКК рассматриваемых лазеров было бы необходимо включать дополнительную резистивную нагрузку R, удовлетворяющую условию (6). Анализ показывает, что это привело бы к значительному увеличению потерь энергии генератора высоковольтных импульсов, уменьшению напряжения между электродами РК и снижению выходных характеристик лазера.
После проведения экспериментальных работ с рядом конструкций РК импульсно-периодических электроразрядных широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и соответствующих генераторов высоковольтных импульсов, параллельно выходам которых включены обостряющая емкость и дополнительная резистивная нагрузка, обнаружено, что такие лазеры эффективно функционируют при выполнении условия:
При этом, хотя высокочастотные резонансные колебания после ударного возбуждения ПКК будут затухать в меньшей степени, чем при соблюдении условия (6), потери энергии генератора высоковольтных импульсов существенно уменьшатся и выходная энергия лазера практически не снизится.
ш
ш
шп
шп
п
oб
oб
п
шп
ш
шп
ш
Кроме того, дополнительная резистивная нагрузка R помимо активной имеет индуктивную составляющую L импеданса. Величина этой индуктивности зависит как от пути растекания тока через дополнительную резистивную нагрузку, так и от ее конструкции. После преобразования этой последовательной цепи в эквивалентную параллельную цепь с R и L с помощью подстановки в формулы (4-5) вместо R, R и L, L соответственно R, R и L, L можно сделать следующие выводы.
ш
шп
шп
ш
ш
Индуктивная составляющая L импеданса дополнительной резистивной нагрузки увеличивает величину R. Для соответствия R условию (7) требуется уменьшать либо R, либо L.
ш
ш
ш
Уменьшение R неприемлемо, т.к. период высокочастотных резонансных колебаний намного меньше длительности импульса накачки. Поэтому на частоте импульса накачки сопротивление ωL значительно меньше, чем на частоте высокочастотных резонансных колебаний. При этом малое значение R приведет к потерям энергии генератора и снижению выходных характеристик лазера.
ш
Для определения верхней границы значения L введем условие для соответствующих слагаемых в числителе формулы (4):
или
Таким образом, индуктивная составляющая импеданса дополнительной резистивной нагрузки должна быть, по крайней мере, на порядок меньше отношения активной составляющей к круговой частоте высокочастотных резонансных колебаний контура. Выполнение вышеприведенных условий позволяет практически устранить возникновения пробоев межэлектродного промежутка РК в начале импульса напряжения накачки. При этом увеличивается ресурс работы импульсно-периодического электроразрядного широкоапертурного газового лазера без предыонизации
На фиг.1 показаны сигналы импульсов напряжения и тока разряда между металлическими электродами РК без барьеров в элегазе, где: (а) - импульс напряжения, отрезок с меткой 20 кВ - цена отрезка соответствующей вертикальной шкалы, (б) - импульс тока, отрезок с меткой 1 кА - цена отрезка соответствующей вертикальной шкалы, отрезок с меткой 50 нс - цена отрезка горизонтальной шкалы.
B
B
B
B
об
об
oб
ш
ш
ПЛ
ПЛ
РК
На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства, где: C, L, R и P - соответственно эквивалентные емкость, индуктивность, сопротивление и разрядник генератора высоковольтных импульсов, С, R, L - соответственно емкость, сопротивление, индуктивность обостряющей емкости, R и L - активное сопротивление и индуктивность дополнительной резистивной нагрузки, L и С - эквивалентные индуктивность и емкость передающей линии, С - межэлектродная емкость РК.
На фиг.3 приведены сигналы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные в первой серии экспериментов, где: импульсы напряжения - пара сигналов вверху, импульсы тока - пара сигналов внизу, цена большого деления по горизонтали - 200 нс.
На фиг.4 приведены сигналы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные во второй серии экспериментов, где: импульсы тока - пара сигналов вверху, импульсы напряжения - пара сигналов внизу, цена большого деления по горизонтали - 100 нс.
Заявляемое устройство выполнено следующим образом.
РК
ПЛ
ПЛ
В
B
B
B
об
об
oб
ш
ш
На фиг.2 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства. Разрядная камера, содержащая металлические электроды, представлена межэлектродной емкостью С, соединенной с помощью передающей линии, обозначенной с помощью индуктивности L и емкости С, с генератором высоковольтных импульсов, составленным из эквивалентных емкости, индуктивности, сопротивления и разрядника: С, L, R и P, параллельно выходам которого включены обостряющая емкость, показанная в виде последовательно соединенных емкости С, сопротивления R, индуктивности L, и дополнительная резистивная нагрузка, представленная активным сопротивлением R и индуктивностью L.
ПЛ
об
oб
об
РК
ПЛ
ш
ш
Индуктивность L, емкость С, индуктивность L, сопротивление R, емкость, эквивалентная параллельно соединенным С и С, сопротивление R и индуктивность L образуют ПКК.
ПЛ
РК
об
ПЛ
oб
ш
B
Произведя обход контура в произвольном направлении, можно заменить последовательно соединенные реактивные элементы эквивалентными емкостью С и индуктивностью L. Величина эквивалентной емкости С этого контура определяется параллельно включенными емкостями С и С, т.к. ее номинал существенно меньше С. Величина эквивалентной индуктивности L определяется как сумма индуктивности L и эквивалентной параллельно соединенным L и L индуктивности. Влиянием на ПКК лазера элементов генератора высоковольтных импульсов можно пренебречь, т.к. индуктивность L обычно намного больше L.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При срабатывании генератора высоковольтных импульсов на электродах РК лазера возбуждаются высокочастотные резонансные колебания напряжения. С помощью дополнительной резистивной нагрузки амплитуда этих колебаний уменьшается так, что в сумме с мгновенным значением напряжения импульса накачки она не достигает уровня напряжения пробоя межэлектродного промежутка РК. В результате пробой этого промежутка наступает вблизи амплитуды импульса напряжения накачки. При этом длительность импульса тока накачки будет близка к минимально возможной для данных параметров контура величине. Это, с одной стороны, повышает устойчивость объемного разряда в РК, с другой - улучшает согласование волнового сопротивления генератора высоковольтных импульсов и сопротивления объемного разряда в квазистационарной стадии его горения. За счет лучшего согласования этих сопротивлений практически вся энергия, запасенная в генераторе высоковольтных импульсов, вкладывается в течение первых полуволн тока и напряжения на РК в объемный разряд. Соответственно, уменьшается амплитуда последующих полуволн тока и напряжения на электродах РК и практически устраняется возникновение в течение этих полуволн пробоев межэлектродного промежутка РК.
Ниже в качестве иллюстрации вышесказанного приведено краткое описание двух серий экспериментов с импульсно-периодическим электроразрядным широкоапертурным газовым лазером без предыонизации с металлическими электродами без барьеров, каждая пара которых установлена в одной из двух РК с объемом по ~9 л. Накачка этого лазера осуществлялась с помощью пары двухполярных генераторов высоковольтных импульсов. Это, с одной стороны, позволяет уменьшить изоляционные промежутки в РК. С другой стороны, затухание высокочастотных резонансных колебаний в ПКК с питанием от двухполярного генератора высоковольтных импульсов намного меньше, чем при использовании однополярных генераторов. Поэтому полученные результаты соответствуют ситуации, когда ПКК наименее устойчив к возникновению высокочастотных резонансных колебаний. Каждая РК с объемом по ~9 л соединена передающей линией с соответствующим двухполярным генератором высоковольтных импульсов, параллельно выходам которого включена обостряющая емкость. Индуктивность каждой из передающих линий составляет ~200 нГн. Во второй серии экспериментов параллельно выходам каждого из двухполярных генераторов высоковольтных импульсов устанавливалась дополнительная резистивная нагрузка. Активная составляющая ее импеданса составляла, с одной стороны, не менее половины волнового сопротивления контура, а с другой стороны, не превышала его полного значения (~68 Ом). Индуктивная составляющая ее импеданса была примерно в 11 раз меньше отношения активной составляющей к круговой частоте резонансных колебаний этого контура (~260 нГн). Напряжение зарядки каскадов генераторов высоковольтных импульсов устанавливалось на уровне 50 кВ. Для регистрации импульсов напряжения и тока накачки использовались соответственно резистивные датчики напряжения и индукционные датчики тока. Чувствительности индукционных датчиков тока, установленных в каждом двухполярном генераторе высоковольтных импульсов, разные. Электрические длины каналов измерения напряжений и токов одинаковы.
6
8
-2
-7
На фиг.4 показаны осциллограммы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные в первой серии экспериментов. При срабатывании генераторов высоковольтных импульсов амплитуда высокочастотных резонансных колебаний практически равна амплитуде импульса напряжения накачки. Частота резонансных колебаний ~34 МГц. Пробой межэлектродных промежутков каждой из разрядных камер лазера произошел в начале первой полуволны соответствующих импульсов напряжения накачки. При штатной работе этот пробой должен осуществляться вблизи амплитуды импульса напряжения накачки. Можно отметить два фактора, способствовавших нештатной работе лазера. Во-первых, высокие амплитуды высокочастотных резонансных колебаний. Во-вторых, уменьшение пробивной напряженности газовой смеси в разрядной камере лазера на частоте резонансных колебаний контура. Известно [4], что в полосе частот 10-10 Гц уменьшение пробивной напряженности наблюдается для многих видов газов в широком диапазоне давлений и длин межэлектродных промежутков. Так, для водорода при расстоянии между электродами 5 см и давлении 3·10 мм рт.ст. существует минимум напряжения пробоя в диапазоне частот 5-25 МГц, а при давлении 1·10 мм рт.ст. пробивная напряженность водорода на частоте приложенного напряжения 30-40 МГц уменьшается практически вдвое по сравнению с напряжением с частотой ниже или выше указанного диапазона на 10-30 МГц.
Длительность импульса тока накачки лазера в первой серии экспериментов составила ~500 нс. Визуально в межэлектродном промежутке разрядной камеры лазера наблюдались стримеры. Они могут приводить к изменению состояния поверхности электродов и «привязке» искровых разрядов к определенному месту. При этом происходит ускоренное разрушение электродов. Вероятность появления стримеров возрастает с увеличением длительности импульса тока накачки лазера. В связи с наличием стримеров ресурс работы лазера составлял не более ста включений, что на два порядка меньше расчетной величины.
На фиг.5 приведены осциллограммы пар импульсов напряжения и тока накачки, полученные во второй серии экспериментов. При этом параллельно выходам каждого из двухполярных генераторов высоковольтных импульсов системы накачки лазера были включены дополнительные резистивные нагрузки с сопротивлением 55 Ом и с индуктивностью ~25 нГн каждая.
Можно отметить существенное уменьшение глубины модуляции импульса напряжения на каждом из выходов двухполярных генераторов высоковольтных импульсов. Амплитуда высокочастотных резонансных колебаний составляла не более 50% от амплитуды импульса напряжения накачки. Частота этих колебаний снизилась по сравнению с первой серией экспериментов и составила ~29 МГц, что согласуется с формулой (3). Пробой межэлектродных промежутков разрядных камер лазера произошел вблизи амплитуд импульсов напряжения накачки. Длительность импульсов тока накачки лазера уменьшилась с 500 до 300 нс. Значительно уменьшились амплитуды полуволн напряжения и тока, следующих за основными. Завершенных стримеров в межэлектродных промежутках разрядных камер лазера отмечено не было.
В связи с отсутствием стримеров в межэлектродных промежутках разрядных камер лазера ресурс его работы был доведен до шестисот включений. Для достижения расчетного ресурса работы лазера потребовалась доработка некоторых технологических систем, что намечено выполнить в ближайшее время.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет не менее чем в 6 раз увеличить ресурс непрерывной работы лазера.
Изобретение найдет применение в устройствах накачки электроразрядных импульсно-периодических широкоапертурных газовых лазеров без предыонизации и может быть использовано в мощных лазерных системах.
Источники информации
1. Спичкин Г.Л. Импульсный высоковольтный объемный разряд в элегазе // Журнал технической физики, 1986, Т.56, в. 10, с.1923-1932.
2. Г.И.Атабеков. Теоретические основы электротехники, ч.1. Линейные электрические цепи. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 320 с. с черт.
3. Б.Х.Кривицкий. Элементы и устройства импульсной техники. - М.: Сов. Радио, 1961. - 542 с., ил.
4. Г.И.Сканави. Физика диэлектриков (область сильных полей). - М.: Гос. Изд. Физ.-Мат. Литературы, 1958.