Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание и анализ работы электрофизических систем с высоковольтными генераторами наносекундных импульсов 27
1.1. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе газоразрядных и вакуумных коммутаторов 27
1.2. Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе твердотельных коммутаторов 30
1.3. Системы питания лазеров на парах меди 41
1.4. Генерация высоковольтных наносекундных импульсов в системах питания эксимерного лазера 49
1.5. Методы и аппаратура для получения электрогидродинамических потоков 51
Глава 2. Мощный генератор высоковольтных импульсов на основе составного твердотельного коммутатора 65
2.1. Высоковольтный твердотельный коммутатор 65
2.2. Генератор наносекундных импульсов с высоковольтным транзисторным коммутатором и магнитным компрессором 85
2.3. Теоретический расчет системы магнитного сжатия импульсов 90
2.4. Экспериментальное моделирование схемы магнитного сжатия. Уточнение методики расчета цепей магнитного компрессора 96
2.5. Разработка и создание экспериментальной установки 99
2.6. Экспериментальное исследование генератора высоковольтных наносекундных импульсов 104
Глава 3. Система питания лазера на парах меди на основе составного твердотельного коммутатора 108
3.1. Твердотельная система накачки лазера на парах меди 108
3.2. Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки 112
3.3. Оптимизация параметров системы питания лазера на парах меди 114
Глава 4. Твердотельный генератор импульсов возбуждения мощного эксимерного лазера 126
4.1. Численное моделирование работы генератора 126
4.4. Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера 130
4.3. Результаты экспериментов 136
4.2. Увеличение длительности генерации эксимерного лазера 141
Глава 5. Формирование электрогидродинамических потоков на основе высокочастотного барьерного разряда в газе 149
5.1. Теоретический анализ возможностей формирования электрического ветра на основе барьерного разряда 149
5.2. Расчет скоростного напора электрического ветра 158
5.3. Полностью твердотельные генераторы напряжения для питания плазменного эмиттера ионов 163
5.4. Экспериментальное исследование газоразрядных и скоростных характеристик электрогидродинамических потоков 168
Глава 6. Применение мощных генераторов на основе высоковольтных БТИЗ-коммутаторов в электро-физических установоках 176
6.1. Экспериментальная установка «ЭХО» 176
6.2. Аппаратура для изучения эффектов в сильных электромагнитных полях, связанных с испусканием легких заряженных частиц—электронов и позитронов 180
6.3. Генераторы импульсов для питания клистронов 197
6.4. Генераторы импульсов для системы очистки воды стримерным разрядом 204
6.5. Управление электрооптическими затворами с помощью составных высоковольтных БТИЗ-коммутаторов 212
Заключение 220
Литература 223
- Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе твердотельных коммутаторов
- Генератор наносекундных импульсов с высоковольтным транзисторным коммутатором и магнитным компрессором
- Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки
- Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время генераторы высоковольтных импульсов наносекундной длительности широко используются в электрофизике, в газоразрядной, лазерной и ускорительной технике, при создании электрофизических и плазмохимических установок, а также в других областях науки и техники [1,2].
Важную область применения генераторов наносекундных импульсов составляют системы питания газоразрядных лазеров. Лазеры и технологии на их основе уже стали неотъемлемой частью современного промышленно развитого мира и находят широкое применение в машиностроении, медицине, точном приборостроении, военной технике, технологиях передачи информации и т.д. Среди различных типов лазеров, лазеры на парах меди и эксимерные ArF - лазеры занимают особое место, поскольку обладают набором уникальных характеристик.
Лазер на парах меди (ЛПМ) является одним из наиболее эффективных источников когерентного излучения в видимом диапазоне спектра среди всех известных на сегодняшний день газовых лазеров [3-5]. ЛПМ имеет такое сочетание характеристик, которое делает его незаменимым в ряде областей науки, техники и медицины.
Эксимерный ArF лазер является наиболее мощным источником вакуумного ультрафиолетового излучения. Излучение лазера поглощается практически во всех материалах и может быть сфокусировано в пятно диаметром порядка длины волны, что позволяет получать высокую интенсивность и локальность воздействия лазерного луча на вещество, что особенно важно для его применений в области микрообработки материалов и фотолитографии. ArF лазер является незаменимым инструментом в офтальмологии и при нанесении брэгговских решеток в световодах.
Актуальной проблемой также является совершенствование систем импульсной накачки лазеров, являющееся необходимым условием решения целого ряда задач: увеличения выходной мощности, достижения высокой надежности, снижение габаритов и массы, создание устройств доступных для применения в промышленности, медицине и специальной технике.
Особый класс составляют генераторы импульсов с относительно небольшой пиковой мощностью (10—30 МВт), но работающие с достаточно высокими частотами повторения (10 кГц и более). Такие устройства необходимы для питания газовых лазеров, электро-разрядных систем очистки воздуха и воды, и других электрофизических установок.
Выбор коммутатора для работы с высокой частотой повторения и большой скоростью нарастания тока оказывается ограниченным. Из традиционных коммутаторов в данной области наиболее широко используются тиратроны и модуляторные лампы [3-6]. Использование газоразрядных и вакуумных ключей позволяет коммутировать напряжения до ~100 кВ и токи до ~10 кА при скоростях нарастания тока 10^100 кА/мкс, однако такие коммутаторы подвержены деградации рабочих характеристик и имеют недостаточную долговечность и надежность.
В случае промышленных применений переход к твердотельной электронике не имеет альтернативы, так как лишь в этом случае достигаются необходимые сроки службы, стабильность характеристик, мгновенная готовность к работе и технологичность создаваемого оборудования.
Таким образом, одной из важнейших и актуальных научно-технических проблем в этих областях является разработка и создание долговечных, надежных и эффективных генераторов с использованием современной твердотельной элементной базы. Ключевая задача по данному направлению исследований - разработка высоковольтного твердотельного коммутатора способного заменить тиратроны и модуляторные лампы в генераторах мощных наносекундных импульсов с высокой частотой следования.
В последние десятилетия появились и быстро развивались твердотельные ключи новых типов такие как дрейфовые диоды с резким восстановлением , SOS-диоды, динистор с глубокими уровнями и реверсивно включаемого динистора, позволившие осуществить прорыв твердотельной импульсной техники в область гигаваттых мощностей и пикосекундных длительностей [2,6]. Однако генераторы импульсов на основе данных ключей являются достаточно сложными устройствами, практическое применение которых в мегаватной области мощностей не всегда оправдано.
В последнее время произошел значительный прогресс и в области полупроводниковых коммутаторов для преобразовательной техники. Одним из наиболее перспективных приборов для рассматриваемых областей применения представляется биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT в англоязычной литературе), который по скорости нарастания тока уже не уступает многим тиратронам. Однако, поскольку БТИЗ еще остается относительно низковольтным прибором, то для создания мощных высоковольтных генераторов на его основе требуется решения проблемы эффективной и надежной работы большого числа БТИЗ с последовательным и параллельным соединением.
Цель работы
Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка, создание и исследование генераторов высоковольтных наносекундных импульсов на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, разработка принципов построения и создание высокоэффективных и надежных, полностью твердотельных генераторов высоковольтных импульсов для питания ряда электрофизических систем, таких, как импульсно-периодические газоразрядные лазеры, установки для создания электрогидродинамических потоков на основе барьерного разряда, системы очистки водной и воздушной сред, электрофизические установки для изучения взаимодействия электронных пучков и электромагнитного излучения сверхвысокой интенсивности с плазмой.
Целью диссертации является также исследование процессов в данных электрофизических системах и определение оптимальных параметров элементов и режимов работы предложенных импульсных систем питания.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в приоритетном характере основных результатов данной диссертации, перечисленных ниже в разделе III, позволивших расширить знания о проблеме создания высокоэффективных твердотельных генераторов импульсного питания электрофизических устройств на основе высоковольтного составного транзисторного коммутатора. Основные выводы диссертации получены впервые. Предложенный автором диссертации новый подход к созданию генераторов высоковольтных наносекундных импульсов на основе БТИЗ привел к появлению целого класса электрофизических приборов. Разработанные и созданные автором генераторы импульсов для питания электрофизических установок не уступают мировым аналогам, а по ряду технических характеристик превосходят их.
Научная и практическая значимость
Разработанный, созданный и исследованный автором работы составной высоковольтный полупроводниковый коммутатор на основе БТИЗ позволил в генераторах высоковольтных наносекундных импульсов с высокой частотой повторения заменить тиратроны твердотельными элементами. Основными преимуществами предложенного коммутатора по сравнению с тиратронами являются: высокая надежность и долговечность, управляемое включение и выключение, стабильность характеристик, низкие потери и сравнительно малые габариты и вес.
На основе разработанного составного твердотельного коммутатора создан генератор высоковольтных наносекундных импульсов с высокой частотой повторения. Такой генератор не содержит импульсного повышающего трансформатора, который снижает надежность работы, при этом значительно повышает массогабаритные характеристики.
Результаты экспериментов показали высокую надежность и эффективность накачки лазерных систем, которые по всем электрическим и оптическим параметрам превзошли системы питания на основе тиратронов.
Одним из основных практических преимуществ предложенного коммутатора является возможность увеличения рабочего напряжения и коммутируемого тока путем масштабирования, благодаря чему можно создавать системы с более высокой импульсной и средней мощностью.
Новый составной высоковольтный коммутатор позволил заменить газоразрядные и вакуумные коммутаторы в генераторах высоковольтных наносекундных импульсов с высокой частотой повторения, работа которых сопровождается постепенной деградацией характеристик (модуляторные лампы) и выходом из строя в силу невысокой надежности (тиратроны).
Разработаны научные основы создания твердотельных систем импульсного возбуждения для ряда широко применяемых лазеров. Новый подход был применен при создании генераторов системы накачки лазеров на парах меди и эксимерных ArF-лазеров, по ряду параметров превосходящих мировые аналоги. Разработана и реализована технология удлинения импульсов излучения эксимерных лазеров, открывающая перспективу увеличения энергии импульса и уменьшения расходимости пучка.
Созданные автором генераторы импульсов применены в ряде электрофизических установок, имеющих большое научное и практическое значение, что позволило существенно улучшить их характеристики.
Полученные автором результаты исследования и созданные при его личном участии и руководстве разработки были использованы, как в отечественных организациях: Учреждений Российской академии наук: ИЭЭ РАН, г. Санкт-Петербург, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва, ОИВТ РАН, ИОФ им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва, ИАПУ ДВО РАН г. Владивосток, ЦФП ИОФ РАН г. Троицк, моск. обл.; НПО Алмаз, г.Москва, а также РНЦ «Курчатовский институт», НПО «Астрофизика» г.Москва, НПО «Полюс» г.Москва, ООО «АлексЛаб» г.Москва, так и за рубежом: в Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), г. Тэджон, Республика Корея, в Центре лазерной обработки VTT, Technical Research Center of Finland, г. Лаппеенранта, Финляндия.
Основные положения, выносимые на защиту :
Новый подход к созданию генераторов высоковольтные импульсов наносекундного диапазона, заключающийся в использовании в качестве основного высоковольтного ключа твердотельного коммутатора, состоящего из биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно-параллельно, и работающего в режиме неполного разряда накопительного конденсатора с удвоением напряжения и последующим сжатием импульса с помощью магнитного компрессора.
Разработанные схемы и конструкции ряда составных высоковольтных твердотельных коммутаторов (рабочее напряжение - 4^35 кВ, ток в импульсе - 10^200 А, времена нарастания и спада тока - 4^50 нс) на основе последовательно-параллельно включенных биполярных транзисторов с изолированным затвором и элементов их управления.
Высоковольтный твердотельный коммутатор на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором обладает свойством линейной масштабируемости характеристик методом параллельно-последовательного соединения транзисторов.
Генератор высоковольтных наносекундных импульсов на основе твердотельного коммутатора, состоящего из последовательно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором, может эффективно использоваться для создания систем накачки лазеров на парах меди и представляет собой реальную альтернативу существующим системам, а по ряду параметров их превосходит. Получены выходные параметры лазера: средняя мощность излучения - 12 Вт, длительность импульса - 17^20 нс при частоте повторения - 15 кГц, коэффициент полезного действия - 0,7 %.
Оптимальные значения параметров режимов работы и величин элементов схемы генератора для предложенной полностью твердотельной системы накачки лазера на парах меди.
Генератор высоковольтных наносекундных импульсов на основе высоковольтного твердотельного коммутатора состоящего из последовательно-параллельно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором может эффективно использоваться для накачки эксимерного ArF лазера. Получены выходные параметры лазера: длительность импульса - до 18 нс, энергия в импульсе - до 15 мДж, средняя мощность на длине волны 193 нм - до 10 Вт при частоте повторения - 1 кГц, размер пучка - 5*12 мм , расходимость пучка - 2*4 мрад.
Система накачки эксимерного ArF лазера на основе высоковольтного твердотельного коммутатора и нелинейной формирующей линии позволяет эффективно управлять длительностью импульса накачки при сохранении малого времени нарастания импульса накачки, обеспечивая формирование более однородных самостоятельных разрядов с увеличенной длительностью и снижение расходимости пучка.
Метод регистрации и спектрометрии легких заряженных частиц на основе их транспортировки от источника к детектору в магнитном поле линейного тока, позволяющий достигать величины светосилы, близкие к предельным значениям. Результаты теоретического и экспериментального обоснования данного метода.
Генераторы на основе составного твердотельного коммутатора могут эффективно использоваться в электрофизических установках: для организации электрогидродинамических потоков на основе барьерного разряда, для очистки воздуха и воды, для исследования взаимодействия электронных пучков и электромагнитного излучения сверхвысокой интенсивности с плазмой и для систем управления электрооптическими приборами.
Личный вклад автора диссертации
Все результаты диссертации получены лично автором или при его непосредственном участии, либо под его научным руководством.
Личный вклад автора состоит в обосновании идеи работы и ее реализации путем постановки цели и задач исследования, руководства и непосредственного участия в выполнении теоретических, экспериментальных исследований, а так же обобщения результатов исследований и разработки рекомендаций по их использованию. Автор непосредственно участвовал в разработке методик измерения, построении математических моделей, анализе и интерпретации полученных результатов.
При непосредственном участии и под руководством автора работы были разработаны, созданы и исследованы целый ряд уникальных электрофизических установок.
Апробация работы и научные публикации
По материалам диссертации автором опубликованы 35 научных работ, включая 16 статей и 2 авторских свидетельства на изобретения.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Учреждений Российской академии наук: ИЭЭ РАН, г. Санкт Петербург, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва, ИОФ РАН им. А.М. Прохорова, г. Москва; НПО Алмаз, г. Москва, на семинаре по итогам проектов по программе Президиума РАН «Поддержка инноваций и разработок» Москва 2009, а также докладывались на следующих международных конференциях и симпозиумах: «Лазерные технологии XXI века» (2007, Москва, РФ), "Лазеры на парах металлов" (2008 и 2010, Лоо, РФ), 17-я международная конференция по лазерным технологиям Advanced Laser Technologies ALT'09 (2009, Анталия, Турция), International Simposium on Optical and Optoelectronic Applied Science and Engineering, (1986 Quebec, Canada), 37-е совещание "Ядерная спектроскопия и структура атомных ядер" (1987, Юрмала), "International Conference on Computer, Electrical, and Systems Sciences, and Engineering" (ICCESSE 2011, Бангкок, Таиланд), на 8-й конференции Power Electronics - (ECCE Asia, 2011, Jeju, Korea), 8-й международной конференции Nanosciences & Nano- technologies (NN11, 2011, Салоники, Греция).
Объем и структура работы
Генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе твердотельных коммутаторов
В настоящее время наблюдается быстрый прогресс в области создания новых типов полупроводниковых коммутирующих элементов, среди которых можно выделить: динисторы с глубокими уровнями, реверсивно включаемые динисторы, дрейфовые диоды с резким восстановлением, SOS-диоды. Продолжается совершенствование и традиционных полупроводниковых коммутаторов, таких как тиристоры, мощные биполярные и МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник), биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)
Основным фактором, ограничивающим быстродействие полупроводникового ключа, является низкая скорость дрейфа носителей в кремнии, а также протяженная область пространственного заряда, необходимая для блокировки напряжений более 1000 В. Это ограничение удалось преодолеть в результате исследований формирования быстрого ударно-ионизационного фронта в обратно смещенном кремниевом п-р-переходе при быстром нарастании избыточного напряжения, проводимых в ФТИ им. А.Ф.Иоффе [23]. Основанный на этом эффекте коммутатор был назван динистором с глубокими уровнями [24]. Коммутатор обеспечивает субнаносекундные времена переключения, а также высокие удельные мощности и эффективность. Генераторы импульсов на основе обратного восстановления диода были известны давно. Для таких коммутаторов характерно либо низкая пиковая мощность, либо достаточно большое время переключения (десятки не). Исследования, проводимые в ФТИ, позволили осуществить прорыв и в области размыкающих ключей. Специальные технология и геометрия диодной структуры, а также форма накачивающего импульса тока (в прямом направлении) позволили добиться ситуации, когда на стадии обратного тока, движущиеся плазменные фронты встречаются точно в плоскости р-п-перехода. В результате кардинально увеличивается скорость обрыва тока. Такие размыкатели получили название дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДРВ) и позволили реализовать обрываемую мощность до 108Вт при частотах следования импульсов до 104 Гц [26-30]. Оказалось также, что технологический разброс параметров ДДРВ достаточно мал и позволяет соединять последовательно несколько приборов и таким образом генерировать напряжения в несколько десятков кВ. Плотность прерываемого тока в ДДРВ ограничена величиной около 200 А/см , однако путем увеличения площади структур достигаются токи до 1 кА.
Эксперименты с полупроводниковыми прерывателями тока, проводимые в начале 90-х в ИЭФ УрО [31], показали, что при определенном сочетании плотности прямого и обратного тока и времени его протекания через полупроводниковую структуру время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц не, а плотности тока при этом достигают десятков кА/см2. Этот эффект (отличный от ДДРВ) получил название SOS-эффекта (от Semiconductor Opening Switch) [32].
Теоретические исследования, выполненные там же [32,33], показали, что при SOS-эффекте обрыв тока происходит не в низколегированной базе, а в узких высоколегированных областях полупроводниковой структуры. База и р-n переход структуры при этом заполнены плотной избыточной плазмой. В сочетании эти эффекты обеспечивают, как высокую плотность обрываемого тока, так и наносекундные времена его отключения. Другая особенность SOS-эффекта - автоматическое равномерное распределение напряжения по последовательно соединенным структурам дает возможность создавать составные прерыватели тока [35].
Перечисленные качества SOS-эффекта позволили разработать мощные наносекундные генераторы с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами: выходные напряжения до 1 MB, средние мощности в десятки кВт, токи в единицы и десятки кА и импульсные мощности гигаваттного уровня [36-38]. SOS-диоды позволяют получать плотность тока до 10 А/см2 и обрываемую мощность до 1010 Вт.
К общим недостаткам ДДРВ - и SOS-ключей можно отнести то, что эти приборы являются скорее обострителями импульсов. Отсутствие управляющего электрода требует применения специального генератора двуполярных импульсов, с током близким по величине с коммутируемым. Применение магнитных компрессоров весьма эффективное в одних, случаях, имеет очевидные недостатки - высокие потери энергии, а также большая и нестабильная задержка.
Самым мощным полупроводниковым ключом в миллисекундном диапазоне достаточно долго оставался тиристор. Однако, уже в микросекундном диапазоне коммутируемая тиристором мощность значительно снижается из-за локализации процесса включения в узком слое около управляющего электрода и малой скорости распространения-включенного состояния.
Преодолеть эту проблему позволил комплекс исследований, выполненных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе [39, 40]. Для формирования начального слоя электронно-дырочной плазмы равномерно, распределенного в плоскости, коллекторного р-п - перехода, был применен метод кратковременного изменения полярности приложенного напряжения. Кроме того, анодный эмиттер ключа был выполнен в виде чередующихся участков п+ и р+ типа, дополнительно введенных в тиристорную структуру. В результате было достигнуто чрезвычайно равномерное распределение коммутационного тока по сечению [40]. Для блокировки поступления включающего импульса в нагрузку используется насыщающийся дроссель. Разработанные ключи, получившие название реверсивно-включаемых динисторов (РВД) [41], имеют рекордные для микросекундного диапазона значения скорости нарастания и амплитуды коммутируемого тока. Достигнуты токи более 200 к А с перспективой увеличения до 106А, и скорости нарастания тока более 50 кА/мкс [42]. Типичное блокируемое напряжение составляет 2 кВ, однако РВД допускают последовательное соединение (что было трудноосуществимо для тиристоров) и, следовательно, коммутацию напряжений в десятки кВ [43-49].
При переключении импульсов тока микро и субмикросекундного диапазона длительности коммутационные возможности РВД превышают возможности лучших современных тиристоров [50-57] на порядки величины. К недостаткам РВД можно отнести следующие их особенности: необходимость в коротком импульсе тока прямой накачки приводит к усложнению генератора с прерывателем тока, поскольку требуется использовать достаточно мощные схемы накачки; являясь только замыкающим ключом, РВД не может применяться генераторах с частичным. разрядом накопительного конденсатора; диапазон параметров уже производящихся серийно ключей данного типа недостаточно широк, что в ряде случаев может затруднять выбор для разработчика. Поэтому, несмотря на более скромные предельные коммутационные возможности, применение БТИЗ оказывается эффективным для тех областей, где на первый план выходят их основные особенности: низкая мощность цепи управления, возможность управляемого выключения, высокие частоты повторения импульсов и др.
Генератор наносекундных импульсов с высоковольтным транзисторным коммутатором и магнитным компрессором
Описанный в 2.1. составной твердотельный коммутатор не может быть применен для непосредственной генерации высоковольтных наносекундных импульсов методом коммутации постоянного высокого напряжения на нагрузку. Данное ограничение связано с величиной скорости нарастания тока через отдельный БТИЗ коммутатора, которая составляет около 2 А/нс. Повышение скорости нарастания тока может быть достигнуто несколькими различными способами: - применением другой модели БТИЗ имеющей более высокие коммутационные параметры. - соединением в параллель транзисторов составляющих высоковольтный твердотельный коммутатор. - применением в схеме генератора специальных схемотехнических решений позволяющих сократить времена нарастания и длительность импульса, полученного на выходе коммутатора. Скорость нарастания тока для одиночного БТИЗ составляет около 1000 А/мкс. Для получения большей скорости нарастания импульса тока представляется возможным два подхода.
Первый подход заключается в параллельном соединении достаточно большого числа транзисторов, что позволяет в соответствующее число раз увеличить скорость нарастания. Достоинством такого подхода является минимальная величина и разброс времени задержкиии и значительное упрощение схемы генератора наносекундных импульсов.
Недостатком является усложнение и увеличение мощности схемы управления, так как пропорционально возрастают все межэлектродные емкости. Использование большого числа дорогостоящих транзисторов в одном коммутаторе увеличивает стоимость генератора и может быть экономически неоправданно.
Вторым подходом является применение системы магнитного сжатия импульсов. Например применние при построении коммутатора исключительно последовательного соединения БТИЗ и двухзвенной системы магнитного сжатия становится возможным достижения скоростей нарастания импульса тока (до 10000 А/мкс), что является достаточным для возбуждения ряда газоразрядных лазеров (лазер на парах меди, эксимерные лазеры).
Способ повышения скорости нарастания тока, предлагающий применение другой модели БТИЗ с более высокими коммутационными параметрами, связан с общим прогрессом в области технологий построения биполярных транзисторов с изолированным затвором. Данный способ может быть легко применен разработчиком исходя из анализа характеристик той или иной модели БТИЗ предлагаемой производителями на момент проектирования составного коммутатора.
Параллельно-последовательное соединение БТИЗ, составляющих высоковольтный твердотельный коммутатор позволяет распределить коммутируемый ток между транзисторами, что приводит к повышению предельно допустимого рабочего тока всего составного коммутатора в целом. Как следствие деления тока между параллельно соединенными БТИЗ коммутатора, одно и то же значение тока будет коммутировано за меньший промежуток времени, нежели в коммутаторе без параллельного соединения БТИЗ. Большинство моделей БТИЗ, представленных в широкой продаже имеют отрицательный температурный коэффициент, что позволяет легко реализовать описанный выше подход.
Для уменьшения времен нарастания и длительности импульса, полученного на выходе коммутатора, помимо изменения рабочих характеристик самого коммутатора непосредственно, представляется возможным использовать в схеме генерации высоковольтных наносекундных импульсов различных схемотехнических решений. Применение такого подхода позволяет понизить требования к скорости нарастания тока через коммутирующий элемент. К недостаткам такого метода можно отнести увеличение численности составных элементов генератора, необходимость обеспечения их согласованной работы и некоторое снижение КПД схемы в общем, за счет тепловых потерь в дополнительных элементах.
С учетом особенностей высоковольтного твердо гельного коммутатора, была предложена схема генератора высоковольтных наносекундных импульсов (рис. 2.15) [95, 96, 103]. Возможность управляемого выключения нового ключа и гальваническая развязка цепей управления позволяет реализовать простейшую схему модулятора с частичным разрядом накопительного конденсатора, характерную для модуляторов на электронных лампах, где ключ включен непосредственно между нагрузкой и источником постоянного напряжения.
В отличие от модуляторов на основе электронной лампы оба электрода твердотельного ключа могут быть под потенциалом, а отрицательный электрод накопительного конденсатора заземлен, что исключает ряд громоздких и потребляющих мощность элементов цепей заряда накопительного конденсатора. Как видно из рис. 2.15, генератор состоит из высоковольтной накопительной емкости Су, составного твердотельного коммутатора, зарядной индуктивности Lj и N-ro количества последовательно соединенных звеньев магнитной компрессии импульсов.
Накопительная емкость С/ служит для первичного запасания энергии и демпфирования провалов напряжения возникающих при передаче энергии в схему магнитной копрессии в процессе работы генератора. На ней поддерживается постоянное высокое напряжение. Ее величина завсисит от необходимого уровня средней мощности генератора и требований к стабильности параметров выходного сигнала.
Конструкция лазера на парах меди с твердотельной системой накачки
Низковольтные схемы системы накачки расположены около заземленного электрода активного элемента, на заземленной пластине. Здесь же располагается устройство управления твердотельным ключем. Разводка электрических плат выполненна с учетом их помехозащищенности, что особенно важно для надежной работы в условиях генерации сильных внешних электромагнитных полей, источниками которых являются элементы силовой части системы накачки.
Высоковольтный твердотельный ключ, состоящий из шести последовательно соединенных модулей закреплен на электроизолирующей подложке, обеспечивающую необходимую электрическую прочность конструкции как по объему, так и по поверхности. Конструкция двухступенчатой системы магнитного сжатия импульсов представлена нарис. 3.2. Каждая из нелинейных индуктивностей магнитного компрессора выполненна на основе четырех ферритовых сердечников тороидальной формы с внешним диаметром 40 мм и площадью поперечного сечения 92 мм\ Материал сердечников - НМ2000. Обмотка каждого ферритового кольц состоит из двух параллельных иолуобмоток. Обмотки всех колец нелинейной индуктивности соединены последовательно.
Такая конструкция нелинейных индуктивностей системы магнитного сжатия импульсов позволяет распределить напряжение, прикладываемое к нелинейному дросселю между всеми витками обмотки, что снижает требования к уровню электрической прочности изоляции обмотки, позволяет распределить тепловую нагрузку ферритового материала и способствует лучшему отводу тепловых потерь на перемагничивание. Благодаря незначительному весу дросселей системы магнитного сжатия становится возможным отказ от дополнительных креплений и использование конденсаторов магнитного компрессора в качестве несущей конструкции.
Конструктивно система накачки медного лазера была выполнена в виде единого электронного блока смонтированного в корпусе с габаритными размерами 1000x480x360 мм. С панели управления расположенной на внешней стенке корпуса осуществляется регулирование напряжения и частоты следования импульсов накачки в диапазоне ±10% о г номинальных значений 11 кВ, 15 кГц. Активный элемент помещен в металлический кожух, который образует малоиндуктивную коаксиальную конструкцию разрядного контура (рис. 3.3). Уменьшение индуктивности разрядного контура позволяет снизить длительность фронта, увеличить амплитуду тока импульсов накачки, а, следовательно, повысить мощность генерации.
Все тепловыделяющие элементы генератора имеют принудительное воздушное охлаждение. Для достижения наиболее эффективной работы системы накачки лазера на парах меди необходимо обеспечить согласованную работу элементов, ее составляющих и минимизировать возникающие при этом потери энергии.
Временная стабильность следования импульсов накачки является важным параметром, поскольку системы ЛПМ высокой яркости строятся по схеме задающий генератор - усилитель мощности, где недостаточная синхронизация приводит к нестабильности выходной мощности.
Основным источником временной нестабильности (так называемого джиттера) в данном генераторе импульсов является флуктуация начальной магнитной индукции в сердечниках магнитного компрессора о г импульса к импульсу. Было обнаружено также, что на джиттер влияет несогласованность нагрузки и магнитного компрессора, приводящая к возникновению отраженного импульса. Для устранения данного эффекта автором диссертации было предложено осуществлять принудительное перемапшчивание дросселей магнитного компрессора постоянным гоком. Разработано специальное устройство для перемагничивания и проведены исследования режимов работы системы накачки ЛПМ при различных значениях тока перемагничивания.
Блок перемагничивания сердечников дросселей магнитного компрессора представляет собой импульсный двухфазный преобразователь со стабилизацией тока на выходе. Частота преобразования - 200 кГц, максимальный ток 20 А при падении напряжения на нагрузке 6 В.
Схема источника тока представлена на рис. 3.4. Данное устройство перемагничивания рассчитано на максимальный ток в 20 А и состоит из трех плат: материнской и двух других плат, каждая из которых обеспечивает среднюю величину тока в 10 А.
Конструкция выполненна в виде единого блока в котором размещены все три платы. Петля перемагничивания образована одним витком провода в высоковольтной изоляции пропущенным через все сердечники дросселей магнитного компрессора и подключена через разделительный дроссель к источнику тока. В ходе экспериментов было получено несколько зависимостей, позволяющих выбрать оптимальное значение тока перемагничивания. На рис. 3.5 представлена зависимость джиттера импульсов тока через активный элемент от момента времени в течение прогрева- при различных значениях тока перемагничивания. Верхняя кривая (1) получена при нулевом токе перемагничивания. Кривая (2) при токе 5 А, (3) - при токе 10 А. Минимальное значение джиттера получено при токе 10 А, дальнейшее увеличение тока не оказывало существенного влияния.
Схема и конструкция генератора накачки эксимерного лазера
Генератор высоковольтных наносекундных импульсов выполнен на основе полностью твердотельной элементной базы. Блок генератора содержит ВТК со схемой управления, двухзвеннуто систему магнитной компрессии импульсов, блок управления и контроля. Функциональная схема генератора представлена па рис. 4.4. Главной особенностью предложенной схемы генератора импульсов для питания эксимерного лазера является применение высоковольтного твердотельного коммутагора (обведен пунктиром на рис. 4.4) [96, 97, 108]. Высоковольтный твердотельный коммутатор является полностью управляемым (включение и выключение) и состоит из 32 (Z/ - Z32) параллельно-последовательно включенных биполярных транзисторов с изолированным затвором, управление которыми осуществляется посредством трансформаторов Tj - Т16.
Такая схема включения БТИЗ обеспечивает гальваническую развязку цепи управления от входа и выхода ВТК, что позволяет реализовать достаточно простую схему генератора с удвоением напряжения за счет неполного разряда накопительного конденсатора. Высокая синхронность срабатывания БТИЗ позволила избежать специальных RC-цепей (снабберов) в ВТК, что привело к повышению его быстродействия и снижению общих потерь в коммутаторе.
При подаче импульса управления генератором Ui ВТК открывается, в результате происходит резонансный заряд конденсатора С2 через дроссель Z,/. Длительность управляющего импульса подбирается таким образом, чтобы момент закрытия ВТК совпал с моментом достижения напряжением на С? своего максимального значения. При этом ток через ВТК близок к нулю, что приводит к значительному снижению коммутационных потерь.
При разработке конструкции магнитного компрессора особое внимание уделено снижению паразитной индуктивности монтажа. Эта задача была успешно решена за счет специальной конструкции звеньев магнитного сжатия импульсов. Использование, обратного токопровода в виде широких шин, расположенных по обе стороны системы магнитного сжатия, уменьшает индуктивность цепи и снижает интенсивность электромагнитных наводок.
Особенность конструкции дросселей звеньев заключается в способе намотки его витков. Обмотка ферритовых дросселей выполняется отдельно на каждый сердечник звена. Это дает возможность отказаться от высоковольтной изоляции обмоток в силу естественного распределения напряжения по сердечникам дросселя, что в свою очередь снижает индуктивность рассеяния и повышает коэффициент сжатия [99].
Высоковольтный твердотельный коммутатор для генератора накачки эксимерного ArF лазера рассчитан на рабочее напряжение 16 кВ и импульсный ток до 200 А. Коммутатор имеет модульную конструкцию и состоит из четырех последовательно соединенных модулей, рабочее напряжение каждого из которых - 4 кВ.
Такая конструкция коммутатора обеспечивает возможность реализации различных компоновок модулей и позволяет оптимальным образом адаптировать конструкцию, ВТК под габариты конкретной электрофизической установки. В данном случае, автором диссертации применена компоновка модулей ВТК, изображенная на рис. 4.5.
Поскольку, теплоотводы охлаждающие БТИЗ коммутатора, имеют электрический потенциал равный потенциалу коллектора охлаждаемого БТИЗ, то основной задачей решаемой при использовании такой компоновки, является задача обеспечения электрической прочности между различными частями ВТК. В настоящей работе эта задача успешно решена путем использования в конструкции генератора электроизоляционных материалов и набором необходимых для обеспечения электрической прочности зазоров по воздуху и по поверхности конструкций [99, 185].
При разработке платы, содержащей линейку защитных диодов D\-Di6, ставилась цель уменьшения габаритных размеров генератора. В результате была предложена специальная конструкция линейки, в которой повышенную плотность расположения защитных диодов удалось получить благодаря прорезям в печатной плате, которые обеспечивают необходимую электрическую прочность и препятствуют развитию электрического пробоя по поверхности платы. Зарядный дроссель L; интегрирован в плату диодов.
Максимальная частота повторения импульсов генератора определяется временем восстановления напряжения на накопительном конденсаторе (т.е. мощностью высоковолыного источника) и эффективностью отвода тепла от элементов ключа и магнитного компрессора. При использовании источника мощностью 2500 Вт и принудительного воздушного охлаждения была продемонстрирована надежная работа при частоте повторения 2 кГц.
Форма напряжения на выходе генератора представлена осциллограммой III (см. рис. 4.6а). Длительность фронта нарастания по уровню 10% - 90% составила 70 не. Пиковое значение напряжения равно 28 кВ. Более высокое пиковое значение напряжения относительно конденсатора С3 обусловлено меньшей емкостью конденсатора С/. Таким образом, коэффициент сжатия (определяемый, как отношение длительностей импульсов по полувысоте для двух соседних звеньев) составил около 4 и 1,4 для первого и второго звеньев, соответственно. На рис. 4.66 представлена осциллограмма напряжения на выходе генератора при его работе на активную нагрузку сопротивлением 30 Ом. Длительность фронта нарастания импульса напряжения по уровню 10% - 90% составила 60 не; пиковое напряжение 20 кВ. Генератор прошел успешные испытания на эксимерном лазере модель CL5000 (разработка Центра Физического Приборостроения ИОФ РАН). На рис. 4.7 представлена фотография генератора высоковольтных импульсов для питания эксимерного лазера, смонтированного па камере эксимерного лазера CL5000. На рис. 4.8а представлена осциллограмма напряжения на разрядном промежутке камеры эксимерного лазера. Наблюдаемое незадолго до пикового значения замедление скорости нарастания напряжения обозначает момент срабатывания барьерного предыонизатора. Величина пикового значения напряжения определяется давлением и составом рабочей смеси лазера [175-177]. Длительность фронта нарастания напряжения по уровню 10% - 90% составила 70 не; пиковое напряжение 24 кВ. Генератор надежно работал на частотах повторения импульсов до 2 кГц при амплитуде выходного импульса в пределах 20 — 27 кВ (зависит от давления в лазерной камере). При максимуме входного напряжения (16 кВ) энергия, передаваемая в нагрузку в импульсе, составляет 1,1 Дж.
