Одним из основных путей повышения КПД и мощности излучения ЛПМ является улучшение условий накачки (возбуждения) активной среды АЭ. Улучшенные условия возбуждения достигаются при повы шении амплитуды напряжения и разрядного тока в АЭ, уменьшении полной длительности и длительности фронта импульсов тока и соот ветственно увеличении скорости нарастания (крутизны) тока. Эти ха рактеристики импульсов возбуждения существенно зависят от испол нения электрической схемы высоковольтного модулятора (генератора) наносекундных импульсов накачки источника питания.  |
На рис. 3.2 представлены принципиальные электрические схемы высоковольтного модулятора, которые использовались при эксперимен тальных исследованиях АЭ серии «Кристалл» [25, 26, 124, 127-132, 154-158, 160, 162, 164-168, 171, 173, 174]. В схемах а, 6, в и г в качестве высоковольтного импульсного коммутатора применялись водоохлаждаемые водородные тиратроны типа ТГИ1-2000/35 и ТГИ1- 2500/50 [176]. Долговечность тиратронов в зависимости от схе мы исполнения модулятора и коммутируемой мощности составля ет 100-1000 ч. При ЧПИ выше 11-12 кГц данные тиратроны работают неустойчиво, что проявляется в переходах из импульсного режима в режим непрерывного дугового горения разряда. Для обеспечения работы на высоких ЧПИ (до 21 кГц) применяли водоохлаждаемые водородные таситроны типа ТГУ2-1000/25. В электрической схеме д в качестве импульсного коммутатора используется водоохлаждаемая вакуумная лампа ГМИ-29А-1, позволяющая формировать короткие им пульсы накачки с ЧПИ КЯ-Ю2 кГц [212]. Наши экспериментальные результаты и результаты других исследо вателей однозначно показывают, что чем меньше общая длительность импульсов разрядного тока и его фронта, тем выше эффективность ЛПМ [2, 3, 9, 10]. Максимальные КПД и мощности излучения до стигаются при длительности тока, соизмеримой с длительностью им пульсов излучения. Но, с другой стороны, возбуждающие импульсы тока в саморазогревных АЭ обеспечивают и нагрев разрядной трубки с рабочим веществом (медью) до 1 6 0 0 - 1 7 0 0 ° С , поэтому необходимо соблюдать определенные соотношения между длительностью импуль сов тока, их амплитудой и ЧПИ. Электрическая схема исполнения модулятора наносекундных им пульсов, изображенная на рис. 3.2, а, является самой простой схемой для возбуждения активной среды ЛПМ. Эту схему называют прямой, в некоторых работах — классической или традиционной. Название «прямая схема» в большей степени отражает ее физическую сущность. Работа прямой схемы была рассмотрена во многих работах, но болееподробно — в [56]. Схема работает в режиме полного разряда накопи тельного конденсатора через тиратрон. В этой схеме происходит резо нансная зарядка накопительного конденсатора с емкостью С н а к через нелинейный зарядный дроссель с индуктивностью Ь3 « 0,5 Гн и шун тирующий дроссель с индуктивностью Ьш « 60 мкГн от высоковольтно го выпрямителя (ВВ). Использование дросселя Ь3 в качестве зарядной линии позволяет увеличить напряжение на конденсаторе С н а к ДО значе ний, вдвое превышающих напряжение на ВВ. В реальных условиях ра боты напряжение на Снак в результате перезарядки увеличивается еще на 20% и более. Чем больше рассогласование между модулятором и АЭ, тем большее напряжение будет на Снак- Например, с ростом давления буферного газа сопротивление АЭ возрастает и степень перезарядки накопительного конденсатора уменьшается, что вызывает уменьшение мощности, потребляемой от выпрямителя. Индуктивность дросселя Ьш составляет обычно 4 0 - 8 0 мкГн — этого значения достаточно, что бы не шунтировать разряд А Э во время коммутации. Кроме того, дроссель с индуктивностью Ьш закорачивает разрядный промежуток АЭ в течение межимпульсного периода. Обострительный конденсатор с емкостью С0б, подключенный параллельно АЭ, выполняет функцию обострения фронта импульсов тока, т.е. увеличения скорости нарас тания тока. Одна клемма обострительного конденсатора подключается непосредственно к катоду (высоковольтному электроду) АЭ, а другая, через коаксиальный металлический (медный или алюминиевый) то- копровод, к его аноду. Индуктивность такого контура незначительна и составляет 0,5-2 мкГн. Обычно оптимальная емкость С0б в 3-5 раз меньше емкости Снак- Обострительная емкость в совокупности с обрат ным токопроводом дает увеличение мощности излучения на 10-20%. Несмотря на простоту, прямая схема не всегда может быть исполь зована, так как накачка АЭ при ее применении неэффективна. Это обусловлено тем, что в процессе разряда тока тиратрон, накопительный конденсатор и АЭ оказываются включенными последовательно, т. е. они образуют единый разрядный контур, и параметры импульсов прямо зависят от скорости развития разряда в тиратроне [176]. В первом промышленном Л П М «Криостат» модулятор источника питания ИП-18 был выполнен по прямой схеме. При накопительной емкости Снак = 2200 пФ и ЧПИ 10 кГц средняя мощность излучения составляет 3-5 Вт, а практический КПД 0,15-0,2%. Одной из основ ных причин низкого КПД является большая длительность импуль сов разрядного тока ( ^ 2 5 0 не). Большой объем экспериментальных исследований с применением прямой схемы исполнения модулятора приведен выше в гл. 2 для отпаянного АЭ ГЛ-201. В диапазоне ЧПИ 3-18 кГц, емкостей Сн а к = 1320-6800 пФ и давлений буфер ного газа 50-760 мм рт.ст. длительность фронта и общая длитель ность импульсов тока составляли соответственно 70-150 и 200-400 не при амплитудах 150-350 А. Импульсы тока через АЭ регистрировались поясом Роговского, работающим в режиме трансформатора тока (ТТ), импульсы напряжения — компенсированным делителем напряжения (ДН) и осциллографом С1-75 (см. рис. 3.2, а). Так как длительности импульсов тока при прямой схеме накачки в 5-6 раз, а в некоторых случаях и на порядок больше длительности импульсов излучения, то нельзя было ожидать высоких КПД и мощности излучения. КПД составлял около 0,5% при мощностях излучения 12-15 Вт. В этой схе ме незначителен и срок службы тиратронов (из-за больших стартовых потерь) — 100-400 ч. Для обеспечения устойчивой работы тиратрона необходимо стабилизировать напряжения накала его водородного ге нератора и катода. Тем не менее данная схема применялась в ЛПМ примерно в течение 15 лет, до начала 1980-х гг. Для получения же высоких КПД и мощности излучения необхо димо общую длительность импульсов тока уменьшать до 50-100 не при длительности фронта до 10-30 не, т.е. до значения, близкого к времени существования инверсии. Такие характеристики практиче ски невозможно получить в описанной выше прямой схеме исполнения модулятора, так как тиратрон не может коммутировать большие сред ние мощности при работе с короткими импульсами тока, следующими с большой частотой. Первая в России (СССР) работа, в которой были существенно улуч шены условия возбуждения ЛПМ, была опубликована в 1983 г. [124]. Принципиальная электрическая схема импульсного модулятора накач ки, примененная в работе [124], представлена на рис. 3.2, б. Эта схема позволяет удваивать амплитуду напряжения и уменьшать в два раза длительность импульсов тока. В схеме применен импульсный авто трансформатор и звено магнитного сжатия на ферритах (нелинейный насыщающийся дроссель). Импульсный автотрансформатор с коэффи циентом трансформации 1:2 выполнен на основе шести ферритовых колец марки 400НН с размерами К 125х80х 12 мм и зазорами между ними (1 мм) для улучшения охлаждения. Обмотка выполнена кабелем с фторопластовой изоляцией ПВТФЭ, число витков — 23. Оплетка и центральная жила соединены последовательно. Витки изолированы друг от друга и от ферритового сердечника с помощью фторопластовых колец с пазами. Трансформатор работал с принудительным воздушным охлаждением. Нелинейный дроссель с индуктивностью 1/2 состоял из 70 ферритовых колец 3000НМА с размерами К 1 6 х 8 х 6 м м с пропу щенным через них медным проводом. Дроссель помещался в стеклян ную трубку диаметром 30 мм и охлаждался проточной водой. Емкость накопительного конденсатора Сн а к составляла 2200 пФ, рабочего — Снак/4 « 600 пФ, обострительного — С0б ~ 165 пФ. В работах [124, 129-132, 154] схема с трансформаторным удвоением напряжения и звеном магнитного сжатия использовалась для повышения эффективности возбуждения АЭ «Кристалл» типа ГЛ-201 и ГЛ-201Д. В работе [154] импульсный автотрансформатор выполнен на трех ферритовых кольцах марки 200НН с размерами К 180х 110x20 мм. Между кольцами с помощью картонных прокладок образован воздушный зазор (2-3 мм). Обмотка выполнена проводом с сечением медной жилы 1,5 мм2, число витков — 16. Для изоляции провода от сердечника и витков друг от друга использовались диски из листового оргстекла с отверстиями для протягивания обмоточного провода. Этот трансформатор более надежен по электрической прочности, чем использованный в работе [124]. Конструкция нели нейного дросселя (1/0, приведенная в [154], более простая — водоохлаждаемая медная трубка с нанизанными на нее ферритовыми кольцами М1000НМ с размерами К 20 х 12x6 мм, количество которых достигает 150. Схема б на рис. 3.2 работает следующим образом. От высоковольт ного выпрямителя через дроссель Ь3 и входную обмотку автотранс форматора Тр осуществляется резонансная зарядка конденсатора Снак. После открытия тиратрона конденсатор С н а к перезаряжается через входную обмотку автотрансформатора Тр на конденсатор С н а к / 4 . Па раметры дросселя Ь подбирались так, чтобы он входил в насыщение только после полной зарядки конденсатора с емкостью С н а к / 4 . По сле насыщения дросселя Ь происходит быстрая разрядка конденса тора Сн а к /4 на С0б и через АЭ. В связи с тем что рабочей емкостью для АЭ является емкость С н а к / 4 , общая длительность импульса тока через АЭ получается в два раза меньше, чем при прямой схеме, где ра бочий конденсатор С н а к разряжается непосредственно на АЭ через ти ратрон. Тиратрон при этом работает в облегченном режиме по скорости нарастания тока, так как нагрузкой является не АЭ, а входная обмотка трансформатора Тр. Срок службы тиратронов возрастает до 1000 ч и более. Эта схема (б) устойчиво работала на ЧПИ от 3 до 13 кГц со средней коммутируемой мощностью до 5 кВт. Длительность фронта импульсов возбуждающего тока в зависимости от параметров схемы могла меняться от 25 до 100 не, амплитуда — от 0,2 до 1,0 кА при изменении напряжения на АЭ от 15 до 30 кВ. Впервые в [124] мощность излучения АЭ ТЛГ-5 («Криостат») со схемой б на ЧПИ 8 кГц была увеличена с 5 до 10 Вт (в два раза), ГЛ-201 — с 10 до 18 Вт. Схема в на рис.3.2 [204] по принципу работы и эффективности возбуждения практически не отличается от схемы б. Но с точки зрения конструктивного исполнения она проще и приводит к меньшим потерям мощности. Это связано с тем, что удвоение напряжения в случае ис пользования схемы в (схема Блумлейна [204]) осуществляется на вы сокочастотных конденсаторах с малыми потерями. В схеме б в фер- ритовом трансформаторе Тр рассеивается около 10% коммутируемой тиратроном мощности, что требует дополнительного (принудительного) воздушного охлаждения. В схеме в осуществляется резонансная заряд ка рабочих конденсаторов с емкостью Снак/2 от высоковольтного вы прямителя ВВ через зарядный дроссель (Ь3), нелинейный дроссель (Ь) и воздушный (Х/о)- Один из рабочих конденсаторов с емкостью Снак/2 (верхний на схеме) подключен к «земле» через дроссели Ь и Ьш, а другой (нижний) — напрямую. После открытия тиратрона нижний конденсатор С н а к / 2 перезаряжается (инвертируется) и в результате на последовательно включенных конденсаторах напряжение удваивает ся. После насыщения дросселя Ь (как и в схеме б) происходит быст рая разрядка рабочих конденсаторов с общей емкостью Сшк/4 на С0б и через АЭ. Нелинейный дроссель Ь (тирактор), предназначенный для снижения стартовых потерь в тиратроне [176], представляет собой водоохлаждаемую медную трубку с нанизанными на нее ферритовыми кольцами, например, М1000НМ с размерами К 2 0 х 1 2 х 6 мм, количе ство которых достигает 20-30. Такой тирактор задерживает развитие анодного тока тиратрона по отношению к напряжению на 5 0 - 7 0 не. При большей задержке, с одним звеном сжатия, характеристики им пульсов накачки АЭ ухудшаются. Дроссель Ь$ необходим для согласо вания времени перезарядки нижнего конденсатора Снак/2 с задержкой развития разряда в АЭ и составляет единицы микрогенри. Схема в на рис. 3.2 с емкостным удвоением напряжения практиче ски не имеет принципиальных ограничений по коммутируемой мощно сти, что важно для накачки АЭ с большой потребляемой мощностью. Для этого необходимо, во-первых, увеличить длительность импульсов анодного тока тиратрона в два раза и более (до 300-400 не) и во столь ко же раз — его амплитуду, что приводит к снижению стартовых потерь до минимума (за счет увеличения индуктивности Ь), и, во-вторых, увеличить число магнитных звеньев сжатия для последующего умень шения длительности импульсов тока до минимального значения [216, 217]. На рис. 3.2, г представлена схема с двумя звеньями магнитного сжатия. Самый мощный отечественный тиратрон ТГИ1-2500/50 в дан ной схеме позволяет коммутировать средние мощности до 8-10 кВт. В такой схеме тиратроны работают в облегченном режиме (в режиме минимальных потерь) и срок их службы составляет 1500-2000 ч. Неоспоримыми достоинствами вакуумных ламп как управляемых приборов являются возможность формирования фронтов импульсов то ка длительностью 10-20 не при общей длительности 40-70 не и работа при ЧПИ КЯ-Ю2 кГц. Основной недостаток вакуумных ламп — срав нительно малые значения максимальной амплитуды импульсов анодно го тока из-за ограничения по току насыщения. В случае использования лампы ГМИ-29А-1 амплитуда импульсов тока не превышает 300 А, а значения коммутируемой средней мощности — 4,5-5 кВт. В схеме д лампа ГМИ-29А-1 работает в режиме с частичным разрядом накопи тельной емкости Снак. В настоящее время ведутся работы по замене водоохлаждаемых во дородных тиратронов и вакуумных ламп на более компактные твердо тельные коммутаторы [9, 10]. В работе [213] был рассмотрен источник питания с применением тиристорных ключей с потребляемой мощно стью 1кВт, обеспечивающий паспортный режим работы для АЭ «Ку лон ЬТ-1.5Си» [26]. Авторы [213] предполагают разработку такого источника питания и для АЭ «Кулон ЬТ-5Си» [26]. Создан источник питания с транзисторным ключом для накачки СиВг-лазера [214]. Коммутируемая мощность составила 0,66 кВт, мощность излучения — 0,5 Вт. Группой специалистов ЗАО «Материалы микроэлектроники» соз дан двухканальный транзисторный источник питания для ЛПМ «Ку лон- 15» на основе двух АЭ «Кулон ЬТ-ЮСи» [218], работающих по схе ме ЗГ-УМ. В каждом канале с двумя импульсными трансформаторами и тремя магнитными звеньями сжатия формируются импульсы напря жения с амплитудой ~ 1 7 кВ и импульсы тока с амплитудой ^ 2 5 0 А и длительностью около 100 не при ЧПИ 12-16 кГц. Мощность каждого канала 2,5 кВт. В работе [215] сообщается о создании импульсного источника питания на транзисторных ключах с коммутируемой мощно стью до 25 кВт для накачки 280-ваттного гибридного лазера на парах меди (Си-Ые-НВг). |
