Состав лазера В НПП «Исток» в период до 1990 г. было выпущено около 100 про мышленных отпаянных Л П М «Криостат» (ЛГИ-201), большая часть которых комплектовалась перестраиваемым по длинам волн лазером на растворах красителей марки ЛЖИ-504 (А = 530-900 нм). Но из- за низкой эффективности (КПД 0,15-0,25%, Ртл = 3-6 Вт) и малой гарантированной наработки (~ 200 ч), плохого качества излучения (#реал ~ 3 мрад) применение отпаянного лазера ЛГИ-201 стало нецеле сообразным. В 1990 г. был разработан промышленный отпаянный ЛПМ «Курс» (ЛГИ-202), выходные параметры которого были в несколько раз выше. Основное внимание уделялось повышению энергетических парамет ров, надежности и качества излучения при сохранении потребляемой мощности. При этом были использованы результаты исследований, приведенные в гл. 2-4. Лазер ЛГИ-202 (внешний вид его представлен на рис.7.1) состоит из модернизированного источника питания ИП-18 и цилиндрического излучателя «Клен» (ИЛГИ-202) с отпаянным АЭ ГЛ-201. Питание лазера осуществляется от трехфазной сети с напряжением 220/380 В. Мощность, потребляемая лазером от сети, составляет не более 4,2 кВт, охлаждение водяное. Гидротракт лазера последовательно проходит че рез источник питания и излучатель. Расход воды для эффективного охлаждения тиратрона ТГИ1-2000/35 в источнике питания и корпуса излучателя составляет 4-5 л/мин. Модернизированный источник питания ИП-18 В ЛПМ ЛГИ-202 был использован источник питания ИП-18 от се рийного лазера ЛГИ-201. На начальной стадии разработки лазера ис точник ИП-18 не подвергался конструктивным и схемным изменениям (модулятор накачки его был вы полнен по прямой схеме). Сред няя мощность излучения лазе ра ЛГИ-202 при оптимальной потребляемой мощности от вы прямителя 2,5-2,6 кВт и ЧПИ 10 кГц составляла 12-14 Вт, что больше мощности предшествую щего лазера ЛГИ-201 в 2 - 3 ра за. С целью обеспечения эффек тивной накачки А Э в модуля тор источника питания ИП-18 была встроена схема с емкостным удвоением напряжения и маг нитным звеном сжатия импуль сов тока. Звено сжатия пред ставляло собой водоохлаждаемую медную трубку с нанизанными на нее 120 ферритовыми коль цами марки М2000НМ с раз мерами К 20x12x6 мм. В каче стве накопительного конденсато ра при ЧПИ 8-9 кГц применялись два последовательно соединенных конденсатора с емкостью Снак = 1500 пФ, при ЧПИ 10-12 кГц — с Снак = 1000 пФ. Оптимальная потребляемая мощность от выпрями теля при ЧПИ 10-12 кГц составляла 3,3-3,0 кВт, а при значениях меньших 10 кГц возрастала до 3,6-3,7 кВт, что превосходило номи нальную мощность повышающего силового трансформатора источника питания ИП-18 (РНом = 7 кВ • 0,5 А = 3,5 кВт). За счет увеличения сечения провода вторичной катушки трансформатора с 0,5 до 0,6 мм2 мощность трансформатора была повышена до 4,2 кВт (Ртм = 7 кВ х 0,6 А). Для эффективного отвода тепла от силового трансформатора в боковую стенку источника питания был встроен нагнетающий вен тилятор марки 1.25 НВ с производительностью 280 м3/ч, а для до полнительного охлаждения модулятора — второй вентилятор. Кроме того, была усилена электрическая изоляция водяной развязки анода тиратрона. На задней стенке источника питания, на входе системы охлаждения установлен датчик давления. При давлении 1,4-1,5 атм обеспечивается номинальный расход воды (4-5 л/мин) для охлаждения лазера. В случае низкого или повышенного давления воды срабатывает электрическая защита, отключающая подачу высокого напряжения на модулятор. Для защиты питающей сети от высокочастотных радио помех, возникающих в лазере на входе источника питания, подключе ны сетевые фильтры марки ФСП-10.  |
Формируемые в модуляторе источника питания ИП-18 наносекунд- ные импульсы накачки с ЧПИ 8-12 кГц с помощью высоковольтно го кабеля передаются в АЭ ГЛ-201 излучателя ИЛГИ-202 для его разогрева и возбуждения. На рис.7.2 представлены осциллограммы импульсов напряжения и тока А Э ГЛ-201 с исполнением модуля тора накачки по прямой схеме и по схеме удвоения напряжения при ЧПИ 10 кГц. Высоковольтный импульсный кабель рассчитан на среднюю мощность до 4 кВт и не излучает помех в окружаю щее пространство. Он прошел длительные (более 2000 ч) испытания при работе с импульсами напряжения, имеющими амплитуду 20-25 кВ и длительность 90-120 не. Такой кабель состоит из высоковольтного провода ПВМР-10-2.5мс-12.5, трех изоляционных трубок ТВ-40(А) с диаметрами 14, 16 и 20 мм и двух металлических оплеток ПМЛ16-24. Жила высоковольтного провода медно-серебряная, сечение ее 2,5 мм2, изоляция диаметром 12,5 мм выполнена из кремнийорганического ма териала. Сборка высоковольтного кабеля производится в следующей последовательности: сначала на высоковольтный провод надевается изоляционная трубка с внутренним диаметром 14 мм, затем — трубка с диаметром 16 мм и оплетка, потом трубка с диаметром 20 мм и снова оплетка. Первая (внутренняя) оплетка кабеля используется в качестве обратного коаксиального токопровода, внешняя — в качестве экранной сетки. Трубки с диаметрами 14 и 16 мм предназначены для усиления изоляции между высоковольтным проводом и внутренней оплеткой, трубка с диаметром 20 мм — для изоляции оплеток друг от друга. Для предотвращения образования коронного разряда на концах кабеля они заливаются высоковольтным герметиком типа ВГО-1. Один конец кабеля заводится в модулятор источника питания ИП-18 через отвер стие в боковой стенке, второй — в излучатель через нижнюю часть торцевой крышки со стороны катода АЭ ГЛ-201. В источнике питания жила высоковольтного провода подключается к выходной высоковольт ной клемме модулятора, внутренняя оплетка — к катоду тиратрона, внешняя экранная оплетка — к входной торцевой стенке корпуса ис точника питания. В излучателе жила провода подключается к катоду АЭ, внутренняя и экранная оплетки — к трубному корпусу излучателя.  |
Анод АЭ соединен с помощью алю миниевых шин с корпусом, и поэтому корпус выполняет и функцию обрат ного токопровода. Температура кабеля в нормальных условиях работы не пре вышает 35 °С. В модуляторе источника пита ния ИП-18, между жилой провода и внутренней оплеткой высоковольтно го кабеля для увеличения крутизны фронта импульсов накачки подключен обострительный конденсатор. Он со стоит из двух последовательно соеди ненных малоиндуктивных конденсато ров типа КВИ-3 с рабочим напряже нием 16 кВ. На рис. 7.3 представлена зависимость средней мощности излу чения лазера от емкости обостритель- ного конденсатора. Максимальная мощность достигается при емкости С0б = 340 пФ. В случае отсутствия обострительного конденсатора мощность излучения примерно на 17% меньше. Излучатель «Клен» (ИЛГИ-202) Излучатель (см. рис. 7.1) имеет оригинальную конструкцию [221], которая представлена на рис.7.4. Габаритные размеры излучателя: длина 1510 мм, ширина (диаметр) 212 мм, высота 280 мм, масса равна 40 кг. Основными элементами излучателя являются отпаянный АЭ ГЛ-201, трубный водоохлаждаемый корпус, торцевые крышки, зер кала оптического резонатора и механизмы юстировки зеркал, элементы крепления АЭ, тепловые экраны, механический затвор, декоративные кожуха, регулируемые опоры. Несущий корпус. Конструкция несущего корпуса представле на отдельно на рис. 7.5 [221]. В качестве корпуса выбрана тру ба / из алюминиевого сплава АМц, по наружной поверхности ко торой нарезаны кольцевые камеры глубиной 5 мм для циркуляции охлаждающей жидкости (воды), на внутренней поверхности с тор цов предусмотрены посадочные места диаметром 184 мм для деталей крепления АЭ ГЛ-201. Внутренний диаметр корпуса 180 мм, толщина стенки 12 мм, длина 1420 мм. Герметизация кольцевых камер охлаж дения обеспечивается с помощью цилиндрического кожуха 2 толщи ной 2 мм также из сплава АМц. Кожух 2 надевается на трубу /, плотно стягивается хомутами и герметично сваривается по продольному стыку и по кольцевым торцам с трубой (аргонно-дуговой сваркой). Выбор сплава АМц в качестве материала корпуса обусловлен его хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью, высокими коэффициента ми теплопроводности и электропроводности, малым удельным весом. Для прохождения воды из одной камеры в другую и создания по по перечному сечению корпуса равномерного температурного поля на раз деляющих камеры перегородках последовательно чередуются верхние и нижние пазы, причем в крайних перегородках пазы — верхние. При таком исполнении входной и выходной штуцера располагаются в нижней части корпуса, что важно и для эстетического вида прибора. Следует отметить, что последовательный способ охлаждения предот вращает образование осадка в камерах корпуса и их загрязнение.  |
 |
Выбор зазора между несущим корпусом и АЭ ГЛ-201. Важным моментом при конструировании излучателя является выбор величины зазора между несущим трубным корпусом (см. рис. 7.4) и АЭ ГЛ-201, находящимся под высоким импульсным напряжением. Зазор, в свою очередь, определяет внутренний диаметр трубы, а диаметр — массу излучателя. В номинальном режиме питания АЭ потребляемая мощ ность от выпрямителя источника питания ИП-18 при ЧПИ 8-12 кГц составляет 3,5-3 кВт, в форсированном режиме разогрева — 4-3,5 кВт.  |
При этом амплитуда импульсного на пряжения на высоковольтном электроде (катоде) достигает 20-25 кВ при дли тельности импульсов тока 100-120 не. Найденная экспериментально зависи мость напряжения пробоя от величины зазора (рис. 7.6) показала, что значению 25 кВ соответствует зазор шириной 14 мм. Эксперимент был проведен следующим образом. В испытательном стенде под высоковольтным электродом (катодом) АЭ устанавливалась стойка с горизонтально расположенным и за земленным металлическим столиком, регулируемым по высоте. К катоду через делитель напряжения подклю чался осциллограф типа С1-75, и при разной величине зазора измерялась амплитуда напряжения пробоя (ЧПИ 8 кГц). Для обеспечения запаса прочности по напряжению пробоя выбран 20-мм зазор, чему соответствует труба с внутренним диаметром 180 мм. Кроме того, в АЭ уменьшен внешний диаметр электродных узлов со 140 до 134 мм. Благодаря этим мерам создан надежный конструктивный запас (до 35 кВ). Испытания реального образца излучателя с внутренним диаметром трубы 180 мм и диаметром АЭ 134 мм подтвердили выводы о высокой электрической прочности такой конструкции. На рис. 1.1 представлены зависимости пикового напряжения на электродах АЭ излучателя от по требляемой мощности от выпрямителя источника питания при раз личных значениях ЧПИ в момент включения высокого напряжения и в установившемся тепловом режиме. Модулятор накачки источника питания использовался с повышающим автотрансформатором с коэф фициентом трансформации 1 : 2 и магнитным звеном сжатия импульсов тока. Как видно из хода кривых (см. рис. 7.7), потребляемая мощность при ЧПИ 8 кГц увеличивалась до 5,1 кВт (в 1,5 раза превышала номи нальную — Рном), при 9,2 кГц — до 5,6 кВт (в 1,7 раза больше РНОм), при 11 кГц — до 6 кВт (в 2 раза больше Рном). При этих значени ях потребляемой мощности пиковые напряжения на «холодном» АЭ (кривые 1, 3 5) составили соответственно 31, 27 и 25,5 кВ. В уста новившемся тепловом режиме (кривые 2, 4, 6) напряжение снижалось примерно на 10%, что связано с уменьшением сопротивления из-за поступления в разрядный промежуток паров рабочего вещества (ме ди). На рис. 7.8 приведены кривые напряжения на аноде тиратрона модулятора. Следует подчеркнуть, что за все время испытаний пробои высокого напряжения на корпус не наблюдались. Крепление АЭ ГЛ-201 к несущему корпусу. Перед тем как установить АЭ ГЛ-201 (см. рис. 7.4) в несущий трубный корпус 2, на его электродные узлы диаметром 90,5 мм надеваются и стягиваются винтами между собой два полых полукольца 7 из сплава алюминия. На внутренней поверхности каждого полукольца имеются два выступа для обеспечения электрического контакта с электродами и образова ния воздушного теплоизоляционного слоя толщиной 1,7 мм между полукольцами и электродами. АЭ с полукольцами устанавливается внутри трубного корпуса на фторопластовые кольца 9 с поперечным разрезом и конической внутренней поверхностью. Для жесткой фик сации АЭ по отношению к корпусу предусмотрены металлические кольца 8 с конической наружной поверхностью. Эти кольца с помощью проходящих через них винтов, завинчиваемых в полукольца, переме щаются по поверхности полуколец, выдавливая фторопластовые изоля торы с разрезом 9 к стенке корпуса. В изоляторе, расположенном над высоковольтным катодом, имеются кольцевые проточки для устранения случайных поверхностных пробоев.  |
Оптимальный режим работы АЭ достигается, когда потребляемая им мощность равна ~ 1,8 кВт. При этом температура оболочки АЭ составляет около 3 0 0 ° С . Предельная рабочая температура фторо пластового изолятора не должна превышать 220°С. В оптимальном режиме благодаря указанным выше конструктивным особенностям водоохлаждаемых полуколец максимальная температура изолятора не превышает 180°С. Механизмы юстировки зеркал оптического резонатора. Меха низмы юстировки 6 (см. рис. 7.4) зеркал оптического резонатора 4 и 5 установлены в торцевых алюминиевых фланцах 3 с помощью винтов. Для совмещения центра зеркал с оптической осью АЭ предусмотрена возможность перемещения котировочных механизмов в радиальных направлениях. Настройка резонатора, заключающаяся в совмещении осей зеркал, производится с помощью настроечных винтов механизмов юстировки, а жесткая их фиксация — с помощью стопорных гаек и винтов. Тонколистовые экраны 10 из сплава алюминия предназна чены для защиты механизмов юстировки от теплового излучения АЭ. Детали котировочных механизмов изготовлены из сплава алюминия, основная их часть — это детали, использованные в излучателе «Ка релия» (ИЛГИ-201). Длительная эксплуатация приборов «Карелия» и «Клен» показала, что выбранная конструкция механизмов юстировки обладает высокими практическими качествами. Механический затвор. Механический затвор 11с алюминиевой шторкой имеет два фиксированных рабочих положения: «открыто» и «закрыто». Затвор удобно встроен в торцевой фланец 3 на выходе излучения. Перевод затвора из одного положения в другое осуществля ется с помощью ручки, расположенной на передней (выходной) панели излучателя и имеющей фиксатор. Оптический резонатор Длина оптического резонатора в излучателе (см. рис. 7.4) опре деляется длиной трубного корпуса и составляет 1360 мм (длина АЭ 1300 мм). Диаметр зеркал оптического резонатора равен 35 мм, диаметр пучка лазерного излучения — 20 мм. Энергетические, пространственные и временные характеристики излучения АЭ ГЛ-201 с различными типами оптического резонатора широко исследованы в работах [126-132] (см. гл.4). Путем компромиссного решения, исходя из основных областей применения (накачка лазера на растворах красителей и передача излучения с помощью световода на объект и др.), для лазера ЛГИ-202 выбран телескопический неустойчивый резонатор (НР) с увеличением М = 5. Радиус кривизны «глухого» (вогнутого) зеркала равен 3,5 м, выходного (выпуклого) зеркала — 0,7 м. Выходное зеркало, имеющее диаметр 4 мм, приклеено с помощью клея ТК-1 на плоскопараллельную просветленную пластину из оптического стекла К-8 диаметром 35 мм. Покрытие зеркал многослойное диэлектрическое, коэффициент отражения ~ 99%. Угол между оптическими осями пластины и приклеенного к ней зеркала составляет 4-5°, что необходимо для устранения обратной паразитной связи между пластиной и активной средой АЭ. Когда выходная пластина устанавливается перпендикулярно оптической оси АЭ (т.е. поворачивается примерно на 4°), то зеркало с радиусом кривизны Я = 0,7 м перестает работать, реализуется режим плоско сферического резонатора. Если из резонатора убрать «глухое» зеркало, то реализуется режим работы с одним выпуклым зеркалом с Я = 0,7 м. В табл. 7.1 представлены полная мощность выходного излучения С^Еизл)» мощность и расходимость качественного пучка (РИзл.кач и 0кач) ЛПМ с оптическими резонаторами различного типа при одинаковых условиях возбуждения АЭ. При этом модулятор источника питания ИП-18 был выполнен по схеме емкостного удвоения напряжения. ЧПИ составляла 10 кГц, потребляемая мощность от выпрямителя — 3,2 кВт. Из приведенных в таблице данных видно, что максимальная мощность излучения в качественном пучке достигается при использовании теле скопического НР с увеличением М = 5 (16,3 Вт). Плоский и плоско сферический резонаторы уступают телескопическому с М = 5: они имеют меньшую мощность и большую расходимость пучка излуче ния. Однозеркальный режим также уступает по тем же параметрам, но при этом распределение интенсивности в плоскости фокусировки более равномерное. При замене в излучателе резонатора с М = 5 на резонатор с М = 300 расходимость пучка уменьшается на порядок (с 2,5 до 0,12 мрад), а мощность — в два раза (с 16,3 до 8 Вт).  |
Время готовности Время готовности лазера «Курс» (ЛГИ-202) определяется скоростью выхода АЭ ГЛ-201 на стационарный тепловой режим, когда выход ная мощность излучения устанавливается на определенном уровне. На рис. 7.9 представлены зависимости средней мощности излучения лазера от времени разогрева при оптимальной мощности, потребляемой от выпрямителя источника пита ния ИП-18, в случае прямой схе мы исполнения модулятора накачки и в случае схемы удвоения напря жения при ЧПИ 10 кГц. При пря мой схеме потребляемая мощность составляла 2,7 кВт, при схеме удвоения напряжения — 3,3 кВт. В первом случае (кривая /) генера ция начиналась приблизительно че рез 36 мин, а время выхода на ста бильный уровень мощности излу чения, равный 13,5 Вт, составило ^ 8 0 мин, во втором случае (кри вая 2) соответствующие значения равны ^30 мин, 23 Вт и ^60 мин. В форсированном режиме разо грева, с превышением номинально го уровня потребляемой мощности на 15%, время готовности лазера снижается примерно на 10%.
Наработка на отказ Испытания лазера ЛГИ-202 с целью определения наработки на от каз проводились в циклическом режиме для двух схем исполнения модулятора накачки источника питания ИП-18. Критерием отказа счи тается снижение мощности излучения на 20% по отношению к номи нальному значению, а также отключения лазера, требующие проведе ние ремонта для его восстановления. Регламентные работы по замене отдельных элементов с низким гарантийным сроком службы и чистка водяного охлаждения, проводимые в процессе эксплуатации, не были связаны с отказами. Испытания проводились на трех лазерах. Зависимости средней мощности излучения лазера ЛГИ-202 от вре мени наработки при прямой схеме исполнения модулятора накачки и по схеме удвоения напряже ния с 8-ч циклическим режимом приведены на рис.7.10. Время от ключения лазера между циклами составляло 1 ч. При прямой схе ме длительность испытания лазе ра с ЧПИ 10 кГц составила око ло 1850 ч, при схеме удвоения напряжения с ЧПИ 9 и 10 кГц — 1000 ч для каждой частоты. 8 первом случае средняя мощ ность излучения за 1000 ч ра боты снизилась с 12 до 11 Вт (кривая /) при оптимальной мощ ности, потребляемой от выпря мителя, РВыпр = 2,6 кВт, во вто ром — с 24 до 22 (кривая 2) при Рвыпр = 3,25 кВт и ЧПИ 9 кГц и с 22,5 до 20,5 Вт (кри вая 3) при Рвыпр = 3 кВт и ЧПИ 10 кГц. Таким образом, за ЮОО-ч наработку мощность излучения лазера снижается примерно на 10%. Снижение мощности обусловлено запылением выходных окон и появлением дендритных образований в танталовых генераторах меди. За время испытаний в каждом лазере дважды менялся тиратрон ТГИ1-2000/35 (через 400-600 ч) и трижды производилась чистка системы охлаждения (в основном забиваются штуцера тиратрона). При прямой схеме исполнения модулятора накач ки в интервале времени испытания от 1600 до 1850 ч имел место резкий спад мощности излучения от 9,5 до 0,7 Вт. Замена в модуляторе накачки тиратрона ТГИ 1-2000/35 на новый привела к восстановлению мощности до уровня 7 Вт. Основные причины снижения мощности излучения за указанный период времени заключались в увеличении потерь мощности в тиратроне и истощении меди в крайних генерато рах АЭ. |
