ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................5
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 эксимериого лазера..........................49
1.5. Методы и аппаратура для получения электрогидро-динамических 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
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. Оп тимизация 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 электрофизических 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
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время генераторы высоковольтных импульсов наносекупдной 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 [1-5].
Важную область применения генераторов наносекундных импульсов составляют системы питания газоразрядных лазеров [6, 7]. 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 этссимерные АгЕ - 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 [8-11]. ЛПМ имеет такое сочетание характеристик, которое делает его незаменимым в ряде областей-науки, техники и медицины.
Эксимерный АгЕ лазер является наиболее мощным источником вакуумного ультрафиолетового излучения [12-14]. 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. АгЕ 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
5
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* (10г кГц и более). Такие устройства необходимы для питания? газовых лазеров, электро-разрядньтх 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- тира фоны и модуляторные лампы [9, 15]] 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 наносекундньтх импульсов, с высокой частотой следования.
В последние десятилетия появились и быстро развивались твердотельные ключи новых типов такие как- дрейфовые диоды с резким-
6
восстановлением , БОБ-диоды, дпнистор с глубокими уровнями и реверсивно включаемого динистора, позволившие осуществить прорыв твердотельной-импульсной техники в область гигаваттых мощностей и пикосекундных длительностей [16, 17]. Однако генераторы импульсов на основе данных ключей являются достаточно сложными устройствами, практическое применение которых в мсгаватной области мощностей не всегда оправдано.
В? последнее время произошел значительный прог ресс и в. области
і
полупроводниковых коммутаторов- для- преобразовательной- техники. Одним из наиболее перспективных приборов- для рассматриваемых областей1 применения представляется* биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ или ЮВТ в англоязычной литературе), который по скорости нарастания тока уже не уступает многим тиратронам. Однако, поскольку БТИЗ еще остается1 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.
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 элсктрогидродинамических 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-элехментов и режимов работы предложенных импульсных систем питания.
7
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.
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
8
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: в Учреждениях Российской академии наук:. ИЭЭ РАН,, г. Санкт-Петербург, Физический институт им. ПН. Лебедева РАН, г. Москва, ОИВТ РАН; ИОФ им. А.М: Прохорова* РАН, г. Москва, ИАПУ ДВО РАН г. Владивосток, ЦФП ИОФ РАН. г. Троицк, моек, обл.; НПО Алмаз, г.Москва, а также в НПО* Алмаз, г.Москва* РНЦ, «Курчатовский институт», НПО1 «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. Лаппееиранта, Финляндия.
9
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 не) 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 К20 не 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.
г
- 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 Агїї лазера. Получены выходные параметры лазера: длительность импульса - до 18 не, 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 мм2,
расходимость пучка - 2*4 мрад.
- Система накачки эксимерного АгГ 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.
Все результаты диссертации получены лично автором или при его непосредственном участии, либо под его научным руководством.
11
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 были1 разработаны, созданы и исследованы, целый, ряд уникальных электрофизических установок.
По материалам диссертации автором опубликованы 33 научных работ, включая-15 статей и 2 авторских свидетельства на изобретения:
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных, семинарах Учреждений Российской академии наук: Институт электрофизики и элекгроэнергетики РАН1, г. Санкт Петербург, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва, Институт общей физики* 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 cncjcrpocKonna 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 - (ЕССЕ Asia, 2011, Jeju, Korea); 8-й международной конференции Nanosciences & Nano-technologies (NN11, 2011, Салоники, Греция).
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Е£.«е полный-объем.-246 страниц машинописного текста, включая 119 рисунков-, 10 таблиц и список литературы, насчитывающий 264 наименования.
.Во- введении представлен объект .исследования- - генератора»! высоковольтных наносскундных импульсов на •. основе, биполярных транзисторов с изолированным ; . затвором для, систем питанияс. электрофизических установок.
Обоснована актуальность темы диссертации, указывается- стспеЕГ!» разработанности научной проблемы, сформулирована цель .работы: и ставятсзэг задачи: исследований. Отмечена научная , новизна работы щ ее. научная :иг практическая значимость, представлены защищаемые положением диссертациопной: работы, личный вклад автора и ее апробация. Далее, во введении приводится краткое содержание работы. ио> главам и* основные научные результаты диссертации. • • • • . .
Первая глава диссертации носит обзорный характер и посвящеигэ. современному состоянию в области создания генераторов высоковольтных: наносекундных импульсов для систем возбуждения газоразрядных лазеров зэс других* электрофизических установок. .
Рассмотрены существующие системы накачки-лазеров на парах медкг и эксимерного: АгР лазера, и их .основные преимущества и недостатки. Показаны перспективы- применения- современной твердотельной элементной, базы и новых схемных, подходов: для создания долговечных, надежных иг эффективных систем накачки лазеров. Рассмотрены генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе различных типов,коммутирующих; элементов, различные схемные решения систем питания1 самора,— зогревных лазеров на парах меди и: проблема генерации высоковольтных наносекундных импульсов в системах питания эксимерного АгР лазера.
К недостаткам традиционно применяемых в-, системах накачки: указанных типов лазеров коммутирующих элементов (ламп и тиратронов) можно отнести деградацию параметров этих приборов в течение; • срока.
службы и необходимость частого их обслуживания или замены и, кроме того, лампы и тиратроны требуют достаточно мощных и дорогих систем управления и вспомогательных источников питания.
Прогресс в области создания новых типов полупроводниковых коммутирующих элементов привел к появлению ЗОБ-диодов, реверсивно включаемых динисторов (РВД), дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ), мощных М011-транзисторов (металл-окисел-полупроводник) и БТИЗ способных коммутировать большие энергии.
Выгодным отличием БТИЗ является практически неограниченный ресурс работы при стабильности рабочих парахметров в течение всего срока службы, способность работать при более высокой частоте повторения импульсов, полная управляемость прибора (как включение, так и выключение), простота схем управления и низкие энергозатраты, а также малые габариты и вес отдельного прибора.
Высоковольтные ключи па основе БТИЗ могут стать реальной и экономически выгодной альтернативой традиционным коммутирующим элементам при создании мощных импульсных модуляторов, применяемых в системах питания газоразрядных лазеров.
Во второй главе представлен предложенный автором диссертации новый подход к созданию генераторов высоковольтных 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. Сформулированы основные принципы построения таких генераторов.
Проанализированы основные особенности работы коммутатора, состоящего из достаточно большего числа последовательно соединенных БТИЗ. Показаны преимущества предложенной схемы с раздельными
14
управляющими трансформаторами и представлена методика расчета ее основных элементов.
Рассмотрены основные дестабилизирующие факторы для работы составного коммутатора — разброс температур кристаллов и других параметров БТИЗ. Найдена связь между областью безопасной работы составного ключа и таковой для отдельного взятого биполяного транзистора с изолированным затвором.
Показано, что оптимально использовать БТИЗ малой и средней мощности, разработанных по ИРТ- технологии, ввиду их минимальных задержек срабатывания, большей устойчивости к перегрузкам и возможностью работы при параллельном соединении.
Скорость нарастания тока через отдельный БТИЗ коммутатора ограничена значением я 2x109 А/с. Повышение скорости нарастания тока может быть достигнуто двумя способами: как параллельным соединением* транзисторов, так и применением специальных схемотехнических решений, позволяющих сократить времена нарастания и длительность импульса, полученного на выходе транзисторного коммутатора.
Увеличение количества транзисторов в ключе не всегда бывает экономически обоснованным, поэтому для уменьшения времен нарастания и длительности импульса, полученного на выходе коммутатора, была предложена схема генератора высоковольтных наносекуидных импульсов на основе коммутатора, состоящего из параллельно-последовательно соединенных БТИЗ, работающего совместно с двухступенчатой системой магнитного сжатия импульсов.
Предлагаемая схема генератора имеет следующие преимущества по отношению к аналогам: возможность режима с неполным разрядом накопительного конденсатора, наличие гальванической развязки силовых цепей от низковольтных цепей управления, полностью управляемое включение и выключение, высокая частота повторения импульсов, устойчивость к короткому замыканию.
15
Произведен расчет параметров дросселей насыщения в звеньях магнитного компрессора импульсов. Соотношение для коэффициента сжатия имеет вид: : . ' '• .*
2АВ- ‘ '
К =
* • . J , *1 • * * • • * • . . где 7/0 = '4я*10: Fh/m, /л$.- магнитная проницаемость- сердечника в
насыщенном состоянии, AB - максимальное изменение магнитной индукции
сердечника, Нт - напряженность магнитного поля. Найден оптимальный
объем материала сердечников звеньев магнитного компрессора:
• ('V2 • • • ■ ‘ •
гдсАе - площадь поперечного сечения сердечника, / - средняя длина магнитной линии сердечника, С - емкость конденсаторов в звене сжатия,
гт — амплитудное напряжение на конденсаторах звеньев.
Представлена методика расчета оптимальной геометрии и количества сердечников, из числа серийно выпускаемых изделий/ Марки материалов сердечников-(Epcos; N87 и 2000НМ) были выбраны экспериментально по наилучшему' соотношению коэффициента сжатия: и/потерь, в. материале. Представлены расчеты числа витков и сечения провода дросселей:, предложена конструкция магнитного компрессора, отвечающая требованиям к электрической прочности и отводу тепла, обусловленного потерями в материале сердечников.
Третья глава диссертационной работы посвящена созданию и исследованию лазера на парах меди с системой накачки на основе высоковольтного твердотельного коммутатора. В ней представлена разработанная, созданная и исследованная4 автором полностью твердотельная система накачки лазера на парах меди на основе составного высоковольтного коммутатора, состоящего из последовательно соединенных БТИЗ..-
Представлены результаты применения предложенного во второй главе схемного подхода для создания генератора импульсов накачки лазера на
* - 16 •
<
парах меди и разработки конструкции системы накачки лазера на парах меди, а также результаты ее экспериментального исследования и оптимизации параметров генератора.
При работе генератора на резистивную нагрузку 30 Ом время нарастания составило 25 не, а длительность импульса по полувысоте - 50 не. При работе с лазерным элементом на парах меди в стационарном режиме генерации излучения время нарастания импульса тока составило 35 не, при общей длительности импульса по полувысоте ~70 не.
Проведены экспериментальные исследования и оптимизация параметров системы накачки лазера на парах меди. В главе приводятся выбранные значения основных элементов схемы и параметры оптимальных режимов работы.
В результате работы был разработан и создан компактный лазер на парах меди на основе активного элемента Киїоп ІЛЧОСи и высоковольтного-твердотельного генератора, который имел следующие основные параметры: средняя мощность излучения с плоским резонатором—12 Вт при энергии в импульсе —0.8 мДж и его длительности — 17 не и частоте повторения импульсов — 15 кГц, а соотношение мощностей излучения на линиях 510,6 и
578,2 нм составило 3/2. Расходимость излучения с плоским резонатором составила 4,5 мрад, а с неустойчивым резонатором — 0,3 мрад при диаметре пучка 14 мм. Время выхода лазера на стационарный режим составило 50 мин. Коэффициент полезного действия ЛПМ был равен ~ 0,7%.
Вышеприведенные параметры лазера, а также повышенный ресурс и надежность его работы показывают, что применение предложенной автором твердотельной системы накачки позволил разработать конкурентоспособную модель ЛПМ для лазерного рынка.
В четвертой главе диссертации представлены результаты разработки, создания и исследования генератора импульсов на основе высоковольтного твердотельного коммутатора для накачки АтГ лазера.
17
Для расчета параметров работы генератора была разработана- его принципиальная схема и. с помощью программы РБРІСЕ создана его компьютерная модель. В результате компьютерного моделирования была . получена оптимальная схема генератора и рассчитаны ее.компоненты:
Для реализации*, системы- накачки эксимерного Агїї лазера был. разработан высоковольтный твердотельный коммутатор, состоящий из 32-х. БТИЗ, соединенных, параллельно-последовательно. Коммутатор имел рабочее напряжение 16 кВ и допустимый ток до 200 А. Представлены осциллограммы тока через коммутатор (нагрузка - 75 Ом, входное* напряжение - 16 кВ, амплитуда напряжения на нагрузке - 15,3 кВ).
На основе предложенного автором*: высоковольтного твердотельного коммутатора была разработана и исследована система возбуждения, эксимерного АгБ лазера. . '
Генератор состоит из высоковольтного твердотельного коммутатора и системы магнитного сжатия импульсов, обеспечивающей требуемую1 скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке.
Система, накачки имеет следующие основные параметры: . амплитудное напряжение обостряющего конденсатора - 20+27 кВ, пиковый ток заряда - 1-,2+1,5 кА, длительность импульса тока по полувысоте - 70 не,, время нарастания выходного напряжения (по уровню 0,1/0,9) - 60 не, частота* повторения импульсов - 2 кГц, средняя мощность — 2 кВт. Максимальная частота повторения выходных импульсов ианосекундного генератора ограничивается временем. восстановления напряжения на накопительном, конденсаторе С1, то есть, мощностью высоковольтного источника, и эффективностью отвода тепла от элементов ключа и магнитного компрессора.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований эксимерного АгБ лазера с. твердотельной системой накачки (рис. 9). Достигнуты следующие параметры лазера: средняя мощность излучения на длине-волны 193 нм - .10 Вт при энергии1 в импульсе - 15 мДж. и его длительности - 18 не и частоте повторения-импульсов - 1 кГц. Размер пучка
. 18- : ■ . ‘ •
составил 5x12 мм2, а расходимость излучения при использовании плоского резонатора - 2x4 мрад.
В результате ресурсных исследований высоковольтного" генератора при накачке эксимерного АгР лазера на активную нагрузку 30- Ом при частоте следования импульсов до 2 кГц было установлено, что твердотельный коммутатор на БТИЗ работает надежно, сохраняя стабильность выходных характеристик на протяжении всего времени испытаний (более 1000 часов).
В ходе исследований был получен коэффициент полезного действия генератора не менее 80%. По этому параметру, а также по значениям напряжений и токов накачки генератор не уступает системам на основе тиратронов, но значительно превосходит их по надежности и долговечности.
В работе также показано, что генератор импульсов накачки эксимерного АгБ лазера можно эффективно применять для получения режима с удлиненным импульсом накачки. Такой режим необходим для растяжки импульса генерации, что позволяет улучшить пространственные характеристики ультрафиолетового лазерного пучка и является достаточно важным для целого ряда применений эксимерных лазеров.
В пятой главе диссертации описан метод и аппаратура для эффективного возбуждения мощных электрогидродинамическим (ЭГД) потоков. Для формирования скоростных газовых сред все чаще применяются электрические системы прокачки, работа которых основана на ЭГД-эффекте, которого также называют «электрическим ветром».
Для формирования ЭГД-потоков было предложено использовать мощный источник ионов на основе высокочастотного барьерного разряда, распределенного по поверхности диэлектрика. Для системы питания была разработана серия полностью твердотельных высоковольтных генераторов.
Конструкция плазменного эмиттера ионов представляет собой набор параллельных трубок из керамики Л1203. Внутрь керамических трубок вставлены медные трубки, служившие внутренними электродами. Внешними
19
электродами являлись медные желоба длиной 20 см. ТТа желобах намотана медная проволока диаметром 0,5 мм. Выделявшееся при рабою тепло, отводилось водой, протекавшей через медные трубки.
Металлическая сетка над плазменным эмиттером, служит коллектором ионов. На нее подавалось постоянное напряжение смещения 11о~ 0-^21 кВ.
Представлена схема питания плазменного эмиттера на основе генератора, в котором применены два 16-кВ высоковольтных твердотельных ключа, образующих полумост. Генератор позволял менять частоту и длительность импульсов в широких пределах для поддержания стационарного процесса горения барьерного разряда. Скорость ЭГД потока в атмосферном воздухе измерялась термоанемометром АТТ-1004.
Представлены экспериментальные зависимости среднего тока ионного пучка /у от напряжения на коллекторе £/<? при неизменном расстоянии между эмиггером и коллектором сі = 18 мм и разных значениях амплитуды Щ и частоты / питания плазменного эмиттера. Ток 10 увеличивается - Ц02 . Приведены измеренные зависимости скорости ЭГД потока Г от напряжения Оо- Величина Г также растет с повышением По, 11/и / но в отличие от ионного тока скорость потока пропорциональна 11о.
При работе плазменного эмиттера ионов с полностью твердотельной схемой питания была получена рекордная для аналогичных систем величина газового потока более 15 л/с.
Результаты исследований могут быть использованы в технологиях газоочистки, сепарации, при нанесении покрытий и модификации свойств поверхностей, в космосе для сдува пузырей с фильтрующих сеток топливных каналов и при создании безлопаточных электро-гидронасосов, в аэронавтике для управления воздушным потоком у поверхности крыла.
В шестой главе диссертации рассмотрен ряд важных применений высоковольтных БТИЗ-коммутаторов и генераторов на их основе. Приводится описание установок и режимов работы генераторов. Также в
20
главе представлена модификация предлагаемого в работе коммутатора, способного длительный промежуток времени находится в открытом состоянии, что отвечает требованиям, предъявляемым к системам питания ряда научных и технологических электрофизических установок.
В* первом параграфе описан генератор высоковольтных наносекундных импульсов для экспериментальной установки «ЭХО», предназначенной для исследования процессов физико-химической модификации гетерогенной органической среды, состоящей, в том числе, из природных углеводородов или продуктов их первичного передела.
Частотно-импульсный источник питания разряда установки «ЭХО» представляет собой генератор электрических импульсов с мощностью 10 МВт (20 кВ, 750 Л, 150 не). В данной установке генератор работал синхронно с импульсно-периодическим электронным пучком (3-4 МэВ, 0,5 МВт, 3-*-5 мке, частота повторения 300 Гц). Пучок вводился через титановую фольгу в-реакторную камеру с гетерогенной средой. Разработанный составной высоковольтный ключ, используемый в генераторе, позволил существенно повысить надежность, эффективность и долговечность системы в целом.
Обсуждены другие применения установки, включая исследования по физике электрических разрядов, новые технологии глубокого передела нефти и продуктов сс первичной переработки и технологии нанесения пленок и производства нано структурных композитных материалов.
Второй параграф посвящен созданию аппаратуры для изучения эффектов в сильных электромагнитных полях связанных с испусканием легких заряженных частиц—электронов и позитронов. Рассматриваются условия для наблюдения генерации электрон-позитронных пар в облучаемой лазером плазме и формулируются требования к регистрирующей аппаратуре. Лазерная плазма в рассматриваемых условиях является чрезвычайно интенсивным источником рентгеновского и гамма излучения с энергиями квантов вплоть до величин порядка МэВ, а также корпускулярного излучения (электроны и ионы) с энергиями до единиц и десятков МэВ соответственно.
Автором предложен метод регистрации заряженных частиц основанный на их транспортировке в магнитном поле полой коаксиальной линии с током. Найдено аналитическое решение релятивистского уравнения движения заряженной частицы в магнитном поле вида: В.=Вг=0, В9=ро1/2т1Г, где 2, г, (р — цилиндрические координаты, / — сила тока, применительно к
проблеме магнитной транспортировке заряженной частицы.
Показано, что решение обладает следующими свойствами: r(t) и (p(t) и являются периодическими функциями с периодом 7’, зависящим от начальных условий, z(t) является суммой периодической функции и произведения времени на константу, называемую скоростью дрейфа. При любых начальных условиях и любых значениях времени t
справедливо неравенство:
где V, д, т - скорость, заряд и масса частицы соответственно.
Знак скорости дрейфа не зависит от начальных условий, а определяется знаком произведения /#. Отсюда следует, что заряженная частица, испущенная в произвольном направлении точечным источником, расположенным на некотором расстоянии от оси системы, в среднем совершает движение вдоль оси, оставаясь внутри цилиндрического слоя, причём положительно и отрицательно заряженные частицы дрейфуют в противоположных направлениях.
Рассмотрены основные возможные геометрии регистрирующих систем и найдено оптимальное положение источника внутри коаксиальной линии. Показана возможность достижения светосилы регистрации близкой к 100% от Ап при значительных (1 м и более) расстояниях источник - детектор.
На основе данного метода разработана и создана экспериментальная установка для исследования эмиссии частиц из лазерной плазмы.
Г (t) 2V
22
- Київ+380960830922