Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 87-91

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности возбуждения лазеров является важной задачей, успешное решение которой во многом определяет дальнейшее внедрение лазерных технологий в различные секторы экономики для решения конкретных технологических задач. На сегодняшний день они позволяют решать задачи в различных сферах – от металлообработки до хирургии [1, 2]. Кроме того, квантовые технологии достаточно широко представлены в области информационных и телекоммуникационных цифровых систем. Существует ряд задач, где лазерные системы используются для получения изображений объектов наблюдения, экранированных широкополосной фоновой засветкой [3, 4]. Одним из направлений в этой области является построение высокоскоростных активных оптических систем с усилителями яркости изображений [5]. Наиболее перспективные разработки в этой сфере основаны на применении активных элементов на парах галогенидов металлов, работающих при повышенных частотах следования импульсов [6, 7]. Наибольшее распространение получили среды на парах галогенидов меди, в частности CuBr, а также на переходах атома марганца благодаря высокому коэффициенту усиления активной среды и низким рабочим температурам [8–10]. Это, в совокупности с высокой частотой следования импульсов усилителя яркости на парах CuBr, позволило изучать процессы, экранированные фоновой засветкой, в режиме реального времени без дополнительной обработки и цифровой фильтрации формируемых изображений [11–13].

Таким образом, можно заключить, что в ряде современных применений активные среды на парах галогенидов меди и марганца остаются весьма востребованными. Именно это определяет необходимость в повышении их практической эффективности и ресурса.

До появления на рынке доступных транзисторов, таких как MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect-Transistors) и IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), широко применялись схемы с использованием сетевых высоковольтных трансформаторов, имеющих большие массу и габариты [14]. Недостатки такой схемы очевидны – крайне высокие массогабаритные параметры магнитных элементов и, как следствие, стоимость устройства, а также практически полное отсутствие мобильности.

В настоящее время широкое применение нашли источники накачки с импульсным зарядом рабочей емкости [15, 16] на основе MOSFET или IGBT. Такой метод заряда позволил значительно снизить массогабаритные параметры магнитных элементов по сравнению со схемой из работы [14]. Подобное решение также имеет ряд недостатков, основной из которых – привязка частоты работы преобразователя к частоте коммутации тиратрона, а также заряд накопительного конденсатора за один относительно длинный импульс. Хотя применение такого способа заряда накопительной емкости и дает возможность снизить размеры силовой части в целом, размер магнитных элементов по-прежнему не позволяет создавать высокомобильные системы на основе лазеров на парах металлов и галогенидов.

В рамках данной работы решалась задача повышения эффективности источника питания, улучшения его тактико-технических характеристик. Был разработан источник питания с высокочастотным возбуждением накопительного конденсатора. На основе такого источника был реализован действующий макет лазера на парах бромида меди, предназначенный для решения задач скоростной визуализации [17] с временным разрешением до 27.8 мкс.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ АКТИВНЫХ СРЕД НА ПАРАХ БРОМИДА МЕДИ

Коллективом авторов данной работы был предложен и реализован многоступенчатый способ заряда накопительной емкости за несколько импульсов с частотой следования выше 250 кГц. Такое решение позволило значительно снизить массогабаритные параметры магнитных элементов, на которые приходилось до 50% массы всех компонентов блока заряда накопительного конденсатора [15, 16]. На рис. 1 показаны принципиальная схема инвертора в основных элементах и схема формирования импульса накачки газоразрядной трубки (ГРТ).

Рис. 1.

Принципиальная схема инвертора.

Конденсатор C₁ емкостью 1.5 мкФ с зарядным напряжением до 630 В (TDK Corp., www.tdk.com) служит для питания инвертора. Дроссель L₁ индуктивностью 30 мкГн, выполненный на сердечнике ETD59 N87 (TDK Corp., www.tdk.com), и составной из двух конденсаторов К78-2 6800 пФ, 2 кВ (ООО “Поликонд”, policond.ru) суммарной емкостью 13.6 нФ конденсатор C₂ образуют последовательный резонансный контур. Заряд накопительной емкости С₃, выполненной на конденсаторах КВИ-3 (АС “Энергия”, asenergi.ru) суммарной емкостью 830 пФ, осуществляется через зарядный дроссель L₂ индуктивностью 50 мкГн, выполненный без сердечника. За счет повышения частоты формирования импульсов для высоковольтного трансформатора TV₁ его удалось реализовать на сердечнике B64290L0084X087 размером R102 × 66 × × 15 мм (TDK Corp., www.tdk.com). Инвертор выполнен на транзисторах STP26NM60N (STMicroelectronics, www.st.com) и диодах C3D02060F (Woolfspeed, www.wolfspeed.com). Высоковольтный выпрямитель VD₅ состоит из 64-х диодов HER308 (MOSPEC, www.mospec.com.tw). Для коммутации С₃ на газоразрядную трубку использован тиратрон ТГИ1-270/12 (АО “ПЛАЗМА”, www.plasmalabs.ru).

Управление осуществляется с помощью системы, реализованной на микроконтроллере STM32F100RBT6 (STMicroelectronics, www.st.com). Сигналы управления мостовым преобразователем усиливаются драйверами TC4420EPA (Microchip Inc., www.microchip.com) и подаются на затворы MOSFET через развязывающие трансформаторы. На схему запуска тиратрона сигнал передается по оптической линии при помощи оптического передатчика HFBR-1528Z и принимается с помощью оптического приемника HFBR-2528Z (Broadcom Inc., www.broadcom.com).

Реализация многоступенчатого высокочастотного заряда требует применения в первичной цепи последовательного резонансного контура, емкость которого в 10–20 раз меньше пересчитанной в первичную цепь емкости накопительного конденсатора. Такое схемотехническое решение обусловливает гармоническую форму заряжающих импульсов (рис. 2). Амплитуды импульсов формируют квазисинусоидальную огибающую, параметры которой зависят от дросселя L₁ и накопительной емкости С₃.

Рис. 2.

U – диаграмма напряжения на накопительном конденсаторе; I – диаграмма тока в диагонали инвертора.

Для оптимизации конструкции источника питания на первом этапе проводилось компьютерное моделирование разработанной схемы для реализуемого алгоритма заряда накопительного конденсатора. На рис. 2 изображены диаграммы, полученные при моделировании со следующими параметрами: емкость накопительного конденсатора 830 пФ, частота работы инвертора 245 кГц, входное напряжение 215 В. Заряд емкости происходил за 3 периода работы инвертора, частота разряда накопительного конденсатора была задана 40 кГц.

Параметры модели соответствовали параметрам как реальной электрической схемы, так и используемых в ней компонентов, благодаря чему удалось достичь высокой сходимости результатов, полученных при моделировании и экспериментально. Это прослеживается в результатах исследования экспериментального макета при аналогичных параметрах.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАКЕТА

Варьированием числа и частоты импульсов можно подбирать оптимальный режим работы источника для заряда накопительных конденсаторов различного номинала. Изменение рабочей емкости требуется для оптимизации режима возбуждения активных сред на парах галогенидов металлов в зависимости от температурных условий работы, а также наличия водородосодержащих добавок [18]. Для накопительной емкости 2200 пФ была получена серия осциллограмм для различного числа пар заряжающих импульсов (рис. 3). Частота работы тиратрона для всех случаев составляла 12 кГц. При этом входное напряжение и ток выбирались таким образом, чтобы напряжение на накопительной емкости перед ее разрядом составляло 4 кВ. Значения напряжения питания инвертора и потребляемого тока для различного числа пар импульсов заряда накопительной емкости 2200 пФ представлены ниже:

Рис. 3.

Напряжение на накопительном конденсаторе (1) и ток первичной обмотки трансформатора (2) для различного числа пар импульсов заряда накопительной емкости 2200 пФ при частоте работы тиратрона 12 кГц.

На рис. 4 приведены осциллограммы при частоте следования импульсов разряда накопительного конденсатора на ГРТ 36 кГц.

Рис. 4.

Напряжение на накопительном конденсаторе (1) и ток первичной обмотки трансформатора (2) экспериментального макета для емкости 830 пФ при частоте работы тиратрона 36 кГц.

При экспериментальном исследовании макета накопительный конденсатор емкостью 830 пФ заряжался до напряжения 6 кВ за 3 периода работы инвертора при частоте последнего 254 кГц. Максимальный ток первичной обмотки составил примерно 17 А при входном напряжении 215 В, что отлично согласуется с результатами компьютерного моделирования (см. рис. 2). Небольшое отличие заключалось в том, что частота заряжающих импульсов в экспериментальном макете была на 3.6% выше, чем при компьютерном моделировании. Разряд емкости на ГРТ происходил с помощью тиратрона ТГИ1-270/12 с частотой 36 кГц, дальнейшее увеличение частоты было ограничено временем восстановления электрической прочности тиратрона.

При экспериментальном исследовании макета с частотой следования импульсов накачки 36 кГц (см. рис. 3) использовался активный элемент на парах CuBr со следующими параметрами ГРТ: длина активной зоны 50 см, диаметр 2 см. Мощность излучения составляла 1.2 Вт, а при введении водородсодержащей добавки – 1.6 Вт. При этом потребляемая блоком заряда накопительной емкости мощность составляла 750 Вт. Развернутые осциллограммы импульсов генерации, напряжения на ГРТ и тока через ГРТ представлены на рис. 5.

Рис. 5.

Осциллограммы импульса генерации (1), напряжения на ГРТ (2) и тока через ГРТ (3) при частоте следования импульсов 36 кГц и напряжении на накопительном конденсаторе 6 кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектирован и реализован малогабаритный CuBr-лазер с высокочастотным блоком заряда накопительного конденсатора. Основным преимуществом блока возбуждения является высокочастотный резонансный заряд накопительного конденсатора с частотой следования импульсов 254 кГц. Это позволило уменьшить массогабаритные параметры высоковольтного трансформатора более чем в 6 раз и реализовать его на тороидальном сердечнике R102 × 65.8 × 15 мм из материала N87. Эффективность заряда накопительного конденсатора составила 73%. Такая эффективность связана не только с потерями в мостовом инверторе и токами утечки в блоке тиратрона, но и с наличием паразитных емкостей длинных высоковольтных линий, на заряд которых тратилось до 17% мощности силовой части. Но даже с учетом этого эффективность оказалась выше, чем для ранее представленных систем возбуждения.

Разработанный источник был использован при возбуждении активной среды с частотой следования импульсов 36 кГц, что дает возможность реализовать систему визуализации с временным разрешением до 27.8 мкс. При этом мощность генерации при использовании в активном элементе плоскопараллельного резонатора составила 1.6 Вт, объем активной зоны – 157 см³.