Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 40-44

ВВЕДЕНИЕ

Электрический пробой газа, инициированный лазерным излучением [1], используется в разрядниках высокого давления с оптическим управлением [2, 3]. Газовый разрядник является одним из основных элементов, определяющих стабильность работы высоковольтных импульсных генераторов [4], поэтому использование коммутаторов с высокой временной стабильностью важно для такого рода аппаратуры.

Возможность синхронизации сильноточных импульсных ускорителей электронов с помощью лазерного излучения с точностью не хуже ±2 нс была показана в [5]. Между тем, использование трехэлектродного управляемого разрядника обеспечивает точность включения не хуже 0.3 нс, однако при этом запускающий импульс должен иметь амплитуду 15–50 кВ [6]. Возможность управления генератором с точностью не хуже чем 25 пс путем синхронизации двух импульсных генераторов с помощью такого же третьего была показана в работе [7]. Однако данный подход сложно использовать, если необходимо синхронизировать разнородные приборы: генератор (ускоритель) и импульсный лазер, например, для исследования взаимодействия субнаносекундных электронных пучков с конденсированным веществом [8].

Несомненным преимуществом оптического запуска является гальваническая развязка цепей управления от коммутируемых цепей, что важно, в частности, когда оба электрода коммутатора не заземлены. В работе [6] отмечается, что лазерные системы, применяемые для запуска разрядников, сложны и дороги. Однако значительный технологический прогресс в области производства лазеров, в том числе их удешевление, делает актуальными исследования, направленные на совершенствование сильноточных высоковольтных разрядников с оптическим управлением [9, 10].

В данной работе приводятся результаты испытаний, полученные при запуске высоковольтного коммутатора излучением импульсно-периодического АИГ:Nd³⁺-лазера. Для обеспечения запуска высоковольтного коммутатора лазерным излучением нами был доработан стандартный разрядник ускорителя “Радан” [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ, ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Блок-схема экспериментальной установки для исследования работы ускорителя “Радан” с лазерным запуском представлена на рис. 1, эскиз разрядника ускорителя с лазерным запуском – на рис. 2.

Рис. 1.

Блок-схема экспериментальной установки. ДФЛ – двойная формирующая линия.

Рис. 2.

Эскиз экспериментальной установки. 1 – линза с фокусным расстоянием f  = 100 мм; 2 – излучение лазера; 3 – анод; 4 – катод; 5 – плазма.

Излучение 2 первой гармоники АИГ:Nd³⁺-лазера LS-2134 (СП “ЛОТИС ТИИ”, Республика Беларусь, https://www.lotis-tii.com) с длиной волны λ = 1064 нм и энергией 200 ± 0.5 мДж направлялось вдоль оси установки и через отверстие диаметром 2 мм в катоде 4 фокусировалось на аноде 3 (см. рис. 2). Диаметр фокусировки составлял порядка 0.2 мм. Данная конфигурация является оптимальной с точки зрения снижения джиттера включения такого разрядника [12]. Одновременно с запускающим импульсом формировался импульс второй гармоники λ = 532 нм, передний фронт которого по уровню 0.05 от максимума использовался в качестве точки отсчета. Типичная осциллограмма лазерного импульса приведена на вставке к рис. 3.

Рис. 3.

Осциллограмма работы разрядника в режиме самопробоя. 1 – напряжение заряда ДФЛ; 2 – лазерный импульс (не подается в разрядник); t_d – время задержки. На вставке – типичная осциллограмма лазерного импульса.

Регистрация излучения осуществлялась с помощью фотодиода UPD-50-UP-FR (время нарастания фронта 50 пс) и осциллографа Tektronix TDS 3054C (время нарастания/спада 0.7 нс [13]). Разрядник был настроен так, что, если лазерное излучение не поступало в разрядник, происходил его самопробой, наблюдаемый через 3 ± 0.25 мкс после начала заряда двойной формирующей линии (ДФЛ) ускорителя при напряжении U_s = 210 кВ (при давлении в разряднике 4 МПа и межэлектродном расстоянии 3 мм). Тем самым обеспечивалась защита изоляции ускорителя. На рис. 3 показана осциллограмма для случая самопробоя, когда лазерное излучение регистрируется, но не поступает в разрядник. При проведении измерений между импульсами выдерживался интервал порядка 2 мин, с тем чтобы электрическая прочность газового промежутка успела восстановиться.

Для определения момента срабатывания разрядника регистрировалось зарядное напряжение ДФЛ. Для этого использовался низкоиндуктивный емкостный делитель [14]. Длины оптических путей, сигнальных кабелей были подобраны так, чтобы разность задержек между запускающим лазерным импульсом и сигналом емкостного делителя, с одной стороны, и опорным импульсом второй гармоники лазера – с другой была минимальной. Расчетная нескомпенсированная разность задержек составляла 0.6 нс и учитывалась программно при обработке результатов измерений.

В качестве параметра измерений было взято время с начала заряда ДФЛ до момента подачи управляющего лазерного импульса t_d. Время задавалось с помощью генераторов задержек. На рис. 4 представлены эпюры напряжений, иллюстрирующие работу схемы синхронизации комплекса аппаратуры. Импульс управления лазера запускал лампу накачки. После этого блоком управления лазера формировался синхроимпульс, который использовался для формирования задержек.

Рис. 4.

Эпюра синхронизации.

Генератор А формировал задержку 130 мкс, необходимую для работы лампы накачки, и запускал схему заряда ДФЛ. Генератор Б формировал с задержкой t_d импульс на оптический затвор лазера для генерации импульса в режиме модуляции добротности. Изменением t_d варьировался момент прихода лазерного импульса, тем самым изменялось напряжение заряда ДФЛ в момент срабатывания разрядника (рис. 5). На рис. 6 показано, как меняется задержка срабатывания разрядника t_b (см. вставку к рис. 5) в зависимости от нормированного напряжения σ = (U_s – U_b)/U_s, где U_b – напряжение заряда ДФЛ при срабатывании разрядника; U_s – напряжение самопробоя.

Рис. 5.

Осциллограмма работы разрядника в режиме управления лазерным излучением. 1 – напряжение заряда ДФЛ; 2 – лазерный импульс. На вставке t_b – время задержки включения разрядника.

Рис. 6.

Осциллограмма серии из 30-ти импульсов в режиме управления лазерным излучением для нормированного напряжения σ = 0.34 (а), 0.11 (б), 0.05 (в).

На рис. 7 приведены результаты измерения t_b в зависимости от нормированного напряжения σ. Был рассчитан джиттер Δt включения разрядника как доверительная граница случайной погрешности измеренного значения t_b [15]. На рис. 8 показаны результаты расчетов джиттера для доверительной вероятности α = 0.95 по 30-ти импульсам. Джиттер уменьшается со снижением σ, достигая минимального значения 0.3 нс в интервале σ = = 0.1–0.2.

Рис. 7.

Задержка включения разрядника в зависимости от нормированного напряжения σ.

Рис. 8.

Джиттер включения разрядника.

Согласно рис. 6б, величина джиттера сравнима с нестабильностью импульса лазерного излучения. Нестабильность управляющего лазерного импульса является определяющей, но не единственной причиной нестабильности срабатывания. Свой вклад в джиттер могут давать различные нестабильности лазерной плазмы [16, 17], а на фронте лазерной плазмы возможно возникновение осцилляций [18].

Дальнейшее уменьшение σ (см. рис. 8) приводит к появлению дополнительного фактора, влияющего на Δt, – более высокой вероятности самопробоя. В частности, это иллюстрирует рис. 6в, на котором видно, как разрядник два раза срабатывает в самом начале управляющего импульса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, полученная нестабильность разрядника ускорителя “Радан” с оптическим управлением по своей величине соответствует джиттеру трехэлектродного управляемого разрядника. Найден режим работы и интервал нормированного напряжения заряда ДФЛ, при которых нестабильность определяется преимущественно запускающим импульсом лазерного излучения. Это позволяет надеяться, что при использовании более стабильного источника лазерного излучения будет получен еще более низкий джиттер.

Описанный выше экспериментальный комплекс позволит провести исследования характеристик управления сильноточным ускорителем при изменении давления и межэлектродного расстояния в разряднике с целью получения информации о предельном джиттере срабатывания.