СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2006 года по МПК H01S3/97 H02M7/5375 H03K3/57 H01S3/227 

Изобретение относится к квантовой электротехнике и может быть использовано в качестве схемы возбуждения лазеров на парах металлов.

Известны схемы возбуждения лазеров на парах металлов (Батенин И.М., Бучанов В.В. и др. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998, стр.145).

Для получения лазерного излучения в газоразрядных трубках на электроды этих трубок необходимо подавать короткие по времени (0,05-0,5 мкс) и высоковольтные (5-15 кВ) импульсы. Известны схемы, позволяющие формировать двухполярный сигнал. Преимущество таких схем перед схемами с однополярным сигналом в том, что использование схемы с двухполярным сигналом позволит избежать такого негативного процесса в газоразрядной трубке, как катафорез (процесс выноса рабочего вещества за пределы рабочей области трубки), а также позволит поддерживать температуру газоразрядной трубки постоянной по всей длине. Во всех известных схемах возбуждения лазеров на парах металлов используется единый принцип: повышение сетевого напряжения, выпрямление и получение постоянного высоковольтного напряжения, далее с помощью высоковольтного коммутатора получают высоковольтный импульс. Все элементы схем получаются высоковольтными, в качестве коммутаторов используются тиратроны.

Недостатком данных схем является их низкая надежность, большие габариты и высокая стоимость.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является схема возбуждения лазеров на парах металлов (Pack J.L., Liu С.S., Feldman D.W., Weaver L.A. Rev. Sci. Instrum., 1977. Vol.48, №8. Р.1047-1049).

Схема содержит высоковольтные зарядную индуктивность, зарядный диод, накопительные конденсаторы, корректирующие индуктивности, индуктивность связи, коммутаторы, в качестве которых служат тиратроны, схему запуска коммутаторов и газоразрядную трубку.

Недостатком этой схемы является низкая надежность (срок службы большинства тиратронов по паспорту 500 часов), большие габариты и масса и высокая стоимость тиратрона.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности, уменьшение массы и габаритов, а также понижение стоимости схемы возбуждения лазеров на парах металлов.

Указанное техническое решение достигается тем, что предлагаемая схема возбуждения лазеров на парах металлов, так же как и прототип, содержит зарядную индуктивность, зарядный диод, накопительные конденсаторы, коммутаторы, схему запуска коммутаторов и газоразрядную трубку.

Особенность заключается в том, что в схему добавлен зарядный диод, причем два зарядных диода, два накопительных конденсатора, два коммутатора, в качестве которых используются транзисторы, являются низковольтными. Аноды зарядных диодов соединены с зарядной индуктивностью, а к их катодам подключены накопительные конденсаторы, вторые выводы которых соединены с эмиттерами соответствующих транзисторов. Два зарядных диода, два накопительных конденсатора, два транзистора образуют модуль, повторяющийся n раз. Аноды всех зарядных диодов соединены между собой, а затворы n пар транзисторов подключены через два согласующих устройства соответственно к схеме запуска. Также в схеме новым является n-секционный высоковольтный импульсный трансформатор, имеющий две первичных обмотки, намотанных встречно, и одну вторичную обмотку, причем одна первичная обмотка n-секционного трансформатора началом соединена с катодом соответствующего зарядного диода, тогда как концом соединена с коллектором соответствующего транзистора, входящего в соответствующий модуль, другая же первичная обмотка n-секционного трансформатора началом соединена с коллектором соответствующего транзистора, а концом соединена с катодом соответствующего зарядного диода, вторичные же обмотки n-секционного трансформатора соединены между собой последовательно и подключены к газоразрядной трубке, при этом эмиттеры n пар транзисторов соединены с коллекторами двух зарядных транзисторов соответственно, причем затворы зарядных транзисторов соединены со схемой запуска, а их эмиттеры - с общей шиной.

Предлагаемая схема возбуждения лазеров на парах металлов позволяет увеличить надежность работы за счет использования в качестве коммутирующих элементов транзисторы, срок службы которых значительно выше, чем у тиратронов, а также уменьшает габариты и массу, а в целом и стоимость всего прибора.

В результате анализа уровня техники и сравнительного анализа с прототипом была выявлена совокупность существенных признаков устройства, изложенных в формуле изобретения в отличительной части, которые не совпадают с известными ранее устройствами, следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг.1 изображена функциональная схема возбуждения лазеров на парах металлов; на фиг.2 - временная диаграмма работы схемы.

Схема возбуждения лазеров на парах металлов (фиг.1) содержит зарядную индуктивность 1, подключенную к анодам двух зарядных диодов 2.1, 3.1 первого модуля и к анодам зарядных диодов всех последующих модулей. К катодам каждого из диодов, входящих в модули I...N, подключен накопительный конденсатор 4,1...4.n, 5.1...5.n, который другим выводом соединен с эмиттером соответствующего ему транзистора 6.1...6.n, 7.1...7.n, а коллекторы транзисторов 6.1...6.n соединены с концом первой первичной обмотки импульсного трансформатора 8.1...8.n, тогда как коллекторы транзисторов 7.1...7.n соединены с началом второй первичной обмотки импульсного трансформатора 8.1...8.n, a начало первой первичной обмотки соединено с катодами зарядных диодов 2.1...2.n, тогда как конец второй первичной обмотки соединен с катодами зарядных диодов 3.1...3.n, при этом затворы транзисторов 6.1...6.n через согласующее устройство 9.1, а затворы транзисторов 7.1...7.n через согласующее устройство 9.2 подключены к схеме запуска 10. Вторичные обмотки импульсных трансформаторов 8.1...8.n соединены между собой последовательно и далее подключены к электродам газоразрядной трубки 11, причем эмиттеры транзисторов 6.1...6.n соединены с коллектором зарядного транзистора 12.1, а эмиттеры транзисторов 7.1...7.n - с коллектором зарядного транзистора 12.2, при этом затворы зарядных транзисторов 12.1, 12.2 соединены со схемой запуска 10, а их эмиттеры - с общей шиной.

Схема возбуждения лазеров на парах металлов работает следующим образом. Работа схемы иллюстрируется временной диаграммой напряжений для различных точек схемы (фиг.2).

Постоянное напряжение Ua (фиг.2) поступает на вход зарядной индуктивности 1. Зарядная индуктивность 1, зарядные диоды 2.1...2.n и накопительные конденсаторы 4.1...4.n позволяют осуществлять резонансный заряд. Со схемы запуска коммутаторов 10 на затвор зарядного коммутатора (транзистора) 12.1 поступает управляющий сигнал U_h. Транзистор 12.1 открывается, тем самым открывая цепь заряда накопительных конденсаторов 4.1...4.n до двойного напряжения Ub. В момент времени t1 транзистор 12.1 закрывается, заряд накопительных конденсаторов 4.1...4.n прекращается и со схемы запуска коммутаторов 10 через согласующее устройство 9.1 на затворы транзисторов 6.1...6.n поступают запускающий сигнал Uf. Транзисторы 6.1...6.n открываются, и происходит разряд накопительных конденсаторов 4.1...4.n, через первую первичную обмотку трансформаторов 8.1...8.n и транзисторы 6.1...6.n к моменту времени t2 (напряжения Ud на коллекторах транзисторов 6.1...6.n). На вторичных обмотках импульсных трансформаторов 8.1...8.n в течение времени t1-t2 формируется короткий импульс положительной полярности. Зарядная индуктивность 1, зарядные диоды 3.1...3.n и накопительные конденсаторы 5.1...5.n также позволяют осуществлять резонансный заряд. В момент времени t2 со схемы запуска коммутаторов 10 на затвор зарядного коммутатора (транзистора) 12.2 поступает управляющий сигнал Ui, сдвинутый относительно Uh на полпериода. Транзистор 12.2 открывается, тем самым открывая цепь заряда накопительных конденсаторов 5.1...5.n до двойного напряжения Uc. В момент времени t3 транзистор 12.2 закрывается, заряд накопительных конденсаторов 5.1...5.n прекращается и со схемы запуска коммутаторов 10 через согласующее устройство 9.2 на затворы транзисторов 7.1...7.n поступают запускающий сигнал Ug, сдвинутый относительно Uf на полпериода. Транзисторы 7.1...7.n открываются, и происходит разряд накопительных конденсаторов 5.1...5.n, через вторую первичную обмотку трансформаторов 8.1...8.n и транзисторы 7.1...7.n к моменту времени t4 (напряжения Ue на коллекторах транзисторов 7.1...7.n). На вторичных обмотках импульсных трансформаторов 8.1...8.n в течение времени t3-t4 формируется короткий импульс отрицательной полярности, поскольку две первичные обмотки намотаны встречно. При последовательном соединении выходных обмоток импульсных трансформаторов 8.1...8.n получим на выходе короткий высоковольтный двухполярный импульс Uj, необходимый для возбуждения газоразрядной трубки 11. Зарядные транзисторы 12.1 и 12.2 позволяют накопительным конденсаторам заряжаться в определенное время и исключают возможность появления двойного напряжения на закрытых транзисторах.

Преимуществом изобретения является то, что возможность использования низковольтных элементов, а также транзисторов в качестве коммутирующих элементов с большим сроком службы значительно увеличивают надежность схемы возбуждения лазеров на парах металлов в целом.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Схема содержит n модулей, подключенных к источнику питания через зарядную индуктивность. В состав каждого модуля входит одна секция многосекционного высокочастотного импульсного трансформатора. Каждая секция трансформатора имеет две первичные обмотки, намотанные встречно, и одну вторичную обмотку. Каждый модуль содержит также два накопительных конденсатора, два зарядных диода и два транзисторных коммутатора. Накопительный конденсатор заряжается через соответствующий зарядный диод и зарядную индуктивность от источника питания и разряжается через соответствующие транзисторный коммутатор и первичную обмотку секции многосекционного трансформатора. Затворы транзисторных коммутаторов соединены через согласующие устройства со схемой запуска. Вторичные обмотки всех секций многосекционного трансформатора соединены последовательно и подключены к выводам газоразрядной трубки. Изобретение направлено на повышение надежности схемы возбуждения за счет использования низковольтных элементов. 2 ил.

Схема возбуждения лазера на парах металлов, содержащая зарядную индуктивность, зарядный диод, анод которого соединен с зарядной индуктивностью, два накопительных конденсатора, два коммутатора, единую схему поочередного запуска коммутаторов, газоразрядную трубку, отличающаяся тем, что схема дополнительно имеет второй зарядный диод, два согласующих устройства, два зарядных коммутатора, а также дополнительно снабжена n-секционным высокочастотным импульсным трансформатором, причем каждая из секций содержит две первичные обмотки, намотанные встречно, и одну вторичную обмотку, при этом два зарядных диода, два накопительных конденсатора, два коммутатора, в качестве которых используются транзисторы, являются низковольтными, причем два зарядных диода, к катодам которых подключены первые выводы двух накопительных конденсаторов, транзисторы, эмиттеры которых соединены с вторыми соответствующими выводами накопительных конденсаторов, образуют модуль, повторяющийся n раз, при этом аноды зарядных диодов соединены между собой, а затворы n пар транзисторов соединены через два согласующих устройства со схемой запуска, а первая первичная обмотка n-секционного трансформатора началом соединена с катодом соответствующего зарядного диода, тогда как концом соединена с коллектором соответствующего транзистора, входящего в соответствующий модуль, вторая же первичная обмотка n-секционного трансформатора началом соединена с коллектором соответствующего транзистора, а концом соединена с катодом соответствующего зарядного диода, вторичные же обмотки n-секционного трансформатора соединены между собой последовательно и далее подключены к электродам газоразрядной трубки, причем эмиттеры двух транзисторов из n числа модулей подключены к коллекторам двух зарядных коммутаторов соответственно, причем затворы зарядных коммутаторов соединены со схемой запуска, а эмиттеры - с общей шиной.