Генератор импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов Российский патент 2018 года по МПК H01S3/975 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для накачки импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.

Известен генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности (RU 2233538, МПК H03K 3/53, Н05Н 5/04, опубл. 27.07.2004), состоящий из модулятора с полным разрядом накопителя энергии, в качестве которого используется водородный тиратрон, и длинной обостряющей газоразрядной трубки, помещенной в металлический экран и образующей с экраном коаксиальную систему с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки, при этом упомянутая трубка включена между накопителем энергии и нагрузкой.

Недостатками известного генератора являются низкая частота следования импульсов, обусловленные характеристиками коммутатора (тиратрона).

Известен генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов (RU 2226022, МПК H01S 3/0975, опубл. 20.03.2004), выбранный в качестве прототипа, включающий зарядное устройство, тиратронный коммутатор, три последовательно соединенных накопительных конденсатора, первую, вторую и третью нелинейные индуктивности, газоразрядную трубку с параллельно подключенной индуктивностью, обостряющую емкость, общую шину устройства, анодный реактор, при этом вывод зарядного устройства соединен с первым выводом анодного реактора и первым выводом первой нелинейной индуктивности, второй вывод анодного реактора соединен с анодом тиратронного коммутатора непосредственно, второй вывод первой нелинейной индуктивности соединен с общей точкой соединения двух последовательно соединенных накопительных конденсаторов, вывод первого из которых соединен с общей шиной устройства, а вывод второго накопительного конденсатора через вторую нелинейную индуктивность соединен с выводом третьего накопительного конденсатора, который через третью нелинейную индуктивность соединен с выводом обостряющего конденсатора и электродом (катодом) газоразрядной трубки, второй электрод (анод) газоразрядной трубки через общую шину устройства соединен со вторым выводом обостряющего конденсатора, вторым выводом третьего накопительного конденсатора, катодом тиратронного коммутатора и вторым выводом зарядного устройства.

Недостатком известного генератора является низкая частота следования импульсов накачки и невозможность работы в режиме частичного разряда накопителя энергии, обусловленная характеристиками тиратронного коммутатора. При работе устройства в режиме полного разряда емкости невозможно снизить энерговклад в каждом импульсе накачки, что препятствует получению генерации в лазерах на самоограниченных парах металлов на высокой частоте следования импульсов.

Задачей изобретения является увеличение частоты следования импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, а также осуществление режима частичного разряда накопительной емкости.

Поставленные задачи достигаются тем, что для построения выходного каскада генератора используется гибридный высоковольтный коммутатор, представляющий собой комбинацию электровакуумной лампы, включенной по схеме с общей сеткой, и полупроводникового ключа, включенного в катодный контур между катодом лампы и общим проводом.

Быстродействие схемы ограничивается скоростью переключения полупроводникового ключа, до тех пор, пока время переключения не становится соизмеримо со временем пролета электронов в объемы лампы (доли или единицы наносекунд). Время разряда накопителя энергии определяется временем импульса управления полупроводниковым коммутатором.

На фиг. 1 изображена структурная схема генератора импульсов возбуждения.

Генератор содержит модуляторную лампу 1 (МЛ), подключенную анодом к выводу газоразрядной трубки 2 (ГРТ). Второй контакт газоразрядной трубки 2 соединен с первым выводом накопительной емкости 3 (НЕ), подключенным к зарядному устройству 4 (ЗУ). Вторым выводом накопительная емкость подключена к общей шине устройства 5 (ОШУ). Катод модуляторной лампы 1 соединен со стоком силового транзистора 6 (СТ), соединенным истоком через общую шину устройства 5 со вторым выводом зарядного устройства 4. Блок системы управления 7 (СУ) подключен к затвору силового транзистора 6. Блок вспомогательного источника питания 8 (ВИП) формирует напряжения питания сеток и накала электровакуумной модуляторной лампы 1. Блок системы управления 7 и блок вспомогательного источника питания 8 подключены к общей шине устройства 5. Управляющая сетка модуляторной лампы 1 соединена с фильтрующей емкостью сетки 9 (ФЕС), подключенной вторым выводом к общей шине устройства 5.

Устройство работает следующим образом. После подачи питания, с помощью вспомогательного источника питания 8 формируются напряжения сеток и накала модуляторной лампы 1, происходит заряд фильтрующей емкости сетки 9, накопительная емкости 3 заряжается от зарядного устройства 4, а также происходит заряд межэлектродных емкостей элементов, после чего ток в схеме не протекает. При подаче управляющего импульса системой управления 7 на затвор силового транзистора 6, полупроводниковый коммутатор открывается, разряжая емкость сетка-катод модуляторной лампы 1, происходит понижение потенциала катода, что эквивалентно повышению потенциала первой сетки, лампа открывается, газоразрядная трубка через открытый коммутатор подключается к общей шине устройства 5. До тех пор, пока силовой транзистор 6 в катодной цепи модуляторной лампы 1 открыт, через газоразрядную трубку 2 протекает ток. После снятия сигнала системы управления 7 силовой транзистор 6 запирается, потенциал катода модуляторной лампы 1 возрастает, модуляторная лампа 1 запирается и происходит обрыв тока в анодной цепи, формирование импульса напряжения на газоразрядной трубке 2 заканчивается.

В общем случае при построении предлагаемого устройства возможно использование любой многоэлектродной модуляторной лампы: триод, тетрод и т.д., поскольку при условии корректного выбора напряжений смещения, обеспечивающих правильное распределение потенциала в структуре многоэлектродного электровакуумного прибора, практически не изменяются как общий принцип действия схемы, так и роль дополнительных сеток лампы.

Таким образом, определенная комбинация электровакуумной лампы и полупроводникового ключа позволяет получить надежный и стабильный коммутатор, обладающий высоким быстродействием и малой мощностью управления, с помощью которого возможна реализация генератора импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, обладающего следующими преимуществами:

1) Неравномерное распределение потенциала в гибридной структуре; большая часть анодного напряжения прикладывается к промежутку сетка - анод, что позволяет использовать относительно низковольтный полупроводниковый коммутатор.

2) Анодные и сеточные напряжения - одного знака относительно общего провода, в принципе могут быть получены от одного источника питания.

3) Для управления коммутатором требуется низковольтный импульс, который может быть получен от стандартной интегральной микросхемы драйвера.

4) Схема генератора проста и содержит небольшое количество элементов.

5) Поскольку ток короткого замыкания генератора ограничен током эмиссии с катода, при соответствующем выборе полупроводникового ключа схема будет устойчива к режиму короткого замыкания в нагрузке.

6) Схема стабильна в режиме холостого хода (или обрыва в цепи нагрузки).

7) Схема генератора работает в режиме частичного разряда емкости.

8) Поскольку по переменному току управляющая сетка заземлена через фильтрующую емкость сетки, катодная и анодная цепи лампы экранированы друг от друга, что ослабляет действие паразитных комплексных обратных связей, ведет к улучшению быстродействия и уменьшению вероятности самовозбуждения схемы по сравнению со схемой включения лампы с общим катодом.

Использование: для накачки импульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов. Сущность изобретения заключается в том, что генератор импульсов возбуждения содержит зарядное устройство, подключенное первым выводом к накопительной емкости, а вторым к общей шине устройства, коммутатор, состоящий из силового транзистора и модуляторной лампы, соединенной управляющей сеткой по переменному току через фильтрующую емкость сетки с общей шиной устройства, газоразрядную трубку, вспомогательный источник питания, формирующий напряжения для сеток и накала модуляторной лампы и систему управления, соединенную с затвором силового транзистора. Технический результат: обеспечение возможности увеличения частоты следования импульсов возбуждения лазеров, а также осуществления частичного разряда накопительной емкости. 1 ил.

Генератор импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, включающий зарядное устройство, коммутатор, накопительную емкость, газоразрядную трубку и общую шину устройства, отличающийся тем, что коммутатор выполнен в виде гибридной структуры, состоящей из силового транзистора, затвор которого соединен с системой управления, исток с общей шиной устройства, а сток с катодом модуляторной газоразрядной лампы, которая включена по схеме с общей сеткой, выводы сеток и накала которой соединены со вспомогательным источником питания, а управляющая сетка, по переменной составляющей, соединена с общей шиной устройства, через фильтрующую емкость.