Генератор импульсов возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов Российский патент 2025 года по МПК H01S3/975 

Устройство относится к приборам квантовой электроники, а именно - к источникам возбуждения импульсных лазеров и усилителей яркости на переходах атомов металлов, таких как медь, стронций, марганец, золото, барий.

Генератор импульсов формирует высоковольтные импульсы для возбуждения активных сред данного типа с частотой следования импульсов от 1 Гц до 200 кГц. Активные оптические системы на базе этих сред нашли свое применение в скоростных системах визуализации [Trigub M.V. Bistatic laser monitor for imaging objects and processes / Vasnev, N.A., Evtushenko, G.S. // Appl. Phys. B. - 2020. - 126, 33. https://doi.org/10.1007/s00340-020-7387-5.], высокочастотных системах дистанционного мониторинга, а также в системах микрообработки материалов [Григорьянц А.Г. Лазеры на парах меди для прецизионной обработки изделий электронной техники / Гусев А.Л., Казарян М.А., Лябин Н.А. // АЭЭ. - 2013. - №7 (129). - С. 86-98.].

Известно устройство - генератор импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов [Патент RU 2672180 C1]. В устройстве используется гибридный высоковольтный коммутатор, представляющий собой комбинацию электровакуумной лампы, включенной по схеме с общей сеткой, и полупроводникового ключа, расположенного в катодном контуре между катодом лампы и общим проводом. Устройство обеспечивает следующий технический результат: возможность увеличения частоты следования импульсов возбуждения лазеров, а также осуществление частичного разряда накопительной емкости. Устройство имеет ряд недостатков. Во-первых, устройство не позволяет возбуждать активные среды с диаметром активной зоны более 7 мм из-за ограничения мощности ввиду использования одного полупроводникового элемента в катодной цепи. Во-вторых, срок службы генератора ограничивается сроком службы модуляторной лампы, который меньше, чем у полупроводниковых коммутаторов. В-третьих, предполагает использование мощных источников питания цепей накала и управления модуляторной лампой.

В работе [С.И. Мошкунов, В.Ю. Хомич, В.А. Ямщиков, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 4, 366-369] представлен высоковольтный твердотельный коммутатор, реализованный путем последовательного соединения 32 IGBT транзисторов, для накачки ArF лазера. Особенность устройства заключается в отсутствии промежуточного повышающего трансформатора. Питание устройства осуществляется от высоковольтного источника постоянного напряжения. Кроме того, в схеме происходит удвоение напряжения за счет неполного разряда накопительной емкости. Авторы описывают надежную работу устройства при потребляемой мощности 2,5 кВт, амплитуде импульсов напряжения 20-27 кВ и частоте следования импульсов до 2 кГц. Данное устройство имеет существенный недостаток - низкая частота следования импульсов, что не позволяет использовать устройство для возбуждения активных сред на переходах атомов металлов с оптимальными и повышенными частотами следования импульсов.

Известно устройство - генератор импульсов для возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов [Патент RU 2 795 675 C1 Генератор импульсов для возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов]. Устройство отличается тем, что в устройстве применена особая конструкция трансформаторного драйвера и импульсного повышающего трансформатора, за счет чего достигаются малые паразитные параметры схемы и, как следствие, высокая частота работы в импульсно-периодическом режиме - до 200 кГц. Данное устройство имеет несколько недостатков. Во-первых, ограниченный диапазон амплитуды выходного напряжения, максимальное значение составляет 8 кВ на холостом ходу. Во-вторых, ограничение выходной мощности на уровне до 1 кВт.

В качестве прототипа выбрана работа [W. Jiang., “Review of solid-state linear transformer driver technology,” Matter Radiat. Extrem., vol. 3, pp. 159-164, 2018.]. Устройство, описанное в работе, представляет собой коммутатор, состоящий из набора одинаковых модулей, включающих в себя конденсатор GRM55DR73A 1 кВ 100 нФ и транзисторы IXYS IXFT6N100F, а также вспомогательные элементы. Работа представленного устройства была исследована при формировании высоковольтных импульсов на активную нагрузку 120 Ом. Выходное напряжение при этом составило 29 кВ при 1 кВ входного. Недостатком предложенного решения является большое количество ключевых элементов (транзисторов) - 720 штук, которые охлаждаются путем рассеивания тепла в печатные платы модулей, что является неэффективным и ограничивает максимальную рассеиваемую устройством мощность потерь, а также низкая частота повторения импульсов, которая не превышает 1 кГц.

Задача, решаемая изобретением: формирование импульсов напряжения в частотном диапазоне от 1 Гц до 200 кГц и средней мощностью накачки до 1100 Вт для возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов.

Указанная задача решена за счет использования модульного коммутатора, управляемого цифровой системой управления с регулируемой частотой формирования импульсов от 1 Гц до 200 кГц и максимальной средней мощностью импульсов, формируемых каждым модулем, до 183 Вт.

Технический результат изобретения заключается в формировании импульсов возбуждения активных сред на самоограниченных переходах металлов в широком диапазоне максимальной амплитуды выходного напряжения: от 0 до 13,2 кВ и максимальной выходной средней мощности в диапазоне до 1100 Вт. Частота следования импульсов может варьироваться от 1 Гц до 200 кГц.

Технический результат достигается за счет того, что генератор содержит n модулей, каждый модуль состоит из набора параллельно-последовательно соединенных накопительных конденсаторов и четырех транзисторов с системой жидкостного охлаждения. Транзисторы расположены на печатной плате модуля равномерно вокруг расположенного на печатной плате модуля тороидального одновиткового трансформатора с первичной обмоткой из слоя медной фольги, окно которого совпадает с круглым вырезом в печатных платах всех модулей коммутатора, через которые проходит виток или витки вторичной обмотки. Накопительные конденсаторы расположены с обратной стороны печатной платы под тороидальным трансформатором. Все модули коммутатора, расположены на одной оси, совпадающей с осью вращения круглого выреза в печатной плате и с осью вращения тороидального трансформатора. Виток или витки вторичной обмотки проходят вдоль оси через все модули коммутатора. Такое решение обеспечивает наибольшую эффективность охлаждения силовых транзисторов модулей и эффективность вывода энергии из накопительных емкостей за счет минимальной площади первичного и вторичного разрядного контуров.

Сущность изобретения заключается в том, что генератор импульсов возбуждения содержит, вторичный источник электропитания, цифровую систему управления, блок заряда и модульный коммутатор, состоящий из типовых модулей, формирующий высоковольтные импульсы для возбуждения активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов возбуждения от 10 кГц до 100 кГц и в нетипичных режимах (цуг импульсов, одиночный импульс) с частотой следования импульсов возбуждения от 1 Гц до 200 кГц.

Генератор импульсов возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов (фиг. 1) содержит источник вторичного электропитания (1), блок заряда (2), модульный коммутатор (3), состоящий из n типовых модулей (3.1…3.n), где n варьируется от 1 до 6, и цифровую систему управления (4).

Источник вторичного электропитания (1) преобразует сетевое переменное напряжение 220 В 50 Гц в постоянное напряжение, величина которого регулируется от 0 до 240 В. Блок заряда (2) состоит из инвертора, импульсного повышающего трансформатора, выпрямителя и зарядной индуктивной цепи. Модульный коммутатор (3) состоит из n однотипных модулей (фиг. 2), каждый из которых представляет собой печатную плату, с напаянными на нее керамическими конденсаторами, включенными параллельно-последовательно, образующими накопительную емкость модуля (3.n.9) (комплектуется при изготовлении от 2 нФ до 15 нФ), один выход которой подключен к блоку заряда (2) и к стоку четырех параллельно стоящих 1200 В SiC транзисторов (3.n.5-3.n.8), которые расположены на равном угловом расстоянии вокруг одновиткового импульсного тороидального трансформатора (3.n.10) из материала N87, к которому подключен второй выход накопительной емкости. Трансформатор расположен в центре платы так, чтобы круглый вырез в плате совпадал с окном магнитопровода. Все модули в модульном коммутаторе (3) располагаются друг над другом, образуя единую ось для всех трансформаторов, через которую напрямую проводится один или два витка единой вторичной обмотки модульного коммутатора (3), за счет чего достигается суммирование выходных напряжений всех модулей. Дополнительный второй виток позволяет расширить диапазоны выходных характеристик генератора, делая систему более гибкой. Цифровая система управления (4) состоит из микроконтроллера с встроенным программным обеспечением, который формирует импульсы управления инвертором в блоке заряда (2) и драйверами транзисторов (3.n.1-3.n.4) всех модулей модульного коммутатора (3). Эти импульсы управления разделены во времени, поэтому во время заряда транзисторы модульного коммутатора (3) заперты, а во время формирования импульса возбуждения заперты транзисторы инвертора в блоке заряда (2). Между этими процессами есть пауза, необходимая для исключения токов короткого замыкания в системе.

Принцип работы устройства следующий. Сетевое напряжение поступает на вход источника вторичного электропитания (1), который преобразует его в постоянное напряжение заданной величины (до 240 В). Данное напряжение будет поддерживаться на выходе источника вторичного электропитания (1) пока не будет задано иное или пока устройство не будет выключено. Это напряжение поступает на вход блока заряда (2). В исходном состоянии все накопительные емкости модулей модульного коммутатора (3) разряжены, транзисторы закрыты. Цифровая система управления (4) формирует импульсы управления, которые поступают на первую пару транзисторов инвертора блока заряда (2), отпирая их. Ток заряда через повышающий импульсный трансформатор и индуктивную цепь блока заряда (2) поступает в накопительные емкости всех модулей модульного коммутатора (3), заряжая их по индуктивному закону до заданного напряжения (максимальное напряжение модуля достигает 1100 В). При работе в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов возбуждения величина емкости каждого модуля подбирается следующим образом: в диапазоне от 10 кГц до 20 кГц используется максимальная емкость в 15 нФ; в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц емкость выбирается так, чтобы средняя мощность (где - частота, - емкость модуля, - напряжение на накопительной емкости перед ее разрядом) при максимальном входном напряжении составляла 183 Вт на каждый модуль, что ограничено элементной базой модуля. После того, как емкости зарядились, транзисторы инвертора блока заряда (2) запираются цифровой системой управления (4). Следует пауза. Цифровая система управления формирует сигнал единовременного отпирания всех транзисторов модульного коммутатора (3), которые прикладывают напряжение накопительных емкостей к одновитковым трансформаторам модулей модульного коммутатора (3). Вторичная обмотка модульного коммутатора (3) соединяет выходы одновитковых трансформаторов последовательно, суммируя их напряжения - до 6600 В в сумме с шести модулей. При наличии двух витков во вторичной обмотке суммированное напряжение умножается на два, что обеспечивает формирование импульса напряжения с амплитудой до 13,2 кВ. Суммированный высоковольтный сигнал поступает на нагрузку. После полного разряда накопительной емкости на нагрузку цифровая система управления (4) запирает транзисторы модульного коммутатора (3). Следует пауза, после которой процессы заряда и разряда повторяются. Частота следования импульсов ограничивается характеристиками транзисторов коммутатора и теплоотводом, а также габаритной мощностью трансформаторов модулей.

Изменение частоты следования импульсов в диапазоне от 1 Гц до 200 кГц осуществляется с помощью цифровой системы управления.

Устройство относится к источникам возбуждения импульсных лазеров и усилителей яркости на переходах атомов металлов. Генератор содержит n модулей, каждый модуль состоит из набора параллельно-последовательно соединенных накопительных конденсаторов и четырех транзисторов с системой жидкостного охлаждения. Транзисторы расположены на печатной плате модуля равномерно вокруг расположенного на печатной плате модуля тороидального одновиткового трансформатора с первичной обмоткой из слоя медной фольги, окно которого совпадает с круглым вырезом в печатных платах всех модулей коммутатора, через которые проходит виток или витки вторичной обмотки. Накопительные конденсаторы расположены с обратной стороны печатной платы под тороидальным трансформатором. Все модули коммутатора расположены на одной оси, совпадающей с осью вращения круглого выреза в печатной плате и с осью вращения тороидального трансформатора. Виток или витки вторичной обмотки проходят вдоль оси через все модули коммутатора. Технический результат - формирование импульсов возбуждения активных сред на самоограниченных переходах металлов в широком диапазоне максимальной амплитуды выходного напряжения и максимальной выходной средней мощности. 2 ил.

Генератор импульсов возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, включающий источник вторичного электропитания, блок заряда, цифровую систему управления, модульный коммутатор из однотипных модулей, состоящих из накопительной емкости, силовых транзисторов и выходного импульсного одновиткового трансформатора, отличающийся тем, что каждый из модулей коммутатора, расположенных на одной оси, совпадающей с осью круглого выреза в плате, состоит из n параллельно-последовательно соединенных накопительных конденсаторов и четырех транзисторов с системой жидкостного охлаждения, расположенных на печатной плате модуля равномерно вокруг расположенного на плате модуля тороидального одновиткового трансформатора с первичной обмоткой из слоя медной фольги, окно которого совпадает с круглым вырезом в печатных платах всех модулей коммутатора, через которые проходит виток или витки вторичной обмотки.