Магнитотиристорный формирователь импульсов для накачки лазера на парах металлов Советский патент 1989 года по МПК H03K3/53 

(fjtie.i

; Изобретение относится к импульсной технике.и может быть использовано для питания лазеров на парах металлов

Цель изобретения - повышение крутизны фронта импульса в нагрузке |при одновременном повьпиении стабиль |ности работы, снижение массы и габаритов магнитотиристорного формирова теля импульсов.

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема предлагаемого магнитотиристорного формирователя импульсов; на фиг.2 - пример выпол- нения тиристорного генератора; на Фиг.З - кривые перемагничивания аморфного сплава и пермаллоя,

1

I Магнитотиристорньй формирова- тель импульсов для накачки лазера на парах металлов содержит тиристор |ный генератор 1 с импульсным трансформатором 2 на его выходе, п магнитных звеньев 3-1 - 3-п сжатия по- следовательно соединенных, вход первого из которых соединен с повышаю- ей обмоткой импульсного трансформа- jTopa 2, выход последнего соединен с |потенциапьным выводом газоразрядной |трубки 4, причем каждьй из п магнит- |ных звеньев 3-1 - 3-п сжатия содер- шт ковденсатор 3 и нелинейный дроссель 6, дополнительный ковденсатор 7, резисторы 8, дополнительньй кЬн- денсатор 7 подключен параллельно газоразрядной трубке 4, в каждом нз п магнитных звеньев 3-1 - 3-п сжатия параллельно конденсатору 5 Подключен резистор 8, причем нели- Нейные дроссели 6 в каждом из п маг- итных звеньев сжатия и ймпульсньй (трансформатор 2 выполнены на сердеч- Никах из аморфных сплавов, а емкость ,|чополнительного конденсатора 7 рав- йа емкости конденсатора 5 п магнит- Иых звеньев 3-1 - 3-п сжатия,

Тиристорньй генератор 1 вьшолнен На основе двух коммутационных блоков 9 и 10, каж/дьй из которых содержит Дроссели 11 и 12, тиристоры 13 и 14 :И конденсатор 15.

Магнитотиристорный формирователь Импульсов работает следующим об- разом.

Тиристорньй генератор 1 формирует мпульсы, длительность которых оп- . :|)еделяе.тся областью допустимых режимов использованньк в нем тиристоров.

10

5

0 5

5

0

5

0

5

0

Через импульсньй трансформатор 2 эти импульсы.поступают на вход п магнитных звеньев 3-1 - 3-п сжатия.. При заряде конденсатора 5 каждого из звеньев значение магнитной индукции в сердечнике дросселя 6 этого звена начинает возрастать и через некоторое время достигает индукции насыщения. После этого индуктивность дросселя резко уменьшается и через дроссель протекает импульс тока, приводящий к перезаряду конденсаторов 5 звеньев, далее процесс повторяется в следующем звене генератора. Длительность процессов в каждом звене определяется количеством витков обмотки соответствующего дросселя, так как емкости конденсаторов звеньев равны, а сердечники дросселей по размерам. Число витков уменьшается от звена к звену, что приводит к сжатию импульса тока во времени, в результате чего длительность импульса тока на выходе цепочки может быть во много раз меньше, чем на входе, В исходном состоянии, когда импульс поступает на вход цепочки сжатия, напряжения на всех конденсаторах равны нулю, а токи и индукция в сердечниках дросселей определяются положением рабочей точки на петле перемагничивания ферромагнитного сердечника.

На фиг,3 показаны кривые а и б перемагничивания соответственно аморфного сплава и пермаллоя. Различная форма ртих кривых определяет различные режимы работы предлагаемого генератора и прототипа. После насьще ния сердечника каждого из дросселей через него протекает импульс тока, приводящий к перезаряду конденсаторов звеньев. При выходе из насьпцения пермаллоевьй сердечник в прототипе оказывается в состоянии с нулевым током и индукцией, близкой к индукции насьщения. При выходе из насьщения сердечника из аморфного сплава в генераторе тЪк через дроссель 6 не равен нулю, а соотретствует значению напряженности магнитного поля в точке перегиба кривой намагничивания.

Энергия, запасенная при этом в дросселях, приводит к возникновению в цепях генератора затухающих колебательных или апериодичес ких процессов, скорость затухания которых определяется индуктивностью LHH , дросселей в ненасыщенном состоянии, емкостью конденсаторов звеньев и величиной сопротивлений резисторов 8, подключенных параллельно этим конденсаторам. Режим работы генератора зависит от того успеет ли ток через дроссель 6 уменьшиться до нуля в течение межимпульсного интервала. В этом случае перемагничивание сердечника происходит по частной петле с перепадом индукции Вд-В (кривая Ь на фиг.З), Если ток через дроссель к началу очередного цикла работы не равен нулю, а значение начальной индукции превышает В, то рабочий перепад индукции уменьшается до BJ-BO (кривая -2. на фиг.З). Если эта разность меньше, чем Bg-

Т1

Вв 0.7 (Un,- амплитуда

пряжения; -p-t время заряда конденсатора п-го звена; N - число ВИТКОВ) S - площадь сечения сердечника) , то насьщение п-го сердечника происходит раньше, чем закончится полный заряд конденсатора звена,что является нарушением нормального режима работы. Вследствие этого первоначально происходит уменьшение амплитуды напряжения в нагрузке, а затем (при существенном нарушении указанного неравенства) срыв работы генератора.

Наиболее сложно вьтолнить указанное условие затухания тока в первом звене генератора, так как индуктивность L „н, первого дросселя в нена- сыценном состоянии максимальна: L ц„,7 L „„ ... 7 L „„ „. При отсутствии резистора 8, т.е. при R , возни- какнций медленно затухающий колебательный процесс не дает возможности обеспечить стабильную работу генератора. Таким образом, подключение резисторов параллельно конденсаторам звеньев сжатия позволяет стабилизировать работу генератора в широком диапазоне частот повторения импульсов. Скорость затухания токов в этом случае достаточна для тогр, чтобы обеспечить необходимый минимальный перепад индукции.

После насьш ения дросселя последнего звена происходит формирование импульса тока через нагрузку. Форма этого импульса существенным образом зависит от соотношения емкостей обо

стряющего ко1щенсатора 7, подключенного параллельно нагрузке, и конденсатора 5 последнего звена.

Для оптимальной накачки лазера на парах меди необходимо, чтобы энергия импульса накачки была возможно большей при возможно меньшей длительности фронта импульса тока.

При равенстве емкостей конденсато- - ров 5 и 7 происходит сначала пол- ; ный перезаряд конденсатора 5 на конденсатор 7, а затем (после развития пробоя газоразрядной трубки

лазера) разряд конденсатора 7 на нагрузку. Длительность фронта определяется только скоростью пробоя трубки и не зависит от индуктивности дросселя последнего звена. В ,

случае отсутствия конденсатора 7, энергия, передаваемая в нагрузку, также равна полной энергии исходного импульса с учетом потерь в цепочке, однако длительность фронта

импульса тока реально здесь примерно в два раза больше, так как И1здук- тивность насьщенного последнего дросселя, включенного последовательно с нагрузкой, удлиняет этот фронт. В промежуточных случаях имеет место неполная передача энергии из конденсатора 5 в конденсатор 7 и раздвоение импульса тока через нагрузку. Первый импульс тока формируется при разряде конденсатора 7 после пробоя газоразрядной трубки, второй - при раз.ряде конденсатора 5 после повторного насыщения последнего дросселя 6. Второй импульс тока не дает

полезного вклада в генерацию лазера ввиду специфики работы лазера на парах меди, связанной с заселением метастабкпьного уровня атомов меди в течение первого импульса тока.

Подключение конденсатора параллельно нагрузке в генераторе позволяет существенно укоротить фронт импульса тока через нагрузку, что приводит к увеличению мощности генерации

лазера..

Еще одним важным следствием применения сердечников из аморфных сплавов является значительное снижение потерь на перемагничивание. Эксперименты показали, что для охлаждения сердечников из аморфного сплава 2НСР в генераторе, работающем в режиме, необходимом для получения генерации в лазере на парах меди.

достаточно воздушного озсггаждения (вентилятор), причем температзфа их поверхности через 1 ч работы не превышает 70°С,

Формула изобретения

Магнитотиристорный формирователь импульсов для накачки лазера на парах металлов, содержащий тиристорный генератор с импульсным трансформатором на его выходе, п магнитных звеньев сжатия, последовательно сое- йиненньк вход первого из которых соединен с повышающей обмоткой им™ пульсного трансформатора, выход последнего соединен с потенциальным выводом газоразрядной трубки, причем

каждьй из п магнитных звеньев сжатия содержит конденсатор и нелинейный дроссель, дополнительный конденсатор, отличающийся тем, что, с целью повьппения крутизны фронта выходного импульса при одновременном повышении стабильности работы, снижения массы и габаритов, дополнительный конденсатор подключен параллельно газоразрядной трубке, в каждом из п магнитных звеньев сжатия параллельно конденсатору подключен резистор, причем нелинейные дроссели в каждом из п магнитных звеньев сжатия и импульсный трансформатор вьшолнеиы на сердечниках из аморфных сплавов, а емкость дополнительного конденсатора равна емкости конденса.тора п магнитных звеньев сжатия,,

.Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания лазеров на парах металлов. Целью изобретения является повышение крутизны фронта импуль 3 f сов в нагрузке при одновременном по- вьпиении стабильности работы, снижение массы и габаритов формирователя импульсов. Формирователь импульсов содержит тиристорный генератор 1 с импульсным трансформатором 2, п магнитных звеньев (3-1)-(3-п) сжатия, соединенных последовательно, газоразрядную трубку 4. Каждое звено сжатия содержит конденсатор 5, нелинейный дроссель 6, дополнительньй конденсатор 7, резистор 8. Тиристор- ньй генератор 1 выполнен на основе двух коммутационных блоков, каждый из которых содержит дроссели, три тиристора и конденсатор. Схема генератора приводится в описании изобретения. Дроссели 6 и трансформатор 2 вьтолнены на сердечниках из аморфных сплавов, что позволяет сущест- венно снизить потери на перемагни- чивание. 3 ил. 2 & (Л Ъ 2 Ъ П а ел ;о 4 О1