RU2031501C1 - Device of excitation of bulk charge in pulse laser - Google Patents
Device of excitation of bulk charge in pulse laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2031501C1 RU2031501C1 SU5064474A RU2031501C1 RU 2031501 C1 RU2031501 C1 RU 2031501C1 SU 5064474 A SU5064474 A SU 5064474A RU 2031501 C1 RU2031501 C1 RU 2031501C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitors
- series
- thyratron
- pulse
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для систем накачки преимущественно в широкоапертурных импульсно-периодических эксимерных лазерах. The invention relates to quantum electronics and can be used for pumping systems mainly in wide-aperture pulse-periodic excimer lasers.
Известно устройство для возбуждения импульсного объемного разряда с тиратроном в качестве коммутатора, в котором производится перезарядка одной емкости на другую, малоиндуктивно подсоединенную к электродам лазера [1]. Устройство отличается простотой, высоким ресурсом работы при большой частоте следования импульсов. A device is known for exciting a pulsed volume discharge with a thyratron as a switch, in which one capacitor is recharged to another, connected inductively to the laser electrodes [1]. The device is simple, high service life at a high pulse repetition rate.
Ограничением устройства является малая величина разрядного напряжения, не позволяющая увеличить апертуру лазера и его энергию генерации. A limitation of the device is the small value of the discharge voltage, which does not allow increasing the laser aperture and its generation energy.
Указанного недостатка лишено устройство для возбуждения объемного разряда, содержащее каскадный генератор Маркса с разрядниками в качестве коммутаторов, импульсно заряжаемую симметричную линию Блюмляйна с водяной изоляцией, подсоединенную через разрядник к электродам лазера [2]. При использовании в эксимерном лазере устройство позволяет получать энергию генерации на два порядка большую, чем в предыдущем аналоге. The indicated drawback is devoid of a device for exciting a volume discharge, containing a cascade Marx generator with spark gap as switches, a pulse-charged symmetrical Blumlyayn line with water insulation, connected through the spark gap to the laser electrodes [2]. When used in an excimer laser, the device allows one to obtain generation energy two orders of magnitude greater than in the previous analogue.
Однако устройство имеет большие массу и габариты и не может быть использовано для работы в частотном режиме. However, the device has a large mass and dimensions and cannot be used to operate in the frequency mode.
Прототипом изобретения является устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере, содержащее первый конденсатор и подсоединенные к нему через магнитный ключ первый - n-й генераторы импульсного напряжения (ГИН), подключенные между собой параллельно, причем каждый из ГИН содержит первый LC-инвертор, выполненный в виде двух последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов, к крайним выводам которых подключена первая катушка индуктивности, а крайний вывод второго конденсатора через тиратрон связан с выводом источника напряжения [3]. При использовании в эксимерном электро- разрядном лазере прототип позволяет получать высокую среднюю мощность лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме и обладает большим ресурсом работы. Указанное устройство позволяет примерно вдвое повысить разрядное напряжение по сравнению с первым аналогом. The prototype of the invention is a device for exciting a volume discharge in a pulsed laser, containing the first capacitor and connected to it through a magnetic key, the first - nth pulse voltage generators (GIN), connected to each other in parallel, and each of the GIN contains the first LC inverter, made in the form of two series-connected second and third capacitors, to the extreme terminals of which the first inductor is connected, and the extreme output of the second capacitor through the thyratron is connected to the output voltage chnika [3]. When used in an excimer electric discharge laser, the prototype allows one to obtain a high average laser radiation power in a repetitively pulsed mode and has a long service life. The specified device allows you to approximately double the discharge voltage compared with the first analogue.
Однако в прототипе затруднено дальнейшее увеличение напряжения и соответственно апертуры объемного разряда, энергии генерации и средней мощности излучения лазера из-за ограниченного диапазона напряжения до Uт≈30 кВ, при которых осуществляется устойчивая работа тиратронов в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим при использовании устройства в эксимерном лазере его энергия генерации примерно на порядок ниже, чем в предыдущем аналоге.However, in the prototype, it is difficult to further increase the voltage and, accordingly, the volume discharge aperture, the generation energy, and the average laser radiation power due to the limited voltage range up to U t ≈30 kV, at which the thyratrons operate stably in a pulse-periodic mode. In this regard, when using the device in an excimer laser, its generation energy is approximately an order of magnitude lower than in the previous analogue.
Задача изобретения - повышение амплитуды импульсного напряжения и осуществление возможности увеличения апертуры лазера, его энергии генерации и средней мощности излучения. The objective of the invention is to increase the amplitude of the pulse voltage and the possibility of increasing the aperture of the laser, its generation energy and average radiation power.
Задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащим первый конденсатор и подсоединенные к нему через магнитный ключ первый n-й ГИН, подключенные между собой параллельно, причем каждый из ГИН содержит первый LС-инвертор, выполненный в виде двух последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов, к крайним выводам которых подключена первая катушка индуктивности, а крайний вывод второго конденсатора через тиратрон связан с выводом источника напряжения. Отличие устройства заключается в том, что в каждый ГИН введены второй-К-й последовательно соединенные LC-инверторы, вторая-К-я катушки индуктивности и первый-К-й насыщаемые дроссели, причем общие выводы второго и третьего конденсаторов первого- К-го LC-инверторов соединены между собой соответственно через вторые-К-е катушки индуктивности, при этом упомянутые общие выводы подключены к соответствующему тиратрону через первый-К-й насыщаемые дроссели также соответственно. The task can be carried out by a device of a new design, containing the first capacitor and connected to it through a magnetic key, the first n-th GIN connected in parallel, each of the GIN contains the first LC-inverter, made in the form of two series-connected second and third capacitors, to the extreme terminals of which the first inductor is connected, and the extreme terminal of the second capacitor is connected through the thyratron to the output of the voltage source. The difference between the device is that a second-Kth series-connected LC inverter, a second-Kth inductor and a first-Kth saturable inductor are introduced into each GIN, and the common conclusions of the second and third capacitors of the first-Kth LC inverters are interconnected respectively through the second-K-th inductors, while the aforementioned common leads are connected to the corresponding thyratron through the first-K-th saturable chokes, respectively.
Выполнение устройства в указанном виде позволяет, используя стандартные высокоресурсные частотные коммутаторы, в несколько раз увеличить амплитуду напряжений, возбуждающих объемный разряд в импульсном лазере. Это дает возможность увеличить апертуру лазера и существенно, примерно в К2 раз, увеличить его энергию генерации, где К - количество LC-инверторов, соединенных последовательно в каждом ГИН. При этом подсоединение каждого тиратрона к соответствующему второму конденсатору через насыщаемый дроссель снижает потери при коммутации, что позволяет минимизировать количество тиратронов и соответственно число ГИН.The implementation of the device in this form allows using standard high-frequency frequency switches to increase the amplitude of the voltages exciting the volume discharge in a pulsed laser several times. This makes it possible to increase the laser aperture and substantially, approximately by a factor of 2 , increase its generation energy, where K is the number of LC inverters connected in series in each GIN. At the same time, connecting each thyratron to the corresponding second capacitor through a saturable inductor reduces switching losses, which minimizes the number of thyratrons and, accordingly, the number of GINs.
На чертеже схематично изображено устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере. The drawing schematically shows a device for exciting a volume discharge in a pulsed laser.
Устройство содержит n ГИН 1, в состав каждого из которых входит К последовательно соединенных LC-инверторов 2. На чертеже изображен случай двух, n = 2, параллельно соединенных ГИН, в состав каждого из которых входит по два, К = 2, последовательно соединенных LC-инвертора. К крайним выводам последовательно соединенных второго 3 и третьего 4 конденсаторов каждого LC-инвертора 2 подключена первая катушка 5 индуктивности. Общие выводы второго 3 и третьего 4 конденсаторов, последовательно соединенных первого-К-го LC-инверторов 2 в каждом ГИН соединены между собой вторыми-К-ми катушками 6 индуктивности. К второму конденсатору 3 каждого первого-К-го LC-инвертора подсоединен тиратрон 7 через насыщаемый дроссель 8, причем в каждом ГИН тиратрон первого LC-инвертора подключен к выводу источника напряжения Uо. Параллельно соединенные между собой ГИН 1 через магнитный ключ 9 подсоединены к первому конденсатору 10, который подключен к катоду 11 и аноду 12 лазера.The device contains n GIN 1, each of which includes K series-connected
Устройство для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере работает следующим образом. A device for exciting a volume discharge in a pulsed laser operates as follows.
Содержащиеся в ГИН 1, каждый из которых состоит из К последовательно соединенных LC-инверторов 2, вторые 3 и третьи 4 конденсаторы заряжаются до начального напряжения Uо (источник напряжения не показан). За исключением вторых конденсаторов 3 первых LC-инверторов, конденсаторы 3, 4 заряжаются через катушки 5, 6 индуктивности. Осуществляется запуск тиратронов 7. Насыщаемые дроссели 8 задерживают на небольшое время, ≈100 нс, начало резкого нарастания тока через тиратроны 7 во время их замыкания, что снижает в них стартовые потери. После насыщения дросселей 8 за время τ1=π , где L1 - индуктивность контура, включающего тиратрон 7, второй конденсатор 3 и дроссель 8; С - величина емкости второго конденсатора 3, происходит инвертирование напряжения на вторых конденсаторах 3. При равенстве емкостей конденсаторов 3, 4 на каждом LC-инверторе 2 разность потенциалов на последовательно соединенных конденсаторах 3, 4 достигает величины -2Uо. На выходе каждого ГИН 1, состоящего из К последовательно соединенных LC-инверторов 2, напряжение достигает величины -2KUо. Происходит срабатывание магнитного ключа 9, представляющего собой малоиндуктивный одновитковый дроссель с замкнутым сердечником, насыщение которого происходит за время ≈10 нс. Осуществляется импульсная зарядка первого конденсатора 10, малоиндуктивно подсоединенного к катоду 11 и аноду 12. В процессе импульсной зарядки происходит перекачка энергии из n параллельно соединенных между собой ГИН 1 в первый конденсатор 10 за время τ2. Для эффективной передачи энергии параметры устройства выбираются такими, что >>τ1 и τ2 (τ1/5), где L2 - величина индуктивностей катушек 5, 6. Во время импульсной зарядки первого конденсатора 10 происходит нарастание напряжения между катодом 11 и анодом 12. Одновременно производится предыонизация разрядного объема между электродами 11, 12 устройством, не показанным на чертеже. Когда напряжение между катодом и анодом достигает значения пробивного напряжения Uпр, происходит основной объемный разряд между ними, что позволяет получить генерацию. Через время ≅0,1 мс, необходимое для восстановления электрической прочности тиратронов, цикл работы устройства повторяется. Во время импульсного срабатывания часть тиратронов ГИН 1 оказывается под высоким напряжением. В связи с этим устройства, обеспечивающие работу тиратронов во втором-К-м LC-инверторах: накальные трансформаторы, импульсные трансформаторы блоков запуска и др. снабжены обмотками с высоковольтной изоляцией.Contained in GIN 1, each of which consists of K series-connected
При работе устройства диапазон зарядных напряжений Uо ограничен максимально допустимым значением напряжения Uт, при котором осуществляется устойчивая высокоресурсная работа тиратронов в импульсно-периодическом режиме:
Uo ≅ Uт . (1)
Для осуществления пробоя и зажигания однородного объемного разряда в лазере амплитуда напряжения 2KUо на выходе ГИН должна быть выше напряжения Uпр, при которых происходит пробой между электродами лазера:
2KUo>U
(2)
Из выражений (1), (2) следует условие для величины К - количества последовательно соединенных LC-инверторов в каждом ГИН:
K>0,5Uпр/U
(3)
Для упрощения устройства количество К последовательно соединенных LC-инверторов выбирается минимальным, удовлетворяющим условию (3):
K=0,5Uпр/U+I
(4)
При работе устройства за каждый импульс через каждый тиратрон протекает заряд Qо, величина которого определяется необходимой для накачки лазера суммарной энергией Ео, запасаемой в n ГИН, количеством тиратронов, равным nK, и величиной зарядного напряжения:
Qo = 2Eo/nKUо . (5)
Для высокоресурсной работы тиратронов величина Qо не должна быть выше некоторого номинального значения заряда Qт, определяемого паспортными данными тиратрона:
Qo ≅ Qт. (6)
С учетом выражений (1), (5), (6) условие для величины
n ≥ 2Eo/(KUтQт) . (7)
Для упрощения устройства количество n параллельно соединенных ГИН выбирается минимальным, удовлетворяющим условию (7):
n = [2Eo/(KUтQт)] при {2Eo/(KUтQт)} ≈0 или
n = [2Eo/(KUтQт)] + I при {2Eo/(KUтQт} > 0. (8)
Введение в цепь коммутации тиратронов насыщаемых дросселей 8 снижает потери в тиратронах, что позволяет использовать для выбора величины n первое равенство выражения (8), минимизируя количество параллельно соединенных ГИН.When the device is operating, the range of charging voltages U о is limited by the maximum allowable voltage value U t , at which the stable high-resource operation of thyratrons is carried out in a pulse-periodic mode:
U o ≅ U t . (1)
To carry out breakdown and ignition of a uniform volume discharge in a laser, the voltage amplitude 2KU о at the output of the GIN must be higher than the voltage U pr , at which a breakdown occurs between the laser electrodes:
2KU o > U
(2)
From the expressions (1), (2) the condition for the value K - the number of series-connected LC-inverters in each GIN follows:
K> 0.5 U pr / U
(3)
To simplify the device, the number K of series-connected LC inverters is selected as minimal, satisfying condition (3):
K = 0.5 U pr / U + I
(4)
During operation of the device, for each pulse, a charge Q о flows through each thyratron, the value of which is determined by the total energy E о necessary for pumping the laser, stored in n GIN, the number of thyratrons equal to nK, and the value of the charging voltage:
Q o = 2E o / nKU o . (5)
For high-life operation of thyratrons, the value of Q o should not be higher than a certain nominal value of the charge Q t determined by the passport data of the thyratron:
Q o ≅ Q t. (6)
Taking into account expressions (1), (5), (6), the condition for the quantity
n ≥ 2E o / (KU t Q t ). (7)
To simplify the device, the number n of parallel connected GINs is selected as minimal, satisfying condition (7):
n = [2E o / (KU t Q t )] for {2E o / (KU t Q t )} ≈ 0 or
n = [2E o / (KU t Q t)] + I at {2E o / (KU Qt} t> 0 (8)
The introduction of saturated chokes 8 into the thyratron switching circuit reduces losses in thyratrons, which makes it possible to use the first equality of expression (8) to select the value of n, minimizing the number of parallel connected GINs.
Использование предложенного устройства для возбуждения объемного разряда в импульсном лазере обеспечивает по сравнению с прототипом увеличение апертуры объемного разряда, повышение энергии генерации и средней мощности излучения лазера. Using the proposed device for exciting a volume discharge in a pulsed laser, in comparison with the prototype, it provides an increase in the aperture of the volume discharge, an increase in the generation energy and the average laser radiation power.
В настоящее время предложенное устройство в соответствии с чертежом при К= =2, n = 2 испытано для возбуждения XeCl-лазера с апертурой 9х6 см2. Суммарная емкость двух ГИН "в ударе" составляла 100 нФ. При частоте следования импульсов 70 Гц и зарядом напряжения 30,5 кВ получена энергия генерации 12 Дж, максимальная в настоящее время для электроразрядных импульсно-периодических эксимерных лазеров.Currently, the proposed device in accordance with the drawing when K = 2, n = 2 tested to excite the XeCl laser with an aperture of 9x6 cm 2 . The total capacitance of two GIN “in shock” was 100 nF. At a pulse repetition rate of 70 Hz and a voltage charge of 30.5 kV, a generation energy of 12 J was obtained, which is currently the maximum for electric-discharge pulse-periodic excimer lasers.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5064474 RU2031501C1 (en) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | Device of excitation of bulk charge in pulse laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5064474 RU2031501C1 (en) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | Device of excitation of bulk charge in pulse laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2031501C1 true RU2031501C1 (en) | 1995-03-20 |
Family
ID=21614352
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5064474 RU2031501C1 (en) | 1992-10-06 | 1992-10-06 | Device of excitation of bulk charge in pulse laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2031501C1 (en) |
-
1992
- 1992-10-06 RU SU5064474 patent/RU2031501C1/en active
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
1. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры. М.: Энергоатомиздат, 1988, с.118. * |
2. L.F. Champague, A.J.Dudas, N.V.Harries, J.Appl., Phys., V.62, N 5, 1987, p.1576. * |
3. P.Oesterlin, D.Basting,W. Mucrenheim, SPIE, v.1023, Excimer Lasers and Aplications, pp. 51-54, 1988. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5138622A (en) | Apparatus and method for generating high-power, high-voltage pulses, particularly for te gas lasers | |
US4549091A (en) | Electrical excitation circuit for gas lasers | |
TW384568B (en) | Pulse power generating circuit with energy recovery | |
Zhang et al. | A compact, high repetition-rate, nanosecond pulse generator based on magnetic pulse compression system | |
US4635267A (en) | Excitation system for generating a fast pulsed high-voltage discharge, particularly for exciting a high-power laser | |
US5138627A (en) | Preionizationd device, in particular for x-ray preionization in discharge-pumped gas lasers, in particular excimer lasers | |
US4975921A (en) | Integrated prepulse circuits for efficient excitation of gas lasers | |
US7459806B2 (en) | High voltage magnetic compression modulator | |
RU2031501C1 (en) | Device of excitation of bulk charge in pulse laser | |
GB2204728A (en) | Gas discharge driver circuit | |
US4975924A (en) | Metallic vapor laser apparatus | |
RU2069929C1 (en) | Gas laser exciting device | |
EP0408142A1 (en) | Method and electric circuit for exciting a gas discharge laser | |
Pack et al. | High average power pulser design for copper halide laser systems | |
RU55233U1 (en) | PULSE LAMP POWER SYSTEM (OPTIONS) | |
RU2288536C1 (en) | Voltage multiplying generator | |
RU2226022C1 (en) | Nanosecond pulse generator for exciting metal-atom terminated lasers | |
RU2790206C1 (en) | High voltage pulse generation system | |
CN107069421B (en) | For high-repetition-rate excimer laser without the efficient exciting circuit of secondary discharge | |
RU2795675C1 (en) | Pulse generator for excitation of active media on self-terminating transitions of metal atoms | |
RU2089042C1 (en) | Pulse magnetic compression device | |
EP0243374A4 (en) | Electrical excitation circuit for gas lasers. | |
JPH0667219B2 (en) | High voltage pulse generator | |
SU894837A1 (en) | Pulse current generator | |
RU2010467C1 (en) | Magnetic pulse shaper |