CO2激光器高压脉冲触发系统的设计

为了稳定可靠地触发CO2激光器旋转火花开关,设计了一套高压脉冲触发系统并且提出了一种新型的绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动与保护方法。根据CO2激光器中旋转火花开关的触发结构,应用复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片EPM3512开发了可以输出100～500 Hz重频脉冲信号以及单次脉冲信号的触发信号源;应用光耦HCPL-3120设计了具有过流、过压保护功能兼有电磁兼容（EMC）设计的IGBT驱动电路;对高压脉冲变压器进行建模并通过PSPICE软件仿真;搭建了实验平台,进行了联机性能测试。实验结果表明：在500 Hz的重复频率下,高压脉冲触发系统可连续稳定地输出高于38 kV的高压重频脉冲,基本满足CO2激光器的旋转火花开关稳定可靠触发的要求。     

大功率TEA CO2激光器旋转火花开关电极烧蚀实验

旋转火花开关系统工作在整个放电回路条件最为恶劣和苛刻的环节中,主要用于实现TEA CO2激光器脉冲放电工作过程的控制。该系统的性能直接决定了激光器的主要技术指标,是关系到激光器能否实现大面积均匀辉光放电的核心关键技术之一。本文介绍了这种旋转开关系统的设计、组成和工作原理,并针对影响开关寿命的放电电极烧蚀问题开展了相应的实验研究工作,有效地解决了旋转火花开关电极的使用寿命问题。实际应用结果显示：旋转火花开关系统不仅完全满足激光器的技术要求,而且稳定脉冲放电工作寿命达到了107次。     

全固态激励小型TEA CO_2激光器的研制

基于国产非晶态合金磁芯,研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统,并且应用于放电体积为29 cm3,工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法,并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明:磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83%,全固态激励系统的总效率大于75%;连接激光器负载时,输出脉冲的电压峰值约为22 kV,电流上升时间约为100 ns;得到了脉冲能量109 mJ,宽度70ns的激光输出,激光器整体效率约为3.3%。在目前的封离体积与气体循环方式限制下,激光器最大重复频率约为100 Hz,而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。     

大功率TEA CO2激光系统的电磁兼容设计

大功率TEA CO2激光系统工作时产生的强电磁干扰主要来源于激光主放电回路、脉冲火花开关和电源。这种强电磁脉冲干扰对激光系统内部及相关外部设备的电子系统具有很大的干扰和破坏作用。对大功率TEA CO2激光系统的电磁干扰进行了分析计算,在此基础上对大功率TEA CO2激光系统进行了EMC设计。硬件设计手段分别采用了对电磁干扰源和控制子系统进行屏蔽、系统合理布局与布线、滤波隔离,软件采用了数据冗余纠错、冗余化操作和数据鉴别等抑噪和纠错技术,有效地抑制了干扰电磁波在系统内外的传播,解决了大功率TEA CO2激光系统EMC问题。结果表明,对电磁干扰源和控制子系统进行屏蔽,系统合理布局与布线、滤波隔离等措施,是抑制电磁干扰,保证激光控制子系统硬件不受损坏的主要手段。软件抗干扰,是硬件抑制电磁干扰措施的补充和延伸,能使激光系统具有很高的可靠性。     

大功率脉冲TEA CO2激光器配气比对输出的影响

大功率脉冲TEA CO2激光器的放电腔在不同工作气压和不同配气比例条件下对激光器输出能量和电光转换效率均有较大影响,因此,通过充气压力从30kPa到60kPa的改变和配气比例CO₂:N₂＝1:1到CO2:N2＝1:4的变化,可以改变激光器的输出能量,提高激光器电光转换效率。实验结果表明：当CO2:N2的配气比例为1:3时,激光器输出的电光转换效率存在最佳点。在最佳配气比例CO2:N2:He＝3:9:28,总气压40kPa和注入激励电能保持不变的情况下,激光器单脉冲放电时的输出能量为24.6J;激光器高重复频率放电运转时的电光转换效率达16.4％。激光器的最高放电频率可以达到500Hz并且连续稳定运行工作。     

大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计

介绍一种大功率半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)脉冲驱动电源的设计电路及其控制方法。根据半导体激光器的工作特性,采用前级电容充电电路与后级脉冲电流产生电路相结合的电路结构。由于LCC谐振电路具有软开关特性和抗负载短路、开路的能力,又能够实现对储能电容恒流充电的功能,因此其适合做为脉冲电源中储能电容的充电电路;后级脉冲电流产生电路选择大功率MOSFET做为主控器件,利用MOSFET饱和区的漏极电流可控性,通过栅极电压控制产生负载脉冲电流。控制部分采用模拟与数字相结合的控制方式,使脉冲电源控制更加灵活,引入脉冲电流指令给定积分器,可以更有效地控制脉冲电流上升过程,抑制电流过冲,提高控制精度,使脉冲驱动电源产生类似矩形波的大功率脉冲电流。搭建了脉冲功率为28 kW的实验平台,实验达到的指标:脉冲电流幅值80 A,脉冲电压350 V,脉冲宽度100 μs,重复频率100 Hz。     

大功率高能脉冲激光电源设计

根据YAG激光器对大功率高能量脉冲电源的应用需求,设计了一种大功率脉冲激光电源,可实现高脉冲能量重复频率输出及充电电压灵活调控。前级充电网络采用串联LC谐振变换器,后级脉冲形成网络选择晶闸管触发LC放电电路。最终,研制了1台7 kW实验样机,最大重复频率10 Hz,最高充电电压2.2 kV,可实现单脉冲最高700 J电能输出,满足大功率高能脉冲输出的应用需求,实验测试结果验证了设计的可行性。     

调制器型加速器的波形整形

提出用火花隙开关法对调制器型加速器的输出波形前后沿进行锐化的方案,给出了锐化电路中的电容器电容值的确定和火花隙开关的设计.在已研制的脉冲调制器型加速器上进行了实验研究,实验中得到输出电压500kV、脉宽900ns、前沿时间80ns、后沿时间100ns的近似矩形的脉冲波形,并进行了1Hz重复运行实验.     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

准分子激光全固态脉冲电源设计与实验研究

 针对脉冲能量5~8 mJ的ArF准分子激光器,设计了基于可控硅开关结合三级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源,采用国产可控硅和磁开关材料,获得了上升时间约150 ns,电压10~14 kV,传递能量0.35~0.68 J的激励脉冲,并实现了对准分子激光器快放电激励。三级磁开关总效率35%,分析表明磁开关损耗较大主要原因为电容能量转移不充分、导线铜损及磁芯材料铁损较大,并提出了相应改进办法。     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明:测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

High power repetitive TEA CO2 pulsed laser

A high power repetitive spark-pin UV-preionized TEA CO₂ laser system is presented. The discharge for generating laser pulses is controlled by a rotary spark switch and a high voltage pulsed trigger. Uniform glow discharge between two symmetrical Chang-electrodes is realized by using an auto-inversion circuit. A couple of high power axial-flow fans with the maximum wind speed of 80 m/s are used for gas exchange between the electrodes. At a repetitive operation, the maximum average output laser power of 10.4 kW 10.6 ??m laser is obtained at 300 Hz, with an electro-optical conversion efficiency of 15.6%. At single pulsed operation, more pumping energy and higher gases pressures can be injected, and the maximum output laser energy of 53 J is achieved.     

Power scaling of printed-circuit-board preionized TEA CO2 laser up to 3.6 kW

A high average power, high-repetition-rate TEA CO₂ laser employing printed-circuit-board preionizer is described. The power scaling of this preionization configuration has been demonstrated. The average output power reaches 3.6 kW at pulse repetition rate of 180 pps. Furthermore, the scaling-up ability of the rotating spark gap as high-voltage switch for high-average-power gas laser has been validated.     

重复频率脉冲功率系统触发器设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的氢闸流管VE4147的触发要求,设计了直流偏压-150 V、空载电压2 000 V、脉冲电流10 A、脉冲宽度800 ns、重复频率10 kHz的触发器。设计中着重从增强抗干扰能力、降低功耗、改善散热等方面进行考虑,保证触发器以10 kHz的重复频率持续工作,已经应用于100 kV/2 kHz高压脉冲电源、70 kV/10 kHz氢闸流管老练平台、150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源等多个重复频率脉冲功率系统中。     

Simplified power supply for long pulse CO2 laser using zero cross switching technique

We propose a simple power supply for a longitudinally pulsed CO₂ laser with long pulse duration by the switching control of AC line (60 Hz) on HV leakage transformer primary, which can generate long pulse of about 3 ms compared to a typical pulsed power supply. In this power supply, a low voltage open loop control for high voltage discharge circuit is employed to avoid the HV sampling or switching, and AC line voltage switched directly by a SCR is applied to the leakage transformer primary. Thus, there is no need of a rectified bridge and an energy-storage capacitor in the discharge circuit, and the leakage transformer allows one to omit a current-limiting resistor. In order to control the laser output power, the pulse repetition rate is adjusted up to 60 Hz. A ZCS circuit and a PIC one-chip microprocessor are used to control the gate signal of SCR precisely.     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（3）磁开关的作用

描述了磁开关的原理和使用方法,并结合实例介绍了磁开关在具体装置中的作用。从磁性材料的磁化特性出发,概述了磁饱和现象的机理和特征。 讲解了磁开关在脉冲压缩、磁助器和可饱和变压器等方面的应用。在此基础上,描述了典型的高重复频率脉冲功率发生器、高功率脉冲功率发生器和半导体断路开关(SOS)驱动电路中的磁开关的工作原理。     

正负双极性直流高压充电电源设计北大核心CSCD

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。