RU2227381C2 - Разрядный контур питания импульсной газонаполненной лампы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к технике формирования импульсов накачки для мощных лазерных систем. Техническим результатом является питание импульсной лампы напряжением ниже пробойного без применения дополнительных электронных блоков формирования и управления импульсов поджига лампы. В разрядный контур питания импульсных ламп включена поджиговая емкость, которая подключена к части витков формирующей индуктивности и на экран соединительного кабеля, образуя воздушный повышающий трансформатор с колебательными контурами в каждой обмотке, что позволяет увеличить напряжение на входе лампы до пробойного. При применении изобретения в контуре с запускающим игнитронным разрядником типа ИРТ-5 или ПРТ-6 можно включать параллельно на один разрядник до несколько десятков разрядных контуров с импульсными лампами одновременно, при этом несинхронность поджига не хуже чем 5-10 мкс. 1 ил.

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к технике формирования импульсов накачки для мощных лазерных систем.

Изобретение может быть использовано при разработке лазерных систем для лазерного термоядерного синтеза.

Известен разрядный контур питания импульсной лампы, состоящий из последовательно соединенных кабелем емкостного накопителя, формирующей индуктивности, импульсной лампы и служит для преобразования электрической энергии, запасенной емкостным накопителем, в световую энергию, излучаемую лампой (Б.Р.Белостоцкий и др. Основы лазерной техники. - М.: Советское радио, 1972, с.239-266). Параметры разрядного контура определяются в зависимости от типа импульсной лампы и требуемой формой электрического импульса для ее питания. Запуск устройства осуществляется от схемы поджига импульсной лампы, выходной импульс которой ионизирует лампу в нужный момент. Недостатком этих устройств является несанкционированный, самопроизвольный пробой импульсной лампы с разрядом емкостного накопителя, особенно этот эффект наблюдается когда импульсных ламп много, 100 и более.

Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому эффекту является разрядный контур, состоящий из последовательно соединенных кабелем элементов: игнитронного разрядника, накопительной емкости, формирующей индуктивности и импульсной лампы. Импульс поджига лампы осуществляется за счет резонансного заряда емкости соединительного кабеля при запуске схемы (Annual Report, Laser Program LLNL, v.1, 1976.). Запуск разрядного контура в отличии от первого осуществляется игнитронным разрядником, который устраняет самопроизвольный пробой ламп при заряде емкостного накопителя и одновременно решает вопрос поджига лампы. Однако для надежного поджига на этих установках используются высоковольтные емкостные накопители на напряжение 25 кВ, которые требуют для эксплуатации особых условий по влажности, температуре и по чистоте. В то же время наиболее энергоемкие отечественные накопители рассчитаны на диапазон напряжений порядка 3-5 кВ, работающие надежно при комнатных условиях.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка разрядного контура питания импульсной лампы, напряжение на накопительной емкости в котором меньше напряжения пробоя импульсной лампы, без применения дополнительных электронных блоков формирования и управления импульсов поджига лампы.

Эта задача решается следующим образом. В разрядный контур, состоящий из последовательно соединенных кабелем накопительной емкости, игнитронного разрядника, формирующей индуктивности, импульсной газонаполненной лампы, дополнительно введена поджиговая емкость C≅10C₂L₂/L₁, которая на время переходных процессов, при включении разрядного контура, подключает часть витков формирующей индуктивности на экран соединительного кабеля, преобразуя на это время формирующую индуктивность в повышающий воздушный трансформатор. Индуктивности обмоток трансформатора совместно с емкостями поджиговой и емкостью соединительного кабеля представляют два колебательных контура, параметры которых при прохождении через них тока обеспечивают необходимое напряжение пробоя в импульсной лампе U_c2>U_npoб ≅ (2×К_тр. × 0,9)U_пит. В результате происходит разряд накопительной емкости и преобразование электрической энергии в импульсной лампе в световую. В начале процесса разряда поджиговая емкость заряжается до напряжения накопительной емкости, ток через нее прекращается, восстанавливается полностью формирующая индуктивность.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом. На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

ИРТ - игнитронный разрядник;

С₀ - накопительная емкость;

R₃ - зарядное сопротивление;

C₁ - емкость поджига,

L₀ - формирующая индуктивность L₀=L₁+L₂;

L₁, L₂ - индуктивности обмоток воздушного трансформатора;

W₁, W₂ - число витков обмоток воздушного трансформатора;

Л₁ - импульсная лампа;

С₂ - емкость соединительного кабеля;

U_пит. - напряжение на емкостном накопителе;

U_проб. - напряжение пробоя импульсной лампы;

К_тр. - коэффициент трансформации трансформатора К_тр=W₂/W₁;

ω₁, ω₂ - резонансная частота колебаний первого и второго контуров.

Предлагаемая схема разрядного контура состоит из игнитронного разрядника ИРТ, накопительной емкости С₀, формирующей индуктивности L₀, импульсной лампы Л₁, которые последовательно соединены кабелем. Часть витков W₁ индуктивности L₀ через емкость C₁ подключена на экран кабеля параллельно лампе Л₁. В исходном положении емкость С₀ заряжена до напряжения U_пит, ток в контуре отсутствует, так как контур разомкнут игнитронным разрядником ИРТ, и источник питания отключен.

Схема работает следующим образом. Для осуществления вспышки лампы необходимо подать импульс запуска на игнитронный разрядник ИРТ. После его срабатывания емкость С₀ окажется подключенной к колебательному контуру, образованному частью формирующей индуктивности L₁ и емкостью C₁. Поскольку C₀>>C₁, то подключение С₀ к колебательному контуру L₁C₁ эквивалентно подключению к нему источника постоянной э.д.с. В контуре возникают затухающие колебания амплитудой ≅2U_пит. Частота колебаний определяется параметрами L₁ и C₁: ω₁/√(L₁C₁), а напряжение разделится на сопротивлениях Х_с и X_L пополам. Напряжение на накопительной емкости 4-5 кВ, а для поджига ламп требуется импульс поджига 15-18 кВ, следовательно, амплитуда колебаний, возникшая в первом контуре L₁C₁, недостаточна для поджига лампы. Но подключение емкости поджига C₁ преобразует формирующую индуктивность в воздушный трансформатор с коэффициентом трансформации порядка К_тр=6 и коэффициентом связи между катушками L₁ и L₂, равным 0,9, что создает предпосылку пробоя напряжения в лампе. Однако длина кабеля в разрядном контуре весьма значительна, порядка 10-15м; а так как кабель обладает реальной емкостью С₂, то эта емкость и L₂ создадут второй резонансный контур, обладающий своей ω₂.

Таким образом, существует несколько параметров разрядного контура, которые принимают участие в расчете в качестве исходных данных. Этими параметрами для данного типа лампы являются: С₀, C₁, C₂, L₁, L₂, K_тр., U_пит., U_проб. и С₂, где C₂ - монтажная емкость соединительного кабеля. Параметры С₀, L₁, L₂, К_тр., U_пит., U_проб. определяются в зависимости от типа импульсной лампы и формы импульса ее питания. Особым параметром является емкость поджига C₁, номинал которой и ее влияние на переходный процесс необходимо определить.

Собственная резонансная частота второго колебательного контура, образованного L₂ и С₂: ω₁/√(L₂C₂). На этой частоте реактивное сопротивление емкости и индуктивности равны Х_с=X_L или ω₂L₂=1/(ω₂С₂). Таким образом, если в первом контуре будут возбуждаться колебания этой же частоты, то напряжение, индуцированное во второй контур из первого, разделится на сопротивлениях Х_с и X_L пополам. С целью уменьшения падения напряжения на индуктивности, по сравнению с напряжением на кабеле, необходимо уменьшить частоту возбуждаемых в первом контуре колебаний. Достаточно, чтобы X_c2/X_L2 ≥ 10 или 1/(ω₁C₂·ω₁L₂)=10, ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /(10 L₂C₂), или ω₁=ω₂/√10, так как 1/(L₂C₂)=ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ . Следовательно, резонансная частота первого контура должна быть минимум в √10 раз меньше резонансной частоты ω₂, и тогда поджиговая емкость C₁ будет равна:

C₁=1(ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ L₁)=10/(ω $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ L₁)=10 C₂L₂/L₁,

а напряжение емкости соединительного кабеля U_c2>U_проб ≅ (2×К_тр × 0,9)U_пит или напряжение на накопительной емкости должно удовлетворять условию:

U_пит ≅ U_проб/(2×К_тр × 0,9).

Разрядный контур, выполненный согласно проделанному расчету, показал устойчивую работу в диапазоне напряжений на накопительной емкости 4-5 кВ. Поджиг лампы происходит в момент времени от 10 до 20 мкс после срабатывания игнитрона. Таким образом, несинхронность поджига ламп, нагруженных на один игнитрон, не хуже 5-10 мкс.

Преимуществом рассматриваемого контура перед прототипом является возможность применения энергоемких отечественных емкостных накопителей, рассчитанных на диапазон напряжений 3-5 кВ, не требующих особых условий для эксплуатации.

При применении в контуре запускающего игнитронного разрядника типа ИРТ-5 или ИРТ-6 можно включать параллельно на один разрядник до несколько десятков разрядных контуров с импульсными лампами при высокой надежности срабатывания. Управление игнитронным разрядником производится одним блоком запуска.

Claims (1)

1. Разрядный контур питания импульсной газонаполненной лампы, включающий последовательно соединенные кабелем накопительную емкость, игнитронный разрядник, формирующую индуктивность, импульсную газонаполненную лампу, отличающийся тем, что в разрядный контур введена дополнительно поджиговая емкость С₁ ≅ 10С₂L₂/L₁, которая подключена к части витков формирующей индуктивности и к экрану кабеля, образуя воздушный повышающий трансформатор с колебательным контуром L₁C₁ в первичной обмотке и колебательным контуром L₂C₂ во вторичной, при этом напряжение на накопительной емкости должно удовлетворять следующему условию:

   U_пит ≅ U_проб/(2 × К_тр. × 0,9),

   где L₁, L₂ - индуктивность обмоток трансформатора;

   С₁ - поджиговая емкость;

   С₂ - емкость кабеля;

   U_проб - напряжения пробоя на лампе;

   U_пит - напряжения на накопительной емкости;

   К_тр - коэффициент трансформации воздушного трансформатора.