RU2716289C1

RU2716289C1 - Excitation pulse generator

Info

Publication number: RU2716289C1
Application number: RU2019125610A
Authority: RU
Inventors: Максим Викторович Тригуб; Николай Александрович Васнев; Василий Васильевич Власов; Павел Павлович Гугин
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2020-03-11

Abstract

FIELD: quantum electronics.

SUBSTANCE: pumping pulse generator comprises a digital control circuit, a mains filter, a rectifier, a constant voltage converter, a charging circuit, semiconductor commutator of n repeating modules and pulse step-up transformer with water cooling system, which generates pumping pulses of lasers and luminance amplifiers on self-limited transitions of metal atoms operating in stationary pulse-periodic mode, with repetition frequency up to 100 kHz without using gas-filled and electro vacuum commutators.

EFFECT: high repetition rate of excitation pulses of lasers and luminance amplifiers on self-limited transitions of metal atoms operating in a stationary pulse-periodic mode, up to 100 kHz using semiconductor switches.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов.The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to pump lasers and brightness amplifiers on self-limited transitions of metal atoms.

Существует генератор импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов [Патент RU 2672180 C1, МПК H01S 3/0975 от 08.12.2017. Торгаев С.Н. и др. ИОА СО РАН]. Отличительной особенностью устройства является использование гибридного высоковольтного коммутатора, представляющего собой комбинацию электровакуумной лампы, включенной по схеме с общей сеткой, и полупроводникового ключа, включенного в катодный контур между катодом лампы и общим проводом. Технический результат заключается в возможности увеличения частоты следования импульсов (ЧСИ) возбуждения лазеров, а также осуществления частичного разряда накопительной емкости. К недостаткам такого устройства следует отнести большие массогабаритные параметры модуляторной лампы, низкий срок службы по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами, а также необходимость применения цепей накала для модуляторной лампы, что снижает эффективность генератора. There is an excitation pulse generator for lasers on self-limited transitions of metal atoms [Patent RU 2672180 C1, IPC H01S 3/0975 of 08/08/2017. Torgaev S.N. and other IOA SB RAS]. A distinctive feature of the device is the use of a hybrid high-voltage switch, which is a combination of an electric vacuum lamp connected according to the scheme with a common grid and a semiconductor switch connected to the cathode circuit between the lamp cathode and the common wire. The technical result consists in the possibility of increasing the pulse repetition rate (CHI) of laser excitation, as well as the implementation of a partial discharge of the storage capacitance. The disadvantages of this device include the large weight and size parameters of the modulator lamp, low life compared to semiconductor switches, and the need to use glow circuits for the modulator lamp, which reduces the efficiency of the generator.

Известна работа [С. И. Мошкунов, В. Ю. Хомич, В. А. Ямщиков, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 4, 366–369], где накачка ArF-лазера осуществляется полностью твердотельным генератором высоковольтных импульсов. Авторы используют полупроводниковые коммутаторы для увеличения ресурса и обеспечения высокой стабильности параметров импульсов напряжения. Отличительной особенностью данного устройства является отсутствие высоковольтного трансформатора - это обусловлено тем, что авторами был реализован высоковольтный твердотельный коммутатор (ВТК), состоящий из 32 биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Кроме того, за счет неполного разряда накопительной емкости в схеме возникает удвоение напряжения. При потребляемой мощности в 2,5 кВт генератор формирует импульсы напряжения с амплитудой 20-27 кВ, однако ЧСИ при этом составляет единицы кГц, что делает данное устройство непригодным для возбуждения лазеров с частотой следования импульсов до 100 кГц. Ограничения по максимальной частоте, с одной стороны, связаны с системой магнитного сжатия, которая установлена на выходе генератора для обострения фронта импульса возбуждения. С другой стороны, при увеличении ЧСИ неизбежно растет потребляемая источником мощность, что предполагается увеличение числа транзисторов ВТК, что в свою очередь приводит к росту стоимости генератора и его массогабаритных параметров. Таким образом, невозможность работы в широком частотном диапазоне, а также наличие цепей магнитной компрессии, являются главными недостатками данного устройства. Known work [S. I. Moshkunov, V. Yu. Khomich, V. A. Yamshchikov, Quantum Electronics, 2011, Volume 41, Number 4, 366–369], where the ArF laser is pumped by a fully solid-state high-voltage pulse generator. The authors use semiconductor switches to increase the resource and ensure high stability of voltage pulse parameters. A distinctive feature of this device is the absence of a high-voltage transformer - this is due to the fact that the authors implemented a high-voltage solid-state switch (VTK), consisting of 32 bipolar transistors with an insulated gate (IGBT). In addition, due to the incomplete discharge of the storage capacitance, a doubling of the voltage occurs in the circuit. With a power consumption of 2.5 kW, the generator generates voltage pulses with an amplitude of 20-27 kV, but the frequency response is units of kHz, which makes this device unsuitable for exciting lasers with a pulse repetition rate of up to 100 kHz. Limitations on the maximum frequency, on the one hand, are associated with a magnetic compression system, which is installed at the output of the generator to exacerbate the front of the excitation pulse. On the other hand, with an increase in the PFR, the power consumed by the source inevitably grows, which implies an increase in the number of VTK transistors, which in turn leads to an increase in the cost of the generator and its overall dimensions. Thus, the inability to work in a wide frequency range, as well as the presence of magnetic compression circuits, are the main disadvantages of this device.

В работе [Solid-State LTD Module Using Power MOSFETs] представлено устройство для формирования импульсов высокой мощности, выполненное на базе MOSFET транзисторов. Устройство содержит 24 однотипных модуля (блока). Каждый модуль содержит накопительный конденсатор, полупроводниковый коммутатор и драйвер для его управления. Емкость конденсатора составляет 0,1 мкФ, а предельно-допустимое напряжение – 1,25 кВ. В качестве коммутатора используется транзистор 2SK2611 c максимальным напряжением 900 В и максимальным импульсным током 27 А. В качестве драйвера выбран MAX4429. Авторы подчеркивают, что выбор элементной базы был обусловлен требуемыми техническими характеристиками и доступностью. Модули (блоки) объединялись между собой параллельно и располагались вокруг магнитного сердечника, образуя замкнутый контур. Задержка между формированием импульса управления и формированием высоковольтного импульса составляет 180 нс. Временное рассогласование импульсов различных модулей (блоков) составляет 5 нс. При работе устройства в импульсно-периодическом режиме с ЧСИ 500 Гц амплитуда формирующегося импульса достигает 700 В. Недостатком такого устройства является относительная низкая амплитуда импульсов напряжения и тока, низкая частота их следования (менее 1 кГц). Это делает непригодным использование такого устройства для возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов. [Solid-State LTD Module Using Power MOSFETs] presented a device for generating high power pulses, made on the basis of MOSFET transistors. The device contains 24 modules of the same type (block). Each module contains a storage capacitor, a semiconductor switch, and a driver for controlling it. The capacitance of the capacitor is 0.1 μF, and the maximum permissible voltage is 1.25 kV. A 2SK2611 transistor with a maximum voltage of 900 V and a maximum pulse current of 27 A is used as a switch. MAX4429 is selected as the driver. The authors emphasize that the choice of elemental base was determined by the required technical characteristics and availability. Modules (blocks) were interconnected in parallel and located around the magnetic core, forming a closed loop. The delay between the formation of a control pulse and the formation of a high-voltage pulse is 180 ns. The temporary mismatch of pulses of various modules (blocks) is 5 ns. When the device is operating in a pulsed-periodic mode with a frequency response of 500 Hz, the amplitude of the formed pulse reaches 700 V. The disadvantage of this device is the relative low amplitude of the voltage and current pulses, their low repetition rate (less than 1 kHz). This makes it unsuitable to use such a device to excite lasers and brightness amplifiers at self-limited transitions of metal atoms.

Известна схема генератора импульсов возбуждения лазеров на парах металлов, выбранный в качестве прототипа, [Патент RU 14752 U1], содержащая выпрямитель, фильтр, последовательно подключенную к ним зарядную индуктивность и n повторяющихся модулей, каждый из которых состоит из зарядного диода, накопительного конденсатора и коммутатора, а также трансформатора. В качестве коммутаторов используются транзисторы, поскольку они обладают более высоким сроком службы и меньшими массогабаритными параметрами по сравнению с газоразрядными коммутаторами. Благодаря диодно-резонансному заряду накопительные емкости заряжаются до двойного напряжения, а разряжаются при переключении транзисторов, которой инициируется схемой запуска. Вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно между собой, что обеспечивает увеличение амплитуды напряжения импульсов возбуждения. Недостатками предложенного решения являются высокие паразитные индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора, ограниченная скорость нарастания импульсов тока и напряжения, обусловленные его конструктивными особенностями. Коммутационные параметры (скорость нарастания тока и напряжения на нагрузке), а также частотный диапазон устройства ограничиваются параметрами отдельного транзистора, что не позволяет получить высокую скорость нарастания тока на нагрузке, а также повысить частоту коммутации более 30 кГц. A known circuit of a pulse generator of excitation pulses of metal vapor lasers, selected as a prototype, [Patent RU 14752 U1], comprising a rectifier, a filter, a charging inductance connected in series and n repeating modules, each of which consists of a charging diode, a storage capacitor and a switch as well as a transformer. Transistors are used as switches, since they have a longer service life and lower weight and size parameters compared to gas discharge switches. Thanks to the diode-resonant charge, the storage capacitors are charged to double voltage, and discharged when the transistors are switched, which is initiated by the trigger circuit. The secondary windings of the transformers are connected in series with each other, which provides an increase in the amplitude of the voltage of the excitation pulses. The disadvantages of the proposed solution are the high parasitic inductances of the primary and secondary windings of the transformer, the limited slew rate of current and voltage pulses due to its design features. The switching parameters (slew rate of the current and voltage at the load), as well as the frequency range of the device are limited by the parameters of a separate transistor, which does not allow to obtain a high slew rate of the current at the load, as well as to increase the switching frequency of more than 30 kHz.

Задачей изобретения является повышение частоты следования импульсов возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, до 100 кГц при использовании полупроводниковых коммутаторов. The objective of the invention is to increase the repetition rate of the excitation pulses of lasers and brightness amplifiers at self-limited transitions of metal atoms operating in a stationary pulse-periodic mode, up to 100 kHz when using semiconductor switches.

Технический результат заключается в обеспечении формирования импульсов накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, с частотой следования до 100 кГц без применения газонаполненных и электровакуумных коммутаторов. The technical result consists in ensuring the formation of pump pulses of lasers and brightness amplifiers at self-limited transitions of metal atoms operating in a stationary pulse-periodic mode with a repetition rate of up to 100 kHz without the use of gas-filled and electrovacuum switches.

Технический результат достигается за счет модификации модульной структуры выбранного прототипа, принципиально отличающегося конструктива импульсного повышающего трансформатора. The technical result is achieved by modifying the modular structure of the selected prototype, a fundamentally different design of a pulse boost transformer.

Сущность изобретения заключается в том, что генератор импульсов накачки содержит цифровую схему управления, сетевой фильтр, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения, зарядный контур, полупроводниковый коммутатор из n повторяющихся модулей и импульсный повышающий трансформатор с системой водяного охлаждения, формирующий импульсы накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, с частотой следования до 100 кГц без применения газонаполненных и электровакуумных коммутаторов. The essence of the invention lies in the fact that the pump pulse generator contains a digital control circuit, a line filter, a rectifier, a DC-voltage converter, a charging circuit, a semiconductor switch of n repeating modules and a pulse step-up transformer with a water cooling system that generates pump pulses of lasers and brightness amplifiers on self-limited transitions of metal atoms operating in a stationary pulse-periodic mode, with a repetition rate of up to 100 kHz without the use of a lawn complete and electrovacuum switches.

Генератор импульсов возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов (фиг.1) содержит сетевой фильтр (1), выпрямитель (2), преобразователь постоянного напряжения (3), зарядный контур (4), подключенный к ней коммутатор (5), цифровую систему управления (6) и импульсный повышающий трансформатор (7) с системой водяного охлаждения. The excitation pulse generator of lasers and brightness amplifiers at self-limited transitions of metal atoms (Fig. 1) contains a line filter (1), a rectifier (2), a DC-voltage converter (3), a charging circuit (4), a switch (5) connected to it, digital control system (6) and pulse step-up transformer (7) with water cooling system.

Коммутатор (5) состоит из n повторяющихся модулей (5.1, 5.2 … 5n), каждый из которых содержит по одному накопительному конденсатору с номинальной емкостью
22 нФ и предельно-допустимым напряжением 1000 В. Одним выводом конденсатор подключен к катоду зарядного диода, а другим через низкоомное сопротивление (75 мОм) подходит к земляной шине. Также к катоду зарядного диода подключен сток транзистора с изолированным затвором – оба полупроводниковых прибора крепятся к первичной обмотке импульсного повышающего трансформатора (7) изолированным болтовым соединением через фланцы. Все модули (5.1, 5.2 … 5n) соединены между собой параллельно: катоды зарядных диодов и стоки всех транзисторов подключаются к общей шине; истоки транзисторов подключены к земляной шине. Для всех модулей (5.1, 5.2 … 5n) система управления (6) формирует общий импульс запуска, поступающий на независимый драйвер каждого из n-модулей. Это обеспечивает гальваническую развязку между затворами транзисторов, что способствует уменьшению влияния их паразитных параметров. The switch (5) consists of n repeating modules (5.1, 5.2 ... 5n), each of which contains one storage capacitor with a rated capacity
22 nF and a maximum permissible voltage of 1000 V. With one output, the capacitor is connected to the cathode of the charging diode, and the other, through a low-impedance resistance (75 mOhm), approaches the ground bus. Also, a drain of a transistor with an insulated gate is connected to the cathode of the charging diode - both semiconductor devices are attached to the primary winding of a pulse boost transformer (7) with an insulated bolt connection through the flanges. All modules (5.1, 5.2 ... 5n) are interconnected in parallel: the cathodes of the charging diodes and the drains of all transistors are connected to a common bus; the sources of the transistors are connected to the ground bus. For all modules (5.1, 5.2 ... 5n), the control system (6) generates a common triggering pulse, which arrives at the independent driver of each of the n-modules. This provides galvanic isolation between the gates of the transistors, which helps to reduce the influence of their spurious parameters.

Трансформатор (7) выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике. Первичная обмотка трансформатора (7) имеет один виток и выполнена из листовой меди, плотно покрывающей сердечник по всему периметру с целью обеспечения максимальной равномерности распределения поля магнитной индукции сердечника и уменьшения паразитной индуктивности. Транзисторы и зарядные диоды крепятся непосредственно к первичной обмотке через фланцы, чтобы уменьшить индуктивность разрядного контура. Вторичная обмотка выполнена из медной фольги, равномерно распределена по периметру сердечника для минимизации паразитных параметров. Вторичная обмотка содержит 20 витков – таким образом, коэффициент трансформации составил 20. Вторичная обмотка подключается через цепь последовательно соединенных SiC-диодов к нагрузке, в качестве которой использовалась газоразрядная трубка (ГРТ) с длиной активной зоны 20 см и диаметром 1 см.The transformer (7) is made on a toroidal ferrite core. The primary winding of the transformer (7) has one turn and is made of sheet copper, which densely covers the core around the entire perimeter in order to ensure maximum uniformity of the magnetic induction field distribution of the core and reduce stray inductance. Transistors and charging diodes are attached directly to the primary winding through the flanges to reduce the inductance of the discharge circuit. The secondary winding is made of copper foil, evenly distributed around the perimeter of the core to minimize spurious parameters. The secondary winding contains 20 turns - thus, the transformation coefficient was 20. The secondary winding is connected through a series of SiC diodes connected in series to the load, which was used as a gas discharge tube (GDT) with a core length of 20 cm and a diameter of 1 cm.

Генератор работает следующим образом. Пример работы генератора при п=10.The generator operates as follows. An example of the operation of the generator at n = 10.

На вход генератора поступает сетевое напряжение, которое фильтруется (1), выпрямляется (2) и прикладывается к преобразователю постоянного напряжения (3). Уровень выходного напряжения преобразователя (3) регулируется в диапазоне (0÷130) В. К выходу преобразователя (3) подключен зарядный контур (4), содержащий диоды и индуктивность. Через этот контур заряжаются накопительные конденсаторы модулей (5.1, 5.2 … 5.n). Наличие в зарядном контуре индуктивности, диодов и конденсаторов обеспечивает резонансный заряд, вследствие чего каждый из накопительных конденсаторов модулей (5.1, 5.2 … 5.n) заряжается до двойного напряжения. По завершению заряда конденсаторов цифровая система управления (6) формирует запускающий импульс, который поступает на драйверы модулей (5.1, 5.2 … 5.n). Амплитуда импульсов, поступающих на затворы транзисторов, составляет 18 В, в отсутствие же запускающего импульса к затворам приложено отрицательное напряжение смещения -7 В. Эффективность (КПД, коммутационные характеристики, предельная ЧСИ) генератора импульсов возбуждения во многом определяется быстродействием коммутаторов, их синхронного переключения, а также частотой переключения, поэтому в качестве транзисторов были выбраны IRZ60R037P7, а в качестве их драйверов – ультрабыстрые IXDD609. Таким образом, запускающие импульсы с длительностью фронта 10 нс и общей длительностью 40 нс достигают затворы транзисторов с точностью не хуже, чем 2 нс, относительно друг друга. Это обеспечивает одновременную коммутацию транзисторов всех модулей (5.1, 5.2 … 5.n), вследствие чего накопительные конденсаторы разряжаются через первичную обмотку импульсного повышающего трансформатора (7), что приводит к формированию импульса во вторичной обмотке и далее на нагрузке. Время фронта импульса возбуждения при работе на нагрузке не превышает 75 нс. Применение выбранной элементной базы и новой конструкции позволило сформировать импульсы накачки с максимальной ЧСИ 100 кГц. The mains voltage is supplied to the input of the generator, which is filtered (1), rectified (2) and applied to the DC / DC converter (3). The output voltage level of the converter (3) is adjustable in the range (0 ÷ 130) V. A charging circuit (4) containing diodes and inductance is connected to the output of the converter (3). Through this circuit, the storage capacitors of the modules are charged (5.1, 5.2 ... 5.n). The presence of inductance, diodes and capacitors in the charging circuit provides a resonant charge, as a result of which each of the storage capacitors of the modules (5.1, 5.2 ... 5.n) is charged to double voltage. Upon completion of the charge of the capacitors, the digital control system (6) generates a triggering pulse, which is supplied to the module drivers (5.1, 5.2 ... 5.n). The amplitude of the pulses arriving at the gates of the transistors is 18 V, but in the absence of a triggering pulse, a negative bias voltage of -7 V is applied to the gates. The efficiency (efficiency, switching characteristics, ultimate frequency response) of the excitation pulse generator is largely determined by the speed of the switches, their synchronous switching, as well as the switching frequency, therefore, IRZ60R037P7 were chosen as transistors, and ultra-fast IXDD609 as their drivers. Thus, triggering pulses with a front duration of 10 ns and a total duration of 40 ns reach the transistor gates with an accuracy of no worse than 2 ns relative to each other. This ensures the simultaneous switching of transistors of all modules (5.1, 5.2 ... 5.n), as a result of which the storage capacitors are discharged through the primary winding of a pulse boost transformer (7), which leads to the formation of a pulse in the secondary winding and then to the load. The time of the front of the excitation pulse when working on a load does not exceed 75 ns. The application of the selected elemental base and a new design made it possible to generate pump pulses with a maximum frequency response of 100 kHz.

Изобретение содержит 10 модулей (5.1, 5.2 … 5.10). Предельно-допустимая мощность потребления генератора составила 400 Вт – зарядное напряжение при этом составило 130 В без удвоения, и 260 В при резонансе. Таким образом, амплитуда импульса возбуждения во вторичной обмотке трансформатора достигает 5,2 кВ на холостом ходу. При возбуждении активного элемента, лазера на самоограниченных переходах атомов металлов, амплитуда составляет порядка 3,2 кВ. ЧСИ при этом составила 100 кГц, мощность генерации - 0,7 Вт.The invention contains 10 modules (5.1, 5.2 ... 5.10). The maximum permissible power consumption of the generator was 400 W - the charging voltage was 130 V without doubling, and 260 V at resonance. Thus, the amplitude of the excitation pulse in the secondary winding of the transformer reaches 5.2 kV at idle. When an active element, a laser at self-limited transitions of metal atoms, is excited, the amplitude is about 3.2 kV. The chisi at the same time was 100 kHz, the generation power was 0.7 watts.

Claims

Excitation pulse generator for lasers and brightness amplifiers at self-limited transitions of metal atoms operating in a stationary pulse-periodic mode, including a digital control circuit, a line filter, a rectifier, a DC voltage converter, a charging circuit, a pulse boost transformer with a water cooling system and a semiconductor switch, representing an assembly of n repeating modules, each of which consists of a charging diode, a storage capacitor and a commutator a, which is an ultrafast driver and an insulated gate field effect transistor, characterized in that the switching of the switch with a frequency of 100 kHz generates excitation pulses, the required amplitude of which is provided by a pulse step-up transformer, the primary winding of which is a copper sheet tightly covering the core to ensure maximum uniformity distribution of the magnetic induction field, and the secondary winding of which is made of copper foil, is uniformly distributed along the perimeter at the core.