RU2810648C1 - Method for generating synchronization pulses for high-voltage spark gap with laser triggering and device for its implementation - Google Patents
Method for generating synchronization pulses for high-voltage spark gap with laser triggering and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810648C1 RU2810648C1 RU2023119047A RU2023119047A RU2810648C1 RU 2810648 C1 RU2810648 C1 RU 2810648C1 RU 2023119047 A RU2023119047 A RU 2023119047A RU 2023119047 A RU2023119047 A RU 2023119047A RU 2810648 C1 RU2810648 C1 RU 2810648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge gap
- laser
- interferometer
- synchronization
- gap
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000005493 condensed matter Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение предназначено для синхронизации работы устройств с сильноточными импульсными электрофизическими установками, в частности, это могут быть генераторы наносекундных или субнаносекундных импульсов, а также ускорители электронов. Изобретение может быть использовано в исследовательских электрофизических установках для синхронизации измерительных комплексов и аппаратуры с субнаносекундной точностью.The invention is intended to synchronize the operation of devices with high-current pulsed electrophysical installations, in particular, these can be generators of nanosecond or subnanosecond pulses, as well as electron accelerators. The invention can be used in research electrophysical installations for synchronizing measuring systems and equipment with subnanosecond accuracy.
Уровень техникиState of the art
Точную синхронизацию внешних устройств с ускорителем электронов можно осуществить за счет использования собственно пучка электронов, который формирует сигнал в датчике тока пучка. Этот сигнал распространяется, в свою очередь, по кабельным или оптическим (при преобразовании) линиям связи. Для запуска синхронизируемого устройства, как правило, необходимо некоторое, так называемое, мертвое время срабатывания. Это время важно учитывать при синхронизации аппаратуры в наносекундном и субнаносекундном диапазоне времен [Иванов С.Н., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Приборы и техника эксперимента, 2000. № 5, C. 51-55]. Если скорость пучка электронов существенно меньше скорости сигнала (скорости распространения сигнала в кабеле и оптической линии связи), то принципиально можно получить необходимую задержку для запуска/синхронизации внешнего устройства за счет разности их скоростей. Однако такой подход трудно реализовать для быстрых, например, релятивистских пучков заряженных частиц. Также, такой подход сложно использовать в силу приблизительного равенства скоростей распространения сигналов, если необходимо синхронизовать устройство с сильноточным импульсным генератором (т.е. с импульсом тока). Для решения этой проблемы был предложен метод точной синхронизации [Способ синхронизации устройств в накопительных электронных синхротронах источников синхротронного излучения: пат. 2689297 РФ: МПК H04W 56/00, H05H13/04; заявл. 27.05.2018], когда перед точным по времени импульсом синхронизации от датчика тока пучка электронов подается предварительный, но менее точный импульс. Главным недостатком такого метода является сложность системы синхронизации.Precise synchronization of external devices with the electron accelerator can be achieved by using the electron beam itself, which generates a signal in the beam current sensor. This signal, in turn, is distributed along cable or optical (when converted) communication lines. To start a synchronized device, as a rule, some so-called dead time is required. This time is important to take into account when synchronizing equipment in the nanosecond and subnanosecond time range [Ivanov S.N., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I. Instruments and experimental technology, 2000. No. 5, pp. 51-55]. If the speed of the electron beam is significantly less than the speed of the signal (the speed of signal propagation in the cable and optical communication line), then in principle it is possible to obtain the necessary delay for launching/synchronizing the external device due to the difference in their speeds. However, this approach is difficult to implement for fast, for example, relativistic beams of charged particles. Also, this approach is difficult to use due to the approximate equality of signal propagation speeds if it is necessary to synchronize the device with a high-current pulse generator (i.e., with a current pulse). To solve this problem, a method of precise synchronization was proposed [Method of synchronization of devices in storage electron synchrotrons of synchrotron radiation sources: Pat. 2689297 RF: IPC H04W 56/00, H05H13/04; appl. 05/27/2018], when before a time-accurate synchronization pulse from the electron beam current sensor, a preliminary, but less accurate pulse is supplied. The main disadvantage of this method is the complexity of the synchronization system.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ синхронизации, используемый в системе синхронизированного запуска лазера мягкого рентгеновского диапазона. Этот способ включает использование разрядника с лазерным управлением. [Method and apparatus for synchronized starting of soft x-ray lasers: пат. 8792522 B2 США: МПК H01S 3/30; заявл. 28.07.2014]. Система также содержит трансформатор тока, который используется для окончательного формирования импульса запуска (синхронизации) системы. Использование трансформатора тока, ввиду принципиально индуктивной природы данного элемента, является основным недостатком используемого метода. Во-первых, он ограничивает время нарастания (передний фронт) сигнала, а значит, снижает точность включения. Точность включения прототипа составляет +/- 10 нс, что неудовлетворительно, при использовании метода в наносекундном или в субнаносекундном диапазоне времен. Во-вторых, это приводит к задержке формирования импульса синхронизации. В-третьих, его наличие в условиях высокого уровня электромагнитных помех может приводить к случайным срабатываниям.The closest analogue (prototype) of the proposed method is the synchronization method used in the system for synchronized launch of a soft X-ray laser. This method involves the use of a laser controlled spark gap. [Method and apparatus for synchronized starting of soft x-ray lasers: patent. 8792522 B2 USA: IPC
Раскрытие сущностиEssence Revealing
Техническим результатом настоящего изобретения является решение обозначенной выше технической проблемы - сокращение неопределенности при определении момента срабатывания сильноточных импульсных электрофизических устройств до уровня не более десятков пикосекунд. Было показано [Липчак А.И., Барахвостов С.В. Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, с. 40-44], что непосредственная синхронизация с запускающим лазерным импульсом приводит к нестабильности включения разрядника порядка 300 пс, и более. Одна из причин данного эффекта состоит в том, что транспортные и оптические свойства вещества, на которое воздействует излучение лазера, формируя плазму в разряднике, может претерпевать сильные изменения. Это приводит к «дрожанию» срабатывания разрядника с лазерным запуском. [Volkov N.B., Lipchak A.I. Condensed Matter, 2022, vol. 7, No. 4, p. 61-74] Для достижения указанного технического результата предложен способ формирования импульсов синхронизации высоковольтного разрядника с лазерным запуском, заключающийся в том, что часть запускающего лазерного излучения используется для зондирования разрядного промежутка. В этом случае синхронизацию необходимо связать с перекрытием разрядного промежутка, обеспечивающим протекание через него тока, т.е., появлением в нем плазмы. Кроме того, данный поход позволяет сформировать импульс синхронизации на начальном этапе формирования высоковольтного импульса или импульса электронов, поскольку высоковольтный разрядник является первичным коммутатором широком классе высоковольтных импульсных генераторов [Месяц Г.А., Яландин М.И., УФН, 2005, т. 175, № 3, С. 225-246]. Тем самым решается проблема мертвого времени необходимого для запуска синхронизируемых устройств, которая, вообще говоря, имеет свой собственный разброс, и, соответственно, влияет на точность синхронизации. При этом исключается необходимость предварительного запуска синхронизируемых устройств. Также было показано, что нестабильность, связанная с внутренними процессами функционирования таких генераторов, исключая этот первичный коммутатор, не превышает 25 пс. [Yalandin M., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Mesyats G.A. IEEE Trans. on Diel and Elec. Ins. 2010. Vol. 17, No 1. P. 34] Кроме того, повышается устойчивость устройств к случайным срабатываниям в условиях высокого уровня электромагнитных помех за счет использования не электрических, а оптических элементов при непосредственном контакте с сильноточной импульсной техникой, что тоже повышает общую точность синхронизации.The technical result of the present invention is the solution to the technical problem identified above - reducing the uncertainty in determining the moment of operation of high-current pulsed electrophysical devices to a level of no more than tens of picoseconds. It was shown [Lipchak A.I., Barakhvostov S.V. Instruments and experimental technology, 2021, No. 3, p. 40-44], that direct synchronization with the triggering laser pulse leads to instability of switching on the spark gap of the order of 300 ps or more. One of the reasons for this effect is that the transport and optical properties of the substance affected by laser radiation, forming plasma in the spark gap, can undergo strong changes. This leads to “jitter” in the response of the laser-triggered spark gap. [Volkov N.B., Lipchak A.I. Condensed Matter, 2022, vol. 7, No. 4, p. 61-74] To achieve the specified technical result, a method is proposed for generating synchronization pulses of a high-voltage spark gap with laser triggering, which consists in the fact that part of the triggering laser radiation is used to probe the discharge gap. In this case, synchronization must be associated with the overlap of the discharge gap, ensuring the flow of current through it, i.e., the appearance of plasma in it. In addition, this approach makes it possible to generate a synchronization pulse at the initial stage of the formation of a high-voltage pulse or electron pulse, since the high-voltage spark gap is the primary switch for a wide class of high-voltage pulse generators [Mesyats G.A., Yalandin M.I., UFN, 2005, v. 175 , No. 3, pp. 225-246]. This solves the problem of dead time required to start synchronized devices, which, generally speaking, has its own spread and, accordingly, affects the accuracy of synchronization. This eliminates the need to first launch the synchronized devices. It was also shown that the instability associated with the internal processes of the functioning of such generators, excluding this primary switch, does not exceed 25 ps. [Yalandin M., Sharypov K.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Mesyats G.A. IEEE Trans. on Diel and Elec. Ins. 2010. Vol. 17, No. 1. P. 34] In addition, the resistance of devices to accidental operations in conditions of high levels of electromagnetic interference increases due to the use of not electrical, but optical elements in direct contact with high-current pulsed equipment, which also increases the overall synchronization accuracy.
Известно, что плазма, созданная лазерным излучением, поглощает это излучение. [Meyerand R.G., Haught A. F. Physical Review Letters, 1964, 13(1), p. 7-9] Если зондирующее излучение поступает в интерферометр, сконструированный так, что его измерительное плечо проходит через область возможного появления плазмы, а опорное плечо настроено для обеспечения деструктивных условий интерференции [стр. 355, Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.], то можно определить момент ее возникновения. Такая настройка интерферометра будет обеспечивать отсутствие сигнала в режиме ожидания перекрытия разрядного промежутка плазмой, т.е. до его включения. В случае же появления плазмы в разрядном промежутке, т.е., при включении высоковольтного разрядника, происходит рассогласование этого условия за счет сдвига фазы излучения за очень короткие времена плоть до фемтосекундного диапазона [Агранат М.Б., Андреев Н.Е., Ашитков С.И. и др. Письма в ЖЭТФ, 85:6, 2007, 328-333] и/или за счет частичного или полного поглощения излучения (см. ссылку Meyerand, выше) в измерительном плече интерферометра. Это приводит к появлению интенсивного оптического сигнала, который, например, можно преобразовать в электрический сигнал с помощью широкополосных полупроводниковых детекторов с полосой до нескольких десятков гигагерц для последующей передачи в виде электрического сигнала, который используется для синхронизации.It is known that plasma created by laser radiation absorbs this radiation. [Meyerand R.G., Haught A.F. Physical Review Letters, 1964, 13(1), p. 7-9] If the probing radiation enters an interferometer designed so that its measuring arm passes through the region of possible plasma appearance, and the reference arm is configured to provide destructive interference conditions [p. 355, Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. M.: Nauka, 1973. 720 pp.], then we can determine the moment of its occurrence. This configuration of the interferometer will ensure that there is no signal in the waiting mode for the discharge gap to overlap with the plasma, i.e. before turning it on. In the case of the appearance of plasma in the discharge gap, i.e., when the high-voltage spark gap is turned on, a mismatch of this condition occurs due to a phase shift of the radiation in very short times up to the femtosecond range [Agranat M.B., Andreev N.E., Ashitkov S.I. et al. Letters to JETP, 85:6, 2007, 328-333] and/or due to partial or complete absorption of radiation (see link Meyerand, above) in the measuring arm of the interferometer. This results in an intense optical signal, which, for example, can be converted into an electrical signal using wideband semiconductor detectors with a bandwidth of up to several tens of gigahertz for subsequent transmission as an electrical signal, which is used for synchronization.
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения, таких аналогов не обнаружено. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».When conducting an analysis of the level of technology, including a search in patent and scientific and technical sources and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, characterized by features identical to all the essential features of this invention, no such analogues were found. Determination from the list of identified analogues of the prototype as the closest analogue in terms of the set of essential features made it possible to identify a set of essential distinctive features from the prototype set out in the claims. Consequently, the claimed invention meets the “novelty” condition.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа и реализующего его устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать выводы о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».To verify the compliance of the claimed invention with the “inventive step” condition, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that coincide with the features of the claimed method and the device implementing it that are distinctive from the prototype. As a result of the search, no technical solutions with these characteristics were identified. On this basis, it is possible to draw conclusions about the compliance of the claimed invention with the “inventive step” condition.
Упрощенная принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, поясняется чертежом (фиг. 1):A simplified schematic diagram of a device that implements the proposed method is illustrated by the drawing (Fig. 1):
1 - лазер,1 - laser,
2 - излучение лазера,2 - laser radiation,
3 - делитель пучка лазерного излучения,3 - laser beam splitter,
4 - система фокусировки запускающего пучка лазерного излучения,4 - system for focusing the triggering beam of laser radiation,
5 - поворотные элементы (призмы или зеркала),5 - rotating elements (prisms or mirrors),
6 - оптические окна высоковольтного разрядника,6 - optical windows of the high-voltage arrester,
7 - делитель/объединитель, пучков лазерного излучения интерферометра,7 - divider/combiner, interferometer laser beams,
8 - электроды,8 - electrodes,
9 - датчик оптического сигнала,9 - optical signal sensor,
10 - оптическая платформа.10 - optical platform.
Устройство, реализующее заявляемый способ, содержит окно 6' для ввода лазерного излучения и соосно расположенные электроды 8, выполненные в форме тел вращения, которые размещены в герметичном корпусе, заполненном газом с давлением от 0,1 МПа до 10 МПа. Устройство также содержит запускающий лазер 1, делитель лазерного излучения 3, который расщепляет пучок лазерного излучения 2 на два луча. Первый служит для создания плазмы на одном из электродов высоковольтного разрядника 8 сквозь оптическое окно 6' и соосное отверстие в другом электроде. Второй луч используется для интерферометрического зондирования плазмы в разрядном промежутке. Для этого устройство содержит интерферометр, собранный на оптической платформе 10, которая смонтирована на одном из фланцев высоковольтного разрядника. Интерферометр образован поворотными элементами 5, делителем пучка лазерного излучения 7' и элементом 7'', объединяющим разделенные лазерные пучки. Интерферометр содержит измерительное плечо, оптическая ось которого проходит через разрядный промежуток сквозь 6'' и 6''' с использованием оптических элементов 7' и 7''. Плечо, формирующее опорный луч интерферометра, сформировано элементами 7', 5', 5'', 7'' (фиг. 1.).The device implementing the claimed method contains a window 6' for input of laser radiation and coaxially located
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
Первоначально, интерферометр настраивается так, чтобы разность фаз опорного и измерительного лучей составляла π, другими словами, излучение двух пучков приходило на датчик оптического сигнала 9 в противоположных фазах, за счет чего реализуется деструктивная интерференция. Импульс лазерного излучения фокусируется с помощью системы фокусировки 4 на поверхности электрода 8''. В результате этого появляется плазма, за счет ее возникновения условие деструктивной интерференции нарушается из-за изменения показателя преломления среды разрядном промежутке и/или полного или частичного поглощения излучения измерительного луча из-за появления плазмы в разрядном промежутке. Это обеспечивает возникновение оптического сигнала на датчике, который используется для формирования электрического импульса синхронизации, задержка которого определяется временем нарастания переднего фронта датчика и составляет менее 40 пс. Заявляемый способ был проверен экспериментально.Initially, the interferometer is adjusted so that the phase difference between the reference and measuring beams is π, in other words, the radiation of the two beams arrives at the
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении следующей совокупности условий при использовании заявляемого способа:Thus, the presented data indicate that the following set of conditions are met when using the proposed method:
1. Процесс, реализующий заявленный способ, предназначен для использования в высоковольтной импульсной технике для точной синхронизации устройств.1. The process implementing the claimed method is intended for use in high-voltage pulse technology for precise synchronization of devices.
2. Для заявляемого способа и устройства, в том виде, в котором он приведен в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.2. For the claimed method and device, in the form in which it is given in the claims, the possibility of its implementation has been confirmed.
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2810648C1 true RU2810648C1 (en) | 2023-12-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2029423C1 (en) * | 1992-05-13 | 1995-02-20 | Лажинцев Борис Васильевич | Method of generation in gas electric discharge laser and gas electric discharge laser |
RU2236074C2 (en) * | 2002-10-02 | 2004-09-10 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Method and device for generating spatial discharge in pulsed-periodic gas laser |
US8792522B2 (en) * | 2010-07-14 | 2014-07-29 | Pécsi Tudományegyetem | Method and apparatus for synchronized starting of soft x-ray lasers |
RU2689297C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2029423C1 (en) * | 1992-05-13 | 1995-02-20 | Лажинцев Борис Васильевич | Method of generation in gas electric discharge laser and gas electric discharge laser |
RU2236074C2 (en) * | 2002-10-02 | 2004-09-10 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Method and device for generating spatial discharge in pulsed-periodic gas laser |
US8792522B2 (en) * | 2010-07-14 | 2014-07-29 | Pécsi Tudományegyetem | Method and apparatus for synchronized starting of soft x-ray lasers |
RU2689297C1 (en) * | 2018-09-27 | 2019-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method of synchronizing devices in electron synchrotrons of synchrotron radiation sources |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Woodworth et al. | Laser triggering of a 500‐kV gas‐filled switch: A parametric study | |
Guenther et al. | A review of laser-triggered switching | |
RU2810648C1 (en) | Method for generating synchronization pulses for high-voltage spark gap with laser triggering and device for its implementation | |
Panchenko et al. | Diffuse discharges in SF6 and mixtures of SF6 with H2, formed by nanosecond voltage pulses in non‐uniform electric field | |
Bochkov et al. | Investigation of the effect of blocking potential on the static breakdown voltage and discharge initiation in pseudospark switches | |
Parkevich | The installation to study the prebreakdown stage of a gas discharge by laser probing | |
Lipchak et al. | The study of instabilities role of plasma in the high-voltage discharge formation initiated by optical radiation at high pressures in high-voltage optically triggered switches | |
CN105157857B (en) | A kind of measurement apparatus and measuring method of ultrashort pulse time synchronized | |
Luther et al. | Femtosecond laser triggering of a sub-100 picosecond jitter high-voltage spark gap | |
Sampayan et al. | Optically induced surface flashover switching for the dielectric wall accelerator | |
Sunesson et al. | Laser triggering of electric breakdown in liquids | |
CN114019326B (en) | Laser-induced discharge method and system for generating long-distance controllable high-voltage discharge | |
JP3527460B2 (en) | Ultrashort pulse X-ray pulse waveform measurement method | |
Woodworth et al. | Green-laser-triggered Water Switching at 1.6 MV | |
US10104753B2 (en) | Optical waveguide forming method and apparatus | |
Kimura et al. | Laser interferometric measurements of a laser-preionization-triggered spark column | |
Dewhurst et al. | Picosecond triggering of a laser-triggered spark gap | |
Moriarty et al. | Precise Laser Initiated Closure of Multimegavolt Spark Gaps | |
Hendriks et al. | Picosecond high voltage switching of a pressurized spark gap | |
Wang et al. | Experimental study of the laser-triggered discharge for the application in a gap switch | |
Tsuchida et al. | Characteristics of Plasma Produced in High-Pressure Argon Gas by a Femtosecond Laser | |
Woodworth et al. | 170-kV laser-triggered water switch experiments | |
Zameroski et al. | Multimegavolt laser-triggered gas switching with a green laser and beam transport through water | |
US10859503B2 (en) | Enhancement or suppression of electro-magnetic attributes via second laser | |
Polonskiy et al. | Fast switching with laser‐generated continuous plasma columns |