научная статья по теме ГЕНЕРАТОР СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НАКАЧКИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НАКАЧКИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 84-86

_ ЭЛЕКТРОНИКА _

- И РАДИОТЕХНИКА -

ГЕНЕРАТОР СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НАКАЧКИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

© 2007 г. В. А. Визирь, С. В. Иванов, В. И. Манылов, О. Б. Франц, В. В. Червяков, Н. Г. Шубкин

Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 Поступила в редакцию 14.06.2006 г.

Генератор предназначен для накачки псевдоискрового газового разряда в ксеноне с целью генерации ультрафиолетового излучения с длиной волны 13.5 нм. Выходные параметры генератора: энергия в импульсе 10 Дж, напряжение 6 кВ, амплитуда тока при работе на короткое замыкание 40 кА, длительность импульса тока по основанию 200 нс, частота до 500 Гц.

PACS: 84.30.Jc, 84.30.Ng

Схема генератора, предназначенного для накачки псевдоискового газового разряда [1], представлена на рис. 1. Генератор выполнен в виде ти-ристорно-магнитного генератора с двумя звеньями сжатия, подобно тому, как это сделано в [2].

Напряжение сети через трехфазный трансформатор и выпрямитель поступает на фильтрующую емкость С1. Далее с помощью ЮВТ-модуля УТ происходит заряд и стабилизация напряжения на накопительной емкости С2 на уровне 0.6-1 кВ. За-

+560

с,=

Л*

+1 кВ 400 мкс

*3 *4-1

-г/г^

фс,

*4-12 ^2"12

*5Й

га,.

ДД6-1

С5-1

VSl_l■

А *6-12

± С5.

-6.5 кВ 4 мкс

-6 кВ 600 мкс

40 кА 200 нс

Тр1 1:7

ФС3

ФС4

Нагрузка

Измерение Запуск и стабилизация

VSl.l-VSl.l2 ис2

Управление VT

Ь

Ь

Ь

С

Рис. 1. Функциональная схема генератора. УТ - ЮБТ-модуль М2ТКИ3-100-12; Д, - ДЧ261-250-13, Д2, Д5, Д7 - ДЧ323, Д3 - ДЧ251-160Х-11, Д4 - ВЛ10-11, Д6 - HER308 (по 2 последовательно, 3 параллельно); УБ - тиристоры ТБ343-500-18; С2 - К78-2-2 кВ - 0.47 мкФ (4 в параллель); Ь, - ЭТ3425-0.08 мм, ПЛ130 х 55 х 40 х 34, = 57, = 70, Ь2 - 200ВНП (23 витка на ферритовом сердечнике 2К(65 х 40 х 6)), Ь5 - соленоид 40 мкГн; Тр1 - на сердечнике из металлоаморф-ного сплава 2НСР К(300 х 180 х 20), = 2, м>2 = 14. Емкости звеньев сжатия составляют ~0.5 мкФ и набраны из 70 конденсаторов КВИ3-12 кВ-6800 пФ каждая; дроссели звеньев сжатия выполнены на сердечниках из сплава 2НСР К(300 х 180 х 20)-0.025 мм (Ь3) и пермаллоя 50НП К(300180 х 25)-0.01 мм (Ь4), wЬ = 5, wЬ = 1.

ГЕНЕРАТОР СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ

85

И)

и

400 В 1

тГ ... .

.....3 .....; 3 :

А 2

: : 200 м кс

Рис. 2. Напряжение накопительной емкости С2 (1), ток зарядного дросселя Ь (2) и ток дросселя рекуперации ¿5 (3).

тем тиристорный коммутатор, состоящий из 12 параллельных тиристоров У81-У812, коммутирует емкость С2 на первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора Тр1.

Емкость С3 заряжается до 6.5 кВ. Далее импульс укорачивается двумя звеньями магнитного

сжатия С3

¿з и С4,

Ь

4: первое звено сжимает им-

пульс до 0.6 мкс, второе - до 200 нс. Так как сопротивление газового разряда низкого давления невелико (~10 мОм), генератор настраивался, в основном, при работе на короткое замыкание.

Охлаждение ЮВТ-модуля, силовых тиристоров и сердечников дросселей магнитного сжатия осуществляется водой. Размагничивание всех нелинейных магнитных элементов схемы (Ь2-1-Ь2-12,

Тр1, Ь3, Ь4) производится постоянным током 17 А по одному витку.

Цикл формирования импульса генератора начинается с момента прихода из блока управления импульса управления на ЮВТ-модуль УТ (т = 500 мкс), после чего начинается заряд накопительных емкостей С2 через зарядный дроссель Ь1, диод Д3 и развязывающие диоды Д4-1-Д4-12. Уровень напряжения на С2 измеряется делителем и поступает в блок управления. Регулировка и стабилизация напряжения на С2 на уровне 0.6-1 итах производится схемой стабилизации, выключающей импульс управления по достижении заданного уровня напряжения. Энергия, оставшаяся в Ь1, выводится в С1 через вторичную обмотку Ь1 и диод Д2. Для уменьшения аварийного перенапряжения на УТ и тиристорах УS1 параллельно им включены вари-сторы (на схеме не показаны).

Блок управления имеет схему защиты по зарядному току (на уровне ~100 А) и по зарядному напряжению (на уровне 1100 В).

После завершения процесса заряда емкостей С2 из блока управления приходят импульсы запуска на тиристоры УS1-2-УS1-12, и энергия из емкостей С2 через повышающий трансформатор Тр1 передается в емкость С3. Дроссели Ь2 задерживают разряд на 2 мкс, защищая тиристоры от больших стартовых потерь. Амплитуда общего тока тиристоров ~7.5 кА, длительность - 4 мкс. Далее импульс на уровне ~6 кВ сжимается нелинейными дросселями Ь3 и Ь4. Время заряда емкости С4 -~0.6 мкс, время разряда на камеру (нагрузку) ~0.2 мкс. При работе на короткое замыкание ток в нагрузке достигает 40 кА. Емкость С4 перезаряжается до ~ +5 кВ. Для положительной полярности дроссель Ь4 закрыт (ненасыщен), а дроссель Ь3 насыщен - открыт. Поэтому в нагрузке формируется однополярный импульс.

Рис. 3. Напряжение емкости С2 (1), ток одного тиристора ys (2). Рис. 4. Напряжение емкостей С3 (1) и С4 (2).

86

ВИЗИРЬ и др.

1

«Г о t

/к . О '

100 нс 1. ¡2 ■

Рис. 5. Напряжение емкости С4 (1) и ток через нагрузку (2).

Далее начинается процесс возврата непоглощенной в нагрузке энергии в источник. Емкость С4 разряжается на емкость С3, которая заряжается до +4.4 кВ. Затем через трансформатор Тр1 энергия переходит в емкость С2, заряжая ее до -550 В. Отрицательное напряжение на С2 запирает тиристоры ¥81. Ввиду большой скорости спада тока через тиристоры в момент их запирания амплитуда пика напряжения на аноде тиристоров достигает 1.5 кВ. Для уменьшения этого пика установлены цепи Д6, С5. Отрицательный импульс напряжения на С2 и С5 прикладывается к трансформатору Тр2, энергия, оставшаяся в них после окончания цикла, возвращается через дроссель Ь5 и диод Д7 в фильтрующую емкость С1 за время ~50 мкс. Схема рекуперации позволяет возвращать в первичную цепь 3 Дж из 10 Дж, накопленных в С2. Максимальная частота импульсов ге-

нератора - 500 Гц. В настоящее время она ограничивается нагревом элементов L2, Tp2, L5.

На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения на емкости C2, тока зарядного дросселя L1 и тока рекуперации через L5. Виден резкий обрыв тока в момент выключения IGBT-модуля после достижения напряжением на C2 заданного уровня.

На рис. 3 - осциллограммы напряжения емкости C2 и тока одного из тиристоров VS. Вторая полуволна тока связана с перезарядкой C2 после прихода непоглощенной в нагрузке энергии, отрицательная полуволна - закрытие тиристоров.

На рис. 4 показаны напряжения на емкостях C3 и C4 (работа звеньев сжатия). Отрицательные импульсы - заряд емкостей, положительные - перезарядка и отражение к началу.

На рис. 5 - осциллограммы напряжения на C4 и тока через короткозамкнутую нагрузку. Ток имеет вид однополярного импульса. Индуктивность контура C4, L4, рассчитанная из осциллограммы тока, составляет ~9 нГн.

Итак, разработан тиристорно-магнитный генератор сильноточных наносекундных импульсов (40 кА, 200 нс, 500 Гц) для накачки газового разряда низкого давления. Надежная работа 12 параллельных тиристоров при длительности импульса тока 4 мкс и амплитуде 7 кА достигнута за счет высокой симметрии разрядных контуров. Оригинальная схема рекуперации энергии импульса, отраженного от несогласованной нагрузки, позволяет экономить 30% мощности источника.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Korolev Yu.D, Frants O.B, Geyman V.G. et al. // Proc. of SPIE. Звенигород. 2003. V. 5401. P. 16-21.

2. Борисов B.M., Виноходов А.Ю., Кирюхин Ю.Б. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2004. Т. 68. № 4. С. 503.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»