ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 6, с. 95-99
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.373.826
СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕР НА БРОМИДЕ МЕДИ С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ СО СРЕДНЕЙ МОЩНОСТЬЮ ГЕНЕРАЦИИ 20 Вт
© 2012 г. В. А. Димаки, В. Б. Суханов, В. О. Троицкий, А. Г. Филонов
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Россия, 634021, Томск, пл. Академика Зуева, 1 E-mail: qel@asd.iao.ru Поступила в редакцию 09.09.2011 г. После доработки 12.01.2012 г.
Описан лазер на парах бромида меди со средней мощностью генерации 20 Вт с автоматизированным управлением импульсно-периодическим, цуговым и ждущим режимами. Источник питания лазера имеет блоковую структуру. Показано влияние параметров режимов работы лазера на характеристики генерации. Определено взаимное влияние блоков питания. Представлены конструкция и энергетические характеристики лазера.
ВВЕДЕНИЕ
Лазер на парах бромида меди с компьютерным управлением импульсно-периодическим, цуговым и ждущим режимами, представленный в [1], выгодно отличается от "саморазогревного" лазера [2]. Это отличие, прежде всего, связано с тем, что благодаря независимому от разряда температурному режиму работы стабильность энергии в импульсе генерации существенно возросла. При работе в режиме "саморазогрева" изменение средней мощности, вкладываемой в разряд, неизбежно сопровождается изменением температурного режима работы активного объема, что существенно влияет на мощность генерации [3]. Стабилизируя температуру стенки разрядного канала, мы в значительной степени снижаем роль этого слабо контролируемого параметра на энергию в импульсе генерации. Вследствие этого и изменение частотного режима в определенных пределах при сохранении электрических параметров схемы возбуждения также не меняет энергии в импульсе [4]. Это является важным фактором при обработке материалов, когда изменение скорости процесса связано с изменением частоты посылок импульсов генерации.
Другим отличием лазера на бромидах меди является специальная схема формирования высокого напряжения, которая позволила стабилизировать работу элементов коммутации, выполненных на основе тиратрона ТГИ1—1000/25 [1, 5]. Особенность схемы заключается в том, что после прохождения разряда некоторое, достаточно продолжительное время тиратрон находится под нулевым потенциалом, что позволяет ему надежно закрываться. В результате принятых мер лазер такой конструкции работает с достаточно хорошей
стабильностью энергии в импульсе генерации, управление компьютером позволяет быстро, по мере необходимости, переключать импульсно-периодический режим в цуговый или ждущий.
Однако лазер на бромиде меди вследствие ограничения мощности коммутации до 1.5 кВт, обусловленного как воздушным охлаждением блока питания, так и требованием надежной работы применяемых элементов электрической цепи, генерирует немногим более 10 Вт мощности излучения. Для многих применений такой мощности хватает. Но иногда требуется более высокая мощность генерации, например для эффективной обработки материала при изготовлении кардиоваскулярных протезов (медицинских стентов) [4] для качественной резки металла требуется повысить мощность до 20 Вт.
С целью создания лазера такой мощности с непременным условием сохранения преимуществ ранее разработанного лазера было предложено испытать блоковую структуру источника питания. То есть возбуждение осуществлять от двух источников питания, нагруженных на одну газоразрядную трубку. Это позволит вдвое увеличить вкачиваемую в разряд мощность, не изменяя нагрузки на элементы электрической схемы источника питания, в результате чего, предположительно, сохранится ранее достигнутая надежность работы лазера. Однако при этом необходимо выяснить взаимное влияние источников питания и поведение газоразрядной трубки при повышенной потребляемой мощности.
В данной работе описан выполненный нами макет требуемого лазера и рассмотрены характеристики его работы.
96
ДИМАКИ и др.
Рис. 1. Блок-схема лазера на парах бромида меди. БЛГ — блок лазерной головки; ГРТ — газоразрядная трубка; ТСХ — термостат ГРТ; ТС2 — термостат СиБг; К — контейнеры с бромидом меди; РИ — реверсивный источник НБг; ОР — оптический резонатор; Э — электроды; ТП — термопары; БУТ — блок управления температурой; БП1? БЩ — блоки источника питания; БУ — блок управления; БЗК — блок запуска коммутатора; БСН — блок стабилизации накала генератора водорода; БРН — блок регулятора напряжения; УС — устройство синхронизации; ВВ — высоковольтный выпрямитель; Т1? Т2 — транзисторы полумоста; Ьз — зарядная индуктивность; Л1? Л2 — тиратроны ТГИ1-1000/25; С1? С2 — рабочие емкости; Сп1, Сп2 — емкости полумоста; Тр — высоковольтный трансформатор; Др — дроссель.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРА
Блок-схема лазера представлена на рис. 1. Лазер выполнен в виде трех блоков: блока лазерной головки БЛГ и двух идентичных блоков питания — БП1 и БП2.
В данной конструкции лазера используется регулировка температуры трех объектов: активного объема, бромида меди и реверсивного источника.
Температура активного объема регулируется с помощью термостата газоразрядной трубки ГРТ
путем установки и поддержания в рабочем диапазоне температуры стенки разрядного канала. Это позволяет изменять частотный режим работы лазера с сохранением энергии в импульсе генерации, что важно с технологической точки зрения, а также осуществлять работу лазера в цуговом и ждущем режимах [6].
Регулировкой температуры бромида меди поддерживается его оптимальное давление в активном объеме. Конструкция данного лазера по сравнению с [1] была модернизирована — объем нагрева отростков СиБг объединен. При таком решении
СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ЛАЗЕР НА БРОМИДЕ МЕДИ
97
температура всего бромида меди автоматически становится одинаковой, что позволяет унифицировать процесс подачи паров в активный объем.
Регулировкой температуры реверсивного источника НВг устанавливаются необходимое давление НВг [7]. Контроль и управление этими температурами осуществляются с помощью термопар блоком управления температуры БУТ, регулировки которого выведены на переднюю панель БЛГ.
Работа лазера в импульсном режиме дает возможность увеличения вкачиваемой в разряд мощности поочередным срабатыванием двух источников питания. В такой схеме нагрузка на элементы отдельного источника питания сохраняется, чем обеспечивается его длительная бесперебойная работа. Кроме того, сохраняется возможность воздушного охлаждения, что важно при практическом использовании прибора. При этом предполагается минимальное влияние источников друг на друга, поскольку в момент срабатывания одного коммутатора второй находится под нулевым потенциалом, что не дает ему возможности помешать работе активного блока.
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЛАЗЕРА
Работа лазера происходит следующим образом. Блок регулировки напряжения БРН первого блока питания БП1 преобразует сетевое напряжение в постоянное, регулируемое в пределах ~0-300 В, и подает его на блок полумостовой схемы. Полумостовая схема, выполненная на основе двух транзисторов Т1 и Т2 (IRG4PH50UD), по сигналу блока управления БУ вырабатывает разнополярные импульсы на первичной обмотке высоковольтного трансформатора Тр. Импульсы формируются при поочередном разряде емкостей полумоста Сп1 и Сп2, представляющих собой набор конденсаторов К78-2 емкостью 0.15 мкФ.
При открывании любого из транзисторов ток через него, первичную обмотку высоковольтного трансформатора и дроссель Др начинает плавно нарастать. Скорость нарастания тока ограничивается дросселем. При этом емкости полумоста перезаряжаются. При открытии транзистора Т1 емкость Сп1 разряжается до нуля, а Сп2 заряжается до полного напряжения на полумосте.
В момент полной перезарядки емкостей ток прекращается и подается запирающее напряжение на затвор транзистора Т1. Этим минимизируются коммутационные потери на транзисторах. При открывании транзистора Т2 емкость Сп2, ранее заряженная до полного напряжения на полумосте, разряжается до нуля, а Сп1 заряжается.
Высоковольтный трансформатор с коэффициентом трансформации 80 (собран на кольце из
и, кВ
Рис. 2. Эпюры напряжений на тиратронах Л1 и Л2.
— время заряда рабочей емкости; t2 — время нахождения тиратрона под нулевым потенциалом; tз — время нахождения одновременно двух тиратронов под нулевым потенциалом.
аморфного сплава ГМ14ДС, К160 х 20 х 20, помещен в резервуар с трансформаторным маслом) преобразует сформированные полумостовой схемой импульсы в разнополярные импульсы высокого напряжения, которые далее подаются на высоковольтный мостовой выпрямитель ВВ, собранный на основе диодов НЕЯ308, по 25 штук в плече.
После мостового выпрямителя импульсы положительной полярности с частотой 10 кГц подаются на рабочую емкость С1. В течение действия высоковольтного импульса происходит заряд рабочей емкости до определенного напряжения, определяемого напряжением и энергией импульса, сформированного полумостовой схемой, коэффициентом трансформации высоковольтного трансформатора и величиной рабочей емкости. Также сказываются потери, связанные с перемаг-ничиванием сердечника высоковольтного трансформатора. При этом иС < кии, где иС — напряжение на рабочей емкости, к — коэффициент трансформации, ип — напряжение на полумосте.
По окончании заряда по сигналу блока управления БУ открывается коммутатор, в качестве которого используется водородный тиратрон ТГИ1-1000/25, и происходит разряд рабочей емкости через коммутатор и газоразрядную трубку ГРТ. После того как закончатся все переходные процессы в блоке БП1, с задержкой ~20 мкс устройство синхронизации УС подает сигнал на блок БП2, и процесс заряда/разряда происходит во втором блоке питания. Поочередное включение блоков БП1 и БП2 формирует рабочую частоту лазера 20 кГц. На рис. 2 приведены эпюры напряжений на коммутаторах Л1 и Л2, иллюстрирующие совместную работу блоков питания.
98
ДИМАКИ и др.
Напряжение, кВ 15 14 13 12 11 10 9 8
160 180 200 220 240 260 280 300 Напряжение на полумосте, В
Рис. 3. Преобразование напряжения на полумосте в высоковольтное напряжение на тиратроне.
Наведенное напряжение, кВ 8.6
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.