Лампы Накачки. Часть 1

Лампы Накачки. Часть 1.

Автор: Kail

01.09.2010 14:52

Данная статья - начало цикла статей о лампах накачки твердотельных лазеров. Пердставленая информация - сведение воедино разрозненых справочных данных, частично - перевод с английского языка. Будем рады, если информация окажется полезной в Вашей работе, приветсвуется обратная связь. Пишите, если есть вопросы, или нашли ошибку (куда же без них родимых...). Введение Дуговые и импульсные лампы, объем которых заполнен инертными газами криптоном и ксеноном широко используются в качестве источника оптической накачки твердотельных лазеров. В первом лазере на рубине, разработанном Мейманом в 1960 году, использовалась лампа, предназначенная для студийной фотографии. За прошедшие годы, производство ламп для накачки лазеров превратилось в отдельную отрасль, произведено множество исследований, получены выдающиеся результаты. Материалы колбы В настоящее время в качестве колбы используются следующие материалы: ·  кварцевое стекло; ·  пайрекс (сверхпрочное стекло). В свою очередь кварц делится на следующие типы: ·  чистый кварц; ·  легированный кварц; ·  синтетический кварц; Основным требования к выбору материала колбы – спектральное пропускание во всем диапазоне излучения лампы, способность не пропускать газовые частицы, способность выдерживать высокие температурные градиенты и механическая прочность. Чистый кварц Наиболее распрастраненный материал, выдерживает температуры до 600град Цельсия. Пропускание в широком спектре от 220нм. Основной недостаток кварца – изменение пропускания при больших мощностях, из-за присутствия центров окраски (ионы, примеси алюминия, Германия и редкоземельных металлов). Легированный кварц Спектр пропускания УФ излучения ламп может быть изменен добавлением различных примесей, обычно оксидов церия или титана. Отсечка УФ излучения увеличивает срок службы колбы, позволяет использовать лампы на открытом воздухе, где УФ излучение приводит образованию озона. Также фильтрация УФ спектра позволяет использовать лампы для накачкиNd:YAG кристаллов (УФ излучение вредит кристаллу, покрытию отражателя и герметизирующим силиконовым прокладкам). Кварц с добавлением оксида церия пропускает от 380нм. УФ излучение переизлучается колбой в видимом спектре из-за явления флуоресценции, что увеличивает эффективность накачки. Легированный кварц наиболее распрастраненный материал для изготовления ламп накачки лазеров. Кварц с добавлением оксида титана также отрезает УФ часть спектра, однако не флуоресцирует и сильно подвержен изменению пропускания из-за центров окраски. Такие лампы используются в основном в медицинском оборудовании. Синтетический кварц Синтетический кварц обладает наиболее выдающимися характеристиками, пропускает от 160нм, полностью исключены центры окраски, выдерживает высокие перепады температур. Наиболее дорогой материал. Рис.1. Спектральные характеристики пропускания материалов колбы. Толщина колбы Обычно используются колбы с толщиной стенки 1мм, что является идеальным компромиссом между механической прочностью, доступностью, технологичностью и температурными свойствами материала. Если внутренний диаметр ламп более 12мм используют колбу толщиной 1.25-1.5мм. Толщины более 2.5мм, 3мм нежелательны для использования, т. к. температурные градиенты приводят к растрескиванию материала. Для криптоновых ламп характерны большие средние мощности и низкие пиковые мощности, поэтому для снижения температурных градиентов желательно использование толщины кварца 0.5мм. Как правило, производят лампы с внутренними диаметрами от 2мм до 12мм с шагом 1мм. По спецзаказу возможны промежуточные значения, но это приводит к существенному удорожанию. Точности диаметров обычно 0.3мм. Для внутренних диаметров 2-4мм точности могут быть существенно увеличены, что очень положительно сказывается на повторяемости параметров лампы, особенно импеданса. Tags: ·  Лампы

Лампы Накачки. Часть 2.

Автор: Kail

27.09.2010 16:40

Продолжение цикла статей об устройстве и использовании ламп накачки лазеров. В данной статье рассотрены способы герметизации лампы и принципы выбора материала и формы электродов Герметизация лампы Сборка электродов и кварцевая трубка должны иметь надежную герметизацию, удерживая внутри лампы газ или вакуум. В производстве дуговых и импульсных ламп обычно используется 3 способа герметизации: ленточный способ, паянное соединение и ступенчатый способ. В ленточном способе кварц непосредственно обжимает тонкую полоску молибденовой фольги. Тонкая фольга позволяет избежать образования трещин из-за различия в температурных коэффициентах расширения между кварцев и молибденом. При таком способе герметизации соединение получается жестким с минимальной зоной «мертвого объема», наилучшими температурными характеристиками. Однако тонкая фольга не позволяет пропускать большие токи, поэтому такие лампы не могут быть использованы в приложениях высокой и средней мощности. Рис. 2. Ленточный способ герметизации. Способ герметизации пайкой позволяет соединить кварцевую колбу с манжетой из инвара, т. е. сплава, обладающего очень малым коэффициентов температурного расширения с помощью паянного индием соединения. Лампы с такой герметизацией также обладают малой зоной «мертвого объема», помимо этого способны пропускать очень большие пиковые токи. Недостаток данного метода – низкая технологичность, низкая температура плавления индий не позволяет надлежащим образом выполнить все требуемые производственные вакуумные высокотемпературные операции. В процессе эксплуатации также не допускается превышение температуры 1000 С, что не позволяет использовать лампы в приложениях с высокими энергиями. Рис. 3. Герметизация пайкой. В ступенчатом способе, кварцевая колба расплавляется и обжимает декапированные электроды, изготовленные из вольфрама. Данный способ очень технологичен и позволяет получить отличные температурные свойства лампы. Однако обладает наибольшим значением зоны «мертвого объема». Возможен краткосрочный нагрев до 6000 C, однако при продолжительных периодах работы в высокотемпературных условиях – не более 3000 C. При температурах более 3000 Cпроисходит оксидирование вольфрама (образуется ржавчина), что приводит к разгерметизации лампы. Рис. 4. Ступенчатая герметизация. Электроды Наиболее важный компонент в дуговой или импульсной лампе – катод. Следует очень тщательно подходить к выбору материалов для электродов. Анод бомбардируется электронами дуги, катод же должен обеспечивать мощность потока электронов без повреждения напыление на поверхности. Катод обычно изготовляют из вольфрама, имеющего пористую матричную структуру. Поры заполняются сплавом на основе бария. Технология изготовления катода, как правило, является интеллектуальной собственностью компании производителя. При неправильном проектировании катода дуга распыляет большое количество материала, что значительно снижает ресурс лампы. Основные критерии проектирования и производства анода – масса и площадь поверхности, достаточные для выдерживания мощных нагрузок. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или вольфрама с добавление лантана, что улучшает возможность механической обработки. Рис. 5. Форма катода дугой лампы.                          Рис. 6. Форма катода импульсной лампы. Форма электродов лампы накачки лазеров определяется условиями работы, электроды импульсной лампы и дуговой отличается. В случае дуговой лампы катод выполнен в виде конуса, что преследует выполнение двух целей, удаление крайней точки электрода от внутренней поверхности колбы (снижение температурных нагрузок на колбу) создание достаточной температуры для обеспечения термоэлектронной эмиссии. Катод импульсной лампы выполнен в виде сферы со сплющенным концом. Такая форма электрода позволяет избежать образования горячих точек, которые увеличивают распыление материала катода. Пиковые токи импульсных ламп могут достигать 1000А, ток дуговых ламп обычно в пределах 15-40А, значения токов – определяющие параметры условий работы ламп, от которых зависит форма электродов. Средняя мощность также определяет конфигурацию электрода. При малых мощностях электрод нагревается совсем немного, поэтому электрод имеет малые габариты. При больших же средних мощностях температура очень высока, электрод имеет значительные габариты, чтобы облегчить отвод тепла. Это достигается обжатием кварцевой колбы (площадь которой, как правило, имеет принудительно охлаждение) вокруг электродов. Если при производстве была обеспечена должная герметизация лампы, во время работы не важно, как сильно нагревается анод. Однако перегрев катода приводит к значительному снижению ресурса лампы.

Лампы Накачки. Часть 3.

Автор: Kail

04.10.2010 17:28

Третья часть цикла статей о лампах накачки твердотельных лазеров. На этот раз рассмотрены вопросы охлаждения ламп, типы газовов, использумых для наполнения колбы, понятия "мертвая зона" и импеданс. В следующей статье будут рассмотрены физические принципы свечения лампы сверхвысокого давления и их спектры излучения ксеноновых и криптоных ламп. Охлаждение При малых мощностях и низких частотах повторения достаточно естественного охлаждения лампы. В противном случае используется принудительно воздушное или водяное охлаждение. В мощных лазерах обычно применяется водяное охлаждение с потоком порядка 4-10 л/мин. Материал колбы характеризуется предельно допустимым потоком мощности, выражаемым в Вт/см2. Это значение, а также рабочие мощности и частоты, определяют требуемый вид охлаждения. При водяном охлаждении предпочтительно деионизированная вода. Обычная вода, обладает высокой проводимостью и может привести к КЗ электрической цепи лампы, также приводит к разрушению контактов лампы из-за электролиза. Сопротивление воды должно быть 200кОм или больше. Допускается контакт с охлаждаемой водой только нержавеющей стали и пластиков. При принудительном воздушном охлаждении поток воздуха должен проходить пылеулавливающий фильтр и обдувать лампу целиком, включая контакты. Для определения требуемого типа охлаждения, необходимо разделить значение подводимой средней мощности на значение внутренней поверхности колбы, ограниченной длиной дуги. Результат в Вт/см2 определяет тип охлаждения: ·  0-15 Вт/см2 – конвекционное воздушное; ·  15-30 Вт/см2 – принудительное воздушное, либо водяное при использовании отражателя; ·  30-320 Вт/см2 – принудительное водяное. Указанные значения представлены для ламп с ксеноновым наполнением. Из-за более высоких внутренних температур значения повышаются на 10% для ламп с заполнением криптоном. Значения предельных плотностей мощности для различных материалов колбы: ·  160 Вт/см2 – легированный кварц, толщина 1мм; ·  200 Вт/см2 – чистый кварц, толщина 1мм; ·  240 Вт/см2 – синтетический кварц, толщина 1мм; ·  320 Вт/см2 – синтетический кварц, толщина 0,5мм. Неправильное охлаждение приводит к ненадежному функционированию и значительному снижению сроку службы лампы. Используемые газы и их давление Для дуговых ламп чаше всего используется криптон, а для импульсных – ксенон. Ксенон обладает большей эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую, особенно в импульсных режимах. Однако криптон обладает спектральной характеристикой лучше падающей в спектр поглощения граната. Существуют импульсные криптоновые лампы, применяющиеся в приложениях с небольшими средними мощностями. Обычно, чем выше давление газа внутри колбы, тем выше эффективность накачки. Для импульсных ламп наибольшее практически применяемое давление – 3000торр. При больших значениях очень тяжело поджечь лампу. Большие давления (>760торр) используются в малогабаритных лампах (диаметром 3-5мм), работающих в ограниченных режимах. Давление влияет на электрические параметры лампы – напряжение пробоя, импеданс. Снижая давление, снижается напряжения пробоя лампы, однако при давлении меньше 100торр, рассеяние материала катода становится очень сильным. Типичные значения давления: ·  импульсные ксеноновые общего назначения – 450торр; ·  дуговые криптоновые – 4 атм.; импульсные криптоновые – 700торр; ·  малогабаритные импульсные ксеноновые – 1-3 атм. «Мертвая зона» Данное понятие определяет пространство лампы, не участвующее в преобразовании электрической Давление внутри лампы возрастает пропорционально плотности тока. Давление в лампах с большой «мертвой зоной» будет меньше, чем в лампах с малой. Чем выше давление, тем выше эффективность лампы, таким образом, КПД ламп с малой «мертвой зоной» выше. «Мертва зона» захватывает пространство, занимаемое электродом, при проектировании высокомощных лап приходится идти на компромисс между охлаждением катода и уменьшением «мертвой зоны». Импеданс – К0 Существует множество способов выразить импеданс лампы К0, наиболее распространенный – Ом/А0.5. К0 зависит от геометрии лампы, давления, типа инертного газа, «мертвой зоны». В рабочих условиях импеданс лампы с большой «мертвой зоной» при равной длине дуги, внутреннем диаметре и давлении, меньше, так как рабочее давление такой лампы выше. Теоретический расчет импеданса учитывает только значение тока дуги, а на практике зависит от множества прочих параметров, например от объема «мертвой зоны», как описано выше. Значение К0 обратно пропорционально внутреннему диаметру, прямо пропорционально длине дуги, является слабой функций внутреннего давления. Разница в импедансе двух одинаковых ламп с разным наполнением всего 12% при одинаковом давлении. Однако, чтобы получить одинаковый импеданс для криптоновой лампы из ксеноновой, требуется увеличение давления криптона на 70% по сравнению с ксеноном. Ниже будут даны приближенные формулы для вычисления импеданса по известным геометрическим параметрам лампы. Точно определить импеданс лампы можно только экспериментально.

Лампы Накачки. Часть 4.

Автор: Kail

11.10.2010 12:52

Четвертая часть монументального труда о лампах накачки твердотельных лазеров. На этот раз освещаются вопросы: физика плазмы в лампе и спектры криптоновых и ксеноновых ламп, общая информация о поджиге. Физика свечения плазмы Принципы действия дуговой лампы описывается физикой плазмы. Являясь 4-м состоянием материи, плазма существует при высоких температурах. Вдоль оси лампы, по которой протекает электрическая дуга, температура может достигать до 10000К. Однако эта температура стремительно снижается в радиальном направлении, достигая у внутренней стенки лампы всего 1200-1500К, в то время как точка плавления кварца -1940К. Рис. 7. Динамика плазмы. - потенциал «темной зоны» катода 5-15В, - толщина «темной зоны» десятки мкм, - потенциал «темной зоны» катода, - количество нейтральных атомов,  - количество электронов,  - количество ионизированных атомов ксенона или криптона. Так как электроны обладают гораздо большей подвижностью, чем положительно заряженные ионы Xe и Kr, они располагаются около внутренней стенки колбы, делая ее отрицательно заряженной. Электромагнитное поле притягивает положительно заряженные ионы к внутренней стенке колбы, где происходит электрон-ионная рекомбинация, что приводит к образованию большого количества нейтрально заряженных атомов Xe и Kr. Эти атомы имеют гораздо меньшую температуру чем, заряженные частицы и образуют термальный буферный слой между плазмой дуги и колбой. В плазме дуги одновременно присутствуют 3 типа частиц: электроны, ионы, нейтральные атомы. Концентрация ионизированных атомов меньше 1%, именно они испускают оптическое излучение. Ионы движутся от анода к катоду, электроны наоборот. Крайне близко к поверхности катода прилегает тонкая область ионного тока называемая «темной зоной». Она заполнена ионами, создающими электрическое поле с напряжением 5-15В (мембранное напряжение), которое ускоряет ионы, подлетающие к поверхности катода. Высоко заряженные частицы в этом поле разгоняются до скоростей, достаточных чтобы нанести катоду механические повреждение. Данное явление основным неустранимым фактором, определяющим срок жизни лампы. Полное падение напряжение на работающей лампе равно сумме падений на аноде и катоде, анодное и катодное мембранное напряжение и напряжение плазмы. Спектральные характеристики Дуговые и импульсные лампы излучают в широком спектре. Материалом колбы блокирует УФ 160-381нм и ИК после 2.5мкм. Излучение лампы сильно зависит от плотности тока и гораздо меньше от типа газа и давления (исключение – ртутные и галогенные лампы). При низких плотностях мощности тока преобладает атомарные линии излучения, соответствующие связанно-связанным переходам. При более высоких плотностях мощности преобладает непрерывный спектр, соответствующий свободно-связанным и свободно-свободным переходам. Узкие линии также наблюдаются, однако они являются небольшими отклонениями от непрерывного спектра. При высоких плотностях тока спектр совпадает со спектром АЧТ при температуре 95000С. Рис. 8. Спектр поглощения алюмоиттриевого граната легированного неодимом (Nd+3:YAG) Рис. 9. Спектр излучения криптона при различных плотностях тока в плазме. Рис. 10. Спектр излучения ксенона при различных плотностях тока в плазме. Из приведенных спектральных характеристик (рис. 8-10) следует что при малых плотностях тока эффективнее использовать криптон в качестве наполнителя для ламп накачки твердотельных лазеров, так как его линии гораздо лучше попадают в спектр поглощения активной среды. Однако при больших плотностях тока лучше использовать ксенон, так как он обладает лучшей эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую. Для криптона преобразование подводимой электрической энергии в оптическую в диапазоне 200-1100нм около 50%. Эффективность увеличивается с увеличением плотности тока и давления. Эффективность ксенона выше на 10% по сравнению с криптоном. Поджиг Обычно напряжение импульса разряда через лампу меньше значения напряжения самопробоя. Поэтому перед подачей разрядного импульса, на лампу подается высоковольтный (20-30кВ) кратковременный импульс поджига. Как и прочие газовые приборы лампы обладают очень высоким сопротивлением в непроводящем состоянии. Чтобы привести лампу в проводящее состояние нужно сформировать искру между электродами (обычно в радиальном направлении, либо в направлении дуги в случае использования симмера) с помощью высоковольтного импульса. Для импульсных ламп при отсутствии симмера поджиг необходимо производить перед каждым импульсом разряда, для дуговой же лампы только в начале работы. Процесс поджига состоит из нескольких стадий. Сначала формируется искра между электродом и внутренней стенкой колбы. Искра из-за емкостного эффекта распространяется по колбе к другому электроду. Если падение напряжение между электродами от искры меньше падения напряжения на разрядной емкости, то лампа переходит в проводящее состояние. Не зависимо от метода поджига процесс требует наличия разности потенциалов на опорной плоскости или рядом с поверхностью лампы. Без этой разницы напряжения невозможен надежный поджиг. Для обеспечения надежного поджига следует заземлять металлический корпус квантрона в приложениях с водяным охлаждением (последовательный поджиг). При воздушном охлаждении вокруг лампы наматывают никелевый провод один конец которого соединяют с одним из электродов (внешним поджиг). Сложно точно рассчитать требуемые параметры импульса поджига. Следует учитывать не только напряжение импульса, но и его длительность. Если длительность будет недостаточной, то поджиг не произойдет даже при очень большом приложенном напряжении. Обычно достаточно 60нс. Напряжение поджига очень сильно разнится даже для ламп одной серии. Обычно достаточно напряжения на 60% выше напряжения самопробоя лампы.

Лампы Накачки. Часть 5.

Автор: Kail

19.10.2010 14:40

Пятая часть мануала по лампам. На этот раз весьма объемная информация о блоках питания ламп накачки лазеров, способах поджига, управление мощностью и т. д. Рассматриваются способы включения импульсных ламп при различных условиях эксплуатации, а также дуговых ламп. Описываются принципы применения симмера, способы организации обратной связи, ШИМ-модуляции. Для понимания материала требуется умение читать принципиальные электротехнические и электронные схемы, а также понимание аналоговой электроники. Типы поджига Поджиг газоразрядной лампы может быть произведен 3 способами: ·  Последовательный поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом электрической цепи подключенным последовательно импульсной или дуговой лампе. Наиболее распространен в промышленном применении твердотельных лазеров. ·  Параллельный поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом электрической цепи подключенным параллельно импульсной или дуговой лампе. Практически не используется из-за дороговизны компонентов электрической схемы. ·  Внешний поджиг, когда высоковольтный импульс подается элементом гальванически развязанным с цепью питания лампы. Рис. 11. Схема последовательного поджига лампы. Рис. 12. Схема параллельного поджига лампы Рис. 13. Схема внешнего поджига лампы. Для правильного поджига следует соблюдать полярности напряжения поджига и напряжения емкости: Тип поджига Общий электрод Полярность источника питания Полярность внешнего поджига Полярность последовательного поджига 1 Катод Полож. Полож. Отриц. 2 Катод Полож. Отриц. Полож. 3 Анод Отриц. Полож. Отриц. 4 Анод Отриц. Отриц. Полож. Таблица 1. Соотношение полярности импульса поджига и напряжения разрядной емкости. Внешний поджиг Рис. 14. Тиристорная схема внешнего поджига. Высоковольтный импульс с повышающего трансформатора подается на никелевый провод, обмотанный вокруг лампы. Данный вид поджига применим только для ламп с воздушным охлаждением. Это наиболее простой и дешевый способ поджига. Повышающий трансформатор имеет скромные габариты и вес. Применение трансформатора в выходной цепи избавляет от проблемы согласования импедансов схемы. Такой поджиг применяется в фототехнике, стробоскопах, лазерных дальномерах. Недостаток – высокое напряжение присутствует снаружи колбы лампы, что при использовании металлических отражателей не позволяет произвести удобную изоляцию для обеспечения безопасности пользователя. Последовательный поджиг Рис. 15. Тиристорная схема последовательного поджига. Вывод вторичной обмотки последовательно подключенного к лампе высоковольтного трансформатора напрямую присоединяется к одному из электродов. После поджига ток дуги протекает через вторичную обмотку, которая выполняет роль дросселя, определяющего форму импульса разряда батареи конденсаторов питания. Следовательно, в данном случае трансформатор представляет собой крупногабаритный, тяжелый, дорогой компонент, следует правильно рассчитать трансформатор, чтобы индуктивность обмотки при больших токах не уходила в насыщение. Последовательный поджиг широко применяется в твердотельных лазерах средней мощности. Этот способ более стабилен по сравнению с внешним поджигом, нет высоких напряжений вне колбы лампы. Так как первичная обмотка трансформатора имеет малое количество витков, соответственно малое сопротивление, переключающий тиристор должен выдерживать большие пиковые токи (более 1500А). Эти токи возникают при разрядке батареи конденсаторов через вторичную обмотку, что приводит к возникновению ЭДС на первичной. Используют демпфирующую цепочку для защиты тиристора. Шунтирующий диод Рис. 16. Тиристорная схема внешнего поджига с шунтирующим диодом. Желательно выбирать значения элементов цепочки (емкости и индуктивности), формирующей импульсы разрядки, и напряжение питания так, чтобы обеспечить заданную продолжительность импульса разряда и предотвратить затухающие осцилляции тока. Обычно при использовании высоко импедансных ламп, которые широко распространены для накачки гранатов, это не проблема. В случае, когда не удается избавиться от осцилляций тока, разрядную емкость шунтируют диодом. Тогда энергия, сохраненная в дросселе (вторичной обмотке трансформатора последовательно поджига), проходит через лампу, а не возвращается в емкость, в виде отрицательного напряжения. Диод должен выдерживать высокие пиковые нагрузки и среднеквадратичные значения тока. Он должен подключаться параллельно емкости. Также часто параллельно диоду подключается демпфирующий конденсатор 0.1мкФ, чтобы пропускать кратковременные пички напряжения. Обычно шунтирующий диод нужен в приложениях, где используются малогабаритные импульсные лампы. Использование симмера Рис. 17. Принципиальная схема питания лампы с последовательным тиристорным поджигом и симмером. После поджига, к лампе подводится постоянное напряжение, обеспечивающие дугу малого тока (50-500мА) в плазме. Импульсы от источника питания (с высокими токами дуги) подаются через тиристор, который подключен в основную цепь разрядки. Поджиг может быть последовательным или внешним. Режим симмера значительно увеличивает срок службы лампы и наиболее распространен в промышленных твердотельных лазерах. Чтобы обеспечить надежное закрытие тиристора, отключая возможность прохождения импульсов тока от батареи конденсаторов через цепь разряда, необходимо блок питания зарядки конденсаторов снабдить схемой задержки. Для защиты тиристора добавляют демпфирующую цепочку. Тиристор должен выдерживать большие пиковые токи и большие значения средней мощности. Для стабильной работы ток и напряжение симмера должны находиться в пределах линейного режима ВАХ лампы. Использование симмера позволяет достичь на 20% более эффективную накачку при малых плотностях тока. Это преимущество нивелируется при высоких плотностях тока. Еще одно преимущество симмера – лучшая стабильность оптического излучения от импульса к импульсу. Псевдосиммер Рис. 18. Принципиальная схема псевдосиммера с внешним поджигом. В портативной технике или в случае необходимости энергосбережения используется псевдосиммер. Лампа поджигается с внешним или последовательным поджигом. Ток порядка 50мА от батареи конденсаторов протекает через лампу и токоограничивающий резистор RS. После задержки порядка 100-200мс резистор шунтируется тиристором и происходит разрядный импульс. Псевдосиммер используется в лазерных дальномерах, позволяет избежать перегрева электродов малого размера в лампах с естественным воздушным охлаждением. Режим быстро нарастающего переднего фронта Рис. 19. Принципиальная схема поджига с быстро нарастающим передним фронтом. При необходимости малой длительности импульса разраядки (меньше 10мкс) расчеты приводят к малым значением емкости. Следовательно напряжение на рязрядной емкости часто получается выше напряжения сампробоя лампы. Поэтому лампа должна быть отключена от схемы разряда до момента когда потребуется вспышка. Этого добиваются с помошью газового разрядника или водородного тиратрона. Тиристор не можетбыть использован из-за крайне высоких значений напряжения и тока. Для увеличения срока службы лампы в данной схемедолжны быть минимизированы все возможные индуктивности. Применение симистора в данной схеме также позволяет увеличить срок влужбы лампы ШИМ управление Рис. 20. Принципиальная схема питания импульсной лампы с ШИМ-управлением. Широкого диапазона регулирования длительности импульса разрядки можно добиться использованием симмера и высокомощного высоковольтного NPN транзистора (в современной технике MOSFET и IGBT транзисторы). Управляя базой транзистора можно регулировать длительность импульса от 500мкс до 20мс. Лампа поджигается внешне или последовательно. Ток симмера обычно порядка 0.5-3А. Демпфирующие цепочки защищают транзистор и диод в разрядной цепи. Вторичная обмотка поджигающего трансформатора должна находиться в насыщении, чтобы ее индуктивность не влияла на работу цепи разряда. Так как транзистор управляет длительностью импульса, отпадает надобность в дросселе, формирующем форму разрядного импульса, может быть использован внешний поджиг, подачей высокого напряжения напрямую на отражатель лазера, который должен быть надежно изолирован от земли цепи разряда. Конденсаторы цепи разряда – электролитические. Один конденсатор порядка 300-600В. Данная схема питания лампы часто используется в лазерных системах средней мощности. Схемы питания криптоновых дуговых ламп Рис. 21. Принципиальная схема питания дуговой лампы. При использовании криптоновых дуговых ламп должны применяются специальные схемы питания. Дуговая лампа проходит 3 ступени при старте: поджиг, усиление, регулировка тока. Сначала лампа поджигается последовательной схемой. После этого импеданс ламп все еще слишком велик, чтобы электрический ток смог потечь от источника постоянного тока с довольно небольшим напряжением холостого хода (около 200В). Фаза усиления – промежуточная между высокоимпедасным состоянием после поджига и низкоимпедансным рабочим состоянием. В этой фазе небольшая емкость (порядка 47-100 мФ, заряженная до 1000В) разряжается через лампу и токоограничительный резистор. Искра поджига начинает расти в диаметре, растет ток, напряжение на лампе падает до отметки, когда источник постоянного тока берет на себя управление током в лампе, схема выходит на рабочий режим.

Лампы Накачки. Часть 6.

Автор: Kail

25.10.2010 16:54

Приветствуем. В данной части будет рассмотренно: режиммодулированного CW и QCW, расчет схемы питания импульсной лампы, расчет RC-цепей, расчет схемы питания при малых длительностях импульса накачки, расчет напряжения симмера, расчет напряжения на криптоновой дуговой лампе накачки. В общем представляет плотно нагруженный формулами материал, для понимания которого потребуется немало времени. Мы постарались подать материал максимально доступно и просто. Используя полученную информацию вы сможете определит основные параметры блока питания лампы, определить требуемый тип лампы. Режим модулированного CW и QCW Эффективность дуговых ламп может быть повышена модуляцией излучения и режима квазинепрерывного излучения. Модулированный режим представляет собой быстрое переключение между двумя уровнями тока – ток симмера (нижнее значение) до рабочего тока (верхнее значение). В режиме простоя лампа переводится в режим дежурной дуги, значение тока несколько выше тока симмера. Длительность верхнего значение тока порядка нескольких миллисекунд, скважность обычно 50%. Типичные значения токов модулированного режима представлены в таблице Внутренний диаметр лампы, мм Макс. пиковый ток, А Рекомендуемый пиковый ток, А Минимальный ток симмера, А Минимальный ток простоя, А Предел плотность мощности материала колбы, Вт*см^2 3 12 10 1 5 320 4 24 20 2 10 320 5 33 30 3 15 320 6 45 40 5 20 320 7 6 50 10 28 320 8 73 65 20 33 320 Табл. 2. Токи квазинепрерывного излучения для криптоновых ламп различного диаметра. В казинепрерывном режиме ток дуги лампы модулируется синусоидой. Глубина модуляции – разница между средним значением и половиной амплитуды синусоиды. Глубина модуляции не должна превосходить 50%, при синусоидальном токе лампы средняя мощность на лампе не должна превосходить технических условий. Частота синусоиды обычно 50 или 100Гц, обуславливается дешевизной изготовления блока питания от электрической сети 50Гц. Рис. 22.CW и QCW режимы питания дуговых ламп. Расчет схемы питания импульсной лампы. Чаще всего импульсные лампы подключаются к формирующей цепочке (емкость/индуктивность) или управляются электронным ключом. Для схем с формирующей цепочкой, рассчитываются значения емкости, индуктивности и напряжения заряда разрядной батареи конденсаторов при заданных параметрах затухающего импульса, требуемой длительности и энергии при выбранном значении импеданса лампы. Если затухающие колебания разрядного импульса будут иметь большую амплитуду обратной полуволны, это может привести к повреждению схемы питания и снижает ресурс лампы. Если же использовать импульс с очень большим подавлением затухающих колебаний, то энергия вспышки будет «размазана» во времени, получим длительную вспышку с малой мощностью свечения. Поэтому вводят понятие критического затухания импульса, это значение затухания при котором энергия вспышки укладывается в заданное время, но при этом затухающие колебания не имеют большой амплитуды. Импульс разрядки с критическим затуханием соответствует коэффициенту колебаний 0.7..0.8. Меньшие значения коэффициента приводят к большим пульсациям, большие - к малой энергетике вспышки. При правильно подобранной форме разрядного импульса, его форма близка к Гауссовой. Для заданной длительности импульса, энергии и импеданса лампы, рассчитывается единственный подбор значений емкости, индуктивности и напряжения заряда конденсатора, которые обеспечивают затухание на уровне 0.7..0.8. Если требуется работа при разных уровнях энергий (для регулировки энергии изменяют напряжение заряда накопительной батареи), то значения емкости и индуктивности формирующей цепочки следует рассчитывать для критического затухания при наибольшей используемой энергии. Полученные значения дадут большие значения коэффициента затухания для меньших напряжений заряда накопительной батареи. Алгоритм расчета Расчет начинается с нахождения вольтамперной характеристики лампы. (1) , где - напряжение на электродах лампы (В);  - ток разряда (А);  - импеданс ламп . Данное выражения является аппроксимацией, которая верна для плотности тока более 500 . определяется в основном длиной дуги, внутренний диаметром, типом газа и давлением. (2) - для ксенона; (3) - для криптона, где  - давление (торр),  - дина дуги (мм),  - внутренний диаметр (мм). Значения параметров формирующей цепочки и напряжения заряда разрядной батарее: (4); (5); (6), где  - накопительная емкость (Ф), - индуктивность цепи (Гн),  - запасенная энергия (Дж), - коэффициент затухания, принять равным 0.8 для критического затухания,  - напряжение на накопительной емкости (В),  - 1/3 длительность импульса по уровню тока 0.1 (с). Данные выражения не учитывают всех нюансов динамики плазмы. Однако достаточно точны в первом приближении и позволяют вычислить параметры импульса тока через лампу. Последовательность расчета Рассчитываем значение накопительной емкости, по заданной энергии вспышки, длительности импульса и импеданса лампы по формуле (4), определяем значение индуктивности по формуле (5), находим напряжение заряда по формуле (6). Полученные значении подставляем в формулу: (7); (8) - импеданс цепи, Ом. Для обеспечения критического затухания =0.8. Если данное условие не выполняется, требуется пересчитать параметры снова, чтобы выполнялось данное условие. Если используется лампа с малым импедансом и даже при =0.8 присутствуют осцилляции, следует параллельно накопительной емкости поставить защитный диод. Дополнительные расчеты: (9) - пиковый ток, А. (10) - запасенная энергия, Дж. (11) - плотность пикового тока, , где  - площадь поперечного сечения внутреннего объема лампы, . Как правило, значение пикового тока, полученное по формуле (9) несколько больше реальных величин. Это обусловлено допущением, что лампа имеет нулевое реактивное сопротивление. Для более точного расчета следует ввести поправку: (12) - реактивное сопротивление лампы, Ом, где  - площадь поперечного сечения внутреннего объема лампы в ,  - длина дуги в см,  - сопротивление плазмы:  при мс;  при мс;  при мс, где  - 1/3 длительность импульса по уровню тока 0.1. С учетом поправки выражение (9) привет вид: (13) - пиковый ток, А Данное выражение дает более точный результат, особенно при слабо затухающем импульсе разрядки. Расчет RC цепей Существуют приложения, где нет надобности строго выдерживать энергетику или форму импульса разрядки: вспышки фотокамер, стробоскопы… В таких случаях используют упрощенную RC цепь разряда. Формулы для расчета параметров импульса RC цепи: (14), сопротивление лампы, Ом. (15) - пиковый ток, А. Данные выражения дают грубую оценку требуемых значений, чего обычно вполне достаточно для расчета цепи питания лампы. Расчеты при малой длительности импульса При расчете параметров формирующей цепочки для малых длительностей импульса разряда, следует придерживаться нижеследующих рекомендаций. Расчетное значение емкости, как правило, получается большим, чем требуется в реальных условиях. Для импульсов длительностью 1-10мс следует снизить полученное значение емкости в 4 раза. Для импульсов длительностью 11-20мс в 2 раза. Корректировка представляет собой логарифмическую шкалу, т. е. для длительности импульса меньше 1мс следует уменьшить значение емкости на еще больше значение. Затем следует пересчитать напряжение заряда для нового значения емкости. При дальнейших расчетах предполагайте, что общая индуктивность схемы 1мГн. Индуктивность всех используемых компонентов цепи разряда должна быть сведена к минимуму. При малых длительностях импульса токовая дуга не заполняет весь внутренний объем лампы. Только 50-70% внутреннего диаметра лампы используется эффективно, уменьшение внутреннего диаметра приводит к повышению импеданса, что следует учитывать при расчетах. Расчет напряжения симмера Стандартная ВАХ лампы не может быть использована в качестве отправной точки для расчета напряжения симмера. Так как дуга не заполняет объем лапы полностью, формула (1) не верна. Чтобы правильно рассчитать напряжение симмера, следует точно знать диаметр дуги при заданном токе симмера. После этого можно внести поправку при расчете импеданса (значение станет значительно выше), что позволит провести точный расчет. Упрощенный вариант расчета дан ниже: (16) , где - напряжение симмера на лампе (В), - импенданс лампы,  - диаметр лампы (мм),  - диметр дуги симмера (мм),  - ток симмера, А. (17) . Формулы верны для режима тлеющей дуги. Точка перехода от дугового режима к тлеющему - , т. е. при заполнении менее 70% диаметра лампы дуга тлеющая. Полученное выражение напряжения симмера – приблизительное, т. к. слишком много факторов влияет на результат, например повышение давления из-за температуры внутри лампы и на катоде. Обычно напряжение на симмере немного изменяется в процессе работы, так как точка контакта дуги перемещается по поверхности катода. Особенно это заметно при малых токах симмера (около 50мА), напряжение симмера можжет изменяться в пределах 150В. Расчет напряжения на дуговой криптоновой лампе Обычно требуется определить изменение напряжения и выходной мощности лампы при изменении тока дуги. При нормальном режиме работы лампа работает в области положительного сопротивления (линейно возрастающий участок ВАХ). Расчеты приведены для данного режима: (18)  - напряжение на лампе (В); (19)  - динамический импеданс лампы (тангенс угла ВАХ), где  - напряжение на лампе при тестовых условиях (В),  - тестовый ток (А),  - ток дуги (А),  - внутренний диаметр лампы (мм). (20) - статический импеданс, указывается для номинальной мощности лампы. Для описания ВАХ дуговой лампы на линейном участке требуется знать только 2 параметра: , .Эти параметры предоставляются производителем ламп. Формулы (18), (19) ошибочны для малых уровней тока, на границе линейности ВАХ. Границы тока для ламп разного диаметра; ·  4мм внутренний диаметр – 6А; ·  5мм внутренний диаметр – 8А; ·  6мм внутренний диаметр – 10А.

Лампы Накачки. Часть 7.

Автор: Kail

17.11.2010 16:01

Приветсвуем посетителей нашего сайта. Подходит к концу цикл статей о лампах накачки. На этот раз рассматриваются наиболее актуальные вопросы для пользователя - срок службы ламп, алгоритм выбора лампы под конкретную задачу. Срок жизни импульсных ламп Не существует надежного способа предсказать срок службы лампы. При высоких энергиях накачки срок жизни лампы в основном определяется механической прочностью кварцевой колбы и деструкцией колбы из-за испарения кварца. При высоких энергиях удовлетворительную точность при оценке срока службы лампы дает выражение: (20) - число импульсов до выхода лампы из строя, где  - рабочая энергия, Дж. (21) - энергия, при которой лампы выходит из строя, Дж. (22) - константа импульса взрыва лампы, где - 1/3 длительности импульса (с),  - длина дуги (см), - внутренний диаметр лампы, (см),  - коэффициент прозрачности кварца: ·  при d<8мм; ·  при d=10-12мм; ·  при d>13мм. Пример расчета срока жизни: Импульсы % 0.58 0.44 0.33 0.26 0.197 Табл. 3. Срок жизни лампы в импульсах для режимов с высокой мощностью вспышки При малых энергиях вспышки срок жизни лампы преимущественно определяется электродными эффектами, в основном испарением материала катода. Испаренный металл осаждается на внутренней поверхности колбы, снижая прозрачность колбы, что в свою очередь приводит к увеличению потерь. Использование выражения (20) приводит к сильному преувеличению ожидаемого срока жизни ламп с малыми энергиями работы. При коэффициенте нагрузки<0.197, следует ожидать срок службы порядка импульсов. Нет способа более точной оценки, кроме экспериментальных исследований с конкретной лампой при конкретных условиях. Большие пиковые токи значительно снижает ресурс лампы. Токи плотностью более 4000  приводят к эрозии материала колбы. Для продления ресурса лампы при малых длительностях импульса накачки следует особое внимание уделять электрической схеме питания лампы. Быстро нарастающий фронт электрического импульса приводит к возникновению ударной волны, которая разрушает коблу лампы, скорость нарастания тока не должна превосходить значения 100 . Следует очень внимательно подходить к проектирования систем с короткими импульсами. Использование симмера позволяет существенно увеличить срок службы лампы в любом режиме, особенно в режиме с короткими импульсами накачки. Время жизни дуговой лампы Для дуговой лампы характерны высокие температурные нагрузки на анод и малые пиковые токи. Материал анода распыляется и осаждается на колбе, уменьшая срок жизни лампы. Для снижения эрозии катода следует проектировать схему питания лампы так, чтобы пички тока не превосходили 1-2% от рабочего значения. Также следует свести количество циклов поджига к минимуму, т. е. весьма желательно использовать симмер. Срок жизни дуговой лампы исчисляется в часах, а не в количестве импульсов. Обычно проводят статистические испытания ламп одного типа и определяют среднее значение срока службы в часах при номинальных параметрах. Как правило, дается несколько значений срока службы (для различной электрической мощности, подводимой к лампе). Выбор импульсной лампы При заданных энергии импульса, длительности импульса, длине дуги и ресурсе лампы, рассчитывается внутренний диаметр лампы, которая сможет обеспечить все предоставленные требования. (23) , (24) , (25) - внутренний диаметр лампы (мм), где - длина дуги лампы (мм). Сначала рассчитывается энергия взрыва лампы, затем считается константа импульса взрыва, вычисляется диаметр лампы, полученное значение округляется в большую сторону. Выделяемая мощность и охлаждение Для надлежащей работы лампы следует определить тип требуемого охлаждения. Для этого рассчитывается средняя выделяемая мощность и плотность мощности в материале колбы. (26) - средняя мощность (Вт). (27) - плотность мощности в материале колбы (), где - частота следования импульсов (Гц), - внутренний диаметр лампы (см), - длина дуги (см). Затем по данным приведенным выше выбирают тип охлаждения: – конвекционное воздушное, - воздушное принудительное, - водяное. Плотность мощности в материале колбы в рабочих условиях должна быть меньше предела плотности материала (для чистого кварца трубки толщиной 0.5мм - 320 Вт/см^2).

Лампы Накачки. Часть 8. Автор: Kail   11.12.2010 17:14 Итак заключительная часть руководства по лампам накачки твердотельных лазеров. На этот раз без формул, просто полезная прикладная информация о применении в режиме прямоугольных импульсов, наиболее распрастранненом в настоящее время, освещается нелинейность импданса и установка лампы в отражателе. Наибольший интерес представляет информация о стандартах "Зенит". Предприятия советского союза выпускали широкую номенклатуру дуговых и импульсных ламп, для которых была разработана единая система обозначений и стандарты. Режим прямоугольных импульсов Данный режим получил широкое распространение в промышленных лазерах. Прямоугольные импульсы напряжения продолжительностью 1-10 мс подаются на лампу с частотой до 300Гц, средняя мощность при этом может достигать многих киловатт. Каждый импульс разряжает батарею конденсаторов питания на 10%, а в промежутках между импульсами подключается схема заряда, которая восстанавливает запас энергии в конденсаторе. Рис. 23. Режим прямоугольных импульсов Нелинейность сопротивления и импеданс. При расчетах цепей питания невозможно смоделировать лампу с помощью набора параллельно и последовательно подключенных пассивных компонентов (RCL). Связано это со сложностью физических процессов внутри лампы. Как было описано выше, принцип действия импульсной или дуговой лампы описывается законами физики плазмы. В 1965 Гонч показал, что сопротивление плазмы обратно пропорционально корню квадратному от плотности протекающего тока. ВАХ описывается уравнением , это эмпирическая формула, которая демонстрирует нелинейность процессов в плазме. Однако в данном выражении есть допущение, что импеданс  является константой, в реальности это совсем не так. В отличии от металлов, атомы криптона и ксенона не имеют валентных электронов, т. е. у них отсутствует проводимость. Механизм взаимодействия электронов между электродами в плазменном газе отличается от такового в проводниках. Приведенные выше расчетные формулы достаточно точны для случая, когда в лампе образуется устойчивая дуга. Изначально импеданс имеет очень высокое значение. При достижении напряжения на лампе значения напряжения самопробоя, происходит процесс образования плазменного канала, по которому начинает течь электрический ток и импеданс стремительно падает до малого значения. Это малое значение, соответствующее линейному участку ВАХ и есть тот импеданс, который производитель указывает в спецификации к лампе. Окончание импульса разряда приводит к обратному процессу: восстановление импеданса до очень высокого значения. Таким образом, импульсы накачки циклически изменяют импеданс лампы от очень высокого до малого, рабочее значение – малое, именно оно участвует в расчетах электрических цепей питания ламп. Крепление лампы и электрических контактов Немаловажную роль в производстве качественных ламп играет правильный выбор материалов и формы контактов. Обычно для дуговых ламп используется нержавеющая сталь, а для импульсных – медь с никелевым покрытием. Форма контактов, как правило, цилиндрическая либо гибкий вывод, покрытый изолирующим материалом (ПВХ или силикон). Для цилиндрического контакта используется ответные части в виде втулки или цанги, важно обеспечить большую площадь электрического контакта, иначе может произойти локальный перегрев и лампа выйдет из строя. В отражателе лампа должна крепиться не жестко, иначе может быть нарушена герметизация лампы. Одновременно крепление лампы должно обеспечивать отсутствие течей охлаждающей жидкости, что может привести к замыканию электрической цепи и выходу из строя всего лазера и даже летальному исходу (следует использовать деионизированную воду!). Для надежного крепления ламп используют силиконовые кольца подходящего диаметра. Стандарт «Зенит» Во времена существования СССР разработкой и производством газоразрядных ламп для промышленного применения занимался завод «Зенит». На «Зените» были разработаны дуговые и импульсные лампы накачки твердотельных лазеров, которые стали стандартом де-факто на территории России и стран ближнего зарубежья. Был разработан в введен в серийное производство ряд типоразмеров прямолинейных трубчатых ламп (фольговая герметизация) с длиной дуги от 40мм до 2000-3000мм и внутренним диаметром 2-30мм. Для лазеров непрерывного излучения разработаны лампы серии ДНП (дуговые непрерывного действия постоянного тока с водяным охлаждением) с криптоновым наполнением под высоким давлением. Для импульсных режимов – лампы ИНП (импульсные для накачки твердотельных лазеров) с ксеноновым наполнением с давлением 300-600 мм рт. ст. Для этих ламп были разработаны квантроны, получившие широкое распространеннее благодаря серийному производству промышленных установок серии «Квант» и подобных: К101, К102, К104, К107, К301А, К301Б, К301В, Ц100, Ц200 – одноламповые; К201, Ц300 – двухламповые. Широкое распространение получили лампы следующих типов: ИНП-6/90, ДНП-6/90, ИНП-6/120, ДНП-6/120,  ДНП-6/60, ИНП-7/90, ИНП-7/120, ИНП-5/90, ИНП-5/60, ИНП-5/45; ИНП-5/75, ИНП-3/35, ИНП-3/45, ИНП-3/75.