Газоразрядный импульсный источник оптического излучения

Полезная модель относится к области светотехники и импульсной техники и может быть использована как в качестве источника оптического излучения микросекундной длительности, так и в качестве генератора однополярных импульсов, работающего на низкоомную нагрузку. Техническим результатом полезной модели является увеличение пиковой мощности импульсов излучения, уменьшение пульсации и сокращение длительности импульса излучения (на полувысоте) газоразрядного импульсного источника оптического излучения микросекундной длительности. Для достижения технического результата параллельно импульсной газоразрядной лампе и части индуктивности разрядного контура LС-генсраторп, возбуждающего лампу, подключен сильноточный высоковольтный диод.

Полезная модель относится к области светотехники и импульсной техники и может быть использована при разработке источника оптического излучения микросекундной длительности и при разработке генератора однополярных импульсов, работающего на низкоомную нагрузку.

Известен газоразрядный импульсный источник оптического излучения с длительностью несколько микросекунд на полувысоте (импульсная шаровая лампа), возбуждаемый от традиционного LC-генератора, содержащий импульсную газоразрядную лампу, накопительную емкость, индуктивность и коммутатор (он может быть совмещен с лампой) [1]. При возбуждении лампы от LC-генератора и напряжениях больше нескольких киловольт режим разряда становится колебательным, и появляется неизбежная пульсация мощности возбуждения (мощности, выделяемой в разряде). При уменьшении мощности возбуждения до нуля плазма разряда охлаждается. Это, в свою очередь, приводит к пульсациям мощности излучения. При этом с увеличением напряжения зарядки накопительной емкости (U₀) максимальная мощность излучения достигается уже не в первом, а во втором, затем в третьем пике импульса излучения.

Однако в ряде случаев пульсация мощности излучения нежелательна (например, при создании фотопроводимости в кристаллах [2,3] с целью коммутации высокого напряжения [4]) и может рассматриваться как недостаток источника излучения. Кроме того, перераспределение мощности излучения в пиках при увеличении Uo ограничивает увеличение максимальной мощности излучения лампы, которое может быть получено для генератора возбуждения.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является устройство импульсной газоразрядной лампы для электроскопического тонера [5], (длительность излучения лампы значительно больше, чем несколько микросекунд). Данное устройство, взятое нами за прототип, содержит импульсную газоразрядную лампу, накопительную емкость, индуктивность, коммутатор и диоды, шунтирующие накопительные емкости при изменении на них полярности напряжения на противоположную. При этом индуктивность разрядного контура существенно превышает собственную индуктивность накопительного конденсатора. За счет использования значительной индуктивности увеличивается длительность и уменьшается ток разряда, а, следовательно, и пиковая мощность излучения импульсной лампы, что увеличивает долговечность лампы.

Однако, если речь идет об увеличении мощности излучения, то уменьшение пиковой мощности и увеличение длительности излучения за счет использования большой индуктивности можно отнести к недостаткам подобного устройства.

Техническим результатом полезной модели является увеличение пиковой мощности импульсов излучения, уменьшение пульсации и сокращение длительности импульса излучения (на полувысоте) газоразрядного импульсного источника оптического излучения микросекундной длительности (0.5-10 мкс на полувысоте).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем соединенные последовательно импульсную газоразрядную лампу, коммутатор, накопительную емкость (С₀) и индуктивность разрядного контура (L₀), а также диод, соединенный параллельно с лампой и частью индуктивности контура, согласно полезной модели, используемый диод является сильноточным высоковольтным, при этом величина части индуктивности (L) выбирается из соотношения где

I_mFL - максимальное значение тока через импульсную лампу, I_mC - максимальное значение тока разрядки накопительной емкости за интервал времени t₀/4<t<Т₀/4+t ₁/2,

R_D - среднее сопротивление диода за интервал времени Т₀/4<t<Т ₀/4+t₁/2, R_FL - среднее сопротивление газоразрядной лампы за интервал времени Т₀/4<t<T₀/4+T ₁/2.

Кроме того, вместо одного диода можно использовать несколько параллельно соединенных диодов. Количество и номинал диодов выбирается таким, чтобы они выдерживали импульсное обратное напряжение, равное напряжению пробоя газоразрядной лампы и могли пропустить ток величиной I_mC. Допускается использование параллельно-последовательных сборок диодов.

Значения емкости и индуктивности контура уменьшаются до значений, необходимых для генерации импульса излучения микросекундной длительности (0.5-10 мкс на полувысоте), напряжение зарядки накопительной емкости составляет единицы -десятки киловольт, а сильноточный высоковольтный диод или сборка из нескольких диодов ставится параллельно части индуктивности контура и лампе, причем индуктивность подключения и собственная индуктивность диода много меньше величины этой части индуктивности.

Кроме того, для получения указанного эффекта должно выполняться условие где С₀ - накопительная емкость, a L₀ - полная индуктивность разрядного контура.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема газоразрядного импульсного источника оптического излучения.

Нa фиг.2 показаны осциллограммы токи и импульса излучения газоразрядного источника (a, b) и газоразрядной лампы, возбуждаемой от LC-генераторa (с, d) для зарядного напряжения U ₀=9.5 кВ (а, с) и U₀=24 кВ (b, d).

Газоразрядный импульсный источник оптического излучения содержит коммутатор 1, накопительную емкость 2, индуктивности 3 и 4, газоразрядную импульсную лампу 5, сильноточные диоды 6 и зарядное сопротивление 7.

Газоразрядный импульсный источник оптического излучения работает следующим образом. При срабатывании коммутатора 1 накопительная емкость 2 начинает разряжаться через импульсную лампу 5 и индуктивности 3 и 4. В процессе разрядки накопительной емкости 2 при изменении полярности напряжения на диодах с обратной на прямую диоды 6 через лампу 1 шунтируют индуктивность 4, и она начинает отдавать запасенную к этому моменту времени энергию, разряжаясь по вновь образованному контуру «индуктивность 4 - диоды 6 - импульсная лампа 5». В момент изменения полярности напряжения на диодах величина тока достигает значения, близкого к максимальному, т.к. активное сопротивление контура «коммутатор 1 - накопительная емкость 2 - индуктивности 3 и 4 - импульсная лампа 5» уже много меньше его волнового сопротивления. Ток разрядки индуктивности 4 в контуре «индуктивность 4 - диоды 6 - импульсная лампа 5» уменьшается по экспоненциальному закону I_FL (t)˜I₀exp(-t(R_D+R_FL)/L), где I₀ - максимальное значение тока через импульсную лампу, L - величина индуктивности 4, R _D - сопротивление диодов при протекании по ним тока в прямом направлении, R_FL - сопротивление импульсной лампы, t - время. В то же время ток разрядки накопительной емкости через сборку «диоды 6 - импульсная лампа 5 - индуктивность 4» представляет собой затухающие колебания.

Увеличение мощности излучения импульсной лампы (по сравнению с традиционным LC-генератором) объясняется уменьшением пульсаций мощности возбуждения. При использовании в электрической схеме сильноточных диодов ток протекает через лампу в одном направлении, и сглаживается пульсация вводимой в разряд мощности, средняя температура плазмы разряда повышается. Это приводит к увеличению пиковой мощности излучения до 35%, уменьшению пульсации и сокращению длительности импульса излучения на полувысоте.

1. Импульсные источники света /Под ред. И.С. Маршака. М.: Энергия, 1978. 472 с.

2. Krishnan M., Lipatov E.I., Parks D. et al. //Proc. SPIE. 2004. v.5483. p.230.

3. Pan L.S., Han S., Kania D.R. et al. //Journal of Applied Physics. 1993. v.74, No 2. р.1086.

4. Schein J., Campbell K.M., Prasad R.R., Binder R., Krishnan M. //Review of scientific instruments. 2002. v.73, №1. p.18.

5. Патент США №3465203, кл. G 3 g 13/20, 1966.

1. Газоразрядный импульсный источник оптического излучения микросекундной длительности (0.5÷ 10 мкс на полувысоте), содержащий соединенные последовательно газоразрядную лампу, коммутатор, накопительную емкость (С₀) и индуктивность разрядного контура (L₀), а также диод, соединенный параллельно с лампой и частью индуктивности контура, отличающийся тем, что диод является сильноточным высоковольтным, при этом величина части индуктивности (L) выбирается из соотношения

где Т₀ = 2· · (L₀·С₀)^0.5;

Т₁ = 2· · [(L₀-L)· С ₀]^0.5;

I_mFL – максимальное значение тока через импульсную лампу;

I_mC – максимальное значение тока разрядки накопительной емкости за интервал времени Т₀ /4<t<Т₀/4 + Т₁ /2;

R_D – среднее сопротивление диода за интервал времени Т₀/4<t<Т ₀/4 + Т₁/2;

R _FL – среднее сопротивление газоразрядной лампы за интервал времени Т₀/4<t<Т₀ /4 + Т₁/2.

2. Газоразрядный импульсный источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что используется несколько параллельно соединенных диодов.