RU149862U1

RU149862U1 - PLASMA SOURCE OF LIGHT RADIATION

Info

Publication number: RU149862U1
Application number: RU2014139559/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Геннадьевич Бедрин; Валентин Михайлович Громовенко; Иван Сергеевич Миронов; Светлана Валерьевна Остапенко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-01-20

Abstract

1. Плазменный источник светового излучения, включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с синхронизатором, разделительный диод, катод которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, выход которого соединен с корпусом, и узел инициирования газового разряда, выход которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, отличающийся тем, что в него дополнительно введены конденсатор, включенный между анодом разделительного диода и корпусом, схема сравнения, первый вход которой соединен со вторым выходом блока управления, а выход - со вторым входом блока управления, датчик выходного сигнала, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, и управляемый ключ, включенный между выходом управляемого источника питания и анодом разделительного диода, причем управляющий электрод дополнительного управляемого ключа соединен с выходом синхронизатора непосредственно, а управляющий вход узла инициирования газового разряда - через блок задержки, величина временной задержки τкоторого определена условиемL - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;С - емкость дополнительного конденсатора, Ф.2. Плазменный источник светового излучения по п. 1, отличающийся тем, что блок задержки выполнен с величиной временной задержкиL - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;С - емкость дополнительного конденсатора, Ф;R- сопротивление газового разряда после инициирования, Ом;- волновое сопротив1. A plasma light source including a controlled power source, the control input of which is connected to the first output of the control unit, the first input of which is connected to the synchronizer, a diode diode, the cathode of which is connected to the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, the output of which is connected to the housing, and a site for initiating a gas discharge, the output of which is connected to the input of the node for forming a stabilized arc gas discharge, characterized in that in it introduced a capacitor connected between the anode of the separation diode and the housing, a comparison circuit, the first input of which is connected to the second output of the control unit, and the output is connected to the second input of the control unit, an output signal sensor, the output of which is connected to the second input of the comparison circuit, and a controlled key, connected between the output of the controlled power source and the anode of the diode, and the control electrode of the additional controlled key is connected directly to the output of the synchronizer, and the control input of the in initiation of a gas discharge through the delay unit, the time delay value τ of which is determined by the condition L is the total output inductance of the controlled power source, GN; C is the capacity of the additional capacitor, F.2. The plasma light source according to claim 1, characterized in that the delay unit is configured with a time delay value L is the total output inductance of the controlled power source, H; C is the capacity of the additional capacitor, F; R is the gas discharge resistance after initiation, Ohm; - wave resist

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности, к устройствам с импульсной управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов, в фотохимии и в световых технологиях обработки материалов.The utility model relates to plasma technology, in particular, to devices with pulsed controlled plasma, and can be used to solve a wide range of technical problems in testing materials, devices, and equipment samples for resistance to light radiation from natural and technogenic factors, in photochemistry and in lighting technologies for processing materials.

Для решения указанных задач требуются излучатели с высокой яркостью и большой площадью свечения, способные формировать световые импульсы с заданной сложной временной формой в широком диапазоне длительностей и с различным спектральным составом излучения.To solve these problems, emitters with high brightness and a large area of luminescence, capable of generating light pulses with a given complex time shape in a wide range of durations and with different spectral composition of the radiation, are required.

В настоящее время для решения этих задач используются различные источники света. Так, для формирования секундных импульсов могут быть применены стационарно горящие дуги. Однако, яркости и площади излучающих поверхностей традиционных дуговых разрядов относительно невелики. Такие импульсные источники, как термохимические генераторы и истекающие в воздух плазменные струи, можно формировать с большими размерами излучающей поверхности. Однако они тоже обладают относительно невысокими яркостями. Обладающие высокими яркостями искровые разряды, капиллярные разряды, магнитоплазменные компрессоры, слойные импульсные разряды, ударные волны, импульсные лампы и т.д., как правило, имеют относительно небольшие излучающие поверхности и способны формировать только относительно короткие световые импульсы.Currently, various light sources are used to solve these problems. So, for the formation of second pulses, stationary burning arcs can be applied. However, the brightness and area of the radiating surfaces of traditional arc discharges are relatively small. Such pulsed sources as thermochemical generators and plasma jets flowing into the air can be formed with large dimensions of the radiating surface. However, they also have relatively low brightness. High-brightness spark discharges, capillary discharges, magnetoplasma compressors, layered pulsed discharges, shock waves, pulsed lamps, etc., as a rule, have relatively small emitting surfaces and are capable of generating only relatively short light pulses.

Наиболее перспективными плазменными источниками светового излучения, удовлетворяющими требованиям решаемой задачи, являются источники на основе сильноточного стабилизированного стенками прибора или магнитным полем дугового разряда. Формирование такого разряда может осуществляться, например, в достаточно длинных по сравнению с диаметром колбы газоразрядных лампах или в открытых с одной стороны лотках, роль отсутствующей стенки в которых выполняет прижимающее плазму ко дну лотка магнитное поле, - магнитоприжатый дуговой разряд. Для увеличения излучающей поверхности лампового излучателя возможно применение параллельного включения нескольких ламп, располагаемых в одной плоскости.The most promising plasma sources of light radiation that meet the requirements of the problem being solved are sources based on a high-current device stabilized by the walls of the device or by the magnetic field of an arc discharge. Such a discharge can be formed, for example, in gas-discharge lamps that are sufficiently long compared to the bulb diameter or in trays open on one side, in which the magnetic field presses the plasma to the bottom of the tray, the magnetically pressed arc discharge, as the missing wall. To increase the radiating surface of the tube emitter, it is possible to use parallel switching on of several lamps located in one plane.

Известен плазменный источник светового излучения [Калачников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н. и др. Исследование динамики излучения сильноточного магнитопри-жатого разряда. ТВТ. 1986. Т. 2. №5, с. 837.], включающий источник питания в виде высоковольтного емкостного накопителя, формирователь излучающей плазмы из разрядного узла и магнитной катушки, последовательно включенной в цепь питания разрядного узла, при этом разрядный узел выполнен в виде лотка из диэлектрического материала, в открытых торцах лотка расположены металлические электроды, между которыми на дне лотка размещен инициатор разряда, а магнитная катушка выполнена в виде плоских широких шин, проходящих под дном лотка и соединенных между собой и разрядным каналом так, что ток в шинах и в разрядном канале протекает в одном направлении, причем межэлектродный промежуток разрядного канала является частью витка магнитной катушки.Known plasma light source [Kalachnikov E.V., Mironov I.S., Rogovtsev P.N. et al. Investigation of the radiation dynamics of a high-current magnetically-charged discharge. TVT. 1986. T. 2. No. 5, p. 837.], including a power source in the form of a high-voltage capacitive storage device, a shaper of emitting plasma from a discharge unit and a magnetic coil, sequentially included in the supply circuit of the discharge unit, the discharge unit made in the form of a tray made of dielectric material, metal electrodes are located in the open ends of the tray between which the discharge initiator is located at the bottom of the tray, and the magnetic coil is made in the form of flat wide tires passing under the bottom of the tray and connected to each other and the discharge channel so that The current in the tires and in the discharge channel flows in one direction, and the interelectrode gap of the discharge channel is part of the coil of the magnetic coil.

Такой плазменный источник светового излучения позволяет получать излучающую импульсную плазму с достаточно большой площадью излучающей поверхности и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела, в течение практически всего времени разряда емкостного накопителя. Однако, такой плазменный импульсный источник излучения не является эффективным излучателем вне области максимума разрядного тока, когда магнитное и газовое давление в плазме сильно отличаются по величине. Вследствие этого увеличение длительности свечения такого плазменного источника света в секундную область невозможно.Such a plasma source of light radiation makes it possible to obtain an emitting pulsed plasma with a sufficiently large area of the emitting surface and with a spectrum close to the emission spectrum of a completely black body during almost the entire discharge time of a capacitive storage device. However, such a plasma pulsed radiation source is not an effective emitter outside the region of maximum discharge current, when the magnetic and gas pressures in the plasma are very different in magnitude. As a result, an increase in the duration of the glow of such a plasma light source in the second region is impossible.

Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК H05H 1/50, приор. 20.10.2008], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с синхронизатором, а выход - через разделительный диод со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, выход которого соединен с корпусом, и узел инициирования газового разряда, выход которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, а управляющий вход - с выходом синхронизатора.Closest to the proposed solution is a plasma light source [Pat. RF №2370002, IPC H05H 1/50, prior. 20.10.2008], including a controlled power source, the control input of which is connected to the output of the control unit, the input of which is connected to the synchronizer, and the output is through a diode with the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, the output of which is connected to the housing, and the gas initiation unit discharge, the output of which is connected to the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, and the control input is connected to the synchronizer output.

Такое устройство с управляемым источником питания, например, тиристорным выпрямителем, позволяет получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем, большой излучающей поверхностью и со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела. Однако, такой плазменный источник светового излучения недостаточно надежен в начальной стадии формирования разряда. В этой стадии, в начале протекания тока источника питания, разряд неустойчив и легко гаснет. На генерируемом импульсе света присутствуют значительные пульсации интенсивности, что негативно сказывается на форме моделируемого светового импульса. Попытка понизить эти пульсации увеличением величины фильтрующей индуктивности источника питания ведет к понижению вероятности включения газового разряда.Such a device with a controlled power source, for example, a thyristor rectifier, allows for a long time to obtain a bright plasma with a given time profile, a large emitting surface and with a spectrum close to the radiation spectrum of a completely black body. However, such a plasma light source is not sufficiently reliable in the initial stage of discharge formation. At this stage, at the beginning of the current flow of the power source, the discharge is unstable and easily goes out. Significant pulsations of intensity are present on the generated light pulse, which negatively affects the shape of the modeled light pulse. An attempt to reduce these pulsations by increasing the filtering inductance of the power source reduces the likelihood of a gas discharge being turned on.

Кроме того, в таком плазменном источнике светового излучения не всегда обеспечивается воспроизводимость генерируемых световых импульсов от импульса к импульсу. Так, изменения напряжения питающей силовой сети приводит к изменениям в интенсивности генерируемых световых импульсов. Узлы формирования стабилизированного дугового газового разряда со временем стареют либо из-за выгорания дна и стенок разрядного лотка при стабилизации открытого дугового разряда магнитным полем, либо из-за деградации газового состава дуговых ламп. Это ведет к изменению вольт-амперной характеристики стабилизированного дугового разряда. Т.е. даже при неизменном напряжении на выходе управляемого источника питания изменяется ток газового разряда, что ведет к изменению временной формы и, в частности, интенсивности генерируемых импульсов света.In addition, in such a plasma light source, the reproducibility of the generated light pulses from pulse to pulse is not always ensured. So, changes in the voltage of the power supply network leads to changes in the intensity of the generated light pulses. The nodes of the formation of a stabilized arc gas discharge age with time, either due to the burning of the bottom and walls of the discharge tray during stabilization of the open arc discharge by a magnetic field, or due to the degradation of the gas composition of the arc lamps. This leads to a change in the current – voltage characteristic of the stabilized arc discharge. Those. even with a constant voltage at the output of the controlled power source, the gas discharge current changes, which leads to a change in the temporal shape and, in particular, the intensity of the generated light pulses.

Нами предложен мощный и надежный плазменный источник светового излучения, способный работать как в импульсном, так и в квазинепрерывном режиме, обеспечивающий стабильность заданных временной формы и максимальной интенсивности светового излучения в течение всего времени жизни узлов формирования стабилизированного дугового газового разряда.We have proposed a powerful and reliable plasma source of light radiation, capable of operating both in pulsed and quasi-continuous modes, ensuring stability of the specified temporal shape and maximum intensity of light radiation throughout the life of the nodes of the formation of a stabilized arc gas discharge.

Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с синхронизатором, разделительный диод, катод которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, выход которого соединен с корпусом, и узел инициирования газового разряда, выход которого соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, новым является то, что в него дополнительно введены конденсатор, включенный между анодом разделительного диода и корпусом, схема сравнения, первый вход которой соединен со вторым выходом блока управления, а выход -со вторым входом блока управления, датчик выходного сигнала, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, и управляемый ключ, включенный между выходом управляемого источника питания и анодом разделительного диода, причем управляющий электрод дополнительного управляемого ключа соединен с выходом синхронизатора непосредственно, а управляющий вход узла инициирования газового разряда - через блок задержки, величина временной задержки τ_зад которого определена условием:This technical effect is achieved by the fact that in a plasma light source including a controlled power source, the control input of which is connected to the first output of the control unit, the first input of which is connected to the synchronizer, a diode, the cathode of which is connected to the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, the output of which is connected to the housing, and a gas discharge initiation unit, the output of which is connected to the input of the stabilized arc gas-time generating unit series, it is new that it is additionally introduced a capacitor connected between the anode of the separation diode and the housing, a comparison circuit, the first input of which is connected to the second output of the control unit, and the output to the second input of the control unit, the output signal sensor, the output of which is connected with the second input of the comparison circuit, and a controlled key connected between the output of the controlled power source and the anode of the diode, and the control electrode of the additional controlled key is connected to the synchronization output ora directly, and the control input of the gas discharge initiation unit through the delay unit, the time delay value τ _{ass of} which is determined by the condition:

, где

where

L - суммарная выходная индуктивность управляемого источника питания, Гн;L is the total output inductance of the controlled power source, GN;

C - емкость дополнительного конденсатора, Ф.C is the capacity of the additional capacitor, F.

Если необходимо получить форму импульса света с минимальными искажениями в момент инициирования разряда, то блок задержки выполнен с величиной временной задержки:If it is necessary to obtain the shape of a light pulse with minimal distortion at the time of initiation of the discharge, then the delay unit is made with a time delay value:

, где

where

C - емкость конденсатора, Ф;C is the capacitance of the capacitor, f;

R_N - сопротивление газового разряда после инициирования, Ом;R _N - gas discharge resistance after initiation, Ohm;

- волновое сопротивление, Ом. (см. п. 2 Формулы).

- wave impedance, Ohm. (see paragraph 2 of the Formula).

Если необходимо максимально повысить воспроизводимость временной формы импульса света, то параллельно конденсатору включен резистор, величина R_Ш которого определена условием:If it is necessary to maximize the reproducibility of the temporal shape of the light pulse, then a resistor is included in parallel with the capacitor, the value of R _W which is determined by the condition:

R_Ш>U_min/I_min, гдеR _W > U _min / I _min , where

U_min - минимальное напряжение горения газового разряда, В;U _min - the minimum burning voltage of a gas discharge, V;

I_min - минимальный ток дополнительного управляемого ключа, А. (см. п. 3 Формулы).I _min is the minimum current of the additional controlled key, A. (see paragraph 3 of the Formula).

Если необходимо обеспечить независимость генерируемой формы светового импульса от внешних условий, то датчик выходного сигнала выполнен в виде датчика тока управляемого источника питания, (см.п.4 Формулы).If it is necessary to ensure the independence of the generated form of the light pulse from external conditions, then the output signal sensor is made in the form of a current sensor of a controlled power source (see Section 4 of the Formula).

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, блок 2 управления, синхронизатор 3, разделительный диод 4, узел 5 формирования стабилизированного дугового газового разряда, узел 6 инициирования газового разряда, конденсатор 7, схема 8 сравнения, датчик 9 выходного сигнала, управляемый ключ 10, блок 11 задержки.In FIG. 1 is a functional diagram of the claimed plasma light source, including a controlled power source 1, control unit 2, synchronizer 3, isolation diode 4, stabilized arc gas discharge generation unit 5, gas discharge initiation unit 6, capacitor 7, comparison circuit 8, sensor 9 output signal, controlled key 10, block 11 delay.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Задают временную форму импульса управляющего напряжения управляемого источника 1 питания и вводят ее в память блока 2 управления. Также вводят в память блока 2 управления напряжение уставки минимального тока, обеспечивающего нормальную работу управляемого источника1 питания в области малых токов. На втором выходе блока 2 управления постоянно формируется опорное напряжение для схемы 8 сравнения, которое равняется большему напряжению из двух, введенных в память: напряжения управляющего импульса (в исходном состоянии это нулевое напряжение) и напряжения уставки минимального тока. Из-за ненулевого напряжения уставки минимального тока в исходном состоянии на втором выходе блока 2 управления присутствует некоторое управляющее напряжение, способное обеспечить протекание в нагрузке управляемого источника 1 питания минимального выходного тока, определенного величиной напряжения уставки минимального тока. Однако, поскольку управляемый ключ 10 разомкнут, то выходной ток управляемого источника питания 1 отсутствует; конденсатор 7 находится в разряженном состоянии, а на выходе датчика 9 выходного сигнала напряжение отсутствует. В таких условиях на выходе схемы 8 сравнения существует сигнал ошибки, который подается на второй вход блока 2 управления. Из-за наличия на втором входе сигнала ошибки блок 2 управления увеличивает на своем первом выходе управляющее напряжение, стремясь скомпенсировать указанную ошибку. Вследствие этого исходное выходное напряжение управляемого источника 1 питания становится максимальным. Узел 6 инициирования газового разряда приведен в исходное состояние, но на его выходе напряжения нет из-за отсутствия на его управляющем входе запускающего импульса с выхода блока 11 задержки.The temporary pulse shape of the control voltage of the controlled power source 1 is set and introduced into the memory of the control unit 2. The voltage of the minimum current setting, which ensures the normal operation of the controlled power source 1 in the low current region, is also introduced into the memory of the control unit 2. At the second output of the control unit 2, a reference voltage is constantly generated for the comparison circuit 8, which is equal to the larger voltage of the two stored in the memory: the voltage of the control pulse (in the initial state it is zero voltage) and the voltage of the minimum current setting. Due to the non-zero voltage of the minimum current setting in the initial state, a certain control voltage is present at the second output of the control unit 2, which is able to ensure that the minimum output current determined by the value of the minimum current setting voltage flows in the load of the controlled power supply 1. However, since the controlled key 10 is open, the output current of the controlled power source 1 is absent; the capacitor 7 is in a discharged state, and there is no voltage at the output of the output signal sensor 9. Under such conditions, an error signal exists at the output of the comparison circuit 8 and is supplied to the second input of the control unit 2. Due to the presence of an error at the second input of the signal, the control unit 2 increases the control voltage at its first output, trying to compensate for this error. As a result, the initial output voltage of the controlled power supply 1 becomes maximum. The gas discharge initiation unit 6 is restored to its initial state, but there is no voltage at its output due to the absence of a triggering pulse from its output of the delay unit 11 at its control input.

Для запуска плазменного источника светового излучения подают запускающие импульсы с выхода синхронизатора 3 одновременно на первый вход блока 2 управления, на управляющий электрод дополнительного управляемого ключа 10 и на вход блока 11 задержки. Блок 2 управления с приходом запускающего импульса вырабатывает с учетом заданных в памяти временной формы управляющего напряжения, напряжения уставки минимального тока и сигнала ошибки итоговое управляющее напряжение и подает его на управляющий вход управляемого источника 1 питания. Одновременно тем же импульсом синхронизатора включается управляемый ключ 10, и начинается заряд конденсатора 7. Ток заряда конденсатора ограничен суммарной выходной индуктивностью управляемого источника 1 питания. Тока в узле 5 формирования дугового газового разряда нет, поскольку разряд еще не инициирован узлом 6 инициирования газового разряда и его сопротивление очень велико. Поэтому выходной ток управляемого источника 1 питания имеет синусоидальную форму во времени. Обычно ток заряда конденсатора 7 меньше тока, заданного управляющим напряжением с первого выхода блока 2 управления. Напряжение на выходе управляемого источника 1 питания продолжает оставаться максимальным. Соответственно максимальна и скорость нарастания выходного тока.To start the plasma light source, triggering pulses are fed from the output of the synchronizer 3 simultaneously to the first input of the control unit 2, to the control electrode of an additional controlled key 10 and to the input of the delay unit 11. The control unit 2 with the arrival of the triggering pulse generates, taking into account the control voltage, the minimum current setpoint voltage and the error signal specified in the memory, the final control voltage and supplies it to the control input of the controlled power supply 1. At the same time, the controlled switch 10 is turned on by the same synchronizer pulse and the capacitor 7 starts charging. The capacitor charge current is limited by the total output inductance of the controlled power supply 1. There is no current in the node 5 for forming an arc gas discharge, since the discharge has not yet been initiated by the gas discharge initiation unit 6 and its resistance is very high. Therefore, the output current of the controlled power supply 1 has a sinusoidal shape in time. Typically, the charge current of the capacitor 7 is less than the current specified by the control voltage from the first output of the control unit 2. The voltage at the output of the controlled power supply 1 continues to be maximum. Accordingly, the maximum slew rate of the output current.

Через определяемый блоком 11 задержки промежуток времени τ_зад импульс синхронизатора 3 приходит на управляющий вход узла 6 инициирования газового разряда. Узел 6 инициирования газового разряда включается собственным внутренним ключом и на его выходе появляется импульсное напряжение, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка узла 5 формирования стабилизированного дугового газового разряда. Диод 4 предотвращает поступление энергии от узла 6 инициирования газового разряда к выходу управляемого источника 1 питания. Межэлектродный промежуток узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда пробивается напряжением, приложенным от узла 6 инициирования газового разряда. По узлу 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда начинает протекать электрический ток от узла 6 инициирования газового разряда. Этим током формируется в узле 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда излучающий плазменный слой. Таким образом, на некоторое время, пока протекает ток от узла 6 инициирования газового разряда, обеспечивается проводимость узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда.Through the delay time determined by the delay unit 11, the _back pulse of the synchronizer 3 arrives at the control input of the gas discharge initiation unit 6. The gas discharge initiation unit 6 is turned on by its own internal key and a pulsed voltage appears at its output, which is sufficient for the breakdown of the interelectrode gap of the stabilized arc gas discharge formation unit 5. The diode 4 prevents the energy from the node 6 initiating a gas discharge to the output of a controlled power source 1. The interelectrode gap of the stabilizer gas discharge generator unit 5 is punched by the voltage applied from the gas discharge initiation unit 6. At node 5 of the shaper stabilized arc gas discharge begins to flow electric current from node 6 to initiate a gas discharge. This current forms an emitting plasma layer in the node 5 of the stabilizer of the stabilized arc gas discharge. Thus, for a while, while the current flows from the gas discharge initiation unit 6, the conductivity of the stabilized arc gas discharge generator unit 5 is ensured.

Вследствие возникшей проводимости узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда он теперь готов принять ток от управляемого источника 1 питания. И поэтому, как только напряжение на разрядном промежутке от узла 6 инициирования газового разряда становится меньше напряжения на конденсаторе 7, диод 4 открывается и ток, ранее заряжавший конденсатор 7, теперь начинает течь по сформировавшейся плазме в разрядном промежутке узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда. Т.е. индуктивность управляемого источника 1 питания не только не тормозит нарастание тока в нагрузке, но наоборот предотвращает его понижение. Для обеспечения заметного начального тока в индуктивности управляемого источника 1 питания временная задержка, формируемая блоком 11 задержки, должна находиться в определенных пределах, задаваемых выражением:

. Если величина этого начального тока превышает величину тока дугового разряда, соответствующего минимуму вольт-амперной характеристики, то разряд надежно подхватывает ток управляемого источника питания 1 и далее продолжает стабильно гореть, потребляя ток только от управляемого источника 1 питания. Свечение плазмы регистрируется датчиком 9 выходного сигнала, например, фотодатчиком. На его выходе появляется сигнал, что ведет к снижению величины ошибки на выходе схемы 8 сравнения. Соответственно, блок 2 управления изменяет величину управляющего напряжения на своем первом выходе так, что выходной ток управляемого источника 1 питания начинает соответствовать заданному управляющему напряжению в блоке 2 управления. При этом выходной сигнал, регистрируемый фотодатчиком 9, становится практически совпадающим с заданным в памяти блока 2 управления. Так работа устройства продолжается далее при поддержании светимости в соответствии с заданной во времени формой импульса.Due to the conductivity of the node 5 of the shaper stabilized arc gas discharge, he is now ready to receive current from a controlled power source 1. And therefore, as soon as the voltage across the discharge gap from the gas discharge initiation unit 6 becomes less than the voltage across the capacitor 7, the diode 4 opens and the current that previously charged the capacitor 7 now starts flowing through the formed plasma in the discharge gap of the stabilized gas-gas discharge generator assembly 5. Those. the inductance of the controlled power supply 1 not only does not inhibit the increase in current in the load, but on the contrary prevents its decrease. To ensure a noticeable initial current in the inductance of the controlled power source 1, the time delay generated by the delay unit 11 must be within certain limits defined by the expression:

. If the value of this initial current exceeds the value of the arc discharge current corresponding to the minimum current-voltage characteristic, the discharge reliably picks up the current of the controlled power source 1 and then continues to burn stably, consuming current only from the controlled power source 1. The plasma glow is detected by the sensor 9 of the output signal, for example, by a photosensor. A signal appears at its output, which leads to a decrease in the error value at the output of the comparison circuit 8. Accordingly, the control unit 2 changes the magnitude of the control voltage at its first output so that the output current of the controlled power supply 1 begins to correspond to a predetermined control voltage in the control unit 2. In this case, the output signal recorded by the photosensor 9 becomes almost the same as that set in the memory of the control unit 2. So the operation of the device continues further while maintaining the luminosity in accordance with a given pulse shape in time.

Если изменяется напряжение питающей сети управляемого источника 1 питания, то это не сказывается ни на надежности поджига разряда, ни на величине интенсивности генерируемого импульса света, поскольку сразу же появляется сигнал ошибки на выходе схемы 8 сравнения и блок 2 управления тут же отрабатывает эту ошибку. Задержка прохождения сигналов по цепи обратной связи в нашем случае, когда рассматриваются секундные (квазинепрерывные) световые импульсы, не влияет на качество управления. Подходы к решению этой задачи известны. Если в процессе старения узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда несколько изменяется вольт-амперная характеристика стабилизированного дугового газового разряда, то, несмотря на то, что изменяется соотношение между током разряда и приложенным к нему напряжением в каждый момент времени, блок 2 управления поддерживает требуемую интенсивность света в соответствии с заданной в памяти временной функцией управления. Таким образом, предложенная совокупность признаков обеспечивает надежную работу плазменного источника светового излучения при высокой стабильности воспроизведения интенсивности генерируемых импульсов света с заданной временной формой.If the voltage of the supply network of the controlled power source 1 changes, this does not affect the reliability of the ignition of the discharge, nor the intensity of the generated light pulse, since an error signal immediately appears at the output of the comparison circuit 8 and the control unit 2 immediately processes this error. The delay in the passage of signals along the feedback circuit in our case, when second (quasi-continuous) light pulses are considered, does not affect the quality of control. Approaches to solving this problem are known. If the current-voltage characteristic of the stabilized arc gas discharge changes somewhat during the aging of node 5 of the stabilized arc gas discharge former, then, despite the fact that the ratio between the discharge current and the voltage applied to it changes at each moment of time, the control unit 2 maintains the required intensity light in accordance with the temporary control function set in the memory. Thus, the proposed combination of features ensures reliable operation of the plasma light source with high stability of reproduction of the intensity of the generated light pulses with a given temporal shape.

В начале формирования импульса света через межэлектродный промежуток узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда в общем случае протекают одновременно два тока: ток от управляемого источника 1 питания и ток от уже заряженного конденсатора 7. Соотношение величин этих токов зависит от величины временной задержки τ_зад. При большом токе от конденсатора 7 на временной форме импульса света может наблюдаться выброс интенсивности. Обратной связью через фотодатчик 10, схему 9 сравнения и блок 2 управления этот выброс понижается и укорачивается за счет понижения напряжения на выходе управляемого источника питания 1. В такой ситуации будет уменьшаться выходной ток, протекающий через выходную индуктивность управляемого источника 1 питания, что влечет понижение напряжения на межэлектродном промежутке узла 5 формирователя стабилизированного дугового газового разряда. А это, в свою очередь, может привести к погасанию разряда. Поэтому для улучшения временной форы генерируемого импульса света, т.е. понижения указанного выброса, и для сохранения максимальной надежности поджига газового разряда необходимо так выбирать величину τ_зад, чтобы дополнительный ток от разряда конденсатора 7 исключался или хотя бы значительно понижался. Нами было теоретически показано и экспериментально подтверждено, что оптимальная величина задержки τ_зад зависит от величины сопротивления R_N возбужденного газового разряда. При этом для минимизации тока разряда конденсатора 7 в возбужденном газовом разряде необходимо и достаточно, чтобы временная задержка соответствовала условию:

. (См. п. 2 Формулы)At the beginning of the formation of a light pulse, in the general case, two currents flow simultaneously through the interelectrode gap of the stabilizer gas discharge generator unit 5: the current from the controlled power supply 1 and the current from the already charged capacitor 7. The ratio of these currents depends on the value of the time delay τ _ass . With a large current from the capacitor 7, an outburst of intensity can be observed on the temporal shape of the light pulse. By feedback through the photosensor 10, the comparison circuit 9 and the control unit 2, this surge is reduced and shortened by lowering the voltage at the output of the controlled power source 1. In this situation, the output current flowing through the output inductance of the controlled power source 1 will decrease, which leads to a decrease in voltage on the interelectrode gap of the node 5 of the shaper stabilized arc gas discharge. And this, in turn, can lead to the extinction of the discharge. Therefore, to improve the temporal handicap of the generated light pulse, i.e. lowering the specified emission, and to maintain maximum reliability of ignition of the gas discharge, it is necessary to choose the value of τ _ass so that the additional current from the discharge of the capacitor 7 is eliminated or at least significantly reduced. We have theoretically shown and experimentally confirmed that the optimal value of the delay τ _ass depends on the resistance value R _{N of the} excited gas discharge. Moreover, to minimize the discharge current of the capacitor 7 in an excited gas discharge, it is necessary and sufficient that the time delay corresponds to the condition:

. (See paragraph 2 of the Formulas)

Воспроизводимость условий инициирования газового разряда, а следовательно, и начального участка светового импульса зависит от исходного напряжения на конденсаторе 7, т.к. именно разность напряжений на выходе управляемого источника питания 1 и на конденсаторе 7 определяет как скорость нарастания тока в выходной индуктивности управляемого источника 1 питания, так и его максимальную величину. А поскольку на конденсаторе 7 по окончании формирования очередного светового импульса остается напряжение, близкое к минимальному напряжению вольт-амперной характеристики газового разряда, то это напряжение между импульсами необходимо снимать. Т.е. для достижения максимальной воспроизводимости временной формы светового импульса конденсатор 7 целесообразно зашунтировать резистором, причем величина этого резистора R_Шдолжна соответствовать условию: R_Ш>U_min/I_min, где U_min - минимальное напряжение горения газового разряда, а I_min - минимальный ток дополнительного управляемого ключа 11. (см. п. 3 Формулы).The reproducibility of the conditions for initiating a gas discharge, and hence the initial portion of the light pulse, depends on the initial voltage on the capacitor 7, because it is the voltage difference at the output of the controlled power source 1 and on the capacitor 7 that determines both the current rise rate in the output inductance of the controlled power source 1 and its maximum value. And since a voltage close to the minimum voltage of the current-voltage characteristic of the gas discharge remains on the capacitor 7 at the end of the formation of the next light pulse, this voltage between the pulses must be removed. Those. to achieve maximum reproducibility of the temporal shape of the light pulse, it is advisable to shunt the capacitor 7 with a resistor, and the value of this resistor R _Ш should correspond to the condition: R _Ш > U _min / I _min , where U _min is the minimum burning voltage of the gas discharge, and I _min is the minimum additional current managed key 11. (see p. 3 of the Formula).

Использование в качестве датчика выходного сигнала 9 фотодатчика в некоторых случаях малоэффективно. Так, например, при облучении различных образцов мощными и длинными по времени световыми импульсами, как правило, в атмосферу выделяются различные дымы, испарения материалов с облучаемой поверхности и т.д. Вследствие этого, расположенные в области образцов фотодатчики могут неверно отображать интенсивность излучателя, что приводит к значительным отличиям временной формы генерируемого излучения от заданной. С другой стороны, у стабилизированных дуговых газовых разрядов в рабочей области вольт-амперная характеристика слабо возрастает. Так для магнитоприжатого разряда с размерами 2 см на 8 см при изменении тока от минимального 2000 А до максимального 6000 А напряжение изменяется приблизительно от 250 В до 300 В. Т.е при изменении тока в 3 раза напряжение на разряде меняется на величину не превышающую 18%. В таких условиях можно ожидать, что временная форма светового импульса будет с высокой точностью совпадать с временной форме импульса тока газового разряда. Поэтому выполнение датчика выходного сигнала 9 в виде датчика тока управляемого источника 1 питания позволяет при проведении испытаний полностью исключить все побочные явления, имеющие место при использовании фотодатчика. (См. п. 4 Формулы)Using as a sensor the output signal 9 of the photosensor in some cases is ineffective. So, for example, when various samples are irradiated with powerful and long-term light pulses, as a rule, various fumes, material vapors from the irradiated surface, etc. are emitted into the atmosphere. As a result, the photosensors located in the sample region may incorrectly display the emitter intensity, which leads to significant differences in the temporal shape of the generated radiation from the set one. On the other hand, in stabilized arc gas discharges in the working region, the current – voltage characteristic increases slightly. So for a magnetically pressed discharge with dimensions of 2 cm by 8 cm, when the current changes from a minimum of 2000 A to a maximum of 6000 A, the voltage changes from about 250 V to 300 V. That is, when the current is changed 3 times, the voltage at the discharge changes by an amount not exceeding 18 % Under such conditions, it can be expected that the temporal shape of the light pulse will coincide with high accuracy with the temporal shape of the pulse of the gas discharge current. Therefore, the execution of the sensor of the output signal 9 in the form of a current sensor of a controlled power source 1 allows during testing to completely eliminate all side effects that occur when using the photosensor. (See paragraph 4 of the Formulas)

На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. В качестве стабилизированного дугового газового разряда мог использоваться как магнитоприжатый разряд в открытой атмосфере с площадью излучающей поверхности 16 см (длина 8 и ширина 2 см), так и панель из 14 ксеноновых ламп типа ИНП-16/530. Питание стабилизированного дугового газового разряда осуществлялось от управляемого источника питания, выполненного на основе промышленного шестипульсного тиристорного выпрямителя КТЭУ-4000 с выходным фильтрующим индуктивным реактором типа СРОСз, индуктивность которого составляла величину около 0,5 мГн. Управляемый ключ выполнен на тиристоре Т173-5000 с максимальным током при нормальных условиях около 6000 А. Развязка для магнитоприжатого разряда осуществлялась через диод типа Д173-2000, а для каждой лампы - через три последовательно соединенных диода типа Д143-800. При работе с лампами все аноды развязывающих диодов объединялись. Конденсатор, включенный между анодом развязывающего диода и корпусом, имел емкость около 25 мФ и был зашунтирован сопротивлением около 500 Ом. В качестве узла инициирования газового разряда был выбран заряженный до напряжения около 2000 В конденсатор К75-100 с емкостью 100 мкФ и рабочим напряжением 3000 В. Этот конденсатор присоединялся к узлу магнитоприжатого разряда через игнитрон ИРТ-6. При использовании ламповой панели такой конденсатор присоединялся через дополнительную ограничивающую ток цепь непосредственно к электроду каждой ксеноновой лампы. Поджиг ксеноновых ламп осуществлялся от вспомогательного импульсного генератора с амплитудой выходного импульса около 20 кВ; поджиг магнитоприжатого разряда осуществлялся с использованием инициатора из алюминиевой фольги. Такой управляемый источник питания с электрической мощностью около 3 МВт позволял получать в низкоомной (50 - 80 мОм) газоразрядной нагрузке импульсы тока с амплитудой до 6000 А при напряжении до 600 В и длительностью в несколько секунд. Минимальные напряжения на таких газоразрядных нагрузках составляли величины около 180 и 250 В при токах около 1500 и 2000 А для комплеса ксеноновых ламп и магнитоприжатого разряда соответственно. При меньших напряжениях разряд не существовал. Функции синхронизатора, блоков управления и задержки и схемы сравнения выполнял персональный компьютер с дополнительными усилителями. Время задержки варьировалось в пределах 2-7 мс. Задержки оптимизировались в зависимости от начального сопротивления формируемого разряда.A mock-up of a powerful plasma light source was made at the enterprise. A magnetically pressed discharge in an open atmosphere with a radiating surface area of 16 cm (length 8 and width 2 cm) and a panel of 14 xenon lamps of the INP-16/530 type could be used as a stabilized arc gas discharge. The stabilized arc gas discharge was supplied from a controlled power source based on the KTEU-4000 industrial six-pulse thyristor rectifier with an output filtering inductive reactor SROSz, the inductance of which was about 0.5 mH. The controlled key was made on a T173-5000 thyristor with a maximum current under normal conditions of about 6000 A. The isolation for the magnetically pressed discharge was carried out through a diode of type D173-2000, and for each lamp through three series-connected diodes of type D143-800. When working with lamps, all anodes of decoupling diodes were combined. The capacitor connected between the anode of the decoupling diode and the housing had a capacitance of about 25 mF and was shunted with a resistance of about 500 ohms. A K75-100 capacitor charged to a voltage of about 2000 V with a capacity of 100 μF and an operating voltage of 3000 V was selected as the site for initiating a gas discharge. This capacitor was connected to the magnetically pressed discharge unit via an IRT-6 ignitron. When using a lamp panel, such a capacitor was connected via an additional current-limiting circuit directly to the electrode of each xenon lamp. Xenon lamps were fired from an auxiliary pulse generator with an output pulse amplitude of about 20 kV; Magnetically pressed discharge was ignited using an initiator made of aluminum foil. Such a controlled power supply with an electric power of about 3 MW made it possible to obtain current pulses with an amplitude of up to 6000 A at a voltage of up to 600 V and a duration of several seconds in a low-resistance (50 - 80 mOhm) gas-discharge load. The minimum voltages at such gas discharge loads were about 180 and 250 V at currents of about 1500 and 2000 A for the xenon lamp complex and magnetically pressed discharge, respectively. At lower voltages, the discharge did not exist. The functions of the synchronizer, control and delay units, and the comparison circuit were performed by a personal computer with additional amplifiers. The delay time varied within 2-7 ms. The delays were optimized depending on the initial resistance of the generated discharge.

В серии пусков, выполненных в разные дни для проверки зависимости формы генерируемого импульса света от изменения сетевого питающего напряжения как с ламповой панелью, так и с магнитоприжатым разрядом была подтверждена высокая стабильность воспроизведения временной формы импульса света. Так, при яркостной температуре плазмы плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого разряда 5500°К в видимой области спектра, энергетическая светимость достигала 700 Дж/см², а поверхностная плотность энергии излучения составляла величину на уровне 4-10³Вт/см². Диапазон изменения питающего напряжения составлял величину около 12%. В устройстве - прототипе при аналогичных условиях при использовании ламповой панели изменения амплитуды формируемых импульсов превышали 18%. Можно отметить, что при испытании магнитоприжатого разряда в устройстве - прототипе часто наблюдались случаи аварийного отключения управляемого источника питания из-за сильного увеличения разрядного тока при обычном увеличении напряжения питающей сети. Интенсивность светового импульса при использовании магнитоприжатого разряда оставалась неизменной даже при более чем полуторакратном изменении его ширины из-за выгорании его боковых стенок.In a series of launches made on different days to check the dependence of the shape of the generated light pulse on changes in the mains supply voltage with both the lamp panel and the magnetically pressed discharge, the high stability of reproduction of the temporal shape of the light pulse was confirmed. So, at the brightness temperature of the plasma plasma source of light radiation based on a magnetically pressed discharge of 5500 ° K in the visible region of the spectrum, the energy luminosity reached 700 J / cm ² and the surface radiation energy density was 4-10 ³ W / cm ² . The range of variation of the supply voltage was about 12%. In a prototype device under similar conditions when using a lamp panel, the changes in the amplitude of the generated pulses exceeded 18%. It can be noted that when testing a magnetically pressed discharge in a prototype device, cases of emergency shutdown of a controlled power source were often observed due to a strong increase in discharge current with a usual increase in the supply voltage. The intensity of the light pulse when using a magnetically pressed discharge remained unchanged even with more than a half-fold change in its width due to the burning out of its side walls.

Таким образом, работа макета плазменного источника светового излучения показала, что как энергетические, так и временные параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. А по таким параметрам, как стабильность воспроизводства формы генерируемого импульса света от импульса к импульсу по сравнению с известными устройствами показатели значительно повышены. При этом одновременно было получено увеличение времени работоспособности узлов формирования стабилизированных дуговых газовых разрядов за счет возможности их использования даже при измененных геометрических параметрах. Применение датчика тока управляемого источника питания вместо фотодатчика в условиях стабилизации временных параметров излучения позволило значительно ускорить выполнение работ по производству испытаний различных образцов и, в результате, понизить их стоимость.Thus, the operation of the prototype of a plasma light source showed that both the energy and time parameters of the generated light pulse in the proposed device are no worse than similar parameters obtained in known devices. And in such parameters as the stability of reproduction of the shape of the generated light pulse from pulse to pulse, compared with the known devices, the indicators are significantly increased. At the same time, an increase in the operating time of the nodes for the formation of stabilized arc gas discharges was obtained due to the possibility of their use even with changed geometric parameters. The use of a current sensor of a controlled power source instead of a photosensor under conditions of stabilization of the temporal parameters of radiation made it possible to significantly accelerate the performance of work on testing various samples and, as a result, lower their cost.

Claims

1. Plasma light source, including a controlled power source, the control input of which is connected to the first output of the control unit, the first input of which is connected to the synchronizer, a diode, the cathode of which is connected to the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, the output of which is connected to the housing, and a site for initiating a gas discharge, the output of which is connected to the input of the node for forming a stabilized arc gas discharge, characterized in that in it introduced a capacitor connected between the anode of the separation diode and the housing, a comparison circuit, the first input of which is connected to the second output of the control unit, and the output is connected to the second input of the control unit, an output signal sensor, the output of which is connected to the second input of the comparison circuit, and a controlled key, connected between the output of the controlled power source and the anode of the diode, and the control electrode of the additional controlled key is connected directly to the output of the synchronizer, and the control input of the in itsiirovaniya gas discharge - via the delay unit, the value of time delay τ which is determined _butt condition

L is the total output inductance of the controlled power source, GN;

C is the capacity of the additional capacitor, F.

2. The plasma light source according to claim 1, characterized in that the delay unit is made with a time delay value

L is the total output inductance of the controlled power source, GN;

C is the capacity of the additional capacitor, f;

R _N - gas discharge resistance after initiation, Ohm;

- wave impedance, Ohm.

3. The plasma light source according to claim 1, characterized in that a resistor is included in parallel with the capacitor, the value of R _W which is determined by the condition

R _W > U _min / I _min , where

U _min - the minimum burning voltage of a gas discharge, V;

I _min - the minimum current of the additional managed key, A.

4. The plasma light source according to claim 1, characterized in that the output signal sensor is made in the form of a current sensor of a controlled power source.