RU168022U1

RU168022U1 - PLASMA SOURCE OF LIGHT RADIATION

Info

Publication number: RU168022U1
Application number: RU2016123757U
Authority: RU
Inventors: Александр Геннадьевич Бедрин; Валентин Михайлович Громовенко; Иван Сергеевич Миронов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" АО "НИИ ОЭП"
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-01-17

Abstract

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам с 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.Предложен мощный и надежный плазменный источник светового излучения, способный работать как в квазинепрерывном режиме, так и в режиме формирования относительно коротких импульсов со сложной временной формой и с крутыми фронтами, обеспечивающий стабильность формирования заданных временных форм при высокой интенсивности светового излучения в течение всего времени жизни узлов формирования стабилизированного дугового газового разряда.Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, выход которого через разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного газового разряда и выходом узла инициирования газового разряда, блок управления, вход которого соединен с выходом синхронизатора, и датчик выходного сигнала, новым является то, что в него дополнительно введены выпрямитель, резистор, управляемый ключ и блок согласования, а управляемый источник питания выполнен в виде управляемого преобразователя постоянного напряжения, вход которого через дополнительный резистор, зашунтированный управляемым ключом, соединен с выходом выпрямителя, а управляющий вход с выходом блока управления, управляющий вход управляемого ключа соединен с выходомThe utility model relates to plasma technology, in particular to controlled plasma devices, 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 light technologies processing of materials. A powerful and reliable plasma light source is proposed, capable of operating both in quasi-continuous mode and in the mode of forming relatively short impulses hs with a complex temporal shape and with steep fronts, ensuring the stability of the formation of predetermined temporal forms at high light emission intensity throughout the life of the nodes of the formation of a stabilized arc gas discharge. This technical effect is achieved by the fact that in a plasma light source including a controlled power source the output of which is connected through an isolation diode to the input of the stabilized gas discharge forming unit and the output of the initiation unit a gas discharge, a control unit, the input of which is connected to the output of the synchronizer, and an output signal sensor, it is new that a rectifier, a resistor, a controlled key and a matching unit are additionally introduced into it, and the controlled power supply is made in the form of a controlled DC-DC converter, input which, through an additional resistor shunted by a controlled key, is connected to the output of the rectifier, and the control input is connected to the output of the control unit, the control input of the controlled key is connected to the output m

Description

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам с 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 controlled plasma devices, 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 light technologies 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, включая и импульсы малой длительности в несколько десятков миллисекунд с достаточно крутыми фронтами.To solve these problems, emitters with high brightness and a large luminous area are required, capable of generating light pulses with a given complex temporal shape in a wide range of durations, including short pulses of several tens of milliseconds with fairly steep fronts.

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, когда границы разряда жестко заданы внутренними стенками колбы. В открытой атмосфере формирование дугового разряда может осуществляться, например, в лотках, роль одной отсутствующей стенки в которых выполняет прижимающее плазму ко дну лотка магнитное поле, - магнитоприжатый дуговой разряд. Параллельное включение нескольких ламп, располагаемых в одной плоскости, может использоваться для увеличения излучающей поверхности лампового излучателя.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. The formation of such a discharge can be carried out, for example, in gas discharge lamps that are sufficiently long compared with the diameter of the bulb, when the boundaries of the discharge are rigidly defined by the inner walls of the bulb. In an open atmosphere, the formation of an arc discharge can be carried out, for example, in trays, the role of one missing wall in which is played by a magnetic field pressing the plasma to the bottom of the tray, a magnetically pressed arc discharge. The parallel inclusion of several lamps located in the same plane can be used to increase the radiating surface of the tube emitter.

Известен плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №2370002, МПК Н05Н 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.Known plasma light source [US Pat. RF №2370002, IPC Н05Н 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 an isolation 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.Such a device with a controlled power source, for example, a thyristor rectifier, allows you to get a bright plasma for a long time with a given time profile, a large emitting surface and with a spectrum close to the emission spectrum of a completely black body. However, such a plasma light source is not sufficiently reliable in the initial stage of discharge formation.

Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Пат. РФ №149862, МПК Н05Н 1/50, приор. 30.09.2014], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с синхронизатором, а выход через управляемый ключ и разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного дугового газового разряда, объединенным с выходом узла инициирования газового разряда, анод разделительного диода соединен с корпусом через конденсатор, второй выход блока управления соединен с первым входом схемы сравнения, выход которой соединен со вторым входом блока управления, а второй вход - с выходом датчика выходного сигнала, например, датчика тока, причем выход синхронизатора соединен с управляющим электродом управляемого ключа непосредственно, а с управляющим входом узла инициирования газового разряда через блок задержки, величина временной задержки которого определена условием, зависящим от параметров плазменного источника светового излучения.Closest to the proposed solution is a plasma light source [Pat. RF №149862, IPC Н05Н 1/50, prior. 09/30/2014], 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, and the output through the controlled key and the diode is connected to the input of the stabilized arc gas discharge forming unit, combined with the output of the initiation unit gas discharge, the anode of the diode is connected to the housing through a capacitor, the second output of the control unit is connected to the first input of the comparison circuit, the output of which is connected to the second input the control unit’s house, and the second input - with the output of the output signal sensor, for example, a current sensor, the synchronizer output being connected directly to the control electrode of the controlled key, and to the control input of the gas discharge initiation unit through the delay unit, the amount of time delay of which is determined by the condition from the parameters of the plasma light source.

Такой плазменный источник светового излучения обладает повышенной надежностью в начальной стадии формирования дугового разряда за счет оптимизации момента времени инициирования дугового разряда относительно начала переходного процесса включения тиристорного источника питания. Реализация такого источника позволяет надежно получать в течение длительного времени яркую плазму с заданным временным профилем и большой излучающей поверхностью. Однако при таком решении плазменного источника светового излучения не удается формировать относительно короткие импульсы, например, с фронтами менее 20 мс. При его реализации, за счет фильтрующих свойств конденсатора, пульсации на форме светового импульса удается несколько понизить. Но увеличение емкости конденсатора для снижения уровня пульсаций дополнительно увеличивает и без того достаточно длинные фронты генерируемых световых импульсов.Such a plasma light source has increased reliability in the initial stage of the formation of an arc discharge due to the optimization of the time of initiation of the arc discharge relative to the beginning of the transient process of turning on the thyristor power source. The implementation of such a source makes it possible to reliably obtain for a long time a bright plasma with a given time profile and a large radiating surface. However, with this solution of the plasma light source, it is not possible to generate relatively short pulses, for example, with fronts of less than 20 ms. In its implementation, due to the filtering properties of the capacitor, the ripple in the form of a light pulse can be slightly reduced. But increasing the capacitance of the capacitor to reduce the level of ripple further increases the already quite long fronts of the generated light pulses.

Нами предложен мощный и надежный плазменный источник светового излучения, способный работать как в квазинепрерывном режиме, так и в режиме формирования относительно коротких импульсов со сложной временной формой и с крутыми фронтами, обеспечивающий стабильность формирования заданных временных форм при высокой интенсивности светового излучения в течение всего времени жизни узлов формирования стабилизированного дугового газового разряда.We have proposed a powerful and reliable plasma light source that can operate both in quasi-continuous mode and in the mode of formation of relatively short pulses with a complex temporal shape and with steep fronts, which ensures the stability of the formation of predetermined time forms at high light emission intensity over the entire life time nodes of formation of a stabilized arc gas discharge.

Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, выход которого через разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного газового разряда и выходом узла инициирования газового разряда, блок управления, вход которого соединен с выходом синхронизатора, и датчик выходного сигнала, новым является то, что в него дополнительно введены выпрямитель, резистор, управляемый ключ и блок согласования, а управляемый источник питания выполнен в виде управляемого преобразователя постоянного напряжения, вход которого через дополнительный резистор, зашунтированный управляемым ключом, соединен с выходом выпрямителя, а управляющий вход с выходом блока управления, управляющий вход управляемого ключа соединен с выходом датчика выходного сигнала через блок согласования, а управляющий вход узла инициирования газового разряда соединен с выходом синхронизатора, причем датчик выходного сигнала выполнен в виде датчика тока.Such a technical effect is achieved by the fact that in a plasma light source including a controlled power source, the output of which through a diode is connected to the input of the stabilized gas discharge forming unit and the output of the gas discharge initiation unit, the control unit, the input of which is connected to the synchronizer output, and a sensor of the output signal, it is new that a rectifier, a resistor, a controlled key and a matching unit are additionally introduced into it, and a controlled power supply is made in the form of a controlled DC-voltage converter, the input of which through an additional resistor shunted by a controlled key, is connected to the output of the rectifier, and the control input is connected to the output of the control unit, the control input of the controlled key is connected to the output of the output signal sensor through the matching unit, and the control input of the gas initiation unit the discharge is connected to the output of the synchronizer, and the output signal sensor is made in the form of a current sensor.

Если необходимо получить максимальное соответствие временных форм управляющего напряжения преобразователя постоянного напряжения и светового импульса, то управляемый преобразователь постоянного напряжения выполняют с обратной связью по выходному току (см. п. 2 Формулы).If it is necessary to obtain the maximum correspondence of the temporary forms of the control voltage of the DC-DC converter and the light pulse, then the controlled DC-DC converter is performed with feedback on the output current (see Section 2 of the Formula).

Если необходимо обеспечить надежное переключение управляемого ключа, то блок согласования выполняют в виде порогового элемента (см. п. 3 Формулы).If it is necessary to ensure reliable switching of the managed key, then the matching unit is performed in the form of a threshold element (see clause 3 of the Formula).

Если необходимо получить минимальные выбросы напряжения на входе преобразователя постоянного напряжения, то пороговый элемент блока согласования выполняют с уровнем срабатывания по току, найденным из условия:If it is necessary to obtain minimum voltage spikes at the input of the DC-DC converter, then the threshold element of the matching unit is performed with the current response level found from the condition:

I_ПОР≈0,9 I_ОГР,I _POR ≈0.9 I _OGR ,

I_ПОР - ток срабатывания порогового элемента блока согласования, А;I _POR is the response current of the threshold element of the matching unit, A;

I_ОГР - ток ограничения управляемого преобразователя постоянного напряжения, А (см. п. 4 Формулы).I _OGR is the limiting current of the controlled DC-DC converter, A (see paragraph 4 of the Formula).

На чертеже представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, блок 2 управления, синхронизатор 3, узел 4 формирования стабилизированного дугового газового разряда, узел 5 инициирования газового разряда, разделительный диод 6, датчик 7 выходного сигнала, выпрямитель 8, резистор 9, управляемый ключ 10 и блок 11 согласования.The drawing shows a functional diagram of the claimed plasma light source, including a controlled power source 1, control unit 2, synchronizer 3, stabilized arc gas discharge forming unit 4, gas discharge initiating unit 5, isolation diode 6, output signal sensor 7, rectifier 8, resistor 9, controlled key 10 and block 11 matching.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Задается временная форма импульса управляющего напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и вводится в память блока 2 управления, но при этом на выходе блока 2 управления, а значит и на управляющем входе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения управляющего напряжения еще нет. Управляемый ключ 10 разомкнут из-за отсутствия выходного сигнала. На выходе выпрямителя 8 присутствует выпрямленное напряжение питающей сети, но на входе преобразователя 1 постоянного напряжения напряжение понижено до безопасного для него уровня из-за наличия резистора 9, который вместе с входным сопротивлением преобразователя 1 постоянного напряжения образует делитель напряжения. Поэтому на выходе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения присутствует напряжение холостого хода, обычно не превышающее нескольких процентов от максимального. Тока на его выходе нет, т.к. газовый разряд в узле 4 формирователя стабилизированного газового разряда пока еще не инициирован и узел 4 формирования стабилизированного газового разряда находится в непроводящем состоянии. Узел 5 инициирования газового разряда приведен в исходное состояние, но на его выходе напряжения нет из-за отсутствия на его управляющем входе запускающего импульса с выхода синхронизатора 3.The temporary pulse shape of the control voltage of the controlled DC / DC converter 1 is set and entered into the memory of the control unit 2, but at the same time, at the output of the control unit 2, and therefore also at the control input of the controlled DC / DC converter 1, there is no control voltage yet. Managed key 10 is open due to the lack of output signal. At the output of the rectifier 8 there is a rectified voltage of the supply network, but at the input of the DC / DC converter 1, the voltage is lowered to a level safe for it due to the presence of a resistor 9, which, together with the input resistance of the DC / DC converter 1, forms a voltage divider. Therefore, at the output of the controlled Converter 1 constant voltage there is an open circuit voltage, usually not exceeding a few percent of the maximum. There is no current at its output, because a gas discharge in the stabilized gas discharge generator unit 4 has not yet been initiated and the stabilized gas discharge formation unit 4 is in a non-conductive state. The gas discharge initiation unit 5 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 synchronizer 3 at its control input.

Запуск плазменного источника светового излучения осуществляется подачей запускающего импульса с выхода синхронизатора 3 одновременно на вход блока 2 управления и на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда. Блок 2 управления с приходом запускающего импульса начинает вырабатывать с учетом заданных в его памяти временной формы управляющее напряжение и подает его со своего выхода на управляющий вход управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. Тот же импульс синхронизатора 3 одновременно приходит на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда. В узле 5 инициирования газового разряда с приходом запускающего импульса включаются собственные внутренние ключи, и на его выходе появляется импульсное напряжение, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка и инициирования газового разряда в узле 4 формирования стабилизированного дугового газового разряда. Межэлектродный промежуток узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда пробивается импульсным напряжением, приложенным от узла 5 инициирования газового разряда, и в нем инициируется газовый разряд. Диод 6 предотвращает поступление энергии от узла 5 инициирования газового разряда к выходу управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. По узлу 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда начинает протекать электрический ток от узла 5 инициирования газового разряда. Этим током начинается формирование в узле 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда излучающего плазменного слоя. Таким образом, на некоторое время, пока протекает ток от узла 5 инициирования газового разряда, обеспечивается проводимость узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда.The start of the plasma light source is carried out by supplying a triggering pulse from the output of the synchronizer 3 simultaneously to the input of the control unit 2 and to the control input of the gas discharge initiation unit 5. The control unit 2 with the arrival of the triggering pulse begins to generate, taking into account the time form specified in its memory, the control voltage and feeds it from its output to the control input of the controlled DC converter 1. The same pulse of the synchronizer 3 simultaneously arrives at the control input of the gas discharge initiation unit 5. Own internal keys are switched on in the gas discharge initiation unit 5 with the arrival of the triggering pulse, and a pulsed voltage sufficient to break the interelectrode gap and initiate the gas discharge in the stabilized gas-gas arc generation unit 4 appears at its output. The interelectrode gap of the stabilizer gas discharge generator unit 4 is punctured by the pulse voltage applied from the gas discharge initiation unit 5, and a gas discharge is initiated in it. The diode 6 prevents the energy from the node 5 initiating a gas discharge to the output of the controlled Converter 1 constant voltage. An electric current starts to flow through the node 4 of the stabilized arc gas discharge former from the gas discharge initiation node 5. This current begins the formation in node 4 of the shaper of a stabilized arc gas discharge of the emitting plasma layer. Thus, for a while, while the current flows from the gas discharge initiation unit 5, the conductivity of the stabilized arc gas discharge generator unit 4 is ensured.

Вследствие возникшей проводимости узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда он теперь готов принимать ток от управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения. И поэтому, как только напряжение на разрядном промежутке от узла 5 инициирования газового разряда становится меньше напряжения на выходе управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, разделительный диод 6 открывается и ток преобразователя 1 постоянного напряжения начинает протекать по сформировавшейся плазме в межэлектродном промежутке узла 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда совместно с током узла 5 инициирования газового разряда. Благодаря своим высоким частотным свойствам, обычно десятки килогерц для современного уровня полупроводниковых приборов, управляемый преобразователь 1 постоянного напряжения еще до окончания инициирующего разряда обеспечивает на своем выходе ток, заданный управляющим напряжением. Если величина суммарного тока обоих источников превышает величину тока дугового разряда, соответствующего минимуму его вольт-амперной характеристики, то разряд надежно подхватывает ток управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и далее продолжает стабильно гореть, потребляя в конечном итоге ток только от управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, величина которого определяется заданным управляющим напряжением.Due to the conductivity of the node 4 of the shaper stabilized arc gas discharge, he is now ready to receive current from the controlled Converter 1 constant voltage. And therefore, as soon as the voltage at the discharge gap from the gas discharge initiation unit 5 becomes less than the voltage at the output of the controlled DC / DC converter 1, the isolation diode 6 opens and the current of the DC / DC converter 1 begins to flow through the formed plasma in the interelectrode gap of the stabilized gas gas generator unit 4 discharge together with the current of the gas discharge initiation unit 5. Due to its high frequency properties, usually tens of kilohertz for the current level of semiconductor devices, the controlled DC voltage converter 1 even before the end of the initiating discharge provides at its output a current specified by the control voltage. If the total current of both sources exceeds the value of the arc discharge current corresponding to the minimum of its current-voltage characteristic, then the discharge reliably picks up the current of the controlled constant voltage converter 1 and then continues to burn stably, consuming ultimately the current only from the controlled constant voltage converter 1, the value which is determined by a given control voltage.

Появление и рост тока в узле 4 формирователя стабилизированного дугового газового разряда ведет к увеличению потребления тока управляемым преобразователем 1 постоянного напряжения от выпрямителя 8. Из-за наличия резистора 9 и существования внутреннего сопротивления у выпрямителя 8 и цепей его питания входное напряжение управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения начинает понижаться. С другой стороны, с ростом тока газового разряда увеличивается и падение напряжения на межэлектродном промежутке. Таким образом, с ростом газоразрядного тока входное напряжение управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения понижается, а выходное - повышается. В конечном итоге падение напряжения на управляемом преобразователе 1 постоянного напряжения становится настолько мало, что он теряет управляющую функцию. Т.е. вне зависимости от величины управляющего напряжения дальнейший рост тока в узле 4 формирователя стабилизированного газового разряда становится невозможным. При этом выходной ток ограничивается управляемым преобразователем 1 постоянного напряжения на некотором уровне (I_ОГР), величина которого зависит от сопротивления нагрузки при протекании по ней такого тока и суммарного сопротивления цепи его питания: внутреннего сопротивления выпрямителя 8 и резистора 9. Ограничение тока газового разряда ведет к ограничению интенсивности генерируемого светового импульса.The appearance and increase in current in the node 4 of the stabilized arc gas discharge former leads to an increase in the current consumption of the DC-converter controlled by the rectifier 1 from the rectifier 8. Due to the presence of the resistor 9 and the existence of internal resistance of the rectifier 8 and its power supply circuits, the input voltage of the controlled DC-converter 1 starts to drop. On the other hand, with an increase in the gas discharge current, the voltage drop across the interelectrode gap also increases. Thus, with an increase in gas discharge current, the input voltage of the controlled DC converter 1 decreases, and the output voltage increases. Ultimately, the voltage drop on the controlled Converter 1 DC voltage becomes so small that it loses the control function. Those. regardless of the magnitude of the control voltage, a further increase in current in the node 4 of the stabilized gas discharge former becomes impossible. In this case, the output current is limited by a controlled DC converter 1 at a certain level (I _OGR ), the value of which depends on the load resistance when such a current flows through it and the total resistance of its supply circuit: the internal resistance of the rectifier 8 and resistor 9. The gas discharge current is limited to limit the intensity of the generated light pulse.

В предлагаемом техническом решении устранение режима ограничения интенсивности светового импульса осуществляется включением шунтирующего резистор 9 управляемого ключа 10, напряжением с датчика 7 выходного сигнала через блок 11 согласования. Блок 11 согласования обеспечивает согласование выходного напряжения датчика 7 выходного сигнала с требуемым уровнем сигнала управления управляемым ключом 10.In the proposed technical solution, the elimination of the mode of limiting the intensity of the light pulse is carried out by turning on the shunt resistor 9 of the controlled key 10, the voltage from the sensor 7 of the output signal through the matching unit 11. The matching unit 11 ensures that the output voltage of the sensor 7 of the output signal is matched with the required level of the control signal of the controlled key 10.

В начале формирования фронта выходного сигнала напряжение на выходе блока согласования 11 меньше напряжения, необходимого для включения управляемого ключа 10. Когда с ростом интенсивности выходного сигнала напряжение на выходе блока 11 согласования становится выше напряжения, требуемого для включения управляемого ключа 10, управляемый ключ 10 включается и своим малым сопротивлением шунтирует резистор 9. Т.е. верхнее плечо упомянутого выше делителя напряжения становится малым, что ведет к возрастанию напряжения на входе преобразователя 1 постоянного напряжения, отодвигая в область больших токов начало работы управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения в режиме ограничения тока. Такое состояние схемы будет продолжаться до тех пор, пока уровень выходного сигнала не понизится ниже требуемого управляющего напряжения управляемого ключа 10.At the beginning of the formation of the front of the output signal, the voltage at the output of the matching unit 11 is less than the voltage required to turn on the managed key 10. When the output signal of the matching unit 11 becomes higher than the voltage required to turn on the managed key 10, the managed key 10 is turned on and resistor 9 shunts with its small resistance. the upper arm of the aforementioned voltage divider becomes small, which leads to an increase in voltage at the input of the DC voltage converter 1, pushing the beginning of the operation of the controlled DC voltage converter 1 in the current limiting mode to the region of high currents. This state of the circuit will continue until the output signal level drops below the required control voltage of the controlled switch 10.

В качестве датчика 7 выходного сигнала можно было бы использовать фотодатчик, что было достаточно эффективно в устройстве-прототипе. Однако в рассматриваемом случае фотодатчик не всегда правильно отражает временную форму выходного сигнала. Так, например, при облучении различных образцов мощными световыми импульсами, как правило, в атмосферу выделяются различные дымы, испарения материалов с облучаемой поверхности и т.д., особенно при работе с открытыми разрядами, к которым относится магнитоприжатый дуговой разряд. Поэтому фотодатчики не могут обеспечить точного и своевременного переключения управляемого ключа 10. Если в качестве датчика 7 выходного сигнала использовать датчик выходного тока управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения, то вне зависимости от конструктивных изменений узла 4 формирователя стабилизированного газового разряда, появления вблизи него дымов или продуктов горения испытуемых образцов ток переключения будет оставаться всегда постоянным. Последнее гарантирует надежную, устойчивую работу плазменного источника светового излучения при любых условиях его применения.As the sensor 7 of the output signal, one could use a photosensor, which was quite effective in the prototype device. However, in the case under consideration, the photosensor does not always correctly reflect the temporal shape of the output signal. So, for example, when various samples are irradiated with powerful light pulses, as a rule, various fumes are emitted into the atmosphere, fumes of materials from the irradiated surface, etc., especially when working with open discharges, which include a magnetically pressed arc discharge. Therefore, the photosensors cannot provide accurate and timely switching of the controlled key 10. If we use the output current sensor of the controlled DC converter 1 as the sensor 7 of the output signal, then regardless of the design changes of the stabilized gas discharge former 4, the appearance of fumes or combustion products near it For test samples, the switching current will always remain constant. The latter guarantees reliable, stable operation of the plasma light source under any conditions of its use.

При переключении управляемого ключа 10 соответственно изменяется входное напряжение преобразователя 1 постоянного напряжения, обеспечивающее расширение токового диапазона. Однако расширение токового диапазона в этом случае ведет к обязательному изменению заданной временной формы генерируемого светового импульса. Для устранения влияния изменяющегося входного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения на временную форму генерируемого светового импульса управляемый преобразователь 1 постоянного напряжения может быть выполнен с обратной связью по току. Более того, наличие обратной связи по току в рассматриваемом узле устройства ведет к дополнительному повышению надежности запуска газового разряда после его инициирования из-за исходного максимально высокого выходного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения с обратной связью по току (см. п. 2 Формулы).When switching the controlled switch 10, the input voltage of the DC / DC converter 1 accordingly changes, which provides an extension of the current range. However, the expansion of the current range in this case leads to a mandatory change in the specified temporal shape of the generated light pulse. To eliminate the influence of the changing input voltage of the controlled constant voltage converter 1 on the time shape of the generated light pulse, the controlled constant voltage converter 1 can be performed with current feedback. Moreover, the presence of current feedback in the considered node of the device leads to an additional increase in the reliability of starting a gas discharge after its initiation due to the initial maximum high output voltage of the controlled DC converter 1 with current feedback (see Section 2 of the Formula).

При относительно медленной скорости нарастания выходного сигнала, особенно при наличии шумов, характерных при работе мощных плазменных установок, управляемый ключ может перейти как бы в колебательный режим работы, что неминуемо ведет к искажению временной формы генерируемого светового импульса. Для устранения этого явления блок 11 согласования выполняют в виде порогового элемента. В этом случае, при достижении заданного тока переключения управляемого ключа 10 выходной сигнал блока 7 согласования будет не относительно медленно, а скачкообразно увеличиваться до предварительно заданной, вплоть до предельной, величины. При таком выполнении блока 11 согласования, кроме того, будут понижены пульсации на форме выходного сигнала, которые, если и появляются, то только вблизи предельных значений интенсивности генерируемого светового импульса (см. п. 3 Формулы).With a relatively slow slew rate of the output signal, especially in the presence of noise characteristic of high-power plasma systems, the controlled key can go into an oscillatory mode of operation, which inevitably leads to a distortion of the temporal shape of the generated light pulse. To eliminate this phenomenon, the block 11 matching is performed in the form of a threshold element. In this case, when the specified switching current of the controlled key 10 is reached, the output signal of the matching unit 7 will not be relatively slow, but will increase stepwise to a predetermined value, up to the limit value. With this arrangement of the matching unit 11, in addition, ripples on the shape of the output signal will be reduced, which, if they appear, are only near the limit values of the intensity of the generated light pulse (see paragraph 3 of the Formula).

В моменты переключения управляемого ключа 10 скачкообразно изменяется входное напряжение преобразователя 1 постоянного напряжения. Величина скачка напряжения тем больше, чем меньше заданная величина выходного тока, при которой происходит переключение управляемого ключа 10. Казалось бы, что нужно выбирать ток переключения предельно большим. Но тогда при включении устройства относительно высокоомные нагрузки могут вообще не разогнать ток разряда до уровня переключающего тока. Для обеспечения минимальной величины скачка входного напряжения управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения при работе с относительно высокоомными газовыми разрядами, например газоразрядными лампами, пороговый элемент блока 11 согласования должен быть выполнен с уровнем срабатывания по току, найденным из соотношения:At the moments of switching the controlled switch 10, the input voltage of the DC-DC converter 1 changes abruptly. The magnitude of the voltage jump is greater, the smaller the specified value of the output current at which the controlled switch 10 is switched over. It would seem that it is necessary to choose a switching current that is extremely large. But then, when the device is turned on, relatively high-resistance loads may not even accelerate the discharge current to the level of the switching current. To ensure a minimum value of the input voltage jump of the controlled DC converter 1 when working with relatively high-resistance gas discharges, for example gas discharge lamps, the threshold element of the matching unit 11 must be performed with the current response level found from the relation:

I_ПОР≈0,9 I_ОГР, гдеI _POR ≈0.9 I _OGR , where

I_ОГР - ток ограничения управляемого преобразователя постоянного напряжения, А.I _OGR - current limitation of the controlled DC-DC converter, A.

При таком выборе уровня переключения в пороговом элементе блока 11 согласования гарантированно происходит переключение управляемого ключа 10 при минимальных выбросах входного напряжения преобразователя 1 постоянного напряжения вне зависимости от типа и характера нагрузки (см. п. 4 Формулы).With this selection of the switching level in the threshold element of the matching unit 11, the controlled switch 10 is guaranteed to switch at the minimum input voltage surge of the DC-DC converter 1, regardless of the type and nature of the load (see paragraph 4 of the Formula).

Таким образом, выполнение в плазменном источнике светового излучения управляемого источника 1 питания в виде высокочастотного управляемого преобразователя 1 постоянного напряжения и практически безынерционной дополнительной цепи коррекции его входного напряжения по внешнему сигналу обеспечило возможность формирования мощных световых импульсов малой длительности с крутыми фронтами, высокую надежность запуска газоразрядной нагрузки, а также расширенный диапазон рабочих интенсивностей световых импульсов. Дополнительный резистор 9, кроме того, ограничивает пусковой ток устройства на уровне, не превышающем рабочий ток плазменного источника светового излучения, а применение простого, относительно дешевого диодного выпрямителя 8 понижает стоимость плазменного источника.Thus, the implementation in a plasma light source of a controlled power source 1 in the form of a high-frequency controlled DC converter 1 and an almost inertia-free additional circuit for correcting its input voltage by an external signal provided the possibility of generating powerful light pulses of short duration with steep fronts, high reliability of starting a gas discharge load , as well as an extended range of operating intensities of light pulses. The additional resistor 9, in addition, limits the starting current of the device to a level not exceeding the operating current of the plasma light source, and the use of a simple, relatively cheap diode rectifier 8 reduces the cost of the plasma source.

На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. В качестве стабилизированного дугового газового разряда использовались как магнитоприжатый разряд в открытой атмосфере с площадью излучающей поверхности 16 см² (длина 8 и ширина 2 см), так и ламповая панель из 14 ксеноновых ламп типа ИНП-16/250. В качестве управляемого преобразователя постоянного напряжения использовался преобразователь ПП-ПППТ-6,5к-600-И-УХЛ4, работающий по методу ШИМ с частотой следования импульсов 12 кГц. Преобразователь мог обеспечивать в нагрузке ток до 6500 А при питающем напряжении 600 В. Управление преобразователем выполнено с использованием обратной связи по выходному току, т.е. в нормальных условиях временная форма выходного тока преобразователя полностью соответствует временной форме управляющего напряжения. Запитывался преобразователь постоянного напряжения через дополнительный резистор от выпрямителя, выполненного по схеме Ларионова из шести диодов типа Д173-5000. При входном сопротивлении преобразователя постоянного напряжения около 3,4 Ома величина дополнительного резистора, выполненного из нихромовой ленты, составила величину около 0,5 Ома. Такое соотношение указанных сопротивлений обеспечило возможность увеличения как питающего напряжения выпрямителя, так и тока ограничения преобразователя постоянного напряжения почти в 1,3 раза. Управляемый ключ был выполнен на двух IGBT модулях типа МТКИ-3500-12КН. Каждый модуль использовался со своим драйвером ДРИ22-30-12-10П1К-1. Суммарная величина фильтрующей емкости на входе преобразователя постоянного напряжения составляла около 58 мФ. Развязка для магнитоприжатого разряда осуществлялась через разделительный диод типа Д173-2000. Развязка при применении ламповой панели осуществлялась для каждой лампы - через три последовательно соединенных разделительных диода типа Д143-800. 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 ламп ламповой панели осуществлялся от вспомогательного импульсного генератора с амплитудой выходного импульса около 20 кВ. Поджиг магнитоприжатого разряда осуществлялся с использованием инициатора из алюминиевой фольги. Такая система питания с электрической мощностью до 4 МВт обеспечивала в низкоомной (50-80 мОм) газоразрядной нагрузке импульсы тока с амплитудой до 6500 А при напряжении около 600 В и длительностью до 5 секунд. Функции синхронизатора и блока управления выполнял персональный компьютер с дополнительными усилителями. В качестве датчика тока стабилизированного газового разряда использовался прибор, работающий на основе эффекта Холла, с гальванической развязкой между силовой и измерительной цепями типа НАХ 5000-S. Для согласования выходного напряжения датчика тока с требуемым управляющим напряжением драйверов транзисторных модулей управляемого ключа была разработана специальная схема блока согласования с усилительным транзистором, работающим в ключевом режиме. Это, во-первых, обеспечивало требуемый пороговый характер переключения выходного сигнала и, во-вторых, позволяло достаточно просто регулировать величину переключающего управляющие каналы тока путем изменения величины входного токоограничивающего резистора этого транзистора.A mock-up of a powerful plasma light source was made at the enterprise. As a stabilized arc gas discharge, we used both a magnetically pressed discharge in an open atmosphere with a radiating surface area of 16 cm ² (length 8 and width 2 cm) and a lamp panel of 14 xenon lamps of type INP-16/250. The PP-PPPT-6.5k-600-I-UHL4 converter, operating according to the PWM method with a pulse repetition rate of 12 kHz, was used as a controlled DC-DC converter. The converter could provide a load current of up to 6500 A at a supply voltage of 600 V. The converter was controlled using feedback on the output current, i.e. under normal conditions, the temporary form of the converter output current fully corresponds to the temporary form of the control voltage. The DC-voltage converter was fed through an additional resistor from the rectifier, made according to the Larionov circuit of six diodes of the type D173-5000. When the input resistance of the DC / DC converter is about 3.4 Ohms, the value of the additional resistor made of nichrome tape was about 0.5 Ohms. This ratio of the indicated resistances made it possible to increase both the supply voltage of the rectifier and the limiting current of the DC / DC converter by almost 1.3 times. The managed key was implemented on two IGBT modules of the MTKI-3500-12KN type. Each module was used with its driver DRI22-30-12-10P1K-1. The total value of the filtering capacity at the input of the DC / DC converter was about 58 mF. The isolation for the magnetically pressed discharge was carried out through a separation diode of the type D173-2000. Decoupling with the use of a lamp panel was carried out for each lamp - through three series-connected isolation diodes of type D143-800. 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. The lamp panel lamps were ignited from an auxiliary pulse generator with an output pulse amplitude of about 20 kV. The magnetically pressed discharge was ignited using an initiator made of aluminum foil. Such a power system with an electric power of up to 4 MW provided current pulses with an amplitude of up to 6500 A at a voltage of about 600 V and a duration of up to 5 seconds in a low-resistance (50-80 mOhm) gas-discharge load. The functions of the synchronizer and the control unit were performed by a personal computer with additional amplifiers. A device operating on the basis of the Hall effect, with galvanic isolation between the power and measuring circuits of the NAX 5000-S type, was used as a stabilized gas discharge current sensor. To match the output voltage of the current sensor with the required control voltage of the drivers of the transistor modules of the controlled key, a special circuit of the matching unit with an amplifying transistor operating in the key mode was developed. This, firstly, provided the required threshold nature of switching the output signal and, secondly, made it possible to quite simply adjust the value of the switching control current channels by changing the value of the input current-limiting resistor of this transistor.

В серии пусков, выполненных как с ламповой панелью, так и с магнитоприжатым дуговым разрядом была получена высокая надежность подхвата системой питания газоразрядной нагрузки, а также подтверждена высокая стабильность воспроизведения временной формы импульса света с достаточно крутыми фронтами. Оптимальный ток переключения управляющего ключа составил для низкоомного магнитоприжатого разряда величину около 1000 А, а для относительно высокоомной нагрузки ламповой панели (около 0.1 Ома) - 800 А. При таких настройках порогового элемента блока согласования максимальный ток в магнитоприжатом разряде достигал предельного значения, т.е. 6500 А, а в ламповой панели - 6100 А. В этих экспериментах при яркостной температуре плазмы плазменного источника светового излучения на основе магнитоприжатого разряда около 5600°К в видимой области спектра, энергетическая светимость была не хуже 700 Дж/см², а поверхностная плотность энергии излучения - на уровне 4⋅10³ Вт/см². Длительности фронтов световых импульсов, измеренные при формировании импульсов с прямоугольной временной формой, не превышали 1 мс, в то время как в устройстве-прототипе получить длительности фронтов менее 18 мс не удавалось. Скачки напряжения при переключении управляющего ключа во время формирования импульсов света практически не сказывалась на временной форме световых импульсов, что проверялось при формировании световых импульсов треугольной временной формы при различных длительностях импульсов от 40 мс до 5 секунд. Амплитудные значения интенсивностей световых импульсов не изменялись при изменении напряжения питающей сети в пределах 10%. Пульсации на форме светового импульса наблюдались, в основном, в области предельных интенсивностей светового импульса и могли достигать 7%.In a series of launches made both with a lamp panel and with a magnetically pressed arc discharge, high reliability of pickup of the gas discharge load by the power system was obtained, and high stability of reproduction of the temporal shape of the light pulse with fairly steep fronts was confirmed. The optimal switching current for the control switch was about 1000 A for a low-resistance magnetically pressed discharge, and 800 A for a relatively high-resistance lamp panel load (about 0.1 Ohm). With these settings of the threshold element of the matching unit, the maximum current in the magnetically pressed discharge reached the limit value, i.e. . 6500 A, and in the lamp panel - 6100 A. In these experiments, at the brightness temperature of the plasma plasma light source based on a magnetically pressed discharge of about 5600 ° K in the visible region of the spectrum, the energy luminosity was no worse than 700 J / cm ² and the surface energy density radiation - at the level of 4⋅10 ³ W / cm ² . The durations of the fronts of light pulses measured during the formation of pulses with a rectangular time shape did not exceed 1 ms, while in the prototype device it was not possible to obtain the durations of fronts of less than 18 ms. Voltage surges when switching the control key during the formation of light pulses had practically no effect on the temporal shape of light pulses, which was checked during the formation of light pulses of a triangular temporal shape at various pulse durations from 40 ms to 5 seconds. The amplitude values of the intensities of the light pulses did not change when the voltage of the supply network changed within 10%. Ripples on the shape of the light pulse were observed mainly in the region of limiting intensities of the light pulse and could reach 7%.

При работе системы питания без включения управляемого ключа при формировании импульса, например, при неправильной настройке блока согласования, разрядные токи ограничивались и не превышали 1300 А и 1000 А для магнитоприжатого разряда и ламповой панели соответственно, хотя фронты импульсов формировались достаточно крутыми. В таком режиме на фронте прямоугольного импульса как разрядного тока, так и света всегда наблюдался достаточно большой экспоненциально спадающий пик, что обусловлено большим начальным запасом энергии в фильтрующем конденсаторе на входе преобразователя постоянного напряжения.When the power system was operated without turning on the controlled key during pulse formation, for example, if the matching unit was incorrectly configured, the discharge currents were limited and did not exceed 1300 A and 1000 A for the magnetically pressed discharge and the lamp panel, respectively, although the pulse fronts were formed quite steep. In this mode, at the front of a rectangular pulse of both a discharge current and light, a sufficiently large exponentially decaying peak has always been observed, which is due to the large initial energy reserve in the filtering capacitor at the input of the DC-DC converter.

Таким образом, испытания макета плазменного источника светового излучения показали, что энергетические параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве, а также надежность подхвата разрядного тока и стабильность воспроизводства временной формы генерируемого импульса света от импульса к импульсу не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. А по временным динамическим параметрам показатели значительно повышены, что позволяет моделировать более расширенный набор природных и техногенных источников светового излучения, включая и очень короткие вплоть до нескольких миллисекунд по длительности.Thus, tests of the model of a plasma light source showed that the energy parameters of the generated light pulse in the proposed device, as well as the reliability of picking up the discharge current and the stability of the reproduction of the temporal shape of the generated light pulse from pulse to pulse, are no worse than the similar parameters obtained in known devices. And in terms of temporal dynamic parameters, the indicators are significantly increased, which allows us to simulate a more expanded set of natural and technogenic sources of light radiation, including very short ones up to several milliseconds in duration.

Claims

1. A plasma light source including a controlled power source, the output of which through a diode is connected to the input of the stabilized gas discharge forming unit and the output of the gas discharge initiation unit, a control unit whose input is connected to the synchronizer output, and an output signal sensor, characterized in that a rectifier, a resistor, a controlled key and a matching unit are additionally introduced into it, and a controlled power supply is made in the form of a controlled converter constantly about the voltage, the input of which through an additional resistor shunted by a controlled key, is connected to the output of the rectifier, and the control input to the output of the control unit, the control input of the controlled key is connected to the output of the output signal sensor through the matching unit, and the control input of the gas discharge initiation unit is connected to the output synchronizer, and the output signal sensor is made in the form of a current sensor.

2. The plasma light source according to claim 1, characterized in that the controllable DC-voltage converter is made with feedback on the output current.

3. The plasma light source according to claim 1, characterized in that the matching unit is made in the form of a threshold element.

4. The plasma light source according to claim 3, characterized in that the threshold element of the matching unit is made with the current response level found from the condition:

I _POR ≈0.9⋅I _OGR , where

I _POR is the response current of the threshold element of the matching unit, A;

I _OGR - current limitation of the controlled DC-DC converter, A.