强激光能源系统新型放电回路研究

从理论上分析了强激光能源系统新型放电回路能量传输效率和氙灯能量分配均匀性问题,给出了预电离回路的实验研究结果,此外还介绍了新型大尺寸氙灯爆炸能量的测试情况。     

脉冲氙灯放电过程分析与实验测定

脉冲氙灯是一种新型光源,利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程,设计了放电测试系统,实验测定了放电过程中的电压、电流和光脉冲信号。结果表明：在预电离阶段自由电子浓度较低,能量较低;气体放电阶段灯内形成电子崩,使得自由电子浓度的增大,放电电流迅速上升,电压下降;离子复合时释放出光子形成光脉冲,氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、氙气复合能级相关,而当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候,将导致充电电容反复充放电,而使电路产生振荡。对于分析脉冲氙灯放电过程,优化放电回路参数设计和脉冲氙灯的生产具有重要意义。     

模拟退火算法优化设计钕玻璃放大器氙灯抽运

氙灯提供的有效抽运能量决定了钕玻璃中反转粒子的数目。针对氙灯供能的要求,建立了氙灯放电回路与氙灯辐射数值模型。将数值模拟结果与实验结果进行了比对,提出了利用模拟退火算法求解最优抽运状态的电路参数的方法,并模拟计算不同电路参数下氙灯的工作状态。定义了两个更实用的评价参数:有效辐射效率和有效输出光谱效率,用于筛选最佳的抽运能量和进灯功率。计算结果表明,在氙灯参数与工作电压一定的条件下,通过利用模拟退火算法可以快速优化放电回路中的电容、电感参数,以选择最佳的进灯能量,避免抽运带内有效能量份额因光谱蓝移而降低,同时可保证氙灯的使用寿命。     

环形截面氙灯的放电特性与泵浦效率实验研究

针对脉冲氙灯的结构,探索了一种新型的环形截面氙灯以获得更高的泵浦效率。环形截面氙灯内嵌空气玻璃管,拥有中空的新结构,对脉冲氙灯放电特性产生了新的影响,进一步影响了泵浦效率。实验对比了传统氙灯和环形截面氙灯的放电特性、辐射以及钕玻璃的荧光输出。实验结果表明:新型的环形截面氙灯拥有较高的电阻,较低的放电电流与进灯能量,辐射效率和钕玻璃荧光输出分别提高了3%~4%和2%~3%。     

环形截面氙灯的放电特性与泵浦效率实验研究

针对脉冲氙灯的结构,探索了一种新型的环形截面氙灯以获得更高的泵浦效率。环形截面氙灯内嵌空气玻璃管,拥有中空的新结构,对脉冲氙灯放电特性产生了新的影响,进一步影响了泵浦效率。实验对比了传统氙灯和环形截面氙灯的放电特性、辐射以及钕玻璃的荧光输出。实验结果表明：新型的环形截面氙灯拥有较高的电阻,较低的放电电流与进灯能量,辐射效率和钕玻璃荧光输出分别提高了3%~4%和2%~3%。     

氪灯发光总功率和氙灯发光总能量检测设备

根据氪灯、氙灯发光的工作原理,介绍了氪灯发光总功率和氙灯发光总能量检测系统。该系统可以对氪灯发光总功率和氙灯发光总能量进行批量检验,使用户能在相关激光产品的生产和装配过程中对其进行质量控制,从而提高了激光产品的合格率,缩短了生产时间。在连续氪灯和脉冲氙灯的入厂检验中,氪灯发光总功率和氙灯发光总能量是需要检测的主要技术指标。新型氪灯、氙灯性能综合检测系统是通过采用积分球、功率计以及能量计来检测氪灯的发光总功率和氙灯的发光总能量的。设备由:积分球、功率计、能量计、氪灯和氙灯支架及冷却系统、氪灯和氙灯电源等五部分组成。     

高功率氙灯脉冲放电过程中石英管壁热损伤机理

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求,利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明:虽然氙灯运行在安全的能量负载水平,当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300MW时,氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析,证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制,采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响,尤其是在侧灯箱,灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布,因此,导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时,管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化,并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。     

高功率氙灯脉冲放电过程中石英管壁热损伤机理

基于高功率激光装置对脉冲氙灯工程运行可靠性的要求,利用现有的能源模块开展了氙灯放电考核实验。实验结果表明：虽然氙灯运行在安全的能量负载水平,当能源模块单个放电回路的峰值功率超过300 MW时,氙灯石英玻璃管壁存在热损伤风险。肉眼观察到管壁损伤后在反射器对侧的灯管内壁出现乳白色沉积层。经扫描电镜和X射线光电子能谱测试分析,证实热损伤形成的乳白色沉积物为二氧化硅。为探究管壁热损伤机制,采用高速摄影观测了氙灯放电等离子体沟道发展过程。图像显示放大器内金属反射器的几何形状对放电沟道的分布产生了显著影响,尤其是在侧灯箱,灯内电弧沟道会靠近反射器一侧集中分布,因此,导致等离子体对灯管的偏烧。当放电峰值功率超过石英热负载极限时,管壁表面二氧化硅材料会被烧蚀至蒸发、气化,并随后沉积在灯管较冷部位。研究结果表明放电回路的放电峰值功率过高、放大器内金属反射器均会对氙灯造成热损伤。     

电容损耗对脉冲氙灯放电特性的影响

研究了储能电容自身损耗对氙灯放电特性的影响,对脉冲氙灯放电回路进行了分析与改进。在实际电容自身损耗不为零的情况下,将电容等效为理想电容与损耗阻抗的串联,给出了计算氙灯放电特性的改进公式,并详细计算和分析了电容自身损耗增大情况下的氙灯放电电流和放电功率变化情况,计算结果表明：损耗增大会导致氙灯放电电流、功率峰值下降,闪光时间缩短,显著影响激光泵浦效率;电容损耗增大还会导致LC放电回路出现电容反充电现象,影响氙灯正常工作并缩短灯的寿命。实际的储能电容充放电实验证明,电容损耗增大会导致氙灯闪光的波形峰值下降、闪光时间缩短和电极溅射加剧,验证了理论分析的合理性。另外,实验证明环境因素对储能电容自身损耗的增大具有非常显著的影响。     

影响高功率脉冲氙灯寿命的因素

以美国NOVA和国家点火装置用的高功率脉冲氙灯为例,结合对神光Ⅲ装置用脉冲氙灯的分析,发现了影响脉冲氙灯失效的几个因素,包括石英灯管应力、氙灯尺寸、灯管微缺陷、电极溅射、灯头绝缘、氙气纯度、封接可靠性及周围氙灯放电。结果发现:在进灯能量相同的情况下,氙灯电极弧长越长,内径越大,寿命越高;石英灯管表面的静态拉应力、内表面的微缺陷以及周围氙灯的电离辐射使得氙灯的额外负载能量大大增加,这些是导致氙灯爆炸概率变大的直接因素。     

脉冲快放电激励S2激光器电源的研究

选择Blumlein电路作为放电电源的主电路,建立了Blumlein电路的离散化等效模型,利用该模型对电路进行仿真研究与优化设计,选取一组电路元件参数作为装调放电电路的依据,设计并制作了传输线电容与储能电容器,大大减小了电路寄生参数,提高了电路性能。实验结果表明,该放电电源的输出电压上升沿达到5.08 ns的设计指标,且工作稳定,对激光器的正常工作起了重要的作用。     

脉冲快放电激励S2激光器电源的研究

 选择Blumlein电路作为放电电源的主电路，建立了Blumlein电路的离散化等效模型，利用该模型对电路进行仿真研究与优化设计，选取一组电路元件参数作为装调放电电路的依据，设计并制作了传输线电容与储能电容器，大大减小了电路寄生参数，提高了电路性能。实验结果表明，该放电电源的输出电压上升沿达到5.08 ns的设计指标，且工作稳定，对激光器的正常工作起了重要的作用。     

基于超导储能脉冲变压器的多模块脉冲电源设计

为了探索一种更加紧凑的导轨型电磁推进基础实验用脉冲电源,以实验室现有高温超导储能脉冲变压器为单元模型,在单谐振电路脉冲成形方案的基础上,设计了环形结构的多模块脉冲电源,分析了环形结构中考虑互感的多模脉冲电源电路的充放电过程。通过对八模块环形结构脉冲电源进行仿真分析,得到了接近150kA的电流脉冲,原边电压限制13kV左右。可以得出,利用单谐振电路的多模块超导储能脉冲变压器并联放电方式,可以实现大电流脉冲的输出的要求,而且环形结构中各线圈存在的互感更有利于多模块脉冲电源。     

同轴安装避免引燃管自闪

分析了高功率固体激光能源系统新型放电回路中引燃管的自闪原因,提出引燃管同轴安装结构,利用同轴结构的负反馈作用,把放电电流控制在引燃管中央;同时利用同轴结构的电场屏蔽作用,进一步减少水银在管壁的凝结。在4×2×3片状放大器2 000发次的运行中,引燃管没有发生自闪现象。     

高功率窄脉宽半导体激光激励器设计

为了获得高功率窄脉宽半导体激光,设计了半导体激光器相应的激励单元,论述MOSFET作为高速开关的工作机理,分析基于MOSFET作为高速开关产生窄的大电流脉冲的电路模型.为了使MOSFET开关速度尽可能快,根据前述分析,提出推挽式MOSFET栅极驱动方式并设计了触发窄脉冲的发生电路.当激光二极管接入放电回路时,实验表明:激光二极管输出光的峰值功率可达67.5 W,脉宽约为20 ns.最后,简要分析了影响光脉冲宽度的因素.     

磁场电源在 HL-2M 装置初始等离子体放电中的应用

磁场电源是 HL-2M 装置初始等离子体放电的重要组成部分,它关系到 HL-2M 装置零场的建立,等 离子体的击穿和维持及位形控制。为实现初始等离子体放电所需的供电电压和电流,对磁场电源从主回路、控制、 测量和保护分别作了相应的调整。在此基础上进行了大量的工程调试,确保了磁场电源的控制和保护等性能达到 初始等离子体放电的需求。在磁场电源运行中,电源控制性能和输出参数的一致性、纹波质量等都有显著提高。 介绍了磁场电源在调试及 HL-2M 装置初始放电中的应用。     

MW级中性束注入弧电源系统优化

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术;HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性,研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模,利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能,分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证,实验结果与仿真结果一致。实验结果验证：采样频率对弧放电稳定性有很大影响,在频率可调范围内,增大采样频率,可以提高控制系统性能,优化弧放电稳定性;HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。     

激光电源脉冲功率切换电路仿真分析

激光电源脉冲功率切换电路稳定工作是电源可靠性的保证。电路参数选取直接影响晶闸管、二极管的工况,而晶闸管的良好工况是保证切换激光电源长期可靠运行的基本条件。基于PSCAD软件建立切换电路的仿真模型,重点仿真分析了阻容电路参数配置、限流电阻、并联晶闸管触发同步性对晶闸管和二极管的影响。仿真结果表明,电流上升率过大是晶闸管门极损坏的原因,关断支路中的反向过压是二极管损坏的原因。并针对实际电路,提出晶闸管二极管保护的优化配置方案。     

用于辉光放电清洗的LCC谐振变换器仿真

针对辉光放电清洗系统中气体击穿之后对电源的恒流要求,提出用LCC谐振变换器的新方案,以改进辉光放电清洗电源方案,增加电源方案储备。利用软件工具选取参数范围、辅助理解拓扑特性以及验证方案。分析了LCC传递函数中主要参数品质因数QL和串并联电容比A对电路增益以及谐振器件应力的影响,设计了合理的参数取值。根据参数取值,利用MATLAB仿真表明,电源的闭环仿真输出达到额定值,LCC拓扑能满足辉光放电清洗电源的参数要求。LCC谐振变换器的电流归一化曲线表现出良好的恒流特性,适合设计成电流源。