Способ питания электрического газового разряда
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании, например, лазеров, плазмохимических реакторов и т.п. Технический результат - повышение эффективности газоразрядного процесса. Для достижения данного результата создают в области газового разряда близкие к прямоугольным импульсы электрического поля оптимальной напряженности, длительности и частоты повторения. При этом применяют в качестве источника питания генератор импульсов напряжения, выходное напряжение которого не выходит за пределы заданной области значений при изменении величины нагрузки в заданном диапазоне значений. Устанавливают оптимальные параметры импульсов напряжения на первичных обмотках трансформаторов без необходимости последовательного соединения быстродействующих полностью управляемых ключей. 4 ил.
Изобретение относится к газоразрядным приборам и может быть использовано при создании, например, лазеров, плазмохимических реакторов.
Эффективность проводимого газоразрядного процесса сильно зависят от напряженности электрического поля в области газового разряда [1], или, то же самое для электродных устройств, от величины напряжения, приложенного к газоразрядному промежутку. Поэтому наилучшей формой питания с точки зрения достижения максимальной эффективности газоразрядного процесса является питание газового разряда прямоугольными импульсами электрического поля оптимальной напряженности.
Для некоторых случаев, например, в газоразрядных лазерах на парах металлов [2, 3], оптимальное электрическое поле в области газового разряда имеет настолько высокую напряженность, примерно 10 кВ/м, вызывающую соответствующие рост ионизации во время действия импульса питания в несколько десятков нс и, следовательно, проводимости и электрического тока, что начинают играть роль конструкционная индуктивность рассеяния токоведущих частей установки и выходное дифференциальное сопротивления источника питания: на газоразрядном промежутке значительно снижается напряжение вследствие соответствующего увеличения падения напряжения на указанных индуктивности рассеяния и сопротивлении источника питания. Возникает проблема удержания на требуемом уровне напряженности электрического поля в области газового разряда. Применение высокого напряжения питания в десятки кВ [2, 3] требует применения высоковольтной изоляции и соответствующих размеров установки, что дает повышенную конструкционную индуктивность рассеяния токоведущих частей установки. Отсутствие высоковольтных быстродействующих полностью управляемых ключей приводит к повышенному выходному дифференциальному сопротивлению источника питания.
Уход от высоковольтной аппаратуры возможен при использовании индукционного типа разряда, который используется для создания безэлектродных ламп [4-8]. Поэтому далее речь пойдет об индукционном типе разряда, при котором в качестве возбуждающих трансформаторов применены трансформаторы с замкнутыми магнитопроводами, охватывающими указанную газоразрядную трубку, являющуюся вторичным витком указанных трансформаторов возбуждения.
Таким образом, для примера необходимо решить задачу создания в области газового разряда прямоугольных импульсов электрического поля с параметрами из работ [2, 3].
Известен способ питания газового разряда, выбранный в качестве аналога, реализованный в устройстве - осветительной индукционной безэлектродной лампе [4], содержащей газоразрядную замкнутую трубку, являющуюся вторичной обмоткой одного трансформатора возбуждения с замкнутым магнитопроводом. Недостатком является невозможность решения вышеуказанной задачи вследствие значительной индуктивности рассеяния токоведущих частей конструкции и отсутствия специальных требований к источнику питания. Покажем это.
Оценим противоЭДС индукции, уменьшающую напряженность поля в области газового разряда газоразрядной кольцевой трубки внутренним диаметром d=20 мм и диаметром кольца D=300 мм, то есть для характерных параметров [2, 3].
Исходим из того, что большая часть периметра газоразрядной трубки открыта для выхода света, то есть не охвачена трансформаторами возбуждения. Тогда индуктивность газоразрядной трубки будет примерно равна [9]:
LK.≈0.2(μ0πD2/4d)≈900 нГн.
Примем величину тока в конце импульса I=300 А и требуемую длительность импульса tИМП=50 нс [2, 3]. Тогда при нарастании тока до указанной величины за время ˜tИМП возникает противоЭДС индукции, уменьшающая напряженность поля в области газового разряда на:
(LKI)/(tИМПπD)≈5 кВ/м.
Видно, что полученное значение близко к оптимальным значениям напряженности поля ≈10 кВ/м [2, 3], что недопустимо.
Известен способ питания газового разряда, выбранный в качестве прототипа, реализованный посредством устройства - осветительной индукционной безэлектродной лампы [5], содержащей газоразрядную замкнутую трубку, являющуюся вторичной обмоткой четырех трансформаторов возбуждения с замкнутым магнитопроводом. Преимуществом по сравнению с аналогом является снижение напряжения питания первичных обмоток трансформаторов возбуждения, что достигается увеличением числа трансформаторов возбуждения до четырех. Недостатком является невозможность решения вышеуказанной задачи по тем же причинам, что и для аналога.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности проведения газоразрядного процесса.
Технический результат по предлагаемому способу достигается тем, что создают в области газового разряда близкие к прямоугольным импульсы электрического поля оптимальных напряженности, длительности и частоты повторения с помощью необходимой для достижения результата выборки из следующих технических решений:
- применения в качестве источника питания генератора импульсов напряжения, то есть генератора, выходное напряжение которого не выходит за пределы заданной области значений при изменении величины нагрузки в заданном диапазоне значений;
- выбора такого напряжения на первичных обмотках трансформаторов возбуждения и, соответственно, количества трансформаторов возбуждения, чтобы не требовалось применение высоковольтной изоляции, в выходных каскадах источника питания было возможно применение без последовательного соединения существующих быстродействующих полностью управляемых ключей;
- максимально возможного снижения индуктивности рассеяния всего тракта передачи энергии от источника питания до области газового разряда путем:
1) максимально возможных полного охвата газоразрядной трубки трансформаторами возбуждения и минимизации индуктивности рассеяния неохваченных по конструктивным соображениям участков,
2) максимально возможной минимизации толщины зазора между трансформаторами возбуждения и газоразрядной трубкой,
3) максимально возможно полного охвата поверхности магнитопровода каждого трансформатора возбуждения соответствующей первичной обмоткой с минимально возможной толщиной зазора,
4) выполнения тракта подвода энергии от каждой секции источника питания к первичной обмотке соответствующего трансформатора возбуждения низкоиндуктивными линиями, места подключения которых к упомянутой первичной обмотке распределены равномерно по периметру указанного трансформатора возбуждения,
5) выполнения выходной части каждой секции источника питания синхронно работающими каскадами, пространственно распределенными равномерно по внешнему периметру соответствующего трансформатора возбуждения, с минимально возможным расстоянием до указанного трансформатора возбуждения,
6) для электродного варианта замыкания тока разряда максимально возможно полного охвата внешней поверхности трансформаторов возбуждения и неохваченных трансформаторами возбуждения участков газоразрядной трубки в области газового разряда обратным токопроводом с минимально возможной толщиной зазора, а также выполнения токоввода каждого из электродов и самих электродов многозаходными с помощью низкоиндуктивных проводников минимально возможной длины, пространственно распределенных равномерно по периметру поперечного сечения газоразрядной трубки.
Сущность изобретения заключается в том, что максимально возможно минимизируют долю энергии, вводимую в область газового разряда не при оптимальной напряженности электрического поля.
Предложенный способ может быть реализован, например, для питания лазера.
На Фиг.1 представлен эскиз продольного сечения газоразрядной трубки с аппаратурой силового питания (электродный вариант), для лазера. Для наглядности изолирующие прокладки между токоведущими частями не показаны.
На Фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема устройства, представленного на Фиг.1.
На Фиг.3 представлен эскиз продольного сечения газоразрядной трубки с аппаратурой силового питания (безэлектродный вариант), для лазера. Для наглядности изолирующие прокладки между токоведущими частями не показаны.
На Фиг.4 представлена эквивалентная электрическая схема устройства, представленного на Фиг.3.
Сначала рассмотрим конструкцию газоразрядного устройства (Фиг.1), газоразрядную трубку которого выполняют как часть общей вторичной обмотки трансформаторов возбуждения - электродный вариант: прямым токопроводом выбирают область газового разряда газоразрядной трубки 1, которую пропускают внутри трансформаторов возбуждения 2, а обратным токопроводом 3 выбирают металлический кожух, которым охватывают снаружи трансформаторы возбуждения 2, причем электрическую связь между областью газового разряда трубки 1 и обратным токопроводом 3 осуществляют многозаходными токовводами и электродами электродных узлов 4. Область газового разряда трубки 1, обратный токопровод 3 и токовводы с электродами электродного узла 4 образуют замкнутый виток, являющийся вторичной обмоткой трансформаторов 2. Первичными витками 5 трансформаторов 2 опоясывают магнитопроводы 6 и посредством трактов передачи энергии 7 электрически подсоединяют к соответствующим секциям источника питания 8. Толщину зазора 9 между трубкой 1 и трансформаторами 2 определяют, например, из условий теплопереноса. При необходимости во избежание перегрева магнитопроводов 6, последние принудительно охлаждают.
Зазор 9, зазор 10 между соседними трансформаторами 2, зазор 11 в каждом трансформаторе 2 между магнитопроводом 6 и соответствующей охватывающей обмоткой 5 и зазор 12 между обратным токопроводом и трансформаторами 2 определяют эффективную индуктивность рассеяния устройства и поэтому толщины упомянутых зазоров выполняют минимально возможными, например, равными необходимой толщине низковольтной изоляционной прокладки.
Таким образом, в вышеописанной конструкции применены все вышеперечисленные технические решения.
Работу устройства поясняет Фиг.2. Цепь подвода энергии к области газового разряда моделируют последовательно соединенными фрагментами 13, каждый из которых содержит: идеальный трансформатор напряжения 14, индуктивность 15 - результирующую индуктивность рассеяния тракта питания 7, трансформатора 2 и участка трубки 1, находящегося в пределах соответствующего трансформатора 2, и сопротивление 16 области газового разряда в пределах указанного участка трубки 1, а также индуктивности 17, представляющие собой индуктивности рассеяния токовводов с электродами электродных узлов 4, и индуктивностью 18, представляющую собой индуктивность рассеяния обратного токопровода 3.
Параллельное соединение первичных обмоток и последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов 14, а также последовательное соединение сопротивлений 16 позволяет без применения высоковольтной аппаратуры получать такие же максимальные величины электрических полей в области газового разряда, что и при стандартном высоковольтном питании лазеров [2, 3].
Рассматриваемый принцип конструкции сохраняют и для безэлектродного варианта замыкания тока разряда (Фиг.3): трубку 1 замыкают в кольцо и делают общей вторичной обмоткой трансформаторов 2, образуя единый токопровод. Соответственно отсутствуют электродный узел 4 и металлический кожух обратного токопровода 3. Отличительные особенности эквивалентной схемы (Фиг.4) рассматриваемого варианта: индуктивности 17 и 18 отсутствуют, а вводят индуктивность 19, моделирующую индуктивность рассеяния боковых участков трубки 1 (Фиг.3), соединяющих между собой в кольцо два охваченных трансформаторами возбуждения 2 участка трубки 1; в последовательной цепи вторичной обмотки трансформаторов 2 вводят сопротивление 20 указанных областей газового разряда в пределах указанных переходных участков трубки 1.
Проведем для устройства (Фиг.1 и Фиг.3) оценки влияния индуктивности трубки газоразрядного лазера [2, 3]. Пусть трубка имеет внутренний диаметр d=20 мм, внутренний радиус токового трансформатора D=30 мм. Тогда погонная индуктивность, рассчитанная по модели коаксиального кабеля [9], составит:
LПОГ.≈0.5(μ0/π)In(D/d)≈80 нГн/м.
Примем величину тока в конце импульса I=300 А и требуемую длительность импульса tИМП=50 нс. Тогда при нарастании тока до указанной величины за время ˜tИМП в трубке возникает индуктивная составляющая противоЭДС, уменьшающая напряженность поля в области газового разряда на:
LПОГI/tИМП≈0.5 кВ/м.
Полученное значение меньше на порядок предыдущей оценки, что допустимо. Необходимо отметить, что если для проведения газоразрядного процесса необходим поджиг и(или) какая либо коррекция питания, например, пропускание дополнительного тока заданной формы через область газового разряда, то включают безиндуктивным способом последовательно электродам дополнительные источники питания, а также ставят специальные электроды (на Фиг.1 и Фиг.3 не показаны).
Анализ известных технических решений показал, что предложенный способ питания газового разряда проявляет новые свойства, заключающиеся в возможности питания газового разряда при оптимальной напряженности электрического поля, что повышает эффективность проведения газоразрядного процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Учебное руководство для ВУЗов. - 2-е изд., стр.174-181, М.: Наука, 1992.
2. Лябин Н.А. Промышленные отпаянные лазеры на парах меди типа «Кристалл» с повышенными КПД и мощностью излучения // Оптика атмосферы и океана, 13, №3, стр.258-264, 2000 г.
3. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С. и Федоров В.Ф. Частотные характеристики CuBr-лазера // Оптика атмосферы и океана, 13, №3, 2000 г.
4. Жильцов В.П. Импульсная газоразрядная безэлектродная лампа. Авторское свидетельство №141948, опубл. в Бюл. №20 за 1961 г.
5. John M. Anderson. High intensity discharge lamp geometries, US Patent №4,180,763, Dec. 25, 1979.
6. Valery A Godyak et. al. High intensiti electrodeless low pressure light source driven by a transformer core arrangement, US Patent №5,834,905, Nov.10, 1998.
7. Уланов И.М., Колмаков К.Н., Предтеченский М.Р., Диденко А.Н. Безэлектродная разрядная лампа, Патент РФ RU 2156008 С1, опубл. 10.09.2000 Бюл. №25.
8. KANG, Seong-Jin. An electrode-less fluorescent lamp having a 3-dimensional structure, and a method for manufacturing the same, PCT/KR02/00702, WO 02/084704 A1, 24 October 2002.
9. Кошкин И.И. и Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Изд. 7-е, M.: Наука, 1976.
Способ питания электрического газового разряда, заключающийся в том, что проводят газоразрядный процесс в газоразрядной трубке с помощью индукционного типа передачи энергии, при котором трансформаторы возбуждения имеют замкнутый магнитопровод, охватывающий газоразрядную трубку, являющуюся вторичным витком указанных трансформаторов возбуждения, первичные обмотки которых питаются от синхронно работающих секций источника питания, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности проведения газоразрядного процесса, создают в области газового разряда близкие к прямоугольным импульсы электрического поля оптимальных напряженности, длительности и частоты повторения с помощью необходимой для достижения результата выборки из следующих технических решений: применения в качестве источника питания генератора импульсов напряжения, то есть генератора, выходное напряжение которого не выходит за пределы заданной области значений при изменении величины нагрузки в заданном диапазоне значений; выбора такого напряжения на первичных обмотках трансформаторов возбуждения и соответственно количества трансформаторов возбуждения, чтобы не требовалось применение высоковольтной изоляции, в выходных каскадах источника питания было возможно применение без последовательного соединения существующих быстродействующих полностью управляемых ключей; максимально возможного снижения индуктивности рассеяния всего тракта передачи энергии от источника питания до области газового разряда путем максимально возможного полного охвата газоразрядной трубки в области газового разряда трансформаторами возбуждения и минимизации индуктивности рассеяния неохваченных по конструктивным соображениям участков, максимально возможной минимизации толщины зазора между трансформаторами возбуждения и газоразрядной трубкой, максимально возможно полного охвата поверхности магнитопровода каждого трансформатора возбуждения соответствующей первичной обмоткой с минимально возможной толщиной зазора, выполнения тракта подвода энергии от каждой секции источника питания к первичной обмотке соответствующего трансформатора возбуждения низкоиндуктивными линиями, места подключения которых к упомянутой первичной обмотке распределены равномерно по периметру указанного трансформатора возбуждения, выполнения выходной части каждой секции источника питания синхронно работающими каскадами, пространственно распределенными равномерно по внешнему периметру соответствующего трансформатора возбуждения, с минимально возможным расстоянием до указанного трансформатора возбуждения, для электродного варианта замыкания тока разряда максимально возможно полного охвата внешней поверхности трансформаторов возбуждения и неохваченных трансформаторами возбуждения участков газоразрядной трубки в области газового разряда обратным токопроводом с минимально возможной толщиной зазора, а также выполнения токоввода каждого из электродов и самих электродов многозаходными с помощью низкоиндуктивных проводников минимально возможной длины, пространственно распределенных равномерно по периметру поперечного сечения газоразрядной трубки.
