|
強激光技術是近年來物理學研究中的活躍領域，激光輻射效應及破壞機理研究、激光ICF（慣性約束聚變）等的研究成果展示了強激光技術在軍事、民用中的廣闊應用前景。以電容器為儲能單元的大功率能源系統是強激光裝置的重要組成部分，它為氙燈負載提供滿足能量、功率和波形要求的激勵脈沖。計算機自動測控系統對能源系統進行自動檢測和控制，構成閉環控制，提高了系統的可靠性、穩定性、安全性�；诠怆姼綦x技術的信號變換隔離系統實現了系統主放電電路和測控系統的絕緣隔離，提高了系統的抗電磁干擾能力和安全性。 強激光裝置(如Nova、神光-Ⅱ、星光)均采用開關一端接地的電路結構。本文研制的100 J輸出激光功率放大系統配套能源單元及測量與控制單元采用以高壓大電流真空開關為核心的電容器一端接地放電電路，電路結構簡單、緊湊，易于模塊化，并能有效抑制電磁干擾和地電位的抬高。 1 能源系統基本組成 根據激光放大系統的要求，能源系統分為三級，每級為兩路氙燈提供泵浦能量。 每路能源系統包括6個單元：供電單元、充電及安全泄放單元、儲能單元、脈沖成形單元、控制單元、放電參數測量單元。 供電單元由隔離變壓器、配電開關柜，濾波單元組成，實現市電輸入控制及濾除電源干擾等功能。 充電及安全泄放單元由調壓模塊、PLC、高壓變壓器及充電電阻、泄放電阻和真空泄放繼電器組成，實現市電低壓電能向儲能單元高壓電能的轉換，同時實現安全卸載和安全接地。 儲能單元是電容器組，實現高壓電能的儲存，并和脈沖成形系統一起實現功率放大。 脈沖成形單元由高壓大電流真空放電開關及其觸發系統、脈沖形成電感、低損耗傳輸電纜等組成。該單元的核心是真空放電開關及其觸發系統。它將電容器組的準靜態高壓電能轉換為滿足氙燈能量、功率和波形要求的高功率脈沖，由氙燈將電能轉換為符合激光器要求的合適有效的光能。 控制單元由一臺工業控制計算機、光纖通訊網絡、控制軟件等組成，實現對能源系統進行充、放電控制及安全泄放操作。 放電參數測量單元由高壓分壓器和電流測量線圈組成，實現電容器組充電電壓和脈沖放電電流的測量。 能源系統總體結構如圖l所示。 2 電路設計和參數選擇 2.1 光電隔離控制系統 如圖2所示，能源系統的控制單元由前級控制單元和后級控制單元兩部分組成。前級控制單元由工業控制機、光纖通訊接口電路前端、控制操作及系統狀態顯示面板組成。該單元與高功率電路(主放電電路)使用光纖通訊實現光電隔離，以解決主電路放電時高功率脈沖對測控系統的干擾問題。前級控制單元給出系統控制指令，接收并輸出系統運行數據，接收上位機的控制指令。后級控制系統通過光纖通汛接口接收前級控制單元的指令并通過控制固態繼電器、調壓模塊等器件的運行實現對充電運行過程的控制，通過控制高壓脈沖發生器的相關執行部件實現對高壓脈沖發生器開/關機、高壓電容充電及解、閉鎖等動作的控制，同時控制安全、泄放執行機構的運行，觸發指令則通過光電轉換電路直接饋送至高壓脈沖發生器。 2.2 氙燈放電電路的Pspice模擬與分析 氙燈的阻抗特點決定了能量從電容器組轉移到氙燈的效率。氙燈阻抗是時間和電流密度的函數，根據Gonze模型，氙燈非線性動態電阻R可表示為 式中：i為通過氙燈的電流；K為氙燈電阻系數，K=kl/d，特征常量k取決于氣體類別和氣壓等參量；l為氙燈長度；d為氙燈直徑。 100 J激光功率放大系統能源系統氙燈負載的電阻系數通過計算確定為K=21。 氙燈放電回路的Pspice模型如圖3所示。 基于Gonze模型，我們建立了100J激光裝置脈沖放電電路的Pspice模型，圖3給出了其中一路的Pspice模型，該模型利用電流源模型、電壓源模型和反饋電路構成氙燈模型，通過反饋電路控制氙燈模型的V-I特性將氙燈的非線性電阻特征反映在電路中。 實驗和模擬計算條件為：電容充電電壓15KV，脈沖形成電感100μH，電容140μF，負載為串聯的三支氙燈，氙燈參數為：內徑18mm，弧長350mm，燈總長540mm，充氣壓力為200T。 如圖4所示，實測氙燈電流為8.25KA。如圖5所示，Pspice模擬計算氙燈電流為8.5KA。Pspice模擬計算結果與實驗結果吻合良好。 2.3 主放電電路器件選取 如圖6所示，主放電電路由儲能電容(C)、高壓大電流真空放電開關(K)、脈沖平波電感(L1、L2)、低損耗傳輸電纜(T)、負載氙燈(R1)組成。 儲能電容器是能源充電網絡、放電網絡中的重要單元，它的性能直接影響到整個能源系統的性能和造價。100J輸出激光功率放大系統能源系統使用“自愈”式金屬化介質電容器作為儲能元件。由于“自愈”金屬膜電容器可工作在高場強(介質絕緣強度附近)下，因而提高了儲能密度，減小了體積和重量，進而降低了能源模塊的體積和造價。我們根據神光Ⅲ原型裝置上高儲能密度的金屬膜自愈電容器的使用經驗采用桂林電容器廠生產的“自愈”式MKMJ20-20型金屬化介質電容器。 高壓大電流真空放電開關是由陰極、陽極、觸發極和瓷質外殼組成。開關腔抽真空后密封，當觸發脈沖施加到觸發極時，觸發極表面產生場致使陰極發射自由電子，自由電子在電場作用下加速并轟擊陽極，在二次電子發射作用下開關閉合。該型開關結構簡單，易于使用，對觸發脈沖的要求不高。 每個能源模塊中有兩只脈沖平波電感元件。平波電感的作用是：使每個模塊的兩個氙燈放電電路的電流均勻分配，并與氙燈阻抗匹配使放電電路處于臨界阻尼狀態。降低電纜損耗是提高能量傳輸效率的重要手段，可以采用增加電纜截面或降低材料的電阻率的方法實現。考慮到現有電纜加工條件，選定增加電纜截面的方法。采用專用低阻電纜，該電纜內導體采用銅絞線，外導體為雙層銅線編織，絕緣介質為聚乙稀，電纜外皮為彈性體護套，直徑為23.5mm，在測試頻率為1kHz的條件下電阻為0.9Ω/km。 負載氙燈由上海光機所研制。其參數為：內徑18 cm，弧長350 cm，燈總長540 cm，充氣壓力為200T。 3 實驗結果 100J強激光脈沖能源系統進行了一系列的調試實驗。圖7給出了一級兩路氙燈負載放電的電流波形(采用Rogowsky線圈測量)，兩路電流分配均勻，波形基本重合。圖8給出了三級氙燈負載放電的電流波形，三級氙燈放電回路按設定的延遲時間準確觸發，延遲時間可以按要求準確調整。能源系統輸出脈沖能量、電流幅值和波形均滿足100J激光放大系統要求，系統工作穩定、可靠。 4 結語 通過實驗研究，能源系統的電路結構和關鍵器件得到了優化，達到了100J輸出激光功率放大系統能源系統的性能指標。應用以大電流真空開關、低損耗電纜為核心的電容器一端接地結構及光電隔離、屏蔽等措施有效地抑制了地電位的抬高，提高了系統的抗電磁干擾能力，實現了系統的模塊化。同時，低損耗電纜的使用提高了能源系統的能量轉換效率，為放大器效率的提高奠定了基礎。以計算機測控技術為核心的閉環控制系統實現了系統的自動化。整套能源模塊試驗表明，本設計滿足100J激光放大系統對能源模塊的技術要求，理論計算結果和實驗測試結果基本一致。下一步能源模塊研制工作將在預電離技術上開展，預電離技術不僅能檢驗閃光燈的完好性，而且有利于延長閃光燈的壽命和提高放大器的效率。 |
