強激光脈沖能源系統(tǒng)電路優(yōu)化

　　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(gòu)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(lián)的三支氙燈，氙燈參數(shù)為：內(nèi)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(jié)果與實驗結(jié)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(guān)(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(wǎng)絡(luò)、放電網(wǎng)絡(luò)中的重要單元，它的性能直接影響到整個能源系統(tǒng)的性能和造價。100J輸出激光功率放大系統(tǒng)能源系統(tǒng)使用“自愈”式金屬化介質(zhì)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(zhì)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(jù)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(jīng)驗采用桂林電容器廠生產(chǎn)的“自愈”式MKMJ20-20型金屬化介質(zhì)電容器。

　　高壓大電流真空放電開關(guān)是由陰極、陽極、觸發(fā)極和瓷質(zhì)外殼組成。開關(guān)腔抽真空后密封，當(dāng)觸發(fā)脈沖施加到觸發(fā)極時，觸發(fā)極表面產(chǎn)生場致使陰極發(fā)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(fā)射作用下開關(guān)閉合。該型開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，易于使用，對觸發(fā)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(tài)。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(xiàn)。考慮到現(xiàn)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(nèi)導(dǎo)體采用銅絞線，外導(dǎo)體為雙層銅線編織，絕緣介質(zhì)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(shù)為：內(nèi)徑18 cm，弧長350 cm，燈總長540 cm，充氣壓力為200T。

　　3 實驗結(jié)果

　　100J強激光脈沖能源系統(tǒng)進行了一系列的調(diào)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(shè)定的延遲時間準(zhǔn)確觸發(fā)，延遲時間可以按要求準(zhǔn)確調(diào)整。能源系統(tǒng)輸出脈沖能量、電流幅值和波形均滿足100J激光放大系統(tǒng)要求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。

　　4 結(jié)語

　　通過實驗研究，能源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵器件得到了優(yōu)化，達到了100J輸出激光功率放大系統(tǒng)能源系統(tǒng)的性能指標(biāo)。應(yīng)用以大電流真空開關(guān)、低損耗電纜為核心的電容器一端接地結(jié)構(gòu)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(tǒng)的抗電磁干擾能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化。同時，低損耗電纜的使用提高了能源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，為放大器效率的提高奠定了基礎(chǔ)。以計算機測控技術(shù)為核心的閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化。整套能源模塊試驗表明，本設(shè)計滿足100J激光放大系統(tǒng)對能源模塊的技術(shù)要求，理論計算結(jié)果和實驗測試結(jié)果基本一致。下一步能源模塊研制工作將在預(yù)電離技術(shù)上開展，預(yù)電離技術(shù)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。