Соотношение газов CO2-N2-H2 и конденсаторы для формирования импульсов в TEA-лазерах

Соотношение газов CO2-N2-H2 и конденсаторы для формирования импульсов в TEA-лазерах

Резюме

Увеличение N2 с 1:1 до 1:2 сокращает фронт нарастания на 5–10%. Увеличение H2 с 0% до 8% уменьшает ширину импульса с 3000 нс до 500 нс и устраняет хвост. В этой статье рассматриваются кинетические аспекты этих значений, ограничения ESR и емкости, которые узкий импульс накладывает на запоминающее устройство, а также алгоритм проектирования, связывающий микс с сетью.

1. Введение

На испытательном стенде CO2-лазера TEA изменение газовой смеси влияет на выходной импульс. Изменение соотношения CO2:N2:He с 1:1:8 на 1:2:6 приводит к изменению энергии импульса на 30 %, ширине с 2 мкс до 1.2 мкс и появлению хвостового импульса после основного импульса. Настройки источника питания при этом не изменялись.

Первым делом обычно перенастраивают источник питания: повышают напряжение зарядки, заменяют индуктор формирования импульса, сдвигают время срабатывания переключателя. Однако у этой работы есть предел. При отсутствии H2 никакие настройки сети не устраняют хвостовой импульс, поскольку он возникает из-за медленной релаксации нижнего уровня CO2.

Эти три газа выполняют разные функции. CO2 поддерживает верхний уровень лазерного излучения и определяет энергию на единицу объема. N2 передает энергию на этот уровень посредством столкновений. H2 опустошает нижний уровень и завершает импульс. Он стабилизирует разряд. Их соотношение определяет время нарастания, ширину, время спада и хвостовую часть импульса.

В этой статье представлены кинетическая временная шкала для каждого газа, четыре типа отказов в полевых условиях, наблюдаемых при несовпадении параметров смеси и источника питания, алгоритм проектирования, начинающийся с выбора смеси, а также параметры конденсатора, определяющие, сможет ли импульс длительностью 400 нс передать свою энергию.

2. Основной механизм

2.1 Концентрация N2 и фронт нарастания

Атом азота (N2) передает энергию верхнему уровню молекулы CO2 посредством резонансного столкновения. Прирост энергии от этого столкновения невелик, около 18 см⁻¹, поэтому два уровня остаются близкими, и передача происходит быстро.

k_N2 = σ_N2 · v_rel · [N2]

где k_N2 — скорость переноса, σ_N2 — сечение столкновения при приблизительно 10⁻¹⁶ см², v_rel — средняя относительная скорость молекул, а [N2] — плотность числа N2.

Более высокая плотность N2 увеличивает скорость, поэтому верхний уровень заполняется быстрее, а фронт подъема становится круче. В диапазоне от 1:0.5 до 1:3 каждые 10 % добавленного N2 сокращают фронт подъема на 5 %–10 %. Прирост прекращается при соотношении N2:CO2 = 2:1.

Ограничение возникает из-за разбавления. Дополнительный азот занимает объем, который в противном случае занимал бы углекислый газ, поэтому энергия на единицу объема снижается. При превышении этого соотношения пиковая мощность не увеличивается.

2.2 Концентрация H2, край падения и хвост

Водород (H2) опустошает нижний уровень CO2 в результате столкновений. Этот этап определяет скорость коллапса инверсии после основного импульса и то, появится ли вообще хвост инверсии.

τ_pulse ≈ 1 / (k_H2 · [H2] + k_spont + k_diff)

где τ_pulse — ширина импульса, k_H2 — скорость столкновений H2 с CO2, [H2] — плотность числа атомов H2, k_spont — скорость спонтанного излучения, а k_diff — скорость диффузионных потерь.

Сечение H2 составляет примерно 3 × 10⁻¹⁶ см², что значительно выше значения для He или N2 на том же уровне. Как только член k_H2 · [H2] начинает доминировать, ширина определяется исключительно плотностью H2.

Измеренные данные при 1 атм соответствуют этому соотношению. Повышение концентрации H2 с 0 % до 8 % уменьшает ширину импульса примерно с 3000 нс до 500 нс, а хвостовой импульс исчезает. При отсутствии H2 в смеси инверсия сохраняется после разряда и высвобождает от 20 % до 40 % энергии импульса в виде маломощного хвостового свечения.

2.3 Концентрация CO2 и энергия на единицу объема

CO2 является переносчиком перехода, поэтому его плотность определяет энергию, доступную в объеме усиления.

E_stored = N_CO2 · hν · Δn / V

где E_stored — запасенная энергия на единицу объема, N_CO2 — плотность числа молекул CO2, hν — энергия фотона с энергией около 0.117 эВ в диапазоне 10.6 мкм, Δn — плотность инверсии, а V — объем усиления.

Низкая доля CO2 ограничивает амплитуду импульса. Высокая доля повышает импеданс разряда, поскольку CO2 связывает электроны, и в этом случае разряд протекает в виде нитей, а не равномерного свечения.

2.4 Согласование импеданса разряда и напряжения питания

Состав смеси также определяет импеданс разрядного канала, и этот импеданс должен соответствовать импульсной сети.

Z_discharge ≈ V_sustain / (n_e · e · μ_e · A / d)

где Z_discharge — импеданс разряда, V_sustain — напряжение поддержания, n_e — плотность электронов, e — заряд электрона, μ_e — подвижность электронов, A — поперечное сечение разряда, и d — зазор между электродами.

Водород (H2) обладает более высокой подвижностью электронов, чем углекислый газ (CO2), поэтому большее количество H2 снижает импеданс, и источник питания должен подавать больший ток при меньшем напряжении. Схема, построенная для одной смеси, затем работает с несовместимой смесью на другой, и верхняя граница импульса начинает звенеть.

2.5 Кинетические временные шкалы, соответствующие техническим условиям поставки.

газовый параметр	Импульсная функция	Шкала времени	Показатель предложения
концентрация N2	Подъемный край	от 100 до 500 нс	Индуктор PFN di/dt
концентрация H2	Край падения и хвост	от 200 нс до 2 мкс	Скорость отключения банковского списания
концентрация СО2	Амплитуда и энергия	диапазон мкс	Номинальные значения емкости и напряжения
Он концентрация	Однородность и импеданс	Непрерывный	Диапазон выходного импеданса
Общее давление	Напряжение пробоя	Непрерывный	Диапазон зарядного напряжения

Рис. 1 — Повышение H2 с 0 % до 8 % сжимает импульс с 2500 нс до 400 нс и обрезает хвост с 35 % до менее 1 %.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Настройка, осуществляемая только поставщиками, застревает на локальном оптимуме.

Многие команды оптимизируют форму сигнала, исходя только из параметров источника питания: значение индуктора, значение конденсатора, напряжение зарядки, время переключения. Когда само микширование плохое, этот диапазон узок. При нулевом значении H2 отсутствие индуктора и конденсатора устраняет хвостовой импульс, поскольку источник хвоста находится в газовой кинетике.

Проблема 2: Несоответствие импедансов после смены микшера.

Переход от соотношения 1:1:8 к 1:2:5 сдвигает импеданс разряда на 20–30%. В этом случае сеть, рассчитанная на номинальное сопротивление, выходит за пределы допустимого диапазона или издает резонансные колебания на пике импульса, и накопитель не может высвободить весь свой заряд за кратчайшее время.

Оператор наблюдает усиление пульсации после смены газа и сообщает о снижении подаваемой энергии. Измеренная энергия подтверждает это, что указывает на неисправность в одном из узлов машины.

Проблемный момент 3: ЭПР конденсатора растягивает импульс длительностью менее микросекунды.

При содержании H2 выше 5 % ширина импульса падает ниже 1 мкс, и у батареи есть несколько сотен наносекунд для разряда. При эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) 500 мОм относительно петли 5 Ом большая часть заряда остается в батарее в конце импульса. В результате передаваемая энергия оказывается ниже расчетного значения, в то время как запасенная энергия соответствует норме.

Проблемный момент 4: энергия хвостовой части преобразуется в тепло в рабочей зоне.

В смесях с низким содержанием H2 или без него, хвостовая часть импульса несет от 20% до 40% энергии импульса при низкой мощности. Для точных работ, таких как микрорезка и сварка тонких пластин, этот световой поток не приносит никакой пользы. Энергия передается в виде тепла, кромка среза желтеет, а зона термического воздействия расширяется.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассматривать состав смеси и давление как параметры проектирования.

Перед составлением схемы сети зафиксируйте целевую смесь и рабочее давление. Все последующие значения определяются импедансом этой смеси.

Этап проектирования	вход	Результат
1. Импеданс разряда	Смесь, давление, зазор между электродами	Номинальное сопротивление Z0
2. Сопоставление сетей	Z0 и целевая ширина	Импеданс PFN вблизи Z0
3. Емкость хранилища	Z0, ширина, напряжение зарядки	C_stored
4. Импульсная индуктивность	Z0 и целевая ширина	L_PFN

Поддерживайте диапазон корректировки в сети ±20 %, чтобы последующие изменения в миксе оставались в пределах допустимого диапазона.

Стратегия 2: Распределение размера блока хранения данных на основе длительности импульса.

Для определения характеристик батареи и индуктора используются два параметра, оба — импеданс разряда и ширина целевого элемента.

C_stored = τ_pulse / Z0

где C_stored — емкость накопителя, τ_pulse — ширина целевого импульса, а Z0 — импеданс разряда.

L_PFN = τ_pulse · Z0

где L_PFN — индуктивность формирования импульса, τ_pulse — целевая ширина импульса, а Z0 — импеданс разряда. Для импульса длительностью 400 нс в канале с сопротивлением 35 Ом требуется около 11 нФ и 14 мкГн.

Стратегия 3: Выберите конденсатор с низкими потерями для узкого импульса.

В окне длительностью 400 нс потери в банке определяют энергию, которая фактически покидает его. Сравнивайте кандидатов на частоте переключения, а не на частоте 1 кГц.

Параметр	Класс II X7R	Пленочный конденсатор	Класс I N4700
ЭПР на частоте 1 МГц	от 100 до 500 мОм	от 20 до 50 мОм	от 5 до 20 мОм
Саморезонансная частота	1 чтобы 5 МГц	0.5 чтобы 2 МГц	5 чтобы 50 МГц
Плотность импульсного тока	Средний	Высокий	Очень высоко
Температурный коэффициент	от -15 % до +15 %	± 2%	±30 частей на миллион/°C

Деталь с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) 10 мОм и частотой резонансного поля (SRF) выше 20 МГц отдаёт более 95 % своего заряда в течение 200 нс. N4700 Дисковая часть соответствует обоим показателям при напряжении 15 кВ и емкости 4700 пФ.

Стратегия 4: Создать таблицу соответствия "микс-импульс-подача" для подачи сигнала.

Измерьте импульс под каждой смесью, которую вы собираетесь использовать, и запишите соответствующие настройки питания. Таблица преобразует новую смесь в известную отправную точку.

Смесь CO2:N2:H2:He	полное сопротивление	Зарядное напряжение	Ширина	Хвостовая доля	C_stored
1: 1: 0: 8	50 Ω	25 кВ	2500 ns	35%	50 нФ
1: 1: 2: 6	45 Ω	23 кВ	1200 ns	15%	27 нФ
1: 1: 4: 4	42 Ω	22 кВ	800 ns	5%	19 нФ
1: 2: 4: 3	38 Ω	20 кВ	600 ns	3%	16 нФ
1: 2: 8: 0	35 Ω	18 кВ	400 ns	менее 1 %	11 нФ

Стратегия 5: Добавить импульсную обратную связь для компенсации старения газа.

Состав газа изменяется по мере движения герметичной трубки, поэтому форма сигнала также изменяется. Быстродействующий фотодетектор считывает импульс, цифровой сигнальный процессор сравнивает ширину и хвостовую часть импульса с целевыми значениями, а контроллер корректирует напряжение зарядки и параметры сети. Когда отклонение выходит за пределы корректируемого диапазона, устройство запрашивает замену газа.

Для подавления паразитных колебаний, возникающих после каждого переключения сети, используйте... HVR-BSP толстопленочный резистор Размер импульса определяется его энергией. Плоская вершина импульса без перерегулирования повышает энергию, достигающую газа.

Стратегия 6: Координация выпрямителя и цепи импульсов.

Путь зарядки и путь импульса используют один и тот же источник энергии. А быстровосстанавливающийся диод Благодаря времени восстановления менее 100 нс зарядное устройство не извлекает заряд из батареи во время формирования импульса.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Импульсные конденсаторы HVC для лазерных смесей TEA.

Для узкого импульса необходима импульсная батарея с низкими потерями и высокой точкой саморезонанса, а также эти два свойства при рабочем напряжении. Компания HVC производит компоненты класса I для импульсных батарей на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ЭПР ниже 20 мОм на частоте 1 МГц. Более 95 % накопленного заряда покидает устройство в течение 200 нс, поэтому импульс длительностью 400 нс достигает расчетной энергии.
• Резонансная частота выше 20 МГц. Компонент сохраняет емкостные характеристики во всем спектре импульсов, поэтому во время разряда батарея не звенит о собственные выводы.
• Изменение емкости при постоянном смещении менее 1 %. Необходимая сети емкость 11 нФ при напряжении 18 кВ соответствует емкости аккумуляторной батареи, поэтому ширина емкости сохраняется во всем диапазоне зарядки.
• Температурный коэффициент ±30 ppm/°C. Повышение температуры на 35 °C при частоте 500 Гц изменяет значение менее чем на 0.12 %, поэтому ширина полосы одинакова как в холодном, так и в горячем состоянии.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Повторное импульсное воздействие не приводит к увеличению внутренних пустот, которые могли бы изменить потери и ширину в течение срока службы.
• Координированные компоненты. HVCT8G Винтовые клеммы передают импульсный ток. резистор выборки HVRGXP считывает импульсный ток, и пленочный конденсатор охватывает низковольтное соединение постоянного тока со стороны зарядного устройства.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные импульсные блоки — в течение 6–10 недель. К каждому заказу прилагаются данные об эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) на рабочей частоте и отчет о частичном разряде при 5 пКл.

Передайте целевое соотношение компонентов, ширину импульса, частоту повторения и напряжение зарядки. HVC вернет схему банка с номерами компонентов. Перекрестная ссылка для испытаний на сверхвысоком вакууме (UHV) с использованием компонентов Murata DHS и TDK, а также двух тестовых образцов для импульсных испытаний.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему хвостовой импульс сохраняется после настройки источника питания?

Потому что его источник находится в газе, а не в сети. При отсутствии H2 в смеси нижний уровень CO2 релаксирует медленно, поэтому инверсия сохраняется после разряда и излучает свет в течение нескольких микросекунд после основного импульса. Добавление 4–8% H2 устраняет её, сокращая время жизни нижнего уровня.

Вопрос 2: Какое количество H2 должно содержаться в смеси?

Достаточно, чтобы член k_H2 · [H2] доминировал в релаксации. На практике от 4% до 8% от общего давления увеличивает ширину пика с 2500 нс до 400 нс и обрезает хвост с 35% до менее 1%. Выше этого значения импеданс падает, и напряжение заряда должно падать вместе с ним.

В3: Как определить необходимый размер хранилища данных?

Исходя из ширины и импеданса, получаем C_stored = τ_pulse / Z0 и L_PFN = τ_pulse · Z0, а импульс длительностью 400 нс на нагрузке 35 Ом дает 11 нФ и 14 мкГн. Затем проверяем эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), поскольку потеря заряда определяет, какая часть заряда попадет в газ.

Вопрос 4: Какое значение ЭПР достаточно низкое для импульса длительностью 400 нс?

Сопротивление менее 20 мОм при 1 МГц для элемента емкостью 10 нФ. При таком значении батарея отдает более 95 % своего заряда в течение 200 нс. Элемент класса II с эквивалентным последовательным сопротивлением 300 мОм оставляет большую часть заряда, и энергия импульса оказывается меньше накопленной энергии.

В5: Может ли одна сеть обслуживать несколько газовых смесей?

В пределах полосы ±20 % от номинального импеданса — да. Используйте переключаемые конденсаторные батареи для ширины полосы и индукторы с отводами для согласования, а также ведите таблицу соответствия смеси, ширины полосы и напряжения зарядки. За пределами этой полосы возникают колебания на вершине импульса, и для схемы требуется вторая конфигурация сети.

В6: Как старение газа изменяет форму волны с течением времени?

В герметичной трубке CO2 диссоциирует на CO и O, а H2 расходуется. Ширина кривой увеличивается, а хвост возвращается по мере уменьшения доли H2. Фотодетектор и контур DSP регулируют напряжение зарядки и сеть, а устройство регистрирует изменение газа, когда отклонение выходит за пределы корректируемого диапазона.

7. Рекомендации

1. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
2. МЭК 61000-6-2:2016, Электромагнитная совместимость (ЭМС) — Часть 6-2: Общие стандарты — Стандарт помехоустойчивости для промышленных условийЖенева: МЭК, 2016.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896
8. Как определить напряжение пробоя конденсатора?Форум All About Circuits, https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com