Предварительная ионизация и время основного разряда для CO2-лазеров на основе ТЭА

Предварительная ионизация и время основного разряда для CO2-лазеров на основе ТЭА

Резюме

Лазер на CO2 с использованием технологии TEA генерирует равномерный тлеющий разряд на одних импульсах и дуговой канал на других, а причина кроется в задержке между импульсом предварительной ионизации и основным разрядом. Предварительная ионизация обеспечивает поступление 10⁶–10⁸ см⁻³ затравочных электронов, которые распадаются за 200 нс – 1 мкс. В этой статье приводятся уравнения распада и пробоя, ширина временного окна, четыре причины его закрытия, а также данные о конденсаторе импульса, удерживающем его открытым.

1. Введение

В лазере на CO2 с использованием TEA разрядный зазор заполняется при давлении 1 атм, после чего зазор пробивается за несколько наносекунд. Для равномерного тлеющего разряда необходима плотность затравочных электронов от 10⁶ до 10⁸ см⁻³ по всей площади электрода до прихода основного импульса.

Импульс предварительной ионизации поставляет эти электроны. Перед основным разрядом срабатывает ультрафиолетовый искровой разрядник или коронный источник, и фотоны или коронный ток формируют зародышевую популяцию. Затем главный выключатель срабатывает в уже ионизированном газе.

Зародышевые электроны не задерживаются. Кислород, водяной пар и другие электроотрицательные частицы захватывают их, и их количество уменьшается с постоянной времени от 200 нс до 1 мкс. Задержка между двумя импульсами должна укладываться в этот период затухания, иначе основной разряд начинается на одном из краев электрода и схлопывается в дугу.

В этой статье приводятся уравнения затухания и пробоя, ширина временного окна, четыре типа отказов, которые его закрывают, а также этапы проектирования и данные о конденсаторах, позволяющие поддерживать наносекундное окно в процессе производства.

2. Основной механизм

2.1 Распад затравочных электронов после импульса предварительной ионизации

Два фактора потерь удаляют затравочные электроны: рекомбинация с положительными ионами и присоединение к электроотрицательным молекулам. Первый зависит от квадрата электронной плотности, а второй — от плотности присоединяющихся частиц.

dn_e/dt = −α · n_e(t) − β · n_e(t) · n_neg(t)

где n_e — плотность электронов в см⁻³, t — время в нс, α — константа скорости рекомбинации электрон-ион в см³/с, β — константа скорости присоединения в см³/с, а n_neg — плотность отрицательных ионов в см⁻³. При α, близком к 10⁻⁷ см³/с, и чистом газе эффективная постоянная распада τ_eff составляет от 200 нс до 1 мкс.

Примеси определяют это значение. Остаточный уровень кислорода или воды выше 100 ppm увеличивает β и уменьшает τ_eff, а влажный газ может уменьшить τ_eff до менее 100 нс. В этом случае тому же лазеру потребуется окно вдвое меньшей ширины на том же самом триггерном устройстве.

2.2 Разложение с затравочными электронами и без них

Классическая теория Пашена определяет напряжение пробоя, исходя из давления и зазора, при давлении 760 Торр и длине волны в несколько миллиметров. В случае TEA-лазера добавляется третий член: плотность затравки, уже находящейся в зазоре.

γ · (exp(α_ion · d_eff) − 1) ≥ 1

где γ — коэффициент вторичной эмиссии катода, α_ion — первый коэффициент ионизации Таунсенда в мм⁻¹, а d_eff — эффективный зазор в мм. Высокая плотность затравки повышает γ, критерий выполняется при более низком напряжении, и вся площадь электрода разрушается одновременно.

Низкая плотность зародышей смещает точку пробоя к точке с самым высоким магнитным полем, которой обычно является край электрода. Разряд начинается там, импеданс падает, а в оставшемся зазоре наблюдается падающее напряжение и дуговой канал.

2.3 Ширина временного окна

Полоса задержки, пригодная для использования, находится между моментом, когда облако зародышей становится однородным, и моментом, когда популяция слишком сильно сокращается. Оба конца полосы смещаются вместе с газом, поэтому она устанавливается как доля постоянной распада.

Δt_opt ≈ (1/3 to 2/3) · τ_eff

где Δt_opt — задержка между импульсом предварительной ионизации и основным разрядом в нс, а τ_eff — эффективная постоянная распада электронов в нс. При τ_eff, равном 500 нс, в смеси 1:1:8 полоса простирается от 170 нс до 330 нс, что составляет 160 нс в ширину.

Влажный газ с τ_eff равным 100 нс сужает этот диапазон до 33–67 нс. Триггер с дрожанием ±50 нс в большинстве случаев пропускает этот диапазон, и лазер работает в режиме чередования импульсов свечения и дугового разряда.

2.4 Энергия предварительной ионизации и полезная полоса пропускания

Плотность затравки зависит от энергии, подаваемой на источник предварительной ионизации, и от доли этой энергии, которая преобразуется в свободные электроны. УФ-электростанция преобразует от 0.1% до 1% своей входной энергии, поэтому остальная часть уходит в виде тепла, света и звука.

n_e0 ∝ E_pre · η_pre

где n_e0 — плотность затравочных электронов в см⁻³, E_pre — энергия преионизации в мДж, а η_pre — эффективность преионизации, обычно от 10⁻³ до 10⁻². Ниже 10⁶ см⁻³ основной разряд начинается на краю. При энергии выше 10–15 % от энергии основного разряда импульс преионизации сам по себе возмущает газ.

Диапазон допустимых значений энергии находится в пределах от 3% до 8% от энергии основного разряда. При этом основной импульс мощностью 2 Дж требует от 60 до 160 мДж энергии предварительной ионизации, а разница между двумя пределами составляет всего лишь двукратное увеличение.

2.5 Паразитные задержки между триггером и зазором

Контроллер генерирует один фронт сигнала, а газ получает два импульса. Между ними находится задержка переключения, задержка кабеля и дрожание триггера, и все три в совокупности увеличивают погрешность по сравнению с заданной задержкой.

Δt_total = Δt_trigger + Δt_prop + Δt_jitter

где Δt_total — общая ошибка в нс, Δt_trigger — задержка переключения триггерного устройства в нс, Δt_prop — задержка распространения сигнала по кабелю в нс, а Δt_jitter — временной дрожание в нс. Искровой разрядник вносит вклад в задержку от 50 нс до 200 нс и дрожание от ±20 нс до ±50 нс.

Коэффициент заполнения кабеля определяется длиной и скоростью импульса в линии. При скорости 5 нс на метр разница в 10 м между двумя путями добавляет 50 нс фиксированного смещения, при этом ширина полосы составляет 160 нс при τ_eff = 500 нс.

Рис. 1 — Частота дуговых разрядов минимальна вблизи 250 нс и резко возрастает за пределами диапазона от 170 до 330 нс, установленного 500-нс периодом распада электронов.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Дрожание зажигания из-за искрового разрядника.

Массив УФ-искровых разрядов генерирует импульс предварительной ионизации, и искровой зазор под ним пробивается в момент, определяемый давлением газа, температурой газа и поверхностью электрода. Дрожание импульса составляет от ±20 нс до ±50 нс.

В диапазоне от 100 до 200 нс дрожание импульсов в пределах ±50 нс приводит к тому, что треть импульсов выходит за пределы этого диапазона. В этом случае лазер выдает смесь чистых импульсов и импульсов дугового разряда, а частота дугового разряда изменяется в зависимости от температуры окружающей среды.

Проблемный момент 2: Высокая СОЭ растягивает фронт подъема.

Керамический накопительный конденсатор класса II выдерживает эквивалентное последовательное сопротивление от 50 мОм до 200 мОм при частоте 100 кГц. Фрагмент нарастания разрядного тока растягивается пропорционально, поэтому энергия предварительной ионизации покидает конденсатор позже, чем предполагается в конструкции.

Микросхема класса I N4700 выдерживает сопротивление от 5 мОм до 15 мОм на той же частоте, поэтому фронт сигнала попадает в пределах 20 нс. Более низкое эквивалентное последовательное сопротивление также снижает самонагрев, что обеспечивает стабильность емкости и временных характеристик при сдвиге.

Проблемный момент 3: Два переключателя расходятся.

Основной разряд генерируется тиратроном или твердотельным переключателем, а предварительная ионизация — независимым искровым разрядником. Эти два типа устройств имеют разные задержки проводимости и разные температурные коэффициенты.

Задержка, откалиброванная на 22 °C, изменяется по мере нагревания корпуса. Симптомом является чистый выходной сигнал в течение первых 30 минут и последующее увеличение частоты дуги, что указывает на температурный коэффициент, а не на газ.

Проблема №4: Фиксированные смещения, вызванные длиной кабеля и нагревом.

Различная длина кабелей на двух путях вносит фиксированное смещение, которое ни один контроллер не может устранить. При 5 нс на метр разница в 5 м добавляет 25 нс, и большинство калибровок вообще не измеряют длину двух путей.

При непрерывном включении на частоте 500 Гц температура корпуса накопительного конденсатора повышается на 30–40 °C. Деталь с коэффициентом ±30 ppm/°C изменяется менее чем на 0.12 % при этом повышении, а деталь класса II — на 10 % и более.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать накопительный конденсатор класса I с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Деталь класса I N4700 выдерживает сопротивление от 5 мОм до 15 мОм при частоте 100 кГц и ±30 ppm/°C. пленочный конденсатор В значительно большем корпусе емкость составляет от 10 мОм до 30 мОм и ±2 % в том же диапазоне. Компонент класса II X7R достигает значений от 50 мОм до 200 мОм и изменения емкости от −30 % до +15 %.

Нарастающий фронт разрядного тока попадает в интервал менее 20 нс, поэтому энергия предварительной ионизации поступает одним импульсом, и временная характеристика сохраняет заданные значения. Выберите номинальное напряжение, равное 1.5-кратному пиковому напряжению или выше, чтобы устройство оставалось ниже уровня начала частичного разряда.

Стратегия 2: Заменить аналоговые задержки цифровым контроллером.

RC-задержка или моностабильный генератор обеспечивают точность ±5 % и дрейфуют с температурой. Задержка на FPGA или высокоскоростном CPLD-генераторе обеспечивает разрешение 1 нс в диапазоне от 0 до 10 мкс и синхронизацию между каналами 0.5 нс.

Шаг в 1 нс охватывает полосу в 33 нс с 33 настройками, чего достаточно, чтобы найти центр на стенде и поддерживать его в рабочем состоянии. Стабильность каскада задержки поддерживается на уровне ниже 10 ppm/°C, поэтому повторная калибровка не требуется для всего диапазона корпусов.

Стратегия 3: Уменьшить дрожание спускового крючка

В схеме сжатия магнитных импульсов используется насыщение сердечника, что позволяет достичь дрожания сигнала в пределах ±5 нс. В герметичном сосуде при давлении выше 5 атм, где статистические данные о пробое более жесткие, зазор, активируемый высоким давлением, удерживает сигнал в пределах ±10 нс.

При напряжении ниже 30 кВ последовательная цепочка SiC MOSFET заменяет искровой зазор и обеспечивает задержку менее 2 нс. Твердотельный триггер также исключает износ электродов, поэтому задержка сохраняет свое значение на протяжении всего срока службы.

Стратегия 4: Одинаковая длина кабелей и согласование импеданса.

Разница в физической длине между путем предварительной ионизации и основным путем разряда должна быть менее 0.5 м, что соответствует смещению менее 2.5 нс. Проложите два кабеля на некотором расстоянии друг от друга, каждый в собственном экране, чтобы основной импульс не попадал в линию запуска.

Согласуйте импеданс кабеля с источником импульсов, установив его на уровне 50 Ом или 75 Ом. Несоответствие отражает часть фронта импульса обратно к источнику, что растягивает нарастание и сдвигает эффективный момент запуска для некоторых импульсов.

Установите быстровосстанавливающийся диод в цепи изоляции триггера, чтобы основной разряд не достиг контроллера предварительной ионизации.

Стратегия 5: Замкнуть цикл энергии преионизации

Измерьте разряд с помощью массива фотодиодов или высокоскоростной камеры и корректируйте импульсы напряжения предварительной ионизации пошагово. Обнаружьте дугу по форме сигнала тока разряда и повышайте энергию предварительной ионизации следующего импульса после каждого возникновения дуги.

Отслеживайте состояние газа по напряжению разряда и повышайте энергию предварительной ионизации по мере старения газа. Такая замкнутая система позволяет снизить частоту дуги с 5% до 10% до уровня ниже 0.1%, что является разницей между пригодным для использования технологическим окном и предельным.

Стратегия 6: Проверьте время на стенде.

Измерьте τ_eff для фактической газовой смеси и уровня примесей, затем установите Δt_opt равным половине этого значения. Изменяйте задержку с шагом 5 нс и записывайте частоту дуг при каждом значении, чтобы края полосы отображались как данные, а не как субъективное мнение.

Повторите сканирование в нагретом состоянии через 30 минут при рабочей частоте повторения. Запишите длину кабеля и задержку срабатывания каждого переключателя, а также замените искровой зазор в счетчике выстрелов, чтобы калибровка оставалась действительной.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 ° C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5 %	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Импульсные конденсаторы HVC для стадии предварительной ионизации

Компания HVC производит импульсные конденсаторы класса I и соответствующие пассивные компоненты для схем предварительной ионизации TEA. Серийные поставки осуществляются OEM-производителям лазерного и импульсного оборудования с собственного завода площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ЭПР ниже 15 мОм на частоте 100 кГц. N4700 Импульсный конденсатор удерживает фронт нарастания разряда в пределах 20 нс, поэтому энергия предварительной ионизации попадает в наносекундный интервал.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C. При частоте повторения 500 Гц и многочасовой работе емкость изменяется менее чем на 0.12 % при повышении температуры тела на 40 °C, поэтому синхронизация импульсов сохраняется после прогрева.
• Пиковый импульсный ток находится в диапазоне килоампер. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Закрытие основного места хранения разряда и высвобождение энергии импульса в течение десятков наносекунд приводит к увеличению плотности зародышей до того, как сработает основной зазор.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Компонент работает выше порогового значения, поэтому емкость и эквивалентное последовательное сопротивление сохраняют свои значения на протяжении 10⁸ импульсных циклов.
• Координированные компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы и резисторы выборки HVRGXP Поддержание зарядного тока и напряжения осуществляется путем распределения их по последовательно соединенным звеньям в зарядной цепи.
• Изолировать триггер. А выпрямительный диод Благодаря времени восстановления менее 100 нс блокируется основной обратный ход разряда, поэтому триггер предварительной ионизации сохраняет свою эффективность.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а компоненты нестандартной емкости, номинального напряжения или типа выводов — в течение 6-10 недель. Для заказов лазеров требуется запись ESR при 100 кГц, протокол импульсных испытаний при 5 кВ/мкс и т.д. Перекрестная ссылка таблица в сравнении с сериями Murata DHS, TDK UHV и Vishay HVCC.

Отправьте данные о газовой смеси и давлении, частоте повторения, энергии основного разряда, топологии предварительной ионизации и измеренном времени затухания. HVC вернет таблицу соответствия конденсаторов с номерами деталей для позиций хранения и изоляции, а также образцы для временного сканирования.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему лазерный луч возникает на одних импульсах, а на других — нет?

Поскольку дрожание триггера сопоставимо с временным окном. Искровой разрядник передает дрожание от ±20 нс до ±50 нс, а окно при τ_eff = 500 нс имеет ширину всего 160 нс. Импульсы, попадающие за пределы окна, начинаются на краю электрода и схлопываются в дугу.

В2: Как измерить время распада электрона?

Сгенерируйте только импульс предварительной ионизации и зарегистрируйте плотность электронов с помощью микроволнового интерферометра или токового зонда на смещенном электроде. Наклон кривой затухания дает τ_eff, которое изменяется от 200 нс до 1 мкс в чистом газе и падает ниже 100 нс при концентрации кислорода или воды выше 100 ppm.

Вопрос 3: Какая энергия предварительной ионизации необходима для создания зазора?

От 3% до 8% энергии основного разряда. Затем основной импульс мощностью 2 Дж потребляет от 60 мДж до 160 мДж. Ниже этого уровня плотность затравки падает ниже 10⁶ см⁻³, и разряд начинается на краю. При энергии выше 15% импульс предварительной ионизации возмущает газ и добавляет свою собственную неоднородность.

Вопрос 4: Почему частота дуги увеличивается после прогрева?

Два параметра изменяются с температурой. Накопительный конденсатор класса II теряет 10 % или более своей емкости при повышении температуры на 40 °C, что растягивает фронт нарастания и задерживает высвобождение энергии. Два триггерных устройства также имеют разные температурные коэффициенты, поэтому задержка, откалиброванная при 22 °C, смещается по мере нагревания корпуса.

В5: Имеет ли значение длина кабеля?

Да. Импульс распространяется со скоростью примерно 5 нс на метр, поэтому разница в 5 м между путем предварительной ионизации и основным путем добавляет 25 нс фиксированного смещения, а разница в 10 м добавляет 50 нс. Держите обе длины в пределах 0.5 м, что составляет менее 2.5 нс, и подберите сопротивление для обоих участков равным 50 Ом или 75 Ом.

В6: Каков может быть уровень дрожания сигнала триггера?

Задержка составляет менее ±5 нс для окна шириной 100 нс, поэтому дрожание занимает менее 10 % полосы пропускания. Ступень магнитной компрессии импульсов выдерживает задержку ±5 нс, герметичный зазор выше 5 атм — ±10 нс, а последовательная цепочка SiC MOSFET — менее 2 нс при напряжении ниже 30 кВ.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60825-1:2014, Безопасность лазерной продукции — Часть 1: Классификация оборудования и требованияЖенева: МЭК, 2014.
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. И. Чен, Х. Ли, Ф. Лин, Ф. Лю, М. Чжан, З. Ли и др. Исследование самовосстановления и характеристик срока службы металлизированного пленочного конденсатора в условиях высокого электрического поля.IEEE Transactions on Plasma Science, том 40, № 8, стр. 2014-2019, 2012. https://doi.org/10.1109/tps.2012.2200699
8. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
9. Кинд, Д., и Фезер, К., Методы испытаний при высоком напряжении, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2001.
10. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com