一種高效泵浦脈沖整形電源系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)和激光技術(shù)交叉領(lǐng)域，具體涉及一種高效栗浦脈沖整形電源系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率固體激光裝置通過激光放大、光學(xué)整形等技術(shù)，將種子光放大為能量高達(dá)數(shù)千焦的高能激光，該過程中的能量放大由預(yù)放大器系統(tǒng)和主放大器系統(tǒng)共同完成。能源系統(tǒng)作為激光裝置的關(guān)鍵組成部分，為放大器提供匹配的電脈沖栗浦能量，脈沖的形狀、幅度和同步是影響整個激光裝置放大器栗浦效率和增益的關(guān)鍵因素。
[0003]無論高功率固體激光裝置的建造目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)激光聚變還是用于物理研究，提高全系統(tǒng)的能量效率都是重點(diǎn)需求之一，這就要求改進(jìn)放大器能源系統(tǒng)以提高能量傳輸和轉(zhuǎn)換效率。
[0004]目前國內(nèi)外放大器能源系統(tǒng)普遍采用臨界阻尼脈沖電源，具體為集中參數(shù)的電容、電感、電阻以及具有非線性阻抗特性的氙燈組成單鏈LRC放電回路，通過參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)臨界阻尼脈沖輸出。該回路具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)量少的特點(diǎn)，但存在波尾長，能量利用率低，會加劇放大器的熱效應(yīng)等缺陷。
[0005]對于燈栗放大器，理想的栗浦電流波形是一尾部快速截止、同時前沿較緩(10ys)的平頂方波，增益最大時刻位于栗浦結(jié)束時刻，能量利用率接近100%，增益較臨界阻尼脈沖高。本發(fā)明基于這一認(rèn)識進(jìn)行設(shè)計，同時在設(shè)計過程中不降低設(shè)備的可靠性要求，并兼顧考慮提升設(shè)備的安全性和可操作性以及系統(tǒng)的故障診斷能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種高效栗浦脈沖整形電源系統(tǒng)及方法，其技術(shù)方案如下:
[0007]一種高效栗浦脈沖整形電源系統(tǒng)，其包括電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)及包含所述電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)的充電儲能回路、脈沖整形放電回路，其中:
[0008]所述電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)由脈沖電容Cl?Cn、可調(diào)電感LI?Ln混聯(lián)組成；
[0009]所述充電儲能回路由恒流充電機(jī)M、隔離變壓器T、充電保護(hù)電阻R1、電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)依次串聯(lián)而成；
[0010]所述脈沖整形放電回路由電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)、放電開關(guān)G、長距離傳輸電纜TL、大功率脈沖氙燈FL依次串聯(lián)而成。
[0011]進(jìn)一步，所述恒流充電機(jī)M輸出端接隔離變壓器T的原邊，隔離變壓器T的副邊通過充電保護(hù)電阻Rl，連接到電容Cl兩端。
[0012]優(yōu)選地，所述放電開關(guān)G設(shè)置開關(guān)觸發(fā)器ST。
[0013]進(jìn)一步，所述大功率脈沖氙燈FL的高壓端連接到長距離傳輸電纜的芯線；低壓端通過電纜屏蔽層連接到電源的共同接地點(diǎn)。
[0014]進(jìn)一步，其還設(shè)置有測量回路，所述測量回路由電阻R2、R3組成的分壓器、信號傳輸線、數(shù)據(jù)采集板DCB依次連接而成。
[0015]此外，R2、R3組成的分壓器的兩端分別連接到電容Cl兩端。
[0016]進(jìn)一步，其還設(shè)置有泄放保護(hù)單元，所述泄放保護(hù)單元由常閉泄放開關(guān)K、大功率泄放電阻堆Rs串聯(lián)而成。
[0017]進(jìn)一步，所述常閉泄放開關(guān)K與泄放電阻串并聯(lián)組合Rs組成的泄放保護(hù)單元兩端分別連接到電容Cl兩端。
[0018]—種高效栗浦脈沖整形電源系統(tǒng)的使用方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0019]S1:將泄放保護(hù)單元的常閉泄放開關(guān)K斷開連接；
[0020]S2:啟動恒流充電機(jī)M向電容電感鏈形網(wǎng)絡(luò)充電；
[0021]S3:充電過程中測量回路的數(shù)據(jù)采集板DCB實(shí)時監(jiān)測充電電壓值；
[0022]S4:當(dāng)監(jiān)測到充電電壓達(dá)到設(shè)定值，控制開關(guān)觸發(fā)器ST輸出脈沖，導(dǎo)通放電開關(guān)G，能量經(jīng)由脈沖整形放電回路釋放，產(chǎn)生大電流方波栗浦脈沖，激勵大功率脈沖氙燈FL進(jìn)行高效電光能量轉(zhuǎn)化，進(jìn)而栗浦激光媒介實(shí)現(xiàn)粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)，完成激光放大過程。
[0023]其中，步驟S4中，如果放電開關(guān)G未觸發(fā)成功，或在步驟S2中，因故障導(dǎo)致無法在規(guī)定時間內(nèi)充到設(shè)定電壓，泄放保護(hù)單元的常閉泄放開關(guān)K閉合，泄放電容器儲能。
[0024]本發(fā)明的有益效果如下:
[0025]第一、本發(fā)明采用方波脈沖栗浦激光裝置放大器，相對傳統(tǒng)臨界阻尼脈沖栗浦方式，有效提高栗浦能量利用率，提高放大器小信號增益，降低放大器熱效應(yīng)；
[0026]第二、電容電感組成的鏈形網(wǎng)絡(luò)中各級電感值可調(diào)，可獲得更優(yōu)化、符合要求的電流脈沖波形；
[0027]第三、本發(fā)明采用常閉泄放開關(guān)，實(shí)時監(jiān)測并形成閉環(huán)反饋，有效提高能源安全性、可靠性和故障診斷能力。
[0028]第四、本發(fā)明可獲得穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高效栗浦脈沖電源，為大功率固體激光裝置放大器能源提供了新的選擇，當(dāng)放大器增益需求提高時，可有效降低對于激光媒介和箱體結(jié)構(gòu)等的要求和壓力。
【附圖說明】
[0029]圖1為一種高效栗浦脈沖整形電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為儲能相同時，本發(fā)明具體實(shí)施例1中所獲得的放電波形與臨界阻尼波形對比圖。
[0031]圖3為采用圖2所示的方波和臨界阻尼波栗浦時，放大器時序-增益曲線對比圖。
[0032]圖中符號說明:
[0033]T:隔離變壓器；R1:充電保護(hù)電阻；R2、R3:分壓電阻；K:常閉泄放開關(guān)；Rs:泄放電阻堆；C1?Cn:脈沖電容；L1?Ln:可調(diào)電感；G:放電開關(guān)；0SC:示波器；TL:長距離低損耗傳輸電纜；FL:大功率脈沖氙燈；DCB:數(shù)據(jù)采集板;M:恒流充電機(jī)M ；ST:開關(guān)觸發(fā)器。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0035]參照圖1，一種向高功率固體激光裝置放大器提供栗浦能量的高效脈沖整形電源，包括:一個充電儲能回路、一個脈沖整形放電回路、一臺開關(guān)觸發(fā)器ST、一個測量回路、一套泄放保護(hù)單元。
[0036]充電儲能回路由恒流充電機(jī)M、隔離變壓器(含高壓硅堆)T、保護(hù)電阻R1、脈沖電容器組Cl?Cn依次串聯(lián)而成；
[0037]脈沖整形放電回路由電容電感混聯(lián)組成的鏈形網(wǎng)絡(luò)、放電開關(guān)G、長距離傳輸電纜TL、大功率脈沖氙燈FL依次串聯(lián)而成；此回路中優(yōu)選設(shè)置示波器0SC，用于測量放電回路電流波形。
[0038]測量回路由R2、R3組成的分壓器、信號傳輸線、數(shù)據(jù)采集板DCB依次連接而成；
[0039]泄放保護(hù)單元由常閉泄放開關(guān)K、大功率泄放電阻堆Rs串聯(lián)而成。
[0040]恒流充電機(jī)M輸出端接隔離變壓器(含高壓硅堆)T的原邊，隔離變壓器(含高壓硅堆)T的副邊通過充電保護(hù)電阻，連接到電容Cl兩端；