氰化氢(HCN)激光器电源应用

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前言

远红外HCN氰化氢(DCN氰化氘)激光属于气体分子激光器,具有光学均匀性好、单色性好、光束稳定性强等优点。常应用于磁约束核聚变——托卡马克装置中等离子体电子密度的测量。本文主要介绍氰化氢激光器的负载特性,以及海伏科技生产的高频氰化氢激光器电源相对传统的氰化氢激光器电源及高压电源有哪些优势。

更新历史

2018年8月21日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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HCN激光器的结构组成

HCN氰化氢激光器工作照片

图1:HCN氰化氢激光器工作照片

直流电激励连续被氰化氢激光器由以下几部分组成:

  1. 放电管:材料为玻璃,长3.5米左右,放电长度3米左右,放电管内有油冷却夹套,工作时对放电管进行冷却;
  2. 电极:辉光放电电极由低溅射率的稀有金属制成,分阴极、阳极两个部分,其中阴极发热较大需要安装冷却水(油)循环;
  3. 电源:高压恒流电源,功率一般在20kW以内,电流0.5-2A范围内连续可调,输出电压在2.5kV-7kV内变化;
  4. 谐振腔:在这里谐振产生激光,一端安装平面反射镜、另一端由金属镍网作耦合输出;
  5. 真空系统:一般由旋片式真空泵和缓冲瓶构成,极限真空度要求在5Pa左右;
  6. 恒温控制系统:恒温器控制放电管中的油温;

HCN 激光器工作原理

谐振器内有稀薄的N_2CH_4 等气体,在辉光放电时其化学反应式如下:

N_2+2CH_4=2HCN+3H_2
上述反应发生生产HCN分子的电子处于较高的能级,不是稳定结构,将会向低能级跃迁。跃迁的同时会释放出光子,释放出的光子在谐振腔中不断被积累就得到了我们所需要的激光。

工频氰化氢激光器电源

早期的DCN激光器电源采用工频升压 + 真空四级管限流的方案。市电的输入AC380V经过工频变压器升压——整流——滤波得到一个高压直流电压源,再经过真空四级管限流将电压源转换为电流源。工频电源的缺点如下:

  • 体积大:由于升压变压器次级需要有较多的匝数与绝缘距离,而频率很低又需要很大的铁芯截面积,直接导致升压变压器体积和质量都非常大。

  • 真空四级管发热量大:由于真空四级管属于线性降压器件,电压降低的部分全部转换为热量,所以电源的整体效率非常低,真空四级管的发热量达数kW量级。

  • 不方便进行远程控制:电压的粗调靠转动升压变压器的碳刷改变变压器匝数,如果想远程控制需要增加电机等操作机构,而且响应时间长不利于进行远程操作。

普通高压电源直接驱动氰化氢激光器存在的问题

:普通的高频直流高压电源也有恒压和恒流两种工作模式,是否可以直接使用普通的高压直流电源来驱动氰化氢激光器呢?

:要回答这个问题首先要了解普通的高压直流电源的工作原理,和常见的开关电源类似,高压直流电源是将电网的电压通过滤波整流为直流电压,再经过开关管转为高频交流电压,经过升压变压器之后变成了高压交流电源,之后通过整流滤波将电能存储在高压电容中,变成高压直流电源。也就是说最终能量是存储在电容中的,不知道大家是否还记得中学物理中学过的电容的特性是两端电压不能突变,所以说靠电容储能的高压电源本质上都属于恒压源。

:那么普通高压电源是如何实现恒流输出的呢?

:高频开关电源由于功率的控制非常方便,只需要控制开关管的导通时间(占空比)就能控制输出的能量,当设定某一个工作电流时,电源检测输出电流,再通过PID等控制算法来改变电源的输出能量,将输出电流稳定在设定值附近来达到恒流输出的目的。

:这样有什么问题吗?

:如果负载非常稳定,呈阻性、容性、感性、或者是共同拥有这三种性质那么都没问题。问题就在于氰化氢激光器负载是一个不稳定的负载,简单说它呈现的是一个对电压极度敏感的负阻性负载并带有固有频率阻性跳动,如果用上述的高压电源驱动就会出现PID震荡、激光器亮度跳变、熄灭、甚至损坏高压电源的情况。

海伏科技生产的氰化氢激光器电源

海伏科技生产的氰化氢激光器电源在原有高频高压电源优势的基础上,通过一系列的改进,使之匹配氰化氢激光器负载。并且保留高频高压开关电源的优势,体积小,重量轻,内部具有数字控制芯片,可与上位机进行通信,方便的进行远程控制与数据记录采集。

总结

海伏科技生产的氰化氢激光器电源可以匹配HCN(DCN)激光器负载,并且有成熟的应用案例。

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