强激光脉冲能源系统电路优化

强激光技术是近年来物理学研究中的活跃领域，激光辐射效应及破坏机理研究、激光ICF（惯性约束聚变）等的研究成果展示了强激光技术在军事、民用中的广阔应用前景。以电容器为储能单元的大功率能源系统是强激光装置的重要组成部分，它为氙灯负载提供满足能量、功率和波形要求的激励脉冲。计算机自动测控系统对能源系统进行自动检测和控制，构成闭环控制，提高了系统的可靠性、稳定性、安全性。基于光电隔离技术的信号变换隔离系统实现了系统主放电电路和测控系统的绝缘隔离，提高了系统的抗电磁干扰能力和安全性。

强激光装置(如Nova、神光-Ⅱ、星光)均采用开关一端接地的电路结构。本文研制的100 J输出激光功率放大系统配套能源单元及测量与控制单元采用以高压大电流真空开关为核心的电容器一端接地放电电路，电路结构简单、紧凑，易于模块化，并能有效抑制电磁干扰和地电位的抬高。

1 能源系统基本组成

根据激光放大系统的要求，能源系统分为三级，每级为两路氙灯提供泵浦能量。

每路能源系统包括6个单元：供电单元、充电及安全泄放单元、储能单元、脉冲成形单元、控制单元、放电参数测量单元。

供电单元由隔离变压器、配电开关柜，滤波单元组成，实现市电输入控制及滤除电源干扰等功能。

充电及安全泄放单元由调压模块、PLC、高压变压器及充电电阻、泄放电阻和真空泄放继电器组成，实现市电低压电能向储能单元高压电能的转换，同时实现安全卸载和安全接地。

储能单元是电容器组，实现高压电能的储存，并和脉冲成形系统一起实现功率放大。
脉冲成形单元由高压大电流真空放电开关及其触发系统、脉冲形成电感、低损耗传输电缆等组成。该单元的核心是真空放电开关及其触发系统。它将电容器组的准静态高压电能转换为满足氙灯能量、功率和波形要求的高功率脉冲，由氙灯将电能转换为符合激光器要求的合适有效的光能。

控制单元由一台工业控制计算机、光纤通讯网络、控制软件等组成，实现对能源系统进行充、放电控制及安全泄放操作。

放电参数测量单元由高压分压器和电流测量线圈组成，实现电容器组充电电压和脉冲放电电流的测量。

能源系统总体结构如图l所示。

2 电路设计和参数选择

2.1 光电隔离控制系统

如图2所示，能源系统的控制单元由前级控制单元和后级控制单元两部分组成。前级控制单元由工业控制机、光纤通讯接口电路前端、控制操作及系统状态显示面板组成。该单元与高功率电路(主放电电路)使用光纤通讯实现光电隔离，以解决主电路放电时高功率脉冲对测控系统的干扰问题。前级控制单元给出系统控制指令，接收并输出系统运行数据，接收上位机的控制指令。后级控制系统通过光纤通汛接口接收前级控制单元的指令并通过控制固态继电器、调压模块等器件的运行实现对充电运行过程的控制，通过控制高压脉冲发生器的相关执行部件实现对高压脉冲发生器开/关机、高压电容充电及解、闭锁等动作的控制，同时控制安全、泄放执行机构的运行，触发指令则通过光电转换电路直接馈送至高压脉冲发生器。

2.2 氙灯放电电路的Pspice模拟与分析

氙灯的阻抗特点决定了能量从电容器组转移到氙灯的效率。氙灯阻抗是时间和电流密度的函数，根据Gonze模型，氙灯非线性动态电阻R可表示为
式中：i为通过氙灯的电流；K为氙灯电阻系数，K=kl/d，特征常量k取决于气体类别和气压等参量；l为氙灯长度；d为氙灯直径。

100 J激光功率放大系统能源系统氙灯负载的电阻系数通过计算确定为K=21。

氙灯放电回路的Pspice模型如图3所示。

基于Gonze模型，我们建立了100J激光装置脉冲放电电路的Pspice模型，图3给出了其中一路的Pspice模型，该模型利用电流源模型、电压源模型和反馈电路构成氙灯模型，通过反馈电路控制氙灯模型的V-I特性将氙灯的非线性电阻特征反映在电路中。

实验和模拟计算条件为：电容充电电压15KV，脉冲形成电感100μH，电容140μF，负载为串联的三支氙灯，氙灯参数为：内径18mm，弧长350mm，灯总长540mm，充气压力为200T。

如图4所示，实测氙灯电流为8.25KA。如图5所示，Pspice模拟计算氙灯电流为8.5KA。Pspice模拟计算结果与实验结果吻合良好。

2.3 主放电电路器件选取

如图6所示，主放电电路由储能电容(C)、高压大电流真空放电开关(K)、脉冲平波电感(L1、L2)、低损耗传输电缆(T)、负载氙灯(R1)组成。

储能电容器是能源充电网络、放电网络中的重要单元，它的性能直接影响到整个能源系统的性能和造价。100J输出激光功率放大系统能源系统使用“自愈”式金属化介质电容器作为储能元件。由于“自愈”金属膜电容器可工作在高场强(介质绝缘强度附近)下，因而提高了储能密度，减小了体积和重量，进而降低了能源模块的体积和造价。我们根据神光Ⅲ原型装置上高储能密度的金属膜自愈电容器的使用经验采用桂林电容器厂生产的“自愈”式MKMJ20-20型金属化介质电容器。

高压大电流真空放电开关是由阴极、阳极、触发极和瓷质外壳组成。开关腔抽真空后密封，当触发脉冲施加到触发极时，触发极表面产生场致使阴极发射自由电子，自由电子在电场作用下加速并轰击阳极，在二次电子发射作用下开关闭合。该型开关结构简单，易于使用，对触发脉冲的要求不高。

每个能源模块中有两只脉冲平波电感元件。平波电感的作用是：使每个模块的两个氙灯放电电路的电流均匀分配，并与氙灯阻抗匹配使放电电路处于临界阻尼状态。降低电缆损耗是提高能量传输效率的重要手段，可以采用增加电缆截面或降低材料的电阻率的方法实现。考虑到现有电缆加工条件，选定增加电缆截面的方法。采用专用低阻电缆，该电缆内导体采用铜绞线，外导体为双层铜线编织，绝缘介质为聚乙稀，电缆外皮为弹性体护套，直径为23.5mm，在测试频率为1kHz的条件下电阻为0.9Ω/km。

负载氙灯由上海光机所研制。其参数为：内径18 cm，弧长350 cm，灯总长540 cm，充气压力为200T。

3 实验结果

100J强激光脉冲能源系统进行了一系列的调试实验。图7给出了一级两路氙灯负载放电的电流波形(采用Rogowsky线圈测量)，两路电流分配均匀，波形基本重合。图8给出了三级氙灯负载放电的电流波形，三级氙灯放电回路按设定的延迟时间准确触发，延迟时间可以按要求准确调整。能源系统输出脉冲能量、电流幅值和波形均满足100J激光放大系统要求，系统工作稳定、可靠。

4 结语

通过实验研究，能源系统的电路结构和关键器件得到了优化，达到了100J输出激光功率放大系统能源系统的性能指标。应用以大电流真空开关、低损耗电缆为核心的电容器一端接地结构及光电隔离、屏蔽等措施有效地抑制了地电位的抬高，提高了系统的抗电磁干扰能力，实现了系统的模块化。同时，低损耗电缆的使用提高了能源系统的能量转换效率，为放大器效率的提高奠定了基础。以计算机测控技术为核心的闭环控制系统实现了系统的自动化。整套能源模块试验表明，本设计满足100J激光放大系统对能源模块的技术要求，理论计算结果和实验测试结果基本一致。下一步能源模块研制工作将在预电离技术上开展，预电离技术不仅能检验闪光灯的完好性，而且有利于延长闪光灯的寿命和提高放大器的效率。