强激光脉冲能源系统电路优化

　　0 引言

　　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、安伞性。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。

　　l 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。