High-voltage semiconductor voltage pulse generator for capillary discharge formation in soft X-ray radiation source

Andrey A. Samokhvalov; Самохвалов Андрей Александрович; Kirill A. Sergushichev; Сергушичев Кирилл Александрович; Stepan I. Eliseev; Елисеев Степан Иванович; Artyom A. Smirnov; Смирнов Артем Анатольевич; Maria V. Timshina; Тимшина Мария Викторовна; Timur P. Bronzov; Бронзов Тимур Павлович

doi:10.22363/2312-8143-2023-24-4-331-339

Высоковольтный полупроводниковый генератор импульсов напряжения для формирования капиллярного разряда в источнике мягкого рентгеновского излучения

Авторы: Самохвалов А.А.¹^,2, Сергушичев К.А.², Елисеев С.И.²^,3, Смирнов А.А.³, Тимшина М.В.³, Бронзов Т.П.³
Учреждения:
1. Национальный исследовательский университет ИТМО
2. Лаборатория им. В.А. Бурцева
3. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 24, № 4 (2023)
Страницы: 331-339
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/37372
DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2023-24-4-331-339
EDN: https://elibrary.ru/IKZIWI

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты разработки высоковольтного полупроводникового генератора (на базе IGBT-транзисторов) напряжения с импульсным трансформатором и результаты экспериментов газоразрядном источнике, способном формировать импульсы мягкого рентгеновского излучения (МРИ) в области так называемого «водяного окна» - с длиной волны в диапазоне 2,4…4,4 нм. Описаны методы проектирования высоковольтного импульсного генератора импульсов напряжения: теоретические расчеты и результаты моделирования электрической принципиальной схемы в программном пакете LTSpice, описана разработанная конструкция импульсного трансформатора на основе кольцевых ферритов N 87 и самого генератора, представлены и проанализированы результаты его работы в составе компактного газоразрядного источника излучения. Показана перспективность использования подобного высоковольтного генератора (с полупроводниковыми транзисторными ключами) с импульсным трансформатором в составе источника мягкого рентгеновского излучения за счет его технико-эксплуатационных особенностей: разработанный генератор способен работать от сети переменного тока 380 В/50 Гц в частотно-пачечном режиме (с частотой следования формируемых импульсов напряжения до 600 Гц) и заряжать капиллярную емкость источника МРИ до напряжения более 20 кВ за время порядка 4 мкс, имеет небольшие габариты, не создает импульсных высокочастотных наводок и ложных срабатываний, а также обладает стабильными выходными (амплитудно-временными) параметрами.

Ключевые слова

мягкое рентгеновское излучение, капиллярная плазма, газоразрядный источник, высоковольтный генератор, трансформатор напряжения, емкостной накопитель, компьютерное моделирование, Altium Designer, Solid Works, LTSpice

Полный текст

Введение Мягкое рентгеновское излучение (МРИ) в «окне прозрачности воды» - диапазоне длин волн между линиями поглощения атомов кислорода (2,34 нм или 530 эВ) и углерода (4,40 нм или 280 эВ) - традиционно привлекало исследователей возможностью получения увеличенных изображений внутреннего строения различных биологических объектов [1]. Недавние демонстрации возможности мягкой рентгеновской микроскопии включают исследования инфицированных вирусом клеток [2]. Большой прогресс в развитии методов микроскопии «водяного окна» в значительной степени был достигнут с использованием синхротронного источника излучения [3]. Большая стоимость и сложность таких источников мотивировали на поиск более дешевых и компактных альтернатив, доступных значительному кругу исследователей, которые потенциально могут быть использованы для решения широкого спектра прикладных научных задач и исследований [4; 5]. Значительные усилия направлены на разработку газоразрядных источников мягкого рентгеновского излучений для микроскопии «водяного окна» [6; 7]. В таких системах применяются высоковольтные генераторы импульсов напряжения, которые при определенных условиях способны формировать электрические разряды в газе (обычно в азоте), создавая горячую кратковременную плазму, которая служит источником излучения. Используя оптическую фильтрацию, можно выделить определенные линии спектра и сфокусировать на исследуемом биологическом образце в диапазоне «водяного окна» [8]. В [9; 10] в экспериментах в составе компактного источника мягкого рентгеновского излучения для формирования электрических разрядов в газе был использован разработанный нами высоковольтный генератор на базе тиратрона ТПИ-10к/50 с ненакаливаемым катодом. Несмотря на ряд уникальных характеристик тиратрона (возможность работы в диапазоне напряжений 1-50 кВ и токов до 10 кА), у высоковольтного генератора на основе тиратрона есть ряд недостатков. Например, необходимость охлаждения тиратрона при его частотном режиме работы. При малых напряжениях достаточно охлаждения при помощи вентилятора, однако принапряжениях, близких к максимальным рабочим - при помощи трансформаторного масла. Также необходима экранировка тиратрона и гальваническая развязка тиратронного генератора для исключения электромагнитных помех и наводок в другие электрические цепи, периодическая подстройка напряжения накала тиратрона, ограниченный ресурс (как почти у любого сильноточного газоразрядного прибора), а также необходимость использования высоковольтного мощного источника постоянного напряжения, который по сути определяет режим работы тиратронного генератора. Альтернативой тиратронам могут быть твердотельные коммутаторы, например, такие, как сильноточные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и мощные полевые транзисторы (MOSFET). Благодаря последним достижениям в сильноточной высоковольтной полупроводниковой электронике появились транзисторы, способные коммутировать импульсные токи в сотни и тысячи ампер за время десятки и сотни наносекунд при максимальном рабочем напряжении в 2…4 кВ. В данной работе представлены результаты проектирования и экспериментальной работы в составе источника МРИ-генератора высоковольтных импульсов напряжения на основе IGBT-транзисторов с импульсным трансформатором напряжений. 1. Результаты разработки IGBTгенератора Как известно, для осуществления частотного или частотно-пачечного режима работы генератора тока, осуществляющего питание капиллярного разряда в источнике мягкого рентгеновского излучения, необходимо обеспечивать синхронную зарядку его реактивного накопительного элемента (емкости). В проектируемых для частотных лазеров мощных источниках на основе ВЧ-инверторов обычно предусмотрена возможность запрета заряда на период коммутации накопителя на нагрузку. Такие источники имеют сложную систему управления заряда, поэтому, как правило, используется другой подход - метод импульсного резонансного заряда непосредственно от сетевого напряжения. Его применение целесообразно при умеренно небольших значениях энергии накопителя в импульсе и при достаточно широком диапазоне следования рабочих импульсов во времени (от единиц герц до десятка килогерц в зависимости от энергии в импульсе). Ниже на рис. 1 рассматривается один из возможных вариантов такой схемы заряда под конкретный тип накопителя, разработанный в ООО «Лаборатория им. В.А. Бурцева». Основная идея состоит в том, чтобы заряжать емкостной накопитель генератора тока капиллярного разряда за один колебательный цикл при использовании промежуточного емкостного накопителя с той же энергетикой, но при более низком исходном напряжении, равном примерно удвоенному выпрямленному напряжению трехфазной сети. Наиболее важным узлом данной системы заряда является импульсный трансформатор, во вторичной и первичной цепи которого используются емкости С1 и С2, связанные приближенно условием Рис. 1. Функциональная схема импульсной системы зарядки накопительной емкости на капиллярном узле И с т о ч н и к : составлено автором К.А. Сергушичевым Figure 1. Functional diagram of a pulse charging system storage tank on the capillary unit S o u r c e : compiled by the author K.A. Sergushichev C1/C2 = L2/L1 = (N2/N1)2 = n2, где L2 и L1 - собственные индуктивности вторичной и первичной обмоток соответственно, n - коэффициент трансформации напряжения (при числе витков в первичной и вторичной обмотках N1, N2 соответственно). Питание схемы осуществляется от трехфазной сети переменного тока 380 В/50 Гц. Трехфазный мостовой выпрямитель VB1 (IXYS GUO40-12NO1) обеспечивает заряд емкости фильтра С0 = 470 мкФ (2 последовательно и 2 параллельно соединенных электролитических конденсатора Epcos B43509A5477M000) до напряжения Ud ≈ 530В. Для ограничения броска пускового тока используется демпфирующий резистор R1, далее подзарядка емкости фильтра в процессе эксплуатации осуществляется через систему предохранителей на случай разрушения электролитических конденсаторов при импульсной перегрузке по току. Заряд промежуточного накопителя С1 (4 параллельно соединенных конденсатора Epcos B32026A3105M000) происходит при отпирании IGBT-транзистора VT1 (IXYS IXYH30N170C) по внешней команде управляемого драйвера транзистора (Texas Instruments UCC23513). Ток заряда проходит по цепи: «ограничительный дроссель L1 (разработан в ООО «Лаборатория им. В.А. Бурцева»), промежуточный накопитель C1, диод VD1 (3 последовательно соединенных диода GENESIC GB50MPS17), транзисторный ключ VT1». По истечении времени Т/2 заканчивается первый полупериод зарядного тока, емкость С1 будет заряжена до напряжения U1 ≈ (Ud*2)/(1+C1/C0). Затем, в момент времени Т/2, производится запуск транзистора VT2 (2 параллельно соединенных транзистора IXYS IXGN200N170) внешним сигналом драйвера и почти одновременно в момент времени T/2+Δ происходит запирание транзистора VT1. Очень важно, чтобы запирание транзистора осуществлялось в момент перехода тока на транзисторе VT1 через нуль. При этом условии коммутационные потери в процессе запирания ключа будут минимальны, мало напряжение на нем и нагрев перехода. 2. Результаты численного моделирования IGBTгенератора Моделирование схемы проводилось в программном пакете LTSpice. Расчетная схема представлена на рис. 2. Для упрощения все полупроводниковые элементы задавались без учета их паразитных параметров, а транзисторы представлялись в виде ключей, управляемых напряжением. На рис. 3 приведен результат моделирования заряда промежуточной емкости C1. Видно, что за счет величины индуктивности дросселя L1 (750 мкГн) время заряда составило примерно 170 мкс, при этом величина напряжения на емкости составила примерно удвоенное выпрямленное сетевое напряжение (1050 В). Основной задачей являлось моделирование реального импульсного трансформатора, разработанного в ООО «Лаборатория им. В.А. Бурцева». Его параметры представлены в табл. 1. Рис. 2. Расчетная схема высоковольтного IGBT+генератора в LTSpice И с т о ч н и к : составлено авторами С.И. Елисеевым, М.В. Тимшиной Figure 2. Design diagram of a high+voltage IGBT+generator in LTSpice S o u r c e : made by the authors S.I. Eliseev, M.V. Timshina Рис. 3. Заряд промежуточной емкости С1 И с т о ч н и к : составлено авторами С.И. Елисеевым, М.В. Тимшиной Figure 3. Charge of intermediate capacitance C1 S o u r c e : made by the authors S.I. Eliseev, M.V. Timshina Таблица 1 Параметры высоковольтного трансформатора Параметр Описание Величина Единица измерения D Внешний диаметр магнитопровода 0,19 м d Внутренний диаметр магнитопровода 0,11 м h Толщина магнитопровода 0,027 м A Сечение сердечника 0,00108 м2 - Материал магнитопровода 1000 нм - Hc Коэрцитивная сила 20 А/м Bs Индукция насыщения 0,35 Тл Br Остаточная индукция 0,11 Тл N1 Количество витков в первичной обмотке 8 шт. N2 Количество витков во вторичной обмотке 180 шт. Table 1 Parameters of a highvoltage transformer Parameter Description Value Unit of measurement D External diameter of the magnetic circuit 0.19 m d The inner diameter of the magnetic circuit 0.11 m h Magnetic core thickness 0.027 m A Core cross section 0.00108 m2 - Magnetic core material 1000 нм - Hc Coercive force 20 А/m Bs Saturation induction 0.35 Tl Br Residual induction 0.11 Tl N1 Number of turns in the primary winding 8 unit N2 Number of turns in the secondary winding 180 unit Рис. 4. Заряд капиллярной емкости С2 И с т о ч н и к : составлено авторами С.И. Елисеевым, М.В. Тимшиной Figure 4. Charge of capillary capacity C2 S o u r c e : made by the authors S.I. Eliseev, M.V. Timshina На основании измеренных параметров реального трансформатора, учтенных в расчетной модели, было проведено моделирование перезарядки емкости C1 на капиллярную емкость C2 величиной 8 нФ. На рис. 4 изображены две кривые. Видно, что при протекании тока через ноль напряжение на емкости C2 достигает максимального значения 20 000 В. Расчетное время перезарядки составило примерно 4 мкс. После проведения всех необходимых расчетов и компьютерного моделирования схемы генератора была разработана окончательная схема электрическая принципиальная. Дальнейшая трассировка печатной платы высоковольтного генератора осуществлялась в ECADMCAD пакете Altium Designer. После чего в программном пакете SolidWorks были спроектированы необходимые конструктивные элементы. Фотография изготовленного генератора представлена на рис. 5. На рис. 6 представлен генератор в составе источника МРИ. Рис. 6. Фотография разработанного Рис. 5. Фотография разработанного высоковольтного высоковольтного генератора в составе источника генератора с импульсным трансформатором мягкого рентгеновского излучения (МРИ) И с т о ч н и к : фото К.А. Сергушичева И с т о ч н и к : фото К.А. Сергушичева Figure 5. Photo of the developed high+voltage Figure 6. Photo of the developed high+voltage generator generator with pulse transformer as part of a soft X+ray radiation (SXR) source S o u r c e : photo by K.A. Sergushichev S o u r c e : photo by K.A. Sergushichev Рис. 7. Экспериментальные данные по заряду капиллярной емкости C2 при разных уровнях питающего напряжения И с т о ч н и к : составлено авторами А.А. Смирновым, К.А. Сергушичевым Figure 7. Experimental data on the charge of capillary capacity C2 at different supply voltage levels S o u r c e : made by the authors A.A. Smirnov, K.A. Sergushichev Samokhvalov A.A., Sergushichev K.A., 3. Испытания IGBTгенератора при работе в составе источника мягкого рентгеновского излучения Испытания разработанного высоковольтного IGBT-генератора проводились при реальных условиях эксплуатации. С помощью форвакуумного и двух турбомолекулярных насосов была произведена откачка капиллярного узла до вакуума 10-6 мбар, после чего в систему был напущен чистый рабочий газ азот. На первом этапе тестирование системы проводилось при работе от сетевого напряжения 220 В (рис. 7). Капиллярная емкость при таких условиях работы заряжалась до величины 12 000 В за время порядка 4 мкс. Как видно из рис. 7, этого уровня напряжений было недостаточно для пробоя газового промежутка. На следующем этапе генератор был подключен к трехфазной сети 380 В и были проведены аналогичные эксперименты. Капиллярная емкость при таких условиях заряжалась уже до 20 000 В за аналогичное время. И, как видно из рис. 7, данного уровня напряжений уже хватило для пробоя газового промежутка. На осциллограмме виден классический скол напряжения, после которого следует релаксационный колебательный процесс. Частота следования формируемых высоковольтных импульсов составляла 600 Гц Заключение Представлены результаты разработки (теоретические расчеты, компьютерное моделирование и проектирование, описание основных характеристик) высоковольтного полупроводникового генератора (на базе IGBT-транзисторов) напряжения с импульсным трансформатором и результаты экспериментов по генерации капиллярного разряда при помощи него в составе компактного газоразрядного источника мягкого рентгеновского излучения. Показано, что разработанный высоковольтный генератор способен работать от сети переменного тока 380 В/50 Гц в частотно-пачечном режиме (с частотой до 600 Гц), обладает малыми габаритами и имеет стабильные амплитудно-временные параметры формируемых высоковольтных импульсов напряжения.

Об авторах

Андрей Александрович Самохвалов

Национальный исследовательский университет ИТМО; Лаборатория им. В.А. Бурцева

Email: samokhvalov.itmo@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4318-1991

кандидат технических наук, ассистент лаборатории производственных лазерных технологий, Физико-технический мегафакультет, Национальный исследовательский университет ИТМО; старший научный сотрудник, ООО «Лаборатория им. В.А. Бурцева»