DE69803521T2 - Verfahren und apparat zur unterdrückung reflektierter energie aufgrund von stufenfehlanpassung in einem nichtlinearen magnetischen kompressionsmodul - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Impulsleistungs-Erzeugerschaltungen und ein Verfahren zur Erzeugung von Impulsleistung und speziell eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Eliminierung von Sekundärimpulsen aufgrund von Stufenfehlanpassungen in nichtlinearen Magnetimpulsleistungs-Kompressionsquellen für Gasentladungslaser.
• Bei Anwendungen, bei denen Impulslaser über längere Zeiträume betrieben werden, sind Energieeffizienz, Langzeitzuverlässigkeit und eine hohe Komponentenlebensdauer erforderlich. Bei diesen Anwendungen wurden in letzter Zeit magnetische Kompressionsschaltungen in Verbindung mit Festkörperschaltern genutzt, um Impulsleistung zu liefern, da diese magnetischen Kompressionsschaltungen und Festkörperschalter eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer bieten.
• Solche magnetischen Kompressionsschaltungen verwenden im Allgemeinen ein mehrstufiges LC-Netzwerk, um eine Leistungskompression zu bewirken. Diese entsprechen generell dem USA-Patent Nr. 5,313,481.
• Eine besondere Schwierigkeit bei der mehrstufigen magnetischen Kompression besteht darin, dass man nicht in der Lage ist, eine perfekte Übereinstimmung des Überganges von einer Stufe zur nächsten herzustellen, weshalb keine vollständige Energieübertragung von einer Stufe zur nächsten erreicht werden kann. Dieses Problem wird verstärkt, wenn sich eine oder mehrere Stufen in unterschiedlicher thermischer Umgebung befinden. Die hohe Temperaturempfindlichkeit der Kondensatoren, die üblicherweise in diesen Hochspannungssystemen zum Einsatz kommen, verursachen Fehlanpassungen zwischen den Stufen, da die Temperatur jeder Stufe einen anderen Wert erreicht.
• Die Fehlanpassung zwischen den aufeinanderfolgenden Kompressionsstufen hat zur Folge, dass ein Teil der Energie des sich vorwärts bewegenden Impulses in jeder Kompressionsstufe zurückbleibt. Diese Energie wird zeitweise in den Kondensatoren jeder einzelnen Stufe gespeichert. Unter bestimmten Bedingungen kann diese überschüssige Energie einen zweiten elektrischen Impuls bilden, der in Richtung der Lastseite kurz nach dem Hauptimpuls einsetzt. Solche Sekundärpulse können z. B. Schäden an den Elektroden des Gasentladungslasers verursachen.
• Fig. 1 zeigt ein typisches Impulsleistungssystem, das eine magnetische Kompressionsschaltung mit Stufen beinhaltet, die eine geringe Fehlanpassung aufweisen. Im System aus Fig. 1 bilden C&sub0;, L&sub0; und C&sub1; einen C-L-C Kreis, während C&sub1;, L&sub1; und C&sub2; einen weiteren C-L-C Kreis bilden. Im ersten C-L-C Kreis ist C&sub0; der Quellkondensator und im zweiten C-L-C Kreis ist C&sub1; der Quellkondensator. Während des normalen Betriebs ist eine Befehls-Ladungsstromversorgung zum Aufladen des Gleichstrom- Speicherkondensators C&sub0; auf die gewünschte Spannung eingesetzt. Auf einen Befehl hin wird ein Halbleiterschalter, z. B. ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein gesteuerter Siliciumgleichrichterschalter (SCR), C&sub0; (über L&sub0;, der die Spitzenspannung begrenzt) am Eingang des nichtlinearen magnetischen Impuls- Kompressionsnetzwerks in den Kondensator C&sub1; entladen. Das nichtlineare magnetische Kompressionsnetzwerk bewirkt eine vorübergehende Kompression der gespeicherten Energie über die großen Induktanzladungen, die mit der Sättigung des nichtlinearen magnetischen Kernmaterials, das in den Induktionskernen enthalten ist, zusammenhängen.
• Erreicht der komprimierte Impuls die Lastseite, wie z. B. einen Gasentladungslaser, führt die Fehlanpassung zwischen der Lastseite und den Ausgangsstufenkontakten dazu, dass reflektierte Energie sich rückwärts durch die Kompressionsstufen bewegt. Diese reflektierte Energie wird von C&sub0; durch einen Halbleiterschalter aufgenommen, der den Strom nur in einer Richtung durchlässt. Dies verhindert, dass die Energie von C&sub0; nochmals vorwärts durch die Kompressionsstufen fließt. In einem idealen System stemmen die Kapazitätswerte genau überein, sodass keine Spannungsüberschüsse oder Spannungsdefizite des Quellkondensators in einem C-L-C Kreis auftreten, der von einer angrenzenden Stufe mit Spannung versorgt wird.
• Wie bereits erwähnt, bleiben die Werte von C&sub0;, C&sub1; und C&sub2; nicht auf dem selben Niveau, wenn sich die Temperaturen der einzelnen Stufen verändern. Wenn eine Kapazitätsdiskrepanz existiert, wird die Spannung im Quellkondensator bei einer Energieübertragung an eine angrenzende Stufe nicht auf den Nullpunkt sinken. Wenn der Quellkondensator etwas größer als gewünscht ist, sinkt die Spannung auf einen positiven Wert ungleich Null. Ist der Quellkondensator etwas kleiner als gewünscht, wird die Spannung den Null-Punkt überschreiten und auf einem negativen Wert enden.
• Diese Über- oder Unterspannung tritt sowohl im Hauptimpuls, der sich zur Lastseite bewegt, als auch im sich rückwärts bewegenden Reflektionsimpuls auf. Die Spannung im Kondensator einer bestimmten Stufe wird ein Potential über seinem benachbarten Induktor erzeugen. Da es sich bei jedem der Induktoren, ausgenommen L&sub0;, um sättigungsfähige Induktoren handelt, werden die sättigungsfähigen Induktoren im Kompressionskreis in der Richtung geladen, die den Energiefluss des Sekundärimpulses zur Lastseite hin ermöglicht.
• Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Spannung im Kondensator C&sub0; und C&sub1; als Zeitfunktion, wenn C&sub0; im Vergleich zu C&sub1; etwas zu klein konzipiert ist. In diesem Falle wird in C&sub0; ein negativer Spannungsüberschuss in der Anfangsphase der Energieübertragung von C&sub0; zu C, erzeugt. Der reflektierte Energieimpuls bewegt sich von der Lastseite zurück durch verschiedene Stufen zu C&sub1; und letztendlich zu C&sub0;. Während des Übertragens der Ladung von C&sub1; zurück auf C&sub0; wird die Spannung in C&sub1; den Null-Volt-Punkt unterschreiten, da seine Kapazität etwas höher ist als die von C&sub0;. Daraus resultiert eine negative Spannung in C&sub1;, da der reflektierte Impuls ein negativer Spannungsimpuls ist.
• Dieser negative Spannungsrest wird solange in C&sub1; verbleiben, bis L&sub1; entgegen der Leitungsrichtung vollständig gesättigt ist. Dies geschieht entweder durch die potentielle Differenz zwischen C&sub1; und C&sub2; oder aufgrund des Vorspannungsstroms, der zur Rücksetzung jedes sättigungsfähigen Induktors auf seinen ordnungsgemäßen Wert in der B-H-Kurve genutzt wird, um den Start des nächsten Impulses vorzubereiten. Wird L&sub1; umgekehrt gesättigt, wird ein negativer Spannungsimpuls in Richtung der Lastseite abgegeben, der durch die verbleibenden Stufen komprimiert wird. In Extremfällen kann dieser Impuls Spannungen von 1 bis 2 kV verglichen mit den Spannungsspitzen des Hauptimpulses von 15 bis 20 kV aufweisen. Ein Impuls solcher Stärke kann ernsthafte Beschädigungen an Elektroden eines Gasentladungslasers hervorrufen und eine kürzere Lebensdauer der Elektroden zur Folge haben.
• Größte Sorgfalt wird bei der Vorbereitung des Lasers für den Hauptimpuls von 15 bis 20 kV aufgewendet. Das Gasmedium wurde gekühlt und homogenisiert oder in einigen Fällen seit dem letzten Haupt-Entladungsvorgang ausgetauscht. Genau vor der Hauptentladung wird unter großer Sorgfalt das Medium gleichmäßig vorionisiert. Das Endresultat ist eine Entladung, die die Entladungskammer anfänglich gleichmäßig füllt. Das Plasma entzieht Spannung aus weiten Bereichen der Elektrode. Durch Vorgänge wie Trägeranhaftungen beginnt sich die Entladung innerhalb von in Nanosekunden gemessenen Zeiträumen in Plasmaschläuchen zu lokalisieren. Mit diesen Vorgängen kann die Entladung in wenigen hundert Nanosekunden auf einen einzelnen lokalisierten Bogen reduziert werden. Nur wenige Millijoule, die an eine bestimmte Stele abgegeben werden, können zerstörender wirken, als Millijoule, die in ein gleichmäßiges Plasma gegeben werden, das den Entladungsraum füllt. Demzufolge ist es sehr wichtig, jegliche Energieimpulse zu minimieren, die der Entladung außerhalb des erwünschten Hauptimpulses zugeführt werden.
• Dementsprechend besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Eliminierung reflektierter Energien infolge von Stufenfehlanpassungen in Impulsleistungslasern zu schaffen, um die Elektrodenerosion zu minimieren. Dieses Ziel wird durch Merkmale der Ansprüche 1 und 14 erreicht. Es wird eine Hochspannungs-Impulsleistungs-Erzeugerschaltung offen gelegt, die in der Lage ist, Sekundärimpulse aufgrund von Stufenfehlanpassungen in einer magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung zu eliminieren. Die Erzeugerquellenschaltung des Impulses verfügt über ein Hochspannungs-Ladungsspeicherelement, das periodisch in einen nichtlinearen Magnetkompressionsschaltkreis entladen wird. Eine Fehlanpassungs-Korrekturschaltung, die an jede Stufe des Kompressionsschaltkreises gekoppelt ist, entlädt die aufgrund der Stufenfehlanpassung reflektierte Energie und eliminiert somit den Rückstrom der reflektierten Energie zur Lastseite. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nutzt die erfindungsgemäße Impulserzeugerschaltung eine Diode und einen Widerstand, die an jede Stufe der magnetischen Impulsleistungs-Kompressionsschaltung angeschlossen sind. Daneben sind verschiedene Ausführungsformen offen gelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt ein typisches Impulsleistungssystem, das eine magnetische Impuls- Kompressionsschaltung nutzt, die kleinere Stufenfehlanpassungen aufweist.
• Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Spannungskurve der Kondensatoren C&sub0; und C&sub1; aus Fig. 1 als Zeitfunktion, wenn C&sub0; im Verhältnis zu C&sub1; eine etwas geringere Größe aufweist.
• Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer magnetischen Impulskompressionsschaltung mit der erfindungsgemäßen Fehlanpassungs- Korrekturschaltung.
• Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Impulskompressionsschaltung.
• Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Spannungskurve der Kondensatoren C&sub0; und C&sub1; von Fig. 3 oder Fig. 4 als Zeitfunktion, wenn C&sub0; im Verhältnis zu C&sub1; eine etwas zu geringe Größe aufweist.
• Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer dritten abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Impulskompressionsschaltung.
• Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm einer vierten abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Impuls-Kompressionsschaltung, die in der Lage ist, aufgrund von Stufenfehlanpassungen reflektierte Energie in Impulsleistungslasern zu eliminieren.
• Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Impulsleistungs-Erzeugerschaltung 10 mit der erfindungsgemäßen magnetischen Impuls- Kompressionsschaltung. Die Impulsleistungs-Erzeugerschaltung 10 verfügt über eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung 12, einen Induktor L, einen Kondensator C&sub0;, einen Festkörperschalter S. einen zweiten Induktor L&sub0; und eine Impuls-Kompressionsschaltung 16 zur Komprimierung der Dauer und zur Steigerung der Spitzenleistung der angelegten Impulse. Bei Schalter S kann es sich um einen gesteuerten Siliciumgleichrichter (SCR), einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen MOSFET-gesteuerten Thyristor (MCT) oder ein anderes geeignetes, auf dem Fachgebiet bekanntes Schaltelement handeln.
• Die Impuls-Erzeugerschaltung 10 verfügt vorzugsweise über eine Diode Ds, die mit einem Schalter S in Serie geschaltet ist. Die Einfügung von Ds in die Schaltung 10 stellt sicher, dass die Impuls-Kompressionsschaltung 16 eine nichtleitende Schaltung hinsichtlich Rückstromspannungen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltung 10 des Weiteren einen Induktor L&sub0;, der zusammen mit C&sub1; ausgewählt wurde, um eine Zeitkonstante für die LC-Kombination bereitzustellen und dadurch den Aufbau eines Spannungsflusses durch den Schalter S etwas zu verlangsamen, sodass der Schalter S vor dem Durchfluss von Hochspannung vollständig geschlossen werden kann. Die Impuls-Kompressionsschaltung 16 ist mit der Lastseite 18 gekoppelt, die eine typische Impulsentladungsquelle, z. B. ein Excimerlaser, ist. Die Kompressionsschaltung 16 umfasst eine Reihe von Kondensatoren C&sub1;, C&sub2;, ... Cn- &sub1; und Cn und ein oder mehrere sättigungsfähige Kerninduktoren L&sub1;, L&sub2;, ... Ln, die in einem Leiternetzwerk verbunden sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, befindet sich der erste sättigungsfähige Induktor L&sub1; zwischen C&sub1; und C&sub2;, ein zweiter sättigungsfähiger Kerninduktor L&sub2; kann in Serie zwischen C&sub2; und C&sub3; angeschlossen werden, ..., und ein sättigungsfähiger Kerninduktor Ln-1 wird in Serie zwischen Cn-1 und Cn geschaltet. In der Schaltung 16 aus Fig. 2 bilden C&sub0;, L&sub0; und C&sub1; eine C-L-C-Schaltung, während C&sub1;, L&sub1; und C&sub2; eine weitere C-L-C-Schaltung bilden. In der ersten C-L-C Schaltung ist C&sub0; der Quellkondensator und in der zweiten C-L-C Schaltung ist C&sub1; der Quellkondensator. Nach diesem Prinzip ist die gesamte Schaltung aufgebaut, sodass im Grunde Cn-1, Ln-1, und Cn die (n-1te) C-L-C-Schaltung bilden, in der Cn-1 der Quellkondensator ist.
• Die Impuls-Kompressionsschaltung 16 verfügt des Weiteren über eine Vielzahl von Fehlanpassungs-Korrekturschaltungen CR&sub1;, CR&sub2;, ... CRn, die jeweils eine Hochspannungsdiode und einen Widerstand aufweisen. Diese Korrekturschaltungen sind entsprechend parallel zu C&sub1;, C&sub2;, ..., Cn, geschaltet. Konkret umfasst jede Fehlanpassungs-Korrekturschaltung eine Diode Dn und einen Widerstand Rn parallel zu Cn. Die Polarität jeder Diode D&sub1;, D&sub2;, ..., Dn wird so gewählt, dass jede Diode als eine offene Schaltung gegenüber dem positiven Hauptspannungsimpuls arbeitet und somit keinen Effekt auf den Hauptimpuls hat.
• Jedoch wird jede Diode D&sub1;, D&sub2;, ..., Dn während der durch den reflektierten Energieimpuls hervorgerufenen negativen Spannungskurve leiten. Wenn z. B. D&sub1; leitet, entlädt R&sub1; eine negative Spannung auf C&sub1; mit einer Rate, die durch die RC- Zeitkonstante von R&sub1; und C&sub1; bestimmt wird. Die Impedanzwerte jedes Widerstandes R&sub1;, R&sub2;, ... bzw. Rn wird so klein gewählt, dass der jeweils zugehörige Kondensator C&sub1;, C&sub2;, ..., Cn nach dem Hauptimpuls weitestgehend entladen wird, bevor der zugehörige Induktor L&sub1;, L&sub2;, ..., Ln wiederum entgegengesetzt gesättigt wird. Jedoch muss der Wert jedes Widerstandes auch groß genug sein, um die Menge der Ladung zu minimieren, die von den entsprechenden Kondensatoren C&sub1;, C&sub2;, ..., Cn abgegeben wird, während der negative Spannungsrückfluss aus dem reflektierten Energieimpuls von der Lastseite (Laser) durchläuft.
• Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten veränderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann ein Aufspanntransformator 29 an den Ausgang der Kompressionsschaltung 16 gekoppelt werden. Alternativ dazu kann der Transformator 20 je nach den Konstruktionsanforderungen an einem der verschiedenen Knotenpunkte an die Impuls-Kompressorschaltung aus Fig. 3 angeschlossen werden (z. B. Knoten 1, 2, ... , n). Ein Transformator 20, der an einem Knoten an die Schaltung 10 gekoppelt wird, der näher an der Stromversorgung 12 liegt, wird die der Impuls- Kompressionsschaltung 16 nachgelagerten Komponenten einer höheren Spannung, aber einer niedrigeren Stromstärke aussetzen als die Ausführungsform, die an den Ausgang der Kompressionsschaltung 16 angeschlossen ist. Natürlich wirkt sich dies aufgrund der unterschiedlichen Impedanzen und anderen Betriebsbedingungen, denen diese Bauteile ausgesetzt sind, auf die Gestaltung dieser Komponenten aus. Im Gegensatz dazu wird ein Transformator 20, der an einen Knoten der Schaltung 10 näher zur Lastseite 18 hin gekoppelt wird, eine geringere Spannung ermöglichen, wobei jedoch Komponenten mit hohen Stromstärken den Transformator versorgen. Des Weiteren kann der Transformator 20 an sich, abhängig von der Anbringung, auch in verschieden Punkten anders gestaltet sein, da z. B. ein Aufwärtstransformieren der Spannung auf das gewünschte Niveau vor der letzten Impulskompression die erforderliche Belastbarkeit des Transformators 20 hinsichtlich der Spitzen- Stromstärke reduziert.
• Wie bereits erwähnt, müssen für eine ordnungsgemäße Funktion der Fehlanpassungs-Korrekturschaltung CR unter sämtlichen Betriebsbedingungen die Werte der Stufenkapazitäten so ausgewählt werden, dass die verbleibende Spannung in jedem Kondensator nach Passieren des Hauptimpulses eine Unterspannung während der Übertragung des negativen Spannungsimpulses erreicht, der von der Lastseite reflektiert wird. Dies wird erreicht, indem man den Wert von C&sub1; absichtlich leicht größer wählt als C&sub0;, C&sub2; leicht größer als C&sub1; usw., sodass Herstellertoleranzen und Temperaturschwankungen nicht ausreichen, um die Kapazität eines Kondensators CN tatsächlich geringer als die seines jeweiligen Vorgängers CN-1 werden zu lassen.
• Die Schaltung aus Fig. 4 ist identisch mit der aus Fig. 3 mit Ausnahme eines zusätzlichen Aufspanntransformators 20, der zwischen dem Ausgang der Impuls- Leistungsquelle und der Lastseite 18 - bei der bevorzugten Ausführungsform ein Excimerlaser - gezeigt wird. Dieser Aufspanntransformator 20 könnte jedoch in der Schaltung auch bei C&sub1; oder jedem anderen der Kondensatoren zwischen C&sub1; und Cn eingesetzt werden. Die Anwesenheit und der Einbauort des Transformators 20 beeinflussen die Funktion der anderen Komponenten des Leistungsimpulserzeugers nicht, obwohl er ein Impedanz transformierendes Gerät ist (das Spannungen und Stromstärken transformiert). Die Werte, Stromstärken und Spannungseigenschaften der Komponenten der Stromversorgung 12 und der ihr nachfolgenden Bauteile bis zur Primärstufe des Transformators 20 unterscheiden sich wesentlich von den entsprechenden Komponenten in Fig. 3, obwohl normalerweise dieselben Komponenten gewählt werden, um grundsätzlich die gleichen Zeitkonstanten zu erreichen wie in der Ausführungsform von Fig. 3.
• Der Betrieb der erfindungsgemäßen Impulsleistungs-Erzeugerschaltung 10 wird anhand der Ausführungsformen aus Fig. 3 und Fig. 4 und der Grafik aus Fig. 5 beschrieben. Zu Diskussionszwecken wird jedoch nur eine Fehlanpassungs- Korrekturschaltung CR&sub1; betrachtet. Allerdings wird natürlich davon ausgegangen, dass weitere Fehlanpassungs-Korrekturschaltungen in weitere Stufen der Impuls- Kompressionsschaltung 16 eingesetzt werden können. Bei eingeschalteter Gleichstromquelle 12 vor der Zeit t&sub0; (wenn der Schalter S geöffnet ist) wird der Kondensator C&sub0; durch den Strom aus der Gleichstromquelle 12 geladen. Wenn der volle Ladezustand erreicht ist, beträgt die Spannung im Kondensator C&sub0; VC0 (siehe Fig. 5). Bei t&sub0; schließt der Schalter S, und die im Kondensator C&sub0; gespeicherte Energie wird über die Wirkung der LC-Schaltungen, bestehend aus L&sub0;, C&sub0; und C&sub1;, mit einer Zeitkonstante von etwa
• zu C&sub1; übertragen, wobei C&sub1; fast vollständig geladen und der Strom im Induktor L&sub0; entscheidend verringert wird, aber bei Zeit t&sub1; immer noch positiv bleibt. Induktor L&sub0; ist zur Gewährleistung entsprechend ausreichender Zeitkonstanten bei dieser Energieübertragung in die Schaltung einbezogen, um sicherzustellen, dass Schalter S vollständig geschaltet ist, bevor hohe Stromstärken fließen, und um den Höchststrom durch den Schalter für eine jeweilige Energieübertragung durch die Ausdehnung der Übertragungszeit auf einen Wert zu begrenzen, der durch Festkörperschalter gesteuert werden kann. Da während dieser Übertragung der Kondensator C&sub0; beginnt, sich durch den Schalter S zu entladen, und Kondensator C&sub1; aufgeladen wird, wird sich der Strom innerhalb der Spule des sättigungsfähigen Induktors L&sub1; schnell von einem negativen Vorspannungsstrom zu einem niedrigen positiven Strom verändern. An diesem Punkt springt die Induktanz auf einen relativ hohen Wert, um durch L&sub1; zeitweise die Rate weiterer Stromsteigerungen zu begrenzen.
• Da der negative Anschluss der Diode D&sub1; an den positiven Anschluss von C&sub0; gekoppelt ist, wirkt D&sub1; zusätzlich als eine offene Schaltung für den positiven Hauptspannungsimpuls und hat somit keinen Effekt auf den Hauptimpuls. Aufgrund der Fehlanpassungen zwischen C&sub0; und C&sub1; wird die Spannung in C&sub0; jedoch einen negativen Überschuss während der Energieübertragung von C&sub0; nach C&sub1; erreichen. Zur Zeit t&sub1;, wenn der Strom im Induktor L&sub0; niedrig, aber immer noch positiv ist, lädt sich der Sättigungskern des Induktors L&sub1; vollständig, wobei dann die Induktanz des Induktors L&sub1; auf einen niedrigen Wert springt. Dadurch wird ein Stromfluss auf einen sehr hohen Wert ermöglicht, um die Energie von Kondensator C&sub1; zu Kondensator C&sub2; mit einer Zeitkonstante ungefähr gleich
• zu übertragen, wobei L1s die Induktanz des Induktors L&sub1; mit dem Kern im Sättigungszustand darstellt. Es ist zu beachten, dass die Zeitkonstante bedeutend kürzer sein kann als die Zeitkonstante
• da L1s sehr viel geringer sein kann als L&sub0;.
• In der oben beschriebenen Art und Weise wird Energie durch jede Stufe der Kompressionsschaltung 16 übertragen. Wenn Cn-1 vollständig geladen und der Kern des Induktors Ln-1 gesättigt ist, wird die Energie durch die gesättigten Induktoren von Cn-1 zu Cn in einem kurzen Zeitimpuls gekoppelt, wobei die Spannung in Cn auf den Laser 18 übertragen wird.
• Wenn die Spannung in Cn sich auf das erforderliche Niveau aufbaut, um die Entladung in den Laser einzuleiten, zündet der Laser 18. Die in Cn gespeicherte Energie, die immer noch Nachschub nach Cn über den Induktor erfährt, wird im komprimierten Zeitraum der Impulsleistungsversorgung 12 an die Laserentladung abgegeben.
• Wenn der komprimierte Impuls die Lastseite 18 erreicht, führt die Fehlanpassung zwischen der Lastseite 18 und der Ausgangsstufe der Impuls-Kompressionsschaltung 16 zu reflektierter Energie, die sich nun rückwärts durch die Kompressionsstufen der Impulskompressionsschaltung 16 bewegt. Die reflektierte Energie wurde zum Zeitpunkt t&sub1; in C&sub1; zurückgewonnen.
• Da die reflektierte Energie von C&sub1; zurück an C&sub0; übertragen wird (zwischen t&sub2; und t&sub3;), wird die Spannung auf C&sub1; im Vergleich zu Masse negativ sein, und die Diode D&sub1; wird leitend, wodurch R&sub1; den Kondensator C&sub1; in einer Rate entlädt, die durch die RC Zeitkonstante von R&sub1; und C&sub1; bestimmt wird. Dies bringt die Spannung von C&sub1; effektiv auf einen Wert nahe Null. Der Wert des Widerstandes R wird so gewählt, dass er klein genug ist, um den entsprechenden Kondensator C&sub1; weitgehend zu entladen, bevor der zugehörige Induktor L&sub1; entgegengesetzt gesättigt wird. Der Wert von R&sub1; muss jedoch groß genug sein, um die von dem entsprechenden Kondensator C&sub1; während des Durchflusses des reflektierten negativen Spannungs-Energieimpulses entladene Ladungsmenge zu minimieren.
• Wie Fig. 5 zeigt, ist die Spannung in C&sub1; (als durchgehende Linie dargestellt) geringer, wenn die Fehlanpassungs-Korrekturschaltung CR&sub1; zur Impuls-Kompressionsschaltung 16 hinzugefügt wird (Fig. 3 und 4), als wenn diese nicht eingefügt ist (gestrichelte Linie): Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Fehlanpassungs- Korrekturschaltung wird die eingangs auftretende Unterspannung in C&sub1;, die aufgrund von Fehlanpassungen zwischen C&sub0; und C&sub1; auftritt, im Wesentlichen entladen, bevor der Induktor entgegengesetzt gesättigt wird. Dadurch wird der negative Energieimpuls wirksam eliminiert, der in Richtung Laserkammer abgegeben werden würde, wenn der Induktor L&sub1; entgegengesetzt gesättigt ist.
• Wie bereits erörtert, kann die Fehlanpassungs-Korrekturschaltung CR auf jeder Stufe der Impuls-Kompressionsschaltung 16 mit entsprechend gewählten Widerständen je nach der Größe der Kondensatoren jeder Stufe und der entgegengesetzten Sättigungszeit des Induktors der jeweiligen Stufe eingesetzt werden.
• Es wurde festgestellt, dass die Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 effektiv für Impuls-Kompressionsschaltungen genutzt werden können, die im 1 kV-Bereich arbeiten, wenn übliche 1 kV-Hochspannungsdioden und Widerstände verwendet werden. Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer dritten abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung. Diese Ausführungsform kann in Impuls-Kompressionsschaltungen genutzt werden, die im 10-30 kV-Bereich oder höher arbeiten. Obwohl die Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 theoretisch auch auf Impuls-Kompressionsschaltungen, die in diesem Bereich oder höher arbeiten, angewandt werden können, haben handelsübliche Hochspannungsdioden eine unbekannte Zuverlässigkeit, und serielle Schichten von Niederspannungsgeräten erfordern zusätzliche Komponenten, um eine ordnungsgemäße Spannungsteilung sowohl unter Gleichstrom- als auch unter Übergangsbedingungen zu gewährleisten. Die Ausführungsform in Fig. 6 bietet eine einfache Alternative und Lösung zu diesem Problem. Bei dieser Ausführungsform 16a der Impuls-Kompressionsschaltung sind eine Diode D1T und ein Widerstand R1T parallel zu den Primärwicklungen des Aufspanntransformators 20 eingesetzt. Auf diese Art kann der Hochspannungskondensator, z. B. C&sub3;, mit robusteren 1 kV-Hochspannungsdioden entladen werden und nicht mit Hochspannungsdiodensätzen, deren Zuverlässigkeit nicht bekannt ist.
• Falls zusätzliche Kompressionsstufen nach dem Aufspanntransformator 20 vorhanden sind, kann ein Aufspanntransformator 22 über den Hochspannungskondensatoren (wie C&sub4; oder Cn) jeder Stufe eingesetzt werden, der eine 1 kV-Hochspannungsdiode D2T und einen Widerstand R2T über den Primärwindungen des Transformators 22 hat. Diese Ausführungsform wird in Fig. 7 gezeigt.
• Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung kann die aufgrund von Stufenfehlanpassungen in Impulsleistungslasern reflektierte Energie eliminiert werden, sodass die Elektrodenerosion minimiert wird.

Claims (25)

1. Impulsleistungs-Erzeugerschaltung (10) mit:

einem Kondensator (C&sub0;) zum Speichern einer Ladung, einer magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) mit einer ersten und einer zweiten Stufe, wobei die erste Stufe einen ersten Kondensator (C&sub1;) und einen ersten sättigungsfähigen Induktor (L&sub1;) umfasst und die zweite Stufe einen zweiten Kondensator (C&sub2;) und einen zweiten sättigungsfähigen Induktor (L&sub2;) aufweist, wobei der Kapazitätswert des ersten Kondensator (C1) geringer als der des zweiten Kondensators (C&sub2;) ist;

einem Schalter (S), der an einem Ende mit dem Kondensator (C&sub0;) zur Ladungsspeicherung verbunden ist und am anderen Ende an die erste Stufe der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) gekoppelt ist, um periodisch die Ladung des Kondensators (C&sub0;) als Eingangssignal in die Kompressionsschaltung (16) abzugeben, wobei die Kompressionsschaltung (16) einen Ausgangsimpuls als Reaktion auf das Eingangssignal bereitstellt, und die Kompressionsschaltung (16) durch Resonanz auch eine entgegengesetzte Ladung bereitstellt; und

einer Fehlanpassungs-Korrekturschaltung (CRn) in Parallelschaltung mit den entsprechenden Kondensatoren (Cn) in der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) zur Entladung der in den entsprechenden Kondensatoren (Cn) der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) gespeicherten Energie, die aufgrund der Stufenfehlanpassung entsteht, bevor die Kompressionsschaltung (16) die entgegengesetzte Ladung schafft.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die magnetische Impuls-Kompressionsschaltung (16) über eine dritte Stufe verfügt, die einen dritten Kondensator (C&sub3;) und einen dritten sättigungsfähigen Induktor (L&sub3;) aufweist, wobei der zweite Kondensator (C&sub2;) einen geringeren Kapazitätswert als der dritte Kondensator (C&sub3;) hat.

3. Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem linearen Induktor (L&sub0;), der mit dem Schalter in Serie geschaltet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Fehlanpassungs-Korrekturschaltung (CRn) eine Diode (Dn) und einen Widerstand (Rn) aufweist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Diode (Ds), die mit dem Schalter in Serie geschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Stromquelle (12), die den Kondensator (C&sub0;) mit Strom versorgt.

7. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die magnetische Impuls-Kompressionsschaltung (16) an eine Lastseite (18) angeschlossen ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Lastseite (18) ein Laser ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, wobei der Laser (18) durch Querentladung betrieben wird.

10. Schaltung nach Anspruch 9, wobei der Laser (18) ein Excimerlaser ist.

11. Schaltung nach Anspruch 8, weiterhin mit einem Transformator (20), der eine Primär- und Sekundärwicklung hat, wobei die Primärwicklung mit dem Ausgang der magnetischen Impulskompressionsschaltung (16) und die Sekundärwicklung mit dem Laser (18) verbunden ist.

12. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die magnetische Impulskompressionsschaltung (16) eine Vielzahl von Stufen aufweist, wobei jede Stufe über einen Kondensator (Cn), eine Fehlanpassungs-Korrekturschaltung (CRn), einen sättigungsfähigen Induktor (Ln) und einen Ausgangskondensator verfügt, der an die letzte Stufe der Vielzahl der Stufen angeschlossen ist.

13. Schaltung nach Anspruch 12, weiterhin mit einem Transformator (20), der über eine Primär- und eine Sekundärwicklung verfügt, wobei die Primärwicklung mit einer Stufe und die Sekundärwicklung mit der darauffolgenden Stufe verbunden ist.

14. Verfahren zum Erzeugen der Impulsleistung, das folgende Schritte aufweist: Speichern einer Ladung in einem Kondensator (C&sub0;); das periodische Anlegen der gespeicherten Ladung als ein Eingangssignal an eine magnetische Impuls- Kompressionsschaltung (16), die eine Vielzahl von Stufen aufweist, von denen jede einen Kondensator (Cn) und einen sättigungsfähigen Induktor (Ln) hat; das Bereitstellen eines Ausgangsimpulses als Reaktion auf das Eingangssignal, wobei die Kompressionsschaltung (16) durch Resonanz auch eine entgegengesetzte Ladung bereitstellt; und

das Korrigieren der Fehlanpassung durch Entladen der aufgrund von Fehlanpassung zwischen den Stufen gespeicherten Energie in den entsprechenden Kondensatoren (Cn) der Stufen der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16), bevor eine entgegengesetzte Ladung bereitgestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in dem Schritt des periodischen Anlegens die Vielzahl der Stufen eine erste und eine zweite Stufe aufweist, wobei die erste Stufe über einen ersten Kondensator (C&sub1;), eine Fehlanpassungs- Korrekturschaltung (CR&sub1;) und einen ersten sättigungsfähigen Induktor (L&sub1;) verfügt und wobei die zweite Stufe über einen zweiten Kondensator (C&sub2;), eine zweite Fehlanpassungs-Korrekturschaltung (CR&sub2;) und über einen zweiten sättigungsfähigen Induktor (L&sub2;) verfügt, wobei der erste Kondensator einen geringeren Kapazitätswert als der zweite Kondensator hat.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des periodischen Anlegens durch einen Schalter (S) erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin mit einem linearen Induktor (L&sub0;), der mit dem Schalter verbunden ist.

18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Speicherschritt der Kondensator mit einem zweiten Kondensator verbunden ist.

19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Entladungsschritt den Schritt des Anschließens einer Fehlanpassungs-Korrekturschaltung (CRn) parallel an die entsprechenden Kondensatoren (Cn) der magnetischen Impuls-Korrekturschaltung (16) umfasst, wobei die Fehlanpassungs-Korrekturschaltung über eine Diode (Dr) und einen Widerstand (Rn) verfügt und die Fehlanpassungs- Korrekturschaltung (CRn) die im entsprechenden Kondensator (Cn) der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) aufgrund von Stufenfehlanpassungen gespeicherte Energie entlädt, bevor eine entgegengesetzte Ladung entstehen kann.

20. Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin mit einem Schritt des Bereitstellens einer Stromquelle (12), um den Kondensator mit einer Ladung zu versorgen.

21. Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin mit dem Schritt des Anlegens des Ausgangsimpulses an eine Lastseite (18), die mit der magnetischen Impuls- Kompressionsschaltung verbunden ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Lastseite ein Laser (18) ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin mit dem Schritt des Anlegens des Ausgangsimpulses an, einen Transformator (20), wobei der Transformator (20) eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung mit dem Ausgang der magnetischen Impuls-Kompressionsschaltung (16) und die Sekundärwicklung mit der Lastseite (18) verbunden ist.

24. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die magnetische Impuls-Kompressionsschaltung (16) des Weiteren aus einer Vielzahl von Stufen besteht, wobei jede Stufe über einen Kondensator (Cn), einen sättigungsfähigen Induktor (Ln) und einen Ausgangskondensator in Parallelschaltung zur letzten Stufe der Vielzahl von Stufen verfügt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, weiterhin mit einem Transformator (20), wobei der Transformator eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einer der nächsten Stufen und die Sekundärwicklung mit einer darauffolgenden Stufe verbunden ist.