Hochspannungs-Pulskondensatoren für heliumfreie CO2-Laserversorgungen

Hochspannungs-Pulskondensatoren für heliumfreie CO2-Laserversorgungen

Abstract

Ein LE-CO₂-Laser erzeugt einen Puls in einem engen Rohr und benötigt weder Helium noch Vorionisationshardware. Dadurch werden alle Anforderungen an die Pulsversorgung gestellt: eine Anstiegszeit von maximal 300 ns, eine Pulsbreite von 100–300 ns, eine Ladegenauigkeit von ±0.5 % und ein Schalter, der sich bei 700 Hz innerhalb eines Zeitfensters von 1.43 ms erholt. Dieser Artikel beschreibt die Berechnungen und die entsprechenden Bauteilspezifikationen.

1. Einleitung

Ein herkömmlicher TEA-CO2-Laser benötigt Helium, eine Vorionisationsanordnung und eine sperrige Pulsquelle. Helium nimmt über 80 % des Gasvolumens ein, und die Vorionisationshardware benötigt zusätzliche Pins, Verdrahtung und eine Isolierfläche im Inneren des Resonators.

Ein LE-CO₂-Laser (Longitudinale Anregung) beseitigt beides. Er verwendet ein schlankes Rohr mit einem Innendurchmesser von wenigen Millimetern, und der Puls breitet sich entlang der Rohrachse aus. Bei geeigneter Kombination aus Innendurchmesser und Gasdruck bleibt die Entladung ohne Helium und ohne Vorionisation stabil.

Damit wird ein kompakter, gepulster CO2-Laser in Rucksackgröße möglich, der sich für Entfernungsmessung, laserinduzierte Plasmaspektroskopie und Gasfernmessung im Feld eignet.

Sobald Helium und Vorionisierung verbraucht sind, übernimmt die Impulsversorgung die restliche Aufgabe. Anstiegszeit, Wiederholrate und Impulsenergie-Wiederholgenauigkeit sind dann keine Präferenzen mehr, sondern werden zu Grenzwerten.

2. Kernmechanismus

2.1 Anstiegszeit als Schutzmechanismus gegen Filamentierung

Eine Vorionisationsanordnung impft das Gasvolumen vor dem Hauptimpuls mit Elektronen. Diese Elektronen ermöglichen es, dass die Entladung an vielen Punkten gleichzeitig startet, sodass sie sich als gleichmäßiges Leuchten ausbreitet.

Ohne Vorionisation stammen freie Elektronen ausschließlich aus der Hintergrundstrahlung und kosmischer Strahlung, wodurch die Keimdichte sehr gering ist. Steigt die Spannung langsam an, erreicht das Feld den Durchschlag, obwohl die Elektronendichte noch zu niedrig ist, um eine Volumenentladung zu erzeugen. Der Lichtbogen nimmt dann den Weg des geringsten Widerstands, und die Entladung wird zu einem Glühfaden.

Die Zielanstiegszeit ergibt sich aus der Durchbruchspannung:

t_rise ≤ V_bd / (dV/dt)

Dabei ist t_rise die Spannungsanstiegszeit in ns, V_bd die Durchbruchspannung in kV und dV/dt die Anstiegsgeschwindigkeit in kV/µs. Für einen 30-kV-Spalt sind 300 ns oder weniger erforderlich, was dV/dt auf mindestens 100 kV/µs festlegt. Ein herkömmlicher TEA-Laser arbeitet mit Anstiegszeiten zwischen 500 ns und 1 µs, die Anforderungen sind also mindestens doppelt so hoch.

2.2 Gaskinetik ohne Helium

Helium erfüllt in einem CO2-Gemisch zwei Funktionen. Es transportiert Wärme von der Entladung ab und beschleunigt den Energietransfer von schwingungsangeregtem N2 zu CO2.

Entfernt man es, sinkt die Wärmeleitfähigkeit des Gases erheblich. Jeder Puls deponiert dann Wärme, die langsam aus dem Gas entweicht. Oberhalb von 100 Hz staut sich die Wärme, die Gastemperatur steigt, und die Lebensdauer des oberen Laserpegels verkürzt sich.

Eine heliumfreie Zufuhr erfordert nach jedem Puls ein Kühlfenster oder einen Gasaustausch mit schnellem Durchfluss. Die Pulsbreite ist hierbei hilfreich, da ein kürzerer Puls weniger Wärme abgibt. Die meisten LE-CO₂-Anwendungen verwenden eine Pulsbreite von 100 ns bis 300 ns (Halbwertsbreite).

2.3 Wiederholbarkeit der Impulsenergie

Die Pulsenergie eines LE-CO₂-Lasers folgt der Entladungsspannung nahezu exakt. Eine Änderung der Entladungsspannung um 1 % bewirkt eine Verschiebung der Ausgangsenergie um 3 % bis 5 %, da sich die Durchbruchbedingungen selbst mit der Spannung ändern.

Die Ladespannung muss daher von Impuls zu Impuls innerhalb von ±0.5 % wiederholgenau sein. Ein einfacher Komparator, der den Ladevorgang bei einem festgelegten Wert beendet, erreicht jedoch nur eine Genauigkeit von ±2 % bis ±5 %, da sich seine Schwelle mit Rauschen und Temperatur ändert.

Die Restspannung zwischen den Schüssen ist ebenfalls wichtig, da jeder Ladezyklus mit einem anderen Wert beginnt:

E_c = ½ · C_s · V_c²

Dabei ist E_c die gespeicherte Energie in J, C_s die Speicherkapazität in nF und V_c die Ladespannung in kV. Ein 10 nF-Bauteil, das auf 30 kV geladen ist, speichert 4.5 J; daher verändert jedes Volt Unsicherheit die Impulsenergie.

2.4 Die Schleifeninduktivität bestimmt die Anstiegszeit

Die Anstiegszeit ergibt sich aus der Schleifeninduktivität und der Speicherkapazität zusammen:

t_rise ≈ 2.2 · √(L_loop · C_s)

Dabei ist t_rise die Anstiegszeit in ns, L_loop die gesamte Schleifeninduktivität in nH und C_s die Speicherkapazität in nF. L_loop enthält die ESL des Speicherteils, die Induktivität des Schalters und die Induktivität des Verbindungspfads.

Dreht man die Gleichung um, wird die Induktivitätsgrenze explizit:

L_total ≤ t_rise² / (4.84 · C_s)

Dabei ist L_total die zulässige Gesamtinduktivität in nH, t_rise die Anstiegszeit in ns und C_s die Speicherkapazität in nF. Bei 300 ns und 10 nF beträgt der Grenzwert 1.86 µH, was zunächst großzügig erscheint, bis die Stromschiene berücksichtigt wird.

Abb. 1 — Bei 10 nF begrenzt das 300 ns-Anstiegsziel die Entladungsschleife auf 1.86 µH, und ein 100 mm langer Kabelweg trägt allein 500 nH dazu bei.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Die Induktivität der Sammelschiene verringert die Anstiegszeitreserve

Ein Verbindungspfad von mehr als 10 cm Länge mit Biegungen trägt allein über 500 nH bei. Addiert man die Schalterinduktivität und die ESL des Speicherteils, überschreitet die Gesamtkapazität 2 µH. Die Anstiegszeit übersteigt dann 300 ns, und die Entladung zerfällt in Filamente.

Verwenden Sie gestapelte Kupferplatten oder eine Koaxialleitung und halten Sie den Abstand zwischen den Platten gering. Eine laminierte Stromschiene mit Dünnschichtisolator hält die Anschlussinduktivität unter 10 nH.

Problempunkt 2: Ladezeit im Verhältnis zum Kühlfenster bei 700 Hz

Bei 700 Hz beträgt das Intervall zwischen den Impulsen 1.43 ms. Das Gerät muss drei Aufgaben intern erfüllen: die Restenergie abbauen, den Speicher wieder aufladen und die lokale thermische Rückgewinnung des Gases ermöglichen.

Das Laden eines 10 nF-Kondensators auf 30 kV erfordert 4.5 J in 1.43 ms, was einer durchschnittlichen Ladeleistung von ca. 3.15 kW entspricht. Das Ladegerät arbeitet kontinuierlich mit mehreren Kilowatt, und die Gleichrichterdiode in diesem Pfad führt in jedem Zyklus den vollen Strom. Um die Erholungsverluste gering zu halten, sollte ein schnelles Bauteil mit einer Erholungszeit (t_rr) unter 100 ns verwendet werden.

Problempunkt 3: Lebensdauer des Kondensators bei Nanosekunden-Hochstromentladung

Der maximale Entladestrom erreicht mehrere hundert Ampere, da die Schleifenimpedanz sehr niedrig ist. Der Impuls dauert einige hundert Nanosekunden. Unter dieser Belastung degradieren die metallisierten Elektrodenschichten, und die Kapazität driftet alle Million Impulse um einige Prozent.

Bei 700 Hz feuert der Laser in 24 Minuten eine Million Pulse ab. Ein Bauteil mit einer Nennleistung von 10⁷ Pulsen erreicht seine maximale Lebensdauer innerhalb weniger Tage im Dauerbetrieb, daher ist die Pulslebensdauer ein entscheidendes Kriterium. Ein Bauteil mit einer Nennleistung von über 5 × 10⁷ Pulsen bietet eine Betriebsreserve von mehreren Wochen.

Problempunkt 4: Wiederherstellung des Schalters innerhalb desselben Fensters

Eine Funkenstrecke benötigt die Deionisierung des Gases zwischen ihren Elektroden, bevor sie die Spannung wieder ableiten kann. Die Erholung dauert einige hundert Mikrosekunden bis einige Millisekunden. Bei 700 Hz beträgt dieses Zeitfenster 1.43 ms, sodass eine langsame Funkenstrecke nie vollständig erlischt.

Im nächsten Ladezyklus baut sich dann eine Spannung über einen noch leitenden Spalt auf, wodurch die Pulszeitmessung zusammenbricht. Entweder verwendet man einen für hohe Wiederholraten ausgelegten Spalt oder ersetzt ihn durch einen Festkörperstapel ohne Deionisierungszeit.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Den Speicherteil vom Kreislauf aus einstellen, nicht nur von der Energiequelle.

Wählen Sie die Kapazität anhand der gespeicherten Energie und überprüfen Sie anschließend die ESL, die dV/dt-Kennlinie und die Impulslebensdauer im Vergleich zur Schleife. Ein 10-nF-Bauteil mit einer ESL unter 20 nH gewährleistet eine erreichbare Anstiegszeit. Ein Bauteil mit einer ESL von 60 nH erreicht die Zielvorgabe von 300 ns unabhängig von der Aufbauweise der Stromschiene nicht.

Strategie 2: Bau einer Sammelschiene mit niedriger Induktivität

Verwenden Sie zwei parallele Kupferplatten mit einer dünnen PTFE-Folie dazwischen und halten Sie die Induktivität der Schleife unter 10 nH. Befestigen Sie alle Verbindungen mit Schrauben statt mit Lötzinn, damit die Teile während einer Testreihe ausgetauscht werden können. Messen Sie die Induktivität der aufgebauten Schleife vor dem ersten Schuss bei kurzgeschlossenem Schalter.

Strategie 3: Die Ladeversorgung auf ±0.5 % regeln

Nutzen Sie Resonanzladung mit zweistufiger Steuerung. Laden Sie mit konstanter Frequenz bis nahe an den Zielwert und schalten Sie dann in einen Feinjustierungsmodus mit reduziertem Strom. Vergleichen Sie eine DAC-Referenz mit der Teilerrückkopplung mittels eines schnellen Komparators und lassen Sie diesen den Ladeschalter schließen.

Dadurch verschiebt sich die Genauigkeitsgrenze von der Komparatorgeschwindigkeit zum Spannungsteiler, sodass der Spannungskoeffizient der Teilerteile zur kritischen Zahl wird.

Strategie 4: Funkenstrecke oberhalb von 500 Hz austauschen

Ein in Reihe geschalteter IGBT-Stack oder ein SiC-MOSFET-Stack benötigt keine Deionisierungszeit, und seine Wiederholratenbegrenzung ergibt sich allein aus der thermischen Auslegung. Ein Magnetschalter ist eine weitere Option für hohe Wiederholraten.

Eine Reihenschaltung benötigt ein Spannungsverteilungsnetzwerk zwischen den einzelnen Bauelementen. Verwenden Sie aufeinander abgestimmte Dickschichtwiderstände mit einer Toleranz von ±1 % und einem niedrigen Spannungskoeffizienten, damit die Schaltung die Spannung gleichmäßig aufteilt.

Strategie 5: Beobachten Sie die Entladungswellenform

Schalten Sie eine Rogowski-Spule in Reihe mit der Entladungsschleife und zeichnen Sie den Stromverlauf nach jedem Schuss auf. Ein Doppel- oder Mehrfachpeak deutet auf eine Überhitzung oder einen Lichtbogen hin. Reduzieren Sie die Ladespannung oder unterbrechen Sie den Testlauf, bevor die Röhre beschädigt wird.

Durch die Wellenformüberwachung wird die langsame Degradation des Speicherteils, des Schalters und des Gases in ein Signal umgewandelt, das innerhalb eines einzigen Impulses sichtbar wird.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Kapazität C_s	1 nF bis 20 nF	aus der Entladungsenergie bestimmt.
Bemessungsspannung	50 kV	bei 1.5-facher maximaler Ladespannung.
ESL (äquivalente Serieninduktivität)	unter 20 nH	Schraubklemmengehäuse.
dV/dt-Haltbarkeit	über 500 kV/µs	Nanosekunden-Impulsflanke.
Spitzenstrom	über 1 kA	Entladung im Bereich von wenigen hundert Nanosekunden.
Impulslebensdauer	über 5 × 10⁷ Schüsse	Volle Spannung und voller Strom.
Dielektrisches Material	N4700 Klasse I	geringe Verluste, lange Impulslebensdauer.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s.
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms.
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	bei 25 °C Umgebungstemperatur.
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand.
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit.
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe.
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung.

5. HVC-Bauteile für die Nanosekunden-Pulsschleife

Drei Komponentengruppen bilden die Grundlage einer heliumfreien LE-CO₂-Versorgung: der Impulsspeicher, die Ladeisolationsdiode und der Präzisionswiderstandssatz. Jede Gruppe wird unter Nanosekunden-Impulsbedingungen in einer 6,000 m² großen Fabrik in Dongguan im Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV geprüft.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Ein ESL unter 20 nH. HVCT8G Die Impulsbauteile halten die Schleifeninduktivität niedrig genug, um eine Anstiegszeit von 300 ns zu gewährleisten, wenn sie auf einer laminierten Stromschiene sitzen.
• Eine Impulslebensdauer von über 5 × 10⁷ Schüssen. N4700 Dielektrika der Klasse I behalten ihre Kapazität über Millionen von Entladungen hinweg, sodass die Durchbruchspannung konstant bleibt.
• Ein dV/dt-Wert über 500 kV/µs ist möglich. Das Dielektrikum folgt der Stromflanke, ohne dass die Kapazität abfällt, sodass die Impulsform das Gas intakt erreicht.
• Eine t_rr unter 100 ns und eine Rückwärtsnennspannung von 30 kV bis 100 kV. Fast-Recovery-Dioden Im Auslösezeitpunkt den geladenen Teil von der Ladeversorgung trennen.
• Ein Videorecorder mit einer Empfindlichkeit unter 0.5 ppm/V. HVRGXP Die Abtastteile halten das Teilerverhältnis bei einer Gleichspannungsvorspannung von 30 kV konstant, was für das Ladeziel von ±0.5 % erforderlich ist.
• Angepasste Spannungsverteilungssätze. HVR-BSP Dickschichtwiderstände Die Spannung wird gleichmäßig über einen in Reihe geschalteten Schalterstapel aufgeteilt, mit einer Toleranz innerhalb von ±1%.

Lieferung und Support

Standardbauteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen geliefert, kundenspezifische Speicherbänke innerhalb von 6 bis 10 Wochen – im Vergleich zu den üblichen 20 bis 30 Wochen für importierte Hochspannungsimpulsbauteile. Die Anwendungstechnik für Hochspannungselektronik unterstützt die Berechnung der Schleifeninduktivität, die Auslegung von Kondensatorbänken und die Entwicklung der Laderegelung.

Bitte senden Sie die Durchbruchspannung, die Wiederholrate, den Spitzenstrom und die Impulsbreite. HVC erstellt Ihnen innerhalb von fünf Werktagen einen Speicherbankvorschlag mit Teilenummern, ESL- und Lebensdauerdaten sowie zwei Testmustern. Die Teile entsprechen außerdem den elektrischen Parametern von TDK und Vishay-Impulsbereiche. Universitäten und Forschungsinstitute können für Forschungsprojekte nicht standardmäßige Kapazitäts- und Spannungswerte anfordern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum benötigt ein heliumfreier LE CO2-Laser eine Anstiegszeit von 300 ns?

Da die Vorionisation ausbleibt, führt ein langsamer Spannungsanstieg dazu, dass die Entladung den Weg des geringsten Widerstands nimmt und der Lichtbogen sich von einem Volumenglühen zu einem Glühfaden entwickelt. Für eine 30-kV-Spannung ist eine Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dV/dt) von mindestens 100 kV/µs erforderlich, wodurch die Anstiegszeit auf maximal 300 ns begrenzt wird.

Frage 2: Wie hoch darf die zulässige Schleifeninduktivität sein?

Es hängt von der Speicherkapazität ab. Die Grenze liegt bei L_total ≤ t_rise² / (4.84 · C_s), was bei 300 ns und 10 nF 1.86 µH ergibt. Der Speicherteil ESL, der Schalter und die Sammelschiene verbrauchen alle innerhalb dieser Grenze. Eine Sammelschiene mit einer Länge von mehr als 10 cm und Biegungen kann allein 500 nH verbrauchen.

Frage 3: Warum ist eine Wiederholgenauigkeit des Ladevorgangs von ±0.5 % erforderlich?

Da die Laserleistung der Entladespannung um den Faktor drei bis fünf folgt, führt ein Spannungsfehler von 1 % zu einem Energiefehler von 3 % bis 5 %, und ein einfacher Komparator erreicht lediglich eine Genauigkeit von ±2 % bis ±5 %. Eine DAC-Referenz mit Präzisionsteiler und schnellem Komparator schließt den Ladeschalter an einem reproduzierbaren Schwellenwert.

Frage 4: Wie lange hält der Speicherkondensator bei 700 Hz?

Bei 700 Hz feuert der Laser in 24 Minuten eine Million Pulse ab. Ein Bauteil mit einer Nennleistung von 10⁷ Schüssen erreicht diese Zahl erst nach wenigen Tagen Dauerbetrieb – das ist also nicht ausreichend. Wählen Sie ein Bauteil mit einer Nennleistung von über 5 × 10⁷ Schüssen. Damit ist ein wochenlanger Dauerbetrieb möglich, bevor die Kapazität um einige Prozent abdriftet.

Frage 5: Kann ich die Funkenstrecke bei 700 Hz belassen?

Nur mit einem für hohe Wiederholraten ausgelegten Spalt, wie beispielsweise einer Hochdruckwasserstofffüllung mit geringem Spaltabstand, ist dies möglich. Standardspalte benötigen mehrere hundert Mikrosekunden bis einige Millisekunden zur Erholung, und das Zeitfenster beträgt lediglich 1.43 ms. Ein in Reihe geschalteter IGBT- oder SiC-MOSFET-Stack beseitigt die Deionisierungsgrenze vollständig.

Frage 6: Woran erkenne ich, dass die Entladung noch gleichmäßig ist?

Erfassen Sie bei jedem Schuss den Entladestrom mit einer Rogowski-Spule. Ein einzelner, sauberer Peak deutet auf eine Volumenentladung hin. Ein Doppel- oder Mehrfachpeak deutet auf Glühfadenbildung oder lokale Lichtbogenbildung hin. Reduzieren Sie die Ladespannung oder unterbrechen Sie den Test, sobald sich die Wellenform ändert.

7. Referenzen

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