DE4010366A1

DE4010366A1 - Hochspannungs-impulserzeugungsschaltung sowie entladungserregter laser und beschleuniger, die eine solche schaltung enthalten

Info

Publication number: DE4010366A1
Application number: DE4010366A
Authority: DE
Inventors: Shin Nakajima; Osamu Shimoe; Rihito Kagawa
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DE4010366C2; JPH0316189A; US5072191A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung zur Verwendung in entladungserregten Lasern wie zum Beispiel Kupferdampflasern, Excimer-Lasern usw. und Beschleu nigern wie beispielsweise linearen Induktionsbeschleunigern und mehr im einzelnen eine Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung, welche eine magnetische Impulskompressionsschal tung umfaßt.

Entladungserregte Laser wie zum Beispiel Kupferdampflaser, Excimer-Laser usw. sind gedacht zur Verwendung zur Urananrei cherung, Lithographie, usw.

Solche entladungserregten Laser müssen große Leistung, hohe Impulsfolgefrequenz, hohe Zuverlässigkeit, und lange Nut zungsdauer aufweisen. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wird eine Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung verwendet, wie in Fig. 4 gezeigt.

Diese Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung umfaßt eine variable Hochspannungs-Gleichspannungs quelle 1, einen Widerstand 2 zum Laden eines Hauptkondensa tors 5, ein Thyratron 3, eine Spule 4, einen Kondensator 6, Haupt-Laserentladungselektroden 7, eine Sättigungsdrossel 8, eine Spule 9 zum Laden des Hauptkondensators 5, einen Spit zenwertkondensator 10, eine Ausgangswicklung 11 der Sätti gungsdrossel 8, eine Rückstellwicklung 12 für die Sättigungs drossel 8 und eine Rückstellschaltung 14 für die Sättigungs drossel 8. Die Rückstellschaltung 14 weist Ausgangsklemmen 15, 16 auf, die mit den Klemmen der Rückstellwicklung 12 der Sättigungsdrossel 8 verbunden sind.

Anhand der Fig. 4, 9 und 10 wird der Betrieb dieser Schal tung erläutert, wenn Parameter der Komponenten so optimiert werden, daß der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem Hauptkondensator 5 zu dem Spitzenwertkondensator 10 maximal ist.

Übrigens weist in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung die Rückstellschaltung 14 der Sättigungsdrossel 8 einen in Fig. 5 gezeigten Aufbau auf. In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszei chen 17 eine Gleichspannungsquelle, 18 einen Widerstand und 19 eine Spule zum Abdämpfen der Stoßspannung.

In der Ausschaltzeit des Thyratrons 3 wird die Sättigungs drossel 8 von einem Punkt e auf einen Punkt a in Fig. 9 zu rückgestellt durch eine Magnetisierungskraft Hr, die erzeugt wird durch Strom zum Laden des Hauptkondensators 5, welcher einen Weg durchfließt von einer positiven Elektrode der Gleichspannungsquelle 1 zu dem Widerstand 2, der Spule 4, dem Hauptkondensator 5, der Ausgangswicklung 11, der Sättigungs drossel 8, der Spule 9 und einer negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle 1 sowie durch einen Rückstellstrom Ic, welcher von der Rückstellschaltung 14 zu der Rückstellwick lung 12 der Sättigungsdrossel 8 fließt.

Wenn dann das Thyratron 3 bei t=0 in Fig. 10 eingeschaltet wird, steigt die Klemmenspannung v₆ des Kondensators 6, wie in Fig. 10(a) gezeigt, in der in Fig. 4 gezeigten Polarität an durch einen in Fig. 10(b) gezeigten Entladungsstrom i₁, welcher einen Weg durchfließt von einer positiven Elektrode des Hauptkondensators 5 zu der Spule 4, dem Thyratron 3, dem Kondensator 6 und einer negativen Elektrode des Hauptkonden sators 5. Während dieser Zeitdauer verändert sich die Magnet flußdichte der Sättigungsdrossel 8 in Fig. 9 von einem Punkt a zu einem Punkt b hin. Da zu dieser Zeit die Ausgangswick lung 11 der Sättigungsdrossel 8 eine äußerst große Induktivi tät L₁₁ (ungesättigt) aufweist, ist ein Strom i₂, der einen Weg durchfließt von dem Kondensator 6 zu dem Kondensator 10, der Ausgangswicklung 11, der Sättigungsdrossel 8 und dem Kon densator 6, ganz wesentlich geringer als der Strom i₁, wie in Fig. 10(e) gezeigt. Also befindet sich die Sättigungsdrossel 8 äquivalent in einem Ausschaltzustand. Wie in Fig. 10(c) gezeigt, sperrt daher die Ausgangswicklung 11 der Sättigungs drossel 8 die Spannung mit einer in Fig. 4 gezeigten Polari tät.

Wenn der Strom i₁ bei t=τ₁ Null wird, erreicht die Magnet flußdichte der Sättigungsdrossel 8 einen Punkt b in Fig. 9, so daß ein Magnetkern der Sättigungsdrossel 8 gesättigt wird. Zu dieser Zeit weist die Ausgangswicklung 11 der Spule 8 eine Induktivität L₁₁ (gesättigt) auf, die ausreichend kleiner ist als die Induktivität der Spule 4, so daß ein Großteil der La dungen, die in dem Kondensator 6 gespeichert sind, als Strom i₂ in der in Fig. 4 gezeigten Richtung fließt. Wie in Fig. 10(e) gezeigt, nimmt i₂ drastisch zu, so daß die Magnetfluß dichte der Sättigungsdrossel 8 sich verändert in Fig. 10 von einem Punkt b über einen Punkt c zu einem Punkt Br. Dement sprechend wird in dem Kondensator 6 gespeicherte Energie größtenteils zu dem Spitzenwertkondensator 10 übertragen, wie in Fig. 10(d) gezeigt.

Übrigens wird eine Zeitspanne von dem Einschalten des Thy ratrons 3 bis zu einer Zeit, bei welcher der Strom i₂ Null wird, Auftastzeit (gate period) genannt. Unter der Annahme, daß kein Element einen Verlust erleidet, gilt:

Unter der Annahme v₆≅v₁₁ gilt:

E Eingangsgleichspannung (V)
N₁₁ Anzahl Windungen der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
Ae effektiver Querschnitt (m²) der Sättigungsdrossel 8
δ B _m Betriebsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Bs Sättigungsmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
Br Restmagnetflußdichte (T) der Sättigungsdrossel 8
L₄ Induktivität (H) der Spule 4
L₁₁_(sat) Induktivität (H) der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8
C₅ Kapazität (F) des Hauptkondensators 5
C₆ Kapazität (F) des Kondensators 6
C₁₀ Kapazität (F) des Spitzenwertkondensators 10
H _LM Gate-Magnetisierungskraft der Sättigungsdrossel 8
I₂_m Wellenhöhe (A) von i₂
le mittl. magnetische Pfadlänge (m) der Sättigungsdrossel 8

Sobald die gesamte Energie des Kondensators 6 zu dem Spitzen wertkondensators 10 übertragen ist, erfolgt ein Durchbruch der Haupt-Laserentladungselektroden 7 zu einem Zeitpunkt τ₁+ τ₂, wie in Fig. 10 gezeigt, so daß die Energie des Spitzen wertkondensators 10 in einem Lasergas verbraucht wird. Obwohl zu diesem Zeitpunkt die meiste Energie, die in dem Spitzen wertkondensator 10 gespeichert ist, über die Haupt-Laserent ladungselektroden 7 in einem Lasergas verbraucht wird, wird ein Teil der Energie dazu verwendet, die Sättigungsdrossel 8 zurückzustellen. Durch diese Energie verändert sich die Ma gnetflußdichte der Sättigungsdrossel 8 in Fig. 9 von einem Punkt Br über einen Punkt d zu einem Punkt e.

Die obige Operation wird gewöhnlich mit einer vorbestimmten Impulsfolgefrequenz wiederholt.

Übrigens funktioniert die Rückstellschaltung 14 zum Rückstel len der Sättigungsdrossel 8 auf eine Magnetflußdichte, die kleiner ist als Br, selbst wenn der von dem Hauptkondensator 5 entladene Strom kleiner ist als der Strom, der erforderlich ist zur Erzeugung einer Vollrückstellungs-Magnetisierungs kraft Hr des Magnetkernes der Sättigungsdrossel 8. Die Ein zelheiten der Rückstellschaltung sind beschrieben in dem of fengelegten japanischen Patent 63-1 71 172 usw.

In der obigen herkömmlichen Schaltung ist eine magnetische Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel vor handen, aber einige Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltungen umfassen mehrstufige magnetische Impulskompressionsschaltun gen, die aus einer Mehrzahl magnetischer Impulskompressions schaltungen mit je einer Sättigungsdrossel bestehen. Auch in dem Fall von Beschleunigern wie zum Beispiel linearen Induk tionsbeschleunigern werden meistens Hochspannungs-Impulser zeugungsschaltungen verwendet, die mehrstufige magnetische Impulskompressionsschaltungen umfassen, da eine hohe Leistung benötigt wird.

Übrigens ist das Prinzip einer magnetischen Impulskompres sionschaltung beschrieben in "The Use of Saturable Reactors As Discharge Devices for Pulse Generators", W. S. Melville, Proceedings of Institute of Electrical Engineers, (London) Vol. 98, Part 3, No. 53, pp.185-207 (1951). Die Anwendung einer solchen Schaltung auf entladungserregte Laser ist beschrieben in "Electrical Excitation of an XeCl Laser Using Magnetic Pulse Compression", I. Smilanski, S. R. Byron and T. R. Burkes, Appl. Phys. Lett. 40 (7), pp. 547-548 (1982). Die magnetische Impulskompressionschaltung unter Verwendung von Halbleiterelementen ist beschrieben in US-Patent 45 49 091 und in "An Efficient Laser Pulser Using Ferrite Magnetic Switches", H. J. Baker, P. A. Ellsmore and E. C. Sille, J. Phys. E. Sci. Instrument 21 (1988), pp. 218-224.

Auch in Beschleunigern wie zum Beispiel linearen Induktions beschleunigern für Freielektronen-Laser usw. können Hochspan nungs-Impulserzeugungsschaltungen mit dem gleichen System verwendet werden, wie oben beschrieben. Die Einzelheiten sind zum Beispiel beschrieben in D. Birx, E. Cook, S. Hawkins, S. Poor, L. Reginato, J. Schmidt and M. Smith: "The Application of Magnetic Switches al Pulse Sources for Induction Linacs", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, pp. 2763-2768 (1983), und in US-Patent 47 30 166.

In entladungserregten Lasern sind die Stabilisierung der La serleistung und die Verminderung von Jitter erforderlich. Zum Beispiel ist es in Excimer-Lasern für Lithographie erforder lich, eine Laserleistung von etwa 100 mJ je Impuls über eine Zeitdauer von 10⁸ Shots oder mehr in einer Impulsfolgefre quenz von etwa 500 Hz zu liefern. Da aber ein Lasergas durch wiederholte Operation verschlechtert wird, ist es erforder lich, eine dem Lasergas zuzuführende Energie allmählich zu vergrößern, um die obigen Leistungsanforderungen zu befriedi gen. Zu diesem Zweck wird in der in Fig. 4 gezeigten her kömmlichen Schaltung die Eingangsgleichspannung allmählich erhöht. Da in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung die Be triebsmagnetflußdichte (δ B _m, ausgedrückt durch die Formel (4)) der Sättigungsdrossel 8 in einer Auftastperiode konstant ist, weisen Spannung und Strom bei den Hauptelementen in der Schaltung die in Fig. 11 gezeigten Wellenformen auf, wenn die Eingangsgleichspannung niedriger ist als ein Optimalwert, bei welchem der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem Hauptkondensator 5 zu dem Spitzenwertkondensator 10 maximal ist. Wenn andererseits die Eingangsgleichspannung höher ist als der obige Optimalwert, werden die Spannungs- und Strom wellenformen so, wie in Fig. 12 gezeigt. In beiden Fällen nimmt der Energieübertragungs-Wirkungsgrad von dem Hauptkon densator 12 zu dem Spitzenwertkondensator 10 ab, und ein Nachstrom des zwischen den Hauptelektroden des Thyratrons 3 fließenden Stromes i₁ nimmt zu, was das Fließen eines umge kehrten Stromes bewirkt. Folglich nimmt der Verlust des Thy ratrons 3 zu. Da ferner ein Prozentsatz von Energie, welcher nicht zu der Laseroszillation beiträgt, in dem Lasergas zu nimmt, nimmt die Nutzungsdauer des Lasergases ab. Daher ist die Anzahl Shots, durch welche eine konstante Laserleistung erzielt werden kann, auf etwa 10⁶ beschränkt.

In den Kupferdampflasern, die in einem Urananreicherungspro zeß verwendet werden, wird eine stabile kontinuierliche Ope ration mit einer Impulsfolgefrequenz von 5 kHz oder mehr benötigt bei einer Laserleistung von etwa 100 W mit einem Jitter von ± 3 Nanosekunden oder weniger über etwa 1000 Stun den oder mehr. Da solche Laser mit einer um eine Größenord nung höheren Impulsfolgefrequenz betrieben werden als die Ex cimer-Laser, ist es sehr erwünscht, eine Hochspannungs-Im pulserzeugungsschaltung zu verwenden, welche eine mehrstufige magnetische Impulskompressionsschaltung und Halbleiterele mente wie beispielsweise Thyristoren anstelle von Thyratrons als Schaltelemente umfaßt. In der herkömmlichen Hochspan nungs-Impulserzeugungsschaltung, die eine mehrstufige magne tische Impulskompressionsschaltung verwendet, sollte jedoch zum Optimieren des Energieübertragungs-Wirkungsgrades von dem Hauptkondensator zu dem Spitzenwertkondensator in einem End stadium die Induktivität in jeder magnetischen Impulskompres sionsschaltung verstellt werden. Zu diesem Zweck wird eine Spule in Reihe zu einer Sättigungsdrossel in jeder magneti schen Impulskompressionsschaltung eingefügt, um eine Impuls dauer des Stromes zu messen, der nach der Sättigung der Sättigungsdrossel fließt, und dann wird eine Spule mit einer unterschiedlichen Induktivität in Reihe zu der Sättigungs drossel eingefügt. Dies geschieht, da die Betriebsmagnetfluß dichte der Sättigungsdrossel, die jede magnetische Impulskom pressionsschaltung bildet, in einer Auftastperiode konstant ist wie w B _m in der obigen Formel (4). Zusätzlich sollte die obige Prozedur verwendet werden bei der Einstellung der ma gnetischen Impulskompressionsschaltung in der synchronen Ope ration einer Mehrzahl von Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltungen, so daß es äußerst schwierig ist, ein derartiges System in kommerziellen Anlagen zu verwenden, welche die syn chrone Operation einer Mehrzahl von Hochspannungs-Impuls erzeugungsschaltungen benötigen.

In Freielektronenlasern oder linearen Induktionsbeschleuni gern, die zur Plasmaerhitzung von Kernfusionsanlagen verwen det werden, sollten einer Art von Transformator zum Beschleu nigen von Elektronenstrahlen, welcher als Beschleunigerzelle (accelerator cell) bezeichnet wird, Rechteckimgulse zugeführt werden mit einer Spannungswellenhöhe von einigen hundert kV, einer Stromwellenhöhe von einigen zehn kA und einer Impuls dauer von etwa 100 Nanosekunden, mit Jitter innerhalb einiger Nanosekunden bei einer Impulswiederholfrequenz von einigen kHz oder mehr in einem Burst-Modus über eine möglichst lange Zeitspanne. In der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung in diesen Anwendungen wird eine mehrstufige magnetische Impuls kompressionsschaltung verwendet, die Thyratrons als parallele Schaltelemente umfaßt. Bei dieser Hochspannungs-Impulserzeu gungsschaltung besteht das Problem, daß der Energieübertra gungswirkungsgrad im Verlauf der Betriebszeit abnimmt, da die Betriebsmagnetflußdichte des magnetischen Kernes der Sätti gungsdrossel in einer Auftastperiode durch wiederholte Opera tion abnimmt wegen des Temperaturanstiegs, der durch den Ver lust der Sättigungsdrossel verursacht wird.

Dementsprechend ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung ei ner Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, die sich mit ho her Impulswiederholfrequenz mit hoher Zuverlässigkeit betrei ben läßt, ohne die Abnahme des Energieübertragungs-Wirkungs grades, die Zunahme an Schaltelementverlust und die Erzeugung von Ausgangsleistungsjitter zu erleiden, selbst wenn die Ver änderung von Merkmalen jedes Elementes wie zum Beispiel eine Eingangsspannungsänderung, eine Belastungsänderung usw. stattfindet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines ent ladungserregten Lasers, der eine solche Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung umfaßt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Be schleunigers, der eine solche Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung umfaßt.

Die Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung gemäß der Erfin dung umfaßt also eine magnetische Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und eine veränderliche Spule, die auf der Eingangsseite der Sättigungsdrossel vorgesehen ist zur Steuerung einer Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungsdrossel anzulegen ist.

Der entladungserregte Laser gemäß der Erfindung umfaßt eine Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, welche eine magneti sche Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und einer veränderlichen Spule umfaßt, die auf der Eingangs seite der Sättigungsdrossel vorgesehen ist zur Steuerung ei ner Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungs drossel anzulegen ist.

Der Beschleuniger gemäß der Erfindung umfaßt eine Hochspan nungs-Impulserzeugungsschaltung, welche eine magnetische Im pulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und einer veränderlichen Spule umfaßt, die auf der Eingangsseite der Sättigungsdrossel vorgesehen ist zur Steuerung einer Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungsdros sel anzulegen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schemabild der Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 2 ein Schemabild der Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Schemabild der Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein Schemabild einer herkömmlichen Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung;

Fig. 5 ein Schemabild einer Rückstellschaltung, die in der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung verwendet wird;

Fig. 6 ein Schemabild einer Rückstellschaltung, die in der in Fig. 2 gezeigten Hochspannungs-Impulserzeu gungsschaltung verwendet wird;

Fig. 7 ein Schemabild einer veränderlichen Spule, die in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung verwendet wird;

Fig. 8 ein Schemabild eine veränderlichen Spule, die in der in Fig. 3 gezeigten Hochspannungs-Impulserzeu gungsschaltung verwendet wird;

Fig. 9 ein Diagramm, das schematisch die Betriebsmagneti sierungskurve einer Sättigungsdrossel zeigt;

Fig. 10(a) bis 10(e) Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung in verschiedenen Elementen in den Fig. 1 bis 3, wenn die Eingangsspannung in Fig. 4 optimiert ist;

Fig. 11(a) bis (e) Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung in verschiedenen Elementen in Fig. 4, wenn die Eingangsgleichspannung niedriger ist als ein opti maler Wert;

Fig. 12(a) bis (e) Diagramme von Wellenformen von Strom und Spannung in verschiedenen Elementen in Fig. 4, wenn die Eingangsgleichspannung höher als ein optimaler Wert ist;

Fig. 13(a) ein Diagramm der Beziehung zwischen Induktivität und Anzahl von Shots;

Fig. 13(b) ein Diagramm der Beziehung zwischen Laserlei stung und Anzahl Shots;

Fig. 13(c) ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Ener gieübertragungs-Wirkungsgrad und der Anzahl Shots; und

Fig. 13(d) ein Diagramm der Beziehung zwischen Eingangs spannung und Anzahl Shots.

Selbst wenn in der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung der Erfindung die Eingangsspannungs-Impulssperrdauer τ _s₁ der Sättigungsdrossel kürzer wird als eine optimale Dauer τ₁, bei welcher der Energieübertragungs-Wirkungsgrad maximal ist durch Erhöhung der Eingangsgleichspannung, wird die Eingangs spannungs-Impulssperrdauer τ _s₁ der optimalen Dauer τ₁ gleich gehalten durch Verminderung der Induktivität einer veränder lichen Spule auf einen angemessenen Wert.

In der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung der Erfindung kann eine Steuereinrichtung vorgesehen werden zur Veränderung der veränderlichen Spule je nach der Eingangsgleichspannung, welche der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung zugeführt wird.

Durch diesen Schaltungsaufbau wird, selbst wenn die Eingangs gleichspannung verändert wird, der Energieübertragungs-Wir kungsgrad immer optimal gehalten, und die Hauptschaltelemente werden stabil betrieben.

In dem Fall eines entladungserregten Lasers sollte, da ein Lasergas allmählich verschlechtert wird, die dem Lasergas zu geführte Energie erhöht werden, um die Laserleistung konstant zu halten. In der Praxis sollte die Eingangsgleichspannung mit Verschlechterung des Lasergases erhöht werden. Dement sprechend befindet sich in dem entladungserregten Laser mit einer Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, die eine ma gnetische Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungs drossel umfaßt, wünschenswerterweise eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der veränderlichen Spule, um die Dauer des Spannungsimpulses zu steuern, der an die Sätti gungsdrossel in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung angelegt wird.

Auch in dem Fall eines Beschleunigers mit einer Hochspan nungs-Impulserzeugungsschaltung, die eine magnetische Impuls kompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel umfaßt, wie zum Beispiel eines linearen Induktionsbeschleunigers, ist es wichtig, Energie effizient zu nutzen, und zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Abnahme des Energieübertragungs-Wir kungsgrades zu verhindern, welche verursacht wird durch die Abnahme der Betriebsmagnetflußdichte eines magnetischen Kernes aufgrund der Wärmeerzeugung der Sättigungsdrossel. Dementsprechend umfaßt der Beschleuniger wünschenswerterweise eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der veränderlichen Spule, welche die Dauer des Spannungsimpulses steuert, der an die Sättigungsdrossel angelegt wird in Abhän gigkeit von der Abnahme der Betriebsmagnetflußdichte des ma gnetischen Kernes der Sättigungsdrossel.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Schaltung umfaßt eine veränderliche Spule 20 anstelle einer Spule 4 in Fig. 1 auf der Eingangsseite eines Hauptkondensators 5. Hinsichtlich anderer Elemente ist die Schaltung von Fig. 1 im wesentlichen identisch mit der Schaltung von Fig. 4.

Ein typisches Beispiel für diese veränderliche Spule 20 ist eine Solenoidspule mit einem in Fig. 7 gezeigten Quer schnitt. Die veränderliche Solenoid-Spule 20 kann aus einem in Fig. 7(a) gezeigten Zustand zu einem in Fig. 7(b) ge zeigten Zustand erweitert werden in der durch den Pfeil ange zeigten Richtung, um dadurch die Induktivität zu vermindern. Die Längsausdehnung der Spule 20 ist derart veränderlich in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, daß die Sättigungs drossel 8 zu einem Zeitpunkt gesättigt wird, wenn die dem Spitzenwertkondensator 10 zugeführte Energie maximal ist. In der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung von Fig. 1 sind die Spannungs- und Stromwellenformen so, wie in Fig. 10 für jedes Element gezeigt.

Übrigens kann die Eingangsspannung derart verändert werden, daß die Laserleistung konstant gehalten wird, wodurch die In duktivität der veränderlichen Spule 20 gesteuert wird.

Fig. 13 zeigt die Kennlinien der in Fig. 1 gezeigten Hoch spannungs-Impulserzeugungsschaltung und der in Fig. 4 ge zeigten herkömmlichen Hochspannungs-Impulserzeugungsschal tung, wenn beide in einem KrF-Excimer-Laser verwendet werden.

In beiden Fällen besitzen der Hauptkondensator 5, der Konden sator 6 und der Spitzenwertkondensator 10 je eine Kapazität von 20 nF, die Haupt-Laserentladungselektroden 7 weist einen effektiven Abstand von 500 mm auf, und ein Magnetkern der Sättigungsdrossel 8 wird gebildet durch 6 aufgeschichtete gewickelte Kerne (155 mm ⌀×60 mm ⌀×25 mm), jeder von denen zusammengesetzt ist aus einem amorphen Legierungsband auf Kupferbasis und einem interlaminaren Isolierfilm aus Poly äthylen-Terephtalat. Die Sättigungsdrossel weist eine Betriebsmagnetflußdichte von 1,1 T und eine Impulswieder holfrequenz von 300 Hz auf.

Wie in den Fig. 13(a) bis (d) gezeigt, ist die Hochspan nungs-Impulserzeugungsschaltung der Erfindung besser als die herkömmliche Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung von Fig. 4 in der Laserleistungsstabilität und dem Energieübertra gungs-Wirkungsgrad.

Fig. 2 zeigt eine Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung mit einer mehrstufigen magnetischen Impulskompressionsschal tung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Diese Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, die zweistufige ma gnetische Impulskompressionsschaltungen umfaßt, kann für einen entladungserregten Laser verwendet werden.

Diese Schaltung umfaßt zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Elementen eine zweite veränderliche Spule 21, eine zweite Sättigungsdrossel 22 mit einer Ausgangswicklung 23 und einer Rückstellwicklung 24, einen Spitzenwertkondensator 25, eine Rückstellschaltung 26 für die zweite Sättigungsdrossel 22, welche Klemmen 27, 28 aufweist, die mit der Rückstellwicklung 24 verbunden sind. Die Rückstellschaltung 26 weist einen in Fig. 6 gezeigten Schaltungsaufbau auf, welcher eine Gleich spannungsquelle 29, einen Widerstand 30 und eine Spule 31 zum Abdämpfen der Stoßspannung umfaßt.

Diese Schaltung umfaßt zwei veränderliche Spulen 20, 21, jede von denen einen in Fig. 7 gezeigten Solenoidaufbau aufweist, auf der Eingangsseite des Hauptkondensators 5 bzw. auf der Eingangsseite der Sättigungsdrossel 11, welche die erste ma gnetische Impulskompressionsschaltung bildet.

In dieser Schaltung werden die Zeitbemessung der Sättigung der Sättigungsdrossel 8 und die Zeitbemessung der Sättigung der Sättigungsdrossel 22 so festgelegt, daß die dem Endstu fen-Spitzenwertkondensator 25 zugeführte Energie maximal wird durch Verändern der Induktivität jeder veränderlichen Spule 20, 21 in Abhängigkeit von der Veränderung der Eingangsspan nung.

Die Schaltung dieser Ausführungsform ist auch ausgezeichnet in der Laserleistungsstabilität und dem Energieübertragungs- Wirkungsgrad im Vergleich zu einem entladungserregten Laser mit der herkömmlichen Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung.

Fig. 3 zeigt eine Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung umfaßt eine Span nungsverdopplerschaltung (LC-Inversionsschaltung) zusätzlich zu der magnetischen Impulskompressionsschaltung, und sie kann ebenfalls für einen entladungserregten Laser verwendet wer den. In dieser Schaltung bezeichnen das Bezugszeichen 41 einen ersten Hauptkondensator, das Bezugszeichen 42 einen zweiten Hauptkondensator und die übrigen Elemente sind die gleichen wie in Fig. 1.

In dieser Schaltung werden in einer Ausschaltzeit des Thy ratrons 3 Ladungen in dem ersten Hauptkondensator 41 und dem zweiten Hauptkondensator 42 gespeichert in Polaritäten, wie in Fig. 3 gezeigt. Wenn das Thyratron 3 eingeschaltet wird, durchfließen die in dem zweiten Hauptkondensator 42 gespei cherten Ladungen einen Weg von einer positiven Elektrode des zweiten Hauptkondensators 42 zu einer veränderlichen Spule 20, dem Thyratron 3 und einer negativen Elektrode des zweiten Hauptkondensators 42, so daß die Polarität des zweiten Haupt kondensators 42 umgekehrt wird. Andererseits werden die in dem ersten Hauptkondensator 41 gespeicherten Ladungen, welche anderenfalls einen Weg durchfließen würden von einer positi ven Elektrode des ersten Hauptkondensators 41 zu der verän derlichen Spule 20, dem Thyratron 3, dem Kondensator 10; der Ausgangswicklung 11 der Sättigungsdrossel 8 und einer negati ven Elektrode des ersten Hauptkondensators 41, nicht wesent lich entladen, da die Ausgangswicklung 11 eine extrem große Induktivität L₁₁ aufweist, was bedeutet, daß sie sich äquiva lent in einem Ausschaltzustand befindet. Dementsprechend wird in einer Zeitspanne, bis die Sättigungsdrossel 8 nach dem Ausschalten des Thyratrons 3 gesättigt wird, Spannung er zeugt, wobei ihre negative Polarität auf den ersten und den zweiten Hauptkondensator 41, 42 gerichtet ist und ihre posi tive Polarität auf einen Punkt 44 gerichtet ist. Wenn die In duktivität der veränderlichen Spule 20 so optimiert wird, daß die Sättigungsdrossel gerade zu dem Zeitpunkt gesättigt ist, wenn die in einer in Fig. 3 gezeigten Polarität gespeicher ten Ladungen in dem zweiten Hauptkondensator 42 in einer Aus schaltzeit des Thyratrons 3 vollständig umgekehrt werden nach dem Einschalten des Thyratrons 3, kann eine etwa doppelt so hohe Spannung wie die Eingangsspannung zwischen den Punkten 43 und 44 erzeugt werden, unter der Annahme, daß in jedem Element kein Verlust auftritt. Auf diese Weise ist der Ener gieübertragungs-Wirkungsgrad zu dem Spitzenwertkondensator 10 maximal.

Die veränderliche Spule 20 in dieser Schaltung weist eine In duktivität auf, welche den optimalen Betrieb in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung ermöglicht. In dieser Ausfüh rungsform wird die veränderliche Spule 20 gebildet durch ein kreisförmiges Solenoid, wie in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 8 bezeichnen das Bezugszeichen 51 eine Spule und das Bezugszei chen eine Führung, entlang welcher die Spule 51 ausdehnbar ist. Die Induktivität der Spule 51 kann vermindert werden durch Ausdehnen der Spule 51 aus einem Zustand (a) zu einem Zustand (b) in Fig. 8.

Die Schaltung dieser Ausführungsform ist ebenfalls ausge zeichnet in der Laserleistungsstabilität und dem Energieüber tragungs-Wirkungsgrad in Vergleich zu einem entladungserreg ten Laser mit der herkömmlichen Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung und umfaßt eine Spannungsverdopp lerschaltung und eine magnetische Impulskompressionsschal tung.

Wie oben im einzelnen beschrieben, umfaßt die Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung gemäß der Erfindung eine magneti sche Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und einer veränderlichen Spule, die auf der Eingangsseite der magnetischen Impulskompressionsschaltung vorgesehen ist zur Steuerung der Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungsdrossel angelegt wird. Selbst wenn die Eingangs gleichspannung, die Betriebsmagnetflußdichte der Sättigungs drossel, usw. variieren, kann dementsprechend der Energie übertragungs-Wirkungsgrad auf einem optimalen Niveau gehalten werden.

Daher fällt in entladungserregten Lasern, die wegen der Ver schlechterung eines Lasergases eine konstante Leistungssteue rung benötigen, beispielsweise in Excimerlasern, die Laser leistung nicht drastisch ab wegen der Verschlechterung eines Lasergases, obwohl die Eingangsgleichspannung zunimmt. Also kann ein konstanter Betrieb bei einer bemerkenswert erhöhten Anzahl von Shots mit hoher Zuverlässigkeit und langer Nut zungsdauer erzielt werden.

Außerdem sollte in entladungserregten Lasern wie beispiels weise Kupferdampflasern, die zur Urananreicherung verwendet werden, TEMA (transversely excited multi-atmospheric pres sure)-CO₂-Lasern, usw. oder Beschleunigern wie zum Beispiel linearen Induktionsbeschleunigern, in welchen eine Mehrzahl von Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltungen mit hoher Im pulsfolgefrequenz synchron betrieben wird, die Operation je der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung synchron durchge führt werden. Gemäß der Erfindung kann die veränderliche Spule leicht den Zeitablauf jeder Hochspannungs-Impulserzeu gungsschaltung steuern, so daß ein System mit einer Mehrzahl von synchron betriebenen Hochspannungs-Impulserzeugungsschal tungen praktisch mit Nutzen angewendet werden kann.

Ferner sollten mehrstufige magnetische Impulskompressions schaltungen verwendet werden in Fällen, in denen Halbleiter elemente wie Thyristoren als Schaltelemente anstelle von Ent ladungselementen wie Thyratrons usw. verwendet werden, oder in Fällen, in denen lineare Induktionsbeschleuniger mit hohen Ausgangsleistungen verwendet werden. In solchen Fällen sollte der optimale Betrieb einer magnetischen Impulskompressions schaltung in jeder Stufe erreicht werden. Gemäß der Erfindung kann der optimale Betrieb unter Verwendung einer veränderli chen Spule leicht erzielt werden.

Claims

1. Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, gekennzeichnet durch eine magnetische Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel (8) und eine veränderliche Spule (20), die auf der Eingangsseite der Sättigungsdrossel (8) vorgesehen ist zur Steuerung einer Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungsdrossel (8) anzulegen ist.

2. Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Induktivität der veränderlichen Spule (20) in Abhängig keit von der Eingangs-Versorgungsgleichspannung, die der Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung zugeführt wird.

3. Entladungserregter Laser, gekennzeichnet durch eine Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung, welche eine magneti sche Impulskompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und einer veränderlichen Spule umfaßt, die auf der Eingangs seite der Sättigungsdrossel vorgesehen ist zur Steuerung einer Impulsdauer des Spannungsimpulses, der an die Sätti gungsdrossel anzulegen ist.

4. Entladungserregter Laser nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung eine Steuereinrichtung umfaßt zur Veränderung der Induktivi tät der veränderlichen Spule in Abhängigkeit von der Eingangs-Versorgungsgleichspannung, die der Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung zugeführt wird.

5. Beschleuniger, gekennzeichnet durch eine Hochspannungs- Impulserzeugungsschaltung, welche eine magnetische Impuls kompressionsschaltung mit einer Sättigungsdrossel und einer veränderlichen Spule umfaßt, die auf der Eingangsseite der Sättigungsdrossel vorgesehen ist zur Steuerung einer Impuls dauer des Spannungsimpulses, der an die Sättigungsdrossel an zulegen ist.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungs-Impulserzeugungsschaltung eine Steuer einrichtung umfaßt zur Veränderung der Induktivität der veränderlichen Spule in Abhängigkeit von der Eingangs-Versor gungsgleichspannung, die der Hochspannungs-Impulserzeugungs schaltung zugeführt wird.