氰化氫（HCN）激光器電源應用

前言

遠紅外HCN氰化氫(DCN氰化氘)激光屬于氣體分子激光器，具有光學均勻性好、單色性好、光束穩定性強等優點。常應用于磁約束核聚變——托卡馬克裝置中等離子體電子密度的測量。本文主要介紹氰化氫激光器的負載特性，以及海伏科技生產的高頻氰化氫激光器電源相對傳統的氰化氫激光器電源及高壓電源有哪些優勢。

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2018年8月21日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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HCN激光器的結構組成

圖1：HCN氰化氫激光器工作照片

直流電激勵連續被氰化氫激光器由以下幾部分組成：

1. 放電管：材料為玻璃，長3.5米左右，放電長度3米左右，放電管內有油冷卻夾套，工作時對放電管進行冷卻；
2. 電極：輝光放電電極由低濺射率的稀有金屬制成，分陰極、陽極兩個部分，其中陰極發熱較大需要安裝冷卻水（油）循環；
3. 電源：高壓恒流電源，功率一般在20kW以內，電流0.5-2A范圍內連續可調，輸出電壓在2.5kV-7kV內變化；
4. 諧振腔：在這里諧振產生激光，一端安裝平面反射鏡、另一端由金屬鎳網作耦合輸出；
5. 真空系統：一般由旋片式真空泵和緩沖瓶構成，極限真空度要求在5Pa左右；
6. 恒溫控制系統：恒溫器控制放電管中的油溫；

HCN 激光器工作原理

諧振器內有稀薄的\( N_2 \)、\( CH_4 \) 等氣體，在輝光放電時其化學反應式如下：

\( N_2+2CH_4=2HCN+3H_2 \)

上述反應發生生產HCN分子的電子處于較高的能級，不是穩定結構，將會向低能級躍遷。躍遷的同時會釋放出光子，釋放出的光子在諧振腔中不斷被積累就得到了我們所需要的激光。

工頻氰化氫激光器電源

早期的DCN激光器電源采用工頻升壓 + 真空四級管限流的方案。市電的輸入AC380V經過工頻變壓器升壓——整流——濾波得到一個高壓直流電壓源，再經過真空四級管限流將電壓源轉換為電流源。工頻電源的缺點如下：

• 體積大：由于升壓變壓器次級需要有較多的匝數與絕緣距離，而頻率很低又需要很大的鐵芯截面積，直接導致升壓變壓器體積和質量都非常大。

• 真空四級管發熱量大：由于真空四級管屬于線性降壓器件，電壓降低的部分全部轉換為熱量，所以電源的整體效率非常低，真空四級管的發熱量達數kW量級。

• 不方便進行遠程控制：電壓的粗調靠轉動升壓變壓器的碳刷改變變壓器匝數，如果想遠程控制需要增加電機等操作機構，而且響應時間長不利于進行遠程操作。

普通高壓電源直接驅動氰化氫激光器存在的問題

問：普通的高頻直流高壓電源也有恒壓和恒流兩種工作模式，是否可以直接使用普通的高壓直流電源來驅動氰化氫激光器呢？

答：要回答這個問題首先要了解普通的高壓直流電源的工作原理，和常見的開關電源類似，高壓直流電源是將電網的電壓通過濾波整流為直流電壓，再經過開關管轉為高頻交流電壓，經過升壓變壓器之后變成了高壓交流電源，之后通過整流濾波將電能存儲在高壓電容中，變成高壓直流電源。也就是說最終能量是存儲在電容中的，不知道大家是否還記得中學物理中學過的電容的特性是兩端電壓不能突變，所以說靠電容儲能的高壓電源本質上都屬于恒壓源。

問：那么普通高壓電源是如何實現恒流輸出的呢？

答：高頻開關電源由于功率的控制非常方便，只需要控制開關管的導通時間（占空比）就能控制輸出的能量，當設定某一個工作電流時，電源檢測輸出電流，再通過PID等控制算法來改變電源的輸出能量，將輸出電流穩定在設定值附近來達到恒流輸出的目的。

問：這樣有什么問題嗎？

答：如果負載非常穩定，呈阻性、容性、感性、或者是共同擁有這三種性質那么都沒問題。問題就在于氰化氫激光器負載是一個不穩定的負載，簡單說它呈現的是一個對電壓極度敏感的負阻性負載并帶有固有頻率阻性跳動，如果用上述的高壓電源驅動就會出現PID震蕩、激光器亮度跳變、熄滅、甚至損壞高壓電源的情況。

海伏科技生產的氰化氫激光器電源

海伏科技生產的氰化氫激光器電源在原有高頻高壓電源優勢的基礎上，通過一系列的改進，使之匹配氰化氫激光器負載。并且保留高頻高壓開關電源的優勢，體積小，重量輕，內部具有數字控制芯片，可與上位機進行通信，方便的進行遠程控制與數據記錄采集。

總結

海伏科技生產的氰化氫激光器電源可以匹配HCN（DCN）激光器負載，并且有成熟的應用案例。