Высоковольтный источник питания для автоэлектронной эмиссии источников света

Поскольку для автоэмиссионных приборов вообще и для источников света в частности необходимо довольно большое напряжение (5-30 кВ), но в то же время достаточно малой мощности (до нескольких десятков ватт), большиство перспективных источников питания основано на принципе высокочастотного импульсного преобразования [1].

Известно, что автоэлектронная эмиссия является наиболее экономичным видом эмиссии свободных электронов, что дает возможность создания новых поколений эффективных электронных приборов с повышенными техническими и потребительскими свойствами. Этому способствуют такие свойства, автоэлектронной эмиссии, как отсутствие накала, высокая плотность тока, устойчивость к колебаниям температуры, безинерционность, экспоненциально высокая крутизна, вольт-амперной характеристики, малая чувствительность к внешней радиации.

Суть явления автоэлектронной эмиссии состоит в туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер на. поверхности твердого тела. Современные тенденции к экономии энергии и экологичности активно способствуют разработке электронных приборов с

автокатодами, которые, кроме того, приобретают дополнительные потребительские свойства. Особенно это касается автокатодов из углеродных материалов, способных работать в высоком техническом вакууме, достаточно легко достижимом в серийных электронных приборах. На нашей кафедре вакуумной электроники ведется достаточно широкий спектр работ как по новым углеродным материалам для автокатодов и их конструкциям, так и по разработке новых поколений электронных приборов [2].

Импульсные источники электромагнитного излучения в диапазоне терагерцовых частот имеют все возрастающие приложения, такие как визуализация, спектроскопия, исследования переноса заряда и другие фундаментальные исследования [1, 2]. Для получения высокой энергии или высоких средних терагерцовых импульсов, использование широкополосных фотопроводящих антенн всегда было предпочтительным. В таких фотопроводящих антеннах фемтосекундный лазерный импульс генерирует несущие в зоне проводимости, которые ускоряются внешним полем смещения, что приводит к скачке тока. Этот импульс тока будет производить электромагнитное излучение, которое в дальнем поле пропорционально временной производной тока [3]. Даже при флюенсе насыщения лазера излучаемое терагерцовое (около 50 ц Дж/см2 в полуизолирующем (SI) GaAs) излучаемое линейно сказывается с приложенным напряжением смещения постоянного тока [4]. Поэтому источники высокого напряжения обеспечивают более высокую эффективность и более высокую мощность терагерцовой генерации.

Лазерно-синхронизированные импульсные источники были использованы в прошлом для смещения фотопроводящих антенн на основе GaAs и других полупроводников и для выравнивания растворов диполярных молекул [5]. Однако верхний предел поля смещения может быть ограничен дугообразованием и коронарным разрядом или нагревом излучателя. Напряжение пробоя GaAs выше, чем у воздуха, и поэтому любая дуга приведет к деградации излучателя и введению электрического шума, приводящего к неисправности излучателя. Эти эффекты можно свести к минимуму, применяя импульсы напряжения как можно короче, поскольку мы знаем, что полевой пробой воздуха зависит от продолжительности электрического поля [6].

На работе [7] былы рассмотрены преимущества различных видов смещения поля. Здесь мы опишем конструктивные и практические преимущества высоковольтного (40 кВ) 200 нс импульсного генератора с высокой средней мощностью, который может быть синхронизирован при частоте повторения до 100 кГц, подходящей для приложений с высокой частотой повторения (до 200 кГц) регенеративно усиленных лазеров.

Рис. 1. Схема, импульсного источника, постоянного тока.

Затвор управляется MOSFET FET2, который подключен в контуре с низкой индуктивностью вокруг резервуарного конденсатора. С1 40 nF ceramic и стока. FET1. Напряжение затвора FET1 ограничено 10 В варистором Var-І и R2 ( 15 Н, неиндуктивный). Триггерный вход от лазерного привода Т1 через FET3 BUZ31L и компоненты защиты, R5 (1 кН), и Var-4. Выход Т1А выпрямляется для обеспечения питания 12 В на С2 (1 цҒ )для ҒЕТ2. Это уменьшает текущую потребность в высоковольтном постоянном токе, который поддерживает питание 12 В через R3, когда, триггер не принимается. Т1В генерирует высокоточный привод для ҒЕТ2, (ограниченный на. 15 В Var-2), и в сочетании с Т1А изолирует лазерную электронику от высоковольтных выходных переходных процессов. Время выключения полного переключателя определяется R4. Здесь значение 100 обеспечивает возможность переключения частоты повторения 100 кГц.

Выходные трансформаторы Т2 и ТЗ симметрично соединены с землей для уменьшения пикового напряжения от плоскости заземления.

Рис. 2. Изображение импульсного источника, питания постоянного тока. В левом нижнем углу находятся источники питания и триггерные соединения. В центре находится переключатель FET па. медном радиаторе, а. справа. — трансформаторы с разъемами BNC для каждого трансформатора, с общей симметрично соединенной землей

Импульс, показанный на. рис. 3, является результатом затухания трансформатора, чтобы минимизировать импульс. Конденсаторы СЗ / С4 управляют током в первичных элементах и настраиваются путем проб и ошибок, чтобы обеспечить лучший компромисс между выходным напряжением, звонком и неизбежным увеличением тока, питания с повышенным демпфированием. Эксперименты проводились с использованием высоковольтного питания для генерации терагерцового импульса, из фотопроводящей антенны. Антенна, состояла, из пластинки SI-GaAs <100> 3 см2. На рис. 2 показано изображение фактического питания, которое помещается в заземленный металлический ящик, чтобы дополнительно уменьшить любые эффекты помех. Регенерируемое усиление 200 кГц Ti: апфировая лазерная система, производила 3 ц Дж импульсов с центром в 800 нм с длительностью импульса 100 фс.

Пучок накачки (98 % мощности, коллимированный с диаметром пучка б мм) был отправлен через переменную ступень задержки до направления на антенну, симметрично заполняя площадь между электродами [11].

Это эффективно удваивает общее напряжение, возникающее при пробое трансформатора, и уменьшает радиочастотные помехи. Конструкция выходных трансформаторов является основным фактором в форме выходного импульса. Они были намотаны вручную на ЗҒЗ ферритовых U-образцах с коэффициентом поворота 4 : 30 с использованием 28 SWG (0,375 мм2) изолированного провода. Эти относительно большие сердечники позволили использовать высоковольтный изолированный провод, увеличивая напряжение пробоя и уменьшая емкость перемотки. Кроме того, каждый слой был покрыт полиэтиленовой пленкой из поливинилхлорида (ПВХ). В противном случае трансформаторы были обычными со вторичной раной поверх первичного и вторичного крана высокого напряжения на самом внешнем слое. Было установлено, что коэффициент поворота 4 : 30 дает лучший компромисс между коэффициентом усиления напряжения и длительностью импульса.

Рис. 3. Измеренный импульс выходного напряжения (от положительного выходного трансформатора) на. частоте 100 кГц и (вставка) 40 нс времени переключения ҒЕТ1

При использовании встроенного источника, питания постоянного тока. 1 кВ, работающего на. частоте 100 кГц, импульсное питание способно создавать общее пиковое напряжение 20 кВ для напряжения привода. 733 В при 0,4 А (этот ток является линейным по частоте повторения и пиковому напряжению). При более низкой частоте повторения (1 кГц) достижимо 40 кВ.

Рис. 4. Терагерцовый импульс от пластины GaAs с применением электрического поля 500 В для источника, постоянного тока, (сплошная) и импульсная подача, (пунктирная) и (вставка) базовой линии от -4 до -2 не, показывающей улучшенное отношение сигнал-шум

Испускаемое терагерцовое излучение было обнаружено на. расстоянии 5 см путем электрооптического отбора, образцов с использованием кристалла. ZnTe толщиной 0,5 мм (ПО) в геометрии отражения, как описано ранее [2, 11]. Экспериментально было подтвержде- но, что расстояние в 5 см между генератором и детектором обеспечивает сигнал далвнего поля [5]. Используется сбалансированное обнаружение, когда диоды подключены к встроенному усилителю Stanford SR810. Для экспериментов сравнения поля постоянного тока использовался источник питания Glassman EL03R15 500 В постоянного тока.

• 3.    Результаты эксперимента

На рис. 4 сравнивается измеренное терагерцовое электромагнитное поле с импульсным источником питания постоянного тока при том же напряжении смещения. Характеристики терагерцового сигнала не изменяются с увеличением напряжения, а напряжение источника питания постоянного тока ограничивает сравнение эксперимента с максимальным напряжением 500 В. Основное преимущество здесь состоит в том, что, при вызове импульса напряжения на чередующихся лазерных импульсах, происходит «электронный измельчитель», что позволяет значительно увеличить частоту демодуляции блокировки, чем может быть достигнуто с помощью обычного оптического прерывателя. Улучшение отношения сигнал-шум, показанного на рис. 4 (вставка), измеренное как стандартное отклонение в базовой линии, имеет восьмикратное значение для частоты импульсов 100 кГц по сравнению с механической скоростью измельчителя 1,5 кГц. Без этого увеличения частоты SNR сигнала очень схож. Также на рис. 4 показана небольшая разница в форме импульса.

В заключение мы представляем относительно простой высоковольтный источник короткого импульса для синхронизации с лазерными импульсами при частоте повторения до 100 кГц. Его применение дает улучшение отношения сигнал-шум измеренного терагерцового сигнала по сравнению со стандартным источником постоянного тока. Эта конструкция является относительно недорогой и имеет то преимущество, что не требует внешнего охлаждения или радиатора и может с комфортом генерировать импульсы 40 кВ на частоте 1 кГц и с теплоотдачей может достигать 20 кВ при 100 кГц.