マルチビーム導波路CO2レーザーチャネルのための高周波予備電離

マルチビーム導波路CO2レーザーチャネルのための高周波予備電離

抽象

マルチビーム導波路CO2レーザーは、1つの共振器内に複数のチャネルを備えており、最初に破壊されたチャネルが共有電源を低下させます。10 MHz～100 MHzの高周波予備電離により、電界がエバネッセント波として小さな断面積を透過するため、すべてのチャネルが同時に満たされます。本稿では、カットオフ、透過、シード密度の式、4つのチャネル間破壊、および点火遅延を200 ns未満に抑える結合コンデンサのデータを示します。

はじめに

マルチビーム導波路型CO2レーザーは、数ミリメートル幅の複数の平行なチャネルを1つの共振器内に集積する。これらのチャネルは共通の電源を共有し、それぞれが独自のブレークダウン閾値を持つ。最初に発振したチャネルが共通バスをダウンさせる。

従来の低周波予備電離では、単一パルスのスパークアレイが用いられる。単一ビームレーザーの場合、光源はギャップを十分にカバーできる。しかし、マルチチャンネルブロックでは、チャンネル間の間隔が1mmから3mmとなる。そのため、紫外線はすべてのチャンネルの中心に同じ線量で到達することができない。

高周波予備電離では、主パルスの前に10MHz～100MHzのエネルギーバーストを印加します。この電場はエバネッセント波として各導波管に入り、断面積全体を満たすため、すべてのチャネルが同時に点火状態に達します。

この記事では、カットオフと浸透の方程式、シード密度のスケーリング、4つのチャネル間故障、および生産実行全体を通して点火遅延を200ナノ秒未満に抑えるための結合と抵抗のデータを示します。

2. コアメカニズム

2.1 導波管モードとカットオフ周波数

矩形導波管は、カットオフ周波数以上のエネルギーを通過させ、それ以下のエネルギーを遮断します。レーザー導波管における最低次モードはEH₁₁モードであり、そのカットオフ周波数が境界を決定します。

f_c = (c / 2) · √((1/a)² + (1/b)²)

ここで、f_c は EH₁₁ モードのカットオフ周波数 (GHz)、c は光速 (mm/ns)、a と b は長辺と短辺の断面寸法 (mm) です。2 mm × 2 mm の導波管は 106 GHz に達し、1 mm × 1 mm の導波管は 212 GHz に達します。

10MHzから100MHzのプレイオン化帯域は、そのカットオフ周波数よりもはるかに低いため、エネルギーはモードとして伝播せず、エバネッセント波として入射する。

2.2 エバネッセント波の浸透深さ

カットオフ周波数より低い周波数では、電界は導波管内で距離とともに減衰する。減衰長は、駆動周波数がカットオフ周波数よりどれだけ低いかによって決まる。

δ = 1 / √((2πf/c)² − (2πf_c/c)²)

ここで、δは侵入深さ（mm）、fは駆動周波数（Hz）、f_cはカットオフ周波数（Hz）、cは光速（mm/ns）です。fが50MHz、f_cが106GHzの場合、δは2mmの断面積をはるかに超えるため、電界が導波管を満たします。

この挙動こそが、この方法が小さな断面積で有効な理由である。紫外線は視線に沿って進み、各電極の背後に影を落とす。そして、エバネッセント場がチャネルの隅々まで到達する。

2.3 高周波電界における電子エネルギー

高周波電場では、電子は半周期ごとにエネルギーを獲得し、次の半周期でそれを放出する。電子が保持する正味のエネルギーは、1周期内で電子が起こす衝突の回数によって決まる。

ε_avg = (e² · E₀²) / (2 · m_e · (ω² + ν_c²))

ここで、ε_avgは電子1個あたりの平均エネルギー（eV）、eは電子電荷（C）、E₀はピーク電界（V/mm）、m_eは電子質量（kg）、ωは角周波数（rad/s）、ν_cは電子と中性粒子の衝突周波数（Hz）である。1気圧のCO2混合気では、ν_cは約10¹⁰ Hzとなる。

10MHzから100MHzの周波数帯では、衝突頻度が駆動周波数を上回るため、電子は1サイクルあたり複数回衝突する。そして、電子は獲得したエネルギーの大部分を保持する。そのエネルギーは、CO2分子をイオン化するのに必要な13.8eVに達し、雪崩現象を引き起こす。

2.4 RF電力と持続時間によって設定される種子密度

シード電子密度は、ガスに供給されるRF電力、バーストの長さ、およびその電力のうち放電体積に到達する割合に比例する。

n_e0 ∝ P_RF · t_pre · η_coupling / V_discharge

ここで、n_e0はシード電子密度（cm⁻³）、P_RFはRF予備電離電力（W）、t_preはバースト持続時間（µs）、η_couplingは結合ネットワーク効率、V_dischargeは放電体積（cm³）である。同時点火には、設計上n_e0が10⁷ cm⁻³以上必要である。

典型的な数値は、1 µs から 10 µs の間、数十ワットから数百ワットに及ぶ。η_coupling の低下は直接的な影響を及ぼし、目標効率の 30% では、シード密度が 30% 低下し、外側チャネルの点火が遅れる。

2.5 カップリングコンデンサ内部の損失

結合コンデンサはRF電圧全体を伝送し、各チャネルへの電流経路上に配置されている。その誘電損失により、予備電離電力の一部が部品内部で熱に変換される。

P_loss = 2π · f · C · V² · DF

ここで、P_lossはコンデンサが吸収する電力（W）、fは駆動周波数（Hz）、Cは静電容量（nF）、Vは部品にかかる実効電圧（kV）、DFは損失係数です。1 nFの部品を50 MHz、2 kVでDFが3%の場合、377 Wを吸収しますが、同じ部品をDFが0.1%の場合、12.6 Wを吸収します。

損失は​​コンデンサに発生します。コンデンサが熱を上昇させ、それに伴って値も変化します。その結果、筐体の温度上昇とともに結合ネットワークの同調が失われます。この変化が、30分間の動作後にチャンネルの一貫性がずれる原因です。

図1 — クラスII結合コンデンサは、予備電離電力を熱に変換するため、外側の導波管チャネルの点火が遅れ、8つのチャネルに電力が分配されなくなります。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：クラスII結合コンデンサは、電離前電力を吸収する。

X7Rカップリング部品は、50MHzにおいて2～5%のDF（減衰係数）を実現します。標準的なブロックの8チャンネル全体で見ると、このDFは、0.1%のN4700部品と比較して20～50倍もの電力を消費します。

損失は​​コンデンサ本体に蓄積され、1時間の点火で40℃以上温度が上昇する。すると、コンデンサの値は熱によって変化する。ネットワークの同調が狂い、変化が進むにつれて外側のチャネルに供給されるエネルギーが減少する。

問題点２：給餌距離の不均一により、外側チャネルの処理が遅れる

給電点から各チャンネルまでの距離は等しくありません。給電点に近いチャンネルは、遠い端にあるチャンネルよりも高い電界を受けます。この形状だけでも、10%から30%の電界の広がりが生じます。

±5%の値許容誤差または±30ppm/℃のドリフトを持つ結合コンデンサは、第2の項を加える。点火遅延が200nsを超えると、後段チャネルのビームパワーが25%以上ずれ、合成ビームプロファイルが歪む。

問題点3：1mmから3mmの断面では、あらゆるフィールドエラーが明らかになる

2 mmのチャネル内では、電子密度分布によって放電モードが決定される。端部の電界集中により放電は一方の壁に向かって傾き、EH₁₁モードから遠ざかる。

アークが発生する前にビーム品質が低下するため、この不具合は光学系の問題のように見えます。断面全体にわたって10%の電界不均一性があれば、ゲインプロファイルが変化し、出力モードが変わります。

問題点4：給電回路における寄生共振

50MHzでは、プリント基板の配線、リード線、およびはんだ接合部には、5nHから30nHの寄生インダクタンスと数pFの寄生容量が存在する。これらの要素は、結合コンデンサと直列または並列共振を形成する。

共振点ではインピーダンスが公称値から大きく変動するため、電離前電力が低下または反射する。この症状は周波数掃引中に現れ、ある設定では一部のチャネルが点火するものの、次の設定では点火しなくなる。

4. 設計手順

戦略1：結合ネットワークにクラスIコンデンサを使用する

N4700クラスI部品は、50MHzにおいてDFを0.1%未満に抑え、温度係数は±30ppm/℃です。DFが2%～5%、静電容量変化が-30%～+15%のX7R部品と比較すると、供給電力の差は20～50倍にもなります。

40℃の温度上昇後、N4700部品の静電容量は0.12%未満しか変化しないため、結合ネットワークは周波数シフト全体にわたってその周波数応答を維持します。この特性により、8チャンネルまたは16チャンネル全体で予備電離電力が均一に保たれます。

戦略2：対称的な給電トポロジーを使用する

片側給電方式は最大4チャンネルまで対応し、近距離と遠距離の差を30%以上に抑えます。両側対称給電方式は4～8チャンネルで10%以下に抑えます。中央対称給電方式は8～16チャンネルで5%以下に抑えます。

8チャンネルを超える場合は、ウィルキンソン分配器アレイを使用してください。このアレイは電力のばらつきを2%未満に抑え、各チャンネルに独立した絶縁抵抗を備えているため、1つのポートに障害が発生しても他のポートのバランスが崩れることはありません。

戦略3：結合構造を3Dでモデル化する

結合板、ループ、導波管ブロックの3D電磁シミュレーションを実行します。各断面における電界均一性が90%を超えるまで、スロットの寸法と位置を調整します。

結合プレートと導波管壁との距離は、機械的に可能な限り小さく保ち、結合効率を高く維持してください。給電部の周囲に接地シールドを追加し、高周波エネルギーがレーザー制御回路に放射されないようにしてください。

戦略4：マッチングネットワークに低寄生抵抗器を選択する

電力分配器内の抵抗器は、MHz周波数でインピーダンスを維持する必要があります。 HVRGXP サンプリング抵抗器 寄生インダクタンスは10 nH未満、温度係数は±50 ppm/℃です。

インダクタンスが低いため、高速RFパルス下でも実効インピーダンスはDC値に近くなり、チャンネル間の電力分割精度は±2%に保たれます。抵抗器の許容誤差は、分配アームでは±1%、減衰位置では±2%に合わせます。

戦略5：自動周波数調整機能を追加する

バラクタダイオードは、±1%の分解能でマイクロ秒単位のチューニングが可能で、高速パルスモードに適しています。機械式トリマーは、固定周波数CWモードで±0.5%の精度を維持します。直接デジタル合成段は、±0.01%の精度を維持し、ナノ秒単位で応答します。

各チャンネルの放電電流波形を監視し、予備電離周波数と電力を同時に調整します。その後、ループはガスの経年変化やキャビネット内の熱移動に関わらず、すべてのチャンネルを同じ状態に維持します。

戦略6：4つの重要な数値を確認する

各チャンネルの点火遅延を共通トリガーに対して測定し、ばらつきを200ナノ秒以内に抑える。各チャンネルのビーム出力を最大出力で測定し、ばらつきを±2%以内に抑える。

動作繰り返し周波数で30分経過後のカップリング部の温度を測定し、±30 ppm/℃の係数に対する値のドリフトを確認します。シミュレーションにおける電界均一性を測定し、ベンチプローブと比較して90%以上であることを確認します。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. 結合ネットワーク用HVC高周波コンデンサ

HVCは、MHz帯のプレイオン化ネットワーク向けにクラスIコンデンサと整合抵抗器を製造しています。東莞にある6,000平方メートルの自社工場から、1kVから150kVまでの電圧範囲で、レーザーおよびRF電源のOEM向けに大量出荷を行っています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 50 MHzでDFが0.1%未満。 N4700 この部分はRF電力を吸収するのではなくガスに供給するため、8チャンネルブロックでは結合効率が30%以上向上する。
• 温度係数は±30 ppm/℃です。静電容量は40℃の温度上昇に対して0.12%未満しか変化しないため、ネットワーク応答とチャネル電力は長時間の温度変化にも耐えられます。
• 自己共振周波数は数百MHz。低インダクタンス構造により、10MHzから100MHzまでの任意の予備電離周波数を選択できる余裕があります。
• 抵抗直列回路における寄生インダクタンスは10 nH未満である。 HVR-BSP 抵抗 温度係数±50 ppm/℃で、RFパルス下における分周比と減衰値を維持する。
• 直流遮断と結合を一体化した部品。 HVCT8G ドアノブ用コンデンサ 各カップリングポートでは、主放電の逆行を遮断すると同時に、予備電離信号を通過させる。
• 協調した部品。 フィルムコンデンサ DCリンクの位置をカバーし、 高速回復ダイオード 同一電源の整流器の位置をカバーする。

配送とサポート

標準部品は4〜8週間で出荷され、カスタム容量、定格電圧、またはリードスタイルは6〜10週間で出荷されます。レーザー注文には、50 MHzでのDF記録、動作周波数でのESR記録、および クロスリファレンス 村田製作所のDHS、TDKのUHV、VishayのHVCCシリーズとの比較表。

チャンネル数、断面積、予備電離周波数、RF電力レベル、および給電図をお送りください。HVCは、各ポートの部品番号とチャンネルバランス試験用のサンプルユニットを記載した結合ネットワークのマッチングシートを返送します。

6。 よくある質問

Q1：外側のチャネルはなぜ遅れて点火するのですか？

理由は2つあります。まず、外側チャネルへの給電距離が長いため、受ける電界が低くなり、形状から10%から30%のばらつきが生じます。次に、±5%の値許容誤差を持つ、あるいは温度係数の大きい結合コンデンサが、もう一つの要因となります。遅延時間が200ナノ秒を超えると、ビーム出力は25%以上変動します。

Q2：X7Rのカップリングコンデンサは、どのくらいのRF損失を追加しますか？

DFが3%の場合、DFが0.1%の場合と比較して損失は30倍高くなります。50MHz、2kVの1nF部品は、DFが3%の場合377Wを吸収しますが、DFが0.1%の場合は12.6Wしか吸収しません。この損失により、本体が発熱し、静電容量が変化し、ネットワークの同調がずれます。

Q3：50MHzの電波が2mmの導波管を透過するのはなぜですか？

その導波管のEH₁₁カットオフ周波数は106GHzであり、駆動周波数をはるかに上回っているため、カットオフ周波数以下では電界はエバネッセント波として入射し、その侵入深さは2mmをはるかに超えるため、断面積全体を満たします。紫外線は視線に沿ってのみ同じチャネルに到達します。

Q4：1つのフィードドライブで何チャンネルまで駆動できますか？

シングルエンド給電は最大4チャンネルまで対応し、30%以上の差を抑えます。デュアルエンド給電は4～8チャンネルで10%未満に抑えます。センター対称給電は8～16チャンネルで5%未満に抑えます。8チャンネルを超える場合、ウィルキンソン分配器アレイは電力拡散を2%未満に抑えます。

Q5：30分後にチャネルバランスがずれるのはなぜですか？

結合コンデンサが発熱するためです。温度係数の大きいクラスII部品は、本体温度が40℃上昇すると値が変化します。その結果、ネットワークの同調がずれ、電力分割が設計値から外れてしまいます。N4700部品の場合、この温度上昇による変化は0.12%未満です。

Q6：予備電離効率はどのくらいであるべきですか？

結合効率はシード密度を直接決定します。なぜなら、n_e0はP_RF、バースト持続時間、およびη_couplingに比例するからです。一般的なバーストは1µsから10µs、数十ワットから数百ワットの出力で発生し、同時点火のためには各チャネルでn_e0が10⁷ cm⁻³以上である必要があります。

7。 リファレンス

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, 医用電気機器 ― 第１部：基本安全及び必須性能に関する一般要求事項ジュネーブ：IEC、2012年。
2. IEC 60601-2-22：2019、 医療用電気機器 ― 第2-22部：外科用、美容用、治療用および診断用レーザー機器の基本安全および必須性能に関する個別要求事項ジュネーブ：IEC、2019年。
3. IEC 60384-8:2015、 電子機器用固定コンデンサ ― 第8部：セラミック誘電体固定コンデンサ、クラス1ジュネーブ：IEC、2015年。
4. IEC 60270:2015、 高電圧試験技術 ― 部分放電測定ジュネーブ：IEC、2015年。
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