一種300kV納秒脈衝發生器的製造方法
2023-06-01 14:50:11
一種300kV納秒脈衝發生器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種300kV納秒脈衝發生器。所述的300kV納秒脈衝發生器由十六個單級平板Blumlein脈衝形成線交叉層疊構成，每個單級平板Blumlein脈衝形成線包括陶瓷固態平板傳輸線、GaAs光導開關、雷射二極體觸發系統、高壓二極體以及無感陶瓷電阻負載。所述的十六個單級平板Blumlein脈衝形成線緊湊地布局在平臺上，構成300kV納秒脈衝發生器。本發明能夠獲得十六倍於單級平板Blumlein脈衝形成線輸出電壓幅值的脈寬為納秒量級的短脈衝高壓輸出。實現削弱單級Blumlein脈衝形成線間的電路耦合和電磁耦合。
【專利說明】一種300kV納秒脈衝發生器
【技術領域】
[0001] 本發明屬於脈衝功率【技術領域】，具體涉及一種300kV納秒脈衝發生器，可用於產 生脈寬為納秒量級的高電壓脈衝。
【背景技術】
[0002] 目前，絕大多數高電壓、大功率實用脈衝功率系統裝置都存在體積龐大、笨重的缺 點，研製輕便、緊湊的脈衝功率裝置是該領域技術必然趨勢。脈衝功率技術不但在高功率微 波、加速器、強雷射以及材料改性等軍事領域具有重要作用，而且在生物醫療、食品滅菌、汙 水處理等民用【技術領域】具有優勢作用。大量的研究報導中，脈衝功率系統輸出的高壓脈衝 的半高寬較寬，系統結構龐大而笨重，建造成本昂貴。基於固態平板傳輸線技術的緊湊型固 態脈衝功率系統研製一直都是國內外研究的熱點，尤其以層疊式Blumlein脈衝形成線的 脈衝功率技術的研究最受關注。因為這種技術將高儲能技術、傳輸線技術、開關技術融為一 體，大大減少了脈衝功率裝置的體積和重量，極易實現脈衝功率系統的小型化和緊湊化。
【發明內容】
[0003] 為了克服現有脈衝功率技術中的系統結構龐大笨重、建造成本昂貴的不足，實現 脈衝功率裝置的高電壓、高功率輸出的同時，確保脈衝功率系統結構更為輕便、緊湊，本發 明提供一種300kV納秒脈衝發生器。所述的發生器，採用多路固態層疊 Blumlein線，通過 倍壓設計和同步控制每路Blumlein線開關導通時刻，實現多路固態Blumlein線同步輸出 電壓脈衝；同時，採用特殊的去耦設計，實現每路固態Blumlein線輸出的電壓脈衝相互獨 立且同時疊加在負載上，從而獲得數百kV的脈衝高壓輸出。該方案中，組件的各器件之間 通過最優化的緊湊的結構設計，解決了個器件的連接與固定問題，不但可以產生脈衝半高 寬約l〇ns，脈衝幅值達300kV短脈衝高電壓，而且該組件通過積木式累加可形成多組件結 構，進而獲得更高幅值的脈衝電壓。
[0004] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是： 所述的300kV納秒脈衝發生器包括十六個單級平板Blumlein脈衝形成線。單級平板 Blumlein脈衝形成線含有陶瓷固態平板傳輸線、GaAs光導開關、雷射二極體觸發系統、高 壓二極體、無感陶瓷電阻負載；其中，雷射二極體觸發系統由雷射二極體驅動器和雷射二極 管組成；兩根陶瓷固態平板傳輸線上下重疊設置，GaAs光導開關電極兩端分別連接在其中 一根陶瓷固態平板傳輸線輸入端的兩個電極上；陶瓷固態平板傳輸線輸入端的兩個電極， 一個經高壓二極體接輸入高壓端，一個經長導線接輸入接地端，可以增加通訊時間，削弱各 單級平板Blumlein脈衝形成線的電路稱合；第一級平板Blumlein脈衝形成線的輸出高壓 端與最後一級平板Blumlein脈衝形成線輸出接地端之間連接有無感陶瓷電阻負載；雷射 二極體觸發系統設置在GaAs光導開關正上方，使輸出的雷射正對照射到GaAs光導開關表 面；所述的十六個單級平板Blumlein脈衝形成線固定在平臺上，各級平板Blumlein脈衝形 成線在輸出端逐級層疊，相鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線之間在輸出端層疊交叉，角 度為9°，達到削弱各級平板Blumlein脈衝形成線之間的空間耦合效應的目的。所述的相 鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線在輸出端逐級疊加，達到各級輸出脈衝電壓幅值疊加 的目的。所述的單級平板Blumlein脈衝形成線的數量為十六個，逐級疊加形成300kV納秒 脈衝發生器。
[0005] 本發明的有益效果是，通過多級層疊 Blumlein脈衝形成線可以獲得300kV納秒脈 衝發生器；通過增加該發生器內各單級Blumlein脈衝形成線間的電磁通訊時間，實現削弱 單級Blumlein脈衝形成線間的電路稱合；通過各單級平板Blumlein脈衝形成線交叉層疊 的方式構成多級層疊平板Blumlein脈衝形成線倍壓結構，削弱相鄰的單級平板Blumlein 脈衝形成線之間的電磁耦合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發明中的單級平板Blumlein脈衝形成線電路原理圖； 圖2是本發明的300kV納秒脈衝發生器的結構示意圖； 圖3是本發明的電路原理圖； 圖4是本發明的輸出脈衝高壓波形圖； 圖中，1.陶瓷固態平板傳輸線 2.GaAs光導開關 3.雷射二極體驅動器 4.雷射二極體 5.無感陶瓷電阻負載 6.高壓二極體 7.平臺 8.輸 入高壓端 9.輸入接地端(經長導線接地） 10.輸出接地端 11.輸出高壓端 12.夾具 13.限位螺釘 14.第一級平板Blumlein脈衝形成線 15.最後一級 平板Blumlein脈衝形成線。
【具體實施方式】
[0007] 下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
[0008] 實施例1 圖1是本發明中的單級平板Blumlein脈衝形成線電路原理圖，圖2是本發明的300kV 納秒脈衝發生器的結構示意圖。在圖1~2中，本發明的300kV納秒脈衝發生器，包括單級平 板Blumlein脈衝形成線，單級平板Blumlein脈衝形成線含有陶瓷固態平板傳輸線、GaAs光 導開關、雷射二極體觸發系統、高壓二極體、無感陶瓷電阻負載；其中，雷射二極體觸發系統 由雷射二極體驅動器和雷射二極體組成；兩根陶瓷固態平板傳輸線上下重疊設置，GaAs光 導開關電極兩端分別連接在其中一根陶瓷固態平板傳輸線輸入端的兩個電極上；陶瓷固態 平板傳輸線輸入端的兩個電極，一個經高壓二極體接輸入高壓端，一個經長導線接輸入接 地端；雷射二極體觸發系統設置在GaAs光導開關正上方，使輸出的雷射正對照射到GaAs光 導開關表面；所述的單級平板Blumlein脈衝形成線固定在平臺上，各級平板Blumlein脈衝 形成線在輸出端逐級層疊，相鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線之間在輸出端層疊交叉； 第一級平板Blumlein脈衝形成線的輸出高壓端與最後一級平板Blumlein脈衝形成線輸出 接地端之間連接有無感陶瓷電阻負載。相鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線在輸出端逐 級疊加，達到各級輸出脈衝電壓幅值疊加的目的。
[0009] 本實施例中，所述的單級平板Blumlein脈衝形成線的數量為十六個，逐級疊加形 成300kV納秒脈衝發生器。其中，每一級平板Blumlein脈衝形成線包括陶瓷固態平板傳輸 線1，GaAs光導開關2,雷射二極體驅動器3,雷射二極體4,無感陶瓷電阻負載5,高壓二極 管6,夾具12、限位螺釘13,其電路原理如圖1所示，外部的長脈衝電源正、負級分別連接於 高壓二極體6和陶瓷固態平板傳輸線1的輸入接地端9,高壓二極體6再接陶瓷固態平板 傳輸線1的輸入高壓端8,對陶瓷固態平板傳輸線1充電至幅值最大值，通過控制雷射二極 管驅動3激勵雷射二極體4輸出紅外雷射，雷射觸發GaAs光導開關2導通，經單級平板平 板Blumlein脈衝形成線脈衝整形在無感陶瓷電阻負載5上獲得幅值等於輸入電壓的脈寬 為納秒量級的短脈衝高電壓輸出。圖1中，單組陶瓷固態平板Blumlein脈衝形成線厚度為 2 _，耐壓大於20 kV，輸出脈衝電壓波形的半高寬約為10 ns，輸出脈衝電壓幅值等於輸入 電壓幅值。
[0010] 所述的相鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線之間設置的角度範圍為9°，達到削 弱各級平板Blumlein脈衝形成線之間的空間電磁稱合效應的目的；單級平板Blumlein脈 衝形成線均接入高壓二極體隔離和長導線，達到削弱各級平板Blumlein脈衝形成線之間 的電路耦合；各單級平板Blumlein脈衝形成線在輸出端逐級疊加，達到各級輸出脈衝電壓 幅值疊加的目的。
[0011] 本實施例中的十六級層疊 Blumlein脈衝形成線結構的連接關係如圖2所示，平臺 7設置為階梯狀十六層，各層逐級螺旋上升，階梯高度均為2_。通過夾具12將第一級的陶 瓷固態平板傳輸線1、GaAs光導開關2限位並固定於平臺7第一層，雷射二極體4焊接在 雷射二極體驅動器3之上，通過限位螺釘13固定於平臺7第一層之上，輸入高壓端8連接 高壓二極體6,高壓二極體6連接GaAs光導開關2的一端，輸入接地端9通過夾具12接觸 連接GaAs光導開關2的另一端，輸入接地端9通過長導線與接地端連接，構成第一級平板 Blumlein脈衝形成線14。各級的陶瓷固態平板傳輸線、GaAs光導開關、雷射二極體、雷射 二極體驅動器、高壓二極體之間的連接固定與第一級平板Blumlein脈衝形成線14相同，各 級平板Blumlein脈衝形成線輸出高壓端與前一級平板Blumlein脈衝形成線輸出接地端交 叉9°接觸連接，且後一級平板Blumlein脈衝形成線位於前一級平板Blumlein脈衝形成線 之上。各級平板Blumlein脈衝形成線厚度均為2mm,與螺旋階梯高度2mm相互配合。通過 夾具12將無感陶瓷電阻負載5的兩個電極與第十六級的輸出接地端10、第一級的輸出高壓 端11分別連接，構成十六級層疊 Blumlein脈衝形成線的300kV納秒脈衝發生器。其中，14 為第一級平板Blumlein脈衝形成線，15為最後一級平板Blumlein脈衝形成線。
[0012] 本實施例中，雷射二極體驅動器通過限位螺釘固定於平臺7上，限位螺釘13為固 定第二級的雷射二極體驅動器的限位螺釘之一。
[0013] 雷射二極體驅動器通過限位螺釘固定於平臺7上，使各級雷射二極體輸出雷射光 斑能夠完全照射在各級GaAs光導開關之上，雷射二極體的發光面與GaAs光導開關的上表 面的距離為5mm，通過限位螺釘固定。
[0014] 本發明的電路原理如圖3所示，兄~乂6是本發明的300kV納秒脈衝發生器所採用 的十六個光導開關，；是單根陶瓷固態平板傳輸線的阻抗，G是充電電壓，K是輸出脈衝高 壓。各級Blumlein脈衝形成線並聯充電，通過外部觸發技術控制雷射二極體觸發GaAs光 導開關導通，使各級平板Blumlein脈衝形成線串聯放電，在無感陶瓷電阻負載上實現脈衝 電壓疊加。具體來說，外部脈衝電源通過輸入高壓端和輸入接地端對第一至第十六級平板 Blumlein脈衝形成線充電至電壓幅值最大值，通過外部觸發延時技術控制十六個雷射二極 管同步輸出紅外雷射，雷射觸發十六個GaAs光導開關同步導通，各級平板Blumlein脈衝形 成線同步對無感陶瓷電阻負載5放電，在第十六級平板Blumlein脈衝形成線輸出接地端10 和第一級平板Blumlein脈衝形成線輸出高壓端11之間形成十六級疊加脈衝高壓輸出，脈 衝電壓幅值等於十六倍充電電壓幅值。十六級層疊平板Blumlein脈衝形成線構成的300kV 納秒脈衝發生器輸出波形如圖4所示，該脈衝電壓波形的半高寬約為10 ns，脈衝電壓幅值 約為300kV，且具有一定的平頂。
[0015] 本發明的300kV納秒脈衝發生器整體浸於變壓器油中，防止各器件沿面閃絡的發 生。
【權利要求】
1. 一種300kV納秒脈衝發生器，其特徵在於：所述的發生器包括十六個單級平板 Blumlein脈衝形成線，單級平板Blumlein脈衝形成線含有陶瓷固態平板傳輸線、GaAs光導 開關、雷射二極體觸發系統、無感陶瓷電阻負載、高壓二極體；其中，雷射二極體觸發系統由 雷射二極體驅動器和雷射二極體組成；兩根陶瓷固態平板傳輸線上下重疊設置，GaAs光導 開關電極兩端分別連接在其中一根陶瓷固態平板傳輸線輸入端的兩個電極上，陶瓷固態平 板傳輸線輸入端的兩個電極，一個經高壓二極體接輸入高壓端，一個經長導線接輸入接地 端；第一級平板Blumlein脈衝形成線的輸出高壓端與最後一級平板Blumlein脈衝形成線 輸出接地端之間連接有無感陶瓷電阻負載；雷射二極體觸發系統設置在GaAs光導開關正 上方；所述的十六個單級平板Blumlein脈衝形成線固定在平臺上，各級平板Blumlein脈衝 形成線在輸出端逐級層疊，相鄰的單級平板Blumlein脈衝形成線輸出端之間層疊交叉成 一定角度。
2. 根據權利要求1所述的300kV納秒脈衝發生器，其特徵在於：所述的相鄰的單級平 板Blumlein脈衝形成線之間在輸出端層疊交叉的角度為9°。
【文檔編號】H02M9/00GK104065296SQ201410329680
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】劉毅, 夏連勝, 諶怡, 王衛, 張篁, 楊安民, 劉雲龍, 潘海峰, 章林文, 鄧建軍 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所