CN103414369A - 一种布鲁莱恩脉冲形成线倍压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种布鲁莱恩脉冲形成线倍压器。所述的倍压器由多个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线交叉层叠构成，每个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线包括陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统以及无感电阻负载。所述的数个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线紧凑地布局在平台上，构成多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器。本发明能够获得多倍于单级平板布鲁莱恩脉冲形成线输出电压幅值的脉宽为纳秒量级的短脉冲高压输出，也可以通过多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器层叠构成多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，或者设计级数更多的多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线可以获得电压幅值更大、峰值功率更高的短脉冲高压。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，可用于产生脉宽为纳秒量级的高压脉冲。
背景技术
目前，绝大多数实用脉冲功率系统装置都存在体积庞大、笨重的缺点，研制轻便、紧凑的脉冲功率装置是该领域技术必然趋势。脉冲功率技术不但在高功率微波、加速器、强激光以及材料改性等军事领域具有重要作用，而且在生物医疗、食品灭菌、污水处理等民用技术领域具有优势作用。大量的研究报道中，脉冲功率系统输出的高压脉冲的半高宽较宽，系统结构庞大而笨重，建造成本昂贵。基于固态平板传输线技术的紧凑型固态脉冲功率系统研制一直都是国内外研究的热点，尤其以层叠式Blumlein脉冲形成线的脉冲功率技术的研究最为炙手可热。因为这种技术将高储能技术、传输线技术、开关技术融为一体，大大减少了脉冲功率装置的体积和重量，极易实现脉冲功率系统的小型化和紧凑化。
发明内容
了克服现有脉冲功率技术中的系统结构庞大笨重、建造成本昂贵的不足，实现脉冲功率装置的高电压、高功率输出的同时，确保脉冲功率系统结构更为轻便、紧凑，本发明提供一种多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器。所述的倍压器不但能够产生脉冲半高宽为纳秒量级的短脉冲高压，达到高峰值功率输出的目的，用于驱动负载，而且可以轻易实现装置的紧凑结构设计，达到减少体积和重量的目的，同时可以解决各关键器件的连接与固定问题。另外，通过多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器层叠构成多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，或者设计级数更多的多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线可以获得电压幅值更大、峰值功率更高的短脉冲高压。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，其特点是，所述的倍压器包括数个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线，单级平板布鲁莱恩脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、无感电阻负载；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动和高功率脉冲激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上，陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极分别与输入高压端、输入接地端连接；上下重叠的两根陶瓷固态平板传输线的输出高压端和输出接地端连接有无感电阻负载；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方，使输出的激光正对照射到GaAs光导开关表面；所述的多个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线固定在平台上，各级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端逐级层叠，相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间在输出端层叠交叉有一角度。所述的相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间在输出端层叠交叉的角度范围为10°~50°，达到削弱各级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间的电磁耦合效应的目的；相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。
所述的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线的数量根据输出电压幅值的大小设置为2~15级； 所述的多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线的数量根据输出电压幅值的大小设置为2~5组，各组多级层叠布鲁莱恩脉冲形成线结构相同，每组多级层叠布鲁莱恩脉冲形成线的级数相同，各组在输出端逐级层叠。
本发明中，将陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统以及无感电阻负载合理布局在平台上，构成单级平板布鲁莱恩脉冲形成线：在输入端，陶瓷固态平板传输线与GaAs光导开关通过夹具紧密连接，在输出端，陶瓷固态平板传输线与无感电阻负载同样通过夹具保持紧密连接，在确保各连接处连接良好的同时，还需保证各连线的最短化，从而减少连线电感对放电回路的影响。通过位置设计，使激光二极管的输出激光能够正对照射并激励GaAs光导开关导通，从而构成单级平板布鲁莱恩脉冲形成线。利用GaAs光导开关的快速导通特性和陶瓷固态平板传输线纳秒量级的电长度设计，实现单级平板布鲁莱恩脉冲形成线的高峰值功率和纳秒脉宽脉冲高压输出。多个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端交叉层叠，可减少相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间的电磁耦合问题，又可达到输出电压幅值叠加、峰值功率增大的目的。
本发明的有益效果是，通过所述的倍压器的紧凑结构设计，能够保证回路连线电感小、重量轻、体积小；通过单级平板布鲁莱恩脉冲形成线交叉层叠的方式构成多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，削弱相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间的电磁耦合；通过多级层叠平板布鲁莱恩线结构设计可以获得多倍于单级平板布鲁莱恩脉冲形成线输出电压幅值的脉宽为纳秒量级的短脉冲高压；通过多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器层叠构成多组多级平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，或者设计级数更多的多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线可以获得电压幅值更大、峰值功率更高的短脉冲高压。
附图说明
图1是本发明中的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线电路原理图；
图2是本发明的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器的结构示意图；
图3是本发明的电路原理图；
图4是本发明的输出脉冲高压波形图；
图中：1.陶瓷固态平板传输线 2.GaAs光导开关 3.激光二极管驱动 4.激光二极管 5.无感电阻负载 6.平台 7.输入高压端 8.输入接地端 9.输出接地端 10.输出高压端 11.夹具 12.长螺钉 13.第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线 14.第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线 15.第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线 16.第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
图1是本发明中的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线电路原理图，图2是本发明的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器的结构示意图。在图1、2中，本发明的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，包括数个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线，单级平板布鲁莱恩脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、无感电阻负载；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动和高功率脉冲激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上，陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极分别与输入高压端、输入接地端连接；上下重叠的两根陶瓷固态平板传输线的输出高压端和输出接地端连接有无感电阻负载；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方；所述的多个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线固定在平台上，各级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端交叉层叠，相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间在输出端层叠交叉设置有一角度。相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。
本实施例中，布鲁莱恩脉冲形成线倍压器由四级结构相同的平板布鲁莱恩脉冲形成线构成，即第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13、第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线14、第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线15、第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线16。其中，第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线包括陶瓷固态平板传输线1、GaAs光导开关2、激光二极管驱动3、激光二极管4、无感电阻负载5、夹具11、长螺钉12，其电路原理如图1所示，外部的长脉冲电源正、负级分别连接于陶瓷固态平板传输线1的输入高压端7、输入接地端8，对陶瓷固态平板传输线1充电至幅值最大值，通过控制激光二极管驱动3激励激光二极管4输出红外激光，激光触发GaAs光导开关2导通，经单级平板布鲁莱恩脉冲形成线脉冲整形在无感电阻负载5上获得幅值等于输入电压的脉宽为纳秒量级的短脉冲高压输出。图1中，单根陶瓷固态平板传输线厚度为1 mm，耐压大于20 kV，输出脉冲电压波形的半高宽约为10 ns，输出脉冲电压幅值等于输入电压幅值。
所述的相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间设置的角度范围为20°，达到削弱各级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间的电磁耦合效应的目的；相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。
本实施例中的四级层叠布鲁莱恩脉冲形成线倍压器的连接关系如图2所示，平台6设置为阶梯状四层，各层逐级螺旋上升，阶梯高度均为2mm。通过夹具11将第一级的陶瓷固态平板传输线1、GaAs光导开关2限位并固定于平台6第一层，激光二极管4焊接在激光二极管驱动3之上，通过长螺钉12固定并限位于平台6第一层之上，构成第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13。第二级的陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管、激光二极管驱动之间的连接固定与第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13相同，第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线14输出高压端与第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13输出接地端交叉20°接触连接，且第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线14位于第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13之上。第三级的陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管、激光二极管驱动之间的连接固定与第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13相同，第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线15输出高压端与第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线14输出接地端交叉20°接触连接，且第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线15位于第二级平板布鲁莱恩脉冲形成线14之上。第四级的陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管、激光二极管驱动之间的连接固定与第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线13相同，第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线16输出高压端与第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线15输出接地端交叉20°接触连接，且第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线16位于第三级平板布鲁莱恩脉冲形成线15之上，各级平板布鲁莱恩脉冲形成线厚度均为2mm，与螺旋阶梯高度2mm相互配合。通过夹具11将片状的无感电阻负载5的两个电极与第四级的输出接地端9、第一级的输出高压端10分别连接，构成四级层叠布鲁莱恩脉冲形成线倍压器。
本实施例中，四个激光二极管驱动通过八个长螺钉固定并限位于平台6上，长螺钉12为固定第一级的激光二极管驱动的长螺钉之一。
激光二极管驱动通过长螺钉固定并限位于平台6上，使各级激光二极管输出激光光斑能够完全照射在各级GaAs光导开关之上，激光二极管的发光面与GaAs光导开关的上表面的距离通过长螺钉调节。
本发明的电路原理如图3所示，S 1~S 4是本发明的倍压器所采用的四个光导开关，Z 0是单根陶瓷固态平板传输线的阻抗，U i是充电电压，U o是输出脉冲高压。各级布鲁莱恩脉冲形成线并联充电，通过外部触发技术控制激光二极管触发GaAs光导开关导通，使各级平板布鲁莱恩脉冲形成线串联放电，在无感电阻负载上实现脉冲电压叠加。具体来说，外部脉冲电源通过输入高压端和输入接地端对第一至第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线充电至电压幅值最大值，通过外部触发延时技术控制四个激光二极管同步输出红外激光，激光触发四个GaAs光导开关同步导通，各级平板布鲁莱恩脉冲形成线同步对无感电阻负载5放电，在第四级平板布鲁莱恩脉冲形成线输出接地端9和第一级平板布鲁莱恩脉冲形成线输出高压端10之间形成四级叠加脉冲高压输出，脉冲电压幅值等于四倍充电电压幅值。
四级层叠布鲁平板莱恩脉冲形成线倍压器输出波形如图4所示，该脉冲电压波形的半高宽约为10 ns，脉冲电压幅值约为80 kV，且具有一定的平顶。
本发明的倍压器整体浸于变压器油中，防止各器件沿面闪络的发生。
实施例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，本实施例中的倍压器中设置有15级单级平板布鲁莱恩脉冲形成线，相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间交叉的角度为10°。
实施例3
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，本实施例中设置有4组4级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，4组4级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器在输出端各级层叠，每组平板布鲁莱恩脉冲形成线相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间交叉的角度为20°，构成4组4级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线倍压器。
Claims (4)
1.一种布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，其特征在于：所述的倍压器包括数个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线，单级平板布鲁莱恩脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、无感电阻负载；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动和高功率脉冲激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上，陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极分别与输入高压端、输入接地端连接；上下重叠的两根陶瓷固态平板传输线的输出高压端和输出接地端连接有无感电阻负载；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方；所述的多个单级平板布鲁莱恩脉冲形成线固定在平台上，各级平板布鲁莱恩脉冲形成线在输出端逐级层叠，相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间在输出端层叠交叉有一角度。
2.根据权利要求1所述的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，其特征在于：所述的相邻的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线之间在输出端层叠交叉的角度范围为10°~50°。
3.根据权利要求1所述的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，其特征在于：所述的单级平板布鲁莱恩脉冲形成线的数量设置为2~15级。
4.根据权利要求1所述的布鲁莱恩脉冲形成线倍压器，其特征在于：所述的多级层叠平板布鲁莱恩脉冲形成线的数量设置为2~5组，各组多级层叠布鲁莱恩脉冲形成线结构相同，每组多级层叠布鲁莱恩脉冲形成线的级数相同，各组在输出端逐级层叠。
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