CN103560770A - 里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置 - Google Patents

里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置,包括供电模块与开关模块、开关模块与负载电路分别连结。供电模块包括直流稳压电源和R1C1滤波电路、并由I号电源向直流稳压电源供电；开关模块包括快速高压脉冲开关和外部触发信号源、并由II号电源向快速高压脉冲开关供电；输出负载电路由阻尼电阻R2、放电电阻R3和测试电容C2组成。本发明结构简单、操作方便、稳定性好，具有上升沿快、频率及占空比可调制。在激光电离光谱学、激光质谱技术等领域，可以为里德堡态场致电离过程提供纳秒级上升沿的脉冲场，从而使里德堡态场致电离过程达到较高的电离率。

Description

里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置
技术领域
本发明属于一种高压脉冲产生装置，具体涉及一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置。
背景技术
在激光电离光谱学、激光质谱技术等领域，其核心是激光与粒子的共振作用，并使其转化为离子。对于有些原子来说，其他激光共振电离方式难以达到较高的电离率，而里德堡态场致电离则是其得到高电离率的有效途径。例如碱金属原子，其自电离态难以利用，通过连续态电离的截面极小，所以里德堡态场致电离是其激光共振电离中一种最为有效的方式。
里德堡态场致电离是指利用激光将粒子共振激发到里德堡态上，并利用外加电场实现里德堡态的电离。这一过程中，外场电压需要大于一定的阈值，大于这一电压才能发生有效的场致电离。同时，外加电场须为脉冲形式，以避免外加电场对于激光共振激发的干扰，脉冲频率需要与激光脉冲频率相同。另外，外加电场的上升沿需要尽可能的小，以降低粒子从里德堡态退激发的比例。相关实验中测量得到的原子里德堡态的退激发弛豫时间小于100ns，这就要求外加电场的上升沿需要远小于100ns，一般需要控制在10ns左右。
对于某一粒子的里德堡态场致电离过程，需要产生一个一定频率的脉冲电场，该高压脉冲应满足以下三个主要的技术参数：（ⅰ） 0到6KV连续可调的脉冲电压。（ⅱ） 脉冲的上升边沿小于10ns。（ⅲ） 脉冲的频率为10KHz。
目前，现有技术的高压电源很难实现在6kV输出时上升沿在10ns左右。因此，需要研制一套满足实验需要的高压脉冲产生装置。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的缺点而提出的，其目的是提供一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置。
本发明的技术方案是：一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置,包括供电模块、开关模块和负载电路，所述的供电模块与开关模块、开关模块与负载电路分别通过高压传输线连结。所述的供电模块包括直流稳压电源和R1C1滤波电路、并由I号电源通过低压传输线向直流稳压电源供电；所述的开关模块包括快速高压脉冲开关和外部触发信号源、并由II号电源通过低压传输线向快速高压脉冲开关供电。所述的输出负载电路由阻尼电阻R2、放电电阻R3和测试电容C2组成，阻尼电阻R2和放电电阻R3的一端分别与快速高压脉冲开关连结，阻尼电阻R2的另一端和测试电容C2一端分别与输出负载连结，放电电阻R3的另一端和测试电容C2的另一端分别接地。
所述的供电模块向开关模块提供0-6KV连续可调的直流电压、额定输出电流10mA。
所述的外部触发信号源的触发信号为10KHz的TTL信号。
本发明结构简单、操作方便、稳定性好，具有上升沿快、频率及占空比可调制。在激光电离光谱学、激光质谱技术等领域，本发明可以为里德堡态场致电离过程提供纳秒级上升沿的脉冲场，从而使里德堡态场致电离过程达到较高的电离率。
附图说明
图1 是本发明的里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置的电路图。
    其中：
         1 供电模块         2开关模块
         3 输出负载电路     4 直流稳压电源
         5 Ⅰ号电源         6 快速高压脉冲开关
         7 外部触发信号源   8 Ⅱ号电源。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明的里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置进行详细说明：
如图1所示，一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置，包括供电模块1、开关模块2和负载电路3，供电模块1、开关模块2和负载电路3分别通过高压传输线连结。
其中，供电模块1包括直流稳压电源4和R1C1滤波电路，并由I号电源5通过低压传输线向直流稳压电源4提供24V的供电。供电模块1向开关模块2可提供0-6KV连续可调的直流电压、额定输出电流10mA。R1C1滤波电路有效滤除直流稳压源输出中的交流部分。
其中，开关模块2包括快速高压脉冲开关6和外部触发信号源7，并由II号电源8通过低压传输线向快速高压脉冲开关6提供5V的供电。快速高压脉冲开关6正常工作的电压区间为0-10KV，频率区间为0-22KHz，开关时间为5ns，受外部触发信号控制进行开关工作。外部触发信号源7的触发信号为10KHz的TTL（晶体管-晶体管逻辑）信号，由DG535（四通道数字延迟/脉冲发生器，STANFORD RESEARCH SYSTEMS, INC）发生。快速高压脉冲开关6通过标准BNC口接受外部触发信号，与高压电路不共地、不交叠，有效避免触发信号受高压电路影响。开关模块2上升边沿为2ns，占空比为5%。
快速高压脉冲开关6选用BEHLKE公司的模块化产品HTS系列的快速高压脉冲开关。
其中，输出负载电路3由阻尼电阻R2、放电电阻R3和测试电容C2组成，测试C2是容值为1pf的平行板电容，用作模拟Li（锂）原子场致电离实验中产生强电场的一对极片的负载特性。放电电阻R3在一些不同的阻值下进行分组的控制变量实验。阻尼电阻R2起到防止瞬时充电电流过大和吸收电压过冲峰的作用，在不同的阻值下进行分组的控制变量实验。在高压脉冲开关开启和关断的状态下，输出负载电路3呈现出充电与放电两种不同的功能回路。在充电回路中，放电电阻R3作为电路的主要负载起到抬高充电电压的作用，阻尼电阻R2紧邻测试电容C2有效抑制过冲和震荡。在放电回路中，阻尼电阻R2和放电电阻R3一起吸收测试电容C2中的电量并释放至地。
本发明还积累了大量实验数据，总结并验证了多项规律，包括不同电压下输出的高压脉冲的特性参数随阻尼电阻改变而变化的规律、不同传输距离下高压脉冲的特性参数的变化规律等，从而可以对纳秒级高压脉冲电源的定制和调节进行设计。 

Claims (3)

1.一种里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置，包括供电模块（1）、开关模块（2）和负载电路（3），其特征在于：所述的供电模块（1）与开关模块（2）连结、开关模块（2）与负载电路（3）连结，所述的供电模块（1）包括直流稳压电源（4）和R1C1滤波电路、并由I号电源（5）向直流稳压电源（4）供电；所述的开关模块（2）包括快速高压脉冲开关（6）和外部触发信号源（7）、并由II号电源（8）向快速高压脉冲开关（6）供电；所述的输出负载电路（3）由阻尼电阻R2、放电电阻R3和测试电容C2组成，阻尼电阻R2和放电电阻R3的一端分别与快速高压脉冲开关（6）连结，阻尼电阻R2的另一端和测试电容C2一端分别与输出负载连结，放电电阻R3的另一端和测试电容C2的另一端分别接地。
2.根据权利要求1所述的里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述的供电模块（1）向开关模块（2）提供连续可调的直流电压为0-6KV、额定输出电流为10mA。
3.根据权利要求1所述的里德堡态场致电离实验中纳秒级上升沿高压脉冲产生装置，其特征在于：所述的外部触发信号源（7）的触发信号为10KHz的TTL信号。
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