CN104242887B - 一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的等离子体电光开关驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的等离子体电光开关驱动电路；采用低阻抗射频高压同轴电缆整根电缆整形矩形高压开关脉冲，将脉冲成型电缆和开关脉冲传输电缆合二为一，使驱动源系统结构简洁、可靠。输出矩形脉冲电压的幅度等于脉冲形成线充电直流高压幅度，具有充电电压低，充电直流高压被整根高压同轴电缆的绝缘层封闭，脉冲形成线绝缘性能及可靠性高。该发明克服了单人工线或电缆整形矩形开关脉冲要求充电电压是输出脉冲电压2倍以上，充电电压高、绝缘要求高以及输出脉冲传输电缆多的难题。

Description

一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的 等离子体电光开关驱动电路

技术领域

本发明属于激光等离子体电极电光开关驱动技术研究领域，属于光电子学，具体涉及一种等离子体电极电光开关驱动技术，采用低阻抗电缆型Blumlein脉冲形成技术得到纳秒级矩形高压脉冲，用于激光等离子体电极电光开关的驱动脉冲，输出矩形高压开关脉冲的平顶幅度等于脉冲形成线充电电压，具有充电电压低、输出方波高压脉冲平顶波动小、脉冲形成电缆兼作脉冲传输电缆、系统结构紧凑等特点。

背景技术

等离子体电极电光开关是高功率激光系统中激光束多程片状功率放大原理得以实现的关键技术。在激光束通路上插入垂直放置的两个线偏正器之间，放入KDP电光晶体，晶体轴向与光束传播方向一致，在晶体的两面腔体中充以低压惰性气体，采用高压脉冲放电技术在惰性气体中形成大面积均匀等离子体，该等离子体作为开关脉冲的加载电极，在激光束到达时刻对等离子体电极施加适当脉冲幅度的矩形高压脉冲，该系统对激光束起到开关作用，当电光晶体上施加矩形高压脉冲的幅度等于激光束90°偏转电压时，激光束通过，无脉冲电压时，激光束无法通过。在激光等离子体电极电光开关驱动脉冲功率系统中，纳秒级矩形高压开关脉冲对激光开关性能具有关键性作用，高功率激光系统用等离子体电极电光开关对驱动开关脉冲的指标要求很高，主要表现在：输出阻抗低、脉冲触发延时时间抖动小、输出矩形开关脉冲前后沿陡、输出脉冲平顶扰动小、尾后波动小等特点。

传统的等离子体电极电光开关脉冲是在等离子体电极上并联低阻抗纯电阻负载，利用单人工线或电缆在该低阻抗（6.25W～50W）纯电阻负载上得到矩形高压开关脉冲，脉冲电压的幅度在10kV～15kV，脉冲宽度50ns～500ns,脉冲前沿、后沿20ns～100ns,平顶波动小于2%，为后波动小于5%，延时时间抖动小于10ns。从美国Lawrence Livermore NationalLaboratory的NIF高功率激光系统到我国最新研制的神光3高功率激光系统采用的等离子体电极电光开关的开关脉冲形成均采用了单人工线或电缆整形高压矩形开关脉冲，所采用的开关器件均为脉冲氢闸流管，采用单人工线的优势是脉冲氢闸流管的导通电感对脉冲波形的影响较小，缺点：A.是人工线的充电直流高压必须为输出矩形脉冲幅度的两倍以上，因此脉冲氢闸流管的直流耐压能力也必须选择大于输出脉冲幅度的两倍以上，这些都不易于系统的绝缘和可靠性的提高；B.脉冲形成单元和脉冲传输单元分离，脉冲形成线阻抗、传输电缆阻抗以及普克尔盒并联纯电阻负载三者的阻抗必须严格一致，否者影响输出矩形高压脉冲的波形，为了克服人工线与等离子体电极电光开关终端负载的不匹配对矩形脉冲波形的影响，传输电缆的长度需取得大于输出矩形脉冲宽度除以脉冲在电缆中的传输速率，对于输出脉冲宽度200ns的矩形高压脉冲，电缆中高压脉冲的传输速率为每纳秒5米，每套等离子体电极电光开关开关脉冲传输电缆的长度应当选取为不小于40m，对于阵列式高功率激光系统，所需采用的等离子体电极电光开关数量多达数十至上百套（神光3为64套，美国NIF为192套），脉冲传输电缆的数量将非常庞大。

等离子体电极电光开关主要应用于大型阵列式多光束激光系统中，对于光束系数量在数十至数百范围，所需的等离子体电极电光开关及驱动源体积非常臃肿，采用单开关驱动的等离子体电极电光开关是等离子体电极电管开关驱动技术的发展趋势，其核心是即采用单开关脉冲加载到充有惰性气体的KDP晶体两端Pockel盒上，利用开关脉冲的前半段击穿惰性气体、形成大面积均匀高导等离子体，利用开关脉冲的后半段对激光进行电光调制，该思路设计巧妙，省略了原等离子体电极电光开关驱动等离子体形成所需的两路预电离脉冲和两路驱动主放电脉冲。等离子体电极电光开关驱动技术参见本文参考文献，本发明是正对单开关脉冲驱动等离子电极电光开关技术特点和需求衍生出来的新型开关脉冲形成技术。Lawrence Livermore National Laboratory的P. A. Arnold在文章《PulsedPower Aspects of the NIF Plasma Electrode Pockels Cell》指出等离子体电极电光开关对开关脉冲的技术要求，但对于对于采用单开关脉冲驱动等离子体电极电光开关技术及电缆型Blumlein开关脉冲产生技术未予涉及。目前，大型阵列式高功率激光系统对等离子体电极电光开关驱动脉冲的要求，存在的技术难点：驱动源脉冲形成单元数量多、绝缘可靠性要求高，传输电缆长、数量多。

发明内容

本发明的目的是提出一种驱动单开关脉冲驱动等离子体电极电光开关的低阻抗矩形高压开关脉冲形成线技术，使得产生的正负同步矩形高压开关脉冲能同时加载到充有惰性气体的普克耳盒上，利用开关脉冲前半部击穿惰性气体，形成大面积均匀高导等离子体，利用开关脉冲的后半段对激光进行电光调制。

本发明采用的技术方案为：

一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的等离子体电光开关驱动电路：

所述脉冲形成线由一整根高压射频同轴电缆组成，所述同轴电缆对折，且对折后的同轴电缆外的绝缘层连接为一体；

所述同轴电缆端部的缆芯并联并与高压电源端和脉冲氢闸流管的一端连接，同轴电缆端部的屏蔽层并联并连接在脉冲氢闸流管的另一端；

所述整根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的缆芯并联并连接到负载的一端，所述整根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的屏蔽层并联连接到负载的另一端，所述负载的一端连接到地。

在上述技术方案中，所述负载为纯电阻负载。

在上述技术方案中，所述负载的接地端与同轴电缆的缆芯一端连接。

在上述技术方案中，所述负载的接地端与同轴电缆的屏蔽层一端连接。

为了实现整列阵列式多光束激光同步控制，需要将多套等离子体电极电光开关同步控制驱动，本发明采用：

所述脉冲形成线包括若干根对折后的同轴电缆，所述若干根同轴电缆端部的缆芯并联在一起并与高压电源端和脉冲氢闸流管的一端连接，若干根同轴电缆端部的屏蔽层并联在一起并连接在脉冲氢闸流管的另一端；

所述若干根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的缆芯并联并连接到负载的一端，所述若干根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的屏蔽层并联连接到负载的另一端，所述负载的一端连接到地。

本发明为适应单开关脉冲驱动等离子体电极电光开关原理，采用电缆型Blumlein矩形高压脉冲形成技术得到驱动开关脉冲，将脉冲形成电缆和脉冲传输电缆合二为一，去掉脉冲传输电缆，该结构有效解决了驱动源系统脉冲形成高压同轴电缆芯线的高压绝缘问题，脉冲形成线电缆充电直流高压被高压电缆绝缘层封闭，非常有利于系统高压绝缘，这是本发明保护的关键点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：整个系统共用一个低阻抗主开关，系统可靠性较分离多个开关系统大为提高。每一套电缆型Blumlein脉冲形成电缆可以分别连接各自的低负载阻抗，将其并联等离子体电极电光开关，或者也可以每一套电缆型Blumlein脉冲形成单元的每一根同轴电缆均可以分别连接一只相应阻抗的纯电阻负载（电缆阻抗的2倍），并联在一套单开关脉冲驱动的等离子体电极电光开关上，对一路激光实现开关控制，因此整个整列式多束激光开关的等离子体电极电光开关系统将共用一套（或几套同步触发）低阻抗脉冲形成开关，系统可靠性、紧凑性大为增强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有单人工线型等离子体电极电光开关正负矩形脉冲驱动原理图；

图2是图一种正、负开关脉冲波形；

图3 是本发明电缆型Blumlein正开关脉冲形成原理；

图4 是本发明电缆型Blumlein负开关脉冲形成原理；

图5 采用本发明在12.5W纯电阻负载输出矩形高压开关脉冲波形。

具体实施方式

如图1 、图2所示，现有的、采用紧凑型单开关脉冲、单人工线型等离子体电极电光开关正负矩形脉冲，利用单人工线或电缆在该低阻抗（6.25W~50W）纯电阻负载上得到矩形高压开关脉冲，脉冲电压的幅度在10kV~15kV，脉冲宽度50ns~500ns,脉冲前沿、后沿20ns~100ns,平顶波动小于2%，为后波动小于5%，延时时间抖动小于10ns。

如图3、图4所示，本发明采用新的脉冲形成线，利用一根整的同轴电缆，将同轴电缆对折，电缆外部的绝缘层通过加工使得对折后的同轴电缆的绝缘层连接为一体。设定整根电缆的长度为L，对折后的电缆长度为L/2，在对折后L/4之处，将同轴电缆的绝缘层切开，然后将每根电缆的缆芯分别都引出来，然后并联在一起，将每一根电缆的屏蔽层同时也分别引出来，并联在一起，然后再同轴电缆的缆芯与屏蔽层之间连接一个纯电阻负载，负载的一端连接到地。

在对折后的同轴电缆的端部，将所有缆芯并联起来，同时将端部所有的屏蔽层也并联起来，缆芯与屏蔽层之间连接脉冲氢闸流管；然后将缆芯与高压电源端连接在一起。

设电缆的阻抗是Z采用n根2L长的高压射频同轴电缆对折，在对折双电缆的中间L/2处，居中切开两根电缆皮层，将两根电缆皮层的切开端口距中心点等于输出负载纯电阻长度1/2处分别别拨开，同向并接，将两个电缆皮层的并联连接点连接至输出低阻抗负载两端（如图3、4分别对应正、负矩形脉冲形成原理），双电缆中间割开连接Z/n的纯电阻负载，设脉冲在电缆中的传输速度为v，当触发脉冲氢闸流管T导通后L/2v时间，可以在纯电阻负载上得到脉冲宽度为L/v，幅度为充电直流高压值的矩形高压脉冲，为了变换输出脉冲极性，只需更改负载电阻两端的接地点位置，可以分别得到正、负矩形高压脉冲，脉冲极性变换非常方便。

图5是是本发明在12.5W纯电阻负载输出矩形高压开关脉冲波形图。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的等离子体电光开关驱动电路，其特征在于：

所述脉冲形成线由一整根高压射频同轴电缆组成，所述同轴电缆对折，且对折后的同轴电缆外的绝缘层连接为一体；

所述同轴电缆端部的缆芯并联并与高压电源端和脉冲氢闸流管的一端连接，同轴电缆端部的屏蔽层并联并连接在脉冲氢闸流管的另一端；

所述整根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的缆芯并联并连接到负载的一端，所述整根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的屏蔽层并联连接到负载的另一端，所述负载为纯电阻负载；其中：

所述负载的接地端与同轴电缆的缆芯一端连接；

或者：所述负载的接地端与同轴电缆的屏蔽层一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲氢闸流管和低阻抗电缆Blumlein脉冲形成线的等离子体电光开关驱动电路，其特征在于：

所述脉冲形成线包括若干根对折后的同轴电缆，所述若干根同轴电缆端部的缆芯并联在一起并与高压电源端和脉冲氢闸流管的一端连接，若干根同轴电缆端部的屏蔽层并联在一起并连接在脉冲氢闸流管的另一端；

所述若干根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的缆芯并联并连接到负载的一端，所述若干根同轴电缆对折后的1/2处将同轴电缆的屏蔽层并联连接到负载的另一端；其中：

所述负载的接地端与同轴电缆的缆芯一端连接；

或者：所述负载的接地端与同轴电缆的屏蔽层一端连接。