CN106656112A - 一种多路叠加型高压纳秒脉冲源 - Google Patents

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赵政
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郑敏军
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    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/335—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of semiconductor devices with more than two electrodes and exhibiting avalanche effect

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Abstract

本发明公开了一种多路叠加型高压纳秒脉冲源，包括触发单元、Marx电路模块组、传输线变压器、输入同步板、耦合式分压器以及用于提供电能的电源；其中，Marx电路模块组包括N路Marx电路模块，传输线变压器包括N根射频同轴电缆，该脉冲源能够实现多路前沿数纳秒脉冲电压的同步叠加，并且结构简单，不存在模块数增多效率降低的问题。

Description

一种多路叠加型高压纳秒脉冲源
技术领域
本发明涉及一种脉冲源，具体涉及一种多路叠加型高压纳秒脉冲源。
背景技术
脉冲功率科学技术作为电气工程领域的新兴科学，具备广泛背景和巨大潜力，在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域应用广泛，如产生电磁脉冲(EMP)、等离子体辅助燃烧和食品保鲜消毒等。脉冲功率源作为应用基础和关键部件，对效应水平具有决定性影响。
不同于国防领域追求单次运行的高峰值功率和强物理效应，民用领域通常要求脉冲功率源具备高输出幅值、高重复频率、高平均功率、高可靠性、便携性和低成本。在民用应用领域，以等离子体进行材料表面处理的工业应用为例，国内外研究均表明，采用前沿和脉冲宽度均为数纳秒的高重复频率脉冲电压激励的等离子具有更高的稳定性和活性粒子浓度，处理效果更佳。与此同时，在基础物理研究领域，最新放电物理研究表明，前沿为数纳秒级别重复频率脉冲电压作用下，高能电子和X射线在放电发展过程中扮演重要角色，急需研究纳秒脉冲气体放电特性并构建理论模型。民用工业应用和基础物理理论研究均对脉冲功率源输出电压幅值(尽量高以提高效应强度和范围)、前沿(尽量短以提高电子能量)、脉冲宽度(尽量窄以防止热积累)、重复频率(尽量高以提高处理效率)、便携性(轻量化以减小设备重量)和成本(充分利用成熟稳定的商业器件)提出越来越高的要求。
为产生高重频高压纳秒脉冲，国内外通常采用磁开关、全固态开关(如SOS器件)等作为关键开关器件。磁开关体积大、脉冲压缩效果有限，SOS器件性能优异，但由于国防利益等价格昂贵，常规设备不可能采用。基于雪崩三极管Marx电路的脉冲源具有上升时间短、抖动小、脉冲宽度窄、重复频率高、结构紧凑等优点，近年来已引起广泛关注。但是，Marx电路的输出效率会随着级数的增加而迅速下降，从而限制了脉冲源输出幅值的提高。为进一步提高输出幅值，一种有效的办法是采用多路脉冲叠加。目前多路脉冲叠加方法主要有几种实现形式，感应叠加、空间功率合成、直接叠加、平面微带传输线、传输线变压器等，但是各种方案均有其难以避免的缺陷。感应叠加需要使用磁芯，输出波形受限于磁芯脉冲动态性能，不适用于输出前沿数纳秒脉冲电压，空间功率合成需要采用结构复杂的天线装置，直接叠加方式存在模块数增多效率降低的缺点，平面微带传输线设计方法复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多路叠加型高压纳秒脉冲源，该脉冲源能够实现多路前沿数纳秒脉冲电压的同步叠加，并且结构简单，不存在模块数增多效率降低的问题。
为达到上述目的，本发明所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源包括触发单元、Marx电路模块组、传输线变压器、输入同步板、耦合式分压器以及用于提供电能的电源；其中，Marx电路模块组包括N路Marx电路模块，传输线变压器包括N根射频同轴电缆；
触发单元的输出端与输入同步板的输入端相连接，输入同步板的一路输出端对应Marx电路模块组中的一路Marx电路模块及传输线变压器中的一根射频同轴电缆，输入同步板的N路输出端分别与Marx电路模块组中对应路Marx电路模块的一端相连接，Marx电路模块组中各路Marx电路模块的另一端与传输线变压器中对应根射频同轴电缆的输入端相连接，传输线变压器中各根射频同轴电缆的输出端依次串联连接形成的串联电路经耦合式分压器与负载相连接，传输线变压器中各根射频同轴电缆的输入端依次相连接。
所述触发单元包括单片机、MOSFET驱动模块及MOSFET单管正脉冲发生电路，单片机的输出端与MOSFET驱动模块的输入端相连接，MOSFET驱动模块的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路的驱动端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路的输出端与输入同步板的输入端相连接。
单片机的输出端与MOSFET驱动模块的输入端之间通过光电隔离电路相连接。
触发单元的输出端通过插排及插针与输入同步板的输入端相连接。
N等于12。
所述电源为高压直流充电电源。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源在具体操作时，将各Marx电路进行模块化处理，同时采用直接叠加与传输线变压器脉冲能量叠加方式相结合的方法，解决了全固态器件功率容量小及传统单一叠加方式存在的效率极限问题；具体的，通过触发单元产生正触发信号，所述正触发信号经输入同步板同时输入到N路Marx电路模块，使N路Marx电路模块同时产生N路脉冲，所述N路脉冲在传输线变压器的输入端处进行一次叠加，再在传输线变压器的输出端处进行二次叠加，然后再经耦合式分压器作用到负载上，并最终在负载上得到高压纳秒脉冲，从而最大限度的提高脉冲能量叠加后最终输出的幅值，满足多路前沿数纳秒脉冲电压的同步叠加的要求，并且结构简单，操作方便，利用成熟商业器件，降低了脉冲源的成本，提高了脉冲源输出脉冲的稳定性及可靠性。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明中Marx电路模块组6的电路图；
图3为本发明单次输出时的波形测试图；
图4为本发明重复频率工作时的波形测试图。
其中，1为单片机、2为MOSFET驱动模块、3为MOSFET单管正脉冲发生电路、4为输入同步板、5为高压直流充电电源、6为Marx电路模块组、7为传输线变压器、8为耦合式分压器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源包括触发单元、Marx电路模块组6、传输线变压器7、输入同步板4、耦合式分压器8以及用于提供电能的电源；其中，Marx电路模块组6包括N路Marx电路模块，传输线变压器7包括N根射频同轴电缆；触发单元的输出端与输入同步板4的输入端相连接，输入同步板4的一路输出端对应Marx电路模块组6中的一路Marx电路模块及传输线变压器7中的一根射频同轴电缆，输入同步板4的N路输出端分别与Marx电路模块组6中对应路Marx电路模块的一端相连接，Marx电路模块组6中各路Marx电路模块的另一端与传输线变压器7中对应根射频同轴电缆的输入端相连接，传输线变压器7中各根射频同轴电缆的输出端依次串联连接形成的串联电路经耦合式分压器8与负载相连接，传输线变压器7中各根射频同轴电缆的输入端依次相连接。
所述触发单元包括单片机1、MOSFET驱动模块2及MOSFET单管正脉冲发生电路3，单片机1的输出端与MOSFET驱动模块2的输入端相连接，MOSFET驱动模块2的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路3的驱动端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路3的输出端与输入同步板4的输入端相连接；单片机1的输出端与MOSFET驱动模块2的输入端之间通过光电隔离电路相连接。
触发单元的输出端通过插排及插针与输入同步板4的输入端相连接；N等于12；所述电源为高压直流充电电源5。
输入同步板4具有几何结构及电气结构的对称性，输入同步板4通过对称的空间排布及电路布线，保证触发信号及输出信号的完全等距传输。
所述传输线变压器7包括N根完全相同的射频同轴电缆，不同数量的磁芯套于各根射频同轴电缆上，磁芯的作用为增大射频同轴电缆外导体所构成的多导体传输线系统的波阻抗，提高脉冲叠加效率，磁芯的材料为铁基纳米晶。
所述高压直流充电电源5的输出电压为180V-300V，通过高压直流充电电源5为Marx电路模块充电。
本发明所述的脉冲电源为对称的立体结构，触发信号从输入同步板4的中心输入，经等径传输后到达十二路Marx电路模块的触发端使各Marx电路模块同步工作，然后每两个相邻Marx电路模块的输出直接相连实现脉冲的一次叠加，共同向传输线变压器7中一根射频同轴电缆进行放电，然后在传输线变压器7中各根射频同轴电缆的输出端进行脉冲二次叠加。
输入同步板4的触发端位于几何中心位置，触发脉冲从输入同步板4中心输入，并经过相同的电气传输距离到达各Marx电路模块的触发端，实现同步触发。
参考图3，Marx电路模块组6的级数为12级，电源电压VCC＝300V，负载电阻RL＝50Ω，静态时，直流源通过充电隔离电阻RC1～RC12和RC1'～RC12'给电容C1～C12充电到VCC，雪崩三极管Q1～Q12均处于临界雪崩状态，没有导通；触发信号到来时，雪崩三极管Q1首先导通，电容C1的左端瞬间接地，电容C1的右端电位跃变为-VCC，此时雪崩三极管Q2会在快速过电压作用下导通，即电容C2的左端电位瞬间跃变为-VCC，电容C2的右端电位则跃变为-2VCC；以此类推，雪崩三极管Q3～Q12依次导通，最终在电容C12的右端即负载上产生幅值为-12VCC的电压脉冲。然而，由于雪崩三极管不能进入完全理想的导通状态，这使得Marx电路模块组6具有一定的输出阻抗，所以实际在负载电阻上得到的脉冲幅值要略低于12VCC。
本发明的具体工作过程为：
单片机1输出幅值为5V的单次或重复频率的TTL控制信号，所述TTL控制信号经光电隔离电路光电隔离后通过控制MOSFET驱动模块2驱动MOSFET单管正脉冲发生电路3产生幅值约100V的正触发信号，所述正触发信号传输至输入同步板4的中心处，并经输入同步板4同时施加到对称安装的Marx电路模块的触发端，实现其同步触发；各Marx电路模块同步工作后产生十二路输出脉冲，每两路脉冲在传输线变压器7输入端处实现脉冲一次叠加，然后在传输线变压器7的输出端处实现脉冲二次叠加，再经耦合式分压器8进行测量，并最终在负载上得到高压纳秒脉冲。
经试验，当本发明连接到300Ω的电阻负载上，主电容直流充电电压为300V时，Marx电路模块数量为12个，可得到图4所示的输出电压波形，当负载电阻为300欧姆时，则输出幅值为14kV、前沿为5ns、脉冲宽度为10ns、最大重复频率为10kHz的脉冲，当负载电阻为高阻，输出幅值为25kV，前沿、脉冲宽度及最大重复频率参数不变。

Claims (6)

1.一种多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，包括触发单元、Marx电路模块组(6)、传输线变压器(7)、输入同步板(4)、耦合式分压器(8)以及用于提供电能的电源；其中，Marx电路模块组(6)包括N路Marx电路模块，传输线变压器(7)包括N根射频同轴电缆；
触发单元的输出端与输入同步板(4)的输入端相连接，输入同步板(4)的一路输出端对应Marx电路模块组(6)中的一路Marx电路模块及传输线变压器(7)中的一根射频同轴电缆，输入同步板(4)的N路输出端分别与Marx电路模块组(6)中对应路Marx电路模块的一端相连接，Marx电路模块组(6)中各路Marx电路模块的另一端与传输线变压器(7)中对应根射频同轴电缆的输入端相连接，传输线变压器(7)中各根射频同轴电缆的输出端依次串联连接形成的串联电路经耦合式分压器(8)与负载相连接，传输线变压器(7)中各根射频同轴电缆的输入端依次相连接。
2.根据权利要求1所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述触发单元包括单片机(1)、MOSFET驱动模块(2)及MOSFET单管正脉冲发生电路(3)，单片机(1)的输出端与MOSFET驱动模块(2)的输入端相连接，MOSFET驱动模块(2)的输出端与MOSFET单管正脉冲发生电路(3)的驱动端相连接，MOSFET单管正脉冲发生电路(3)的输出端与输入同步板(4)的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，单片机(1)的输出端与MOSFET驱动模块(2)的输入端之间通过光电隔离电路相连接。
4.根据权利要求1所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，触发单元的输出端通过插排及插针与输入同步板(4)的输入端相连接。
5.根据权利要求1所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，N等于12。
6.根据权利要求1所述的多路叠加型高压纳秒脉冲源，其特征在于，所述电源为高压直流充电电源(5)。
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