（电工理论与新技术专业论文）超低重复频率高压矩形脉冲电源.pdf

超低重复频率高压矩形脉冲电源 d e s i g n o f a h i 曲v o l t a g e p o w e r s u p p l y w i 出l o w r e p e a tf r e q u e n c y a n d r e c t a n g u l a rp u l s ec h a r a c t e r a b s t r a c t i no p t i c sa n do p t o e l e c t r o n i c sd o m a i n ，t h er e s e a r c ho fh o wt og e tm o r er a n g eo fo p t i c a l m a s e rw a v e l e n g t hi so n eo ft h em o s tp o p u l a rt o p i c s ，n o w a n dq p m ( q u a s i p l - m s e - m a t c h i n g ) t e c h n o l o g yi sp r o v e dm u c h m o r ee f f e c t i v et h a na n yo t h e rt e c h n o l o g y t h ek e y p o i n to fq p m i s m a k i n g n o n l i n e a rc r y s t a ll i n b 0 3 g e tf e r r o e l e c t r i cd o m a i n e l e c t r i c a lp o l a r i z i n gm e t h o di st h e m o s te a s ya n de f f e c t i v ew a y ，w h i c hc a r lg e tf e r r o e t e c t r i cd o m a i no rn o n l i n e a rc r y s t a l ，i na l l m e t h o d so f q p mt e c h n o l o g y i no r d e rt op o l a r i z en o n - l i n e a rc r y s t a l ，ak i n do fi l i g hv o i t a g ep o w e r s u p p l y ，w h i c hc a n o u t p u tl o wr e p e a tf r e q u e n c yp u l s e ，w a sd e s i g n e d a n dt h ew a v e f o r m o ft h eo u t p u tp u l s el o o k s l i k er e c t a n g u l a r t h ep i v o t a lc o m p o n e n to ft h ep o w e r s u p p l yi sf r i s b e em e c h a n i s ms p a r kg a p s w i t c h ，w h i c hi s n e v e rs e e ni no t h e rp o w e rs u p p l yb e f o r e b yc o n t r o l l i n gt h es w i t c h ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs u p p l y c a r lb ea d j u s t e dt h eb a s i ct e c h n i c a lt a r g e to ft h ep o w e r s u p p l yi s a s f o l l o w s ：f r e q u e n c y0 5 h zt o1 0 0 h z ，o u t p u tv o l t a g e2 k vt ol o k v ，o u t p u tp u l s e c u r r e n t3 0 0u a p u l s ew i d t ho 2 t o5 0 ta n dr a t eo f v o l t a g er e d u c t i o nl e s st h a n2 t h e l i n e a rc h a r a c t e ra n ds t a b i l i z a t i o no ft h eo m p m v o l t a g ec a r lm e e tt h er e q u i r e m e n to f e l e c t r i c a l p o l a r i z i n gm e t h o d m a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e do nl i n b 0 3c r y s t a lu s i n gt h i sp o w e rs u p p l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dg o o da 冒e e m e n t w i t ht h ee x p e c t e d r e s u l t c o m p a r e d w i t 1t h eo t h e r e x p e r i n a e n t s ，t h en o n l i n e a rc r y s t a ll i n b 0 3g e tf e r r o e l e c t r i cd o m a i nc l e a r l y a n dt h i sp o w e r s u p p l yr e a c h e s t h ea d v a n c e dl e v e li nt h en o n - l i n e a rc r y s t a le l e c t r i c a l p o l a r i z i n g m e t h o d u n d e ra p p r o p r i a t ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，o ra d j u s t i n gt h ep o w e r s u p p l ys i m p l y ，t h i sp o w e r s u p p l yc a nm e e t t h e r e q u i r e m e n t so f v a r i e t y o f e l e c t r i c a lp o l a r i z i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l y ；l o wf r e q u e n c y ；e l e c t r i c a lp o l a r i z i n gm e t h o d ； n o n l i n e a rc r y s t a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 现代光学技术的发展，对激光及各种波长的光源提出了更新更高的要求。拓宽激光 输出波长范围，最常用、最有效的方法之一，就是利用非线性晶体的频率变换技术。由 于非线性晶体材料在进行频率转换时，必须满足相位匹配这一基本条件的要求，所以目 自h 人们通常利用各向异性晶体双折射特性的二次折射相位匹配p m ( p h a s em a t c h i n g ) 技 术和人为地在非线性晶体上制备出周期结构的准相位匹配q p m ( q u a s i - p h a s e - m a t c h i n g ) 技术来实现高效频率转换。而由于准相位匹配技术q p m 有其独特的技术优势，解决了常 规二次折射相位匹配p m 技术难以解决的问题，拓宽了非线性晶体的应用范围，极大地 提高了非线性晶体频率转换的效率，因而现已成为非线性光学材料和固体激光器等诸多 高尖端科研领域的研究热点之一。 利用体材料，例如l i n b 0 3 等晶体，制成周期极化l i n b 0 3 ( p p l n ) ，即铁电畴反转光 栅，进行准相位匹配，是近几年发展很快的在变频技术中采用的新技术。而采用体材料 准相位匹配非线性过程的铁电畴周期性极化反转结构可以补偿光波间的相位失配，是一 种行之有效的办法。 外加电场极化法是实现铁电体的铁电畴周期性极化反转的一种方法。外加电场极化 法是利用半导体工艺中成熟的光刻工艺，在单畴化的非线性晶体上制作一定周期的电极， 然后在晶体的正负畴面施加高压电场，就可以获得周期反性转畴结构。此方法有反转层 深、工艺简单和成本低廉等优点，是目自h 研究使用比较多的一种方法。应用外加电场极 化法已在厚为0 2 5 m m 的z 切l i n b 0 3 、u t a 0 3 和k t i o p 0 4 晶体样品上制备出了铁电畴 周期性反转结构。 对于用外加电场极化法来说，高压电源的性能对获得理想的周期性畴结构非常重要， 并且输出波形丰富的高压电源对研究非线性晶体电场极化的机理是必不可少的。为此就 需要一种脉冲宽度、重复频率、脉冲幅度均可调的矩形脉冲电源。 在外加电场极化法的原有技术中，电源电路全部由电子器件实现，高压矩形脉冲产 生的方法主要有：高频脉冲加低频脉冲调制、脉冲变压器升压和高反向耐压开关管直流 斩波。高频脉冲加低频脉冲调制的方法，电源输出脉冲频率最小是7 5 h z ，输出脉冲幅值 最大1 2 k v 在频率可调整范围、输出幅值可调整范围方面难以满足各种规格晶片极化的 要求：脉冲变压器升压的方法，由于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，且变压器体 超低重复频率高压矩形脉冲电源 积巨大，不易制造，同时输出脉冲波形难以保证要求；高反向耐压开关管直流斩波的方 法，由于受到现有制作水平的限制，目前商用的开关管的最大反向耐压只有3 k v ，因此 输出电压的幅值受到限制，虽然晶闸管的反向耐压值高，但是由于其造价高，且依赖进 口，没有普遍推广的意义。鉴于电场极化法要求电源输出脉冲频率低，脉冲宽度宽，脉 冲幅度高，平顶下降小，并且诸多参数在使用过程中需要调整，因此采用常规方法，不 仅难以达到各种规格晶片极化的技术要求，而且由于器件的制作水平受到限制不易制造。 所以到目前为止，本文设计的这种电源在国内外尚属空白。 i 一- 一，7 、 t 。 i - 餐絮繁i ：= 蒜裂爿 l 一一一，一l 、 ，。 图1 1 电源的基本框图 f i g 1 1b l o c ko f p o w e rs u p p l y r 1 j 脉冲成型电容e 二= 负载 i il| 1j ： ll 本文电源的基本框图如图11 所示，其技术方案为：通过调压器将高压直流电源的 输出电压调整到设定值，以此来实现脉冲幅度可调；将储能电容连接到高压直流电源以 储存电能并与一个固定电极a 相连；利用步进电机带动一个飞盘式机械火花开关旋转， 通过控制器控制步进电机的转速来实现输出脉冲频率可调；在飞盘式机械火花开关的上、 下两面安装两个转动电极a 、b ，通过改变两个转动电极之间的角度来实现脉冲宽度可调。 如图1 2 所示，当转动电极a 转动到与固定电极a 最接近位置时，火花间隙击穿， 直流高电压通过火花隙、脉冲成形电容、高压输出端子加到负载上；当转动电极b 转动 到与固定电极b 最接近位置时，固定电极b 与大地相连，火花间隙击穿，脉冲成形电容 和负载上的电能被泄放掉。通过两个火花间隙的轮流导通，在负载上施加矩形高压脉冲。 本文电源的主要技术指标为：1 、脉冲幅度：2 - 1 0 0 k v ；2 、频率范围：o 5 1 0 0 h z ： 3 、脉冲宽度：o _ 2 - - 5 0 t ；4 、脉冲电流大于3 0 0 微安：5 、平顶下降小于2 。 本文设计的电源通过在l i l 妯0 3 晶体上进行多次电场极化实验，证明晶体极化效果很 好，电源工作稳定。电源的具体构造，工作工程和实验结果，将在以后的章节中详细地 加以介绍。 一僻一二一 i 器 一 班 一 一 大连理j ：大学硕士学位论文 步述电机 r ，、转础电极。 |弋，夕 盘式机械火花开关 l。 o 转动电鞭b o 鳓疋电陵b 底座 图1 2 飞盘式火花开关基本结构 f i g * 1 。2b a s cs t y u c t u r eo f f r i s b e e m e c h a n i s m s p a r kg a p s w i t c h 目前，本文设计的电源正在申请国家专利。 1 2 本文电源的应用领域 本文设计的电源，是与中国航空航天部成都二十六所合作的非线性晶体l i n b 0 3 电场 极化课题中的电源部分。因此，本文的电源在设计之初，就带有很强的专业性和针对性。 本节的主要内容就是对本文设计的电源的主要应用领域中一些基本的概念做一简介。 12 1 准相位匹配技术 在光子学和光电子学应用中，对各种波长的光源的需求同益增强，各种长、短波段 光源在海底光通信、光信息存储、光盘的读写、光学信息处理、激光打印和大屏幕显示、 激光医疗及检测等方面具有广泛的应用价值。 1 9 6 2 年，a r m s t r o n g 等首次提出了利用非线性极化率在一维空间上周期性调制实 现女b 位匹配的方法，即准相位匹配技术。经过近四十年的发展，目前已在l i n h 0 3 b3 1 、 l i t a 0 3 【4 3 及k i p t 5 】等多种材料中实现了周期极化光学微结构，并利用周期极化光学微结构 晶体实现了准柏位匹配( q p m ) 。 准相位匹配( q p m ) 是通过在非线性材料中引入对非线性极化率的周期调制，来补 偿互作用光波之f 白j 由于色散所累积的相位失配的一种有效方法，理论上它可以利用晶体 的整个通光范围和最大的非线性系数，克服了角度双折射相位匹配难以解决的空间走离、 转换效率较低和对倍频晶体要求较高等缺点 6 1 。 超低重复频率高雁矩形脉冲电源 准相位匹配技术可以代替双折射相位匹配补偿相速色散，其优点之一是在材料的光 学透明范围内的任意互作用都能够在一个特定的温度下实现非临界相位匹配，且作用距 离长，这是双折射相位匹配所不能达到的；优点之二是可以选择互作用波使其在最大二 阶极化率张量的方向上耦合。在l i n b 0 3 晶体中，输入基频光和倍频光取同一偏振方向进 行准相位匹配，这样可以充分利用l i n b 0 3 晶体的最大非线性系数d 3 3 ，同双折射相位 匹配相比，有效转换效率提高了约2 0 倍 7 1 。 虽然a r m s t r o n g 等人早在1 9 6 2 年就已经提出准相位匹配理论，但在随后的2 0 多年 早，山丁制作工艺的问题，直没有生产出实用的器件。直到1 9 9 1 年，y a m a d a 等人 2 】 利用外加电场极化法在室温条件下成功地制备了周期极化l i n b 0 3 晶体( p p l n ) ，取得 了突破性的进展。此后，关于周期极化晶体的机理与各种应用研究迅速开展了起来，目 前在倍频1 34 5 】、波长变换【8 ) 、光参量振荡【吼、光脉冲压缩和色散补偿【l l 】等方面得到 了广泛的应用。 122 铁电畴反转机理 如前文所述。1 9 6 2 年，a r m s t r o n g 等人首次提出了准相位匹配技术，并应用此技术 对体材料进行光倍频、光参量振荡等过程的研究。采用体材料准相位匹配非线性过程的 铁电畴周期性极化反转结构可以补偿光波间的相位失配。自9 0 年代初以来，人们研究出 了许多新技术、新工艺来实现铁电体的铁电畴周期性极化反转，主要有：扩t i 法、l h o 外扩散法、喷镀s i 0 2 加热法、质子交换诱发法、电子束扫描法和外加电场极化法【1 2 _ ”。 在这些技术中，由前四种技术所产生的畴反转仅仅发生在晶体表面附近较浅的三角区域 内，不利于基波与谐波的充分耦合，而且这四种技术的工艺过程均需要在一定的高温和 较苛刻的实验条件下进行。而运用电子束扫描法可以制备出反转层较深的畴反转结构， 但是其畴反转连续性不好，就其逐个样品扫描来说，难以大批量生产，而且造价高，不 易于商品化。最后，用外加电场极化法可以大大降低畴反转极化的难度和成本，所以此 种技术备受人们的重视。应用外加电场极化法己在厚为0 2 5 m m 的z 切l i n b 0 3 、l i t a 0 3 和k t i o p o 。晶体样品上制备出了铁电畴周期性反转结构i 2 u - 2 。 铁电材料的结构被划分为许多小畴区，称为铁电畴，两畴闻的界壁称为畴壁。不同 的电畴中极化强度方向不同，在平衡状态下，铁电材料的总极化为零。当外加电场时， 极化强度方向平行于外加电场的畴将增大，而反平行于外加电场的畴将缩小，当外加电 场大于铁电材料的矫顽场时，铁电材料的铁电畴将发生反转。铁电畴反转过程包括了新 畴成核和畴壁运动两个过程，该过程的开关( 反转) 时间t ，和开关( 反转) 电流f 。 4 大连理工大学硕士学位论文 ( ，xf m 。，= 常数) 与外加电场、温度及样品尺寸有关，f 。的数值为几个纳秒( 1 0 。9 s ) 到 几百秒a 在低电场下，开关( 反转) 电流f 。与电场成指数关系，在高电场下，i 。与电 场成线性关系。 根掘分析，如果设r 。是形成全部畴核所需要的时间，是畴壁运动至一个畴贯穿样 品所需要的时间，则开关时间t 。应当由下式决定： 若，。, o t 。这两个量不是同一数量的话，主要由两个机制中比较慢的那个机制来决定。 在低电场下，成核速率低，开关时间主要由新畴成核所决定( 即f 。r 。) ，只要时间足 够长，就可以得到反转效应。则在低电场下新畴形成的几率成应当指数地依赖于外电场， 即 l 。= p oe x p ( 一盯e )( 1 2 ) 式中口_ 羊! l p o 与外电场无关，a 为激活能f v c m ) ，它是温度和样品厚度的函数( 对l i n b 0 3 约为1 0 5 v c l t l 数量级) 。则有 土+ 土：岛e x p ( - a l e ) - + f 2 岛8 x p ( 1 3 ) 在高电场下，成核速率十分大，开关时间主要由畴壁运动的速度p ( 与开关电流成 正比) 所决定( 即0 f 。) 。则畴壁运动可用下式描述 v ：旦：以 ( 1 4 ) 式中v 是畴壁运动的速度：d 是畴壁在运动时所越过的距离( 即样品的厚度) ：是畴壁 迁移率，与温度成正比。对于不同的场强e 和样品厚度d ，可以从实验上得到f 。，从而 计算出值，在室温下为2 5 c m 2 i v s 。因此得到 超低重复频率高压矩形脉冲电源 + t = 兰d e = 鲁d 矿 f 。， 童 - 鲞 藿 i - 璺 a p p l i e dv o l t a g e ，v 圈1 3 开关时间倒数随外加电压的变化曲线( 晶片厚度为5 0 i _ t m ) f i g 1 3 i n v e r s es w i t c ht i m e s a p p l i e dv o l t a g e r e l a t i o n ( t h i c k n e s so f s a m p l e5 0 i t m ) 堇 童 藿 耋 a p p l i e dv o l t a g e v 圈1 4 开关时间倒数随外加电压的变化盘线( 晶片厚度为0 s m m ) f i g 1 4 i n v e r s es w i t c ht i m e sa p p l i e dv o l t a g er e l a t i o n ( t h i c l m e s so f s a m p l e 0 5 r a m ) ( 1 。5 ) 由于国内实验加工条件的制约和不足，无法得到超薄厚度的l i n b 0 3 晶片，故我们无 法应用低电场强度下的实验结果去直接验证，而采用了国外前人的实验结果进行间接验 证，实验结果见图1 3 、1 4 4 j 。 图1 3 是在低电场强度下开关时间倒数随外加电压的变化曲线。从此图中可以看出， 开关时间倒数与外加电压成指数关系，实验结果与式1 3 基本吻合。 图14 是在高电场强度下开关时间倒数随外加电压的变化曲线。从这个图中不难观 察到，丌关时间倒数与外加电压成线性关系，这说明式1 5 分析的计算值与实验值吻合 大连理工大学硕士学位论文 较好。对于高电场强度下的模型验证，采用实验结果进行直接验证，其中研制的p p l n 样 品厚度为0 5 m a n ，畴反转周期为9 5 m 。 通过实验，说明上述的低电场和高电场情况下的分析，不仅能够揭示开关时间与外 加电场间的定量关系，而且能够对低场强和高场强下的开关时间进行科学的预测。 其中高电场强度下的铁电畴反转情况，及开关时间与电压的关系为本文设计的电源 在非线性晶体电场极化中的使用提供了指导依据。 1 3 火花隙开关工作原理 火花隙开关是高功率脉冲技术应用中最广泛采用的开关器件之一，具有结构简单， 工作范围宽，能耐受m v 量级的高压，通过m a 量级的电流，导通时间很短( n s 量级) ， 导通时开关压降很低，易于安装，操控简易等特点。本文中电源的核心部件，用于调节 脉冲频率，脉冲宽度的飞盘式机械火花开关，就是基于火花隙开关的充放电原理及其工 作特性设计的。 几乎所有类型的气体开关都遵循气体的电离和击穿原理，火花隙开关也属于气体开 关的一种。气体从绝缘状态通过电离形成等离子体导电，于是，开关也从断开状态转换 到导通状态。开关时间就是开关从断开状态到导通状态的时间，如果开关用于重复工作 中，有时还得考虑开关的恢复时间，这是影响开关在高重复频率工作的最主要的因素。 开关的性能主要由气体的放电过程决定。气体的放电主要通过电离和击穿两种形式，电 离简单来说是指气体原子通过分离出价电子而成为离子。击穿简单来说是指气体从绝缘 状态通过电离转换到导电状态。气体电离和击穿包括很多参数和相互作用要通过四个独 立变量( x ，y ，z ，t ) 来描述，在过去这方面的理论研究都是定性或半定量化的，严密的方 法是求波尔兹曼方程和流体方程，但这很难获得解析形式。取雨代之的用计算机数值化 求解，但很难获得自洽解，绝大多数获得的理论都是基于理想条件或者简化模型，而且 都受一些条件的限制： 一、汤逊气体放电理论 2 0 世纪初，汤逊从均匀电场、低气压短气隙( p d 2 6 6 6 k p a c m ) 的气体放电实验出 发，总结出较系统的气体放电理论。在外电离因素作用下，阴极电极表面发生光电离产 生电子( 起始电子) ，并在电场作用下向阳极方向运动。当两极间电压升高、电场增强 时，电子动能达到足够数值，就引起了气体的碰撞电离。电离以后产生一个新电子，它 和起始电子在向阳极方向运动过程中将会获得动能而发生碰撞电离，产生两个新电子， 如此下去，电子个数按1 2 _ 趣2 n 不断增长，如同雪崩样，因此，将这一剧增 超低重复频率高压矩形脉冲电源 的电子流成为电子崩。电子崩形成过程中产生的正离子，在电场作用下向阴极移动，当 它到达阴极附近时，或者由于加强了阴极的场强，或者由于正离子撞击阴极表面而使阴 极表面发生电子产生电子发射。新发射的电子从电场中获得动能参与了气体中的碰撞电 离，使“雪崩”现象加剧，并且，在拆去外电离因素的情况下仍有后继电子，使放电得 以自持。其中引入了三个系数：口系数代表一个电子沿着电场方向行径l c m 长度，平均 发生的碰撞电离次数；系数代表一个正离子沿着电场方向行径l c m 长度，平均发生的 碰撞电离次数；y 系数表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出 的自由电子数。将电子崩和阴极上的y 过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的 基础。汤逊理论的实质是：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离 子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子式维持气体放电的必要条件。所逸出的电子 能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。”。 根据汤逊气体放电理论的一些假设，得出回路电流i 表达式为 2 8 1 ： p 倒 y ( e “一1 ) ( 1 6 ) 。是外电离因素决定的起始电流，a 电子电离系数，d 是电极距离，系数y 表示折 算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平均释放出的自由电子数。 根据巴申定律：当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压( ) 是气压( p ) 和极问距离( d ) 乘积的函数。可得气体击穿电压 2 目： 度。 u 6 = 跏d ( 争 ( 1 7 ) 其中t o = 2 9 3 k ( 2 0 0 c ) ，舢、b o 是标准温度下的值，p 为气体压强，t 为气体的温 大连理工大学硕士学位论文 汤逊放电理论是在气压较低、d d 值较小条件下进行的放电实验的基础上建立起来的， p d 过小或过大，放电机理将变化，汤逊理论就不适应了。 二、流注理论 工程上感兴趣的是压力较高气体的击穿，如大气压下空气的击穿应该采用流注理论 来说明。在外电离因素的作用下，在阴极附近产生起始电子。这些电子在电场作用下， 在向阳极运动的途中与中性原子发生碰撞电离，而形成初始电子崩。当初崩发展到阳极 时，位于电子崩头部的电子迅速到阳极进行中和。暂留的正离子( 在电子崩头部其密度 最大) 作为正空间电荷使原有电场畸变，加强了正离子与阴极之间的电场，同时向周围 放射出大量光子。这些光子是附近的气体因光电离而产生二次电子。它们在正空间电荷 所引起的畸变和加强了的局部电场作用下，又形成新的电子崩称为二次崩，二次崩头部 的电子跑向初崩的正空间电荷区域，与之汇合成为充满正负带电粒子的混合通道。这个 电离通道成为流注。流注通道导电性能良好，其端部( 这里流注的发展方向是从阳极到 阴极，与初崩的方向相反) 又有二次崩留下的正电荷，因此大大加强了留住发展方向的 电场，促使更多的新电子崩相继产生并与之汇合，从而使流注向前发展。到流注通道把 两极接通时，就将导致气隙完全被击穿。 流注理论认为：形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空 间电荷足以使原电场( 外施电压在气隙中产生的电场) 明显畸变，大大加强了电子崩崩 头和崩尾处的电场。另一方面，电子崩中电荷密度很大，所以复合过程频繁，发射出的 光子在这部分强电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源，由此认为，二次电子 的主要来源是空间的光电离。这一理论的特点在于它认为电子碰撞电离及空间光电离是 维持自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用。流注理论目前还很粗糙， 实际上还仅限于放电过程的定性描述1 2 7 】。 根据流注理论，可导出均匀电场中的击穿电压，首先流注形成的条件，即导致击穿 的条件为： p “= 常数 也可写为耐：l n 三 y 电离碰撞系数为： ( 1 8 ) 超低重复频率高压矩形脉冲电源 b s o 凹= a p e e ( 1 9 ) 由l 。8 和1 9 可导出均匀电场中击穿电压。 三、3 d 分析模型 3 一d 分析模型是唯一的能给出自洽解的分析方法，并能用于较宽范围的p d 和用三维 表达公式，这个模型的主要限制是不足以解决瞬态情况，比如击穿。目前此方法的理论 与应用都很少见到。 击穿电压表达式为【2 9 j ： = 等( 鲁一吾 击+ 删 ( 1 1 0 ) 从上式可知：1 ) p d 的值可在0 p d 。范围内，2 ) 包括了扩散因子( j d i ，d ；， 和“) 。 其它还有很多方法，比如双电子模型和雪崩模型等等。现在气体开关的设计几乎都 是采用经验方法和理论相结合。 如上所述，对火花隙开关的物理机制至今尚没有一套完整的理论公式描述，虽然有 一些理论，但也都是在一定的假设条件下对某一特定范围做出解释，这使得火花隙开关 精确设计很难实现。通常只能靠经验和实验数据作为参考进行设计。火花隙开关根据工 作的特点不同有如下分类： ( i ) 根据触发方式不同可分为：自击穿开关和外触发式开关，前者工作在时间同步 要求不严的情况。具有结构简单，体积较小，成本较低等优点。后者则工作在时间同步 要求严的情况。结构较复杂，但具有工作电压范围宽，时间分散性小等优点。 ( 2 ) 根据f 刚隙个数可分为：单间隙和多间隙两种，压缩气体中击穿场强随间隙距离 的增大而减小，采用多间隙开关可提高间隙场强的均匀性和开关的击穿电压，减小开关 的总间隙长度，可改善开关的时间分散性。 ( 3 ) 根据开关通道数可分为单通道和多通道两种。对单通道开关而言，影响开关上 升时闯主要有两个因素：开关电感和开关的火花电阻，通常希望开关有小的电感和小的 电阻损失。 火连理工大学硕士学位论文 精确计算开关的电感，要求详细知道开关火花通道的半径。这通常很难。通常近似 地估计电感l ： ：2 d l 。f 鱼1 。 l 盯， 其中d 为火花通道长度( c m ) ，b 为开关室半径，a 为火花通道半径。因为b a ，l 相对于a 是不灵敏的，将开关接到阻抗为z 的电路中，由开关电感引起的电压时间常数吒 为： f t = i ( 】1 2 ) 第二项是火花电阻的影响，由于放电弧通道吸收能量，引起通道的加热和扩张。在气体 情况下，电阻项的时间常数采用jc m a r t i n 总结出的经验公式是很方便的阳l 。 ( 1 1 3 ) 卫表示气体对标准情况的密度比，z 是开关的外电路的阻抗，e 是通道的击穿电场，单 珐 位是1 0 k v c m ，对于液体或固体情况，类似的关系式为： z 为开关外电路的阻抗，e 为击穿电场，单位为m v c m 。 输出脉冲总的上升时间常数为电感项和电阻项上升时间之和 ( 1 1 4 ) ( 11 5 ) | 耋 pj 旦风 鼍一 “ l n | = ：删 超低重复频率高压矩形脉冲电源 对多通道而言，因为多通道通过电流，上述公式中的z 应用n z 代替，n 为通道数。 出此可知：多通道可获得更快上升时闯的电压脉冲。 ( 4 ) t l l 据工作介质分。有气体开关和液体( 油或水介质1 开关。 对火花隙开关的分类还有很多，比如根据电极个数分类，根据触发方式分类等等。 在火花隙开关的设计中，对击穿场强的估计是非常重要的，在均匀场中空气或氮气 的击穿关系式为 2 9 】： = 卜川，( 耕飞 ( 1 1 6 ) p 为开关的充气气压( a t i t l ) ，d e e 为电极有效距离( c m ) ，f 为场强增强因子，s f 6 和氟里昂的击穿场强大约为上式的2 5 和5 0 倍。 对杜形电极：皇錾：o 11 5 f - - 1 3 d 对球形电极：生箜：0 0 5 7 f = i 8 d 对平板电极：d e y _ _ 2 = 1 0f = i 0 d 其中：d 为电极的距离( c m ) 。 于是，击穿电压u 。= e 。，d ( k v ) a 与击穿场强公式联立求解得出间隙距离。 如上述，火花隙开关即可自击穿工作也可外触发工作。对自击穿开关而言，当开关 所加的电压上升至l 击穿电压时，开关导通。如果电压上升很漫，可当作稳态自击穿。如 果场是均匀的，采用巴申定律，但如果场是非均匀，则用巴申定律算出的数据做参考结 合经验数据优化设计参数。相反，上升时间很短，则为脉冲自击穿，如果所加电压上升 时间足够短，则脉冲击穿电压比稳态击穿电压高。对自击穿开关的设计，主要考虑所加 电压的特性、电极结构、电极材料、电极表面粗糙度和填充介质的性能等等。 本文中电源的核心部件飞盘式机械火花开关正是在上述理论的基础上设计完成的， 并在电源的工作中运转稳定，使得电源输出高压矩形脉冲。 大连理工大学硕士学位论文 2 超低重复频率高压矩形脉冲飞盘式机械火花开关电源 2 1 电源的基本构造 对于非线性晶体电场极化来说，高压电源的性能对获得理想的周期性畴结构非常重 要，并且输出波形丰富的高压电源对研究非线性晶体电场极化的机理是必不可少的。为 此需要一种脉冲宽度、重复频率、脉冲幅度均可调的矩形脉冲电源。本文设计的电源主 要技术指标为：1 、脉冲幅度：2 - 1 0 0 k v ；2 、频率范围o 5 - - 1 0 0 h z ；3 、脉冲宽度o 2 一5 0 t ；4 、脉冲电流大于3 0 0 微安；5 、平顶下降小于2 。 本文中用于实现非线性晶体极化的电源的技术方案是，一种超低重复频率高压矩形 脉冲电源。其具体构造如图2 ，1 所示，包括：调压器1 ，作为斩波器的飞盘式机械火花开 关8 和用于带动飞盘低速旋转的步进电机9 ，用于控制步进电机转速的控制系统l o ，这 可以看作是本电源中的低压控制部分：该电源还包括高压直流电源2 、用于储存直流高 压电源2 输出电能的储能电容3 、固定电极4 、固定电极5 、转动电极6 、转动电极7 、 和用于对输出脉冲波形进行整形的脉冲成形电容1 1 ，这些可以看作是本电源的高压充放 电部分。 图2 1 电源的基本构造示意图 f i g 2 1b a s i c s t r u c t u r eo f p o w e l - s u p p l y 1 2 1 1 1 4 超低重复频率高压矩形脉冲电源 如图所示，固定电极4 和转动电极6 构成一个火花隙，固定电极5 与转动电极7 构 成个火花隙。其中，转动电极6 和7 固定在飞盘式机械火花开关8 上：固定电极4 和 5 分别固定在储能电容和电源的基座上；飞盘式机械火花隙开关8 是由绝缘材料有机玻 璃制成的圆形飞盘，此飞盘式机械火花开关8 由步进电机9 带动旋转；步进电机9 的转。 动速度由控制器1 0 来控制。其中控制器l o 理论上应分为p w m 波产生装置和步进电机 驱动器两部分，本文将在后面对步进电机和p w m 波形产生装置进行专门的阐述，而由 于步进电机驱动器在实际应用中很常见，并且属于步进电机本身自带的装置，将不进行 专门的阐述。 图2 1 中，转动电极6 和7 分别安装在飞盘式机械火花开关8 的上、下两面，通过 导线相连；转动电极6 和7 之间的水平间隔角度范围为1 8 。- - 3 4 2 。，之所以设定在这 个范围，是出于对脉冲成型电容的充放电时间考虑的，若太小，则充电不够，放电电压 达不到所需的等级，若太大，则不能完全泄放掉电容和负载中的能量，此外，我们利用 两个转动电极之间间隔角度的不同来改变脉冲的宽度，且此间隔调制出的脉宽也完全可 咀满足非线性晶体电场极化的要求。同时通过金属针状电极同脉冲成形电容l l 连接，脉 冲成形电容11 与高电压输出端子1 2 相连接，输出端1 2 、晶片与地电极1 4 之间构成回 路，这一部分就构成了电源对负载的放电环节。 图21 中储能电容3 和脉冲成形电容1 1 选用电力高压脉冲电容器，在选择容量时， 储能电容3 的容量为脉冲成形电容1 1 的1 0 倍以上。由于晶片为电容性负载，因此脉冲 成形电容1l 的容量为晶片负载特性为容性的1 0 倍以上，以此来保证输出脉冲平顶下降 小于2 。经过多次不同脉冲强度下的实验证明，输出脉冲电流大于3 0 0 微安，输出脉 冲平顶下降小于2 。 最后我们把储能电容3 、固定电极4 和5 、转动电极6 和7 、飞盘式机械火花开关8 和脉冲成形电容11 密闭在一个金属屏蔽外壳1 3 中进行电磁屏蔽。本电源由高电压输出 端子1 2 输出的脉冲幅值为2 1 0 0 k v ，重复频率范围为0 5 - - 1 0 0 h z ，脉冲宽度范围为0 s m s 一1 9 s 。直流高压电源2 的输出电压为o - l o o k v 。 本文设计的超低重复频率高电压矩形波脉冲的电源，可满足各种厚度非线性晶体材 料极化的需要。通过实验证明，电源工作稳定，性能良好，且非线性晶体材料极化后畴 反转的效果明显，达到了预期的效果。 本文的电源适用于0 2 5 m m - - 1 m m 厚度范围的非线性晶体周期性极化反转实验及批 量生产要求，电源能够提供强度为2 4 - - 1 0 0 k v m m 的高压脉冲。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 电源的具体工作过程 如前文中所述，根据本电源在设计，具体使用，实验效果等多方面的综合考虑，本 节将分两大部分进行讨论。第一部分，将阐述整个电源系统在实验过程中的具体工作过 程。第二部分详细介绍包括电源供给，飞盘式机械火花开关，脉宽调制，负载放电等几 个部分。而对用于调节输出脉冲重复频率，控制飞盘式机械火花开关的步进电机及其驱 动部分将在下一章中进行详细的阐述。 22 1 电源整体的工作状态 图2 2 电源工作情况示意图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no f w o r k i n g s t a t e 试验中的具体工作情况如图2 , 2 所示，整个系统的工作过程如下：调压器t ，接实验 室普通电源，即0 - 2 2 0 v ，5 0 h z ，为高压直流电源2 供电。使高压直流电源2 的输出电压 在0 - 1 0 0 k v 范围内可调。这样在实验中，我们就可以根据负载晶片种类和厚度的不同， 随时调整输出脉冲的强度。高压直流电源2 的输出端连接到储能电容3 和固定电极4 ， 其输出的电能被储存在储能电容3 里，构成了本电源的储能环节。固定电极4 和转动电 极6 构成一个火花隙，固定电极5 接地与转动电极7 构成一个火花隙。转动电极6 和7 固定在飞盘式机械火花开关8 上、下两面，飞盘式机械火花开关8 由绝缘有机玻璃板制 超低重复频率高压矩形脉冲电源 成，并由步进电机9 带动旋转，这是本电源中的核- f l , 部件。步进电机9 的转动速度由控 制器l o 来控制，通过对驱动器的调整，来控制输出脉冲的重复频率，以适应不同样式和 种类的负载晶片。转动电极6 和7 之间由导线相连，同时通过金属针状电极2 3 ( 见图2 4 ) 同脉冲成形电容l1 连接，脉冲成形电容连接到电源输出端1 2 ，输出端1 2 、负载晶片1 5 、 1 6 、1 7 和地电极1 4 之间构成回路。这样利用飞盘式机械火花开关将储能电容3 中存放 的电能，通过脉冲成型电容l1 以矩形脉冲的形式施加到负载上。其中储能电容3 、固定 电极4 和5 、转动电极6 和7 、飞盘式机械火花开关8 、脉冲成形电容l l 被密闭在一个 金属壳体1 3 中，进行电磁屏蔽。 2 2 2 电容储能及脉冲成形 图2 2 中直流高压电源2 输出电压极性为正极性或负极性均可，因为电压极性并不 影响菲线性晶体的电场极化的效果，其输出直流高电压范围为o - 1 0 0 k v ，外加电场强度 为2 4 一l o o k v m m ，使用中按照所需要的脉冲幅值设定直流高压的输出值，该输出值是根 据晶片1 5 、1 6 、1 7 的厚度为依据来计算的，晶片厚度越厚，则需直流高压的输出值越高， 反之晶片厚度越薄，则需直流高压输出值较低。直流高压电源2 的输出端连接到储能 电容3 ，电源输出的电能储存在该电容里面，这是整个电源系统的储能部分，储能电容 中的能量等级直接决定最后施加在晶片上的能量的大小，对于非线性晶体的电场极化效 果十分重要。 脉冲成形电容l l 连接到电源输出端1 2 ，输出端1 2 、负载晶片1 5 、1 6 、1 7 和地电极 1 4 之间构成回路。然后利用飞盘式机械火花开关的旋转，将储能电容3 中储存的电能对 脉冲成形电容l1 充电，使之以矩形脉冲的形式加到负载上。具体的过程。在后面的飞盘 式机械火花开关的工作中加以详细介绍。 本文电源中，储能电容3 和脉冲成形电容l l 都选用低电感、长寿命的高压脉冲电容 器，其中储能电容3 的电容值选择大于脉冲成形电容器的l o 倍以上，在o 。5 1 0 掣f 范 围，以此保证输出脉冲波型的可靠性以及输出高压脉冲强度能够达到需要的等级。由于 被极化的非线性晶体的负载特性为电容性，因此脉冲成形电容1 l 的电容值与负载的电容 值之间的关系决定了输出脉冲波形平顶下降的大小，本电源中选择了前者的电容值大予 后者的1 0 倍以上，在这样的条件下，输出高压脉冲的平顶下降小于2 。 2 2 3 飞盘式机械火花开关 我们把固定电极4 接储能电容3 ，固定电极5 接大地1 4 ，转动电极6 和转动电极7 固定在飞盘式机械火花丌关上、下两面，之间用导线2 2 ( 图2 3 ) 连通。则此时，固定 大连理工大学硕士学位论文 电极4 和转动电极6 、固定电极5 和转动电极7 组成两对火花间隙，一个火花间隙用于 对脉冲成形电容1l 充电及对负载放电，一个火花间隙用于斩断输出电压及泄放掉脉冲成 形电容1 1 和负载上的电能。 图2 3 飞盘式机械火花开关结构图 f i g 2 3f r i s b e em e c h a n i s ms p a r kg a p s w i t c h 图2 3 中，固定电极4 和转动电极6 之间的间隙决定了火花间隙的最小击穿电压， 本电源系统中，火花隙的最小击穿电压为2 k v ，即电源可以输出的最小脉冲峰值为2 k v 。 当固定电极4 和转动电极6 之间的间隙被击穿时，储能电容3 上的电能通过转动电极6 、 导线2 2 、金属圆片2 l 和金属针状电极2 3 对脉冲成形电容1 1 和负载晶片放电。当固定 电极5 和转动电极7 之间的间隙被击穿时，脉冲成形电容1 l 和负载通过回路对地泻放电 超低重复频率高压矩形脉冲电源 能。其中金属针状电极2 3 固定在绝缘基座2 4 上，其主要作用是：一方面传导电能到脉 冲成形电容ll 和负载，另一方面支撑飞盘式机械火花开关8 且不影响旋转。飞盘式机械 火花开关8 由绝缘材料有机玻璃制成，且具有一定厚度，这是为了保证低压部分步进电 机9 及其控制系统1 0 与高压部分转动电