（电气工程专业论文）blumlein型纳秒脉冲发生器的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a e t p u l s ep o w e rt e e l m o l o g yn o to n l yp l a y sm o l ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm i l i t a r ya n d h i g h - t e e hr e s e a r c h , b u ta l s oe x h i b i tg o o da p p l i c a t i o np o t e n d a li nm a n yf i e l d s ，s u c ha s i n d u s t r y , b i o m e d i c i n ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n ds oo n b u ts of a r , t h e r ei s1 3 t oo n e c o m m e r c i a ln a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o r 砧髓妇i th a sv i t a ls c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n d t h ea p p l i c a t i o nv a l u et od e v e l o pn a n o s e c o n dp l l l g e n e r a t o rw i t hh i 曲l ，e 一；o r m a n e e 隘 t h e s i sd e v e l o p e dan a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o rb a s e do nb l u m l e i ni r a n s m i s s i l i n e a c c o r d i n gt op u l s ep o w e rt e c h n o l o g ya n dt h e 呲s w i t c ht e c h n o l o g y 1 1 艟p r i n c i p l el h 越b l u m l e i nl z a n s n l i s s i o nl i n eg e n e r a t e sh i g h - v o l t a g ep u l s ew a sa n a l y z l t h e o r e t i c a l l yf r o mt h ev i e wo fp o i n t so fi n m s m i s s i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n di t s e q u i v a l e n tc i r c u i t 1 1 嵋c i r c u i t s i m u l a t i o nr c s t t l tw i t hs o t t w l i i ep s p i e ev a l i d a t e st h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s 1 1 1 ei n f l u e n c eo fs t r a yp a r a m e t e r si nb l u m l e i n - t y p ep u l s eg e n e r a t o ro n t h eo u l p u tp u l s ew 勰a l s os i m u l a t e d 硼kr e s u l t sh a v es h o wt h a t s t r a yi n d u c t a n c ei n d i s c h a r g el o o p , s t r a yc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h et w ot e r m i n a l so fl o a da n dt h es t r a y c a p a c i t a n c eb e t w e e nt h ef r o n te n do f l o a da n dt h ee a r t hs l o wt h er i s er a t eo f f r o n te d g ea n d f a l lr a t eo f b a c ke a g e , a n dt h er i s et i m ea n df a l ll i m ea i a p p r o x i m a t e l yi nd i r e c tp r o p o r t i o n t ot h es t r a yp a r a m e t e r s n es l r a y 增s j j 妇n i nd i s c h a r g el o o pl e a d st of a l ls t e pb ys t e p 砒 t h ee n do f p u l s e 1 1 把s t r a yi n d u c t a n c ei no u t p u tl o o pr e s u l t si no v e r s h o o t sa tt h ef i o n ta n d b a c ke d g e a l t h o u g ht h es w a yc a p a c i t a n c eb e t w e e nt h eb a c ke n do f l o a da n dt h ee a r t h 锄 a l s oc a u s eo v e r s h o o ta tt h er i s ee d g eo f p u l s e , t h eb a c ke d g eo f p u l s ei sd i s t o r t e da n dt h ef a l l l i m ei n c r e a s e sg r e a t l y ms i m u l a t i o np r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fp u l g e n e r a t o ra x l di m p r o v i n gt h er i s ee d g eo f p u l s e 1 l 地a i rp r e s s u r e ，g a pd i 鲰m ，f i e l dt y p ea n de l e e l r o d es t r u c t u r eo ff i e l dd i s t o r t i o n s p a r ks w i t c hw e l es t u d i e di nd e t a i l r e a s o n a b l ei n s u 蜥o ns m l e t u r er e d u c e dt h es i z eo f t l a e s w i t c h 硼1 ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eg a pw a ss i m l l l 劬e dw i t hs o t = i w l t l ef e n d a b , a n dt h ei 岱a f l t v a l i d a t e st h er a t i o n a l i t yo f e l e c t r i c a ld e s i g n t h ee h a r a e t e t 蜘eo f t l a es w i t c hw e r ec a l c u l a t e d t h e o r e t i c a | u y 1 ks w i t c hw a sd e s i g nc o n c r e t e l yi nm e c h a n i c a ls i z ea n d t h e nm a c h i n e d 口位 e x p e r i m e - n t sw 眦c a r r i e do u tt 0 咖由t h ei n f l u e n c eo f w o r k i n gv o l t a g er a t i o 越1 dt r i g g e r i n g v o l t a g eo nb l e a k d o w nt i m ed e l 科勰w e l l 鹞i t sj i t t e r 1 1 圮t r i g 辨f i n gi a n g ea n dt r i g g e r i n g t h r e s h o l dw e l ea l s os t u d i e d me x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et i m ed e 埘w a sl e s s t h a nl o o n s a n d j i t t e rl e s st h a nl o m w h e nt h ea i rp r e s s u r el e s st h a n 办血也v o l t a g er a t i o l a r g e r t h a n8 0 a n d1 1 i g g e r i n gv o l t a g el a r g e rt h a n1 5 k v m o r e o v e r , t h et r i g g e r i n g 瑚n g ew a s 重庆大学硕士学位论文英文摘要 l a r g e r t h a n5 5 a n d 缸i g g e r i n gt h r e s h o l dl e s st h a n1 0 k v t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e d t h a t f i l e s w i t c h c a n m e e t t h e d e s i g n d e m a n d i nt h el a s tp a r t , t h ed e s i g no f e a c hp a r to f t h eb l u m l e i n - t y p en a n o s e c o n d p u l s eg e n e r a t o r a n dt h ep r o t o t y p i c a la s s e m b l yw e r ec o m p l e t e d t h ec o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dt h e i r p a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d ar e s i s t o rd i v i d e rf o rm e a s u r i n g 试艇| 咄v o l t a g ea n di t s c o r r e s p o n d m gp u l s es o u r c ef o rs t e pr e s p o n s ee x p e r i m e n to fd i v i d e rw e r ed e s i g n e d t h e b l u m l e i n - t y p en a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o rw a sd e b u g g e do v e r a l la n dt h eo u t p u tw a v e f o r m 稻m e a s u r e di nl a b o r a t o r y t h er e s u l ts h o w st h ee q u i p m e n t 咄ls a t i s f yt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s , w h i c hi n d i c a t e st h ee q u i p m e n tl a y saf o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：n a n o s e c o n dp u l s e ，b l u m l e i n , w a n s m i s s i o nl i n e , f i e l dd i s t o r t i o ns p a r ks w i t c h , d i v i d e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：藁驽；炎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：萋穹氓 导师签名： 签字吼1 年f 月) 孑日签字日期。哆年妒扔 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 脉冲功率技术简介 脉冲功率技术是由于国防需要而开始发展起来的一门新兴科学技术，4 0 多年 来，它的迅速发展是非常引入注目的，它在国防军事、高科技研究、高新技术和民 用工业等领域都有着越来越广泛的重要作用。 1 1 1 脉冲功率技术的发展现状 脉冲功率技术是以2 0 世纪6 0 年代英国原子武器研究中心( a w r e ) 的马丁( j c m a r t i n ) 领导的研究小组，基于经典的m a r x 发生器技术，发明用于核武器强脉冲 y 射线辐射效应的高压脉冲传输线型强流脉冲电子束加速器为标志而迅速发展起来 的1 1 。在近几十年的发展过程中，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本和中国 等成立了为数众多的研究机构，做出了大量的研究工作 目前，俄罗斯和美国在脉冲功率技术研究方面处于领先地位。美国圣地亚国家 实验室( s a n d i an a t i o n a ll a b ) 于1 9 8 0 和1 9 8 6 年分别建成了p b f a - i 和p b f a - i i ( p a c i f i c b e a nf u s i o na c c e l e r a t o r ) 装置，其中p b f a - i i 用于粒子束加速器的核聚变研究，电压 1 2 m v ，电流8 4 m a ，脉宽4 0 n s ，能量4 3 m j ，功率1 0 1 4 w ，是世界上最大的脉冲功 率装置。俄罗斯于1 9 8 5 年建成的a h r a p a - 5 装置，输出电压2 m v ，电流4 0 m a ，脉宽 9 0 u s ，s i n u s 系列加速器采用了脉冲变压器与形成线一体化技术，具有结构紧凑， 重复频率高，性能可靠等优点。托姆斯克大电流研究所、列宁格勒叶菲得莫夫电物 理装置研究所、莫斯科辐射技术研究所等单位在脉冲功率技术方面实力也很强。在 日本，由于历史和政治原因，脉冲功率技术不能用于军事，强流粒子束加速器多用 于惯性约束聚变研究，他们特别重视轻离子的惯性约束聚变。较著名的装置有大坂 大学的r a i d e n - i v 和长岗技术大学1 9 8 6 年建成的e t i g o - i ，后者的电压为3 m v ，电流 4 0 0 k a ，脉宽6 0 u s i ” 在我国，脉冲功率技术的研究始子2 0 t ! t 纪6 0 年代，现在己经有几十台高功率脉 冲装置在运行，如中国工程物理研究院的8 m v ，1 0 0 k a ，脉宽8 0 u s 的“闪光一号” 相对论电子加速器以及1 2 m v ，束流2 l 渔的直线感应电子加速器，西北核技术研究 所的1 4 7 m v ，0 7 2 m a ，脉宽7 0 - 8 0 n s 的“闪光二号”相对论电子加速器等。这些都 标志着我国在脉冲功率技术领域取得了一定的进展【1 1 。 1 1 2 脉冲功率技术的基本原理 脉冲功率电源的工作，就其实质而言，就是能量的压缩过程田。能量压缩就是 在空间和时间上增加能量密度的过程。纯空间的能量压缩，只能增大能量的体密 重庆大学硕士学位论文i 绪论 度；而时间上的能量压缩，却能提高功率。因此，在高功率脉冲电源中，欲使能量 密度增加，应当在空间上压缩能量：要想提高功率，应当在时间上压缩能量。 在空间上能量的压缩；在空间上压缩能量，即减小其体积，是一种线性压 缩过程。在高功率脉冲电源中，在空间上压缩能量包括提高初级能源的储能密度， 以及选用合适的中闯储能和脉冲形成系统并提高它的储能密度。 在时间上能量的压缩：在绝大多数高功率脉冲电源中，更有意义的是在时 间上能量的压缩。在时间上压缩能量是一个非线性过程。在能量守恒条件下，在时 问上压缩能量，从而提高功率，其实质是缩短释能时间。要想缩短释能时间，必须 在储能元件和受能元件之间增添第三物体( 压缩元件) 。在某些高功率脉冲电源中， 第三物体通常是中间储能和脉冲形成系统，或者是开关转换系统。只有第三物体存 在，才有可能互补地压缩能量。 在时间和空间上能量的同时压缩：在某些特殊高功率脉冲电源中会出现能 量同时在空间上和时间上的压缩。例如磁通压缩发生器，化学能产生的外力做功压 缩磁通，使磁能体积随时间变小，即能量在空间和时间上同时被压缩。 从实现步骤来看，脉冲功率系统一般包括下列几个部分；初级能源系统、功率 调整系统、能量储存单元、脉冲形成回路、开关和负载，如图1 1 所示工作过程 如下：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，通过功率调整向中间 储能单元和脉冲形成系统充电( 或注入能量) ；再次，能量经过储存、压缩、形成脉 冲或转化等某些复杂过程之后，最后快速放电给负载f 3 】。 图i i 脉冲功率系统框图 f i gi is c h e m a t i c o f p u l s e p o w e r s y s t e m 初级能源的种类繁多。采用何种装置，应视用途和中间储能、脉冲形成系统的 性质以及本身成本而定。它主要包括以下几种形式嗍： 电场储能 电容储能都是以电场形式实现的，这种储能形式最早被应用到单脉冲快放电技 术中，后来发展的传输线储能也是以电场形式实现的。到7 0 年代，由于脉冲功率技 术中的许多领域需要重复脉冲，以及电容器的储能密度和寿命研究取得了进展，因 此，电容储能在脉冲功率技术中占有重要地位。电容储能的前途决定于能否研制出 高储能密度、低电感、长寿命和高重复频率的新型电容器。电容储能简单，所需充 2 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 电功率小，技术成熟，容易操作，工作时不影响环境等。所以，高电压脉冲电容器 仍广泛地应用于电物理和高电压试验领域。 磁场储能 电感储能是以磁场方式进行储能的。电感储能技术在现代科学技术领域中，诸 如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率雷 达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领域，都有着极为重要的应用。 电感储能的储能密度高和传输功率大，从而使得储能装置体积小、成本低。 化学能和核能储能 由于化学能和核能具有极高的储能密度，它们已经和正在被广泛地应用于脉冲 功率领域。目前主要有三种化学能的高功率脉冲电源，它们是蓄电池组的电化学装 置、化学能源的磁通压缩发生器和磁流体发电机。而核能主要用于脉冲磁流体发 电。 机械能储能 机械能分静态和动态两种。动态机械能又分直线和旋转的。其中，只有储存在 旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，而且提取也十分方便， 可以应用于脉冲功率中。 功率调整系统是用来将初始功率转换成能量存储单元要求的具有特定形式的功 率，其作用主要是：一是将由初始能源输入的功率进行调整，使其达到较高的电 压；二是将输入给功率调整系统的功率变成脉冲形式，使能量易于输送给能量储存 单元。 能量存储单元在一定时间内储存能量，然后很快释放到脉冲形成回路，脉宽一 般在微秒数量级。它的作用主要是：一是为功率调整系统提供恒定的负载，起隔离 功率调整系统和脉冲形成回路的作用；二是在输出一个脉冲到脉冲形成回路之后， 为产生下一个脉冲储存能量。 脉冲形成回路将能量储存单元输送来的能量转换成陡的脉冲，并使其达到一定 幅值后，以便经过开关输送给负载。 开关包括闭合开关和断路开关两类。实际上，它们可分布在脉冲电源的不同位 置。视应用情况不同，有时只用闭合开关，有时仅用断路开关，有时联合使用。 在实际一些简单的脉冲功率系统中，可以将有些部分省略，如功率调整系统： 有些部分也可以合并在一起，如将能量储存单元和脉冲形成单元合并 1 1 3 脉冲功率技术的应用 脉冲功率技术最初主要应用于军事和高科技武器研究，如强激光泵浦源、强x 射线y 射线激励源、电磁发射与电炮驱动源、高功率微波发射源、强流电子束与 离子束加速源、脉冲等离子体激发源、超高速运载体的推进源等。经过4 0 多年的 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 发展，脉冲功率技术的研究内容和应用目的已经大大超越了核武器辐射效应模拟的 范围，成为强脉冲辐射物理、高能密度物理、受控核聚变物理研究的支撂技术，并 且在新兴、高新技术产生( 如环境保护、辐射消毒、辐射刻蚀) 以及高新技术武器 ( 如强脉冲激光、高功率微波、电磁脉冲武器) 等方面发挥着日益重要的作用。表 1 1 比较详细地介绍了脉冲功率技术的主要应用领域。 表1 1 脉冲功率技术的主要应用领域 应用领域 说明 军事电磁脉冲技术阁 高功率电磁脉冲具有极强的电磁干扰 应用 电磁轨道炮m 属于今年提出的新概念武器 粒子束武器嘲 定向发射出粒子流，替代常规武器 粒子束惯性约束聚变嗍 形成强电流下粒子束的箍缩 相对论电子束加速器i 删 产生强流高能电子束 科学 准分子激光器1 1 0 l 产生纳秒或亚纳秒级脉冲放电和高能电子束流 研究 强脉冲x 射线技术研提供x 射线源的高能脉冲 微波辐射【1 l l提供微波辐射功率 航空航天【4 】利用金属丝爆炸作为航天器的点火源 材料加工1 1 柚3 l 定向破碎、爆炸成型、线爆喷镀、电爆焊接等 工业 化学工业脚 利用液电爆炸的高温、高压区进行有机物合成、超硬度 应用 材料合成( 如人造金刚石) 石油工业【1 t 1 珂 利用脉冲放电为油井解堵、打造深采油井 食品杀菌消毒 “嘲 脉冲放电杀灭细菌。克服加热杀菌法的蛋白质变性和维 生物生素破坏 医学 体外聚焦破碎结石口捌 临床上已经成功应用于肾，胆结石的体外碎石 生物电磁学口1 嘲 利用脉冲电场诱导细胞电穿孔、细胞内电处理和不可逆 性电击穿等效应，达到杀死细胞的目的 环境废气处理陋阗 利用脉冲非热等离子体放电分解s o l 、n q 等气体分子 保护废水处理p m 脉冲非热等离子体放电分解酚类、芳香类等有机分子 制取臭氧p “q 广泛用于杀菌、氧化、漂白、除臭等 总之。脉冲功率技术是一种军民两用技术，它的发展十分迅速，正引起许多科 学领域，特别是一些高技术领域的重视，展现出了良好的应用前景，已成为各国研 究的热点，日益受到国际科技界的关注。 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 2 纳秒脉冲发生器的研究现状 1 2 1 引言 脉冲功率技术都是借助于储能系统以较低的功率先把能量在较长时间内储能起 来，然后以高得多的功率变换为脉冲电磁能量并迅速释放到特定负载中去。 如前所述，脉冲功率系统中能量储存的方法多种多样，主要有：电场储能、磁 场储能、化学储能和机械储能等电场储能型脉冲发生器常用储能电容器或脉冲形 成线和闭合开关作为功率调制手段，优点是效率高、输出波形好、脉宽长、可重复 运行以及阻抗范围大易与负载相匹配等，而且结构简单，技术成熟，应用最广，但 缺点是储能密度低、体积庞大等。磁场储能型脉冲发生器则用储能电感和切断开关 作为功率调制手段，与前者相反，优点是储能密度高、系统结构紧凑，但其缺点是不 易实现高重复频率运行、输出电压波形不好( 一般为三角波) 、输出脉冲阻抗与负载 不易匹配、其电路关键部分切断开关技术不够成熟【1 1 1 。 由于电场储能型脉冲发生器具有结构简单，技术成熟，应用广泛等特点，而本 文研制的装置主要针对民用领域，因此，本章主要论述民用领域中的电场储能型纳 秒脉冲发生器的研究现状。 1 2 2 电容放电型纳秒脉冲发生器 电容放电是一种产生脉冲的最为简单的方法，通常用来产生指数衰减脉冲。 其基本工作原理是：以电容器作为储能元件，先对电容充电，然后再通过放电开关 快速导通将电容上的能量释放到负载上，从而得到高压纳秒脉冲。目前，很多研究 机构都通过这种方式来产生高压纳秒脉冲。 n 5 0 ( a ) 原理图输出波形 图1 2m o s f e t 控制的电容充放电简易产纳秒脉冲发生器 f i g a 2 s i m p l e m o s f e t - b a s e d 强m o s 酋饼通洳如波 美国亚利桑那州大学的a l t o nq 衄e y 等人h 1 1 设计了一种由m o s 肿控制的简易 低压纳秒脉冲产生电路及典型输出波形如图1 2 。电路包括三级，第一级由芯片 m c 7 4 a c l 4 构成施密特触发器，产生7 5 m 的逻辑电平脉冲，作为开关器件的控制信 号。第二级由反相器m c 3 4 1 5 1 将控制信号反相并放大，用于驱动开关第三级为 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 输出级，选择半导体器件m o s f e t ( i x y sd e 2 7 5 - 5 0 1 n 1 6 a ) 作为开关，工作在共 源模式下。由于m o s f e t 导通时间( 7 5 n s ) 小于电容的放电时问，电容上的能量来 不及完全释放到负载上m 0 s f e t 就关断，则负载上得到近似负方波脉冲。脉冲最大 幅值4 0 0 v ，脉宽为7 0 n s ，下降沿1 0 n s 。该装置应用于基于电穿孔效应的基因疗法 美国弗吉尼亚大学的u l r 强h a h n 等人甲l 研制了一种四级微型m a r x 纳秒脉冲发 生器，如图1 3 ( a ) 所示。基本原理可以概括为；串联充电，并联放电州。为了减 小杂散电感，电容选择低电感陶瓷电容。选择m o s f e t ( 4 0 n 1 6 0 ，i x y s ) 作为可 控初始触发开关。火花间隙作为放电开关，在大气压下工作，电极为针针电极， 间距约为0 5 m m ，通过螺纹调整电极间距以调节击穿电压，从而调节脉冲幅值。 在负载上并联火花间隙s g i v ，截断波尾以缩短脉宽。当负载阻抗为l m q 时，输 出脉冲的最大幅值达到充电电压的4 倍；而对于5 0 f l 的负载，输出脉冲的最大幅 值为2 k v ，调节范围为1 5 2 k v ，半高宽为5 - 6 m ，上升时间为2 3 n s ，极性为负， 如图1 3 ( b ) 所示。该装置可应用于脉冲激光、等离子体加热和生物电磁学。 ( a ) 原理图o ，) 输出波形 图1 3 四级微型m a r x 发生器 f i g 1 3 m o s f e t - c o n t r o l l e d f o u 口- s t a g e m a r x g e n 目a t o r 图1 4 直流充电的电容放电型纳秒脉冲发生器 h g i a n m l o s d ：o n d p u l s e g e m m m r b a s e d o n d i s c 峨a c a p a e r t o r 国防科技大学的贺元吉等【4 3 】设计了一种集脉冲电容器、火花开关、电容分压 器和匹配负载为一体的纳秒级脉冲形成电路，整个电路采用同轴结构，如图1 4 所 示。脉冲电容同轴排列，总电容量为l n f ；由直流电源对脉冲电容充电，当电容上 的电容达到火花间隙的击穿电压时，间隙导通放电，产生高压脉冲。为了能截断脉 6 重庆大学硕士学位论文i 绪论 冲的后沿，开关采用同轴结构，负载上所获脉冲的脉宽由峰值间隙和击穿间隙的击 穿时延决定，脉冲的上升前沿由峰值间隙确定，脉冲的后沿和幅值由击穿间隙确 定；分压器为同轴电容分压器，分压比为9 3 2 。该n s 级脉冲发生器能产生脉冲前沿 为2 n s ，后沿为1 s n s 、底宽为5 6 n s 、峰值为7 1 k v 的高压窄脉冲。 1 。2 3 传输线型纳秒脉冲发生器 在脉冲功率技术中，常利用传输线同时作为储能元件和脉冲形成单元，产生方 波脉冲。传输线型脉冲发生器可以分为单传输线型和双传输线型脉冲发生器。 单传输线型纳秒脉冲发生器 单传输线型脉冲发生器如图1 5 所示，s 为主放电开关，r 为充电电阻，码，为 负载，z o 为传输线波阻抗。开关导通后，在负载上得到的方波脉冲幅值为充电电 压，脉宽为电磁波在传输线中的传播时间的两倍 图1 5 单传输线型脉冲发生器示意图 f 皓1 5s c l l e 咖疵o f p u l s e g e n e r m o r b a s e d o ns i n g l e 删s s i o n l i n e 威尔士大学的c p h a n c o c k 等人嗍设计的纳秒脉冲发生器用阻抗为5 0 q 的同 轴电缆构成单传输线，并采用了皮克林p i c k e t i n ge l e c t r o n i cl i d 的水银池簧片继电 器开关。该装置能够输出前沿很陡的单次脉冲，幅值大于i k v ，上升时间约为 1 0 5 p s ，通过改交电缆的长度，可以使脉宽在0 7 n s 至2 5 0 m 范围调节，输出阻抗也 为5 0 q ，该装置可用于磁记录。 清华大学的罗承沐等 4 6 1 研制的高压毫微秒脉冲发生器利用5 0 q 的同轴电缆作 为单传输线，长度为1 0 m ，北京真空电子技术研究所研制的v e 4 0 4 8 型冷阴极闸流 管作为放电开关。利用5 5 5 定时器产生控制信号触发可控硅，产生低压负脉冲，再 通过升压变压器，产生大于4 5 k v 的负脉冲作为闸流管的触发信号。该脉冲发生器 可以产生最大幅值为2 5 k v ，上升时间小于1 0 n s ，脉宽为l o o n s 的方波脉冲，可以 用来测量系统的方波响应特性，也可以作为电磁脉冲研究工作脉冲电源。 西安交通大学的张乔根等1 4 7 j 研制出的高压脉冲信号发生器可达到亚纳秒前 沿。利用亚纳秒脉冲放电管作为开关，该放电管采用银膜电极，玻璃管壳封装，内 充十个大气压的氢气并存储水银，电极被水银浸润。3 0 c m 长的同轴线和7 级【c 元件串联组成的人工传输线串联作为脉冲形成线，如图1 6 所示，眦且c = c o ， 以消除连接处的折反射。该脉冲发生器能够产生幅值不低于2 k v ，上升时间小于 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 0 8 n s ，脉宽为1 5 0 n s 的方波脉冲，通过改变不同放电电压的脉冲放电管，可改变输 出脉冲的幅值；通过改变l c 串联的级数，可改变脉宽。该装置可用于电压、电流 测量系统的方波响应试验。 图1 6 人工传输线和同轴电缆串联示意图 f i g i 6s c h e m a t i co f r n u a lh 部憾m i 蟹d l i n ei ns e r i a lw i n lc o a x i a lc a b l e 文献【4 8 】介绍了一种用于电声脉冲法测量固体介质中空间电荷分布的小型纳秒 脉冲发生器。以反激式开关电路为基础提供直流高压电源；以湿簧管作为开关，由 5 5 5 定时器构成的施密特电路提供触发信号；以同轴电缆为脉冲成形线。装置可产 生幅值最高达2 k v ，脉冲宽度为2 0 n s ，且幅值和频率可调的纳秒脉冲。 ( a ) 原理图 场畸变火花开关 图1 7 用于驱动等离子体电极电光开关的脉冲发生器 f i g 1 7 p u l s e g e n e r a t o r f o r d r i v i n g e l e c t r o - o p t i c a ls w i t c h w i l h p l a s m a e l e c t r o d e 西南核物理与化学研究所的范敏等 4 9 1 研制的纳秒脉冲发生器如图1 7c a ) 所 示，利用2 根长为1 0 5 m 的电缆( s y v - 5 0 - 2 8 ) 并联作为单脉冲形成线，阻抗为 2 5 q ，用三电极场畸变火花开关控制脉冲输出场畸变火花开关如图1 7 ( b ) 所 示，主电极为黄铜，星0 3 0 m m 的半球平顶状，触发极为不锈钢( 1 c r l g n i 蟠) ， 里环形刀状，中间孔开关的触发信号由h y - 3 2 0 2 型闸流管产生，分压器为电阻分压 器ol o m m ，电极间用有机玻璃支撑和绝缘，电极间距通过主电极座下的垫片调 节。开关的触发信号由通过h y 3 2 0 2 型闸流管作为开关的电容放电产生。该脉冲发 生器可以输出幅值为7 5 k v ，脉宽为l l o n s ，上升时间小于2 6 m 的脉冲，用于驱动等 离子体电极电光开关。 暑 重庆大学硕士学位论文1 绪论 b l u m l e i n 型纳秒脉冲发生器 为了克服基于单传输线型脉冲发生器产生的脉冲幅值只有充电电压一半的缺 点，b l u m l e i n 提出了双传输线型脉冲发生器，即b l u m l e i n 传输线型脉冲发生器( 简 称b h m a l e i n 型脉冲发生器) ，结构如图1 8 所示。当阻抗完全匹配时，在负载上产生 脉宽为电磁波在单个传输线上传播时问的两倍，幅值为充电电压的方波脉冲【l l 。 图1 8b l u n d e i n 传输线示意图 f i 9 1 8s c h e m a t i co f b l u m l e i nl a m l s m i s s i o nl i n e 日本熊本大学脉冲功率实验室的s k a t s u k i 等人踟研制了一种用于杀菌的纳秒 脉冲发生器三个宽3 8 r a m 的铜板和两张1 3 m m 厚的聚四氟乙烯薄膜构成 b l u m l e i n 传输线，传输线长度为4 8 0 e r a ，输出阻抗为3 0 t 2 ，通过场畸变开关控制 脉冲输出，可以产生幅值为3 0 k v ，脉宽为4 5 n s ，上升时间为2 n s 的方波脉冲。在 传输线和杀菌室之间插入1 0 0 n h 的电感，可以使上升时间增加到2 0 n s 。实验表 明，上升时间越小，杀灭细菌的效率越高。 美国南加州大学的a n d r a sk u - t h i 等人【5 i - 5 3 1 以火花间隙作为开关，研制出了两种 用于细胞内电处理实验的传输线型纳秒脉冲发生器。一种是以同轴电缆为脉冲形成 网络的单线传输线脉冲发生器。传输线由四根5 0 q 的同轴电缆并联组成，波阻抗 为1 2 t 2 ，高压直流电源对传输线充电，当火花间隙击穿时，电缆中储存的能量释 放到负载上，产生方波脉冲，脉宽由电缆的长度决定，上升时间主要取决于火花开 关的性能，可减小到2 n s 。输出脉冲幅值等于充电电压的一半，通过充电电源和火 花间隙的间距可以在1 - 4 k v 范围内调节幅值。 a n d r a sk u t h i 等人研制的另一种脉冲发生器以带状b l u m l e i n 传输线作为脉冲形 成网络形成线以铝作为电极，长为1 0 e m ，间距为3 2 m m ，通过改变电极宽度使 波阻抗为1 0 q 。以水( 占= 8 1 ) 和乙二醇( 占= 3 7 ) 的混合物作为介质，由于脉 宽也等于电磁波在传输线中的传播时间的2 倍，则通过改变介质的电导率就可以改 变传播速度，从而调节脉宽；同时选择介电常数很大的水作为介质还可以大大减小 传输线的长度。由m o s f e t 控制的反激式电源对发生器谐振充电，输出脉冲的幅 值等于充电电源。该发生器可以输出幅值1 0 k v ，脉宽4 - - - 6 t l s 的方波脉冲。 弗吉尼亚州立大学的k a r lhs c h o e n b a e h 等人i s 4 1 也设计了两种用于细胞内电处理 的基于b l 叫n l 血形成线的纳秒脉冲发生器。一种是用于对电极池中大量细胞进行处 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 理的高压纳秒脉冲发生器，结构及其输出波形如图1 9 所示。b l u n d e i n 形成线以两层 0 5 m m 厚的特富龙作为介质，长度为2 m ，宽度为1 0 c m ，阻抗为1 0 q 。传输线做成 u 型形状以减小体积。导体材料选择铝，以减小装置的重量。以火花间隙作为开 关，火花间隙的间距为l m m ，电极材料为黄铜，间隙中充有s f 6 压缩气体以增大间 隙的击穿电压，通过改变气体的气压调节开关的击穿电压，从而调节脉冲幅值。该 脉冲发生器可以产生最大幅值4 0 k v ，脉宽1 0 n s ，上升时间l n s 的负极性方波脉冲。 ( a ) 结构剖面图o ，) 输出波形 图1 9 特富龙介质u 型b l t m f l e h l 传输线纳秒脉冲发生器 f i g a 9 b l u m l e i n p u l s e g e n e r a t o r w i t h t e f l o n 8 s d i e l e c u i c 为了能够对细胞进行处理过程进行实时观察，k a r li - - ls c h o e n b a c h 等人设计了 另一种微型b l u m l e i n 型纳秒脉冲发生器如图1 1 0 ( a ) 所示。选择m o s f e td e 3 7 5 1 0 2 n 1 2 a 作为开关，同轴电缆r g 5 8 作为传输线，阻抗为5 0 q ，长度为2 m 。电极 由两个长l e n a ，厚1 0 0 u m 的不锈钢板组成，间距为1 0 0 u m ，电极粘在显微镜载玻 片上。一般情况下，细胞悬液的阻抗也是5 0 f 2 左右，和传输线基本匹配。在阻抗 完全匹配的情况下，该装置能够产生脉宽1 0 n s ，上升沿1 - 2 n s ，最大幅值1 k v 的负 极性方波脉冲，如图1 1 0 ( b ) 所示，在细胞溶液中对应的最大场强为1 0 0 k v c m 。 ( a ) 原理示意图输出波形 图1 1 0 用于细胞实时观察的纳秒脉冲发生器 f i g 1 0 m i c r o s c o p e - m o 删b h n n l e i n p u l s e g e n e r a t o r f o r m a l t i m e o b s e r v a t i o n o f i n d i v i d u a l c e l l s 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 弗吉尼亚州立大学的m o h a m e dm m o s e l h y 等瞰t 研制的用于空阴极放电激光灯 的纳秒脉冲发生器以5 0 0 h m 的同轴电缆i 5 8 构成b l u m l e i n 传输线，m o s f e t r f f 4 n 1 0 0 和d e 2 7 5 1 0 2 n 0 6 a 作为开关，可以分别产生上升时间为1 0 n s 和4 n s 的方波 脉冲，改变电缆长度，分别得到脉宽为1 0 n s 和2 0 n s 的脉冲，脉冲最大幅值为1 k v 。 西北核技术研究所的马连英等闻基于b l u m l e i n 传输线理论制出的纳秒脉冲发生 器由高压直流电源、传输线、薄膜开关、触发机构、信号输出等几个部分组成。其 中薄膜开关是其中最重要的一个部分，如图1 1 l 所示。绝缘薄膜一侧的开关电极为 套筒状变同轴结构，同两根并联的波阻抗为2 5 q 的工业标准同轴电缆相连。构成 b l m n l e i n 型式。绝缘薄膜另一侧的开关电极呈杯盖形，其内安装有针状金属细杆， 它在电磁线圈的驱动下撞击绝缘薄膜进行触发，薄膜的安装与更换利用弹性伸缩式 夹膜结构实现。用分压比约为7 0 的同轴型电阻分压器和2 0 0 o 的衰减器串联测量输出 波形。该高压方波发生器可以产生前沿小于1 5 n s 、脉宽4 0 n s 、幅值1 5 k v 8 k v 的 方波脉冲，可应用于测量系统的方波响应校验和电磁脉冲效应研究。 “ 一 ；。 n 1 一 ：卜，i i l i 。 ： 。、： ： l 触发针；2 ，4 _ 矽h 导1 ；3 绝缘薄膜；6 绝缘介质横轴：4 n s 格，纵轴：2 v ， 备 5 一内导体( 接高压) ：7 _ - 支撑：g 触发机构 充电电压为8 k v ( a ) 缘薄膜开关结构示意图秭输出波形 图1 11 快前沿方波发生器的绝缘薄膜开关及输出波形 f i g 1 1 1d i e l e c t r i c f o i l s w i t c h a n d o u t p u t o f f a s tr j s e i i m e h i g h - v o l t a g er e a n g u l a r p 岫 中国工程物理研究院环保工程研究中心的任先文等人1 5 7 , - 强j 采用集中参数的 b l u m l e i n 脉冲形成网络和低变比脉冲变压器相结合的技术路线，研制的用于废气处 理的高压窄脉冲电源如图1 1 2 所示。脉冲形成网络由1 2 个脉冲电容器 ( 2 5 n f 3 0 k v ) 和l o 个电感( 每个约0 6