一种300kV纳秒脉冲发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种300kV纳秒脉冲发生器。所述的300kV纳秒脉冲发生器由十六个单级平板Blumlein脉冲形成线交叉层叠构成，每个单级平板Blumlein脉冲形成线包括陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、高压二极管以及无感陶瓷电阻负载。所述的十六个单级平板Blumlein脉冲形成线紧凑地布局在平台上，构成300kV纳秒脉冲发生器。本实用新型能够获得十六倍于单级平板Blumlein脉冲形成线输出电压幅值的脉宽为纳秒量级的短脉冲高压输出。实现削弱单级Blumlein脉冲形成线间的电路耦合和电磁耦合。
【专利说明】—种300kV纳秒脉冲发生器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于脉冲功率【技术领域】，具体涉及一种300kV纳秒脉冲发生器，可用于产生脉宽为纳秒量级的高电压脉冲。
【背景技术】
[0002]目前，绝大多数高电压、大功率实用脉冲功率系统装置都存在体积庞大、笨重的缺点，研制轻便、紧凑的脉冲功率装置是该领域技术必然趋势。脉冲功率技术不但在高功率微波、加速器、强激光以及材料改性等军事领域具有重要作用，而且在生物医疗、食品灭菌、污水处理等民用【技术领域】具有优势作用。大量的研究报道中，脉冲功率系统输出的高压脉冲的半高宽较宽，系统结构庞大而笨重，建造成本昂贵。基于固态平板传输线技术的紧凑型固态脉冲功率系统研制一直都是国内外研究的热点，尤其以层叠式Blumlein脉冲形成线的脉冲功率技术的研究最受关注。因为这种技术将高储能技术、传输线技术、开关技术融为一体，大大减少了脉冲功率装置的体积和重量，极易实现脉冲功率系统的小型化和紧凑化。
【发明内容】
[0003]为了克服现有脉冲功率技术中的系统结构庞大笨重、建造成本昂贵的不足，实现脉冲功率装置的高电压、高功率输出的同时，确保脉冲功率系统结构更为轻便、紧凑，本实用新型提供一种300kV纳秒脉冲发生器。所述的发生器，采用多路固态层叠Blumlein线，通过倍压设计和同步控制每路Blumlein线开关导通时刻,实现多路固态Blumlein线同步输出电压脉冲；同时，采用特殊的去耦设计，实现每路固态Blumlein线输出的电压脉冲相互独立且同时叠加在负载上，从而获得数百kV的脉冲高压输出。该方案中，组件的各器件之间通过最优化的紧凑的结构设计，解决了个器件的连接与固定问题，不但可以产生脉冲半高宽约10ns，脉冲幅值达300kV短脉冲高电压，而且该组件通过积木式累加可形成多组件结构，进而获得更高幅值的脉冲电压。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]所述的300kV纳秒脉冲发生器包括十六个单级平板Blumlein脉冲形成线。单级平板Blumlein脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、高压二极管、无感陶瓷电阻负载；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动器和激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上；陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极，一个经高压二极管接输入高压端，一个经长导线接输入接地端，可以增加通讯时间，削弱各单级平板Blumlein脉冲形成线的电路稱合；第一级平板Blumlein脉冲形成线的输出高压端与最后一级平板Blumlein脉冲形成线输出接地端之间连接有无感陶瓷电阻负载；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方，使输出的激光正对照射到GaAs光导开关表面；所述的十六个单级平板Blumlein脉冲形成线固定在平台上,各级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级层叠，相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线之间在输出端层叠交叉，角度为9°，达到削弱各级平板Blumlein脉冲形成线之间的空间耦合效应的目的。所述的相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。所述的单级平板Blumlein脉冲形成线的数量为十六个，逐级叠加形成300kV纳秒脉冲发生器。
[0006]本实用新型的有益效果是,通过多级层叠Blumlein脉冲形成线可以获得300kV纳秒脉冲发生器；通过增加该发生器内各单级Blumlein脉冲形成线间的电磁通讯时间，实现削弱单级Blumlein脉冲形成线间的电路稱合；通过各单级平板Blumlein脉冲形成线交叉层叠的方式构成多级层叠平板Blumlein脉冲形成线倍压结构，削弱相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线之间的电磁I禹合。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本实用新型中的单级平板Blumlein脉冲形成线电路原理图；
[0008]图2是本实用新型的300kV纳秒脉冲发生器的结构示意图；
[0009]图3是本实用新型的电路原理图；
[0010]图4是本实用新型的输出脉冲高压波形图；
[0011]图中，1.陶瓷固态平板传输线 2.GaAs光导开关 3.激光二极管驱动器4.激光二极管 5.无感陶瓷电阻负载 6.高压二极管 7.平台 8.输入高压端 9.输入接地端(经长导线接地) 10.输出接地端 11.输出高压端12.夹具 13.限位螺钉 14.第一级平板Blumlein脉冲形成线 15.最后一级平板Blumlein脉冲形成线。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。
[0013]实施例1
[0014]图1是本实用新型中的单级平板Blumlein脉冲形成线电路原理图，图2是本实用新型的300kV纳秒脉冲发生器的结构示意图。在图广2中，本实用新型的300kV纳秒脉冲发生器，包括单级平板Blumlein脉冲形成线，单级平板Blumlein脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、高压二极管、无感陶瓷电阻负载；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动器和激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上；陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极，一个经高压二极管接输入高压端，一个经长导线接输入接地端；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方，使输出的激光正对照射到GaAs光导开关表面；所述的单级平板Blumlein脉冲形成线固定在平台上，各级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级层叠,相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线之间在输出端层叠交叉；第一级平板Blumlein脉冲形成线的输出高压端与最后一级平板Blumlein脉冲形成线输出接地端之间连接有无感陶瓷电阻负载。相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。
[0015]本实施例中，所述的单级平板Blumlein脉冲形成线的数量为十六个，逐级叠加形成300kV纳秒脉冲发生器。其中，每一级平板Blumlein脉冲形成线包括陶瓷固态平板传输线1，GaAs光导开关2，激光二极管驱动器3，激光二极管4，无感陶瓷电阻负载5，高压二极管6，夹具12、限位螺钉13，其电路原理如图1所示，外部的长脉冲电源正、负级分别连接于高压二极管6和陶瓷固态平板传输线I的输入接地端9，高压二极管6再接陶瓷固态平板传输线I的输入高压端8，对陶瓷固态平板传输线I充电至幅值最大值，通过控制激光二极管驱动3激励激光二极管4输出红外激光，激光触发GaAs光导开关2导通，经单级平板平板Blumlein脉冲形成线脉冲整形在无感陶瓷电阻负载5上获得幅值等于输入电压的脉宽为纳秒量级的短脉冲高电压输出。图1中，单组陶瓷固态平板Blumlein脉冲形成线厚度为2 mm,耐压大于20 kV,输出脉冲电压波形的半高宽约为10 ns,输出脉冲电压幅值等于输入电压幅值。
[0016]所述的相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线之间设置的角度范围为9°，达到削弱各级平板Blumlein脉冲形成线之间的空间电磁稱合效应的目的；单级平板Blumlein脉冲形成线均接入高压二极管隔离和长导线，达到削弱各级平板Blumlein脉冲形成线之间的电路耦合；各单级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级叠加，达到各级输出脉冲电压幅值叠加的目的。
[0017]本实施例中的十六级层叠Blumlein脉冲形成线结构的连接关系如图2所示，平台7设置为阶梯状十六层，各层逐级螺旋上升，阶梯高度均为2_。通过夹具12将第一级的陶瓷固态平板传输线1、GaAs光导开关2限位并固定于平台7第一层，激光二极管4焊接在激光二极管驱动器3之上，通过限位螺钉13固定于平台7第一层之上，输入高压端8连接高压二极管6，高压二极管6连接GaAs光导开关2的一端，输入接地端9通过夹具12接触连接GaAs光导开关2的另一端，输入接地端9通过长导线与接地端连接，构成第一级平板Blumlein脉冲形成线14。各级的陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管、激光二极管驱动器、高压二极管之间的连接固定与第一级平板Blumlein脉冲形成线14相同，各级平板Blumlein脉冲形成线输出高压端与前一级平板Blumlein脉冲形成线输出接地端交叉9°接触连接,且后一级平板Blumlein脉冲形成线位于前一级平板Blumlein脉冲形成线之上。各级平板Blumlein脉冲形成线厚度均为2mm,与螺旋阶梯高度2mm相互配合。通过夹具12将无感陶瓷电阻负载5的两个电极与第十六级的输出接地端10、第一级的输出高压端11分别连接，构成十六级层叠Blumlein脉冲形成线的300kV纳秒脉冲发生器。其中，14为第一级平板Blumlein脉冲形成线，15为最后一级平板Blumlein脉冲形成线。
[0018]本实施例中，激光二极管驱动器通过限位螺钉固定于平台7上，限位螺钉13为固定第二级的激光二极管驱动器的限位螺钉之一。
[0019]激光二极管驱动器通过限位螺钉固定于平台7上，使各级激光二极管输出激光光斑能够完全照射在各级GaAs光导开关之上,激光二极管的发光面与GaAs光导开关的上表面的距离为5mm，通过限位螺钉固定。
[0020]本实用新型的电路原理如图3所示，^Γ^?θ是本实用新型的300kV纳秒脉冲发生器所采用的十六个光导开关，么是单根陶瓷固态平板传输线的阻抗，G是充电电压，^是输出脉冲高压。各级Blumlein脉冲形成线并联充电,通过外部触发技术控制激光二极管触发GaAs光导开关导通，使各级平板Blumlein脉冲形成线串联放电，在无感陶瓷电阻负载上实现脉冲电压叠加。具体来说，外部脉冲电源通过输入高压端和输入接地端对第一至第十六级平板Blumlein脉冲形成线充电至电压幅值最大值,通过外部触发延时技术控制十六个激光二极管同步输出红外激光，激光触发十六个GaAs光导开关同步导通，各级平板Blumlein脉冲形成线同步对无感陶瓷电阻负载5放电,在第十六级平板Blumlein脉冲形成线输出接地端10和第一级平板Blumlein脉冲形成线输出高压端11之间形成十六级叠加脉冲高压输出，脉冲电压幅值等于十六倍充电电压幅值。十六级层叠平板Blumlein脉冲形成线构成的300kV纳秒脉冲发生器输出波形如图4所示，该脉冲电压波形的半高宽约为10ns，脉冲电压幅值约为300kV，且具有一定的平顶。
[0021]本实用新型的300kV纳秒脉冲发生器整体浸于变压器油中，防止各器件沿面闪络的发生。
【权利要求】
1.一种300kV纳秒脉冲发生器，其特征在于:所述的发生器包括十六个单级平板Blumlein脉冲形成线,单级平板Blumlein脉冲形成线含有陶瓷固态平板传输线、GaAs光导开关、激光二极管触发系统、无感陶瓷电阻负载、高压二极管；其中，激光二极管触发系统由激光二极管驱动器和激光二极管组成；两根陶瓷固态平板传输线上下重叠设置，GaAs光导开关电极两端分别连接在其中一根陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极上，陶瓷固态平板传输线输入端的两个电极，一个经高压二极管接输入高压端，一个经长导线接输入接地端；第一级平板Blumlein脉冲形成线的输出高压端与最后一级平板Blumlein脉冲形成线输出接地端之间连接有无感陶瓷电阻负载；激光二极管触发系统设置在GaAs光导开关正上方；所述的十六个单级平板Blumlein脉冲形成线固定在平台上,各级平板Blumlein脉冲形成线在输出端逐级层叠，相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线输出端之间层叠交叉成一定角度。
2.根据权利要求1所述的300kV纳秒脉冲发生器，其特征在于:所述的相邻的单级平板Blumlein脉冲形成线之间在输出端层叠交叉的角度为9°。
【文档编号】H02M9/00GK204068756SQ201420382670
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】刘毅, 夏连胜, 谌怡, 王卫, 张篁, 杨安民, 刘云龙, 潘海峰, 章林文, 邓建军 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所