专利名称：高频序列短脉冲同步闪光仪的制作方法
技术领域：
本发明是一种以短脉冲氙灯为光源的单灯多充放电回路高频同步闪光仪，主要用于高速摄影的同步照明及激光器的泵浦。
现有的以脉冲氙灯为光源的同步闪光仪大致可以分为两种1.单灯单放电回路结构Aoki于1992年取得的美国专利(U.S.5115169，H05B41/32)中采用的就是单灯单放电回路。如图1，变流升压整流器85产生直流高压对储能电容C充电，充电完成后由脉冲发生器86发出触发信号并经触发电路87放大后加于脉冲氙灯F的灯管外，使灯内气体发生电离，同时上述触发信号使开关元件K导通，于是储能电容C向脉冲氙灯F放电，形成一次闪光，接着再次充电、放电，周而复始。由于充电速度和脉冲氙灯放电后消电离时间的限制，这种电路只能工作于低重复频率状态。
J.Jethwa于1974年报道的单灯单充放电回路结构可以工作于较高频率，如图2，予电离高压电源H.V2通过电阻R1，二极管D3加在闪光灯F的两端。当合上开关K后，升压变压器T便输出高压交流电压，通过二极管D4、电阻R2加在火花隙G上，火花隙G击穿后，这个电压便加在闪光灯F两端使其击穿。这时予电离高压电源H.V2便向闪光灯F放电，使闪光灯F处于予电离状态。然后打开可控硅Th1，高压充电电源H.V1通过电感L向储能电容C进行谐振充电，最后打开可控硅Th2，储能电容C便向闪光灯F放电，形成一次闪光，接下去又是充电、放电，周而复始。由于可控硅耐压较低，所以对于一定的放电能量，储能电容C较大，充电时间长，就限制了频率的提高。(J.Jethwa，″A ReliableHigh Average Power Dye Laser″，Applied Physics，Vol.4，No.4，p299，Sep.1974)以后又有人以闸流管代替可控硅以提高充放电电压，减少储能电容量以提高频率，但由于单灯单充放电回路的工作周期等于充电时间与放电时间之和，而充电时间受到供电电源的容量限制，不可能做到很短，例如达到0.1毫秒就不容易了，而作为开关的闸流管也受其工作系数的限制，其闪光频率也不能做得很高。
2.多灯多充放电回路结构如图3，在克兰慈—沙丁摄影机中，高压充电电源H.V1分别通过限流电阻R1、R2、R3等向储能电容C1、C2、C3等充电，然后在序列触发脉冲触发下，储能电容C1、C2、C3依顺序分别向闪光灯F1、F2、F3放电，于是三支闪光灯依顺序发光，发光频率取决于触发信号的间隔，发光频率可以做得很高，但是在这种结构中不同的闪光灯处于不同位置，照明角度会有变化，这给数据处理带来困难。(G.A.琼斯著，盛尔镇译《高速摄影学》，P175～176，上海科学技术出版社，1959，3)本发明的目的为克服上述已有技术中高频同步闪光仪结构的缺点，提供一种闪光频率高，采用价格便宜的快速开关，能够获得照明角度始终保持一致的高频序列短脉冲同步闪光仪。
本发明闪光仪的结构称为单灯多充放电单元结构。如图4，它包括一支短脉冲气体放电灯11，予电离高压电源13、高压充电电源1、n个(n≥2)结构相同的充放电单元5、6，同步触发信号发生器17和n个结构相同的同步信号放大器20、16。对于充放电单元5、6的构成是高压充电电源1的正输出端通过串联的电感4、9、电阻18、10、二极管3、8连到储能电容器2、7及闸流管19、15的阳极；高压充电电源1的负端连到储能电容器2、7的另一端和短脉冲气体放电灯11的负极。闸流管19、15的阴极与短脉冲气体放电灯11的正极相连。同步触发信号发生器17输出端分别与n个结构相同的同步触发放大器20、16(…n)的输入端相连，同步触发放大器20、16的输出端与闸流管19、15的栅极相连。充放电单元有n(n≥2)个单元在电路中与短脉冲气体放电灯11并联置放，每个充放电单元的结构即从第1个充放电单元5到第n个充放电单元的结构与上述充放电单元5、6的结构相同。予电离高压电源13的负端通过予电离限流电阻12连到短脉冲气体放电灯11的负极，予电离高压电源13的正端与短脉冲气体放电灯11的正极相连。高压触发脉冲发生器14的高压端连到短脉冲气体放电灯11的触发电极上，其低压输出端与短脉冲气体放电灯11的正极相连。
概括地说，本发明闪光仪的结构为先由予电离高压电源13通过电阻12加在短脉冲气体放电灯11的正负极两端，并由高压触发脉冲发生器14输出高频高压到短脉冲气体放电灯11的触发极促使其导通处于小电流放电状态。同时高压充电电源1通过电感4、电阻18、二极管3向储能电容2充电，第一个充放电单元5充电完成。充放电单元6及其他各单元的充电与此相同。充电完成后，同步触发信号发生器17输出同步信号经同步触发放大器20、16放大后分别输入闸流管19、15…的栅极，各个储能电容2、7……便依顺序向短脉冲气体放电灯11放电，形成闪光，闪光的频率取决于信号源频率，闪光的能量及脉宽取决于储能电容的容量与充电电压的大小，只要闪光脉宽小于闪光周期的一半均能清晰地分辨多次闪光，由于每只闸流管或其他开关在每轮闪光中只工作一次，所以通过的平均功率很小，可以采用价廉的小型闸流管。
同步信号放大器20、16的作用是将输入的脉冲信号放大，它可以是晶体管放大级加可控硅放大级或者是其他形式放大器(详见实例)。
同步触发信号发生器17的作用是在外加同步信号推动下产生符合要求频率的脉冲信号序列并依顺序将其分配到n个充放电单元5、6的同步信号放大器20、16，以触发闸流管产生序列闪光。
予电离高压电源13的作用是产生直流高压。
高压触发脉冲发生器14的作用是产生高压脉冲作用于短脉冲气体放电灯11的灯管外，并使其电离击穿。
如果需要闪光仪与外加序列脉冲同步闪光则可将同步脉冲信号发生器改为同步信号放大器及分配器，其余不变即可实现上述功能。本发明中的闸流管19、15可以是可控硅或火花隙，或其他快速开关元件均可以实现更短或更长的闪光。
本发明闪光仪是以单一短脉冲气体放电灯11与n个(n≥2)结构相同的充放电单元5、6构成的，其优点1.可以获得很高的闪光频率与平均功率对于微秒级发光脉宽，可以达到5×105次/秒的闪光频率，对于亚微秒放电则闪光频率可以更高，闪光平均功率可以达到5×106瓦或更高。
2.耗电功率可以很小。
由于采用慢充电方式，所以整个闪光仪的供电功率只需几十瓦。
3.成本低由于采用小型闸流管，价格低廉，在同样的充放电功率下，比采用单充电回路单灯结构的费用要低得多，因为已有技术单灯单充电回路要用大型闸流管。
图1是已有技术的单灯单充放回路结构，仅能工作于低频状态。
图2为已有技术的单灯单充放电回路结构，采用可控硅作为开关。
图3为已有技术多灯多放电回路结构。
图4是本发明的闪光仪为单灯多充放电单元的结构示意图。
图5是本发明的闪光仪实施例1的电路结构图。
图6是本发明闪光仪的实施例2的电路结构示意图。
下面结合实施例及附图5、6详细说明本发明的闪光仪结构。
实施例1充放电单元数量n＝2，具体结构如图5所示。高压充电电源1是由升压变压器84(本例中采用初级220V，次级为10KV)的输出端连到桥式整流电路21，经并联有电阻23和电流表24的滤波电容器22，后接于并联置放的充放电单元5、6。
予电离高压电源13的构成是当接通电流变压器55，其输出电压经桥式整流电路54整流，再经滤波电容器53滤波后分为两路，一路经电流表26、二极管25和予电离限流电阻12加到短脉冲气体放电灯11的正负极两端；另一路经高压触发脉冲发生器14输出到短脉冲气体放电灯11的触发极上。本实施例中，高压触发脉冲发生器14的构成是由两个电阻51和52分压后对电容器50充电，电容器50的另一端连到高压脉冲变压器49的初级，当按下开关K3后，电容器50即通过高压脉冲变压器49的初级放电并在次级上感应获得高电压，最后加到短脉冲气体放电灯11的触发极上。
同步触发信号发生器17的构成是输入信号通过电容器64和电阻65微分后，正信号触发晶体管67使其导通。并使晶体管69从截止迅速变为导通，则在负载电阻71上产生正脉冲信号，通过电容器70耦合到由电容器73和可变电阻74构成的单稳态电路，使其产生翻转，输出脉宽可调的正方波。同时由与非门电路(CC4069)的三个非门80、81、82以及电容器78和可变电阻79构成的环形振荡器输出频率可变的方波经过非门83倒相后与上述单稳态电路输出的正方波同时输入与非门75(CC4011)，产生在单稳电路的脉宽内多个高频方波送到分配器(CC4017)76中，其输出端A、B、(C…n)分别连接到同步信号放大器20、16(…n)(因本例中n＝2)上。第一个脉冲信号输入到同步信号放大器20，第二个脉冲信号输入到同步信号放大器16，依此类推，直到有第n个脉冲信号输入到第n个同步信号放大器内。
同步信号放大器20的构成有电容器27和电阻28将输入的脉冲信号微分，其正信号推动由晶体管29和晶体管30构成的复合放大级，于是在放大级输出端上的负载电阻31上产生放大后的正脉冲信号再经过电容器32耦合到可控硅35的触发极上，予先经电阻33充到电容器34上的电量便通过可控硅35向脉冲变压器36的初级放电，脉冲变压器36的次级产生的正脉冲高压信号，使第一个充放电单元5中的闸流管19导通，则电容器2通过闸流管19向短脉冲气体放电灯11放电，至此形成第一个闪光。
同样的道理，由同步触发信号发生器17发出的第二个脉冲信号输入到同步信号放大器16上。同步信号放大器16内首先由电容器38电阻39将其脉冲信号微分。正信号推动由晶体管40和晶体管41构成的复合放大级，于是在负载电阻42上产生放大后的正脉冲信号再经过电容器43耦合到可控硅46的触发极上。予先经电阻44充到电容器45上的电量便通过可控硅46向脉冲变压器47的初级放电，脉冲变压器47的次级产生的正脉冲高压信号使第二个充放电单元6中的闸流管15导通，则电容器7通过闸流管15向短脉冲气体放电灯11放电，形成第二个闪光。如此顺序闪光至第n个脉冲。
序列闪光的频率与非门80、81、82及电阻79和电容器78组成的环形振荡器的频率相同。每一次闪光的能量由储能电容器2、7…的容量及充电电压决定。
实施例2见图6，在实施例1的基础上增加充放电单元89、91，充放电单元数量n＝4，即每周期闪光4次。其中充放电单元5、6、89、91的结构均与实施例1的充放电单元5、6相同，相应的触发信号放大器20、16、88、90也与实施例1的触发信号放大器20、16的结构完全相同。其余部分的结构及其联结方式均与实施例1相同。
上述两实施例中均获得闪光频率为5×105次/秒，平均功率达到5×106瓦。
权利要求
1.一种高频序列短脉冲同步闪光仪，含有短脉冲气体放电灯(11)、高压充电电源(1)和充放电单元(5)、(6)，其特征在于含有1支短脉冲气体放电灯(11)和n个(n≥2)结构相同的在电路中与短脉冲气体放电灯(11)并联置放的充放电单元(5)、(6)；高压充电电源(1)的输出端与并联置放的充放电单元(5)、(6)的输入端相连；予电离高压电源(13)的负端串连电阻(12)接于短脉冲气体放电灯(11)的负极，予电离高压电源(13)的正端与短脉冲气体放电灯(11)的正极相连；高压触发脉冲发生器(14)的高压输出端连到短脉冲气体放电灯(11)的触发电极上，高压触发脉冲发生器(14)的低压输出端与短脉冲气体放电灯(11)的正极相连；同步触发信号发生器(17)的输出端分别与n个结构相同的同步触发放大器(20)、(16)的输入端相连，同步触发放大器(20)、(16)的输出分别连接到n个充放电单元(5)、(6)内的n个闸流管(19)、(15)的栅极上。
2.依照权利要求1所述的闪光仪，其特征在于n个结构相同的充放电单元(5)、(6)的构成是由高压充电电源(1)的正输出端通过串联的电感(4)、(9)、电阻(18)、(10)和二极管(3)、(8)连接到储能电容器(2)、(7)的一端和闸流管(19)、(15)的阳极，其高压充电电源(1)的负端连到储能电容器(2)、(7)的另一端和短脉冲气体放电灯(11)的负极，闸流管(19)、(15)的阴极与短脉冲气体放电灯(11)的正极相连。
3.依照权利要求1所述的闪光仪，其特征在于高压充电电源(1)是由升压变压器(84)的输出端连到桥式整流电路(21)，经并联有电阻(23)和电流表(24)的滤波电容器(22)后接于并联置放的充放电单元(5)、(6)。充放电单元(5)、(6)。
4.依照权利要求1所述的闪光仪，其特征在于予电离高压电源(13)是由电源变压器(55)的输出连到桥式整流电路(54)，整流后再经滤波电容器(53)滤波分为两路，一路经串联的电流表(26)、二极管(25)和予电离限流电阻(12)加到短脉冲气体放电灯(11)的正负极两端；另一路经高压触发脉冲发生器(14)加到短脉冲气体放电灯(11)的触发极上。
5.依照权利要求1或4所述的闪光仪，其特征在于高压触发脉冲发生器(14)的构成是由两个电阻(51)、(52)分压后对电容器(50)充电，电容器(50)的另一端连有开关K3再接到高压脉冲变压器(49)的初级，开关K3闭合后，电容器(50)通过高压脉冲变压器(49)的初级放电并在次级感应获得高电压加于短脉冲气体放电灯(11)的触发极上。
6.依照权利要求1所述的闪光仪，其特征在于同步触发信号发生器(17)的构成是输入信号经电容器(64)和电阻(65)微分后，正信号触发晶体管(67)导通，使晶体管(69)从截止迅速变为导通，在负载电阻(71)上产生正脉冲信号，通过电容器(70)耦合到由电容器(73)和可变电阻(74)构成的单稳态电路使其翻转、输出脉宽可调的正方波；同时由与非门电路的三个非门(80)、(81)、(82)以及电容器(78)和可变电阻(79)构成的环形振荡器输出频率可调的方波经非门(83)倒相后与上述单稳态电路输出的正方波同时输入与非门(75)，与非门(75)的输出连到分配器(76)的输入端，分配器(76)的输出端A、B、C…n分别连接到n个结构相同的同步信号放大器(20)、(16)…(n)上。
7.依照权利要求1或6所述的闪光仪，其特征在于n个结构相同的同步信号放大器(20)、(16)的构成是脉冲信号经电容器(27)、(38)和(28)、(39)微分后，其正信号推动由晶体管(29)、(40)和晶体管(30)、(41)构成的复合放大级，在复合放大级输出端上的负载电阻(31)、(42)产生放大后的正脉冲信号经过电容器(32)、(43)耦合到可控硅(35)、(46)的触发极上，予先经电阻(33)、(44)充给电容器(34)、(45)的电量通过可控硅(35)、(46)向脉冲变压器(36)、(47)的初级放电，脉冲变压器(36)、(47)的次级连接到充放电单元(5)、(6)中的闸流管(19)、(15)的栅极上。
全文摘要
一种高频序列短脉冲同步闪光仪，用于高速摄影的同步照明或激光器的泵浦。它含有一支短脉冲气体放电灯，n个结构相同的与短脉冲气体放电灯并联置放的充放电单元、高压充电电源、预电离高压电源、高压触发脉冲发生器、同步触发信号发生器和n个结构相同的同步触发放大器。本发明可以获得很高的闪光频率(≥5×10
文档编号H05B41/30GK1149141SQ9511164
公开日1997年5月7日 申请日期1995年6月1日 优先权日1995年6月1日
发明者林文正, 卓美珍 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所