一種基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脈沖源，具體涉及一種基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源。
【背景技術(shù)】
[0002]在高電壓技術(shù)領(lǐng)域，脈沖功率技術(shù)一直占據(jù)著舉足輕重的地位。近年來，等離子體物理的發(fā)展又為脈沖功率技術(shù)開拓了很多新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)上的等離子體浸入離子注入(P III)、脈沖電子束表面改性、廢氣處理等，軍事上的等離子體隱身技術(shù)、微波武器等。為滿足這些應(yīng)用的要求，脈沖源已不再只追求高輸出功率與高脈沖能量，其輸出脈沖波形和重復(fù)頻率也逐漸成為了關(guān)注的重點。輸出脈沖波形(上升時間、下降時間、脈沖寬度等)直接影響具體應(yīng)用是否能夠達(dá)到預(yù)期的效果，而脈沖的重復(fù)頻率通常決定系統(tǒng)的工作速率和效益。此外，脈沖源的小型化、模塊化也是其主要的發(fā)展趨勢。
[0003]基于雪崩三極管Marx電路的脈沖源具有上升時間短、抖動小、脈沖寬度窄、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，近年來已引起廣泛關(guān)注。但是，Marx電路的輸出效率會隨著級數(shù)的增加而迅速下降，從而限制了脈沖源輸出幅值的提高。為進(jìn)一步提高輸出幅值，一種有效的辦法是采用多路Marx電路同步疊加。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于多路Marx電路同步疊加的實施方法尚不成熟，所提出的觸發(fā)時延控制、平面微帶傳輸線等方案，雖然可以得到輸出幅值較高的窄脈沖，但實現(xiàn)其同步觸發(fā)和同步輸出的技術(shù)難度大、控制復(fù)雜，難以實現(xiàn)，不利于模塊化擴(kuò)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，該脈沖源能夠?qū)崿F(xiàn)多路脈沖信號的同步疊加，同時便于控制，靈活性較好，并且利于模塊化擴(kuò)展。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源包括觸發(fā)單元、負(fù)載電阻、接地板、電源、N個Marx電路、N個第一開關(guān)、N個第二開關(guān)及N個第二開關(guān);
[0006]觸發(fā)單元的電源接口與電源相連接，觸發(fā)單元的輸出端通過第i個第一開關(guān)與第i個Marx電路的輸入端相連接，第i個Marx電路的電源端通過第i個第二開關(guān)與電源相連接，第i個Marx電路的輸出端通過第i個第三開關(guān)與負(fù)載電阻的一端相連接，負(fù)載電阻的另一端與接地板相連接，其中，N大于等于2，N為正整數(shù)，
[0007]所述觸發(fā)電路的輸出端與各Marx電路的輸入端之間的路徑長度相同，各Marx電路的輸出端到負(fù)載電阻之間的路徑長度相同。
[0008]所述觸發(fā)單元包括控制器及觸發(fā)電路，控制器的輸出端與觸發(fā)電路的輸入端相連接，觸發(fā)電路的輸出端與各第一開關(guān)相連接。
[0009]所述觸發(fā)電路包括隔離線圈、MOSFET驅(qū)動模塊及MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路，控制器的輸出端與隔離線圈的輸入端相連接，隔離線圈的輸出端與MOSFET驅(qū)動模塊的輸入端相連接，MOSFET驅(qū)動模塊的輸出端與MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸入端相連接，MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸出端與各第一開關(guān)相連接。
[0010]各Marx電路均為16級Marx電路。
[0011]所述電源為高壓直流充電電源。
[0012]所述控制器為MCU芯片或單片機(jī)。
[0013]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]本發(fā)明所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源包括觸發(fā)單元、負(fù)載電阻、電源、N個Marx電路、N個第一開關(guān)、N個第二開關(guān)及N個第三開關(guān)，觸發(fā)單元的輸出端通過N個第一開關(guān)分別與N個Marx電路的輸入端相連接，Marx電路的輸出端通過第三開關(guān)與負(fù)載電阻相連接，電源通過N個第二開關(guān)分別與N個Marx電路的電源接口相連接，通過閉合對應(yīng)的第一開關(guān)、第二開關(guān)及第三開關(guān)即可實現(xiàn)相應(yīng)Marx電路輸出的脈沖信號疊加，同時由于所述觸發(fā)電路的輸出端與各Marx電路的輸入端之間的路徑長度相同，各Marx電路的輸出端到負(fù)載電阻之間的路徑長度相同，可保證多路脈沖信號的同步疊加，且操作簡單，實用性強(qiáng)，同時便于控制，靈活性較好，利于模塊化擴(kuò)展，脈沖源的穩(wěn)定性較高。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明中當(dāng)N等于4時各元件的位置關(guān)系圖；
[0017]圖3為本發(fā)明中觸發(fā)單元10的電路圖；
[0018]圖4為本發(fā)明中Marx電路5的電路圖。
[0019]其中，I為控制器、2為觸發(fā)電路、3為第一開關(guān)、4為第二開關(guān)、5為Marx電路、6為第三開關(guān)、7為負(fù)載電阻、8為接地板、9為電源、10為觸發(fā)單元。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0021]參考圖1，本發(fā)明所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源包括觸發(fā)單元10、負(fù)載電阻7、接地板8、電源9、N個Marx電路5、N個第一開關(guān)3、N個第二開關(guān)4及N個第三開關(guān)6 ;觸發(fā)單元10的電源接口與電源9相連接，觸發(fā)單元10的輸出端通過第i個第一開關(guān)3與第i個Marx電路5的輸入端相連接，第i個Marx電路5的電源端通過第i個第二開關(guān)4與電源9相連接，第i個Marx電路5的輸出端通過第i個第三開關(guān)6與負(fù)載電阻7的一端相連接，負(fù)載電阻7的另一端與接地板8相連接，其中，N大于等于2，N為正整數(shù)，l^i^N ;觸發(fā)電路2的輸出端與各Marx電路5的輸入端之間的路徑長度相同，各Marx電路5的輸出端到負(fù)載電阻7之間的路徑長度相同。
[0022]所述觸發(fā)單元10包括控制器I及觸發(fā)電路2，控制器I的輸出端與觸發(fā)電路2的輸入端相連接，觸發(fā)電路2的輸出端與各第一開關(guān)3相連接。具體的，所述觸發(fā)電路2包括隔離線圈、MOSFET驅(qū)動模塊及MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路，控制器I的輸出端與隔離線圈的輸入端相連接，隔離線圈的輸出端與MOSFET驅(qū)動模塊的輸入端相連接，MOSFET驅(qū)動模塊的輸出端與MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸入端相連接，MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸出端與各第一開關(guān)3相連接。
[0023]各Marx電路5均為16級Marx電路；電源9為高壓直流充電電源，所述控制器I為MCU芯片或單片機(jī)。
[0024]本發(fā)明在具體操作時，通過第一開關(guān)3、第二開關(guān)4及第三開關(guān)6的閉合或打開來控制觸發(fā)電路2產(chǎn)生的觸發(fā)信號、電源9、及負(fù)載電阻7是否接入，從而改變參與脈沖信號疊加的Marx電路5的數(shù)量，實現(xiàn)最終輸出的脈沖信號的靈活調(diào)節(jié)。
[0025]參考圖3，工作時，MCU芯片發(fā)出單次或重復(fù)頻率的TTL信號，再由MOSFET驅(qū)動模塊進(jìn)行功率放大并輸出驅(qū)動信號，從而驅(qū)動MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路中的Q。導(dǎo)通，在可變電阻Rei上得到幅值約100V的正觸發(fā)信號，最后經(jīng)過電容C ιη.合到各Marx電路5中，實現(xiàn)Marx電路5的觸發(fā)。
[0026]參考圖2，觸發(fā)脈沖從各第一開關(guān)3輸入，并同時施加給徑向長度相等的各Marx電路5，實現(xiàn)同步觸發(fā)；四路輸出脈沖信號同樣經(jīng)過對稱路徑后在負(fù)載電阻7上匯聚，實現(xiàn)同步輸出與疊加。
[0027]參見圖4，電源電壓Vee= 300V，負(fù)載電阻7的電阻值L= 50 Ω，靜態(tài)時，直流源通過充電隔離電阻R??Rci6和Ra’?&16’給電容C1-C16充電到Va，雪崩三極管Q1-Q16均處于臨界雪崩狀態(tài)，沒有導(dǎo)通；觸發(fā)信號到來時，Q1首先導(dǎo)通，C i的左端瞬間接地，右端電位躍變?yōu)?Vee，此時Q2會在快速過電壓作用下導(dǎo)通，即C2左端電位瞬間躍變?yōu)?V a，右端電位則躍變?yōu)?2Vra;以此類推，Q 3?Q 16依次導(dǎo)通，最終在C 16的右端即負(fù)載上產(chǎn)生幅值為-16V cc的電壓脈沖。由于三極管不能進(jìn)入完全理想的導(dǎo)通狀態(tài)，這使得Marx電路5具有一定的輸出阻抗，所以實際在負(fù)載上得到的脈沖幅值要略低于16VCC。
【主權(quán)項】
1.一種基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，包括觸發(fā)單元(10)、負(fù)載電阻(7)、接地板(8)、電源(9)、N個Marx電路(5)、N個第一開關(guān)(3)、N個第二開關(guān)⑷及N個第三開關(guān)(6); 觸發(fā)單元(10)的電源接口與電源(9)相連接，觸發(fā)單元(10)的輸出端通過第i個第一開關(guān)(3)與第i個Marx電路(5)的輸入端相連接，第i個Marx電路(5)的電源端通過第i個第二開關(guān)⑷與電源(9)相連接，第i個Marx電路(5)的輸出端通過第i個第三開關(guān)(6)與負(fù)載電阻(7)的一端相連接，負(fù)載電阻(7)的另一端與接地板(8)相連接，其中，N大于等于2，N為正整數(shù)，KiSN; 所述觸發(fā)電路(2)的輸出端與各Marx電路(5)的輸入端之間的路徑長度相同，各Marx電路(5)的輸出端到負(fù)載電阻(7)之間的路徑長度相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，所述觸發(fā)單元(10)包括控制器(I)及觸發(fā)電路(2)，控制器(I)的輸出端與觸發(fā)電路(2)的輸入端相連接，觸發(fā)電路(2)的輸出端與各第一開關(guān)(3)相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，所述觸發(fā)電路(2)包括隔離線圈、MOSFET驅(qū)動模塊及MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路，控制器(I)的輸出端與隔離線圈的輸入端相連接，隔離線圈的輸出端與MOSFET驅(qū)動模塊的輸入端相連接，MOSFET驅(qū)動模塊的輸出端與MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸入端相連接，MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸出端與各第一開關(guān)(3)相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，各Marx電路(5)均為16級Marx電路。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，所述電源(9)為高壓直流充電電源。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，其特征在于，所述控制器(I)為MCU芯片或單片機(jī)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Marx電路的空間對稱型高壓納秒脈沖源，包括觸發(fā)單元、負(fù)載電阻、接地板、電源、N個Marx電路、N個第一開關(guān)、N個第二開關(guān)及N個第三開關(guān)；觸發(fā)單元的電源接口與電源相連接，觸發(fā)單元的輸出端通過第i個第一開關(guān)與第i個Marx電路的輸入端相連接，第i個Marx電路的電源端通過第i個第二開關(guān)與電源相連接，第i個Marx電路的輸出端通過第i個第三開關(guān)與負(fù)載電阻的一端相連接，負(fù)載電阻的另一端與接地板相連接；所述觸發(fā)電路的輸出端與各Marx電路的輸入端之間的路徑長度相同，各Marx電路的輸出端到負(fù)載電阻之間的路徑長度相同。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)多路脈沖信號的同步疊加，同時便于控制，靈活性較好，并且利于模塊化擴(kuò)展。
【IPC分類】H03K3/335
【公開號】CN105007063
【申請?zhí)枴緾N201510447157
【發(fā)明人】李江濤, 鐘旭, 李征, 趙政, 李健豪, 陳文忠, 顧悅, 李濤, 曹輝, 鄭敏軍
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月27日