基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器

本发明涉及高功率脉冲驱动源，尤其是基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器。

背景技术：

1、脉冲功率技术(pulsed power technology)是将“慢”储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或直接释放给负载的电物理技术。脉冲功率技术起源于20世纪30年代，随着等离子体物理、高功率微波和核物理等研究的发展，脉冲功率技术逐渐兴起成为一门高新技术，在国防科技、基础物理研究以及医疗、工业、农业等领域发挥了十分重要的作用。近年来脉冲功率朝着高重复频率、高平均功率的方向发展，且要求脉冲功率源实现紧凑化、固态化、高重频和长时间稳定运行，由此基于固态器件的固态紧凑高功率脉冲驱动源系统成为脉冲功率领域研究的热点，其核心是脉冲形成模块和高功率开关模块，其中，脉冲形成模块直接决定了高功率层叠线脉冲发生器输出电脉冲的工作特性，高功率开关模块会直接影响脉冲的上升时间、幅值以及关断时间，其工作特性在很大程度决定了系统整体的应用能力。

2、目前，技术相对成熟的脉冲形成模块多采用液体介质作为储能材料。作为高功率脉冲驱动源主要高压储能元件，该类型脉冲形成模块运行稳定性较差，环境适应性较差且占据了传统驱动源系统很大部分的体积和重量，造成基于液体介质脉冲形成线的层叠线脉冲发生器体积、质量较大，不便于移动，同时也带来装配复杂等问题。在高功率脉冲驱动源小型化的发展需求背景下，该问题亟待解决。

3、玻璃陶瓷固态储能介质兼顾了高介电常数和高击穿场强(即高储能密度)，并同时具有低介电损耗和高电阻率等优点，基于固态储能介质的脉冲形成线具有紧凑、运行可靠、体积小和重量轻等优点，有利于解决层叠线脉冲发生器体积、质量较大，不便于移动，装配复杂等问题。

4、传统的高功率开关主要是气体开关，其具有工作电压高、通流能力强等优点，例如常规的气体火花间隙开关等；然而，气体开关具有重复频率低并且易受环境因素干扰等缺点，导致基于气体开关的层叠线脉冲发生器难以增加频率运行。由西安交通大学申请的专利“201910851311.1，一种重频高功率气体开关”通过在气体间隙中外施一平行于放电通道的高速气流场，从而快速移除间隙放电等离子体产物残留，加速间隙绝缘恢复速度，从而保证了气体开关的重频工作性能，但所述气体开关的重复频率仅为50hz，难以满足高重频的应用需求。相比气体开关，光导开关(pcss)能够兼顾功率容量和重复频率，同时具有闭合时间快(ps量级)，抖动时间小(ps量级)，开关电感低(亚nh量级)，高重频(mhz)，不受电磁干扰等优点。因此，将光导开关与固态脉冲形成线相结合，研制基于光导开关与固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器，有望能实现高功率脉冲驱动源紧凑化、固态化、高重频和长时间稳定运行。

5、中国工程物理研究院的王卫等人在论文《基于光导开关的介质壁加速器驱动源关键技术研究》中研究了基于光导开关的层叠blumlein线(一种固态脉冲形成线)脉冲发生器，但是其blumlein脉冲形成线采用相对介电常数较低(23±2)的复合陶瓷为储能介质，blumlein脉冲形成线的整体尺寸为：长300mm×宽15mm×厚1mm。15级基于光导开关的层叠blumlein脉冲发生器输出波形的脉宽(脉冲半高宽)仅为10.4ns，平均功率体积比仅为0.017w/l，如果要输出大于60ns的脉宽并且获得更高功率，需要更大体积的blumlein脉冲形成线，限制了基于光导开关的层叠线脉冲发生器在高功率微波等领域紧凑化和小型化的应用需求。

6、因此，如何基于光导开关和固态脉冲形成线设计输出固态化、紧凑化、小型化，同时兼具高重频、长时间稳定运行并且满足高功率微波等领域应用需求的层叠线脉冲发生器仍然是本领域技术人员极为关注的技术问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对基于液体介质脉冲形成线的层叠线脉冲发生器体积、质量较大，不便于移动，难以实现紧凑化、固态化等问题，以及针对气体开关重复频率低并且易受环境因素干扰等问题，并且针对现有光导开关和固态形成线发生器难以兼顾长脉宽、高功率和紧凑化应用需求等问题，提供一种基于光导开关和高介电常数固态形成线的层叠线脉冲发生器，该脉冲发生器兼顾光导开关和固态脉冲形成线的优点，缩小整个脉冲发生器的体积，实现层叠线脉冲发生器固态化、紧凑化、高重频和长时间稳定运行，为高功率微波等相关应用系统固态化、紧凑化、小型化和长时间稳定运行提供技术支撑。

2、为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是：

3、基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器由高压直流电源、充电限流电阻、n级固态脉冲形成线(令为第一级固态脉冲形成线，第二级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线，)、n级光导开关控制模块(令为第一级光导开关控制模块，第二级光导开关控制模块，…，第n级光导开关控制模块，…，第n级光导开关控制模块)、一个多通道数字延迟触发器、n级充电隔离电感(令为第一级充电隔离电感，第二级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感)、n级对地隔离电感(令为第一级对地隔离电感，第二级对地隔离电感，…，第n级对地隔离电感，…，第n级对地隔离电感)以及负载组成。第n级光导开关控制模块由第n级脉冲激光器和第n级光导开关构成；n级光导开关控制模块共包括n级脉冲激光器和n级光导开关；令n级脉冲激光器为第一级脉冲激光器，第二级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器，第一级脉冲激光器，第二级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器的触发通道分别与多通道数字延迟触发器相连，接收多通道数字延迟触发器输出的n路独立并延时可调节的信号，分别向n级光导开关输出n路脉冲激光；令n级光导开关为第一级光导开关，第二级光导开关，…，第n级光导开关，…，第n级光导开关。第一级固态脉冲形成线，第二级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线的输出端口分别与第一级光导开关，第二级光导开关，…，第n级光导开关，…，第n级光导开关的阳极相连。第一级光导开关，第二级光导开关，…，第n级光导开关，…，第n-1级光导开关的阴极分别与第二级固态脉冲形成线，第三级固态脉冲形成线，…，第n+1级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线的第二地端相连，第n级光导开关的阴极与负载连接。多通道数字延迟触发器输出n路独立并延时可调节的信号，分别控制n级光导开关控制模块的脉冲激光器输出脉冲激光，脉冲激光器输出的脉冲激光分别经过光纤传输，最终照射到光导开关衬底，触发n级光导开关导通，光导开关导通后，被调制的脉冲从固态脉冲形成线转移到负载上，从而实现基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器并联充电和串联放电过程，进而实现电压叠压和功率提升。

4、高压直流电源采用全数字化高压电源，输出直流电压范围为0～50kv，且在该范围内输出电压连续可调。高压直流电源通过充电限流电阻与n级充电隔离电感串联，高压直流电源通过充电限流电阻和充电隔离电感为n级固态脉冲形成线充电。

5、充电限流电阻用于防止电流值过大而损坏层叠线脉冲发生器中的光导开关、固态形成线和高压直流电源等器件，其阻值从1kω～100kω取值。充电限流电阻一端与高压直流电源的高压输出端相连，另一端与第一级充电隔离电感相连，将高压直流电源输出的电流降低后传输给第一级充电隔离电感。

6、第一级充电隔离电感，第二级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感为抗冲击电感，n级充电隔离电感的电感量相同。第一级充电隔离电感的一端与充电限流电阻相连，第一级充电隔离电感的另一端与第一级固态脉冲形成线的充电端口i1和第二级充电隔离电感相连；第二级充电隔离电感的一端与第一级充电隔离电感相连，第二级充电隔离电感的另一端与第二级固态脉冲形成线的充电端口i2和第三级充电隔离电感相连；…；第n级充电隔离电感的一端与第n-1级充电隔离电感相连，第n级充电隔离电感的另一端与第n级固态脉冲形成线的充电端口in和第n+1级充电隔离电感相连；…；第n级充电隔离电感的一端与第n-1级充电隔离电感相连，第n级充电隔离电感的另一端与第n级固态脉冲形成线的充电端口in相连。

7、固态脉冲形成线选用高介电常数(300～600)的玻璃陶瓷固态脉冲形成线，其最大工作电压大于40kv，阻抗r1与负载阻抗r2之间满足关系：r2＝nr1(5ω≥r1≥3ω)。第一级固态脉冲形成线，第二级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线完全相同。第一级固态脉冲形成线的充电端口i1与第一级充电隔离电感连接，输出端口o1与第一级光导开关的阳极相连，第一级固态脉冲形成线的第一地端d11与第一级对地隔离电感相连，第一级固态脉冲形成线的第二地端d12接地；…；第n级固态脉冲形成线的充电端口in与第n级充电隔离电感连接，输出端口on与第n级光导开关的阳极相连，第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1与第n级对地隔离电感相连，第n级固态脉冲形成线的第二地端dn2与第n-1级光导开关的阴极相连；…；第n级固态脉冲形成线的充电端口in与第n级充电隔离电感连接，输出端口on与第n级光导开关的阳极相连，第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1与第n级对地隔离电感相连，第n级固态脉冲形成线的第二地端dn2与第n-1级光导开关的阴极相连。

8、高压直流电源经充电限流电阻，再通过第一级充电隔离电感，第二级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感分别给第一级固态脉冲形成线，第二级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线，…，第n级固态脉冲形成线充电，即，高压直流电源通过充电限流电阻，再通过第一级充电隔离电感给第一级固态脉冲形成线充电；通过充电限流电阻，经第一级充电隔离电感，再通过第二级充电隔离电感给第二级固态脉冲形成线充电；…；通过充电限流电阻，经第一级充电隔离电感，第二级充电隔离电感，…，第n-1级充电隔离电感，再通过第n级充电隔离电感给第n级固态脉冲形成线充电；…；通过充电限流电阻，经第一级充电隔离电感，第二级充电隔离电感，…，第n级充电隔离电感，…，第n-1级充电隔离电感，再通过第n级充电隔离电感给第n级固态脉冲形成线充电，从而实现对n级固态脉冲形成线的并联充电。

9、第一级对地隔离电感，第二级对地隔离电感，…，第n级对地隔离电感，…，第n级对地隔离电感为抗冲击电感，n级对地隔离电感的电感量相同。第一级对地隔离电感的一端接地，第一级对地隔离电感的另一端与第一级固态脉冲形成线的第一地端d11和第二级对地隔离电感相连；第二级对地隔离电感的一端与第一级对地隔离电感相连，第二级对地隔离电感的另一端与第二级固态脉冲形成线的第一地端d21和第三级对地隔离电感相连；…；第n级对地隔离电感的一端与第n-1级对地隔离电感相连，第n级对地隔离电感的另一端与第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1和第n+1级对地隔离电感相连；…；第n级对地隔离电感的一端与第n-1级对地隔离电感相连，第n级对地隔离电感的另一端与第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1相连。第一级固态脉冲形成线的第一地端d11通过第一级对地隔离电感接地；…；第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1通过第n级对地隔离电感，再经过第n-1级对地隔离电感，…，第一级对地隔离电感接地；…；第n级固态脉冲形成线的第一地端dn1通过第n级对地隔离电感，再经过第n-1级对地隔离电感，…,第n级对地隔离电感，…，第一级对地隔离电感接地。

10、多通道数字延迟触发器采用具有延迟控制、多通道输出、时钟同步和触发与测量能力的延迟发生器，要求能够输出n路独立并延时可调节的触发信号，并且可以进行精确控制，触发频率大于10mhz，抖动小于25ps。多通道数字延迟触发器的n路输出分别与第一级脉冲激光器，第二级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器的触发通道相连，通过n路独立并延时可调节的信号控制第一级脉冲激光器，第二级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器，…，第n级脉冲激光器输出脉冲激光。

11、n级脉冲激光器均为ld(laser diode)纳秒脉冲激光器，要求输出的脉冲激光波长大于砷化镓本征吸收限(即，要求输出的脉冲激光波长大于873nm)。第一级脉冲激光器的触发通道与多通道数字延迟触发器的信号输出通道相连，接收第一路独立并延时可调节的触发信号，第一级脉冲激光器的激光输出通道连接光纤，在第一路独立并延时可调节的触发信号的控制下输出脉冲激光，第一级脉冲激光器输出的脉冲激光经过光纤传输，照射到第一级光导开关衬底上，控制第一级光导开关导通；…；第n级脉冲激光器的触发通道与多通道数字延迟触发器的信号输出通道相连，接收第n路独立并延时可调节的触发信号，第n级脉冲激光器的激光输出通道连接光纤，在第n路独立并延时可调节的触发信号的控制下输出脉冲激光，第n级脉冲激光器输出的脉冲激光经过光纤传输，照射到第n级光导开关衬底上，控制第n级光导开关导通；…；第n级脉冲激光器的触发通道与多通道数字延迟触发器的信号输出通道相连，接收第n路独立并延时可调节的触发信号，第n级脉冲激光器的激光输出通道连接光纤，在第n路独立并延时可调节的触发信号的控制下输出脉冲激光，第n级脉冲激光器输出的脉冲激光经过光纤传输，最终照射到第n级光导开关衬底上，控制第n级光导开关导通。

12、n级光导开关均为砷化镓光导开关，其结构形式不限，砷化镓光导开关由衬底以及阳极和阴极两个金属电极组成，衬底选用电阻率大于107ω·cm、迁移率大于6000cm2/(v·s)的半绝缘砷化镓材料，阳极与阴极之间的距离大于0.5mm。第一级光导开关的阳极与第一级固态脉冲形成线的输出端口o1相连，第一级光导开关的阴极与第二级固态脉冲形成线的第二地端d22相连，第一级光导开关的衬底通过接收第一级脉冲激光器输出的脉冲激光控制导通；…；第n级光导开关的阳极与第n级固态脉冲形成线的输出端口on相连，第n级光导开关的阴极与第n+1级固态脉冲形成线的第二地端d(n+1)2相连，第n级光导开关的衬底通过接收第n级脉冲激光器输出的脉冲激光控制导通；…；第n-1级光导开关的阳极与第n-1级固态脉冲形成线的输出端口o(n-1)相连，第n-1级光导开关的阴极与第n级固态脉冲形成线的第二地端dn2相连，第n-1级光导开关的衬底通过接收第n-1级脉冲激光器输出的脉冲激光控制导通；第n级光导开关的阳极与第n级固态脉冲形成线的输出端口on相连，第n级光导开关的阴极与负载相连，第n级光导开关的衬底通过接收第n级脉冲激光器输出的脉冲激光控制导通。

13、第一级光导开关的衬底从第一级脉冲激光器接收到脉冲激光后，第一级光导开关导通，将第一级固态脉冲形成线上被调制的电压释放到第二级固态脉冲形成线的第二地端d22，抬升第二级固态脉冲形成线的地电位；第二级光导开关的衬底从第二级脉冲激光器接收到脉冲激光后，第二级光导开关导通，将第二级固态脉冲形成线上被调制的电压释放到第三级固态脉冲形成线的第二地端d32，抬升第三级固态脉冲形成线的地电位；…；第n级光导开关的衬底从第n级脉冲激光器接收到脉冲激光后，第n级光导开关导通，将第n级固态脉冲形成线上被调制的电压释放到第n+1级固态脉冲形成线的第二地端d(n+1)2，抬升第n+1级固态脉冲形成线的地电位；…；第n-1级光导开关的衬底从第n-1级脉冲激光器接收到脉冲激光后，第n-1级光导开关导通，将第n-1级固态脉冲形成线上被调制的电压释放到第n级固态脉冲形成线的第二地端dn2，抬升第n级固态脉冲形成线的地电位；第n级光导开关的衬底从第n级脉冲激光器接收到脉冲激光导通后，第n级光导开关导通，将第n级固态脉冲形成线上被调制的电压释放到负载，实现串联放电过程，进而实现电压叠压和功率提升。

14、所述充电隔离电感和对地隔离电感均为抗冲击电感，电感量均为l，满足：(c为固态脉冲形成线电容，τ为固态脉冲形成线的脉宽)。

15、所述负载是一个电阻，其阻抗等于nr1，r1为一级固态脉冲形成线的阻抗，5ω≥r1≥3ω。

16、负载上形成的高压脉冲的最大幅值up由基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器的级数n和层叠线脉冲发生器的充电电压幅值v(v≤40kv)决定，满足关系up∝1/2nv，∝表示正比于。因此n由up和v在满足关系up∝1/2nv的条件下反推得出。

17、与现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果：

18、1.与其它技术路线的脉冲发生器相比，本发明固态脉冲形成线选用高介电常数(300～600)的玻璃陶瓷固态脉冲形成线，玻璃陶瓷兼顾高介电常数和高击穿场强(即高储能密度)，使层叠线脉冲发生器具有固态化、紧凑化、长脉宽和高功率等优点，解决了层叠线脉冲发生器体积、质量较大，不便于移动，装配复杂等问题。

19、2.本发明选择闭合时间快(ps量级)，抖动时间小(ps量级)，高重频的光导开关作为层叠线脉冲发生器的开关，实现了层叠线脉冲发生器高重频、低抖动稳定运行，且不受电磁干扰。

20、3.本发明基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器具有固态化、小型化、紧凑化、高重频和长时间稳定运行等优势，可以实现电压叠加和功率提升，并且可以在保证体积小的前提下，提升功率。符合高功率脉冲驱动源固态化、小型化和紧凑化的需求，提升了层叠线脉冲发生器在高功率微波等领域的应用能力。

21、4.与其它技术路线的脉冲发生器相比，本发明基于光导开关和固态脉冲形成线的层叠线脉冲发生器，可以实现系统的全固态，环境适应性更强，进一步提高了其应用能力和应用范围。

22、5.本发明各部件之间相对独立的结构，有利于脉冲发生器各部件的维护保养，大幅度提升其使用和拆装效率。