一种高压ns级脉冲形成电路ΞTheHighVoltageNanosecondPulseFormingCircuit国防科技大学理学院(长沙410073贺元吉张亚洲李传胪摘要分析了脉冲形成电路参数对脉冲上升时间的影响,设计了一种集脉冲电容器、脉冲整形器、电容分压器和匹配负载为一体的ns级脉冲形成电路。该电路采用同轴结构,波阻抗为508,电容分压器的分压比为932,频率响应高达1GHz。脉冲形成电路能产生脉冲前沿为2ns、后沿为118底宽为516ns、峰值为71kV的高压窄脉冲。AbstractTheeffectofpulseformisinvestigatedandasedofpulsecapacitors,,voltagedividerandmatchedloadispinthispaper.Thedividerwithanattenuationratio(input,output932hasbeentest2ed.Thefrequencyresponseisupto1GHz.Apulsewithrisingtimeof2nsandduration516nsisgeneratedinexper2iments.关键词脉冲发生器电容分压器纳秒脉冲KeywordspulsegeneratorcapacitivevoltagedividernanosecondpulseTM83文献标识码A0引言脉冲技术应用于电力系统高压绝缘试验、激光技术、微波技术和电磁兼容性试验等方面,脉冲技术研究重点为:1追求脉冲源的大功率、高效率、高重复率和装置的小型化;2获取更快的脉冲前沿、后沿及窄脉宽[1,5]。本文研究高压窄脉冲的产生和测量。1纳秒级脉冲转换开关111影响脉冲前沿的因素电容器储能的脉冲开关转换电路原理如图1,图1电容储能脉冲发生器原理图它由脉冲电容器和压缩气体开关(脉冲整形器组成。图中Cs为脉冲电容器;L为回路电感;R为回路总电阻,包括开关电阻R(i,t、负载电阻Rt和回路杂散电阻;C0为固有电容;G为陡化开关;Rt为负载电阻。对于这种电容储能的脉冲转换电路,在低电阻负载上脉冲上升前沿可表示为:tr=616ΑE2+Α3lnΑ3(Α1-Α2(1,p,Pa;Α1=1Rt(Cs+=(R02L2-1LC-12;Α3=R02L2-1LC-12。其中C=CsC0(Cs+C0,R0=R+R′,R′=Rt(1+R2tC2LC。如果忽略固有电容的影响,式(1可简化为:tr=616pΑE2+212LRt(2式中Α为气体常数,Pa・cm2s・V2;E为电场强度,Vcm。616pΑE2表示开关参数对脉冲形成的影响,212LRt表示外部线路参数对脉冲形成的影响。显然,在开关结构参数一定的情况下,增加开关间隙的气压和电场强度、减小回路的电感是减小脉冲前沿的主要方法。输入到开关上的脉冲制约着开关输出脉冲的形成,为形成前沿为亚ns级的脉冲,输入到开关上的脉冲必须满足一定的要求。气体在纳秒级脉冲下的击穿场强为[6]EΘ=(Θt010-1212510-3,式中Θ为气体的密度,gcm3;t为脉冲的脉宽,s。如果忽略外部电路对脉冲形成的影响,则负载上脉冲的上升前沿与输入脉冲的脉宽、开关间隙气体的密度和压力的关系为tr=61610-6p(Θt01922125Θ2Α。(3计算发现,常温下105Pa的N2中,若tr=015ns,则脉宽t≈4ns。即ns技术是亚ns技术的基础和前提。112开关的设计获得脉宽为数ns的脉冲,减小脉冲的前沿和后沿是关键。为使脉冲前沿尽可能小,电极间隙要尽可能小,要求火花间隙的电感较小。但火花间隙小,将使电极间的火花电容较高。高的火花电容和快导通时间引起位移电流,在负载上表现为予脉冲。因此,电极间距的选择非常重要。另外,还需要一短路开关来切断脉冲的后沿。因此,开关采用图2所示同轴结构。开关的工作原理为: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。开关单位长度(不含火花间隙电感近似为:L0=Λ0ln(Dd2Π(4・31・2000年8月高电压技术第26卷第4期Ξ国家863激光技术领域资助项目图2开关的结构式中D、d式计算。Lg=Λ0ln(Ddg2Π,式中。设Ddg≈30、50、100,则ln(Ddg≈4,有Lg=Λ0ln(Ddg2Π≈2Λ0Π。(52电容分压器211电容分压器的结构为使装置一体化,设计与开关相匹配并能响应ns级脉冲的测量仪器十分重要。本文参考并改进了wongCS[5]提出的一种分压器结构,设计了结构简单的同轴电容分压器,如图3。它主要由同轴传输1—外导体;2—内导体;3—绝缘膜;4—内外导体间的绝缘介质;5—金属膜;6—Q9电缆接头图3分压器结构简图线、金属绝缘片组成。为便于标定和匹配,同轴传输线的阻抗为508。金属绝缘片是该装置中的重要元件,由金属膜和绝缘膜组成。为防止绝缘膜沿面放电,绝缘膜的面积比金属膜稍大。为不影响波在传输线中...