本實用新型涉及一種脈沖源，具體涉及一種多路疊加型高壓納秒脈沖源。

背景技術：

脈沖功率科學技術作為電氣工程領域的新興科學，具備廣泛背景和巨大潛力，在國防科研、高新技術研究和民用工業(yè)等諸多領域應用廣泛，如產生電磁脈沖(EMP)、等離子體輔助燃燒和食品保鮮消毒等。脈沖功率源作為應用基礎和關鍵部件，對效應水平具有決定性影響。

不同于國防領域追求單次運行的高峰值功率和強物理效應，民用領域通常要求脈沖功率源具備高輸出幅值、高重復頻率、高平均功率、高可靠性、便攜性和低成本。在民用應用領域，以等離子體進行材料表面處理的工業(yè)應用為例，國內外研究均表明，采用前沿和脈沖寬度均為數納秒的高重復頻率脈沖電壓激勵的等離子具有更高的穩(wěn)定性和活性粒子濃度，處理效果更佳。與此同時，在基礎物理研究領域，最新放電物理研究表明，前沿為數納秒級別重復頻率脈沖電壓作用下，高能電子和X射線在放電發(fā)展過程中扮演重要角色，急需研究納秒脈沖氣體放電特性并構建理論模型。民用工業(yè)應用和基礎物理理論研究均對脈沖功率源輸出電壓幅值(盡量高以提高效應強度和范圍)、前沿(盡量短以提高電子能量)、脈沖寬度(盡量窄以防止熱積累)、重復頻率(盡量高以提高處理效率)、便攜性(輕量化以減小設備重量)和成本(充分利用成熟穩(wěn)定的商業(yè)器件)提出越來越高的要求。

為產生高重頻高壓納秒脈沖，國內外通常采用磁開關、全固態(tài)開關(如SOS器件)等作為關鍵開關器件。磁開關體積大、脈沖壓縮效果有限，SOS器件性能優(yōu)異，但由于國防利益等價格昂貴，常規(guī)設備不可能采用?；谘┍廊龢O管Marx電路的脈沖源具有上升時間短、抖動小、脈沖寬度窄、重復頻率高、結構緊湊等優(yōu)點，近年來已引起廣泛關注。但是，Marx電路的輸出效率會隨著級數的增加而迅速下降，從而限制了脈沖源輸出幅值的提高。為進一步提高輸出幅值，一種有效的辦法是采用多路脈沖疊加。目前多路脈沖疊加方法主要有幾種實現(xiàn)形式，感應疊加、空間功率合成、直接疊加、平面微帶傳輸線、傳輸線變壓器等，但是各種方案均有其難以避免的缺陷。感應疊加需要使用磁芯，輸出波形受限于磁芯脈沖動態(tài)性能，不適用于輸出前沿數納秒脈沖電壓，空間功率合成需要采用結構復雜的天線裝置，直接疊加方式存在模塊數增多效率降低的缺點，平面微帶傳輸線設計方法復雜。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種多路疊加型高壓納秒脈沖源，該脈沖源能夠實現(xiàn)多路前沿數納秒脈沖電壓的同步疊加，并且結構簡單，不存在模塊數增多效率降低的問題。

為達到上述目的，本實用新型所述的多路疊加型高壓納秒脈沖源包括觸發(fā)單元、Marx電路模塊組、傳輸線變壓器、輸入同步板、耦合式分壓器以及用于提供電能的電源；其中，Marx電路模塊組包括N路Marx電路模塊，傳輸線變壓器包括N根射頻同軸電纜；

觸發(fā)單元的輸出端與輸入同步板的輸入端相連接，輸入同步板的一路輸出端對應Marx電路模塊組中的一路Marx電路模塊及傳輸線變壓器中的一根射頻同軸電纜，輸入同步板的N路輸出端分別與Marx電路模塊組中對應路Marx電路模塊的一端相連接，Marx電路模塊組中各路Marx電路模塊的另一端與傳輸線變壓器中對應根射頻同軸電纜的輸入端相連接，傳輸線變壓器中各根射頻同軸電纜的輸出端依次串聯(lián)連接形成的串聯(lián)電路經耦合式分壓器與負載相連接，傳輸線變壓器中各根射頻同軸電纜的輸入端依次相連接。

所述觸發(fā)單元包括單片機、MOSFET驅動模塊及MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路，單片機的輸出端與MOSFET驅動模塊的輸入端相連接，MOSFET驅動模塊的輸出端與MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的驅動端相連接，MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路的輸出端與輸入同步板的輸入端相連接。

單片機的輸出端與MOSFET驅動模塊的輸入端之間通過光電隔離電路相連接。

觸發(fā)單元的輸出端通過插排及插針與輸入同步板的輸入端相連接。

N等于12。

所述電源為高壓直流充電電源。

本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型所述的多路疊加型高壓納秒脈沖源在具體操作時，將各Marx電路進行模塊化處理，同時采用直接疊加與傳輸線變壓器脈沖能量疊加方式相結合的方法，解決了全固態(tài)器件功率容量小及傳統(tǒng)單一疊加方式存在的效率極限問題；具體的，通過觸發(fā)單元產生正觸發(fā)信號，所述正觸發(fā)信號經輸入同步板同時輸入到N路Marx電路模塊，使N路Marx電路模塊同時產生N路脈沖，所述N路脈沖在傳輸線變壓器的輸入端處進行一次疊加，再在傳輸線變壓器的輸出端處進行二次疊加，然后再經耦合式分壓器作用到負載上，并最終在負載上得到高壓納秒脈沖，從而最大限度的提高脈沖能量疊加后最終輸出的幅值，滿足多路前沿數納秒脈沖電壓的同步疊加的要求，并且結構簡單，操作方便，利用成熟商業(yè)器件，降低了脈沖源的成本，提高了脈沖源輸出脈沖的穩(wěn)定性及可靠性。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路圖；

圖2為本實用新型中Marx電路模塊組6的電路圖；

圖3為本實用新型單次輸出時的波形測試圖；

圖4為本實用新型重復頻率工作時的波形測試圖。

其中，1為單片機、2為MOSFET驅動模塊、3為MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路、4為輸入同步板、5為高壓直流充電電源、6為Marx電路模塊組、7為傳輸線變壓器、8為耦合式分壓器。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細描述：

參考圖1，本實用新型所述的多路疊加型高壓納秒脈沖源包括觸發(fā)單元、Marx電路模塊組6、傳輸線變壓器7、輸入同步板4、耦合式分壓器8以及用于提供電能的電源；其中，Marx電路模塊組6包括N路Marx電路模塊，傳輸線變壓器7包括N根射頻同軸電纜；觸發(fā)單元的輸出端與輸入同步板4的輸入端相連接，輸入同步板4的一路輸出端對應Marx電路模塊組6中的一路Marx電路模塊及傳輸線變壓器7中的一根射頻同軸電纜，輸入同步板4的N路輸出端分別與Marx電路模塊組6中對應路Marx電路模塊的一端相連接，Marx電路模塊組6中各路Marx電路模塊的另一端與傳輸線變壓器7中對應根射頻同軸電纜的輸入端相連接，傳輸線變壓器7中各根射頻同軸電纜的輸出端依次串聯(lián)連接形成的串聯(lián)電路經耦合式分壓器8與負載相連接，傳輸線變壓器7中各根射頻同軸電纜的輸入端依次相連接。

所述觸發(fā)單元包括單片機1、MOSFET驅動模塊2及MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路3，單片機1的輸出端與MOSFET驅動模塊2的輸入端相連接，MOSFET驅動模塊2的輸出端與MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路3的驅動端相連接，MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路3的輸出端與輸入同步板4的輸入端相連接；單片機1的輸出端與MOSFET驅動模塊2的輸入端之間通過光電隔離電路相連接。

觸發(fā)單元的輸出端通過插排及插針與輸入同步板4的輸入端相連接；N等于12；所述電源為高壓直流充電電源5。

輸入同步板4具有幾何結構及電氣結構的對稱性，輸入同步板4通過對稱的空間排布及電路布線，保證觸發(fā)信號及輸出信號的完全等距傳輸。

所述傳輸線變壓器7包括N根完全相同的射頻同軸電纜，不同數量的磁芯套于各根射頻同軸電纜上，磁芯的作用為增大射頻同軸電纜外導體所構成的多導體傳輸線系統(tǒng)的波阻抗，提高脈沖疊加效率，磁芯的材料為鐵基納米晶。

所述高壓直流充電電源5的輸出電壓為180V-300V，通過高壓直流充電電源5為Marx電路模塊充電。

本實用新型所述的脈沖電源為對稱的立體結構，觸發(fā)信號從輸入同步板4的中心輸入，經等徑傳輸后到達十二路Marx電路模塊的觸發(fā)端使各Marx電路模塊同步工作，然后每兩個相鄰Marx電路模塊的輸出直接相連實現(xiàn)脈沖的一次疊加，共同向傳輸線變壓器7中一根射頻同軸電纜進行放電，然后在傳輸線變壓器7中各根射頻同軸電纜的輸出端進行脈沖二次疊加。

輸入同步板4的觸發(fā)端位于幾何中心位置，觸發(fā)脈沖從輸入同步板4中心輸入，并經過相同的電氣傳輸距離到達各Marx電路模塊的觸發(fā)端，實現(xiàn)同步觸發(fā)。

參考圖3，Marx電路模塊組6的級數為12級，電源電壓V_CC＝300V，負載電阻R_L＝50Ω，靜態(tài)時，直流源通過充電隔離電阻R_C1～R_C12和R_C1'～R_C12'給電容C₁～C₁₂充電到V_CC，雪崩三極管Q₁～Q₁₂均處于臨界雪崩狀態(tài)，沒有導通；觸發(fā)信號到來時，雪崩三極管Q₁首先導通，電容C₁的左端瞬間接地，電容C₁的右端電位躍變?yōu)?V_CC，此時雪崩三極管Q₂會在快速過電壓作用下導通，即電容C₂的左端電位瞬間躍變?yōu)?V_CC，電容C₂的右端電位則躍變?yōu)?2V_CC；以此類推，雪崩三極管Q₃～Q₁₂依次導通，最終在電容C₁₂的右端即負載上產生幅值為-12V_CC的電壓脈沖。然而，由于雪崩三極管不能進入完全理想的導通狀態(tài)，這使得Marx電路模塊組6具有一定的輸出阻抗，所以實際在負載電阻上得到的脈沖幅值要略低于12V_CC。

本實用新型的具體工作過程為：

單片機1輸出幅值為5V的單次或重復頻率的TTL控制信號，所述TTL控制信號經光電隔離電路光電隔離后通過控制MOSFET驅動模塊2驅動MOSFET單管正脈沖發(fā)生電路3產生幅值約100V的正觸發(fā)信號，所述正觸發(fā)信號傳輸至輸入同步板4的中心處，并經輸入同步板4同時施加到對稱安裝的Marx電路模塊的觸發(fā)端，實現(xiàn)其同步觸發(fā)；各Marx電路模塊同步工作后產生十二路輸出脈沖，每兩路脈沖在傳輸線變壓器7輸入端處實現(xiàn)脈沖一次疊加，然后在傳輸線變壓器7的輸出端處實現(xiàn)脈沖二次疊加，再經耦合式分壓器8進行測量，并最終在負載上得到高壓納秒脈沖。

經試驗，當本實用新型連接到300Ω的電阻負載上，主電容直流充電電壓為300V時，Marx電路模塊數量為12個，可得到圖4所示的輸出電壓波形，當負載電阻為300歐姆時，則輸出幅值為14kV、前沿為5ns、脈沖寬度為10ns、最大重復頻率為10kHz的脈沖，當負載電阻為高阻，輸出幅值為25kV，前沿、脈沖寬度及最大重復頻率參數不變。