專利名稱：基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器。
背景技術：
高壓納秒電脈沖產生器可以按輸出電壓高低、脈沖寬度長短、重復頻率范圍和開光種類進行分類。大多數電脈沖產生器輸出電壓低于5kV，導致作用于負載的電場低而在負載上呈現較弱的電磁效應。一般電脈沖產生器輸出的脈沖寬度在數百納秒以上以致達到微秒，達不到理想的天線輻射效果或者出現不了醫療、農林等領域所需要的細胞內處理效應。從重復頻率來看，為了滿足軍事的需要，通常脈沖重復頻率很高(10kHz)，沒有手動檔； 高重復頻率容易導致細胞過熱死亡，沒有出現期望的腫瘤細胞凋亡響應或者沒有農林領域期望的促生長因子的出現.火花隙開關耐壓高，產生的脈沖寬度小，但是由于金屬電極的燒蝕而開關壽命短，同時體積龐大。串并聯MOSFET和IGBT開關保護電路復雜，易于燒毀， 壽命短。基于半導體斷開開關和磁飽和變壓器的脈沖產生器的磁飽和材料處于試制階段， 不成熟，而且價格高昂。有鑒于此，本高壓納秒電脈沖產生器利用光導開關產生電壓高達5-10千伏、脈沖寬度在數百皮秒到數百納秒之間和具有一定重復頻率的電脈沖。本電脈沖產生器的光導開關具有靜態耐壓高、體積小、壽命長和價格低等特征。脈沖激光二極管代替較為龐大的激光器產生激光，將激光光能和電容儲能配合，致力于電脈沖參數的可調節性和光導開關的高利用率，可用于軍事、醫療、農林等領域，為國防安全和人類的健康服務。

實用新型內容本實用新型的發明目的在于針對上述存在的問題，提供一種基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，該發明創造包含核心器件光導開關。如圖1所示，首先系列大小電容器的儲能與可調節的激光能量配合，使光導開關導通良好，獲得不同幅值和不同脈沖寬度的高壓納秒電脈沖。激光二極管的光功率依次為50、75、150和200W，記為P1、 P2、P3、P4四檔。閉合S1、S2、S3、S4四個開關之中的一個，對應電容(耐壓20 kV)為30、 45、90和120PF對應，圖中為C1、C2、C3和C4檔。這樣光導開關的能量和儲能電容的組合為(PI, Cl)、(P2, C2)、(P3, C3)和(P4, C4)。一般地，高壓納秒產生器中的儲能電容為單個 Blumlein傳輸線的電容，面積大，電容不易調節變化。脈沖激光二極管代替了體積龐大、維護困難的激光器。脈沖二極管電路體積小、維護方便，激光功率可以調節驅動電流和脈沖寬度實現。該電脈沖產生器體積較YAG激光器觸發的電脈沖產生器體積減小了一半以上，增加攜帶的便利性。脈沖幅度、脈沖寬度和重復頻率可以調節，增加了負載的種類。一般地，將高壓納秒電脈沖饋入軍用的超寬帶天線。該發明除了作超寬帶天線的激勵源外，產生的電脈沖可直接作用于醫療上的腫瘤細胞或者組織，增加腫瘤細胞的凋亡百分比，也可作用于農林領域的孢子懸液、無土培養的植物和蘑菇生長的圓木，提高菌類和農作物的產量。[0007]新的位置關系高壓納秒電脈沖產生器構成光電延時器子系統、脈沖二極管光功率調節子系統、 高壓充電電源、電容儲能子系統與光導開關放電子系統和負載應用子系統。光電延時器子系統由重復頻率控制(含單次觸發)按鈕、555定時器、延時調節按鈕、電信號放大電路組成，分別為小型化高壓充電電源提供延時的充電信號和為脈沖發光二極管驅動電路提供觸發信號。高壓充電電源子系統由自耦變壓器、整流電路、IRF460開關管、回掃變壓器組成。 回掃變壓器的儲存磁能在開關管斷開時轉化為電容器儲存的電能。脈沖二極管光功率調節子系統由調整電路(電流和脈沖寬度調節)、脈沖二極管驅動電路和脈沖二極管(波長大于870納米，小于1730納米)組成，用于提供脈沖寬度、脈沖光功率可調節的激光。電容儲能裝置與光導開關放電裝置由開關和儲能電容的系列組合(S1、C1、. . . S4、 C4)、高壓硅堆和核心器件光導開關組成，實現儲能和基于光導開關的放電。輸出脈沖可以饋入到超寬帶天線；可以輸送到腫瘤的細胞懸液或者組織；作用于農林領域的孢子懸液和草本植物懸液。相互連接關系如圖1所示，來自控光信號的TTL電平控制脈沖二極管光功率調節子系統，產生光能可調的光脈沖；小型化高壓充電電源通過高壓硅堆給不同的電容儲能；光能和對應的電能匹配使光導開關充分導通，實現電容器的充分放電。綜上所述，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是該發明具有如下一些技術效果1、提高光導開關的壽命光導開關的充分導通和電容器的充分放電降低了光導開關光照后的剩余電場，光導開關無光時不會由于GaAs的負微分效應而導致二次導通，降低了光導開關的熱擊穿幾率，從而將GaAs光導開關的壽命從數十次提高到數百萬次。2、調節了電脈沖的系列參數為了得到特定負載的最佳響應，需要對電脈沖的脈沖寬度進行較寬范圍的調節。 電脈沖幅度在5-10kV，脈沖寬度為數百皮秒(ps)到數百納秒(ns)內調節。脈沖頻率有單次輸出到數十赫茲(Hz)可調輸出。3、大大地減小了激光裝置的體積脈沖激光二極管系統代替了體積龐大的YAG激光器，減小了電脈沖產生器的體積，便于電脈沖產生器的攜帶，也大大地降低了其成本和運營中的維護價格。4、激勵多種類的負載電脈沖寬度的大范圍可調節性，為該脈沖產生器在農林領域的應用打下了堅實的基礎。植物細胞和孢子細胞與哺乳動物細胞差異較大，可以用脈沖寬度較小的脈沖去刺激農作物和食用菌類的生長；用脈沖寬度較長、電場幅度大的脈沖促進動物腫瘤細胞的死亡 (凋亡和壞死)。

[0026]圖1是本實用新型技術方案示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。如圖1所示，來自控光信號的TTL電平控制脈沖二極管光功率調節子系統，產生光能可調的光脈沖；小型化高壓充電電源通過高壓硅堆給不同的電容儲能；光能和對應的電能匹配使光導開關充分導通，實現電容器的充分放電。整個流程光電延時器發出兩路觸發信號，一路稱為充電信號，另一路TTL信號稱為控光信號。充電信號和控光信號設置適當的延遲，使得光導開關處于暗電阻狀態下的耐壓時間很短，達到數個微秒，避免熱效應導致光導開關的熱擊穿。充電信號給小型化高壓充電電源充電，進而讓儲能電容(C1、C2、C3、C4)儲存不同的電能供光導開關釋放到負載。控光信號啟動脈沖二極管發光電路，通過調整驅動電路的電流和脈寬，從而改變脈沖二極管的輸出光能。光導開關受到不同激光功率的作用，將儲存在與激光功率對應的儲能電容中的電能釋放給負載，形成脈沖寬度可調的高壓納秒脈沖，提供給各種負載(軍用的超寬帶天線、醫用的腫瘤細胞和組織以及農林領域的孢子懸液和草本植物懸液)。高壓納秒電脈沖產生器的電壓幅度還可以通過調節初級電源的輸入電壓而調節以最大限度地提高光導開關壽命。脈沖的重復頻率由光電延時器控制，控制腫瘤細胞的溫度升高，研究細胞的電脈沖內處理效應，促使腫瘤細胞的凋亡以及促進植物細胞和孢子細胞的生長效應。由于脈沖激光二極管系統代替了 YAG激光系統，整個激光系統體積小，光能可靈活調節，從而降低了整個電脈沖產生器的體積、重量和成本。保持脈沖激光二極管驅動電路的脈寬不變，改變調整電路的驅動電流，從而改變脈沖二極管的功率；保持電路的驅動電流不變，調整脈寬從而調整輸出光能的大小。由于激光部分的光能和電容器的儲能配合，GaAs光導開關在放電后的電場小于 3.4kV/cm(低于GaAs的負微分閾值電場)，延長了光導開關壽命，提高了光導開關的利用率。由于負載的可變性和多樣性，決定了輸出高壓納秒電脈沖的幅度、脈沖寬度和重復頻率應該具有可調節性，本高壓納秒電脈沖產生器實現了大范圍參數可調的目標，從而可將不同要求的脈沖作用于不同的負載。將超寬帶電脈沖信號饋入軍用超寬帶天線，可以組成天線陣列，提高天線陣列的軸線能量密度，制作沖擊雷達發射機，配合接受的反射信號裝置，捕捉隱身飛行物。可將強電場、脈沖寬度較長的電脈沖作用于腫瘤細胞或者組織，促進它們的凋亡，減小腫瘤治療的副作用。將弱電場、短脈沖寬度的電脈沖作用植物細胞和孢子細胞，刺激它們的生長，提高農作物和食用菌的產量。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于該高壓納秒電脈沖產生器包括光電延時器子系統、脈沖二極管光功率調節子系統、高壓充電電源子系統、電容儲能子系統與光導開關放電子系統和負載應用子系統，其中所述脈沖二極管光功率調節子系統中的激光脈沖二極管與所述電容儲能子系統中的核心器件光導開關相連接。
2.根據權利要求1所述的基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于所述光電延時器子系統由重復頻率控制按鈕、555定時器、延時調節按鈕、電信號放大電路組成，用于分別為小型化高壓充電電源提供延時的充電信號和為脈沖發光二極管驅動電路提供觸發信號。
3.根據權利要求1所述的基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于所述高壓充電電源子系統由自耦變壓器、整流電路、IRF460開關管、回掃變壓器組成；其中所述回掃變壓器用于將其儲存磁能在開關管斷開時轉化為電容器儲存的電能。
4.根據權利要求1所述的基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于所述脈沖二極管光功率調節子系統由調整電路、脈沖二極管驅動電路和前述激光脈沖二極管組成，用于提供脈沖寬度、脈沖光功率可調節的激光。
5.根據權利要求1所述的基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于所述電容儲能子系統包括電容儲能裝置與光導開關放電裝置，所述電容儲能裝置與光導開關放電裝置由開關和儲能電容的系列組合、高壓硅堆和核心器件光導開關組成，用于實現儲能和基于光導開關的放電。
專利摘要本實用新型公開了一種基于光導開關的參數可調高壓納秒電脈沖產生器，其特征在于該高壓納秒電脈沖產生器包括光電延時器子系統、脈沖二極管光功率調節子系統、高壓充電電源子系統、電容儲能子系統與光導開關放電子系統和負載應用子系統，其中所述脈沖二極管光功率通過調節子系統中的激光脈沖二極管與所述電容儲能子系統中的核心器件光導開關相連接。本實用新型有益效果是提高光導開關的壽命光導開關的充分導通和電容器的充分放電降低了光導開關光照后的剩余電場，光導開關無光時不會由于GaAs的負微分效應而導致二次導通，降低了光導開關的熱擊穿幾率，從而將GaAs光導開關的壽命從數十次提高到數百萬次。
文檔編號H03K3/011GK202127386SQ20112021395
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月23日 優先權日2011年6月23日
發明者吳明和 申請人:吳明和