專利名稱：基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器。
背景技術(shù)：
高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器可以按輸出電壓高低、脈沖寬度長(zhǎng)短、重復(fù)頻率范圍和開(kāi)光種類進(jìn)行分類。大多數(shù)電脈沖產(chǎn)生器輸出電壓低于5kV，導(dǎo)致作用于負(fù)載的電場(chǎng)低而在負(fù)載上呈現(xiàn)較弱的電磁效應(yīng)。一般電脈沖產(chǎn)生器輸出的脈沖寬度在數(shù)百納秒以上以致達(dá)到微秒，達(dá)不到理想的天線輻射效果或者出現(xiàn)不了醫(yī)療、農(nóng)林等領(lǐng)域所需要的細(xì)胞內(nèi)處理效應(yīng)。從重復(fù)頻率來(lái)看，為了滿足軍事的需要，通常脈沖重復(fù)頻率很高(10kHz)，沒(méi)有手動(dòng)檔； 高重復(fù)頻率容易導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)熱死亡，沒(méi)有出現(xiàn)期望的腫瘤細(xì)胞凋亡響應(yīng)或者沒(méi)有農(nóng)林領(lǐng)域期望的促生長(zhǎng)因子的出現(xiàn).火花隙開(kāi)關(guān)耐壓高，產(chǎn)生的脈沖寬度小，但是由于金屬電極的燒蝕而開(kāi)關(guān)壽命短，同時(shí)體積龐大。串并聯(lián)MOSFET和IGBT開(kāi)關(guān)保護(hù)電路復(fù)雜，易于燒毀， 壽命短?；诎雽?dǎo)體斷開(kāi)開(kāi)關(guān)和磁飽和變壓器的脈沖產(chǎn)生器的磁飽和材料處于試制階段， 不成熟，而且價(jià)格高昂。有鑒于此，本高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器利用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電壓高達(dá)5-10千伏、脈沖寬度在數(shù)百皮秒到數(shù)百納秒之間和具有一定重復(fù)頻率的電脈沖。本電脈沖產(chǎn)生器的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)具有靜態(tài)耐壓高、體積小、壽命長(zhǎng)和價(jià)格低等特征。脈沖激光二極管代替較為龐大的激光器產(chǎn)生激光，將激光光能和電容儲(chǔ)能配合，致力于電脈沖參數(shù)的可調(diào)節(jié)性和光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的高利用率，可用于軍事、醫(yī)療、農(nóng)林等領(lǐng)域，為國(guó)防安全和人類的健康服務(wù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，該發(fā)明創(chuàng)造包含核心器件光導(dǎo)開(kāi)關(guān)。如圖1所示，首先系列大小電容器的儲(chǔ)能與可調(diào)節(jié)的激光能量配合，使光導(dǎo)開(kāi)關(guān)導(dǎo)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(gè)開(kāi)關(guān)之中的一個(gè)，對(duì)應(yīng)電容(耐壓20 kV)為30、 45、90和120PF對(duì)應(yīng)，圖中為C1、C2、C3和C4檔。這樣光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的能量和儲(chǔ)能電容的組合為(PI, Cl)、(P2, C2)、(P3, C3)和(P4, C4)。一般地，高壓納秒產(chǎn)生器中的儲(chǔ)能電容為單個(gè) Blumlein傳輸線的電容，面積大，電容不易調(diào)節(jié)變化。脈沖激光二極管代替了體積龐大、維護(hù)困難的激光器。脈沖二極管電路體積小、維護(hù)方便，激光功率可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流和脈沖寬度實(shí)現(xiàn)。該電脈沖產(chǎn)生器體積較YAG激光器觸發(fā)的電脈沖產(chǎn)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(fù)頻率可以調(diào)節(jié)，增加了負(fù)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(fā)明除了作超寬帶天線的激勵(lì)源外，產(chǎn)生的電脈沖可直接作用于醫(yī)療上的腫瘤細(xì)胞或者組織，增加腫瘤細(xì)胞的凋亡百分比，也可作用于農(nóng)林領(lǐng)域的孢子懸液、無(wú)土培養(yǎng)的植物和蘑菇生長(zhǎng)的圓木，提高菌類和農(nóng)作物的產(chǎn)量。[0007]新的位置關(guān)系高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器構(gòu)成光電延時(shí)器子系統(tǒng)、脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、 高壓充電電源、電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電子系統(tǒng)和負(fù)載應(yīng)用子系統(tǒng)。光電延時(shí)器子系統(tǒng)由重復(fù)頻率控制(含單次觸發(fā))按鈕、555定時(shí)器、延時(shí)調(diào)節(jié)按鈕、電信號(hào)放大電路組成，分別為小型化高壓充電電源提供延時(shí)的充電信號(hào)和為脈沖發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路提供觸發(fā)信號(hào)。高壓充電電源子系統(tǒng)由自耦變壓器、整流電路、IRF460開(kāi)關(guān)管、回掃變壓器組成。 回掃變壓器的儲(chǔ)存磁能在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)化為電容器儲(chǔ)存的電能。脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)由調(diào)整電路(電流和脈沖寬度調(diào)節(jié))、脈沖二極管驅(qū)動(dòng)電路和脈沖二極管(波長(zhǎng)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(diào)節(jié)的激光。電容儲(chǔ)能裝置與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電裝置由開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)能電容的系列組合(S1、C1、. . . S4、 C4)、高壓硅堆和核心器件光導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)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(xì)胞懸液或者組織；作用于農(nóng)林領(lǐng)域的孢子懸液和草本植物懸液。相互連接關(guān)系如圖1所示，來(lái)自控光信號(hào)的TTL電平控制脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，產(chǎn)生光能可調(diào)的光脈沖；小型化高壓充電電源通過(guò)高壓硅堆給不同的電容儲(chǔ)能；光能和對(duì)應(yīng)的電能匹配使光導(dǎo)開(kāi)關(guān)充分導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電容器的充分放電。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是該發(fā)明具有如下一些技術(shù)效果1、提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的充分導(dǎo)通和電容器的充分放電降低了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)光照后的剩余電場(chǎng)，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)無(wú)光時(shí)不會(huì)由于GaAs的負(fù)微分效應(yīng)而導(dǎo)致二次導(dǎo)通，降低了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的熱擊穿幾率，從而將GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命從數(shù)十次提高到數(shù)百萬(wàn)次。2、調(diào)節(jié)了電脈沖的系列參數(shù)為了得到特定負(fù)載的最佳響應(yīng)，需要對(duì)電脈沖的脈沖寬度進(jìn)行較寬范圍的調(diào)節(jié)。 電脈沖幅度在5-10kV，脈沖寬度為數(shù)百皮秒(ps)到數(shù)百納秒(ns)內(nèi)調(diào)節(jié)。脈沖頻率有單次輸出到數(shù)十赫茲(Hz)可調(diào)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(tǒng)代替了體積龐大的YAG激光器，減小了電脈沖產(chǎn)生器的體積，便于電脈沖產(chǎn)生器的攜帶，也大大地降低了其成本和運(yùn)營(yíng)中的維護(hù)價(jià)格。4、激勵(lì)多種類的負(fù)載電脈沖寬度的大范圍可調(diào)節(jié)性，為該脈沖產(chǎn)生器在農(nóng)林領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。植物細(xì)胞和孢子細(xì)胞與哺乳動(dòng)物細(xì)胞差異較大，可以用脈沖寬度較小的脈沖去刺激農(nóng)作物和食用菌類的生長(zhǎng)；用脈沖寬度較長(zhǎng)、電場(chǎng)幅度大的脈沖促進(jìn)動(dòng)物腫瘤細(xì)胞的死亡 (凋亡和壞死)。

[0026]圖1是本實(shí)用新型技術(shù)方案示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說(shuō)明。為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖1所示，來(lái)自控光信號(hào)的TTL電平控制脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，產(chǎn)生光能可調(diào)的光脈沖；小型化高壓充電電源通過(guò)高壓硅堆給不同的電容儲(chǔ)能；光能和對(duì)應(yīng)的電能匹配使光導(dǎo)開(kāi)關(guān)充分導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電容器的充分放電。整個(gè)流程光電延時(shí)器發(fā)出兩路觸發(fā)信號(hào)，一路稱為充電信號(hào)，另一路TTL信號(hào)稱為控光信號(hào)。充電信號(hào)和控光信號(hào)設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t，使得光導(dǎo)開(kāi)關(guān)處于暗電阻狀態(tài)下的耐壓時(shí)間很短，達(dá)到數(shù)個(gè)微秒，避免熱效應(yīng)導(dǎo)致光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的熱擊穿。充電信號(hào)給小型化高壓充電電源充電，進(jìn)而讓儲(chǔ)能電容(C1、C2、C3、C4)儲(chǔ)存不同的電能供光導(dǎo)開(kāi)關(guān)釋放到負(fù)載。控光信號(hào)啟動(dòng)脈沖二極管發(fā)光電路，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的電流和脈寬，從而改變脈沖二極管的輸出光能。光導(dǎo)開(kāi)關(guān)受到不同激光功率的作用，將儲(chǔ)存在與激光功率對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電容中的電能釋放給負(fù)載，形成脈沖寬度可調(diào)的高壓納秒脈沖，提供給各種負(fù)載(軍用的超寬帶天線、醫(yī)用的腫瘤細(xì)胞和組織以及農(nóng)林領(lǐng)域的孢子懸液和草本植物懸液)。高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器的電壓幅度還可以通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)電源的輸入電壓而調(diào)節(jié)以最大限度地提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命。脈沖的重復(fù)頻率由光電延時(shí)器控制，控制腫瘤細(xì)胞的溫度升高，研究細(xì)胞的電脈沖內(nèi)處理效應(yīng)，促使腫瘤細(xì)胞的凋亡以及促進(jìn)植物細(xì)胞和孢子細(xì)胞的生長(zhǎng)效應(yīng)。由于脈沖激光二極管系統(tǒng)代替了 YAG激光系統(tǒng)，整個(gè)激光系統(tǒng)體積小，光能可靈活調(diào)節(jié)，從而降低了整個(gè)電脈沖產(chǎn)生器的體積、重量和成本。保持脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的脈寬不變，改變調(diào)整電路的驅(qū)動(dòng)電流，從而改變脈沖二極管的功率；保持電路的驅(qū)動(dòng)電流不變，調(diào)整脈寬從而調(diào)整輸出光能的大小。由于激光部分的光能和電容器的儲(chǔ)能配合，GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)在放電后的電場(chǎng)小于 3.4kV/cm(低于GaAs的負(fù)微分閾值電場(chǎng))，延長(zhǎng)了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)壽命，提高了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的利用率。由于負(fù)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(fù)頻率應(yīng)該具有可調(diào)節(jié)性，本高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)了大范圍參數(shù)可調(diào)的目標(biāo)，從而可將不同要求的脈沖作用于不同的負(fù)載。將超寬帶電脈沖信號(hào)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(dá)發(fā)射機(jī)，配合接受的反射信號(hào)裝置，捕捉隱身飛行物?？蓪?qiáng)電場(chǎng)、脈沖寬度較長(zhǎng)的電脈沖作用于腫瘤細(xì)胞或者組織，促進(jìn)它們的凋亡，減小腫瘤治療的副作用。將弱電場(chǎng)、短脈沖寬度的電脈沖作用植物細(xì)胞和孢子細(xì)胞，刺激它們的生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物和食用菌的產(chǎn)量。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于該高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器包括光電延時(shí)器子系統(tǒng)、脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、高壓充電電源子系統(tǒng)、電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電子系統(tǒng)和負(fù)載應(yīng)用子系統(tǒng)，其中所述脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中的激光脈沖二極管與所述電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)中的核心器件光導(dǎo)開(kāi)關(guān)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于所述光電延時(shí)器子系統(tǒng)由重復(fù)頻率控制按鈕、555定時(shí)器、延時(shí)調(diào)節(jié)按鈕、電信號(hào)放大電路組成，用于分別為小型化高壓充電電源提供延時(shí)的充電信號(hào)和為脈沖發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路提供觸發(fā)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于所述高壓充電電源子系統(tǒng)由自耦變壓器、整流電路、IRF460開(kāi)關(guān)管、回掃變壓器組成；其中所述回掃變壓器用于將其儲(chǔ)存磁能在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)化為電容器儲(chǔ)存的電能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于所述脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)由調(diào)整電路、脈沖二極管驅(qū)動(dòng)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(diào)節(jié)的激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于所述電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)包括電容儲(chǔ)能裝置與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電裝置，所述電容儲(chǔ)能裝置與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電裝置由開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)能電容的系列組合、高壓硅堆和核心器件光導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成，用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的放電。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的參數(shù)可調(diào)高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器，其特征在于該高壓納秒電脈沖產(chǎn)生器包括光電延時(shí)器子系統(tǒng)、脈沖二極管光功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、高壓充電電源子系統(tǒng)、電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)與光導(dǎo)開(kāi)關(guān)放電子系統(tǒng)和負(fù)載應(yīng)用子系統(tǒng)，其中所述脈沖二極管光功率通過(guò)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中的激光脈沖二極管與所述電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)中的核心器件光導(dǎo)開(kāi)關(guān)相連接。本實(shí)用新型有益效果是提高光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的充分導(dǎo)通和電容器的充分放電降低了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)光照后的剩余電場(chǎng)，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)無(wú)光時(shí)不會(huì)由于GaAs的負(fù)微分效應(yīng)而導(dǎo)致二次導(dǎo)通，降低了光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的熱擊穿幾率，從而將GaAs光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的壽命從數(shù)十次提高到數(shù)百萬(wàn)次。
文檔編號(hào)H03K3/011GK202127386SQ20112021395
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者吳明和 申請(qǐng)人:吳明和