新型高效率微带型光导开关脉冲产生器输出特性的研究

介绍了一种新型的高效率微带型光导开关超短电脉冲产生器结构。从理论上研究了这种产生器在高偏压工作的情况下，超短光脉冲和光导开关参量对输出电脉冲特性的影响，并给出了实验结果。     

玻璃陶瓷Blumlein线的传输特性

研究了以不同电极宽度的玻璃陶瓷平板传输线所搭建的Blumlein线传输特性。为获得高压快脉冲输出,实验采用了正失配负载以及通过激光二极管触发的高工作场强光导开关。在几种不同电极宽度的平板Blumlein脉冲形成线实验中获得了具有平顶的脉宽9ns的高压脉冲,脉冲幅值可达20kV以上;由于开关偏置电压较低,导致开关内阻变大,输出效率变低。     

用于高功率激光脉冲整形的可编程任意波形电脉冲发生器

研制了一种基于GaAs场效应管与超快脉冲信号微带传输的可编程任意波形发生器.它由计算机控制的多路高准确度偏置电压，多个级联的GaAs场效应管基元电路，以及微带脉冲传输线组成．输出电脉冲波形导入LiNbO3集成光波导调制器，经过电光调制获得相应的激光脉冲波形．通过计算机设置各基d元电路中GaAs场效应管栅极偏压，进而控制整形电脉冲的形状，使高功率激光装置前端时域脉冲整形实现远程控制．     

一种多组电极的高功率多脉冲气体开关

 设计了一个有3组电极的开关，给出了开关的结构，分析了多组电极共存的可行性和开关内的电场，利用通用电路模拟软件对通过开关的电流进行了计算。此开关在单组电极导通时，耐电压约为50kV，电流100kA以上，电流脉宽约20μs；在间隔1ms，脉宽为μs级的预触发脉冲触发下，开关能在电感负载中产生间隔为1ms的3个电脉冲，实验测得平均峰值电压约38kV，电流约100kA，脉宽约20μs。     

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8 ,电长度32.6 ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4 mJ,工作场强25.1 kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89 ;在触发激光能量3.5 mJ时,为了使阻抗为7.8 的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1 kV/cm,相应最小导通电阻2.88 。     

一种用于电光开关的高速、高压电脉冲的产生

介绍了一种用于电光开关驱动源的高压超快电脉冲产生技术;电路采用级联的雪崩晶体管串和微波传输线结构,输出阻抗50Ω;在50Ω负载情况下,获得脉冲下降时间为1ns、幅度达到5kV、峰值电压为6.4 kV、幅度和半宽度稳定性优于2％、触发晃动为±15ps、触发延时为30 ns,脉冲峰值电流为128 A的高压高速大电流脉冲.     

大功率激光脉冲二极管触发高增益光导开关实验研究

研究了一种新型大功率激光脉冲二极管的输出特性,该激光二极管主要用于触发工作在高增益模式下的砷化镓光导开关。研制了基于射频金属-氧化物半导体场效应管的激光二极管驱动电路,可以为激光二极管提供上升沿、半高宽和峰值电流分别为4 ns,20 ns和130 A的脉冲驱动电流。研究了激光二极管输出的激光脉冲波形、能量、功率、光场分布等特性,并在Blumlein传输线结构中,研究了该大功率激光脉冲二极管的输出特性对工作于高增益模式下的光导开关的导通电阻、开关抖动等主要导通性能参数的影响规律。实验结果表明,激光脉冲的能量和功率越大,光斑面积越大、分布越均匀,在相同偏置电压条件下,光导开关的导通性能越好。     

非线性光导开关的实验研究

本文简要介绍非线性光导开关的工作原理,重点报道作者对非线性光导开关输出特性的实验研究.比较了光导开关线性和非线性工作的输出特性,给出了非线性光导开关的输出电脉冲波形,研究了影响非线性光导开关输出电脉冲上升时间、延迟时间的因素,测得了偏压阈值与激励光脉冲能量阈值的关系,指出利用非线性光导开关研制成一种全新的、固态化的高压、高功率超短电脉冲产生器的可能性.     

光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计

为了驱动重复频率运行高阻抗X光管,设计了基于光导开关的级联Blumlein型脉冲形成网络。采用数值模拟方法优化网络参数,从网络充电电压一致性、输出脉冲波形畸变、电压叠加效率、负载预脉冲幅值出发确定了充电电感和支撑电感设计原则。实验表明:光导开关工作场强23.2 kV/cm,激光触发能量3.5 mJ时,阻抗约15.6 的Blumlein型脉冲形成网络电压转换效率为0.71,2级级联网络电压叠加效率0.96。     

整形高功率激光装置的任意电脉冲发生器设计(英文)

基于GaAs场效应管电压控制电流和开关的特性,设计了一种任意电脉冲发生器,并成功应用于激光脉冲整形装置。该电脉冲发生器利用超宽带窄脉冲触发多个GaAs场效应管,产生多路负脉冲,通过模拟延时线依次将各路负脉冲延迟一定时间后经微带线耦合输出多路负脉冲叠加的波形;通过多路不同幅度的脉冲堆积效应来获得形状任意可调的整形电脉冲。为了满足惯性约束聚变(ICF)实验中对电脉冲幅度不能过小的要求,在电路的输出端接入增益可调的超宽带电压放大器,使脉冲幅度达到实验要求。利用设计的任意电脉冲发生器实现了脉冲幅度0～5 V可调、脉宽0～10ns可调、时域调节精度为330 ps,整形方波脉冲下降沿为330 ps、上升沿为240 ps。实验结果表明,将产生的电脉冲注入光波导调制器,可获得理想形状的整形激光脉冲,提高激光脉冲的输出能量。     

光脉冲对光导开关非线性导通性能的影响

设计了异面结构的GaAs光导开关,开关厚度为0.6mm,电极间隙为3mm。利用半导体激光二极管对开关进行了触发实验。随着开关两端偏置电压不断升高,开关输出脉冲幅度线性增加,输出波形与光脉冲相似,当偏置电压超过一定阈值,开关输出脉冲幅度显著增强,输出脉冲前沿快于光脉冲,开关进入了非线性工作模式。开关进入非线性模式,除了与偏置电压有关外,还与触发光脉冲前沿、能量有关,实验发现触发光脉冲前沿越快,能量越高,开关越容易进入非线性工作模式,所需的偏置电压也越低,但当电压低至某一阈值时(实验中约6kV),即使增加触发光能,开关也无法进入非线性模式。     

GaAs与InP半导体光导开关特性实验研究

利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)及其掺杂材料制作的光导开关具有很好的时间响应及高功率输出特性.比较了这两种材料制作的不同电极间隙类型的光导开关的开关时间响应速度、导通光能与饱和触发激光能量、线性与非线性工作模式及触发稳定性等特性.结果表明,利用InP和GaAs两种材料制作的光导开关都具有达到皮秒级的超快时间响应,其对时间最佳响应与偏置电场有关.两种开关的多次触发时间抖动在几个皮秒范围,输出电压峰峰值抖动优于10%.GaAs开关的非线性工作电场阈值比InP开关低,更容易实现非线性输出.     

光导开关非线性导通时的载流子累加效应

利用半导体激光器作为触发源,对砷化镓光导开关进行了实验研究,重点研究了载流子累加效应对开关输出特性的影响。实验结果表明,光导开关的导通机制与内部载流子数的多少直接相关,当开关中的载流子数积累到雪崩碰撞电离条件,开关就会发生非线性导通。采用低能量光脉冲序列触发光导开关,获得了高功率输出,降低了开关非线性导通时的触发光能和偏置电压,对于光导开关的应用具有重要意义。     

小间隙异面电极结构的光导开关

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓（GaAs）光导开关,电极间隙5 mm,偏置电压为15~22 kV脉冲高压,工作在非线性（高增益）模式,由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm,脉冲宽度（FWHM）约20 ns,前沿约3.1 ns,抖动小于200 ps,峰值功率约90 W。实验结果表明:光导开关的偏置电压较低时,开关寿命较长,导通性能较差;偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时,开关导通性能较好,寿命较短。     

线性模式下GaAs光电导开关的时间抖动特性

针对线性模式下GaAs光电导开关时间抖动特性的研究,对提高精密同步控制系统的输出性能具有重要意义.根据电脉冲的概率分布和时间与电脉冲波形的对应关系,结合载流子的输运过程,对光电导开关时间抖动进行了定性的理论推导.此外,通过搭建实验平台,利用正交光栅分光,将一束激光同时触发两路并联的GaAs光电导开关,改变触发激光脉冲宽度及外加偏置电压测试开关时间抖动,根据实验值的对比分析,得出在不同的外加偏置电压下,随着触发激光脉冲宽度的减小,开关时间抖动值随之减小.验证了触发激光脉冲宽度对开关时间抖动的影响及理论分析的正确性.研究结果对GaAs光电导开关时间抖动的进一步减小具有一定的指导意义.     

High Current Operation of a Semi-insulating Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switch Triggering a Spark Gap

A transient peak current as high as 5.6 kA is obtained by a GaAs photoconductive semiconductor switch （PCSS） in series with a spark gap. Based on the characteristics of the GaAs PCSS, mechanisms of discharge between the PCSS and the spark gap are discussed. It is implied that a hybrid operation mode of photo-activated charge domain occurs due to the superposition of the bias voltage and the instantaneous radio frequency voltage.     

50 kV半绝缘GaAs光导开关

 设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关,开关由600 μm厚的半绝缘GaAs晶片制成,电极间隙为20 mm。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm、能量为9.9 mJ的激光脉冲触发使开关导通,开关置于0.2 MPa的SF6气体环境中。在施加直流50 kV电压的情况下,使用Rogowski线圈测得开关的最大导通电流为1.1 kA。对实验结果进行分析表明：随着初始偏置电压的升高,回路流过的电荷与电容初始储存的电荷的比值不断提高,但都没有达到100%,即非线性模式下光导开关的关断原因并不是由于外电路的能量已经耗尽。对非本征光电导的情况,计算出开关的通态电阻为2.71 Ω。     

Research on electrical pulse of 20-kV/30-Hz GaAs photoconductive switches

Photoconductive semiconductor switches (PCSSs) are widely used in high power ultra-wideband source applications and precise synchronization control due to their high power low-jitter high-repetition-frequency. In this letter, a 14-mm gap semi-insulating GaAs PCSS biased under 20 kV is triggered by a 1064-nm laser with a repetition frequency of 30 Hz. Although the trigger condition is greater than the threshold of the lock-on effect, the high gain mode is not observed. The results indicate that the high gain mode of the PCSS is quenched by decreasing the remnant voltage of pulsed energy storage capacitor.     

Analysis of energy conversion in two-mode vibration control using synchronized switch damping approach

The synchronized switch damping (SSD) approaches based on piezoelectric actuators have been successfully used in multimode vibration control of structures. By suppressing voltage inversion at some displacement extrema, the control performance of SSD approaches can be significantly improved. In this study, conversion of energy from mechanical to electrical in two-mode control is analyzed for different amplitude ratios and frequency ratios. The results show that the converted energy in two-mode control with voltage inversion at every extremum is smaller than the sum of the energies of the two modes in single-mode control, but the converted energy of the second mode in two-mode control may exceed that in single-mode control when the amplitude ratio of the second mode to the first mode is small enough. The influence of voltage threshold used to suppress voltage inversion on energy conversion of the system and each individual mode is also investigated. The converted energy of the first mode in two-mode control may be much larger than that in single-mode control when voltage inversion is suppressed suitably. The analytical results can successfully explain the phenomenon in the previous control experiments and can also be extended to multimode control.