多组多路输出100 kV快前沿电脉冲触发系统

 在多路并联运行的电容储能型脉冲功率源中,为实现初级储能气体开关和脉冲形成主开关的同步,需要多组延时可调、每组多路输出的快前沿高电压脉冲来分别触发,为此研制了一套快响应低抖动100 kV快前沿电脉冲触发系统。该系统由同步机DG535和多组电脉冲放大单元组成,各组放大单元输出脉冲的延迟时间可调,延时步长由DG535设定,每组最短延时时间约为305 ns,抖动2 ns,可同时输出多路触发脉冲,在高阻负载上幅值可达180 kV,当输出信号为4路时,上升时间10 ns,当输出信号为8路时,上升时间15 ns。     

基于FPGA与ARM的多路时序控制系统设计与实现

介绍了基于FPGA与ARM7的多通道、多时间范围的同步时序控制系统,采用FPGA实现20路高精度的信号延时输出控制,通过ARM7的数据总线接口实现了ARM与FPGA的数据交互;重点介绍了系统的硬件电路设计、ARM与FPGA总线的设计和FPGA内部程序模块的设计;各通道的输出信号类型与延时时间等参数均可以通过人机接口现场配置,也可以通过上位机软件来配置;该设计可以保证各通道信号通过外触发信号为基准来进行延时输出,系统的延时时间精度小于2μs;ARM7处理器芯片采用PHILIPS公司的LPC2214,FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240;采用硬件描述语言Verilog HDL来设计延时模块,延时精度达到1μs;该系统在靶场测试中验证了其正确性和有效性。     

多路激光装置同步技术研究

 多路激光装置同步系统包括精密同步机和数字同步机两种单元技术,它们具有四路延时脉冲（A、B、C、D）和一路标准时钟脉冲（T₀）输出,精密同步机延时同步精度为10ps, 最大触发晃动小于10ps,延时范围200ns;数字同步机：延时同步精度为5ps, 最大触发晃动小于200ps,延时范围10ms。     

高精度组合脉冲激光时序控制系统设计

在激光等离子体机理的研究中,为实现灵活的界面配置和多路脉冲激光器高精度的时序延时,设计了一种基于微控制器STM32和FPGA的多路时序延时控制系统。重点介绍了基于FPGA的多路ns级时序信号和基于ucGUI的触摸屏界面的设计。另外,采用高速光电隔离技术和高速FET开关电路技术,对驱动电路进行了设计,缩短了输出脉冲上升沿的时间,提高了系统延时精度、驱动能力和抗干扰性能。测试结果表明,该设计每路延时可调,调节范围为5 ns~10 ms,最小可调步进为5 ns,延时误差小于1 ns。     

DPF-300脉冲X射线源同步触发系统研制

 DPF-300脉冲X射线源的同步触发系统采用三级触发：第一级由初级脉冲产生器触发氢闸流管;第二级由氢闸流管输出脉冲触发多路触发开关;第三级由多路触发开关和触发箱组成,触发主放电场畸变开关。该触发系统中多路触发开关产生负极性脉冲信号,通过耦合电容,到达开关的触发脉冲上升沿,约为40 ns,脉冲半高宽约60 ns,上升陡度大于0.67 kV/ns。能够同时触发40个同轴型场畸变开关,电压工作范围20～40 kV,不同发次触发箱输出的触发脉冲信号时间分散性小于4 ns,同一发次不同开关的放电时间分散性小于20 ns。在工作电压20 kV,主放电开关充0.115 MPa氮气时,整机负载电流达到约1 MA。     

基于现场可编程门阵列的加速器同步控制器设计

针对加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ的控制中对于同步触发信号的要求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度同步控制器,它能为加速器设备提供同步工作所需的脉冲信号。控制器采用粗延时结合精延时的方式,FPGA实现粗延时,专用延时芯片实现精延时,提高了延时精度,同时增大了延时、脉宽及周期的调节范围。测试结果表明,该控制器输出脉冲的最小延时步距为0.25ns,延时、脉宽及周期调节范围为1μs~2s,周期抖动的标准偏差为70ps。该控制器输出信号满足要求,程序界面操作简便,通过串口RS-422远程控制稳定可靠。     

5kHz重复频率氢闸流管触发系统设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的VE4141氢闸流管的触发要求,设计了输出频率达到5kHz的氢闸流管触发系统,可以接收光信号和电压信号触发。采用快前沿MOSFET开关产生两路触发脉冲,一路为预触发脉冲,一路为主触发脉冲。预触发脉冲的输出幅度为500~1000V,主触发脉冲的幅度为1000~2000V,两路脉冲之间延时500ns可调。该触发器可通过部分改动应用于其他的大功率开关器件的触发系统。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

 建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

激光触发变压器型螺旋脉冲调制器的同步控制

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量,并分析其相互间时序关系;通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后,利用比较器输出逻辑门电路（TTL）信号作为激光器Q开关触发信号,实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究,在形成线充电电压-590 kV时,在假负载上得到-305 kV,20 kA的电脉冲,脉冲宽度126 ns,激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。     

三脉冲功率系统模块

采用基于并联Blumlein脉冲形成线的MHz重复频率脉冲功率技术和基于激光触发气体开关的多级触发系统,设计了脉冲功率系统模块,该模块具备6路输出能力,每路均可以MHz重复频率猝发方式输出三脉冲,幅度可达300 kV。对模块中的Blumlein装置、脉冲汇流、隔离网络、触发系统等部件参数进行了设计。以多脉冲直线感应加速器感应腔作为负载,对该模块的性能进行了分析,结果表明:模块中每个脉冲的输出时间抖动小于2.3 ns（标准差）,脉冲间最小时间间隔大于500 ns时可在负载上获得高品质波形。     

BEPCII直线加速器数字延时触发器的设计与实现

针对北京正负电子对撞机II期(BEPC II)直线加速器升级改造过程中束流位置探测器(BPM)电子学对外部触发信号的需求,设计了一台高精度延时控制、上升时间短和参数灵活调节的数字延时触发器。采用FPGA(现场可编程门阵列)作为主控制器展开设计,重点介绍了基于FPGA的边沿检测模块和多通道延时处理模块的设计与仿真,描述了FPGA和驱动电路的设计方案以及在直线加速器上的应用。经测试,延时可调范围4 ns^4μs,最小步进4 ns,步进误差0.125%;上升时间2 ns,延时抖动135.4 ps。     

基于FPGA的高速电光选通系统设计

介绍了一种获取高速调制电信号的新方法－基于FPGA的高速电光选通系统.此系统分为选通脉冲和高压调控两个模块.选通脉冲模块由高速信号放大、FPGA延时、可控延迟传输线三个部分组成.利用FPGA高密度、高可靠性、可反复擦写和可以现场编程、灵活调制的特点,将整个系统的主要控制部分集成在FPGA中,并将延时分为数字延时和模拟延时两部分.然后利用FPGA实现数字延时,可控延时线实现模拟延时.经试验检测,高压部分可以产生重复频率1 Hz~1 kHz,步进1 Hz,延时范围为0~1 μs,步进为1 ns,幅度为8 000 V,前沿和后沿小于10 ns,抖动小于1 ns的高压矩形电脉冲,从而满足各种电光调制系统中的需要.     

基于原始波形测量的脉冲电场探测器

介绍了脉冲电场微分测量和原始波形测量的基本原理,设计研制了一系列不同灵敏度的脉冲电场原始波形测量系统,分析了脉冲电场探测器的理论修正模型。该测量系统主要包括天线模块、积分器模块、放大和驱动模块以及光电传输模块,利用同轴型TEM小室对测量系统进行了时域标定。结果表明:测量系统的前沿响应时间小于1.0 ns,系统输出脉冲平顶在10.0μs内下降不超过5%,测量系统输出幅度与电场强度在20 dB的动态范围内呈线性关系,该系列探测器可以用来测量最小10 V/m、最大100 kV/m的电场强度,满足高空电磁脉冲标准环境的测量要求。     

基于FPGA的高强度聚焦超声相位控制系统设计*

多阵元相控阵换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势,近来受到众多研究者的关注,其相位控制系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。在输出信号稳定的同时提高高强度聚焦超声相位控制系统精度是设计过程中的重点与难点。本文基于现场可编程门阵列设计了一种高强度聚焦超声相位控制系统。实测结果表明,多通道延时分辨率为1 ns,延时误差小于1 ns,可满足多阵元高强度聚焦超声治疗相控聚焦换能器延时精度的需要。     

具有独立延时功能的脉冲序列发生器

在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）系统中,谱仪是中心控制单元,其脉冲序列发生器输出的多通道指令分别控制各硬件部件协调工作,从而采集数据并重建图像,各硬件部件之间的相对延时会影响磁共振图像的质量或导致系统无法采集到图像.为了解决这一问题,本文设计了每个输出通道均具有可调延时功能的脉冲序列发生器,每一路通道的最大延时值为819 μs,延时步进值为50 ns,可实现对相对延时的精确补偿.由于延时功能是通过在脉冲序列发生器每个输出通道上添加独立延时电路实现的,因此具有结构简单,灵活性高的优点.     

双极性直线型变压器驱动源的研制

针对双极性脉冲电压介质阻挡放电（DBD）的应用需求,提出了一种基于直线型变压器驱动源（LTD）的全固态双极性纳秒脉冲形成拓扑。脉冲产生期间各开关的驱动电路均可靠共地极大降低了高低压隔离需求,因此与传统单极性LTD一样理论上可实现脉冲子模块的无限制叠加以获得更高电压的双极性脉冲输出。各脉冲子模块上集成数量相等但具有相反电压极性的储能电容,使隔离磁心的励磁电流在不同脉冲极性下正负交变,有效提高了磁心的利用率,不再需要设置专门的磁通复位电路。最后研制了一套模块化紧凑型双极性LTD原理验证样机,可输出脉冲参数为:电压幅值0～±2 kV,脉冲电流80 A,脉冲宽度50～200 ns,所有脉冲参数可通过上位机灵活可调,通过增加LTD子模块数量可获得更高的脉冲电压。     

气体开关抖动对输出峰值功率和前沿的影响

根据已有的实验数据和理论,给出了抖动和延时的数值表示,利用Matlab软件生成随机数组模拟开关延时和抖动。在Simulink环境下建立简化模型仿真多子块并联直线型变压器驱动源（LTD）模块的工作特性。通过M文件控制模块内多个开关的击穿时序仿真开关抖动,分析开关抖动对40个支路并联输出电流1 MA、上升时间100 ns的LTD模块输出功率峰值及前沿的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着抖动增大,LTD模块输出功率峰值减小,脉冲前沿显著增加,系统的稳定性随抖动增加而降低。随着开关抖动增大,输出到负载的峰值功率减小的速率增大,而脉冲前沿近似于线性增加。由于开关抖动将影响负载输出,为满足一定的系统可靠性要求,存在一个抖动阈值,对于40个子块并联的1 MA LTD模块,在系统可靠性要求5%时,其抖动阈值约为17 ns。     

基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

 设计了基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10 Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。