高重复率超短脉冲高压源研究

Pulsed power sources are used in particle accelerator field for beam generation, acceleration, kicking beam, injection and extraction, oscillation suppression etc. To a certain extent， the pulsed power source in accelerators for some specialized requirement has been considered as the leading edge of this technology. Although the output amplitude , pulse duration , flatness, repetition frequency , pulse edge are considered as key technical parameters, the rational design of impedance , flexible pulse width adjustment and fine control on waveform shape, working patterns, and high reliability are also critical for accelerator high voltage pulsed power source. To get shorter pulse duration and reducing the pulse edge(to the scale of nanoseconds or sub-nanosecond) , the contradiction will occurs when keeping flatness and rising repetition rate, so we need to break the routine on the original design for power generation, transmission, and pulse forming network etc. , to seek new breakthrough. This project intends to develop a high repetition rate ultra-short pulsed power source with new methods such as combing a nonlinear transmission line with broadband high power solid state power amplifier, compensation the gain and phase for sub-units, taking some broadband microwave circuit design methods. Those will greatly enhance the repetition rate, flatness and controllability.

脉冲功率源的应用覆盖粒子加速器束流产生、加速、踢束、注入引出、振荡抑制等多个环节。针对某些特殊需求发展起来的脉冲功率源所使用的新方法在一定程度上引领了该项技术的发展。除常规技术指标如：输出电压幅度、持续时间、脉冲平整度、重复频率、上升/下降沿的时间等技术参数外，合理的阻抗设计、可灵活调整的脉冲宽度和工作模式、以及高可靠性等指标在加速器的脉冲功率源设计中至关重要。在缩短脉冲持续时间且减小脉冲沿的需求之下（至纳秒或者亚纳秒量级），存在幅度平整度、重复频率提升方面的技术瓶颈，这需要我们从超短脉冲高压产生、传输、波形整形与控制等多个基本环节上打破常规，寻找技术突破口。本项目拟研制的高重复率超短脉冲高压源将采用全新的方法，把非线性传输线与宽带的大功率固态器件结合，控制子单元增益并补偿相位，采用宽带微波线路设计方法大幅度提升短脉冲功率源在重复频率、平整度、波形可调可控方面的技术指标。

近年来，高重复窄脉冲是脉冲功率技术的研究热点之一，其应用覆盖粒子加速器束流产生、加速、注入引出等多个环节，除此之外在环境保护、军事技术以及生物医疗等领域也有着重要应用。本项目的主要研究内容是在缩短脉冲持续时间且减小脉冲沿的需求之下，对脉冲平整度、重复频率提升等方面进行探索。本项目在实际研究当中使用重复频率高、导通速度快、使用寿命长的功率 MOSFET 管作为开关器件，以 FPGA 为逻辑核心设计触发信号发生电路，采用集成驱动芯片搭建驱动电路。通过电路仿真与实验测试相结合的方式，确定了驱动电路、功率回路、放电回路中元器件参数，并在输出电压幅度、脉冲平顶、重复频率、上升/下降沿的时间等技术参数上进行优化。在设计PCB时，脉冲信号走线采用了宽带微波线路设计的方法，对PCB叠层，走线宽度、阻抗等参数进行了仿真，保证了信号完整性与高压脉冲波形的平坦度。最终设计完成的脉冲发生装置经测试可以在100Ω电阻负载上实现重复频率为1MHz，脉宽50ns~200ns，前后沿 20ns 的脉冲电压波形。本项目在研究当中对超短脉冲高压的产生、传输、波形形成和控制等环节进行深入研究，对影响高重复频率超短脉冲功率波形品质与稳定性的因素进行详细的试验分析, 可以为高重复频率超短冲高压源的性能提升以及脉冲功率源技术发展提供借鉴，推动国内高重复频率的超短脉冲功率技术发展，同时还可以实现该类产品的国产化。