[发明专利]一种雪崩电脉冲发生器

说明书

本发明是涉及电子学领域的一种雪崩电脉冲发生器，用于为脉冲Nd：YAG激光器加压式调Q提供调Q晶压波形。

从70年代开始，国际电子学领域利用雪崩晶体管实现高压、快前沿脉冲输出。该电路可分为两大类—串联雪崩电路和Marx电路。前者要求较高的直流电源电压，对晶体管参数一致性要求高、但电路结构简单。后者的特点是直流电源电压低，对晶体管参数一致性要求低，寿命长。在对Marx电路以往的研究报导中，特别强调实现快前沿(0.3～2ns)及窄脉宽(10～20ns)波形，输出脉冲电压只要求在1000～3500V之间。文献Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research，A256(1987)529-531 North-Holland，Amsterdam《Fast Solid State High Voltage Pulse Generator》侧重研究Marx电路的速度，得到了前沿2ns、电压2400V的脉冲输出。其输出电压低，且没有考虑脉宽。该类研究结果直接用于提供调Q晶压波形将有如下缺点：其一快前沿高压脉冲难以持续，形不成脉冲平顶，即使有平顶，顶宽只有10～50ns。影响调Q激光输出波形及能量，严重的还可能造成腔内元件损伤。其二脉冲电压太低，会导致激光器谐振腔损耗过大。在现有的Marx电路基础上，强行加大时间常数以展宽脉宽或增加级数以提高输出电压，将导致部分晶体管不触发或寿命降低，严重影响电路的可靠性及寿命。因此该类研究结果不能适用于要求脉冲顶宽100～1000ns、电压4000～5000V、前沿1～4ns的应用。

本发明的目的是避免现有技术中的上述缺点，提供一种雪崩电脉冲发生器，其输出脉冲顶宽100～1000ns、最大顶部过冲10％，平均顶降0.5％、电压300～5000V、前沿1～4ns。主要为脉冲Nd：YAG激光器加压式调Q提供调Q晶压波形。

本发明是一种雪崩电脉冲发生器，由基本Marx电路和助雪崩电路构成(图1)。本电路按输出电压的要求设计成1～15级倍增电路，每级相应元件参数完全相同，级间以虚线隔开，每级基本Marx电路由电阻R₁、R₂、R₄、电容C₂、雪崩晶体管T_n(n＝1～15)构成，助雪崩电路由电阻R₃和电容C₁串联后并联到雪崩晶体管集电极与发射极两端。

1).助雪崩电路：为了解决加大时间常数或增加级数时导致部分晶体管不触发或寿命降低的问题，设计了助雪崩电路，该电路由电阻R₃和电容C₁串联后并联到雪崩晶体管集电极与发射极两端，R₃为0.1～3kΩ，C₁为10～1000pf。该电路的功能是在每级雪崩晶体管放电时提供300mA的集电极电流，对雪崩过程起着诱发和延续的作用，该电路也决定了脉冲顶宽及脉宽。

2).基本Marx电路雪崩放电电阻R₄阻值的设计：为了使脉冲顶宽100～1000ns，要求R₄、C₂构成的放电回路时间常数τ(＝R₄·C₂)～1000us，同时为了减少雪崩放电过程中电流对T_n冲击，提高T_n的寿命，R₄设计在10～500kΩ之间，较佳为100kΩ，C₂设计在2000pf～2μf之间。

3).助雪崩电路中分布电容、电感的影响：仅有上述电路还不足以保证雪崩发生的可靠性和输出波形前沿的速度(1～4ns)。在制作印刷线路板时必须考虑分布电容、电感的影响。每级中每一放电回路所包含的面积为＜1cm²，以减小分布电感的影响。每级印刷线路铜箔覆盖的面积为1cm²，以调整分布电容的影响。

本发明一种雪崩电脉冲发生器，其输出脉冲顶宽100～1000ns、最大顶部过冲10％，平均顶降0.5％、电压300～5000V、前沿1～4ns，具有长寿命、电路简单、结构紧凑等特点。典型输出参数如例所示。用于Nd：YAG激光器加压式调Q，得到了激光脉宽8～15ns、单脉冲能量300mj、能量稳定度±2％的调Q激光输出。