纳秒脉冲标定源的研制

论文摘要

作为测量系统时域响应和脉冲传播特性测量的纳秒脉冲发生器,要求重量轻、体积小、脉冲参数可调且波形稳定性高。考虑上述要求,本文设计采用了基于水银开关的电场储能型纳秒脉冲发生器,针对影响发生器输出波形参数的关键因素,主要开展了以下工作:分别从等效电路和波过程角度阐述了发生器的工作原理,推导计算了LCR电路三种瞬态过程对应的波形参数表达式;采用PSpice软件研究了等效电路中杂散参数对输出波形的影响。结果表明,充电回路和负载端分布参数使得前沿和后沿变缓,脉冲顶部和后沿出现较强的过冲;开关分布参数引起矩形脉冲顶部和后沿出现阻尼振荡波形,振荡周期和阻尼系数与分布参数存在对应关系。初步开展了铁电/氧体材料在发生器脉宽调节技术应用的可行性分析,进行了铁氧体材料实验研究。结果表明,铁氧体材料的加入使得脉冲后沿从0.4ns变化至1.4ns,但脉冲前沿和脉宽变化并不明显,原因在于触点和铁氧体环间传输线的影响无法消除。实验数据为后续技术的改进提供了参考。较为深入地研究了水银开关设计原理和等效电路模型,指出开关内部结构不连续性是造成开关分布参数存在的原因。为进一步分析阻尼波形振荡的规律,先后采用电路分析和PSpice软件数值计算的方法对开关等效电路进行了细致研究。结果表明,开关触点处上极靴与常开电极间的分布电感、电容和导通电阻是引起振荡的主要原因。根据理论计算及软件模拟的结果,推导出引起波形阻尼振荡的开关分布电感约为4.7nH、分布电容为2.8pF,阻尼波形振荡周期约为0.7ns,输出前沿时间约为0.2ns。在上述分析计算基础上,实验测试了不同长度和充电电压下发生器输出波形,实验验证了开关输出矩形脉冲存在着高频阻尼振荡,且阻尼振荡规律与理论及数值计算结论基本符合。完成了发生器总体结构参数计算和设计加工,构建了一台重量较轻、结构紧凑的纳秒脉冲发生器。设计了由脉冲衰减器和高速示波器组成的测量系统,系统实时带宽超过4GHz,很好满足了本实验中对亚纳秒前沿脉冲的测量要求;针对脉冲后沿存在的阻尼振荡,设计了吸收式超宽带滤波器用于脉冲波形整形,获得了满意的波形输出。对改进后的发生器的测量结果表明,充电电压1.4kV时,发生器可产生脉宽大于0.6ns的双指数脉冲,脉冲前沿约0.6ns,幅度大于600V,通过改变回路参数,可对输出脉冲宽度和幅度等进行调节。发生器稳定性考核实验表明,输出波形脉冲幅度相对标准差小于2%;输出脉冲脉宽和前沿时间相对标准差小于1%。实验结果表明发生器满足了设计要求,为实际应用奠定了基础。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳秒脉冲技术发展概述
• 1.1.1 纳秒脉冲技术
• 1.1.2 纳秒脉冲产生技术研究现状
• 1.2 发生器应用需求和研究现状分析
• 1.2.1 应用需求的分析
• 1.2.2 目前的纳秒发生器研究现状分析
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 发生器理论分析与数值计算研究
• 2.1 等效电路分析
• 2.1.1 临界阻尼放电
• 2.1.2 过阻尼放电
• 2.1.3 欠阻尼放电
• 2.2 波过程分析
• 2.2.1 负载与形成线阻抗匹配
• 2.2.2 负载与形成线阻抗不匹配
• 2.3 等效电路的数值计算
• 2.3.1 发生器等效电路
• 2.3.2 充电回路分布参数对输出波形的影响
• 2.3.3 开关分布参数对输出波形的影响
• 2.3.4 负载分布参数对输出波形的影响
• 2.4 铁电/氧体材料在脉宽调节应用中的可行性研究
• 2.4.1 铁电/氧体材料的电磁特性
• 2.4.2 铁电/氧体材料用于脉宽调节技术的理论分析
• 2.4.3 铁氧体材料用于调节脉宽的实验
• 2.4.4 实验结果讨论
• 2.5 小结
• 第三章 水银开关特性研究
• 3.1 水银开关的结构和原理
• 3.1.1 N 型同轴水银开关结构
• 3.1.2 水银开关内部电弧放电
• 3.1.3 电弧通道半径
• 3.2 水银开关等效电路分析
• 3.2.1 上部分不连续性的等效电路分析
• 3.2.2 下部分不连续性的等效电路分析
• 3.3 开关分布参数理论及数值计算
• 3.3.1 开关分布电容的计算
• 3.3.2 开关分布电感的计算
• 3.3.3 开关分布参数软件数值计算
• 3.3.4 串联谐振电路对开关等效电路的影响分析
• 3.3.5 开关上升时间
• 3.4 水银开关等效电路的理论分析
• 3.5 水银开关的PSpice 数值计算
• 3.5.1 脉冲形成线储能型脉冲发生器
• 3.5.2 水银开关传递函数的PSpice 数值计算
• 3.6 水银开关参数测试
• 3.6.1 开关输出波形时域测量
• 3.6.2 水银开关传递函数的频域测量
• 3.7 小结
• 第四章 纳秒脉冲发生器设计构建及测试
• 4.1 发生器结构设计及参数计算
• 4.1.1 系统结构具体设计
• 4.1.2 发生器充电回路参数计算
• 4.2 高压脉冲参数测量系统设计及标定
• 4.2.1 高压纳秒脉冲测量系统设计
• 4.2.2 测量系统性能标定
• 4.2.3 测量系统带宽对测量结果影响的讨论
• 4.3 发生器输出参数测量
• 4.4 吸收式超宽带滤波器在发生器中的应用
• 4.4.1 吸收式滤波器的设计及标定
• 4.4.2 吸收式滤波器的在纳秒发生器中的应用
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果