CN208094465U - 一种具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路 - Google Patents
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Abstract
一种具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，属于脉冲高压电路领域。技术方案：包括用于将交流电转直流电的AC‑DC电源，用于输出直流高压的3KVDC高压模块，用于输出高压脉冲的高压MOSFET高速开关，所述AC‑DC电源分别连接所述3KVDC高压模块和MOSFET高速开关，所述3KVDC高压模块和所述高压MOSFET高速开关连接。有益效果是:本实用新型实现了输出脉冲宽度可调、脉冲频率可调、脉冲输出个数可设定的脉冲幅度在0‑3000伏范围内连续调节的高压脉冲，输出脉冲高压和触发信号之间的延时时间固定。输出高压脉冲的上升沿小于100纳秒，脉冲宽度120纳秒至10微秒，从TTL触发信号的到脉冲高压上升沿延时时间固定为128纳秒，输出的脉冲高压从0‑3000伏可调等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于脉冲高压电路领域，尤其涉及一种具有纳秒量级上升沿和下降沿，可以应用于各种需要纳秒至微秒级宽度的脉冲高压场合，包括脉冲离子反射、脉冲离子传输、离子质量选择门、脉冲电子反射的脉冲高压电路。
背景技术
离子通过电子光学***引入飞行时间质谱中，需要施加脉冲高压电场，使这些离子加速并聚焦这些离子，使之飞向离子反射电场或检测器。为了从离子飞行时间上使这些离子有效分离，脉冲电压需要1000-3000伏。
离子在脉冲加速电场中滞留时间仅为一至数个微秒范围内，时间过长会导致离子因空间电荷积累而相互排斥引起空间分布加宽，从而导致离子飞行时间上的分散，使飞行时间质谱的质量分辨严重下降。因此需要一个幅值和宽度可以准确控制的脉冲高压。
这个脉冲高压电场不仅仅用于加速离子飞行，使之获得飞行的初始动能，也是使离子飞行时间聚焦的重要技术手段，即使相同质荷比的离子同时到达检测器，从而有效提高同种离子的信号强度和信噪比，因此高质量的脉冲高压电场是正交加速反射式飞行时间质谱中关键技术之一，不仅需要脉冲高压场具有快速的上升沿和下降沿，还需要脉冲持续期间高压幅值变化很小。脉冲高压的上升沿和幅值的稳定性(脉冲持续期内下降幅度小于10％)是决定正交加速反射式飞行时间质谱的质量分辨率的关键核心，脉冲高压的上升沿越短，脉冲高压的幅值越稳定，越可能获得高分辨的飞行时间质谱。
从离子进入飞行时间质谱到施加脉冲高压加速电场，需要精确的时间控制，脉冲高压提前施加导致离子不能完全进入或不进入加速区，从而导致离子信号减弱或检测不到；施加太晚则离子空间发散加大导致信号分辨降低和减弱。这种时间控制需要在数百纳秒范围内。因此要求脉冲高压的产生时间控制精度在100 纳秒之内，而且其上升沿控制在同样范围内。
这种脉冲高压电场应用于各种线性飞行时间质谱、正交加速反射式飞行时间质谱、等离子耦合飞行时间质谱等中，也可以广泛用于各种需要纳秒至微秒级宽度的脉冲高压的场合，包括脉冲离子传输、离子质量选择门、脉冲电子反射，是一种具有广泛应用前景的专用电源。
目前国内外市场尚未能采购满足上述应用的电源产品，因此，研制纳秒量级上升和下降沿的脉冲高压电路具有重要现实意义。
“一种输出脉冲多参数可调的全固态高压电源”(公开号CN107482944A，公开日2017.12.15)公开了一种输出脉冲多参数可调的全固态高压电源，脉冲宽度和幅值具有较大的可调节范围、能够输出正负脉冲的全固态高压电源，在特定应用场合，可以够替代升压变压器。“一种应用于氢闸流管的高压纳秒脉冲触发器”(公开号CN107257209A，公开日2017.10.17)公开了一种应用于氢闸流管的高压纳秒脉冲触发器，集成了氢闸流管灯丝加热电路，该电路电流可精细地调节，同时隔离数十kV的高压。“一种具有亚微秒量级上升和下降沿的脉冲高压电路”(授权公告号CN 206650599 U，授权公告日2017.11.17)提供了一种用于中子发生器的具有亚微秒量级上升和下降沿的高压幅值可在0-2500伏范围内连续调节的脉冲高压电路，采用半桥驱动斩波电路实现推挽斩波驱动MOSFET导通而形成的脉冲高压，上升沿和下降沿不超过500ns(纳秒)。
实用新型内容
为了获得一种结构简单、能满足各种容性、阻性及感性负载、具有纳秒量级上升和下降沿的幅度、频率和脉宽可通过触发信号调节的脉冲高压电路，本实用新型提出一种具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路。
技术方案如下：
一种具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，包括用于将交流电转直流电的AC-DC电源，用于输出直流高压的3KVDC高压模块，用于输出高压脉冲的高压MOSFET高速开关，所述AC-DC电源分别连接所述3KVDC高压模块和MOSFET高速开关，所述3KVDC高压模块和所述高压MOSFET高速开关连接。
进一步的，所述高压MOSFET高速开关由若干MOSFET管或者IGBT通过串联、并联构成。
进一步的，还包括用于控制交流电通断的交流开关和用于控制直流电通断的直流自锁开关，所述交流开关设置于AC-DC电源电路上，所述直流自锁开关设置于所述AC-DC电源电路和所述3KVDC高压模块之间的电路上。
进一步的，还包括用于对3KVDC高压模块进行电压调节的电压调节模块，所述电压调节模块设置于所述3KVDC高压模块***电路上。
进一步的，还包括用于测量电压的分压式直流电压表，所述分压式直流电压表设置于所述3KVDC高压模块和所述MOSFET高速开关之间的电路上。
进一步的，还包括用于稳定高压直流和负载电压的稳压模块，所述稳压模块设置于所述MOSFET高速开关***电路上。
进一步的，还包括用于滤波的滤波电路模块，所述滤波电路模块设置于所述 AC-DC电源和所述MOSFET高速开关之间的电路上。
进一步的，还包括大功率负载电阻，所述大功率负载电阻设置于所述 MOSFET高速开关***电路上。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路实现了输出脉冲宽度可调、脉冲频率可调、脉冲输出个数可设定的脉冲幅度在0-3000伏范围内连续调节的高压脉冲，输出脉冲高压和触发信号之间的延时时间固定。输出高压脉冲的上升沿小于100纳秒，脉冲宽度120纳秒至10微秒，从TTL触发信号的到脉冲高压上升沿延时时间固定为128纳秒，输出的脉冲高压从0-3000 伏可调等特点。可以应用于各种需要纳秒至微秒级宽度的脉冲高压的场合，如脉冲离子反射、脉冲离子传输、离子质量选择门、脉冲电子反射等场合，是一种具有广泛应用前景的专用电源。
附图说明
图1为本实用新型具有纳秒量级上升和下降沿的脉冲高压电路；
图2为用本实用新型获得的触发信号宽度为120纳秒时脉冲高压感应信号波形图一；
图3为用本实用新型获得的触发信号宽度为120纳秒时脉冲高压感应信号波形图二；
图4为用本实用新型获得的触发信号宽度为600纳秒时脉冲高压感应信号波形图一；
图5为用本实用新型获得的触发信号宽度为600纳秒时脉冲高压感应信号波形图二；
图6为用本实用新型获得的触发信号宽度为5.0微秒时脉冲高压感应信号波形图一；
图7为用本实用新型获得的触发信号宽度为5.0微秒时脉冲高压感应信号波形图二。
具体实施方式
下面结合附图1-7对具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路做进一步说明。
实施例1
一种具有纳秒量级上升和下降沿的脉冲高压电路，包括AC-DC电源，3KVDC 高压模块，高压MOSFET高速开关(HTS)。所述的AC-DC电源用于交流电转直流电，所述3KVDC高压模块输出直流高压，所述高压MOSFET高速开关(HTS)用于输出高压脉冲。
所述的高压MOSFET高速开关(HTS)由大量的MOSFET管通过串联、并联而构成的具有低导通阻抗、高截止阻抗的耐高压快速开关。需要提供直流供电电源和TTL电平的触发信号的开关控制信号。优选地，所述高压MOSFET高速开关(HTS) 可以采用behlke HTS 31-05-C高压开关。
所述高压MOSFET高速开关(HTS)用于输出高压脉冲。输出高压脉冲时，电路中实际上是大电流放电过程，为了尽可能获得平整的脉冲高压方波信号，需要给高压MOSFET高速开关(HTS)提供高容量稳压能力，以满足在给定脉冲宽度的大电流放电，这也使得本实用新型既可以工作在固定脉宽的单脉冲触发模式，也可以工作在脉冲串触发模式(burst模式，单位时间里多脉冲的工作模式)。
输出的高压脉冲上升沿可以达到100纳秒以内，脉冲幅值可以达到3000 伏，最短脉冲宽度达到120纳秒，高压脉冲上升沿和触发信号之间延时时间固定。
实施例2
一种具有纳秒量级上升和下降沿的脉冲高压电路，包括AC-DC电源，3KVDC 高压模块，高压MOSFET高速开关(HTS)。所述的AC-DC电源用于交流电转直流电；所述3KVDC高压模块输出0-3000V直流高压；所述高压MOSFET高速开关(HTS) 用于输出脉冲高压，是由大量的MOSFET或IGBT通过串联、并联，并通过紧凑、低感的布局组成的，具有极高的可靠性和优异的开关性能，同时控制驱动电路和开关电路的全隔离，保证了开关即可以用于高端开关，也可以用于低端开关，还可以用于两个高压开关组成的推挽电路。
本实用新型中直流高压电源3KVDC的0-3000伏高压输出经过高压MOSFET 高速开关(HTS)导通后，要在负载RL两端形成上升沿小于100纳秒的0-3000 伏高压脉冲，必须经过负载RL大电流、快速放电，为给高压MOSFET高速开关(HTS) 提供高压的直流电路提出了很高要求。为防止干扰反馈对TTL触发信号的干扰，需要为触发信号提供滤波(C1)；为了尽可能获得平整的脉冲高压方波信号，需要给高压MOSFET高速开关(HTS)和负载RL提供高容量的稳压能力(C2，C3)，以满足在给定脉冲宽度的大电流放电；这也使得本实用新型既可以工作在固定脉宽的单脉冲触发模式，也可以工作在脉冲串触发模式(burst模式，单位时间里多脉冲的工作模式)。通过控制触发信号的宽度、频率控制高压脉冲的输出时间、宽度。
实施例3
图1中AC-DC为交流电-直流电转换的开关电源模块。K1，K2分别为交流开关和直流自锁开关，分别控制交流电和直流电；3KVDC为0-3000伏直流-直流高压模块；R1为3KVDC模块的电压调节部分；V为分压式直流电压表；C1、C2、C3 分别为TTL触发信号，高压直流和负载电压的稳压、滤波电路；HTS为高压MOSFET 高速开关；RL为大功率负载电阻；Gnd为接地端；Trin为50欧姆TTL电平触发信号输入端；Vp为脉冲高压的同轴输出端(50欧姆传输特性)。
如图2和图3所示，该图为在直流电压为200伏、TTL信号宽度为120纳秒时产生的脉冲高压感应信号波形图。该波形图采用线圈感应式测量法获得(用该方法测量高压脉冲的上升沿和下降沿，会观察到很多震荡信号，这是感应式测量本身带来的，不是真实高压脉冲)。输出的高压脉冲宽度约为140纳秒，上升沿 (半高处)为12纳秒，和TTL触发信号的延时时间为128纳秒。
如图4和图5所示，该图为在直流电压为200伏、TTL信号宽度为600纳秒时产生的脉冲高压感应信号波形图，采用线圈感应式测量法获得。输出的高压脉冲方波宽度约为630纳秒，上升沿(半幅值)为12纳秒，和触发信号延时为128 纳秒。
如图6和图7所示，该图为在直流电压为200伏、TTL信号宽度为5微秒时产生的脉冲高压感应信号波形图，采用线圈感应式测量法获得。输出的高压脉冲方波宽度约为5.024微秒，上升沿(半幅值)为8纳秒，和触发信号延时为128 纳秒，在5.024微秒的高压脉冲内，幅值略有下降(约5％)。适当调节直流稳压参数，可以获得更宽的、下降更平缓的脉冲高压方波。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，包括用于将交流电转直流电的AC-DC电源，用于输出直流高压的3KVDC高压模块，用于输出高压脉冲的高压MOSFET高速开关，所述AC-DC电源分别连接所述3KVDC高压模块和MOSFET高速开关，所述3KVDC高压模块和所述高压MOSFET高速开关连接。
2.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，所述高压MOSFET高速开关由若干MOSFET管或者IGBT通过串联、并联构成。
3.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括用于控制交流电通断的交流开关和用于控制直流电通断的直流自锁开关，所述交流开关设置于AC-DC电源电路上，所述直流自锁开关设置于所述AC-DC电源电路和所述3KVDC高压模块之间的电路上。
4.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括用于对3KVDC高压模块进行电压调节的电压调节模块，所述电压调节模块设置于所述3KVDC高压模块***电路上。
5.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括用于测量电压的分压式直流电压表，所述分压式直流电压表设置于所述3KVDC高压模块和所述MOSFET高速开关之间的电路上。
6.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括用于稳定高压直流和负载电压的稳压模块，所述稳压模块设置于所述MOSFET高速开关***电路上。
7.如权利要求1所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括用于滤波的滤波电路模块，所述滤波电路模块设置于所述AC-DC电源和所述MOSFET高速开关之间的电路上。
8.如权利要求1-7任一项所述的具有纳秒量级上升沿和下降沿的脉冲高压电路，其特征在于，还包括大功率负载电阻，所述大功率负载电阻设置于所述MOSFET高速开关***电路上。
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