Генератор мощных наносекундных импульсов

 

Изобретение относится к области мощной импульсной техники и может быть использовано в системах питания мощных лазеров, в видеоимпульсной радиолокации и т.д. Оно решает задачу увеличения быстродействия генератора мощных наносекундных импульсов за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержит дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления (9), нагрузку (8) и две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ (2.5), конденсатор (4,5) и индуктивный накопитель энергии (6.7), дополнительный диод (1), причем площадь р-n-перехода дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления (S₁), толщина его базы (w) и соотношение индуктивностей индуктивных накопителей энергии (L₁ и L₂) удовлетворяют следующим выражениям: S₁≥ S₂N₂/N₁; L₁L₂/L₁+L₂≥ E³ε²/3q³N³₁V³_s-S₁; w≅ E-ε/q-N₁. где N₁ - концентрация легирующей примеси в базе дрейфового диода с резким восстановлением; S₂, N₂ - площадь р-n-перехода и концентрация примеси в базе дополнительного диода; ε, E, V_s -диэлектрическая проницаемость, пороговая напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация, и насыщенная скорость носителей тока в материале, из которого выполнен дрейфовый диод с резким восстановлением, соответственно; q - заряд электрона. 1 з. п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к области мощной импульсной техники и может быть использовано для повышения быстродействия систем питания мощных лазеров, в видеоимпульсной радиолокации и т.д. Целью изобретения является увеличение быстродействия генератора за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого генератора, где 1 дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления (ДДРВ), 2,3 первый и второй ключи, соответственно; 4,5 первый и второй конденсаторы, соответственно; 6,7 первый и второй ИНЭ, соответственно; 8 нагрузка; 9 - дополнительный диод, 10 дополнительный конденсатор, 11 источник настоянного тока; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений: 1 на ДДРВ, 2 - на нагрузке 8. Генератор работает следующим образом. В исходном состоянии ключи 2 и 3 разомкнуты, конденсаторы 4 и 5 заряжены до напряжения источника постоянного тока U_о, причем, полярность напряжения на обкладках конденсаторов такова, что конденсатор 4 в дальнейшем обеспечивает протекание через ДДРВ 1 прямого тока, а конденсатор 5 обратного тока (или наоборот). В момент времени t_o замыкается ключ 2 и в LC-контуре из элементов 1,2,4,6 протекает ток в прямом для ДДРВ 1 направлении. Таким образом осуществляется "накачка" неравновесных носителей в базу ДДРВ 1. В момент времени t₁, задержанный относительно t_o на Т/2 (где Т период колебаний LC-контура из элементов 1,2,4,6), замыкается ключ 3, обеспечивая протекание в LC- контуре из элементов 1,5,3,7 тока в обратном для ДДРВ 1 направлении. При равенстве индуктивностей ИНЭ 6 и 7 и равенстве емкостей конденсаторов 4 и 5 первая полуволна тока в LC-контуре (1,2,4,6) находится в фазе со второй полуволной тока в LC-контуре (1,5,3,7). Следовательно ток обратной полярности в ДДРВ 1 равен сумме токов этих двух полуволн. Физические процессы в ДДРВ таковы, что, когда заряд, вынесенный из него обратным током, становится равным заряду, внесенному прямым током, происходит восстановление обратного сопротивления ДДРВ 1, и обрыв тока через него. При равенстве индуктивностей 6 и 7, а также емкостей 4 и 5 обрыв тока через ДДРВ 1 произойдет в момент времени t₂ 3/4Т, когда ток через него максимален. Пока t_o < t < t₂ падение напряжения на ДДРВ 1 мало (1-2 В). При t > t₂ оно возрастает до величины (где - скорость уменьшения тока через ДДРВ 1). По мере нарастания напряжения на ДДРВ 1 увеличивается и обратное напряжение на дополнительном диоде 9. Диод 9 в предлагаемом генераторе работает в режиме обострителя переднего фронта подаваемого на него импульса. Пока обратное напряжение на нем меньше напряжения пробоя р-n- перехода, ток через него не протекает. При заметном превышении напряжения пробоя в области р-n-перехода происходит возбуждение волны ударной ионизации (ВУИ), пробегающей затем через базу диода. В результате этого база диода заполняется электронно-дырочной плазмой, и диод 9 переходит в проводящее состояние. Падение напряжения на нем резко уменьшается. Одновременно с этим происходит рост тока и напряжения на нагрузке 8. По мере спада напряжения на ДДРВ 1 уменьшается и напряжение на нагрузке 8. Таким образом формируется выходной импульс генератора. Отметим, что для того, чтобы произошло возбуждение ВУИ в диоде 9, необходимо, чтобы обратное напряжение на нем на короткое время заметно превысило его напряжение пробоя U_пр. Напряжение же на ДДРВ 1 не должно превышать его напряжение пробоя, иначе генератор выйдет из строя. Разрешить это противоречие можно, если ДДРВ 1 и дополнительный диод 9 выполнены таким образом, что напряжение пробоя ДДРВ 1 больше, чем напряжение пробоя дополнительного диода 9, например, они изготовлены из разных материалов или имеют разную концентрацию примеси в базе. В других случаях схема генератора либо должна быть дополнена еще одним источником постоянного смещения, подсоединенным параллельно диоду 9 и нагрузке 8, либо вместо одиночного ДДРВ в качестве выходного размыкающего элемента должны быть использованы n ДДРВ соединенные последовательно, что является традиционным способом при переключении с помощью ДДРВ напряжений, превышающих U_пр. И в том, и в другом случае схема предлагаемого генератора изменится несущественно, а принципы ее работы останутся теми же. Следует отметить также, что предлагаемый генератор может содержать не один дополнительный диод, а m соединенных последовательно дополнительных диодов, что также позволит увеличить амплитуду импульса напряжения, формируемого на нагрузке. При наличии в схеме генератора дополнительного диода 9, работающего в режиме диодного обострителя, время нарастания напряжения на нагрузке 8 определяется временем переключения диода 9. Время переключения диода 9 существенно меньше времени нарастания напряжения на ДДРВ 1, которым определяется время нарастания выходного импульса в прототипе (фиг.2). Так, время нарастания напряжения на ДДРВ 1 определяется временем пролета носителей через базу, и при характерной толщине базы (100-200)·10^-4 см и насыщенной скорости носителей в кремнии 10⁷см/с составляет (1-2)·10^-9 с. Время же переключения диода 9 определяется временем пробега ВУИ через его базу, и как установлено экспериментально, при тех же значениях толщины базы составляет величину порядка 10^-10 с, т.е. на порядок меньше. Следовательно, и время нарастания напряжения на нагрузке 8 на порядок меньше, чем в прототипе. Наличие дополнительного диода 9 в схеме генератора и одновременное выполнение соотношения (1-3) между параметрами диода 9, ДДРВ 1 и ИНЭ 6 и 7 позволяет уменьшить также и время спада напряжения на нагрузке 8 по сравнению с прототипом. В предлагаемом изобретении время спада напряжения определяется постоянной времени RC₁ (С₁ барьерная емкость ДДРВ 1) в отличие от прототипа, в котором длительность спада определяется величиной Величина RC₁ может быть значительно меньше, чем т.к. уменьшение С₁ повышает требования к остальным элементам схемы генератора в меньшей степени, чем уменьшение L₁ и L₂. Для того, чтобы время спада определялось величиной RC₁ к моменту включения диода 9 основная доля энергии, накопленной в ИНЭ 6 и 7, должна быть израсходована на заряд барьерной емкости ДДРВ 1, который происходит при обрыве тока пока напряжение на ДДРВ 1 нарастает, а диод 9 еще заперт. То есть должно быть выполнено условие Q_L > Q_C1, (4) где Q_L энергия, накопленная в ИНЭ 6 и 7; Q_C1 энергия, накопленная в барьерной емкости ДДРВ 1 к моменту включения диода 9. После ряда преобразований условие (4) может быть приведено к виду (5) Если генератор содержит n последовательно включенных выходных ДДРВ 1, то выражение (5) принимает вид
(6)
Как следует из вышесказанного в предлагаемом изобретении ДДРВ 1 является не только размыкающим элементом, но и промежуточным накопителем энергии, которая в дальнейшем расходуется на формирование выходного импульса. Следовательно, потери накопительной энергии непосредственно в самом ДДРВ 1 должны быть малы. Это требование обеспечивается, если толщина базовой области ДДРВ 1 w равна или меньше ширины области объемного заряда в ней w_ooз., т.е. w < w_ooз. Максимальные потери составляют 25% от накопленной энергии. При w < w_ooз эти потери еще меньше. Указанное условие может быть приведено к виду (7)
(7)
Кроме того, должны быть малы потери и в дополнительном диоде 9, который выполняет функции ключа. Основная доля энергии, рассеиваемой в диоде 9, расходуется на заряд барьерной емкости этого диода, пока он находится в запертом состоянии, и в дальнейшем тратится на возбуждение ВУИ в нем. Чтобы эта энергия, а следовательно и потери в диоде 9, составляли не слишком большую часть энергии, накопленной в барьерной емкости ДДРВ 1, должно выполняться условие С₁ > С₂, где C₂ барьерная емкость диода 9. Если ДДРВ 1 и диод 9 выполнены из одного и того же материала, то условие малости потерь в диоде 9 принимает вид (8) или, если генератор содержит n выходных ДДРВ и m дополнительных диодов, вид (9)
В предлагаемом генераторе роль промежуточного накопителя энергии выполняет ДДРВ 1, и времени спада напряжения определяется его барьерной емкостью. Величина времени спада может быть изменена только за счет изменения этой емкости, т. е. изменения площади диода или концентрации примеси в его базе, что не всегда возможно. Для того, чтобы регулировать время спада предлагается использовать дополнительный конденсатор 10, подсоединенный параллельно ДДРВ 1. Дополнительный конденсатор 10 выполняет ту же роль, что и барьерная емкость ДДРВ 1, время же спада напряжения на нагрузке при этом определяется величиной R(C₁ + С), где С емкость дополнительного конденсатора, и за счет изменения С может быть изменено в широких пределах. Таким образом, введение в генератор дополнительного диода и одновременное выполнение соотношений (1 3) между параметрами элементов генератора позволяет использовать ДДРВ 1 одновременно в качестве размыкающего элемента и промежуточного накопителя энергии. В результате оказывается возможным уменьшить время нарастания и спада напряжения на нагрузке, и тем самым увеличить быстродействие генератора. Использование дрейфовых диодов с резким восстановлением обратного сопротивления для размыкания цепей протекания тока известно. Известно также и использование дрейфовых диодов для обострения фронта подаваемых на них импульсов. Однако, сочетание этих двух элементов таким образом, как это сделано в предлагаемом изобретении, при одновременном наложении сформированных выше требований на параметры этих элементов и на величину индуктивностей генератора, впервые позволило использовать ДДРВ 1 одновременно в качестве размыкающего элемента и в качестве промежуточного накопителя энергии для формирования выходного импульса генератора. В результате оказалось возможным уменьшить как время нарастания, так и время спада напряжения на нагрузке, а следовательно, и быстродействие генератора импульсов. Кроме того, известные диоды, выполняющие функции обострителей фронта, традиционно подсоединяют последовательно с выходной шиной генератора с помощью коаксиальной линии передач. При этом до переключения диода половина энергии импульса, подаваемого на вход линии, рассеивается в виде отраженной волны, что увеличивает потери энергии при работе генератора. В предлагаемом изобретении линии передачи не нужна, и практически вся энергия, накопленная в ИНЭ может быть преобразована в энергию выходного импульса. В результате использование предлагаемого изобретения позволяет "сжать" импульс напряжения практически без уменьшения его энергии. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить быстродействие генератора мощных наносекундных импульсов за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке при одновременном увеличении его КПД и мощности формируемого импульса. П р и м е р. При конкретной реализации предлагаемого изобретения в качестве каждого из ключей 2 и 3 использовалась транзисторная сборка из двух транзисторов КТ904 и КТ912, соединенных по схеме Дарлингтона. Частота следования импульсов задавалась схемой управления транзисторных ключей 2 и 3, собранной на пяти микросхемах типа К155 (на фиг.1 не показана), и регулировалась от 100 Гц до 100 кГц. Время задержки замыкания ключа 3 относительно ключа 2 (t₁-t₀) составляло 10^-7 с. Конденсаторы 4 и 5 имели емкости 5·10^-8 Ф. Они заряжались от источника постоянного тока Б5-50 до напряжения 50 В через зарядные элементы, каждый из которых представлял собой последовательно соединенные дроссель (десять витков диаметром 1 см) и мощный быстродействующий диод КД213. Индуктивность дросселей имела величину 10^-4 Гн и была выбрана так, чтобы время заряда конденсаторов 4 и 5 было меньше периода следования импульсов генератора. Зарядные элементы на фиг.1 не показаны, т. к. способ их подключения является традиционным для заряда накопительных конденсаторов в генераторах импульсов. Индуктивности ИНЭ 6 и 7 имели величину 10^-7 Гн, а сопротивление нагрузки 50 Ом. В качестве элемента 1 были использованы три последовательно соединенные ДДРВ (n 3). ДДРВ 1 и дополнительный диод 9 были изготовлены из кремния и имели структуру p^+--n-n^+-- типа. Их параметры имели следующие значения: площадь р-n- переходов ДДРВ S₁ 0,3 см², площадь р-n- переходов диода 9 S₂= 0,05 см², толщина n-базы ДДРВ w 10^-2см, толщина n-базы диода 9 1,5·10^-2см, концентрация примеси в n-базах ДДРВ и диода 9 N₁ N₂ 10¹⁴ см^-3, что обеспечивало напряжение пробоя этих диодов U_пр 1,7·10³ В. Таким образом, генератор, содержащий 3 ДДРВ мог формировать импульсы амплитудой до 5·10³ В (3 U_пр). Для кремния V_s 10⁷ см/с, ε = 10^-12 Ф/см и при указанной величине N₁ Е= 2·10⁵ В/см. Покажем, что при таких значениях параметров элементов генератора условия (6,7,9) выполняются.
10^-8 ≥ 7·10^-9 условие (6) выполнено.
w=10^-2 (см)
10^-2 < 1,3·10^-2 условие (7) выполнено. ,
S₂N₂=5·10^-2·10¹⁴ 5·10¹² (см^-1), 10¹³ > 5·10¹² условие (9) выполнено. Время нарастания напряжения на нагрузке определялось временем переключения дополнительного диода 9. Время спада суммарной барьерной емкостью трех последовательно соединенных выходных ДДРВ 1, которая составляла 5·10^-12 Ф. В результате описанный генератор формировал на нагрузке 8 импульсы амплитудой 4·10³ В временем нарастания напряжения на нагрузке 2·10^-10 с и временем спада 2,5·10^-10 с, т.е. полная длительность импульса составляла 4,5· 10^-10 с. Прототип же при тех значениях параметров его элементов формировал импульсы напряжения амплитудой 1,5·10³ В и длительностью 4·10^-9 с. Таким образом, предлагаемое изобретение позволило по сравнению с прототипом на порядок уменьшить длительность импульсов, формируемых на нагрузке и, следовательно, на порядок увеличить быстродействие генератора. Подключение дополнительного конденсатора 10 параллельно ДДРВ 1 позволяло изменять время спада на нагрузке. Так при емкости конденсатора 10 с 3· 10^-12 Ф, оно составляло 4·10^-10 с, а общая длительность импульса 6·10^-10 с, при с 5·10^-10 с время спада 5·10^-10 с, а общая длительность импульса 7·10^-10 с. Предлагаемый генератор может быть использован для накачки импульсных лазеров, для питания импульсных рентгеновских трубок, в видеоимпульсной радиолокации и т.п.

Формула изобретения

1. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, нагрузку и две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ, конденсатор и индуктивный накопитель энергии, причем указанные цепи и нагрузка подсоединены параллельно упомянутому дрейфовому диоду, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия генератора за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке, генератор содержит дополнительный диод, анод которого соединен с анодом дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления, а катод с нагрузкой, причем площадь р-n-перехода дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления S₁, толщина его базы w и соотношение индуктивностей индуктивных накопителей энергии L₁ и L₂ удовлетворяют следующим выражениям:

где N₁ концентрация легирующей примеси в базе дрейфового диода c резким восстановлением;
S₂, N₂ площадь p-n-перехода и концентрация примеси в базе дополнительного диода соответственно;
ε, E, V_s диэлектрическая проницаемость, пороговая напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация и насыщенная скорость носителей тока в материале, из которого выполнен дрейфовый диод c резким восстановлением соответственно;
q заряд электрона. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью регулирования времени спада напряжения на нагрузке, генератор содержит дополнительный конденсатор, подсоединенный параллельно дрейфовому диоду с резким восстановлением обратного сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---