基于SOS的Marx发生器优化方案

对于容性发生器而言，放电回路的电感是无源器件，能防止能量从电容到负载的快速抽取。如果使用了断路开关，则电感变为储能的有源器件，这种情况下，因为能量在极短的时间内由系统抽取到负载，脉冲功率被放大。所以，使用中间电感储能和断路开关可以提高电容发生器的脉冲功率水平。

Marx发生器功率放大的运行模式在第一个研究SOS效应的实验中实现，断路开关使用的是高压整流二极管堆体。Marx发生器放电电容为0.13μF，断路电压为150kV。SOS由64只Cдл-0.4—1300二极管装配而成，其中包括16个并联支路，每个支路由4只管芯串联。断路开关的正向和反向预充电流分别为25kA和20kA，反向电流注入时间为300～400ns。在此条件下，当电流在100Ω负载上关断时，可产生高达400kV的电压脉冲，半高脉宽为40～60ns。

另一种SOS式样为20个支路并联，每个支路仍为4只管芯串联。在150Ω负载上获得的脉冲高度为420kV，Marx发生器断路电压为150kV；在5.5Ω负载上获得的脉冲高度为160kV，电流上升时间为32ns。

在这个实验中获得了创纪录的关断功率（5GW）和电流上升率（10¹²A／s）。在放电回路电感最小、没有SOS的情况下，Marx发生器直接连接到同样的负载，负载电流上升时间为180ns，脉冲高度为25kA，因此，使用SOS开关可使电流上升率提高7倍。

SOS预充的单回路机制有最简单的技术应用：通过SOS可以分流Marx发生器的输出。选择SOS的二极管型号和数目需要初步实验，因为各种类型的工业用高压整流管堆体的参数略有不同，这决定着SOS效应存在的范围。参数主要包括基区长度、PN结深度（P区长度）、N型Si初始掺杂水平（电阻率）、基区少数载流子的寿命。初步实验是为了确定特定类型二极管在J^＋-t^＋坐标中SOS效应的存在范围。图4-79和图4-80表示了Cдл和Kд105整流管堆体SOS效应存在的范围。

图4-79 Cдл系列二极管正向泵浦电流密度J^＋和电流关断时间t₀随正向泵浦时间t^＋变化的关系

图4-80 Kд105二极管正向泵浦电流密度J^＋和电流关断时间t₀随正向泵浦时间t^＋变化的关系

在不考虑有源损耗的条件下，在SOS效应存在的区域，Marx发生器、预充电路和SOS参数的关系如下

根据SOS效应区域J^＋曲线选择好J^＋和t^＋后，再用已知的单个二极管结构的面积S_d、Marx发生器的参数C_m和U_m，利用式（4-46）得到并联二极管数目n_d。每个支路中串联二极管数目则由单个二极管堆的运行电压和负载的放大电压脉冲决定。通过SOS的最大电压发生在断路模式（大约3U_m），式（4-47）用于计算预充回路的电感L_m，其中W_m为Marx发生器存储的能量。

式（4-47）还表明了使用SOS的集总参数对Marx发生器脉冲锐化的一些基本限制。对于额定的U_m和t^＋值，存储能量W_m受放电回路最小电感限制。W_m增大，L_m不减小则会使t^＋变长（在n_d一定时也会使J＋增大），图4-79的工作点漂移到I区，位于J^＋曲线之上。这个区域电流会在达到最大值之前过早地关断。

前述Marx发生器实验采用ИK-100-0.4电容和基于Cдл二极管的SOS，工作点在过早电流关断的区域。当所形成脉冲的持续时间仅比反向预充时间少许多时，SOS的过早电流关断促使能量完全从发生器传到负载。

如图4-72所设计的SOS双回路泵浦电路包括了断路开关正向预充和反向预充的单独回路，器件的实现技术更为复杂，但正是这种设计使得SOS能更有效的运行。这种运行机制的主要优点如下：分离的回路使得正向泵浦发生器的脉冲功率减小，代价是正向电流减小、脉宽延长；在基区电导调制时，SOS上的正向压降减小，相应的能量损耗也减小，注入电荷的复合损失也相应减小；独立的反向预充回路使得SOS的反向电流注入率可控，在相对正向预充回路独立的情况下获得放大模式。

由于SOS在正向预充时的电流密度减小和电荷损失，我们可以使用引入了实验测得的修正因子的电荷守恒定律，整体上明显地简化了元器件的选取。理想的正向预充和反向预充时间分别为200～800ns和50～200ns，这种情况下反向电流和正向电流的幅值比率为3～10。预充持续时间的下限由回路电感的限定值确定，过长的预充时间会由于深能级的载流子复合导致电荷损失。(www.xing528.com)

电流关断前反向电流密度为几kA／cm²时，在反向预充阶段从SOS抽取的电荷85％～90％来自于正向预充阶段的注入电荷。反向电流密度为10～20kA／cm²时这个值减小到70％～80％。在其他条件相同情况下，增加电流密度导致抽取电荷减小可解释为判断电流在P区高受主浓度区域开始关断的标准，它与在过剩等离子体浓度锋面附近的多数载流子达到饱和速率有关。残留在SOS中的部分电荷在电流开始关断时相应地增加。

基于Marx和Fitch机制的单、双回路泵浦机制的电容发生器作为供电单元使用，将工业用半导体二极管SOS用于纳秒发生器和加速器，发生器输出电压为150～450kV，能量存储方面彼此不同，大小相差3个数量级。

图4-81为一个小尺寸发生器（便携式装置，重10kg，长600mm）的电路和输出电压脉冲的示波器波形。Marx发生器包括通过电感隔离的4个部分，并通过一个晶闸管充电装置进行脉冲式充电，20μs内电压达到18kV。发生器输出参数有电容为0.85nF，电压为70kV，存储能量为2J。脉冲变压器的二次绕组产生的触发脉冲使发生器在充电脉冲终止后自动运行。单回路预充SOS的中间存储电感L_st为2.5μH。当Marx发生器导通，SOS的正向预充脉冲和反向预充脉冲分别持续150ns和80ns，电流在10ns之内关断，导致在180Ω负载上形成电压脉冲，高度为160kV，半高脉宽为10～12ns，关断电流约为1kA。SOS是由88只Kд105二极管装配而成，4个支路并联，每个支路22只二极管串联。正向预充和电流关断前的SOS中的最大电流密度分别为15kA／cm²和12.5kA／cm²。发生器的构建为无油模式，输出单元的元件用一个包含有许多层lavsan（拉芙桑聚酯纤维）膜的可替换的防护罩与管壳隔离，器件的脉冲重复率为50Hz。

图4-81 小尺寸发生器的电路和输出电压脉冲的示波器波形

另一种设计用Fitch发生器（换流LC发生器）作为SOS预充，电路图如图4-82所示。600V下能量开始存储在一个50μF的电容中。当晶闸管V导通时，通过脉冲变压器PT把电压转换到55kV，PT在这个电路中也作为一个开关使用。当放电过程结束后，其磁心达到饱和，有一个极板接地的电容通过PT的二级绕组再次充电，LC发生器的输出电压在5μs内上升到100kV。当LC发生器的电压达到最大值，使用自动触发单元（Automatic Triggering Unit，ATU）作为放电开关，通过存储电感L_st开始对SOS进行预充。在放电开关运行之前，存储在LC发生器中的能量约为6.5J。当SOS关断电流之后，在150Ω的负载上形成高度为200kV、半高脉宽为20ns、能量为4～5J的脉冲。这个SOS发生器与以前的SOS结构类似，但它的二极管并联支路为6个而不是4个。SOS的最大正向电流密度为22kA／cm²，脉冲重复率为50Hz，负载的平均功率上升到250kW。连续运行的时间为3min，随后间隔20min。不包括功率供给单元的发生器尺寸为650mm×300mm×300mm，重量为15kg。高压单元也是用空气绝缘的无油设计。

图4-82 带有Fitch发生器的SOS泵浦电路图

图4-83 电子加速器电路图和SOS的电压电流示波图

a）带有SOS双回路泵浦的电子加速器的电路图

b）SOS电压和电流的示波图（实线代表电压，虚线代表电流）（K和A分别是加速二极管的阴极和阳极）

图4-83为一个更高功率、更大电流的纳秒电子加速器的电路示意图，其输出电压高达450kV。用ИK-100-0.4电容构建的三级Marx发生器在输出电压150kV下可储能1.5kJ。它与以前的发生器一个基本的不同就是在反向电流放大方式下使用的是双回路SOS预充。发生器重300kg，放于一金属支架中，尺寸为1800mm×1000mm×900mm。Marx发生器和支架的电感具有中间电感存储功能，电感的不集中使得发生器和支架中的元器件在正向和反向预充时产生的电压可忽略，这就允许加速器在空气中运行而不需要用油或压缩气体。首先连接正向预充电容C^＋，正向电流注入SOS，经过一个延迟时间t_d（见图4-83b），Marx发生器开启，一个约为正向电流4～5倍的反向电流注入SOS；随后电流在t₀时间内关断，导致在加速器二极管上形成一个高压脉冲，产生电子束。

这个电路中确定输出脉冲功率和过电压系数的主要参数为电容C^＋和延迟时间t_d。C^＋为0.05μf、t_d为0.75t^＋时可得到最大过电压。在过电压系数为3.3～3.5，电流关断时间范围为30～70ns，反向预充时间为200～400ns的情况下关断电流达到45kA，负载的最大电流上升率为2×10¹²A／s，电压脉冲的半高脉宽为25～50ns，上升时间为10～15ns，幅值高达450kV。在二极管上获得了最大能量400keV、电流6kA、半高脉宽为30ns的电子束。SOS包括90个Cдл-0.4-1600二极管，反向电压为160kV，由两个并联堆组成，每个堆有15个并联支路，每个支路由3个二极管串联而成。正向预充和反向预充电流密度分别为1.8kA／cm²和7.5kA／cm²。