諶 怡，王 衛(wèi)，劉 毅，夏連勝，張 篁，朱 雋，石金水，章林文

(中國工程物理研究院流體物理研究所脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽621900)

固態(tài)平板Blumlein線中的GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻實(shí)驗(yàn)

諶 怡，王 衛(wèi)，劉 毅，夏連勝，張 篁，朱 雋，石金水，章林文

(中國工程物理研究院流體物理研究所脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽621900)

為了研制緊湊型脈沖功率系統(tǒng)，開展了基于固態(tài)Blumlein線的GaAs光導(dǎo)開關(guān)(PCSS)導(dǎo)通電阻的初步研究實(shí)驗(yàn)。結(jié)合2mm厚固態(tài)平板Blumlein線，利用高功率脈沖激光二極管觸發(fā)GaAs光導(dǎo)開關(guān)，在脈沖偏置電壓下，GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通，經(jīng)Blumlein線輸出22.3 kV高壓脈沖至負(fù)載，滿足緊湊型脈沖功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。通過偏置電壓、輸出電壓以及Blumlein線阻抗估算光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻約4.1Ω。另外，研究了GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通模式下的導(dǎo)通電阻與偏置電壓和激光能量的關(guān)系。

脈沖功率技術(shù);固態(tài)平板Blumlein線;GaAs光導(dǎo)開關(guān);導(dǎo)通電阻

1 引言

在脈沖功率領(lǐng)域，光導(dǎo)開關(guān)(PCSS)在近幾十年來得到了長足的發(fā)展［1-6］，這是因?yàn)楣鈱?dǎo)開關(guān)具有低抖動、快速響應(yīng)、高重復(fù)頻率以及較小尺寸和體積等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性，可以將開關(guān)分為線性開關(guān)和非線性開關(guān)。在線性模式下，一個(gè)適當(dāng)波長的光子能夠激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對。在非線性模式下，一個(gè)光子能夠激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子，通過電子雪崩過程，產(chǎn)生更多的載流子。從眾多的光導(dǎo)開關(guān)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，這些研究僅局限于小樣品實(shí)驗(yàn)研究或理論研究，將其大規(guī)模應(yīng)用到緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)中還存在較大差距。目前，光導(dǎo)開關(guān)正朝著高功率、高電壓、大電流等方向發(fā)展［7，8］，對于光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻研究較少，在大規(guī)模工程應(yīng)用中，開關(guān)導(dǎo)通電阻個(gè)體存在較大的差異性可能帶來許多的工程問題。因此，開展光導(dǎo)開關(guān)在緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用研究具有較大應(yīng)用價(jià)值。

本文研究的目的在于研制緊湊型固態(tài)脈沖功率系統(tǒng)，將其應(yīng)用于介質(zhì)壁加速器中［9-11］。介質(zhì)壁加速器是一種基于固態(tài)脈沖形成線技術(shù)、光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)以及微堆絕緣技術(shù)［12］為一體的具有高加速梯度場強(qiáng)的加速器。要設(shè)計(jì)具有緊湊型高加速梯度的加速器，同樣需要設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕便的脈沖功率系統(tǒng)。因此，基于光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)的固態(tài)Blumlein線是研制緊湊型固態(tài)脈沖功率的最佳選擇。本文重點(diǎn)研究了GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性以及影響光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻的主要因素。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了開展GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性研究，利用固態(tài)傳輸線和光導(dǎo)開關(guān)搭建了固態(tài)Blumlein線實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)使用的單根傳輸線的電極尺寸為15mm×4mm×1mm，使用的光導(dǎo)開關(guān)為異面結(jié)構(gòu)的GaAs光導(dǎo)開關(guān)，采用高功率脈沖激光二極管(Laser Diode，LD)觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)。光導(dǎo)開關(guān)的尺寸為12mm×10mm×0.6mm，電極間隙為6mm。激光二極管驅(qū)動電路(激光二極管電源和觸發(fā)系統(tǒng))使激光二極管產(chǎn)生波長約為905nm，脈寬約為35ns的紅外激光，紅外激光照射到GaAs光導(dǎo)開關(guān)表面，在GaAs材料中產(chǎn)生大量的電子-空穴對，在脈沖偏壓的作用下，載流子定向移動引起開關(guān)非線性導(dǎo)通，使在脈沖高壓下完成充電的2mm厚固態(tài)平板Blumlein線開始放電，最終在負(fù)載R上得到半高寬理論值為5.2ns的高壓脈沖，高壓脈沖經(jīng)衰減器和電纜進(jìn)入示波器。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of experimental setup

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻

理論上，Blumlein線阻抗與負(fù)載匹配時(shí)，對Blumlein線充電U0，其輸出應(yīng)為－U0，但實(shí)際上輸出往往達(dá)不到100%的放電效率，這主要是因?yàn)殚_關(guān)在導(dǎo)通時(shí)存在一定的導(dǎo)通電阻，放電時(shí)一部分電壓被分壓到該電阻上。若開關(guān)的導(dǎo)通電阻與Blumlein線的特征阻抗相等，脈沖功率系統(tǒng)的放電效率僅50%。因此，對于較低特征阻抗的傳輸線需要避免使用較大導(dǎo)通電阻的開關(guān)。

在固態(tài)平板Blumelin線實(shí)驗(yàn)中使用的GaAs光導(dǎo)開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)同樣存在開關(guān)電阻，因此可以根據(jù)輸入輸出電壓值來簡單估算開關(guān)的導(dǎo)通電阻，通過測量偏置電壓ui與輸出電壓uo的幅值，再根據(jù)單根平板傳輸線特征阻抗Z，負(fù)載電阻R可以計(jì)算開關(guān)的導(dǎo)通電阻r

文獻(xiàn)［7］表明:光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻與開關(guān)偏置電壓以及激光能量ELaser密切相關(guān)，隨著偏置電場和激光能量的增加，光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻減小。因此，通過升高偏置電壓和增大激光能量來降低開關(guān)的導(dǎo)通電阻被認(rèn)為是可選的兩種方法。圖2中，當(dāng)偏置電壓從15kV提高到了22kV，多次平均導(dǎo)通電阻從12Ω降低到了7Ω左右，進(jìn)一步提高偏置電壓，光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻降低不明顯，可認(rèn)為此電壓為GaAs光導(dǎo)開關(guān)的飽和電壓。因此，當(dāng)偏置電壓高于GaAs光導(dǎo)開關(guān)的非線性閾值電壓且低于開關(guān)的擊穿電壓和飽和電壓時(shí)，可以通過升高偏置電壓來降低GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

圖2 GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻與偏置電壓的關(guān)系Fig．2 Relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage

當(dāng)實(shí)驗(yàn)用的高功率脈沖激光二極管工作電流ILD變大時(shí)，激光二極管輸出激光能量增大，如圖3所示。因此，通過改變電流能夠改變輸出激光能量。圖3中5種曲線是激光二極管與驅(qū)動電路采用5種不同的連接方式所得的激光二極管電流與激光能量的關(guān)系。圖4是GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻與激光二極管電流的關(guān)系(橫坐標(biāo)是激光二極管電流取樣電阻上的電壓UR)?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)中，激光能量對光導(dǎo)開關(guān)的影響并不十分明顯，甚至幾乎沒有變化。分析原因可能是因?yàn)镚aAs光導(dǎo)開關(guān)在本文實(shí)驗(yàn)條件下處于非線性導(dǎo)通，GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通被激發(fā)后，開關(guān)的導(dǎo)通特性僅僅取決于偏置電壓，偏置電壓維持不變，則開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，與激光能量無關(guān)。

圖3 激光能量與激光二極管電流的關(guān)系Fig．3 Relationship between LD current and laser energy

3.2 光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通特性

圖5是6mm GaAs光導(dǎo)開關(guān)在脈沖偏置高壓下放電時(shí)Blumlein線對負(fù)載放電的典型輸出波形。為了提高放電效率(η=uo/ui)，使負(fù)載上獲得的輸出電壓盡量高，滿足輸出電壓設(shè)計(jì)需求，采用正失配的方式提高輸出電壓。這樣設(shè)計(jì)的目的可以盡量減小被開關(guān)導(dǎo)通電阻的分壓作用，從而提高輸出電壓。當(dāng)脈沖電源充電至20.3kV時(shí)(即光導(dǎo)開關(guān)的偏置電壓20.3kV)，固態(tài)平板Blumlein線對負(fù)載放電，負(fù)載上獲得高壓脈沖半高寬為10.3ns，幅值達(dá)到了22.3kV(半高寬實(shí)驗(yàn)值比理論值大主要是回來電感參數(shù)帶來的影響)。對于2mm厚固態(tài)平板Blumlein線，若按22.3kV輸出電壓來設(shè)計(jì)加速器，其加速梯度可達(dá)11.15 MV/m，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)直線感應(yīng)加速器的約0.5 MV/m的加速梯度。因此，滿足緊湊型脈沖功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖4 光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通電阻與激光二極管電流取樣電壓的關(guān)系Fig．4 Relationship between sampling voltage of LD‘s current and PCSS’s on-resistance

圖5 6mm GaAs光導(dǎo)開關(guān)在脈沖偏置電壓下的導(dǎo)通特性Fig．5 On-stated characteristic of 6mm GaAs PCSS under pulsed bias voltage

4 結(jié)論

開展了緊湊型固態(tài)平板Blumlein線中的GaAs光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通特性實(shí)驗(yàn)研究，使用高功率脈沖激光二極管觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)。激光二極管產(chǎn)生的905nm紅外激光能夠觸發(fā)光導(dǎo)開關(guān)，在20.3kV的偏置電壓下，固態(tài)平板Blumlein線輸出22.3kV的高壓脈沖。通過輸入輸出參數(shù)和回路參數(shù)計(jì)算GaAs光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻，結(jié)果表明光導(dǎo)開關(guān)具有4.1Ω的導(dǎo)通電阻。GaAs光導(dǎo)開關(guān)非線性導(dǎo)通時(shí)，偏置電壓的升高能夠明顯降低開關(guān)的導(dǎo)通電阻，增大激光能量不能夠明顯降低光導(dǎo)開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

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Experiment on GaAs PCSS’s on-resistance with solid-state planar Blumlein line

SHEN Yi，WANG Wei，LIU Yi，XIA Lian-sheng，ZHANG Huang，ZHU Jun，SHI Jin-shui，ZHANG Lin-wen

(Institute of Fluid Physics，Key Laboratory of Pulsed Power，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to develop the compact pulse power system，the experiment on GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)’s on-resistance has been studied．With 2mm-thick solid-state planar Blumlein line，GaAs PCSS is triggered with the high power pulse laser diode．GaAs PCSS turned-on the lock-on mode under the pulsed bias voltage．A 22.3kV high voltage pulse was obtained on load through Blumlein line，which satisfied the design of compact pulse power system．The PCSS’s on-resistance of 4.1Ω was calculated according to bias voltage，output voltage and impedance of Blumlein line．Moreover，the relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage，laser energy were studied under the lock-on mode of PCSS．

pulsed power technology;solid-state planar Blumlein line;GaAs PCSS;on-resistance

TN78

A

1003-3076(2014)07-0073-04

2012-08-10

國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(11035004)、中物院科學(xué)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2013A0402018)

諶 怡(1984-)，男，四川籍，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源;

夏連勝(1970-)，男，江蘇籍，研究員，博士，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)及強(qiáng)流電子束源。