“Z-Pinch”作為實(shí)驗(yàn)室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負(fù)載要在極短時(shí)間內(nèi)獲得107 cm／s以上的速度以使其在對(duì)稱中心Z軸上塌縮時(shí)形成高溫高密度等離子體、產(chǎn)生大量X光，其脈沖功率裝置必須具備較高的能量和功率輸出能力。

為了實(shí)現(xiàn)在Z箍縮負(fù)載上大于8 MA的電流輸出，一個(gè)由24路模塊組成的Z裝置被提出。因此功率合成技術(shù)成為了Z箍縮裝置的核心技術(shù)之一，而功率合成的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)24個(gè)激光觸發(fā)主開(kāi)關(guān)的同步性。作為主開(kāi)關(guān)同步觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，本文開(kāi)展了低抖動(dòng)激光器Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)分析

Z裝置觸發(fā)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、延時(shí)同步機(jī)、Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元、氤燈光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元和四倍頻Nd：YAG激光器組成，目的是為多級(jí)多通道氣體開(kāi)關(guān)提供精確時(shí)序的觸發(fā)激光脈沖。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 觸發(fā)系統(tǒng)框圖

Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的輸出信號(hào)直接控制著激光器的激光輸出，它的抖動(dòng)將影響到氣體開(kāi)關(guān)的同步性，其抖動(dòng)極差要求小于2 ns。理論分析表明造成這種抖動(dòng)的原因主要有：

1）相鄰信號(hào)走線之間的串?dāng)_。當(dāng)一根導(dǎo)線的自感增大后，會(huì)將其相鄰信號(hào)線周圍的感應(yīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流會(huì)使電壓增大會(huì)減小，從而造成抖動(dòng)。

2）敏感信號(hào)通路上的EMI輻射。電源，AC電源線和RF信號(hào)源都屬于EMI源，與串?dāng)_類似，當(dāng)附件存在EMI輻射時(shí)，時(shí)序信號(hào)通路上感應(yīng)到的噪聲會(huì)調(diào)制時(shí)序信號(hào)的電壓值。

3）多層基底中電源層的噪聲。這種噪聲可能改變邏輯門的閥值電壓，或者改變閥值電壓的參考地電平，從而改變開(kāi)關(guān)門電路所需的電壓值。

4）多個(gè)門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換為同一種邏輯狀態(tài)。這種情況可能導(dǎo)致電源層和地層上感應(yīng)到尖峰電流，從而可能使閥值電壓發(fā)生變化。

5）影響半導(dǎo)體晶體材料遷移率的溫度因素?？赡茉斐奢d流子的隨機(jī)變化。半導(dǎo)體加工工藝的變化，例如摻雜密度不均，也可能造成抖動(dòng)。

2 電路設(shè)計(jì)

該觸發(fā)系統(tǒng)由光電接收與轉(zhuǎn)換單元和快脈沖產(chǎn)生電路組成。根據(jù)抖動(dòng)產(chǎn)生理論，低抖動(dòng)電路應(yīng)遵循以下原則：1）盡量減少數(shù)字電路芯片的使用；2）對(duì)電源進(jìn)行濾波，減小噪聲；3）一些信號(hào)線應(yīng)進(jìn)行包地處理；4）盡量采用差分信號(hào)傳輸。

2.1 光電轉(zhuǎn)換單元

相比于常見(jiàn)的820 nm鏈路光纖系統(tǒng)，1 300 nm波長(zhǎng)位于光纖的較低色散和衰減區(qū)，因此除了能傳輸更遠(yuǎn)距離外，在傳輸過(guò)程中光能量更穩(wěn)定，有利于減小由于光信號(hào)造成的抖動(dòng)。光電轉(zhuǎn)換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器。該器件的特點(diǎn)是內(nèi)部沒(méi)有集成數(shù)字邏輯電路，而是由砷化鎵銦光電二極管和跨導(dǎo)前置放大器組成，其輸出為模擬信號(hào)，因而具有最大155 MHz響應(yīng)帶寬，適用于高速通信或有精確時(shí)序要求的應(yīng)用。此外，AVAG02316Tz可以與50／125 μm和62.5／125 μm規(guī)格直徑光纖兼容，帶來(lái)光纖尺寸選擇的靈活性。與此對(duì)應(yīng)的是，延時(shí)同步機(jī)中的光信號(hào)發(fā)送電路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引腳及說(shuō)明分別如圖2，表1所示。

圖2 AVAG02316Tz器件

表1 AVAG02316Tz引腳說(shuō)明

該器件只能接收1 300 nm波長(zhǎng)光信號(hào)，當(dāng)VCC接+5 V電壓，VEE接地時(shí)，光電二極管感應(yīng)到光纖光信號(hào)輸入時(shí)，引腳VO輸出電壓為1.8V。

2.2 快脈沖產(chǎn)生電路

Q開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求前沿小于2.5 ns，脈寬10 ns至數(shù)μs，由發(fā)送端光信號(hào)決定。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅(qū)動(dòng)高速M(fèi)OSFET門電路的驅(qū)動(dòng)芯片，其主要特點(diǎn)包括：寬輸出電壓8～30 V，典型前、后沿小于3 ns，典型延時(shí)30 ns，最小脈寬6ns，2路輸出且單路最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)15 A，芯片內(nèi)部集成過(guò)流保護(hù)電路，與TTL或CMOS電平兼容。其芯片引腳及說(shuō)明分別如圖3，表2所示。

圖3 IXDD4 15器件

表2 IXDD4 15引腳說(shuō)明

作為高速驅(qū)動(dòng)芯片，IXDD415的應(yīng)用須注意：回路電感，旁路電容，地線。為了避免輸出脈沖出現(xiàn)嚴(yán)重LC振蕩，輸出引腳與負(fù)載或電纜連接端距離不超過(guò)9.5mm，且布線應(yīng)盡可能寬，以減小回路電感。該驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖信號(hào)的前沿越快，則抖動(dòng)越小，同時(shí)為了獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能力，應(yīng)使IXDD415有足夠低的輸出阻抗，因此在IXDD415的電源輸入引腳引入低電感，低電阻和大的脈沖電流輸出能力的旁路電容。IXDD4 15地線的良好處理除了影響到芯片輸出的抖動(dòng)外，還會(huì)影響到輸出脈沖的后沿，應(yīng)大面積鋪地且與模擬地的連接盡可能短。

2.3 電路設(shè)計(jì)

AVAG02316Tz的輸出信號(hào)不能直接作為IXDD415的輸入，采用安森美公司的MC10H116芯片將模擬電平變換成較強(qiáng)抗干擾能力的標(biāo)準(zhǔn)PECL電平，又通過(guò)安森美的MC100ELT23將該P(yáng)ECL電平變換成標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平，這樣可以直接作為IXDD415的輸入信號(hào)。

為了減小電源噪聲對(duì)抖動(dòng)帶來(lái)的不利影響，對(duì)于光纖器件及電平轉(zhuǎn)換芯片電源，不僅采用了電容濾波的方法，而且電源和地線分別串聯(lián)1.2 μH電感濾波，對(duì)于光纖器件，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了1個(gè)RC濾波電路對(duì)該器件的電源進(jìn)行處理。對(duì)于IXDD415，為了獲得低輸出阻抗，一個(gè)常用方法是旁路電容的容值高出負(fù)載電容兩個(gè)數(shù)量級(jí)，根據(jù)負(fù)載，旁路電容選擇為4.7μF，0.47 μF，0.1 μF容值的貼片低感脈沖電容。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)電路

3 試驗(yàn)

對(duì)于具有低阻輸出的快信號(hào)脈沖，測(cè)試時(shí)采用了10倍衰減器和50 Ω匹配頭，測(cè)試波形如圖5所示。

圖5 測(cè)試波形

基準(zhǔn)信號(hào)指來(lái)自延時(shí)同步機(jī)的同步輸出信號(hào)，在對(duì)單元進(jìn)行了5 min預(yù)熱后，連續(xù)進(jìn)行了30次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)間隔20s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

延時(shí)主要由光纖長(zhǎng)度和Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)單元固有延時(shí)兩部分組成，根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，相鄰兩次試驗(yàn)間最大延時(shí)差為0.5 ns，30次試驗(yàn)延時(shí)極差為0.6ns，抖動(dòng)為0.07ns，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

Z裝置同步觸發(fā)系統(tǒng)的抖動(dòng)主要來(lái)源于Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)。減小Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)的抖動(dòng)是Z裝置24個(gè)激光觸發(fā)氣體閉合開(kāi)關(guān)同步動(dòng)作的重要技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本文對(duì)Q開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的抖動(dòng)進(jìn)行了理論分析，給出一般設(shè)計(jì)原則，并據(jù)此設(shè)計(jì)電路，試驗(yàn)結(jié)果表明信號(hào)前沿及抖動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求，該單元已應(yīng)用到Z裝置單路樣機(jī)中。在下一步工作中，將進(jìn)行24路全系統(tǒng)聯(lián)試及復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力測(cè)試。