“Z-Pinch”作為實驗室核爆模擬的技術(shù)途徑在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要性日益突出。其負載要在極短時間內(nèi)獲得107 cm／s以上的速度以使其在對稱中心Z軸上塌縮時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。
為了實現(xiàn)在Z箍縮負載上大于8 MA的電流輸出，一個由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)鍵在于實現(xiàn)24個激光觸發(fā)主開關(guān)的同步性。作為主開關(guān)同步觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分,，本文開展了低抖動激光器Q開關(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)由計算機、延時同步機,、Q開關(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，目的是為多級多通道氣體開關(guān)提供精確時序的觸發(fā)激光脈沖,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的輸出信號直接控制著激光器的激光輸出，它的抖動將影響到氣體開關(guān)的同步性,，其抖動極差要求小于2 ns,。理論分析表明造成這種抖動的原因主要有：
1)相鄰信號走線之間的串擾。當一根導(dǎo)線的自感增大后,，會將其相鄰信號線周圍的感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流,，而感應(yīng)電流會使電壓增大會減小，從而造成抖動,。
2)敏感信號通路上的EMI輻射,。電源，AC電源線和RF信號源都屬于EMI源,，與串擾類似,，當附件存在EMI輻射時，時序信號通路上感應(yīng)到的噪聲會調(diào)制時序信號的電壓值,。
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,，從而改變開關(guān)門電路所需的電壓值,。
4)多個門電路同時轉(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,。
2 電路設(shè)計
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)抖動產(chǎn)生理論，低抖動電路應(yīng)遵循以下原則：1)盡量減少數(shù)字電路芯片的使用,；2)對電源進行濾波,，減小噪聲；3)一些信號線應(yīng)進行包地處理,；4)盡量采用差分信號傳輸,。
2．1 光電轉(zhuǎn)換單元
相比于常見的820 nm鏈路光纖系統(tǒng)，1 300 nm波長位于光纖的較低色散和衰減區(qū),，因此除了能傳輸更遠距離外,，在傳輸過程中光能量更穩(wěn)定，有利于減小由于光信號造成的抖動,。光電轉(zhuǎn)換器件采用的是AVAGO公司的2316TZ光纖接收器,。該器件的特點是內(nèi)部沒有集成數(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,，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，帶來光纖尺寸選擇的靈活性,。與此對應(yīng)的是,，延時同步機中的光信號發(fā)送電路采用的是AVAGO1312。AVAG02316Tz器件引腳及說明分別如圖2,，表1所示,。
該器件只能接收1 300 nm波長光信號，當VCC接+5 V電壓,，VEE接地時,，光電二極管感應(yīng)到光纖光信號輸入時，引腳VO輸出電壓為1．8V,。
2．2 快脈沖產(chǎn)生電路
Q開關(guān)驅(qū)動信號要求前沿小于2．5 ns，脈寬10 ns至數(shù)μs,，由發(fā)送端光信號決定,。IXYS公司的IXDD415是一種用以驅(qū)動高速MOSFET門電路的驅(qū)動芯片，其主要特點包括：寬輸出電壓8～30 V,，典型前,、后沿小于3 ns，典型延時30 ns,，最小脈寬6ns,，2路輸出且單路最大驅(qū)動電流達15 A,，芯片內(nèi)部集成過流保護電路，與TTL或CMOS電平兼容,。其芯片引腳及說明分別如圖3,，表2所示。
作為高速驅(qū)動芯片,，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)嚴重LC振蕩,，輸出引腳與負載或電纜連接端距離不超過9．5mm，且布線應(yīng)盡可能寬,，以減小回路電感,。該驅(qū)動芯片輸出脈沖信號的前沿越快，則抖動越小,，同時為了獲得足夠的驅(qū)動能力,，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外，還會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
AVAG02316Tz的輸出信號不能直接作為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抗干擾能力的標準PECL電平,，又通過安森美的MC100ELT23將該PECL電平變換成標準的CMOS電平,，這樣可以直接作為IXDD415的輸入信號。
為了減小電源噪聲對抖動帶來的不利影響,，對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,，對于光纖器件,，進一步設(shè)計了1個RC濾波電路對該器件的電源進行處理。對于IXDD415,，為了獲得低輸出阻抗,，一個常用方法是旁路電容的容值高出負載電容兩個數(shù)量級，根據(jù)負載,，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)計如圖4所示,。
3 試驗
對于具有低阻輸出的快信號脈沖,，測試時采用了10倍衰減器和50 Ω匹配頭，測試波形如圖5所示,。
基準信號指來自延時同步機的同步輸出信號,，在對單元進行了5 min預(yù)熱后，連續(xù)進行了30次試驗,，每次試驗間隔20s,，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。
延時主要由光纖長度和Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及驅(qū)動單元固有延時兩部分組成,，根據(jù)該試驗結(jié)果,，相鄰兩次試驗間最大延時差為0．5 ns，30次試驗延時極差為0．6ns,，抖動為0．07ns,，達到設(shè)計要求。
4 結(jié)論
Z裝置同步觸發(fā)系統(tǒng)的抖動主要來源于Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng),。減小Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換與觸發(fā)系統(tǒng)的抖動是Z裝置24個激光觸發(fā)氣體閉合開關(guān)同步動作的重要技術(shù)基礎(chǔ),。因此，本文對Q開關(guān)光電轉(zhuǎn)換及觸發(fā)單元的抖動進行了理論分析,，給出一般設(shè)計原則,，并據(jù)此設(shè)計電路，試驗結(jié)果表明信號前沿及抖動滿足設(shè)計要求,，該單元已應(yīng)用到Z裝置單路樣機中,。在下一步工作中，將進行24路全系統(tǒng)聯(lián)試及復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力測試,。