基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。

基于阿基米德螺旋线圈的高变化率脉冲磁场发生器

脉冲磁场治疗肿瘤凭借其无创性的优势具有良好的应用前景。感应电场和感应电流是脉冲磁场产生生物效应的原因之一。为了获得较大的感应电场来开展脉冲磁场治疗肿瘤的细胞实验,研制了1台基于阿基米德螺旋线圈和自击穿空气开关的高变化率脉冲磁场发生器。对阿基米德螺旋线圈周围空间的磁场和感应电场进行了计算,利用COMSOL Multiphysics软件对线圈的磁场分布特性进行了优化设计,并对研制出的磁场发生器性能进行了实测。最终,设计的阿基米德螺旋线圈为7匝、外径为21 mm,该线圈在细胞培养液中可产生的脉冲磁场参数为:磁感应强度幅值0.92 T、上升时间78 ns、脉冲宽度1.8μs,磁场的变化率达1.1×107 T/s,感应电场最大值为55.9kV/m,电场的均匀度达84%,最大的感应电流密度达1.7×104 A/m2。结果表明,此脉冲磁场发生器可以满足用于研究脉冲磁场治疗肿瘤相关的细胞实验的要求,为后续研究奠定了基础。

基于Blumlein和TLT的模块化全固态纳秒脉冲发生器

为了研究高频纳秒脉冲电场治疗肿瘤的生物医学效应,需要一种能产生高频纳秒脉冲的紧凑型脉冲电场发生器。结合Blumlein脉冲形成线和传输线变压器(TLT)提出了一种新的模块化设计的高频纳秒脉冲发生器结构,发生器可以使用更少的开关数输出电压、频率可调的高频纳秒方波脉冲。对单级和多级发生器在阻抗匹配时的脉冲形成过程进行了理论分析,并分析了多级发生器在阻抗不匹配时负载波形的变化;使用微带线设计Blumlein脉冲形成线,介绍了微带线的设计过程,同时介绍了传输线变压器的设计以及固态开关的控制策略;研制了一台小型发生器对提出的拓扑结构进行验证。最后,三级发生器在匹配负载(300Ω)上,可以输出幅值0~3 kV可调,脉宽100 ns,重复频率0~10 kHz可调的高频纳秒脉冲。