针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热, 使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度, 造成开关失效或损伤的难题, 本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点, 设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试, 对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究, 并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明: 体积流量为 3 L/min的情况下, 射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过 35 000 W/(K·m2), 散热量高达 1 000 W, 相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了 45%。在测试流量下, 随着体积流量的增加, 射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加, 而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外, 采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性, 采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低 58%, 更有利于降低光导开关热应力。

采用钒掺杂半绝缘4H-SiC衬底, 利用磁控溅射在硅衬底上制备了Ni/Au金属电极, 并封装加工成同面型横向电极结构SiC光导开关, 研究了不同激光触发能量对光导开关光电响应及导通电阻的影响。用波长532 nm的激光作为触发源, 当激光触发能量从26.7 mJ增加到43.9 mJ时, 光导开关的导通电阻从295 Ω降低到197 Ω。利用复合理论推导出激光触发时导带中载流子浓度随时间的变化规律, 并利用MATLAB模拟计算了不同触发能量下开关的导通电阻, 得到了与实验较一致的结果。在此基础上, 提出了降低开关导通电阻的两种途径。

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为：陶瓷介质长度300 mm,宽度15 mm,厚度1 mm；银电极长度280 mm,宽度2 mm。电性能参数为：相对介电常数约23.5,特征阻抗约26 Ω,电长度约4.5 ns,直流耐压场强大于20 kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25 kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25 kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23 kV。

利用半导体激光器作为触发源，对砷化镓光导开关进行了实验研究，重点研究了载流子累加效应对开关输出特性的影响。实验结果表明，光导开关的导通机制与内部载流子数的多少直接相关，当开关中的载流子数积累到雪崩碰撞电离条件，开关就会发生非线性导通。采用低能量光脉冲序列触发光导开关，获得了高功率输出，降低了开关非线性导通时的触发光能和偏置电压，对于光导开关的应用具有重要意义。

为了提高装置容许的运行电压以提高辐射剂量产额,开展了放电过程中影响脉冲形成网络过电压幅值因素的研究。在引入开关导通不同步性和导通电阻条件下,建立了适用于任意电阻性负载的级联Blumlein型脉冲形成网络电压波过程理论模型,基于波过程模型进一步分析了影响脉冲形成网络过电压幅值的因素。研究表明开关不同步是产生过电压的主要因素,过电压峰值出现在开关闭合后的3倍形成网络电长度时刻。随着网络级联级数的增加,二极管阻抗与源阻抗匹配情况下最大过电压可达到-2倍充电电压,而二极管阻抗下降使得过电压幅值得以加强,阻抗过早崩溃可使过电压幅值接近充电电压的-3倍。

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件, 使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关, 通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10 mm及3 mm间隙光导开关进行实验, 比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示, 10 mm开关充电23.5 kV时上升沿较大, 可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压, 结果显示: 在10 mm间隙开关条件下, 充电23.5 kV时, 负载上得到了53 kV的高压脉冲输出; 3 mm开关充电13.9 kV时输出电压39.4 kV, 输出效率70%。实验结果表明, 随着工作场强的提高, 电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。

因焦耳加热导致光导开关芯片温度升高并形成局部热点，影响了光导开关功率容量、重复频率和寿命的提高，因此需对光导开关进行主动冷却。设计了一种矩形微槽硅微通道散热器，其由散热器本体和盖板两部分组成，散热器本体上设有分流槽、矩形微槽阵列、汇流槽，盖板通过半导体刻蚀工艺形成通孔，两部分通过硅-硅键合工艺连接以形成闭合通道。以水为工质，实验测试了不同冷却工质流量、进口温度时微通道散热器的换热性能、温度均匀性和流体阻力，证明该微通道散热器在适中的冷却工质流量下具有较高的换热性能、较低的流体阻力和较好的温度均匀性，满足重复频率大功率光导开关的散热冷却需求。

分析了高增益本征砷化镓光导开关(PCSS)中的几个重要参量,研究了光导开关的物理机制,发展了以畴电子崩(DEA)为基础的流注理论。提出了畴电子崩的3个必要条件:初始载流子密度nLD≥3×1015 cm-3,耗尽层的空穴密度和积累层的电子密度至少其中之一能够超过畴电子崩的阈值ncs,非平衡载流子密度区域沿电场方向的特征长度ΔZ必须大于畴电子崩转变为局域流注时的生长畴宽度b。揭示了流注的光致电离效应产生的局域平均载流子密度的上限大约为1017 cm-3·ps-1,能够为后代生长畴提供的初始载流子密度为3×1015≤n(t＝0)＜1017 cm-3;流注的传播速度范围大约为2.97×108≤vpro≤6.21×109 cm/s。理论分析结果与实验观察一致。

建立了一个新型的光控光导半导体开关(简称光导开关)解析模型,该模型通过拉氏变换求解了连续性方程,考虑了载流子的表面复合和体复合效应、载流子输运过程中的载流子载流子散射效应和漂移速度的负微分效应、光作用过程的丹倍效应和光的反射、光强随深度的衰减效应。计算了光导开关的几个重要参数并获得了开关电流和输出电压等的波形。计算表明光强与光电导的关系在所谓的“线性模式”下并非是严格线性的。最后将计算结果与实验结果进行了比较,两者相符较好。