高能同步辐射光源（HEPS）是我国正在建造的基于储存环的准衍射极限光源，是我国首台高能量同步辐射装置，其设计指标达到了国际先进水平，能够满足我国生物、化工、材料等领域的前沿科研需求^[1]。HEPS的设计方案对注入引出系统kicker脉冲电源提出了一系列新要求。HEPS储存环的在轴置换注入方案要求脉冲磁场能够对6 GeV的电子束逐束团的偏转，其带状线冲击器（strip-line kicker）脉冲电源输出波形的底宽要小于10 ns（3%~3%），脉冲电压（50 Ω）大于±15 kV。为了实现累积注入，其设计中还预留了在轴纵向注入的升级方案，该方案要求的脉冲底宽要小于4 ns（3%~3%）^[2-3]。

和常规的纳秒脉冲电源相比，kicker脉冲电源除了对电压幅值、边沿时间有要求，还对波形的稳定性、定时精度、脉冲前后残余电压的幅度有较高的要求，如果脉冲波形稳定性较差或者脉冲前后有一定幅值的残余电压，则会导致注入效率下降，并对相邻循环束造成扰动，因此脉冲底宽的计算方式不同于常规电源的10%~10%，而是要求3%~3%^[2-3]。目前国内外已有许多相关研究，技术路线主要有两种：一种是采用雪崩三极管或射频场效应晶体管（RF-MOSFET）作为脉冲电源的主开关，利用功率叠加技术提高电路总的输出功率。合肥先进光源（HALS）的预研中，利用雪崩三极管制作了一台kicker脉冲电源样机，该样机使用20级雪崩管进行串联叠加，输出电压为3 kV（50 Ω），底宽约7 ns^[4]。美国先进光源ALS-U的在轴置换注入kicker脉冲电源^[5]，采用了8路并联的场效应晶体管（MOSFET）并使用8级感应叠加线路，得到脉冲边沿小于10 ns，幅值为±5.3 kV（50 Ω）的电脉冲。这类电源通常要使用大量的半导体器件，导致电路结构复杂，不易维护^[6]；另一种思路是利用漂移阶跃恢复二极管（DSRD）或半导体断路器件（SOS）等一类基于器件内等离子体现象的断路器件，这类器件速度快、功率大且寿命很长^[7]。美国斯坦福直线加速器实验室（SLAC）利用DSRD开展了许多研究，研制出了幅值15 kV、边沿时间小于2 ns的脉冲电源^[8-9]，国内中国科学院高能物理研究所陈锦晖等人，利用DSRD作为主开关，研制了一台底宽约10 ns，幅值±17 kV的脉冲电源^[3]。虽然这类器件的关断速度很快，所使用的开关器件相对较少，但是电源得到的波形相较于理想的kicker脉冲波形还有一定差距，因此还需要对脉冲进行一定程度的整形。

非线性传输线（NTL）是一种常用的脉冲整形技术^[10-11]，可以对脉冲边沿进行锐化，并且大幅抑制脉冲前后的残余电压，具有成本低、可靠性高等优点，目前已有不少相关的研究。本文基于一类常见的DSRD电源，研究了一种利用NTL对电脉冲进行整形、锐化脉冲前后边沿、减小脉冲前后残余电压的方法。本文首先简述了电源和NTL的工作原理，然后设计了电路实验来进行验证，实验证明该方案能有效对波形进行整形，提高脉冲电源的性能。

1 DSRD脉冲电源的工作原理

DSRD是一种具有特殊掺杂结构的二极管，其PN结具有ns甚至亚ns级的快速恢复时间。在它工作时，首先需要给它提供一个百ns量级的正向脉冲电流，向PN结中注入电子-空穴等离子体；在正向脉冲电流结束后，紧接着产生一个反向脉冲电流，尽可能快地抽取PN结区存储的载流子，此时能量被存储到电感或脉冲形成线上。当抽取和注入的电荷量相等时，PN结恢复，DSRD迅速关断，存储在电感或形成线上的能量被切换到负载上形成前沿极快的脉冲^[7,12-14]。

常见的DSRD脉冲电源有多种，根据储能方式的不同可以分为电感储能和脉冲形成线（PFL）储能两类，根据控制开关的数量又可分为单开关型和双开关型^[9]。为了在电阻负载上得到窄脉宽的脉冲，通常选择脉冲形成线作为储能元件。

图1所示是一种PFL储能的DSRD脉冲电源，电路工作时，首先闭合开关S₁，电容C₀经L₁、C₁、DSRD放电，为DSRD提供正向电流，同时为电容C₁充电；当电流换向时，开关S₂闭合，电容C₁放电，为DSRD提供反向电流，同时将能量存储在PFL上；当反向电流阶段抽取的电荷量和注入阶段相等时，DSRD迅速关断，储存在PFL中的能量迅速转移至负载上。

图 1. 一种PFL的DSRD脉冲电源电路原理图

Fig. 1. Simplified scheme of the DSRD pumping circuit with inductor energy

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图1所示电路的理想输出波形为方波，脉冲的平顶时间由PFL的长度决定。但是，电路实际得到的输出波形往往会偏离理想形态，影响电源的性能。首先，由于DSRD和负载相并联，而kicker负载的等效电阻通常为50 Ω，DSRD的导通内阻相比较而言是一个无法忽略的值，因此在DSRD正向泵浦过程以及其反向抽取阶段刚开始时，负载上存在一定幅值的电流，从输出的波形上看，就是在主脉冲之前存在一个与主脉冲反向，幅度约几百伏的脉冲（通常称之为预脉冲）。此外，这也会导致主脉冲刚开始阶段的时间较长，即幅度小于10%阶段所持续的时间较长。

其次，电路中存在一些杂散的电容电感，会使脉冲后沿幅度小于10%阶段所持续的时间较长，并且有可能使脉冲后沿产生过冲。

图2为图1所示的DSRD脉冲电源的一个典型输出波形，可以看到在脉冲前约150 ns处存在一个较明显的预脉冲，且该脉冲波形的前沿峰值10%以下阶段持续时间很长。如果计算该波形10%~10%的脉冲时间，仅有约10 ns，但是如果计算3%~3%的脉冲时间，则超过20 ns。

图 2. 图1所示DSRD脉冲电源的输出波形

Fig. 2. Pulse output of DSRD pumping circuit（2 kV/div，40 ns/div）

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根据上面的分析和测试波形可知，DSRD泵浦电路中存在许多会使波形偏离理想形态的因素，从而对kicker脉冲电源性能产生不利影响，因此需要对电源输出的波形进行进一步的整形。

2 非线性传输线的工作原理

非线性传输线（NTL）是一种常用的脉冲整形方法，其中最常用的是由铁氧体制成的同轴型非线性传输线。传输线的结构如图3所示，它是在常规同轴传输线的内导体外侧增加了一层铁氧体^[10-11,15]。

图 3. 非线性传输线的结构

Fig. 3. Structure of the NTL (cross section)

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铁氧体非线性传输线锐化脉冲边沿的原理如图4所示。铁氧体具有非线性磁导率，随着外部磁化电流的增大，其磁导率先逐渐增大到最大值，接着迅速下降，当达到饱和后，相对磁导率只有个位数。根据电磁波传播速度式（1），当电磁波刚入射到传输线时，励磁电流较小，铁氧体开始磁化，此时磁导率较大，传输线的阻抗很大且波的传播速度较慢；当电磁波沿传输线传输时，随着励磁电流增大，铁氧体发生饱和，磁导率迅速下降，因此，后续电流幅值较大的电磁波的传播速度相对更快，同时，由于铁氧体的磁化，消耗了电磁波前沿的能量。

图 4. 铁氧体非线性传输线锐化脉冲边沿原理

Fig. 4. Process of the stable shock wave in ferrite NTL

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$ v = \dfrac{{{c}}}{{\sqrt {{\mu _{\rm{r}}}{\varepsilon _{\rm{r}}}} }} $ (1)

式中：v为电磁波速；c为真空中的光速； $ \;{ \mu }_{{\rm{r}}} $为介质相对磁导率； $ {\varepsilon }_{{\rm{r}}} $为介质相对介电常数。

从整体来看，脉冲前沿中幅值较大的尾部会逐渐追上头部，使得脉冲前沿更陡。随着脉冲的传播，被锐化的边沿会稳定在一定幅值，宏观上看就是脉冲边沿被压缩了。

根据铁氧体非线性传输线锐化边沿的原理，如果用其锐化脉冲前沿，则可能延缓脉冲后沿的时间，因此，为了同时对脉冲的前后沿进行锐化得到底宽很窄的波形，需要利用两根非线性传输线。以图1所示的PFL储能型脉冲电源为例，增加了非线性传输线的电路原理如图5所示。

图 5. 利用非线性传输线对脉冲整形的电路原理

Fig. 5. Simplified scheme of the pulse generator

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NTL₁用来锐化脉冲前沿，NTL₂用来锐化脉冲后沿。它们在DSRD关断之前处于高阻抗状态，而在DSRD关断时，电流同时入射到NTL₁、NTL₂两条非线性传输线中。NTL₂是终端短路传输线，当电脉冲传播到NTL₂的尾部时，头部已被锐化的电脉冲全反射回入射端，形成了负载上脉冲的后沿，DSRD和负载相当于被短路，因此负载上的电压迅速降为零。

除了对脉冲边沿的锐化作用，非线性传输线还有助于减小负载上脉冲前后的残余电压，由于脉冲前的预脉冲是在DSRD关断前，并联负载分流所引起的，增加了NTL₁后，DSRD关断之前，NTL₁始终处于高阻抗状态，减小了负载上的分流，同时脉冲后沿被NTL₂迅速截断，从而使得脉冲前后的残余电压都非常小。

3 电路设计与实验

根据DSRD的工作原理，以及对半导体器件和磁性材料的调研情况，制作了一台以图5为原理的DSRD脉冲电源，如图6（a）所示。图6（b）为实验所使用的非线性传输线。四个并联的SiC-MOSFET作为泵浦电路的初级开关S₁，八个并联的SiC-MOSFET（均为Cree公司的C2M0045170D）作为电路的次级开关S₂。储能电容C₀容值为2.4 μF，电感L₁约20 nH，C₁为10 nF，PFL的长度约30 cm。表1所示为所使用的DSRD的主要电气参数。

图 6. 脉冲电源实验电路

Fig. 6. Prototype of the pulse generator

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根据铁氧体材料的特性，磁化状态转换的时间与磁场强度成反比，因此，要获得一个极窄的脉冲边沿，磁环的半径必须足够小。为了实现阻抗匹配，非线性传输线饱和后的阻抗应等于与其相连同轴线的阻抗。根据这两个条件确定磁环和非线性传输线的横向尺寸。然后再结合计算^[10-11]与脉冲电源的电压幅值确定其长度。非线性传输线使用的铁氧体为高导磁的镍锌铁氧体，表2为非线性传输线的尺寸。

利用示波器测试电源的输出波形。在直流充电电压约850 V的条件下，图7所示是使用了NTL整形后电源的输出波形。可以看到，和图2相比，使用了NTL后，电脉冲的波形不仅边沿时间更短，而且前后几乎没有残余电压。两种条件下输出参数的对比见表3，使用了NTL后电源脉冲的底宽大幅度减小。

图 7. 使用非线性传输线整形后的脉冲波形

Fig. 7. Test waveform with NTLs（2 kV/div，10 ns/div）

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对电源的初步测试表明，非线性传输线能够较大幅度地减小脉冲前后沿的时间，同时减小脉冲前后的残余电压，从而在负载上得到一个非常干净的脉冲，这对于kicker脉冲电源是非常有利的。它的缺点主要是磁化过程中会有较大的能量损失，从而导致脉冲幅值有所下降，另外，已确定尺寸的非线性传输线工作电压变化范围较小，不易对输出电压进行大幅度的调节。

4 结　论

本文研究了一种利用非线性传输线对DSRD脉冲电源波形整形的方法，分析了非线性传输线的工作原理，在DSRD脉冲电源的基础上，通过增加铁氧体非线性传输线，对脉冲进行整形，锐化脉冲的前后沿并减小脉冲前后残余电压。根据对原理的分析，设计了一台电源的样机并完成了初步实验。该电源可在50 Ω的负载上得到幅值约10 kV，底宽（3%~3%）小于8 ns的脉冲。实验结果表明，使用非线性传输线能够较大幅度地减小脉冲前后沿的时间，同时减小脉冲前后的残余电压，该方法有助于提高kicker脉冲电源的性能，使其更好地满足注入引出系统对快脉冲电源的要求。后续还需要对非线性传输线的参数进行进一步研究，并在不同结构的脉冲电源上进行实验，从而能够得到速度更快、幅值更高的脉冲电源。