[发明专利]一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器

说明书

本发明公开了一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器，包括电源系统、固态开关系统、控制电路和层叠Blumlein带状线。实质上是一种利用通信行业中常用的带状线形成波的折反射从而在匹配的负载上面产生脉冲电场。该发生器采用多级固态串联开关组作为系统开关，并通过控制MOSFETs的开断在带状线系统中形成脉冲方波，通过多级Blumlein带状线PCB板并联层叠可以在较小空间内实现系统输出阻抗模块化变化，在不同生物负载两端输出纳秒脉冲电压具有以下参数：幅值的可调范围从0伏到上千伏，脉宽100ns，上升沿30ns以内，重复频率可高至几百甚至上千Hz，而且通过并联层叠方式可以满足生物医学实验中多种负载的应用场合，可用于纳秒脉冲电场生物学效应的研究。

技术领域

本发明涉及生物电磁技术领域，具体设计一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器。

背景技术

脉冲电场生物医学效应引起了国内外研究者的极大兴趣，根据微秒级脉冲电场强度的不同能够诱发生物细胞膜发生可逆、不可逆电穿孔。进一步地，当脉冲电场宽度达到ns级、电场强度达到MV/m级时，将会诱导产生明显有别于微秒脉冲电场的细胞生物学效应：细胞膜表面虽然没有发生明显的电穿孔现象，但细胞内部(如细胞核、线粒体等)出现一系列的功能性改变，同时诱导细胞凋亡。这种纳秒脉冲电场在无毒性化疗药物参与的情况下，能通过诱导凋亡使肿瘤组织缩小甚至消失，同时避免了炎症、溃疡和药物的副作用。为探究纳秒脉冲电场对细胞内电处理效应机理，需要设计相应的高压ns级方波脉冲发生器。

生物医学应用中常采用同轴线制作纳秒脉冲发生器，但是这一类型的纳秒脉冲发生器存在占用体积较大的弊端。以匹配生物细胞医学实验中10Ω电转杯为例，为产生100ns脉宽的方波脉冲则需要2组同轴线并联组(每组由10根10m长度的50Ω阻抗并联构成5Ω阻抗并联组)构成Blumlein传输线系统，这样共计需要200m长度的50Ω同轴线，显然纳秒脉冲发生器的体积将会极其巨大。

虽然基于微带传输线的高压纳秒脉冲发生器有效满足了生物医学实验中对于纳秒脉冲发生器了小型化、紧凑型及便携式的要求，但微带传输线本身还有一些不足之处：①微带传输线导体带需要与空气接触，因此，Blumlein型多层微带传输线层叠层数最多只能达到2层微带传输线串联；②微带传输线导体带之间的介质为空气，在导体带间电场畸变情况下容易发生沿面闪络；③在0～4GHz频率范围内，电磁波在微带传输线中的传播模式为准TEM模式，造成微带传输线尺寸参数只能采取近似计算与实际情况有差别。此外，目前尚未提出针对生物医学实验中不同负载(10Ω电转杯、20Ω电转杯、50Ω电转杯以及上百Ω阻抗的动物组织)模块化阻抗匹配解决方案，大多针对每种不同负载制作了阻抗匹配的专用微带传输线，这显然不利于经济性考量。

发明内容

本发明的目的是为解决上述困难，提供一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器，该装置通过对Blumlein带状线充电，通过开关引入电压波，产生波的折反射在负载两端形成电压差从而形成输出脉冲电压。该装置利用多层PCB带状线代替传统的同轴传输线并且设为空间层叠结构从而可以实现较小面积下的可层叠带状线设计，研制了具有紧凑型、便携式、轻量化的高压纳秒脉冲发生器，并通过多级Blumlein带状线空间层叠并联方式获取一系列输出阻抗以匹配生物医学实验中不同负载，便于研究纳秒脉冲电场作用下的生物医学效应。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于并联层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器，实质上是一种利用通信行业中常用的带状线形成波的折反射从而在匹配的负载上面产生脉冲电场，同时为了形成一个方波，通过多级Blumlein带状线空间层叠并联方式可以获取一系列输出阻抗以匹配生物医学实验中不同负载。

一种基于层叠Blumlein带状线型高压纳秒脉冲发生器,包括电源系统、固态开关系统、控制电路和层叠Blumlein带状线。

所述电源系统，包括高压直流电源和充电电阻。