[发明专利]一种超快斜坡扫描脉冲产生电路及产生方法

说明书

本发明公开了一种超快斜坡扫描脉冲产生电路及产生方法，该方法包括：当第一MOSFET开关管Q1导通时，压控电流源VCCS对偏转板的等效电容C1进行充、放电，获得具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲；通过调节恒流源的充电电流大小，对具有快速前、后沿的斜坡扫描脉冲斜率进行调节。本发明采用了一种基于MOSFET全新设计，利用本发明产生的超快斜坡脉冲具有很高的线性度(线性区间可高达96％)，从而解决了传统电路脉冲延时大，电路及元器件耐压幅值要求高，且脉冲重复工作频率受限的问题，其结构紧凑，档位(斜坡脉冲斜率)可根据需求调整，从而不受体积限制等问题。

技术领域

本发明涉及超快斜坡电脉冲产生技术领域，更具体的涉及一种新型超快斜坡扫描脉冲电路、及超快斜坡扫描脉冲产生方法和斜率调整控制方法。

背景技术

超快现象(持续时间小于1μs)广泛地出现在自然或科学技术研究中。例如，植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、半导体材料载流子寿命、激光材料中的超快光激发态驰豫过程、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲其持续时间、强光与物质相互作用物理过程等多在皮秒至飞秒量级，甚至于阿秒量级范围内。因此超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。

条纹相机能够同时提供超快过程的一维空间(或光谱)、一维强度和一维时间共三维超快信息。条纹相机作为目前唯一的高时空分辨率的超快现象线性诊断工具，在时间分辨的超快现象研究中发挥着难以替代的作用，是实现微观和超快过程探测的必要手段。条纹相机主要由输入光学系统、条纹变像管、工控及电源模块、扫描模块、像增强器及耦合系统、图像采集及分析等组成。

条纹相机系统的工作原理如图1所示。待测光信号脉冲通过光学狭缝及输入光学系统成像至条纹管光电阴极处。到达光电阴极的光脉冲分别包含不同的时间、空间和强度信息，光脉冲信息经光电转换被转为与光脉冲序列具有同等特征信息的电子束序列后，通过电子光学系统加速、调制以及偏转后轰击荧光屏显示具有不同时间及空间信息的图像。不同时刻光脉冲产生的电子束经过条纹变像管偏转系统的偏转电极时，偏转电极施加与入射光信号同步触发的斜波高压电脉冲，对不同时刻到达的电子束实现高速扫描，使其在垂直方向以距离中心线不同位置入射到荧光屏上，荧光质又将电子脉冲信号转换为光信号图像。因此，在荧光屏上，先到达的待测光脉冲图像会成像在荧光屏上方某一位置，其他的待测脉冲信号则依次从上到下排列，换言之，垂直方向就相当于一个时间轴。荧光屏上图像不同的亮度信息与待测光脉冲信号的强度相对应，荧光屏图像水平方向则与待测光脉冲空间位置信息相对应。因此，条纹相机是可同时探测时间、空间、强度等信息的成像仪器。条纹相机工作实质是利用施加于偏转电极上的超快斜坡脉冲对电子的扫描偏转，完成光电子时空信息的转换，从而实现了超快的时间分辨；条纹变像管成像单元的尺寸及偏转灵敏度决定了扫描脉冲的幅值，因此，超快斜坡脉冲的斜率决定相机的扫描时间档位，进而决定了相机的极限时间分辨率，超快斜坡脉冲的线性度也直接影响最终条纹相机的时间分辨率精度。因此，扫描模块中超快斜坡电脉冲的产生作为条纹相机的关键核心技术，超快斜坡电脉冲的斜率、非线性、晃动、延迟等对条纹相机整体性能起决定作用。

传统的扫描脉冲产生电路及调速原理如图2所示。其主要利用晶体管的雪崩效应和利用阻容元件构成的积分电路来产生高压斜坡脉冲。利用雪崩晶体管虽然可以获得快速边沿的脉冲，但是在大电流的频繁冲击下，元器件的使用寿命大大下降，另外，受制于雪崩晶体管所允许的耗散功耗，在高重复频率下，由于雪崩晶体管的脉冲产生电路的开关损耗也随之升高，因而其重复频率一般都不高。上述高压脉冲经由阻容元件构成的脉冲整形电路后转换为所需的斜坡脉冲，但是该脉冲整形电路的线性度受电路中电阻和电容的影响较大，电阻和电容元件的分散性会导致线性度和斜率的变化，进而导致扫描速度的变化，因而对脉冲整形电路的匹配较为繁琐。特别当回路中有寄生电感时，会发生RLC振荡，会导致匹配更加复杂。