1 引言
微通道板（MicroChannel Plate，MCP）选通分幅相机具有皮秒量级的时间分辨能力和二维空间分辨能力，是惯性约束聚变（Inertial ConfinementFusion，ICF）中的重要诊断工具[1~4]。ICF 聚变燃烧阶段，需要使用时间分辨率优于 30 ps 的分幅相机对等离子体进行诊断。MCP 选通分幅相机在使用薄 MCP 的情况下，时间分辨率可达到 35 ps，但同时带来了增益差、信噪比低等缺点，无法满足测量需求[5,6]。2010 年，LawrenceLivermoreNationalLaboratory（LLNL）将电子束时间展宽技术与 MCP选通分幅相机相结合，成功研制了时间分辨率为5 ps 的展宽型分幅相机[7]。展宽型分幅相机在 MCP选通分幅相机的基础上，加入了信号时间放大环节。时间放大过程：在微带阴极和阳极栅网间施加逐渐减小的时变电场，使先出射的光电子具有更高的速度。在阳极栅网和 MCP 变像管之间有一段真空漂移区，电子束团通过该区域的过程可视为匀速运动。电子间存在速度差，因此，通过漂移区的渡越时间不同。在通过漂移区后，电子束团的时间宽度为原始时间宽度与*大渡越时间差之和，即电子束的时间宽度被展宽。*后，展宽后的电子束团被MCP 变像管采集成像。为了提高空间分辨率，需要使用长磁透镜在漂移区产生强磁场，减小电子束的径向扩散[8]。长磁透镜无法在大电流环境下长时间工作，否则会产生大量焦耳热。因此，需要使用电流脉冲对长磁透镜进行激励。
脉冲的产生方式主要有传输线、直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver，LTD）、磁开关压缩、Marx 电路等，不同形式的脉冲发生器拓扑结构如图 1 所示。传输线型脉冲发生器利用传输线进行储能，通过传输线中的波过程形成方波高压脉冲，输出脉冲的宽度由传输线长度决定[9]。LTD 型脉冲发生器具有模块化的特点。LTD 模块产生的脉冲，通过变压器的感应作用同步传输到次级绕组上，并利用次级绕组串联的结构实现叠加输出[10]。磁开关压缩型脉冲发生器中，关键点为配合电容充放电时间和磁开关非饱和时间，使磁开关在前**电容完成充电时饱和导通，利用各级电容的充放电时间差异实现脉冲压缩[11]。Marx 型脉冲发生器多以电容器作为储能元件，通过控制级间转换开关的状态，实现并联充电回路和串联放电回路之间的切换，从而得到大幅值电压脉冲[12]。
本文设计了电流脉冲发生器，研究了电路参数对输出电流脉冲的影响，并模拟了电流脉冲应用于长磁透镜时获得的相机空间分辨率。
2 脉冲电流模拟结果与分析
2.1 电路结构与原理
采用串并联 Marx 电路结构进行电流脉冲发生器设计，电路结构如图 2 所示。电路使用型号为TN5050H-12WY 的晶闸管作为开关元件，可通过小功率信号控制电路导通。利用晶闸管的电流触发特性，将次级晶闸管的门极通过限流电阻接地，使次级晶闸管可在阴极电势变化时自动导通，省去了次级晶闸管的驱动电路设计，压缩了电路体积与成本。
以**条支路为例，电路导通过程如下：电路充电电压为 HV，充电过程中，晶闸管关断，各级储能电容并联充电。当触发信号到来时，晶闸管 S11先导通。S11 导通后，S11 阳极和阴极间电势差降为0 V，第**储能电容 C11的上极板电位下降至 0 V，下极板电位因感应降为 HV，**级晶闸管 S12的
门极和阴极间产生电势差，从而产生导通电流，使晶闸管 S12 导通。晶闸管 S12 导通后，同样会导致**级储能电容 C12 的下极板处于负电位，从而产生电势差，形成导通电流，使晶闸管 S13 导通。同理，晶闸管 S14 会在 S13 导通后自动导通。R11~R17 为隔离电阻，在设计时选用较大阻值的电阻，所在支路可视为断路。晶闸管 S11~S14 全部导通后，晶闸管、储能电容、负载构成放电回路，储能电容 C11~C14 串联放电，产生幅值为 4HV的电压脉冲，从而在负载上形成电流脉冲。
其余支路的导通过程与**条支路一致，触发信号同时作用于各条支路上第**晶闸管的门极，各条支路的次级晶闸管依次导通。同一条支路的储能电容串联后，与其他支路并联，共同对负载放电。
2.2 充电电压与电流脉冲关系
使用 Proteus 软件，搭建单路四级串联 Marx 仿真电路如图 3 所示。其中，充电电压为 500 V，储能电容为 2 200 μF，负载为磁透镜等效电阻 6 Ω 和等效电感 31.5 mH，级间隔离电阻值为 5 kΩ，次级晶闸管的门极通过 1 kΩ 的限流电阻接地。
改变充电电压，得到电流脉冲的峰值电流和半高宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）变化曲线如图 4 所示。当充电电压增大时，输出的脉冲峰值电流增大，且储能电容越大，电流增长曲线斜率越大，即峰值电流增长速率越快。同一储能电容条件下，充电电压增大时，电流脉冲半高宽几乎不变。储能电容越大，得到的电流脉冲平均半高宽越大。这是因为回路放电时间主要由储能电容值与放电负载决定，充电电压增大并未改变放电回路参数，故改变充电电压不影响脉冲半高宽。而在放电时间确定的情况下，充电电压增大导致电容存储电荷量增大，从而导致单位时间释放的电荷量增多，即脉冲峰值电流增大。
2.3 储能电容与电流脉冲关系
以磁透镜等效电阻 6 Ω 和等效电感 31.5 mH 为负载，改变储能电容大小，得到脉冲峰值电流和半高宽的变化曲线，如图 5 所示。由图 5（a）可知，充电电压一定时，储能电容值越大，脉冲峰值电流越大。在 100~300 μF 区间内，峰值电流的平均增长率为 60.73%；在 2 000 ~ 2 200 μF 区间内，平均增
长率为 2.89%。由此可知，峰值电流的增长率在逐渐减小，通过提高储能电容值来增大脉冲峰值电流的方式有局限。观察图 5（b）可知，脉冲半高宽随
储能电容值的增大而增大，半高宽增长率同样逐渐减小。不同充电电压的半高宽变化曲线基本重合，进一步证明充电电压与脉冲半高宽无关。
2.4 负载与电流脉冲关系
在充电电压 500 V，储能电容 2 200 μF 的条件下，分别改变负载电阻与负载电感，得到不同的电感与电阻组合，以此代表不同规格磁透镜的阻抗特性。测量不同规格磁透镜作为负载时的脉冲峰值电流和半高宽，得到变化曲线，如图 6 所示。由图 6（a）可知，负载电阻和负载电感增大时，峰值电流均会减小，且减小幅度逐渐变小。其中，负载电阻对峰值电流的影响程度更大。在图 6（b）中，负载电阻和负载电感的增大，均会引起脉冲半高宽的增大，且增长趋势逐渐变缓。其中，负载电感对脉冲半高宽的影响更大。
2.5 串联级数与电流脉冲关系
在单路 Marx 电路中，充电电压为 500 V，储能电容为 2 200 μF，负载为两种规格的磁透镜的等效电阻和等效电感，分别为 6 Ω 电阻和 31.5 mH 电感、
3.7 Ω 电阻和 4.54 mH 电感。改变串联级数，得到脉冲峰值电流和半高宽的变化曲线，如图 7 所示。由图 7（a）可知，串联级数越多，输出的脉冲峰值
电流越大。负载为 3.7 Ω 电阻和 4.54 mH 电感时，增加**串联支路，得到的输出峰值电流*大增长幅度为 80 A，随着串联级数增加，增长幅度逐渐减
小至 21 A。负载为 6 Ω 电阻和 31.5 mH 电感时，*大增长幅度为 37.6 A，并逐渐减小至 7 A。这是因为串联级数增加时，脉冲发生器内阻增大，导致输
出的电压脉冲峰值无法像理论值一样呈倍数增加，从而导致输出峰值电流的增量逐渐减小。当串联级数为 9 时，增加级数得到的电流增长率小于 5%。
此时，串联级数的增加对于输出电流峰值影响较小。此外，电流*大增长幅度随负载的增大而减小。由图 7（b）可知，串联级数增加时，电流脉冲半高
宽减小，且变化曲线趋于平缓，这是因为放电回路的等效电容随串联级数的增加而减小。
2.6 并联级数与电流脉冲关系
在充电电压 500 V，储能电容 2 200 μF，四级串联条件下，分别以三种规格的磁透镜的等效电阻和电感作为负载，改变并联级数，得到脉冲峰值电流和半高宽的变化曲线，如图 8 所示。由图 8（a）可知，并联级数的增加时，不同负载组合的峰值电流曲线均呈现先增后减的变化趋势。负载越小，曲线变化波动越大。这是因为并联的拓扑结构减小了Marx 电路的阻抗。充电完成时，储能电容两端的电压减小，使得输出的电压脉冲峰值减小，从而导致每一路 Marx 电路的输出电流减小[13]，如图 9 所示。电路输出电流为每一路 Marx 电路输出电流和并联级数的乘积，并联级数增加的同时，单路 Marx 电路输出的电流减小，导致输出的峰值电流呈先增后减的变化趋势。由图 8（b）可知，并联级数越大，电流脉冲半高宽越大。这是因为并联级数增加导致放电回路的等效电容增大，与增大储能电容值对脉冲半高宽的影响效果一致。并联级数增加时，负载越大，脉冲半高宽变化曲线的斜率越大。
