納秒脈沖高壓電源在科研儀器中的應(yīng)用

納秒脈沖高壓電源以其極短脈寬（2-500ns）、超高上升沿（<8ns）、峰值電壓0.5-50kV可調(diào)的特性，已成為冷等離子體物理、飛秒激光泵浦、瞬態(tài)光譜、細(xì)胞電穿孔、納米材料合成等前沿科研儀器的核心驅(qū)動部件，傳統(tǒng)微秒甚至毫秒級脈沖電源完全無法企及的時空分辨率由此成為現(xiàn)實。

在低溫等離子體診斷實驗中，納秒脈沖電源使單脈沖能量精確可控到微焦耳級，配合高速ICC-CD相機可實現(xiàn)單脈沖放電通道演化全過程捕獲。研究人員通過調(diào)節(jié)脈寬10-80ns、重復(fù)頻率1Hz-100kHz，可精確控制電子溫度4-12eV、活性粒子密度10¹³-10¹?cm?³區(qū)間，首次在實驗室重現(xiàn)了大氣壓納秒放電的流注-火花轉(zhuǎn)變?nèi)^程，為后續(xù)放電模型驗證提供了決定性實驗數(shù)據(jù)。

細(xì)胞瞬態(tài)電穿孔是納秒脈沖最經(jīng)典的應(yīng)用之一。8ns、25kV/cm脈沖可選擇性打開細(xì)胞內(nèi)鈣離子通道而不破壞細(xì)胞膜完整性，傳統(tǒng)微秒脈沖則不可避免造成熱損傷。科研人員利用該電源構(gòu)建雙極性對消脈沖序列（+15kV/8ns后緊跟-14kV/8ns），成功將細(xì)胞存活率從42%提升至91%，同時鈣離子瞬時濃度提升260倍，為研究細(xì)胞內(nèi)鈣信號傳導(dǎo)提供了全新時間尺度的工具。

在Z-pinch實驗平臺上，納秒脈沖電源驅(qū)動的緊湊型脈沖發(fā)生器實現(xiàn)了峰值電流320kA、上升時間僅6.8ns的極致性能。得益于電源內(nèi)置的皮秒級觸發(fā)同步系統(tǒng)，多路脈沖時延抖動<800ps，八路并聯(lián)驅(qū)動時電流波形重疊度>99.3%，首次在桌面級裝置上觀測到清晰的磁雷諾應(yīng)力主導(dǎo)的等離子體壓縮過程。

材料合成領(lǐng)域同樣受益匪淺。納秒脈沖高壓直接擊穿液相前驅(qū)體產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體，可在室溫下合成直徑僅2.8nm的單分散金納米粒子，粒徑分布σ<6%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)還原法的15%-20%。通過調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率1-20kHz，研究人員實現(xiàn)了從單晶到多晶再到非晶態(tài)的金納米結(jié)構(gòu)可控轉(zhuǎn)變。

實際在多家國家重點實驗室與高校科研平臺，納秒脈沖高壓電源已成為皮秒激光、瞬態(tài)吸收光譜、時間分辨電子顯微鏡等高端儀器的標(biāo)配驅(qū)動源，使我國在超快科學(xué)、等離子體醫(yī)學(xué)、納米光子學(xué)領(lǐng)域的多項關(guān)鍵實驗首次具備國際領(lǐng)先的時間分辨能力。