淺析中子管離子源高壓脈沖電源

國家罡

摘? 要：高壓脈沖電源擁有特定的脈沖和測量操作程序，在電場除菌、激光操作、等離子體發(fā)生器等領(lǐng)域起著十分重要的作用。隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域、油田領(lǐng)域等都開始需要應(yīng)用脈沖電源。和傳統(tǒng)高壓直流供電電源相比，脈沖式電源顯示出良好的性能，在低壓脈沖電源的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了適用范圍更廣泛的高壓脈沖電源。該文著重研究了1種基于脈沖頻率調(diào)節(jié)機制的數(shù)控高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)，并用其滿足中子管檢測系統(tǒng)對離子源的供電需求。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖電源;中子;離子源;脈沖電源

中圖分類號：TL822? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

中子發(fā)生器可以持續(xù)性發(fā)射中子，還可以以脈沖的方式發(fā)射中子并且深受離子源性能的影響，而離子源的工作狀態(tài)深受離子源結(jié)構(gòu)、磁場強度、陽極電壓大小以及離子源內(nèi)部壓力大小的影響。同時，離子源在直流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)下的工作形式不同，為了能夠增強電壓使用的安全性和穩(wěn)定性，需要相關(guān)人員就脈沖狀態(tài)下的離子源特點進行深入的研究。

1 高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓脈沖電源在運行中的主要功能是將直流電壓通過斬波的形式來產(chǎn)生具有一定頻率、脈寬的脈沖高壓電，之后將其作為中子管離子源陽極電壓，并根據(jù)不同需求來選擇中子脈沖。為了能夠獲得良好的高壓脈沖波形，該文以MOSFET作為開關(guān)器件，設(shè)計出1種脈沖和頻率可調(diào)的高壓脈沖電源，該電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中可以看出整個系統(tǒng)設(shè)計了直流高壓電源，能夠產(chǎn)生直流高壓，之后通過控制開關(guān)器件斬波會將高壓直流變成方波式的脈沖有效輸出，為中子管內(nèi)部的離子源持續(xù)供電。

2 高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

2.1 脈沖頻率調(diào)制的基本原理分析

脈沖頻率調(diào)制方式一般是指通過固定導(dǎo)通時間和改變截止時間來改變高壓脈沖電源頻率。在整個高壓脈沖電源系統(tǒng)運作的過程中，不管是負(fù)載還是輸入電壓發(fā)生變化，都會在不同程度上引起輸出電壓的變化，這種變化還會干擾到系統(tǒng)的穩(wěn)定電路。如果輸出電壓下降，系統(tǒng)通過穩(wěn)定電壓的時間和系統(tǒng)截止時間將會縮短，系統(tǒng)直流分量的快速增加會干擾高壓脈沖電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.1.1 變壓器設(shè)計

反激式變壓器一般會通過初級繞組將所接收到的能量存儲在磁性材料中，當(dāng)初級回路關(guān)斷后，將能量重新傳輸?shù)酱渭壔芈废到y(tǒng)中。在具體操作時典型的變壓器阻抗和反復(fù)繞組匝數(shù)關(guān)系不能夠直接使用。

2.1.2 緩沖器的設(shè)計

抑制高壓脈沖電源的系統(tǒng)開關(guān)應(yīng)力一般包括3種方式。1）減少漏電感的操作方式。2）消耗電壓能量的方式。3）將能量重新反饋到電源的操作模式。第一種抑制開關(guān)應(yīng)力方式需要應(yīng)用先進的工藝來完成，第二種和第三種則需要借助電感線圈、開關(guān)管并聯(lián)模式、附加的線圈、定向二極管來實現(xiàn)。

在反激的過程中，存儲在變壓器的初級電感會將能量重新傳輸?shù)酱渭壪到y(tǒng)中，次級回路中的寄生電感、電容C1寄生電感、輸出線路漏感折算會回歸到初級電感，并重新按照源極間的漏電容值重新分配在漏極電源中，這個時候過電壓引起的開關(guān)應(yīng)力就會加速管子的損壞，因此需要采取措施限制緩沖網(wǎng)絡(luò)。

2.1.3 過流保護

高壓脈沖電源的系統(tǒng)的過流保護主要包括平均電流門限檢測、漸進性的過流保護等保護方式，通過這種方式來限制整個門限的操作。過流保護操作作用下的輸出電流一般是通過在負(fù)載上串聯(lián)電阻來實現(xiàn)的。如果檢測到輸出的電流接近最開始設(shè)計的限定數(shù)值，則會在一定程度上阻礙電壓的誤差，由此來限制整個電流。而如果電壓輸出過程中突然遇到阻礙因素，且沒有及時采取措施保護功率開關(guān)，就會無法檢測進入到飽和狀態(tài)的磁性元件，最終嚴(yán)重?fù)p壞整個高壓脈沖電源的系統(tǒng)的功率開關(guān)管。針對以上的過流保護局限，人們提出逐周過電流保護方式。通過在功率開關(guān)管上串聯(lián)1個電阻互感器/電流互感器來更好地檢測通過功率開關(guān)管的瞬時間電流。如果系統(tǒng)電流超過之前設(shè)定的瞬時電流限制值，就需要及時采取措施關(guān)閉功率開關(guān)管，由此以較快的速度保護電路。

2.1.4 輸出電壓通斷開關(guān)的控制操作

高壓脈沖電源的系統(tǒng)電源輸出的最大電流為1 mA，最大功率為3 W，因而在高壓脈沖電源的系統(tǒng)運行的時候可以通過限制電源電壓和最大輸出功率來實現(xiàn)對整個操作系統(tǒng)的控制，主要是對輸出高壓通斷情況的控制。高壓脈沖電源的系統(tǒng)可以通過高壓繼電器、高壓晶閘管等來對整個系統(tǒng)高壓輸出情況進行控制。但是這種操控方式往往需要消耗較多的資金，適用范圍十分有限。

2.1.5 電容放電電路

根據(jù)電源實際需求和電路應(yīng)用性、經(jīng)濟性，在輸出電壓斷電的時候可以利用小電阻快速放電，從而使得輸出的電壓數(shù)值能夠更好地接近矩形波。高壓脈沖電源電路采用了2個1.7 kV的晶體管，在Dis-C信號是高電平狀態(tài)的時候，晶體管會被接通，之后通過R26進行放電。在整個系統(tǒng)操作時，為了防止晶體管不同時導(dǎo)通，可以通過采用穩(wěn)壓管來避免晶體管被擊穿。

3 高壓脈沖電源測試結(jié)果

從高壓脈沖電源測試結(jié)果來看，在電源深受單片機控制而無法正常工作的時候，VTr的柵極驅(qū)動電壓波形的工作頻率在80 kHz左右，單片機給出的控制信號頻率一般為25 Hz。在高壓脈沖電源系統(tǒng)控制信號處于低電平狀態(tài)的時候，VTr的柵極將不會產(chǎn)生驅(qū)動信號和輸出電壓。

在進行電容放電測試的時候，單片機不會發(fā)出放電信號，即在不通過放電電路的時候就能夠進行放電。經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電源適合應(yīng)用于中子管探測系統(tǒng)，并且經(jīng)過多次試驗和測試后發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)的操作基本達到了離子源供電所要求的技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，脈沖電源技術(shù)是在20世紀(jì)30年代、60年代產(chǎn)生的一種新興技術(shù)形式，經(jīng)過很多年的發(fā)展，這類技術(shù)形式具備了持續(xù)供電的特點，隨著工業(yè)化社會的深入開展，脈沖電源技術(shù)逐漸被人們應(yīng)用到社會生活、生產(chǎn)的多個方面。根據(jù)該文分析，設(shè)計的高壓脈沖電源具有能耗消耗少、體積小、重量輕、絕緣性能好、成本低、高壓輸出持續(xù)和電壓性能穩(wěn)定的應(yīng)用優(yōu)勢，在高壓脈沖電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障的時候，高壓脈沖電源不會因為啟動保護功能而引起其他零部件的損害，更不會對他人造成傷害。

參考文獻

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