用于中子管的數(shù)控高壓脈沖電源的研制

張偉 肖憲東 李存磊 劉永睿 宋青鋒

摘? 要：高壓脈沖電源被廣泛用于涉及國計(jì)民生的多個(gè)領(lǐng)域，尤其是一些高精尖端科研和軍事方面，其重要性得到充分關(guān)注。從我國的科技發(fā)展情況來看，很多高科領(lǐng)域都需要通過高壓脈沖電源提供穩(wěn)定的能源保障，其脈沖信號(hào)的穩(wěn)定性，及其質(zhì)量的好壞，直接決定了其在應(yīng)用中的價(jià)值。比如，數(shù)控高壓脈沖電源在中子管的運(yùn)行中是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，為整個(gè)中子形成提供電源支持功能。為獲得高質(zhì)量的中子管設(shè)備，就必須確保數(shù)控高壓脈沖電源的整體性能。

關(guān)鍵詞：中子管? 數(shù)控高壓? 脈沖電源? 研制

中圖分類號(hào)：O571.5????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????????? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（a）-0047-03

Development of Numerical Control High Voltage Pulse Power Supply for Neutron Tube

ZHANG Wei1? XIAO Xiandong1? LI Cunlei2? LIU Yongrui3? SONG Qingfeng1

（1.Dandong Dongfang Measurement & Control Technology Co.， Ltd.，Dandong， Liaoning Province，118000 China;2.School of Petroleum and Natural Gas Engineering， Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology，F(xiàn)ushun， Liaoning Province，113001 China;3.Liaoning Science and Technology Museum，Shenyang， Liaoning Province， 110167 China）

Abstract： High voltage pulse power supply is widely used in many fields involving national economy and people's livelihood， especially in some high precision advanced scientific research and military， its importance has been fully paid attention to. Judging from the development of science and technology in China， many high-tech fields need to provide stable energy guarantee through high-voltage pulse power supply. The stability and quality of pulse signal directly determine its value in application. For example， numerical control high voltage pulse power supply is an indispensable key equipment in the operation of neutron tube， which provides power support function for the whole neutron formation. In order to obtain high quality neutron tube equipment， it is necessary to ensure the overall performance of the NC high voltage pulse power supply.

Key Words： Neutron tube; CNC high voltage;Pulse power; To develop

中子管設(shè)備在很多應(yīng)用領(lǐng)域都有著極為關(guān)鍵的價(jià)值，在很多具體的應(yīng)用和科研中，其作為中子發(fā)生裝置，能夠決定這些設(shè)備和技術(shù)的整體有效性。高壓脈沖電源必須形成穩(wěn)定的能源支持，才可以保障中子管設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，高壓脈沖電源成為了一個(gè)非常重要的研究方向，國家相關(guān)研究機(jī)構(gòu)以及一些相關(guān)企業(yè)在該方面的研究已經(jīng)取得了非常顯著的效果，但在一些具體的技術(shù)方面，還需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)，達(dá)到性能更加完善、壽命更加持久的效果。

1? 高壓脈沖電源技術(shù)概述

脈沖電源技術(shù)最早起源于儲(chǔ)能技術(shù)，在該技術(shù)應(yīng)用中會(huì)形成初級(jí)脈沖，在此基礎(chǔ)上，將脈沖成形技術(shù)與開關(guān)技術(shù)整合，電磁能量被充分地壓縮獲得大功率輸出，該技術(shù)就是我們所謂的脈沖電源技術(shù)。包括X射線生成裝置，都是通過脈沖電源技術(shù)達(dá)成的。美國人率先研發(fā)了高壓脈沖電源制造微秒級(jí)脈寬X射線的相關(guān)技術(shù);英國人則將發(fā)生器與傳輸線技術(shù)融合，產(chǎn)生出納秒級(jí)別的高功率脈沖，這標(biāo)志著該技術(shù)的應(yīng)用范圍得到巨大拓展。發(fā)展到現(xiàn)在，發(fā)達(dá)國家對(duì)于高壓脈沖電源技術(shù)進(jìn)行了非常深入的研究和應(yīng)用，包括軍用與民用領(lǐng)域，都致力于提升其核心技術(shù)內(nèi)容，力爭(zhēng)形成該領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

脈沖電源技術(shù)在其形成早期，主要被用在國防科研領(lǐng)域，包括電磁軌道炮、定向束能武器、軍用雷達(dá)、熱核聚變研究等，都必須借助脈沖電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能和性能。如今，脈沖電源技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各民用領(lǐng)域，包括環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，都需要脈沖電源技術(shù)發(fā)揮其作用。這主要是因?yàn)槊}沖電源技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)迅速生成巨大能量，其目前軍事方面的應(yīng)用有衛(wèi)星推進(jìn)、大功率微波、同位素分離等。同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中也可以得到廣泛應(yīng)用，包括金屬離子注入、廢水廢氣的處理、納米級(jí)粉末加工等，都必須用到相關(guān)技術(shù)。在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也非常深入，包括心臟起搏器、結(jié)石粉碎設(shè)備、去纖顫設(shè)備等，沒有脈沖電源技術(shù)的支持就無法實(shí)現(xiàn)其功能。而隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟以及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，使得高壓脈沖電源的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用程度得到快速提升。包括數(shù)控技術(shù)用于高壓脈沖電源，使得其在智能化和可控性方面有了顯著的優(yōu)化，并在發(fā)展上得到更大的空間。

2? 中子管數(shù)控高壓脈沖電源的研制

中子管用于脈沖中子發(fā)生器，被用于軍事和民用等多個(gè)領(lǐng)域，有著極為重要的作用。在中子管的正常工作狀態(tài)下，必須通過高壓脈沖電源提供高能脈沖激發(fā)，才能產(chǎn)生所需的具備足夠能量狀態(tài)的中子。數(shù)控高壓脈沖電源通過引入數(shù)控技術(shù)，使得整個(gè)裝置的工作狀態(tài)更加可控和可靠，其研發(fā)已經(jīng)成為目前該領(lǐng)域應(yīng)用研究的核心內(nèi)容。整個(gè)研發(fā)過程需要從中子管的工作原理出發(fā)，確定對(duì)于高壓脈沖電源的性能需求，在此基礎(chǔ)上探究更加有效的實(shí)現(xiàn)方式和途徑。

2.1 中子管的工作原理

要想針對(duì)中子管所涉及的工作過程進(jìn)行深入細(xì)致的分析，要從最開始結(jié)合實(shí)際情況有針對(duì)性地調(diào)整儲(chǔ)存器的具體電流，儲(chǔ)存器燈絲在受熱的過程中會(huì)釋放出一定量的氘氚氣體，這是陽極筒完成氘氚離子的電離過程，而束流通過電極進(jìn)行快速加速，并最終對(duì)靶進(jìn)行轟擊形成中子。所研究的中子管為小型中子管，其長度200mm，直徑80mm，在性能和操作上都比較可靠。相比于其他同位素中子源，在中子產(chǎn)額方面表現(xiàn)良好，且能譜分析表明其單色性較好，能夠有效地釋放脈沖中子。中子管屬于電可控的一種中子源設(shè)備，與其他中子源相比較，其在可操作性、設(shè)備重量等方面都有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，加之其生產(chǎn)制造和維護(hù)檢修成本低，因此得到了業(yè)界廣泛的認(rèn)同，該設(shè)備大量用于流動(dòng)性的檢測(cè)等環(huán)節(jié)。從工作狀態(tài)選擇上，中子管能夠適應(yīng)直流、快脈沖、快-慢脈沖模式，數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)，就是借助中子管內(nèi)置的離子源數(shù)控高壓脈沖電源，通過該設(shè)備完成對(duì)發(fā)射脈沖頻率、寬度以及中子產(chǎn)額的有效控制，實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)中，中子管數(shù)控高壓脈沖電源選擇了反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后有針對(duì)性地融合Cockroft倍壓整流電路，進(jìn)行級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)。為了從根本上有效確保離子源電壓輸出更安全穩(wěn)定，而且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，在設(shè)備的配置方面就要有效選擇ICM7555芯片完成開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功能管理，在設(shè)計(jì)的過程中要采取高頻運(yùn)放模式，然后進(jìn)一步完善和優(yōu)化電壓的反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此充根本上有效滿足0～2.5V輸入電壓條件下達(dá)到0～2kV輸出電源電壓。對(duì)MOSFET器件柵源電容參數(shù)的設(shè)計(jì)，使得漏源開關(guān)電壓的尖峰問題得到有效控制，進(jìn)而使得2kV直流電源可從零起調(diào)，避免變壓器異響等。

2.2 中子管數(shù)控高壓脈沖電源電路設(shè)計(jì)

脈沖中子發(fā)生器主要功能就是產(chǎn)生中子，這些中子產(chǎn)生的過程需要高度可控，作為有效的中子源設(shè)備，脈沖中子發(fā)生器的核心部件為中子管，氘氚離子核反應(yīng)的過程中產(chǎn)生中子，對(duì)氘氚離子進(jìn)行有針對(duì)性的加速，然后轟擊靶標(biāo)，在這樣的情況下就形成核反應(yīng)，通過可控激發(fā)產(chǎn)生一定數(shù)量的中子。從這個(gè)意義上理解，中子管就是一種離子加速器，在中子管內(nèi)整合了離子源、離子加速系統(tǒng)、靶和氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等相關(guān)內(nèi)容，在真空陶瓷管內(nèi)部對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行有效的密封，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，使用非常方便。

數(shù)控高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括幾個(gè)主要部分，包括：直流高壓電源、脈沖壓縮單元、儲(chǔ)能單元、主開關(guān)以及負(fù)載。在設(shè)計(jì)變壓器的過程中，在反激拓?fù)湓O(shè)計(jì)中有針對(duì)性地融合隔離變壓器與輸出電感器等相關(guān)設(shè)備的功能，這樣能夠充分確保拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定，有更加良好的輸出效果，這種功能上的整合使得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具穩(wěn)定性。電能轉(zhuǎn)換過程中，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，把開關(guān)元件、變壓器以及輸出元件設(shè)計(jì)成可以承受大波動(dòng)電流的承載能力，該設(shè)計(jì)能夠避免電源效率低的缺點(diǎn)，并可突破限制將反激電源功率做到高于150W。

對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮多個(gè)重要的因素，在系統(tǒng)中相位裕量以及增益裕量如果不能很好地得到滿足，則會(huì)造成各閉環(huán)系統(tǒng)的整體不穩(wěn)定工作狀態(tài)。針對(duì)這一問題，通常的解決方法就是利用低通濾波器，對(duì)整個(gè)高壓脈沖電源的各輸出端所形成的高頻噪聲進(jìn)行整流濾波，通過此方式進(jìn)行處理，使得輸出的直流電壓更加平穩(wěn)。然而，在電路中引入相移，由此在很大程度上降低開關(guān)電源工作的相位裕量，為了確保直流電壓輸出更安全穩(wěn)定，要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)電源，同時(shí)進(jìn)一步有效采取引入負(fù)反饋環(huán)路方式，從根本上有效改善輸出電壓的相關(guān)指標(biāo)。比如負(fù)反饋環(huán)路的引入，可以形成電流輸出端的180°相移，如果干擾存在，反饋端會(huì)直接將與干擾信號(hào)相移相反的干擾信號(hào)傳輸給比較端，用于對(duì)干擾影響的抑制和平衡。該設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用中，需要確保反饋端相位不能保持180°不變，這主要是考慮電路內(nèi)部相關(guān)的元器件延時(shí)性方面存在很大的差異。電容電感器件上的電壓電流相位在電流的頻率變化影響之下，也會(huì)出現(xiàn)額外相移，由此使得開關(guān)電源在具體工作環(huán)節(jié)不夠安全穩(wěn)定。

2.3 中子管數(shù)控高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)脈沖中子發(fā)生器離子源電源需求，設(shè)計(jì)串聯(lián)IGBT推挽式直流斬波電路，給出多管串聯(lián)IGBT靜態(tài)動(dòng)態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)設(shè)計(jì)方法，與此同時(shí)要對(duì)其進(jìn)行行之有效的驗(yàn)證和仿真模擬測(cè)試等。對(duì)于電路分布電感參數(shù)對(duì)脈沖電壓尖峰產(chǎn)生的影響要全面深入地分析，然后通過相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證來進(jìn)一步有效明確均壓網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)對(duì)尖峰電壓產(chǎn)生的負(fù)面影響或者抑制作用。尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因要深入分析，然后以相應(yīng)的分析結(jié)果為基準(zhǔn)，在上橋臂導(dǎo)通回路中串聯(lián)阻尼電阻減小IGBT導(dǎo)通瞬間電流的變化率，通過這種方法使尖峰電壓的產(chǎn)生，能夠得到充分的降低和抑制。在負(fù)載端設(shè)計(jì)阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，必須進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算和調(diào)試，選取切實(shí)可行的吸收網(wǎng)絡(luò)元器件參數(shù)，然后結(jié)合實(shí)際情況有效利用多樣化方式融合的方法進(jìn)行靈活有效的應(yīng)用，通過這樣能夠從根本上有效確保脈沖電壓尖峰過沖百分比得到切實(shí)降低，脈沖電壓上升沿和下降沿時(shí)間在2 μs內(nèi)，這與脈沖中子發(fā)生器電源指標(biāo)能夠有效吻合。

3? 結(jié)語

綜上所述，脈沖中子發(fā)生器被用于很多軍事和民用領(lǐng)域，對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)建設(shè)有著極為重要的影響，特別是一些影響巨大的核心應(yīng)用方面，是國家戰(zhàn)略能力的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)。中子管是脈沖中子發(fā)生器的核心部件，其功能就是要產(chǎn)生并釋放中子，而數(shù)控高壓脈沖電源對(duì)于中子管的穩(wěn)定工作有著至關(guān)重要的影響，也是其技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的重要方向。從這個(gè)意義上來說，對(duì)中子管用數(shù)控高壓脈沖電源的研究探討，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)影響。

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