（核技术及应用专业论文）便携式1010ns中子发生器电路系统的研制.pdf

摘要 论文对所研制的新一代便携式1 0 ”n s 中子发生器电路进行 了全面的介绍，对离子源电路，存储器电路，特别靶极高压电路 结构进行深入剖析。 在离子源电路中采用集成的d c d c 高压模块，使原电路得到 简化。研制出新型的中子管气压自动控制电路，同时引入p i d 调 节，更好的实现了对存贮器加热电流的控制，使用具有国际先进 水平的v i c o y 电源模块研制出存贮器加热电源，这些措施保证了 离子源的稳定工作。 研制开发出2 0 0 k v 、5 f f l a 的便携式靶极高压电路，该电路采用 直流稳压系统逆变器一倍压电路的电路结构，直流稳压电路采 用开关一线性双重调压技术，实现0 2 5 0 v 连续可调。逆变器采 用较高的工作频率，有效的减小了中子发生器的体积。在研制过 程中发现并提出了用增大升压变压器漏感的方法来减少倍压型高 压电路的无功损耗，这为研制大功率高压电源和提高这种电源可 靠性提供了一种有效方法和手段。 关键词：中子管，1 0 ”n s 中子发生器，气压自动控制电路， v i c o r 模块，靶极高压电路， a b s t r a c t t h ec i r c u i ts y s t e mf o rt h ep o r t a b l es e a l e dt u b en e u t r o n g e n e r a t o r w i t hn e u t r o n y i e l dm o r e t h a n10 1 0 n si sd e s c r i b e d i nt h i st h e s i s t h ei o ns o u r c ec i r c u i t ，t h er e s e r v o i rc i r c u i t a n dt h et a r g e th i g hv o l t a g ec i r c u i to ft h i sn e u t r o n g e n e r a t o r a r es t u d i e di nd e t a i l a c o m p o s i t i v ed c d ch i g hv o l t a g em o d u l ei su s e d t o p r o d u c et h eh i g hv o l t a g ef o rt h ei o ns o u r c eo f t h en e u t r o n t u b e ，t h u sw es i m p l i z e t h es t r u c t u r eo ft h i sc i r c u i t w e d e v e l o p e d an e wa i rp r e s s u r ea u t o c o n t r o lc i r c u i t t h ep i d c o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e di nt h ec i r c u i tf o rc o n t r o l l i n gt h e c u r r e n to ft h er e s e r v o i ra n da i rp r e s s u r eo ft h ei o ns o u r c e b e t t e r w ed e v e l o p e dan e w p o w e r f o rh e a t i n gt h er e s e r v o i r t h r o u g hu s i n gv i c o rp o w e rm o d u l ew h i c h i sf i r s t c l a s si n t h ew o r l d t h e s em e a n si m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ei o n s o u r c e a p o r t a b l et a r g e th i g hv o l t a g ec i r c u i tt h a th a s2 0 0 k v , 5 m ao u t p u ti s d e v e l o p e d i n t h ec i r c u i t ，w ea d o p tt h e i l s t r u c t u r eo fd i r e c t c u r r e n t ，s t e a d yv o l t a g e i n v e r t e r m u l t i p l i e r c i r c u i t w e a d o p tb o t h s w i t c h a d j u s t m e n ta n d l i n e a ra d j u s t m e n tm e t h o di nd i r e c tc u r r e n ts t e a d yv o l t a g e c i r c u i t ，a n da c h i e v et h ec o n t i n u o u sa d j u s t m e n tf r o m0 v d c t o2 5 0 v d c t h e w o r k i n gf r e q u e n c y i sc h o s e na th j l g hw a v e b a n d ，w h i c h d i m i n i s h e st h ev o l u m eo ft h e n e u t r o n g e n e r a t o rt o ag r e a te x t e n t f o rp u r p o s eo fr e d u c i n gt h e r e a c t i v ep o w e rp r o d u c e db yt h ec o c k c r o f t w a l t o nv o l t a g e m u l t i p l i e r , t h em e a n so fi n c r e a s i n gt h el e a k a g e i n d u c t a n c e o ft h e1 - f i 【g hv o l t a g et r a n s f o r m e ri sp u tf o r w a r d i nt h et h e s i s ， a n d a n a l y z e ds i m p l yi nt h e o r y t h e nan e w m e t h o da n d m e a n si s p r o v i d e d f o r d e v e l o p i n gh i g h e rp o w e rh i g h e r v o l t a g ee l e c t r i c a ls o u r c e ，a n di m p r o v i n g t h e i rr e l i a b i l i t y k e y w o r d s n e u t r o nt u b e ，n e u t r o ng e n e r a t o rw i t hn e u t r o n y i e l dm o r e t h a n10 1 0 n s ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r ea u t o 。c o n t r o l c i r c u i t ，t a r g e th i g hv o l t a g e c i r c u i t ，v i c o rp o w e r m o d u l e s i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：立壶垄丛日期：趔垒：星 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：襁象4 指导教师签名：童趁竖： 日 期：趔，：8 l e t 期：i 翌丝笸塑 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：互油盍堂1 生壅2 通讯地址：出壅省壅萱直j 三堕2 11 曼 电话：( q 4 鱼8 3 2 21 q 邮编：2 5 z q 盟 引言 中子技术已经在社会生产的很多领域得到广泛应用，在一些 特殊应用场合，如探测铅封的物品内部的情况时它是其它射线技 术无法代替的。中子技术在国民经济、社会发展和国防工业中有 着广泛的应用前景。 密封的中子发生器是一种新型可控式人工中子源。中子发生 器和同位素中子源相比，具有中子产额较高，能谱单色性好，无 y 本底，可产生脉冲中子，不用时可关断，防护容易，储存管理 和运输方便等优点；与反应堆或大型加速器中子源相比，有消耗 功率小，无须真空系统和冷却设备，维护管理简单等优点。作 为中子源的一种，密封中子发生器是同位素中子源与反应堆和大 型加速器中子源所不能替代的。 在美国1 0 1 s 产额的中子管技术已经趋于成熟，并开始向应 用阶段发展c 27 0 我国密封中子管的研究始于2 0 世纪7 0 年代。经 历3 0 多年的研究，中子管技术得到长足的进步，我校辐射技术研 究所具有自主知识产权的自成靶陶瓷中子管技术在国内独树一 帜。1 0 n s 陶瓷自成靶中子发生器，已经在石油测井和中予辐照 等方面广泛应用。 对于中子活化分析和中子照相等领域的研究和应用，1 0 8 n s 产额的中子管已不能满足要求。辐射技术研究所在1 9 9 3 年研制出 1 5 1 0 ”n s 中子管，并以其为核心开发出的中子发生器的产额 达到1 8 1 0 ”n s 3 】，但是存在两个缺点：1 、整个发生器体积大， 无法满足便携的要求：2 、电路中未采用气压自动控制等措旌来稳 定中子产额。 为了提高该中子发生器的性能。满足新的应用对中子发生器 便携性和产额稳定性的要求，我们采用一系列技术对中子发生器 电路进行了改造。 第一章中子发生器的组成及工作原理 中子发生器由中子管及其相关电路组成，中子管是中子发生 器的核心。中子管工作时，需要三组供电电源：离子源电源、存 贮器加热电源和靶极高压电源“3 ，它们提供了中子管工作时所需 的电流、电压，电路的优劣直接影响中子发生器的性能。 第一节中子管结构及工作原理 i 1 1 中子管的结构 中子管实质上就是一种最小型的加速器。它把离子源、加速 聚焦电极、靶和气压调节系统全部密封在一支陶瓷管内，构成一 支结构简单紧凑、使用方便的电真空器件。图1 ，1 是n t 8 0 2 型自 成靶陶瓷中子管的结构。 图1 1n t 8 0 2 自成靶陶瓷中子管结构原理图 1 、离子源 离子源的作用是为核反应提供待加速的离子，现阶段国内中 子管基本都采用冷阴极潘宁离子源。它具有结构简单、能在高真 空下工作和寿命长等优点，是中子管最理想的离子源。影响离子 源性能的主要因素有：离子源的结构；磁场强度的大小；阳极电 2 压的大小和离子源内部气压的大小1 。当离子源结构和磁场强 度确定后，阳极电压的大小和离子源内气压的变化直接影响离子 源工作的状态。为得到稳定的离子束流，一方面要提高其阳极电 压的稳定性，另一方面要采取措施稳定离子源内( 中子管内) 的 气压。 2 、靶 靶是中子管内核反应的场所，工作时其内部吸附的气体和打 入靶内的高能离子发生核反应产生中子。大多数玻璃中子管采用 商品氚靶，这种靶存在如下缺点：( 1 ) 它在制作前已吸满氚，对 于一次性密封中子管来说，在制管时不能采用高温排气工艺，管 内零件不能彻底除气，这会严重影响中子管真空性能、耐压性能 和工作稳定性。( 2 ) 靶内的氚会被氘置换，氚的浓度会逐渐降低， 中子产额也会逐渐降低，这将减少其工作寿命“1 。 自成靶解决了上述问题，开始制管时靶内无氘氚气，而是在 存贮器内吸入一定数量的氘氚气，老练中子管时氘氚离子逐渐打 入靶内，数小时后靶内氘氚含量达到饱和，形成了自成靶。采用 这种工艺，中子管在制作过程中可以在高温条件下排气，保证了 中子管具有良好的真空性能口。由于靶内氘氚含量在工作时可以 自动补偿，中子管的工作寿命也不再受靶的限制。 3 、存贮器 存贮器是气压调节的核心元件。中子管是靠存贮器来储存工 作气体( 氘氚气) 和调节管内气压的。存贮器一般由吸氢能力强 的粉末( 如钛粉，锆一石墨粉) 和加热丝组成。它在一定温度下 吸附一定量的氘氚气，并能在温度升高时放出氘氚气。中子管工 作时，通过存贮器加热电流来调节其温度，控制它的吸气量，进 而控制管内气压强1 。 辐射技术研究所制成功的1 5 x 1 0 1 s 密封中子管的结构如 图1 2 所示。和n t 8 0 2 型不同的地方是它采用可拆卸的真空绝缘 外壳和商品钛靶。为了延长中子管的用寿命，1 5 1 0 ”n s 的中 予管设计了可拆卸的结构，使其易损件( 尤其是靶) 可更换。中 子管的密封采用不锈钢法兰、无氧铜垫圈密封结构，其漏气率小 于1 0 p a l s 。由于靶温对靶中氚的浓度影响很大，而且氚的浓 度对中子产额又有很大的影响，所以必须采取靶的冷却措旆凹1 。 这就更好地保证中子管工作的稳定性和提高产额。 1 法兰，2 陶瓷绝缘外壳，3 存贮器，4 离子源， 5 加速聚焦电极 6 靶，7 冷却水 图1 21 5 1 0 ”n s 密封中子管结构原理图 1 1 2 中子管的工作原理 中子管与加速器工作原理相似，由离子源产生的氘离子，经 加速聚焦系统加速后打在靶上，与靶中的氚发生下列核反应： ；日+ 一；胁+ ：n ( 1 1 ) 放出1 4 m e v 中子。 1 1 3 中子管的工作过程 开始工作时，首先给中子管加上离子源阳极电压，为气体电 离提供电压，如果中子管真空正常，此时离子源放电电流为零。 接着调节存贮器加热电流并逐渐增加，2 s i n 一3 m i n 后，氘气逐步 放出，在离子源电压的作用下氘气电离，并产生离子源放电电流。 最后开启靶极高压，并缓缓增) j n 电j i , ，当电压增加到一定值时， 开始放出中子。随着高压的增加，中子产额不断增加。 当停止工作时，首先缓慢降低靶极高压至零，然后减小存贮 器电流，离子源放电电流逐渐降低，当放电电流降为零时，说明 管内气体己吸回，最后关闭离子源阳极电压。 第二节中子发生器电路组成 中子发生器电路主要包括离子源电路、气压自动控制电路和 靶极高压电路三个部分，如图1 3 所示。 图i 3 中子发生器电路框图 离子源电路为离子源工作提供阳极电压，一般2 5 k v 。它的 工作状态决定中子管的工作状态：如果该电路提供直流电压，中 子管就连续产生中子；如果它提供脉冲电压，中子管就产生同步 的脉冲中子，发射中子脉冲的频率、占空比和该电压的频率、占 空比相同。我们研制的是直流中子发生器，需要为离子源阳极电 路提供5 k v 的直流电压、虽大输出电流2 0 m a “。 气压自动控制电路由存贮器加热电源和气压控制电路两部 分组成。存贮器加热电源提供存贮器加热电流，气压控制电路根 据管内气压的变化自动控制存贮器加热电流的大小，实现对中子 管内气压的调节，使其稳定。实验表明中子管内气压的变化对中 子产额的稳定影响很大，因此提高该电路性能是很有意义的工作。 靶极高压电路提供氘离子加速所需的负高压。靶极高压电路 是中子发生器电路的重要组成部分，它在中子发生器中所占体积 很大，为了实现中子发生器的便携功能，减小靶极高压电源的体 积是关键。实验表明中子产额和靶极电流成正比，和靶极电压的 3 5 8 次方成正比。因而研制高产额中子发生器，需要提高靶极 高压电源的输出电压和电流，而且提高高压电源的输出电压能更 快的提高中子产额。1 0 ”n s 中子发生器所需要的靶极电压不低于 2 0 0 k v ，靶极电流不少于5 m a ”3 。 6 第二章离子源电路和存贮器电路 第一节离子源电路 为提高中子产额，需要增大离子源放电电流。在磁场强度确 定和气压一定的条件下，可通过适当地提高离子源阳极电压来实 现这个目的。i 0 ”n s 中子发生器离子源阳极电压不低于5 k v 、最 大输出电流不低于2 0 m a ”1 。 过去直流中子发生器的离子源阳极电压大多采用变压器升 压，再整流滤波得到。为提高离子源的工作稳定性并简化电路结 构，我们采用集成的d c d c 高压电源模块d w t 5 0 2 2 0 f ”。来研 制离子源阳极电路，该模块的主要参数是： 输入电压：d c 2 4 v 输出电压：o 一+ 5 0 0 0 v 线性可调 最大输出电流：2 0 m a 调节方式：外接电位器 时漂：0 。1 温漂：0 0 3 电压稳定度：0 1 负载稳定度：0 5 外形尺寸：拖板式：1 5 0 x 1 5 0 r i o n 从上面的参数可以发现，该模块的性能优良，完全能满足 1 5 x1 0 ”中子管对离子源阳极电压的要求。离子源电路如2 1 图 所示，低压电源的+ 2 4 v 输出为高压模块供电。r w 是调节输出电 压的电位器，通过调节r 。可以把输出电压固定在4 - - 5 k v 。 1 n 一电压输入端 o u t 一高压输出端 a d 一输出电压调节端 g n d 一地 v r e f 一模块内部基准电压输出端( 5 v ) 图2 1 离子源电路 第二节气压自动控制和存贮器加热电路 中子发生器在工作时，离子源内( 中子管内) 气压的变化是 影响离子源的工作状态主要因素，因此，我们研制了气压自动控 制电路来稳定气压。电路图如图2 2 所示。该电路通过离子源阳 极电流对管内气压进行采样，根据它的变化来控制存贮器加热电 流，达到控制气压的目的。根据在这个控制过程中所起的作用， 电路可以分成采样回路；执行回路和调节器电路三个部分。 2 2 1 采样回路 该回路由离子源阳极高压电源、采样电阻r s 和离子源组成。 离子源内气压的变化将引起电离电流的变化，利用串入回路的电 阻r s 将电流转化成电压。该电压就是管内气压的采样信号。 2 2 2 执行回路 该回路由存贮器加热电源、v m o s 管t v 和存贮器组成。 1 5 1 0 。n s 中子管要求存贮器加热电源提供o - - 6 v 、电流 为5 a 的交流电嘲或相应直流电，这里采用的是直流电。 图2 2 气压自动控制电路 1 、存贮器加热电源模块v i c o r 介绍嘲1 3 由v i c o r 构成的存贮器加热电源电路如图2 3 所示。图中的 v i 一2 6 0 一c w 是第一代v i c o r 驱动模块。输入3 0 0 v 直流电压，输出 5 v 、最大输出电流2 0 a 。 c l b v i - 2 6 0 铡 c 1 ：耐压5 0 0 v ，容量为4 7 0 0 p f 的y 电容器 c 2 ：0 o l u f 陶瓷电容器。 图2 3 存贮器加热电源电路 9 5 y 2 0 v i c o r 模块是美国v i c o r 公司生产的一种高性能集成d c d c 电源模块。该模块采用成熟的零电流开关技术，其变换器的工作 频率可超过i m h z ，效率高于8 0 。 零电流开关变换器基本原理图如图2 4 所示。当m o s f e t 开 关管导通时，电流会从输入直流电源传输到l c 谐振电路( 该谐振 电路由变压器t l 的固有漏感和t 1 次级的电容c 组成) ，发生谐振 使流过开关管的电流近似半波正弦波，这样可使开关管在零电流 状态下导通，零电流时关断。低通滤波器( l o ，c o ) 用于降低输 出直流电压的纹波。其各处工作波形如图所示。采用零电流开关 技术后，由于m o s 管是在零电流的情况开关，使输入能量可以近 似无损耗地传输到输出端，同时大大减小传导噪声和辐射噪声。 g a t g a t 墓 器g a t r 门 图2 4 零电流开关变换器工作原理图 第一代v i c o r 模块从功能上可以分为驱动器模块和倍增器 模块，驱动器模块内部含有反馈和控制电路，可以单独应用。为 了增大输出功率，驱动器模块可以并联使用。倍增器模块没有反 馈和控制电路，倍增模块只能和驱动模块联合使用。 1 0 v i c o r 模块有4 个输入端+ i n ，一i n ，g a t eo u t ，g a t ei n 。 + i n ，一i n 是直流电压输入端。 g a t eo u t ( 控制信号输出端) ：输出的脉冲信号，和倍增模 块的g a t ei n 端相连，用于同步驱动倍增模块，以便实现驱动模 块和倍增器模块之间的电流均分。 g a t ei n ( 控制信号输入端) ：对于驱动模块来说是逻辑控制 ( 启动、停止) 的输入端。当g a t ei n 脚电平拉低时，( 以- - v i n 为参考电位，电流为6 m a ，电压 十 第三节升压变压器和倍压整流电路 3 3 ，l 电路结构 靶极高压的产生主要由两部分完成：高压变压器和倍压整流 电路。倍压电路采用6 ，5 级半臂逆对称型电路，如图3 7 所示。 图3 7 倍加整流电路结构图 图中v ，。是逆变器输出的方波电压，c 。一c 。为是0 0 2 2 u f 的 c h 8 5 型高压聚笨乙烯电容器，耐压6 0 k v 。d ，一d 。为2 c l g l 0 0 6 0 型硅堆，耐压6 0 k v 、最大电流l o o m a 。 3 3 2 倍压整流电路的等效电路汹m 6 3 倍压整流工作时，高压硅堆可以近似看成理想二极管，在输 入负半周时，d 、d 。d 。导通，d 。、眦d 。截止。倍压整流电 路可以等效为如图3 8 所示的电路，其充电电路由7 个支路并联 组成，假设所有电容值为c ，其总的等效电容值 c 、：c f | 旦| f 旦| | 曼| i 竺f | ! | l 曼文9 5 c c 2c 4c 6c 8c l o c i 2 c 1c 3 c 5 c 7岛c l l c i 3 图3 8 负向充电回路 在输入正半周时，d ，、d ，d ，截止，d ：、d 。d ，。导通，其等效 电路如图3 9 所示，其充电电路由6 个支路并联组成，其总的等 效电容值 c 正= 詈筹c 。l t c 。，焉噎乩2 s c c 2 c 4 c 6 c 8 c l o c 1 2 c 1c 3 c 5 c tc 9c 1 1 c 1 3 图3 9 正向充电回路 可以用e ：毕作为倍压整流电路的等效电容。 z 在正常条件下，电容上的电荷在工作中并不完全放掉，大部 分电荷仍然保存着，故等效电容比上述计算值- j q l i 多，在额定负 载时等效电容为计算值的5 1 0 。“，在轻载时这个百分数更小。 把使用的电容值2 2 0 0 p f 代入，则我们所用的倍压整流电路的等效 电容值c o = 毕5 = 1 5 9 c 0 0 5 = 1 7 5 p f 。 z 3 3 3 升压变压器等效电路 升压变压器可以等效成如图3 1 0 所示的电路。图中r 。为变 压器初级直流电阻，测得值为8 q ，l 。为初级漏感，l 2 为次级漏感， k 为激磁电感，c 。为高压变压器次级分布电容。 图3 1 0 升压变压器等效电路图 从上面分析的可知，我们可以把升压变压器和倍压整流电路 等效为如图3 1 1 所示电路。实测c 。得1 1 2 p f ，比c 。小一个数量 级，可忽略。该电路折合到初级的等效电路如图3 1 2 所示，图中 表达式的r l 为变压器的变压比。 r i l 1r l 2 图3 1 l 升压变压器与倍加电路等效电路 r i l it 2 n 2 图3 1 2 折算到初级的等效电路 3 ，3 3 增加升压变压器漏感来减少无功损耗 高压电路使用的大变比升压变压器和多级倍压整流电路对于 逆变器的来说是容性负载，工作时会产生无功损耗。对于小功率 高压电源，可通过增大逆变器电源的容量来解决，但对于中大功 率高压电源，上面的措旌就显得力不从心了。这就要求我们采用 一定的无功补偿方法来提高电源的功率因数，减小电路的无功损 耗。 在文献 2 5 中提出在升压变压器初级侧并联电感的方法， 对倍压整流电路和升压变压器的等效容抗进行补偿。图3 1 3 为并 联电感补偿等效电路图和相量图，x c l 和x c z 分别为升压变压器 和倍压整流电路的等效电容c l 、c 2 的容抗，x l 为补偿电感感抗， r h 为高压负载等效电阻。如相量图所示。i l 为补偿前电流，i 为 补偿后电流，如果补偿适当，则i 和i h 相等。这时就消除了容性 负载引入的无功损耗。 lz “ r h ( a )( b ) 图3 1 3 并联电感补偿等效电路与相量图 在实验过程中我们还发现了另外一种有效的补偿方法，即增 加变压器的漏感。采用这种方法也可以有效地减小逆变器开关管 通过的峰值电流，消除升压变压器发热现象，降低无功损耗，提 高电源效率并提高该电源的工作可靠性。 在高压实验中发现高压变压器的绕制对电路的工作状态有很 大影响，这里仅介绍两种比较典型的结果。高压变压器磁芯的材 料为r k 2 b ，外型为e c 9 0 ，变压比n 为1 ：8 0 。1 号变压器采用 常规绕法，在框架上首先密绕初级，再绕次级；2 号变压器是在 特别的胎具上分别绕好两组独立的线圈，脱胎后，两线圈分别用 聚四氟薄膜绝缘，然后将两组线圈并排套在磁芯中。经过测量，1 号变压器初级漏感为o 0 2 3m h ，次级漏感为0 1 4 h ，2 号变压器 初级漏感为0 1 1 8 m h ，次级漏感为o 9 0 5 h ，变压器的激磁电感 l o 均为2 3 m h 。分别由l 、2 号变压器组成如图3 1 所示高压电路， 电路的其余部分不变。在实测中发现两个电路的工作状态相差很 大，在相同的高压输出情况下，电路l 的输入电压明显高于电路 2 。另外在逆变器电路图3 4 中的a 点测得的1 、2 号电路的电流 波形如图3 1 4a ) ”所示。电路l 中输入电流在导通后的很短时 间内出现较大的峰值电流，当高压输出1 0 0 k v 时已达1 8 a ，这对 v m o s 管的选择提出了很高的要求，实验中v m o s 管常因电流过大 而损坏。同时随着电流增大，高压变压器的磁芯进入饱和状态， 磁芯发热。电路2 中输入电流波形发生了变化，峰值电流下降了 很大，当高压输出l o o k v 时只有5 a 左右，这就降低了对v m o s 管 的要求，同时变压器磁芯也不发热了。 + 涨f 屯j 二ej 二l f 乇 f l8 蝴 l 矩 丑，战 图3 1 4a ) l 号电路波形图b ) 2 号电路波形图 把倍加电路等效电容和变压器的等效电感值代入图3 1 2 中， 电路1 和电路2 的参数如图3 1 5 ( a ) 、( b ) 所示。在计算机中用 e w b ( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ) 对电路进行模拟：分别对如图3 1 5 ( a ) ( b ) 所示的电路加上6 2 5 k h z 、1 2 0 v 的方波输入，所得电路 波形与实际测得波形近似，这说明对电路的等效计算是合理的。 图3 1 5a ) 电路1 等效电路b ) 电路2 等效电路 增加漏感能减少无功功耗，提高电源效率。为了验证这种 补偿效果，我们分别对由变压器1 和变压器2 构成的高压电路进 行仔细的测试，得到如图3 1 6 所示的高压电源效率( ，辅叱 ) 1 输入 与输出电压的关系曲线。发现电路l 的效率一直低于电路2 的效 率，并且电路1 的效率随输出电压的增加而下降，而电路2 的效 率相对恒定。电路1 不能长期稳定工作，电路2 则可以长期稳定 工作。 9 0 邑8 f l ；l 卜 糕7 0 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 8 01 8 02 0 n 高压输出( k v ) 图3 1 6 输出电压和效率关系图 3 3 4 结论 通过以上分析，可以得出以下结论：增加变压器的漏感，可 以改变输入电流的波形，大大降低通过逆变器开关管的电流峰值， 减小开关管和变压器的功耗，增加了高压电源的可靠性。 第四节保护电路 4 1 接地保护 靶极高压电路最高电压达2 0 0 k v ，要保证设备和操作人员的 人身安全，整个设备的外壳必须良好接地。为了判断设备是否良 好接地，设计如下电路。 如图3 培所示，电网上2 2 0 v 的交流电，经保险丝、主电源 开关k 0 、交流滤波器送到主功率电路的换相开关k ，。根据接地情 况控制继电器j 。的断开或闭合，实现断开或接通主功率回路的。 图3 1 8 接地保护电路 电路根据零线和大地等电位，只有火线和地线构成回路时才 可能启动继电器j l ，使常开触点j 。j 。闭合，从而接通主功率 回路。当接地端点已经接大地，此时a 线不是火线( 即a 为零线， b 为火线) ，继电器j 。的线圈上无电流，j ，。j 。一：两触点处于断开 状态，此时主功率回路没有接通。这时需要用换相开关k i 对a 线 和b 线进行换相，满足继电器j ；启动条件，电路就能接通。但如 果接地端点没有接地，无论k 。在什么位置，j 。都不会接通，j 。 j 卜吧将一直处于断开状态，主回路断开。 4 2 过压保护 靶极高压的过压保护主要是用来保护中子管的安全，防止靶 极电压超出中子管的耐压极限，保证中子管工作安全，同时也保 护高压电源。 过压保护电路如图3 1 9 所示，过压保护采样信号v 。来自高 压的检测信号( 见图3 2 ) ，该信号和高压输出电压成正比；过压 保护阈值电压v 。由分压器w _ v s a f e 来设定的。v 。送入比较器 l m 3 3 9 a 的反相端，v 送入比较器的同相输入端，比较器输出通过 射极跟随器q 接到d 触发器4 0 1 3 a 的复位端。上电时，初始化d 触发器输出为高电平。当v v ：时过压保护启动，比较器 输出从低电平变成高电平，经过射极跟随器q 。复位d 触发器， 其输出变成低电平，该信号一方面送入5 5 5 c 的4 脚( 见图3 2 ) ， 关闭5 5 5 c ，使移相控制电路无脉冲输出，从而关闭了固态继电器， 使稳压系统输出为零，另一方面送入逆变器驱动电路，关闭与门 i c 3 a 和i c 3 b ( 如图3 6 所示) ，使逆变器停止工作。 图3 1 9 过压保护电路 第四章供电电路 电路中各部分的运算放大器等电子元件，需要稳定的直流供 电，采用一个多路输出的开关电源为整个电路提供几路工作电压。 市场上该类电源品种繁多，性能优良，可直接选用。 图4 1 是低压电源原理图，电网上2 2 0 v 交流电通过交流滤 波器送入开关电源，其输出+ 1 5 v 、一1 5 v 、2 4 v ，各路输出有独立 的地，这为设计提供方便。 + 2 4 v 为离子源阳极高压电路供电，+ 1 5 v 和一1 5 v 输出的 共地，通过电路板上的l m 7 8 1 2 和l m 7 9 1 2 进一步稳压，为电路中 的各部分供电。 图4 i低压稳压电路 结论 我们研制的电路，提高了1 5 1 0 ”n s 中子发生器的稳定性， 并减小了整个中子发生器的体积，使其具有了便携的功能。拓宽 其应用范围。 离子源阳极电压采用性能优良的高压电源模块直接供电：存 贮器加热电源采用国际先进的v i c o r 电源模块。气压自动控制采 用了p i d 调节。通过以上措施，将很大程度上提高离子束流的稳 定性。 2 0 0 k y 、5 m a 的高压电路的改进是该中子发器的重点和难点。 总结前人经验，结合现代电力电子技术，精心设计。通过反复实 验发现增大高压变压器漏感可以减少无功损耗，提高电源效率， 成功的研制出便携式2 0 0 k v 、5 m r 直流高压电源。该电源已在吉林 电力局的高压变压器打压实验中应用，已经使用一年多，工作性 能一直保持稳定。它的性能指标完全满足1 5 1 0 ”n s 中子发生 器对靶极高压的性能指标和稳定性的要求。 该电路研制成功，不但提高了现有中子发生器的性能，而且 为新的中子发生器研制，在电路方面打下坚实基础。 参考文献 1 魏宝杰等中子管及其应用技术 东北师范大学出版社1 9 9 7 年 2 j m v e r b e k ee t e d e v e l o p m e n to fas e a l e da c c e l e r a t o r t u b en e u t r o ng e n e r a t o ra p p l i e d r a d i a t i o na n di s o t o p e s5 3 ( 2 0 0 0 ) 8 0 1 8 0 9 e 3 3董艾平等中予产额大于1 5 x1 0 ”n s 密封中子管 核技术1 9 9 5 年6 月 4 卢洪波等脉宽调制型中子管