一種電子管高頻功率源定功率燈絲電源改造

殷治國

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

1 概 述

某型醫用回旋加速器的高頻發射機為整機進口美國ASI公司產品，型號為CE－20000。該功率源為四級放大線路，其中后兩級為電子管功率放大器，中間級采用的是EIMAC公司的三級電子管YC－229對高頻信號進行預防大，達到1 kW功率水平。末級功率放大使用的是EIMAC的水冷三極管3CX20 000A。該級輸出功率可達20 kW功率量級。

電子管作為功率放大裝置，在高頻功率源中是很重要的部件。電子管壽命的終結，主要有以下幾個原因：（1）電子管陰極電子發射能力低于門限值，甚至喪失熱電子發射能力。（2）電子管各個電極之間發生碰極。（3）燈絲斷裂。（4）真空壞，漏氣。其中，正常使用的電子管壽命終結往往和（1）、（3）關系更為密切。導致燈絲壽命縮短的原因無外乎過流驅動等原因，其中關系最為密切的是電子管啟動過程中燈絲電流的大小，這是因為燈絲材料在冷狀態的電阻率較低，會導致冷機啟動大電流沖擊的問題。ASI公司的CE－20000型發射機工作頻率為73 MHz，具有線路精煉、結構緊湊的特點。隨機所帶中間級電子管和末級電子管，雖然在回旋加速器調試中連續使用了很長時間，但在技術人員的精心維護下，仍然能夠穩定的工作。其中，對其兩級電子管進行的燈絲電源改造效果明顯，整個改造過程經濟投入很低，取得的效益很高，有效地延長了電子管的壽命，減少了發射機的維護量。

2 具體改造方法

CE－2000型功率源后兩級電子管的燈絲電源均采用50 Hz交流供電，直接連接電網，無任何軟起動裝置或措施。經觀察每次功率源開機時，燈絲電流會有瞬間過流沖擊，其幅度經測量為正常運行值的7.7～8.2倍。為解決此問題，專門設計了一種針對電子管高頻功率源燈絲回路的定功率線路，僅需更換原有燈絲變壓器，并在原邊串聯一個確定大小電感即可，其等效電路如圖1所示。該電路設計計算有2個關鍵點，一是確定串聯電感的大小，二是確定變壓器的匝數比。

圖1 恒定功率燈絲驅動線路

恒定功率燈絲線路的設計目標是解決電子管燈絲冷、熱狀態電阻率差別顯著而引起的瞬間過流問題，設計的原理是在原邊加入感性電抗對燈絲變壓器輸出功率進行限制，從而適應副邊電阻變化的情況。假定U0為電網電壓，UL和UR則分別表示電感器L1上的電壓以及變壓器T1源邊的電壓，由電路可得電子管燈絲功率為：

式中，R為燈絲在源邊等效電阻；L為串聯電感量。對式（1）取導數可得極值條件：ωL＝R。因此，設計的關鍵在于，只有當電感上的電壓矢量與變壓器原邊電壓矢量大小相等、方向正交時，傳輸到變壓器副邊的功率才是最大值，即可對冷狀態燈絲過流的情況加以限制。針對YC－229的具體情況，取電網電壓U0＝400 V。

依據功率傳輸最大條件，由式（2）可得變壓器源邊電壓為282 V。YC－229的燈絲工作電壓為6.3 V。由此可得變壓器設計變比為45∶1。根據YC－229的燈絲工作電阻，可折算原邊電阻大小，計算可得串聯電感量為1.17 H。同理可得，末級電子管3CW20000燈絲變壓器變比為37∶1，串聯電感設計值為0.34 H。

取燈絲電阻R為自變量，通過式（1）可計算得到不同電子管燈絲功率P。圖2為前級YC－229電子管燈絲電阻由0～120%變化時對應的燈絲電流及燈絲功率變化趨勢圖，其中X軸為自變量與熱狀態燈絲電阻的比率，左Y軸為不同電阻時的燈絲功率與正常運行燈絲功率的比值，右Y軸為驅動電流的大小。由圖可見，在燈絲的冷狀態下，即便燈絲電阻很小，燈絲電流瞬間也只會到達35 A，過流被限制為正常工作的1.4倍。考慮到此時燈絲的電阻值很小，因此加熱功率不大，不會對電子管造成沖擊，有效地保護了電子管燈絲。因此，本設計在不增加線路復雜性的同時，具有良好的限流作用。

依據圖2，不難發現本設計的另一個優點是能夠適應電子管燈絲老化的變化。考慮到電子管放大器在整個壽命周期內，隨著電子熱發射，燈絲直徑會逐漸變細，對應電子管熱狀態的燈絲電阻值會逐漸升高。線路對于這種情況，會降低驅動功率，而不會像原線路一樣增加驅動功率。這樣做的優點：一是可以增長電子管的使用壽命，二是可以提高線路對不同電子管個體的適應性。

圖2 燈絲電阻變化時的電流及功率

3 結束語

綜上所述，本文設計了一種適用于醫用回旋加速器電子管發射機燈絲電源的定功率驅動線路，具有自適應負載電阻變化的優點，對于延長電子管的使用壽命有一定的好處。該電路已投入實際使用，值得注意的是，在實際調試工作中發現，若串聯電感以1%為步進設置若干抽頭，對調試工作會帶來很大的方便。隨后兩年多的運行經驗表明，該電路工作正常，穩定可靠。該電路可進一步推廣到通訊、廣電行業，用于FM發射機燈絲電源的設計和制造。