用于中子管的數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民生的多個領域，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注。從我國的科技發展情況來看，很多高科領域都需要通過高壓脈沖電源提供穩定的能源保障，其脈沖信號的穩定性，及其質量的好壞，直接決定了其在應用中的價值。比如，數控高壓脈沖電源在中子管的運行中是不可或缺的關鍵設備，為整個中子形成提供電源支持功能。為獲得高質量的中子管設備，就必須確保數控高壓脈沖電源的整體性能。

關鍵詞：中子管? 數控高壓? 脈沖電源? 研制

中圖分類號：O571.5????????????????????????? 文獻標識碼：A??????????????????? 文章編號：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，Fushun， 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

中子管設備在很多應用領域都有著極為關鍵的價值，在很多具體的應用和科研中，其作為中子發生裝置，能夠決定這些設備和技術的整體有效性。高壓脈沖電源必須形成穩定的能源支持，才可以保障中子管設備安全穩定運行，因此，高壓脈沖電源成為了一個非常重要的研究方向，國家相關研究機構以及一些相關企業在該方面的研究已經取得了非常顯著的效果，但在一些具體的技術方面，還需要對其進行進一步的研發，達到性能更加完善、壽命更加持久的效果。

1? 高壓脈沖電源技術概述

脈沖電源技術最早起源于儲能技術，在該技術應用中會形成初級脈沖，在此基礎上，將脈沖成形技術與開關技術整合，電磁能量被充分地壓縮獲得大功率輸出，該技術就是我們所謂的脈沖電源技術。包括X射線生成裝置，都是通過脈沖電源技術達成的。美國人率先研發了高壓脈沖電源制造微秒級脈寬X射線的相關技術;英國人則將發生器與傳輸線技術融合，產生出納秒級別的高功率脈沖，這標志著該技術的應用范圍得到巨大拓展。發展到現在，發達國家對于高壓脈沖電源技術進行了非常深入的研究和應用，包括軍用與民用領域，都致力于提升其核心技術內容，力爭形成該領域的技術優勢。

脈沖電源技術在其形成早期，主要被用在國防科研領域，包括電磁軌道炮、定向束能武器、軍用雷達、熱核聚變研究等，都必須借助脈沖電源技術實現其功能和性能。如今，脈沖電源技術已經廣泛用于各民用領域，包括環境科學、醫療、工業等多個領域，都需要脈沖電源技術發揮其作用。這主要是因為脈沖電源技術可以在較短的時間內迅速生成巨大能量，其目前軍事方面的應用有衛星推進、大功率微波、同位素分離等。同時在工業生產中也可以得到廣泛應用，包括金屬離子注入、廢水廢氣的處理、納米級粉末加工等，都必須用到相關技術。在醫療領域的應用也非常深入，包括心臟起搏器、結石粉碎設備、去纖顫設備等，沒有脈沖電源技術的支持就無法實現其功能。而隨著相關技術的日漸成熟以及其應用領域的拓展，使得高壓脈沖電源的應用領域和應用程度得到快速提升。包括數控技術用于高壓脈沖電源，使得其在智能化和可控性方面有了顯著的優化，并在發展上得到更大的空間。

2? 中子管數控高壓脈沖電源的研制

中子管用于脈沖中子發生器，被用于軍事和民用等多個領域，有著極為重要的作用。在中子管的正常工作狀態下，必須通過高壓脈沖電源提供高能脈沖激發，才能產生所需的具備足夠能量狀態的中子。數控高壓脈沖電源通過引入數控技術，使得整個裝置的工作狀態更加可控和可靠，其研發已經成為目前該領域應用研究的核心內容。整個研發過程需要從中子管的工作原理出發，確定對于高壓脈沖電源的性能需求，在此基礎上探究更加有效的實現方式和途徑。

2.1 中子管的工作原理

要想針對中子管所涉及的工作過程進行深入細致的分析，要從最開始結合實際情況有針對性地調整儲存器的具體電流，儲存器燈絲在受熱的過程中會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，而束流通過電極進行快速加速，并最終對靶進行轟擊形成中子。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，在中子產額方面表現良好，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備，與其他中子源相比較，其在可操作性、設備重量等方面都有非常顯著的優勢，加之其生產制造和維護檢修成本低，因此得到了業界廣泛的認同，該設備大量用于流動性的檢測等環節。從工作狀態選擇上，中子管能夠適應直流、快脈沖、快-慢脈沖模式，數控功能的實現，就是借助中子管內置的離子源數控高壓脈沖電源，通過該設備完成對發射脈沖頻率、寬度以及中子產額的有效控制，實現具體應用。

在設計中，中子管數控高壓脈沖電源選擇了反激拓撲結構，然后有針對性地融合Cockroft倍壓整流電路，進行級聯設計。為了從根本上有效確保離子源電壓輸出更安全穩定，而且能夠對其進行及時有效的調節，在設備的配置方面就要有效選擇ICM7555芯片完成開關管驅動信號控制功能管理，在設計的過程中要采取高頻運放模式，然后進一步完善和優化電壓的反饋網絡結構，以此充根本上有效滿足0～2.5V輸入電壓條件下達到0～2kV輸出電源電壓。對MOSFET器件柵源電容參數的設計，使得漏源開關電壓的尖峰問題得到有效控制，進而使得2kV直流電源可從零起調，避免變壓器異響等。

2.2 中子管數控高壓脈沖電源電路設計

脈沖中子發生器主要功能就是產生中子，這些中子產生的過程需要高度可控，作為有效的中子源設備，脈沖中子發生器的核心部件為中子管，氘氚離子核反應的過程中產生中子，對氘氚離子進行有針對性的加速，然后轟擊靶標，在這樣的情況下就形成核反應，通過可控激發產生一定數量的中子。從這個意義上理解，中子管就是一種離子加速器，在中子管內整合了離子源、離子加速系統、靶和氣壓調節系統等相關內容，在真空陶瓷管內部對相關部件進行有效的密封，其結構簡單緊湊，使用非常方便。

數控高壓系統設計包括幾個主要部分，包括：直流高壓電源、脈沖壓縮單元、儲能單元、主開關以及負載。在設計變壓器的過程中，在反激拓撲設計中有針對性地融合隔離變壓器與輸出電感器等相關設備的功能，這樣能夠充分確保拓撲結構更加安全穩定，有更加良好的輸出效果，這種功能上的整合使得該拓撲結構更具穩定性。電能轉換過程中，在設計的時候，把開關元件、變壓器以及輸出元件設計成可以承受大波動電流的承載能力，該設計能夠避免電源效率低的缺點，并可突破限制將反激電源功率做到高于150W。

對閉環系統的設計，需要考慮多個重要的因素，在系統中相位裕量以及增益裕量如果不能很好地得到滿足，則會造成各閉環系統的整體不穩定工作狀態。針對這一問題，通常的解決方法就是利用低通濾波器，對整個高壓脈沖電源的各輸出端所形成的高頻噪聲進行整流濾波，通過此方式進行處理，使得輸出的直流電壓更加平穩。然而，在電路中引入相移，由此在很大程度上降低開關電源工作的相位裕量，為了確保直流電壓輸出更安全穩定，要設計相對應的開關電源，同時進一步有效采取引入負反饋環路方式，從根本上有效改善輸出電壓的相關指標。比如負反饋環路的引入，可以形成電流輸出端的180°相移，如果干擾存在，反饋端會直接將與干擾信號相移相反的干擾信號傳輸給比較端，用于對干擾影響的抑制和平衡。該設計在實際運用中，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部相關的元器件延時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，也會出現額外相移，由此使得開關電源在具體工作環節不夠安全穩定。

2.3 中子管數控高壓脈沖電源的設計實現

針對脈沖中子發生器離子源電源需求，設計串聯IGBT推挽式直流斬波電路，給出多管串聯IGBT靜態動態均壓網絡元件參數設計方法，與此同時要對其進行行之有效的驗證和仿真模擬測試等。對于電路分布電感參數對脈沖電壓尖峰產生的影響要全面深入地分析，然后通過相對應的驗證來進一步有效明確均壓網絡電容參數對尖峰電壓產生的負面影響或者抑制作用。尖峰電壓產生的主要原因要深入分析，然后以相應的分析結果為基準，在上橋臂導通回路中串聯阻尼電阻減小IGBT導通瞬間電流的變化率，通過這種方法使尖峰電壓的產生，能夠得到充分的降低和抑制。在負載端設計阻容吸收網絡，必須進行科學合理的計算和調試，選取切實可行的吸收網絡元器件參數，然后結合實際情況有效利用多樣化方式融合的方法進行靈活有效的應用，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降低，脈沖電壓上升沿和下降沿時間在2 μs內，這與脈沖中子發生器電源指標能夠有效吻合。

3? 結語

綜上所述，脈沖中子發生器被用于很多軍事和民用領域，對國家的經濟和社會建設有著極為重要的影響，特別是一些影響巨大的核心應用方面，是國家戰略能力的一個標志性技術。中子管是脈沖中子發生器的核心部件，其功能就是要產生并釋放中子，而數控高壓脈沖電源對于中子管的穩定工作有著至關重要的影響，也是其技術創新和發展的重要方向。從這個意義上來說，對中子管用數控高壓脈沖電源的研究探討，有著非常重要的現實意義和深遠影響。

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