一种电子管高频功率源定功率灯丝电源改造

殷治国

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

1 概 述

某型医用回旋加速器的高频发射机为整机进口美国ASI公司产品，型号为CE－20000。该功率源为四级放大线路，其中后两级为电子管功率放大器，中间级采用的是EIMAC公司的三级电子管YC－229对高频信号进行预防大，达到1 kW功率水平。末级功率放大使用的是EIMAC的水冷三极管3CX20 000A。该级输出功率可达20 kW功率量级。

电子管作为功率放大装置，在高频功率源中是很重要的部件。电子管寿命的终结，主要有以下几个原因：（1）电子管阴极电子发射能力低于门限值，甚至丧失热电子发射能力。（2）电子管各个电极之间发生碰极。（3）灯丝断裂。（4）真空坏，漏气。其中，正常使用的电子管寿命终结往往和（1）、（3）关系更为密切。导致灯丝寿命缩短的原因无外乎过流驱动等原因，其中关系最为密切的是电子管启动过程中灯丝电流的大小，这是因为灯丝材料在冷状态的电阻率较低，会导致冷机启动大电流冲击的问题。ASI公司的CE－20000型发射机工作频率为73 MHz，具有线路精炼、结构紧凑的特点。随机所带中间级电子管和末级电子管，虽然在回旋加速器调试中连续使用了很长时间，但在技术人员的精心维护下，仍然能够稳定的工作。其中，对其两级电子管进行的灯丝电源改造效果明显，整个改造过程经济投入很低，取得的效益很高，有效地延长了电子管的寿命，减少了发射机的维护量。

2 具体改造方法

CE－2000型功率源后两级电子管的灯丝电源均采用50 Hz交流供电，直接连接电网，无任何软起动装置或措施。经观察每次功率源开机时，灯丝电流会有瞬间过流冲击，其幅度经测量为正常运行值的7.7～8.2倍。为解决此问题，专门设计了一种针对电子管高频功率源灯丝回路的定功率线路，仅需更换原有灯丝变压器，并在原边串联一个确定大小电感即可，其等效电路如图1所示。该电路设计计算有2个关键点，一是确定串联电感的大小，二是确定变压器的匝数比。

图1 恒定功率灯丝驱动线路

恒定功率灯丝线路的设计目标是解决电子管灯丝冷、热状态电阻率差别显著而引起的瞬间过流问题，设计的原理是在原边加入感性电抗对灯丝变压器输出功率进行限制，从而适应副边电阻变化的情况。假定U0为电网电压，UL和UR则分别表示电感器L1上的电压以及变压器T1源边的电压，由电路可得电子管灯丝功率为：

式中，R为灯丝在源边等效电阻；L为串联电感量。对式（1）取导数可得极值条件：ωL＝R。因此，设计的关键在于，只有当电感上的电压矢量与变压器原边电压矢量大小相等、方向正交时，传输到变压器副边的功率才是最大值，即可对冷状态灯丝过流的情况加以限制。针对YC－229的具体情况，取电网电压U0＝400 V。

依据功率传输最大条件，由式（2）可得变压器源边电压为282 V。YC－229的灯丝工作电压为6.3 V。由此可得变压器设计变比为45∶1。根据YC－229的灯丝工作电阻，可折算原边电阻大小，计算可得串联电感量为1.17 H。同理可得，末级电子管3CW20000灯丝变压器变比为37∶1，串联电感设计值为0.34 H。

取灯丝电阻R为自变量，通过式（1）可计算得到不同电子管灯丝功率P。图2为前级YC－229电子管灯丝电阻由0～120%变化时对应的灯丝电流及灯丝功率变化趋势图，其中X轴为自变量与热状态灯丝电阻的比率，左Y轴为不同电阻时的灯丝功率与正常运行灯丝功率的比值，右Y轴为驱动电流的大小。由图可见，在灯丝的冷状态下，即便灯丝电阻很小，灯丝电流瞬间也只会到达35 A，过流被限制为正常工作的1.4倍。考虑到此时灯丝的电阻值很小，因此加热功率不大，不会对电子管造成冲击，有效地保护了电子管灯丝。因此，本设计在不增加线路复杂性的同时，具有良好的限流作用。

依据图2，不难发现本设计的另一个优点是能够适应电子管灯丝老化的变化。考虑到电子管放大器在整个寿命周期内，随着电子热发射，灯丝直径会逐渐变细，对应电子管热状态的灯丝电阻值会逐渐升高。线路对于这种情况，会降低驱动功率，而不会像原线路一样增加驱动功率。这样做的优点：一是可以增长电子管的使用寿命，二是可以提高线路对不同电子管个体的适应性。

图2 灯丝电阻变化时的电流及功率

3 结束语

综上所述，本文设计了一种适用于医用回旋加速器电子管发射机灯丝电源的定功率驱动线路，具有自适应负载电阻变化的优点，对于延长电子管的使用寿命有一定的好处。该电路已投入实际使用，值得注意的是，在实际调试工作中发现，若串联电感以1%为步进设置若干抽头，对调试工作会带来很大的方便。随后两年多的运行经验表明，该电路工作正常，稳定可靠。该电路可进一步推广到通讯、广电行业，用于FM发射机灯丝电源的设计和制造。