用于中子管的数控高压脉冲电源的研制

张伟 肖宪东 李存磊 刘永睿 宋青锋

摘  要：高压脉冲电源被广泛用于涉及国计民生的多个领域，尤其是一些高精尖端科研和军事方面，其重要性得到充分关注。从我国的科技发展情况来看，很多高科领域都需要通过高压脉冲电源提供稳定的能源保障，其脉冲信号的稳定性，及其质量的好坏，直接决定了其在应用中的价值。比如，数控高压脉冲电源在中子管的运行中是不可或缺的关键设备，为整个中子形成提供电源支持功能。为获得高质量的中子管设备，就必须确保数控高压脉冲电源的整体性能。

关键词：中子管  数控高压  脉冲电源  研制

中图分类号：O571.5                          文献标识码：A                    文章编号：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

中子管設备在很多应用领域都有着极为关键的价值，在很多具体的应用和科研中，其作为中子发生装置，能够决定这些设备和技术的整体有效性。高压脉冲电源必须形成稳定的能源支持，才可以保障中子管设备安全稳定运行，因此，高压脉冲电源成为了一个非常重要的研究方向，国家相关研究机构以及一些相关企业在该方面的研究已经取得了非常显著的效果，但在一些具体的技术方面，还需要对其进行进一步的研发，达到性能更加完善、寿命更加持久的效果。

1  高压脉冲电源技术概述

脉冲电源技术最早起源于储能技术，在该技术应用中会形成初级脉冲，在此基础上，将脉冲成形技术与开关技术整合，电磁能量被充分地压缩获得大功率输出，该技术就是我们所谓的脉冲电源技术。包括X射线生成装置，都是通过脉冲电源技术达成的。美国人率先研发了高压脉冲电源制造微秒级脉宽X射线的相关技术;英国人则将发生器与传输线技术融合，产生出纳秒级别的高功率脉冲，这标志着该技术的应用范围得到巨大拓展。发展到现在，发达国家对于高压脉冲电源技术进行了非常深入的研究和应用，包括军用与民用领域，都致力于提升其核心技术内容，力争形成该领域的技术优势。

脉冲电源技术在其形成早期，主要被用在国防科研领域，包括电磁轨道炮、定向束能武器、军用雷达、热核聚变研究等，都必须借助脉冲电源技术实现其功能和性能。如今，脉冲电源技术已经广泛用于各民用领域，包括环境科学、医疗、工业等多个领域，都需要脉冲电源技术发挥其作用。这主要是因为脉冲电源技术可以在较短的时间内迅速生成巨大能量，其目前军事方面的应用有卫星推进、大功率微波、同位素分离等。同时在工业生产中也可以得到广泛应用，包括金属离子注入、废水废气的处理、纳米级粉末加工等，都必须用到相关技术。在医疗领域的应用也非常深入，包括心脏起搏器、结石粉碎设备、去纤颤设备等，没有脉冲电源技术的支持就无法实现其功能。而随着相关技术的日渐成熟以及其应用领域的拓展，使得高压脉冲电源的应用领域和应用程度得到快速提升。包括数控技术用于高压脉冲电源，使得其在智能化和可控性方面有了显著的优化，并在发展上得到更大的空间。

2  中子管数控高压脉冲电源的研制

中子管用于脉冲中子发生器，被用于军事和民用等多个领域，有着极为重要的作用。在中子管的正常工作状态下，必须通过高压脉冲电源提供高能脉冲激发，才能产生所需的具备足够能量状态的中子。数控高压脉冲电源通过引入数控技术，使得整个装置的工作状态更加可控和可靠，其研发已经成为目前该领域应用研究的核心内容。整个研发过程需要从中子管的工作原理出发，确定对于高压脉冲电源的性能需求，在此基础上探究更加有效的实现方式和途径。

2.1 中子管的工作原理

要想针对中子管所涉及的工作过程进行深入细致的分析，要从最开始结合实际情况有针对性地调整储存器的具体电流，储存器灯丝在受热的过程中会释放出一定量的氘氚气体，这是阳极筒完成氘氚离子的电离过程，而束流通过电极进行快速加速，并最终对靶进行轰击形成中子。所研究的中子管为小型中子管，其长度200mm，直径80mm，在性能和操作上都比较可靠。相比于其他同位素中子源，在中子产额方面表现良好，且能谱分析表明其单色性较好，能够有效地释放脉冲中子。中子管属于电可控的一种中子源设备，与其他中子源相比较，其在可操作性、设备重量等方面都有非常显著的优势，加之其生产制造和维护检修成本低，因此得到了业界广泛的认同，该设备大量用于流动性的检测等环节。从工作状态选择上，中子管能够适应直流、快脉冲、快-慢脉冲模式，数控功能的实现，就是借助中子管内置的离子源数控高压脉冲电源，通过该设备完成对发射脉冲频率、宽度以及中子产额的有效控制，实现具体应用。

在设计中，中子管数控高压脉冲电源选择了反激拓扑结构，然后有针对性地融合Cockroft倍压整流电路，进行级联设计。为了从根本上有效确保离子源电压输出更安全稳定，而且能够对其进行及时有效的调节，在设备的配置方面就要有效选择ICM7555芯片完成开关管驱动信号控制功能管理，在设计的过程中要采取高频运放模式，然后进一步完善和优化电压的反馈网络结构，以此充根本上有效满足0～2.5V输入电压条件下达到0～2kV输出电源电压。对MOSFET器件栅源电容参数的设计，使得漏源开关电压的尖峰问题得到有效控制，进而使得2kV直流电源可从零起调，避免变压器异响等。

2.2 中子管数控高压脉冲电源电路设计

脉冲中子发生器主要功能就是产生中子，这些中子产生的过程需要高度可控，作为有效的中子源设备，脉冲中子发生器的核心部件为中子管，氘氚离子核反应的过程中产生中子，对氘氚离子进行有针对性的加速，然后轰击靶标，在这样的情况下就形成核反应，通过可控激发产生一定数量的中子。从这个意义上理解，中子管就是一种离子加速器，在中子管内整合了离子源、离子加速系统、靶和气压调节系统等相关内容，在真空陶瓷管内部对相关部件进行有效的密封，其结构简单紧凑，使用非常方便。

数控高压系统设计包括几个主要部分，包括：直流高压电源、脉冲压缩单元、储能单元、主开关以及负载。在设计变压器的过程中，在反激拓扑设计中有针对性地融合隔离变压器与输出电感器等相关设备的功能，这样能够充分确保拓扑结构更加安全稳定，有更加良好的输出效果，这种功能上的整合使得该拓扑结构更具稳定性。电能转换过程中，在设计的时候，把开关元件、变压器以及输出元件设计成可以承受大波动电流的承载能力，该设计能够避免电源效率低的缺点，并可突破限制将反激电源功率做到高于150W。

对闭环系统的设计，需要考虑多个重要的因素，在系统中相位裕量以及增益裕量如果不能很好地得到满足，则会造成各闭环系统的整体不稳定工作状态。针对这一问题，通常的解决方法就是利用低通滤波器，对整个高压脉冲电源的各输出端所形成的高频噪声进行整流滤波，通过此方式进行处理，使得输出的直流电压更加平稳。然而，在电路中引入相移，由此在很大程度上降低开关电源工作的相位裕量，为了确保直流电压输出更安全稳定，要设计相对应的开关电源，同时进一步有效采取引入负反馈环路方式，從根本上有效改善输出电压的相关指标。比如负反馈环路的引入，可以形成电流输出端的180°相移，如果干扰存在，反馈端会直接将与干扰信号相移相反的干扰信号传输给比较端，用于对干扰影响的抑制和平衡。该设计在实际运用中，需要确保反馈端相位不能保持180°不变，这主要是考虑电路内部相关的元器件延时性方面存在很大的差异。电容电感器件上的电压电流相位在电流的频率变化影响之下，也会出现额外相移，由此使得开关电源在具体工作环节不够安全稳定。

2.3 中子管数控高压脉冲电源的设计实现

针对脉冲中子发生器离子源电源需求，设计串联IGBT推挽式直流斩波电路，给出多管串联IGBT静态动态均压网络元件参数设计方法，与此同时要对其进行行之有效的验证和仿真模拟测试等。对于电路分布电感参数对脉冲电压尖峰产生的影响要全面深入地分析，然后通过相对应的验证来进一步有效明确均压网络电容参数对尖峰电压产生的负面影响或者抑制作用。尖峰电压产生的主要原因要深入分析，然后以相应的分析结果为基准，在上桥臂导通回路中串联阻尼电阻减小IGBT导通瞬间电流的变化率，通过这种方法使尖峰电压的产生，能够得到充分的降低和抑制。在负载端设计阻容吸收网络，必须进行科学合理的计算和调试，选取切实可行的吸收网络元器件参数，然后结合实际情况有效利用多样化方式融合的方法进行灵活有效的应用，通过这样能够从根本上有效确保脉冲电压尖峰过冲百分比得到切实降低，脉冲电压上升沿和下降沿时间在2 μs内，这与脉冲中子发生器电源指标能够有效吻合。

3  结语

综上所述，脉冲中子发生器被用于很多军事和民用领域，对国家的经济和社会建设有着极为重要的影响，特别是一些影响巨大的核心应用方面，是国家战略能力的一个标志性技术。中子管是脉冲中子发生器的核心部件，其功能就是要产生并释放中子，而数控高压脉冲电源对于中子管的稳定工作有着至关重要的影响，也是其技术创新和发展的重要方向。从这个意义上来说，对中子管用数控高压脉冲电源的研究探讨，有着非常重要的现实意义和深远影响。

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