中子管脈沖高壓電源設(shè)計(jì)研究

國家罡

摘 ? 要：脈沖高壓電源在電場殺菌、等離子發(fā)生器、激光技術(shù)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用作用，特別是在應(yīng)用到測井技術(shù)中還需要使用特定的脈沖和測量時(shí)序?；谶@種要求，本文設(shè)計(jì)出一種中子管脈沖高壓電源，即通過單向反激逆變電路、半臂逆對(duì)稱倍壓整流電路來增強(qiáng)電壓的穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)高壓電源狀態(tài)下的斬波功能，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中子管脈沖高壓電源設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：中子管 ?脈沖高壓電源 ?中子測井

中圖分類號(hào)：TN7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0075-02

離子源一般有兩種模式，分別是直流工作方式和脈沖工作方式。其中，脈沖模式是中子管的一個(gè)重要應(yīng)用。在使用中，要求離子源電壓為1.5～2.5kV，同時(shí)，供電電壓在規(guī)定的區(qū)間范圍內(nèi)可以被調(diào)節(jié)。中子管內(nèi)部的氣體在離子源高壓下就會(huì)被電離，之后經(jīng)過加速轟擊靶核，釋放出14.1MeV的中子，文章就中子管脈沖高壓電源的設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。

1 ?中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

脈沖高壓是將直流高壓通過斬波電路得到的，將得到的脈沖高壓應(yīng)用在中子管離子源中，從而滿足不同的應(yīng)用場合需求。

考慮到整個(gè)離子源供電需求，為了確保電壓達(dá)到一定數(shù)值之后系統(tǒng)能夠持續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)，需要利用高頻變壓器替代低頻變壓器，即選擇故障少、輸出功率少的反激式變換器，同時(shí)采用脈沖頻率調(diào)制方式（PFM）產(chǎn)生脈沖高壓。其基本的操作特點(diǎn)是通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比例，有效調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓，確保整個(gè)中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候?yàn)榱双@得理想狀態(tài)的電壓和電流，文章以MOSFET作為基本開關(guān)的器件來設(shè)計(jì)出一種可以被調(diào)節(jié)的高壓脈沖電源，在整個(gè)中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候首先設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電壓，之后通過控制系統(tǒng)的斬波來將高壓直流電通過斬的形式輸出，從而滿足中子管的工作需求。

2 ?中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)高壓直流電源設(shè)計(jì)

中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)的高壓直流電源一般由逆變電路和倍壓電路共同組成， 具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)逆變電路采用的是TL494基本型號(hào)的給電路脈沖形式，在設(shè)計(jì)時(shí)候以MOS管和20N60S5作為主要開關(guān)零部件，在整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同下能夠輸出單向或者雙向的方波脈沖信號(hào)。整個(gè)逆變電路采用的是簡單高效的單端反激電路模式，TL494構(gòu)成的脈沖振蕩電路的觸發(fā)性脈沖在運(yùn)作的時(shí)候能夠控制整個(gè)開關(guān)管的通路和運(yùn)行，在處于高電平脈沖狀態(tài)的時(shí)候，電流在經(jīng)過變壓器、開關(guān)管的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生上正下負(fù)的電壓，而如果處于低電平狀態(tài)的時(shí)候，TL494構(gòu)成的脈沖振蕩電路的觸發(fā)性脈沖會(huì)停止工作。

3 ?中子管脈沖高壓電源斬波電路基本設(shè)計(jì)

3.1 觸發(fā)電路的基本設(shè)計(jì)

為了能夠得到良好的脈沖波形，觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用了SG3525脈沖頻率調(diào)制控制器，SG3525脈沖頻率調(diào)制控制器工作電壓在8～35V之間，其中包含了5.1V的基準(zhǔn)電源，振蕩器的工作頻率范圍一般在100～400Hz之間，所有的頻率都可以雙路輸出，是一種性能良好的脈沖頻率控制器。SG3525脈沖頻率調(diào)制控制器使用了推挽輸出接通方法，13腳和15腳和VCC進(jìn)行連接，完成持續(xù)性的供電，5腳和7腳共同通過控制6腳電位器RW1阻值和5腳電容C1來改變SG3525脈沖頻率調(diào)制控制器兩路的輸出脈沖頻率。

3.2 開關(guān)管的選擇

開關(guān)管的質(zhì)量決定脈沖電路的基本工作特性和高壓脈沖電源輸出性能，為此，需要操作人員盡可能的應(yīng)用性能良好的全控制開關(guān)器件，借助其較強(qiáng)的抗干擾性能和導(dǎo)通率來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)開斷的控制。符合以上要求的開關(guān)管是耐壓數(shù)值2000V以上的MOSFET，這個(gè)開關(guān)管會(huì)以串聯(lián)的方式來滿足系統(tǒng)的耐壓需求。

3.3 過流保護(hù)

過流保護(hù)主要包含平均電流門限檢測、逐周過流保護(hù)等多個(gè)方式，從實(shí)際操作上來看經(jīng)常應(yīng)用的方式是最大輸出平均電流來進(jìn)行門限的檢測，從而將電流信號(hào)放大。在檢測到輸出電流趨近于之前設(shè)定數(shù)值的時(shí)候就會(huì)立即啟動(dòng) 設(shè)備限制電流。但是在出現(xiàn)短路的時(shí)候就無法保護(hù)功率開關(guān)，最終破壞功率開關(guān)管，因此以上方法不可取。

通過逐周過流保護(hù)方式能夠確保功率開關(guān)工作被限定在安全電流的范圍內(nèi)，通過在功率開關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)電流檢測設(shè)備來及時(shí)把控開關(guān)管的瞬時(shí)電流，在出現(xiàn)實(shí)時(shí)電流超過限定數(shù)值的時(shí)候 及時(shí)關(guān)閉整個(gè)功率開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)中子管脈沖高壓電源過流的保護(hù)。

4 ?中子管脈沖高壓電源設(shè)計(jì)結(jié)果分析

對(duì)所研制的中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)載測試，將斬波電路輸出連接在高阻值的阻性負(fù)載上，整個(gè)負(fù)載支路的取樣電阻滿足最小脈寬和規(guī)定頻率范圍內(nèi)的方波需要。根據(jù)不同測井方式所需要中子脈沖頻率和 脈寬要求的不同，需要測試 多組典型的中子管脈沖高壓電源脈寬、頻率、輸出波形，繪制出負(fù)載支路上的電阻波形圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試分析發(fā)現(xiàn)，本文所研究的中子管脈沖高壓電源帶入中子管時(shí)能夠?yàn)殛枠O離子源提供重復(fù)頻率的脈沖高壓供電，確保中子管按照所需要頻率的脈沖形式來適當(dāng)足夠數(shù)量的中子。

5 ?結(jié)語

綜上所述，伴隨脈沖測井技術(shù)的深化發(fā)展，不管是在穩(wěn)定性、安全性還是在設(shè)備的外觀上都對(duì)中子發(fā)生器的使用提出了更高的要求，由此就要求提供電力支持的高壓脈沖電源具備良好的性能。中子測井操作時(shí)會(huì)借助高壓脈沖電源來為離子源陽極供電，通過供電來使中子管釋放出中子，中子和地層元素相互作用最終達(dá)到測井的目的。文章設(shè)計(jì)出一種中子管脈沖高壓電源，并就其設(shè)計(jì)結(jié)果展開實(shí)驗(yàn)分析，最終發(fā)現(xiàn)所研究的中子管脈沖高壓電源帶入中子管時(shí)能夠?yàn)殛枠O離子源提供重復(fù)頻率的脈沖高壓供電，并確保中子管按照規(guī)定的要求來適當(dāng)中子。

參考文獻(xiàn)

[1] 付榮耀，孫鷂鴻，高迎慧，等.一種高壓脈沖電源設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].火力與指揮控制，2014（6）：170-173.

[2] 彭享，葉兵，朱旗，等.一種高壓脈沖電源設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，40（11）：1511-1514.

[3] 吳麗娟，侯博鋒，孟德川，等.中子管離子源2kV高壓脈沖電源的研制[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2017（3）：339-343.