CN107276567A

CN107276567A - 一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源

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Publication number: CN107276567A
Application number: CN201710598910.8A
Authority: CN
Inventors: 陈光荣; 巩新胜; 田大军; 王剑钢; 李传南
Original assignee: SHANDONG VANFORM HIGH ENERGY PHYSICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANDONG VANFORM HIGH ENERGY PHYSICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2037-07-21
Also published as: CN107276567B

Abstract

本发明公开了一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，涉及恒流电源技术；本发明所要解决的技术问题是，提供一种节省能耗、延长聚焦线圈使用寿命的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场电源，其特征在于：聚焦磁场电源由恒流限压模块（A）、储能电路（B）、放电电路（C）、脉冲调制控制单元（D）、脉冲电流差值电路（E）和充电限制电压调整电路（F）等组成，其负载为聚焦线圈（N）；由于采用上述结构，该电子束聚焦磁场电源可实现同步脉冲恒流输出，只在电子束发射时提供恒流输出进行聚焦，显著降低电源输出功率，降低聚焦线圈的发热功率，降低电子直线加速器冷却功率，电子直线加速器整机在多个方面达到节能效果。

Description

一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源

技术领域

本发明涉及恒流电源技术，特别涉及直线电子加速器使用的电子束聚焦磁场脉冲电源。

背景技术

电子直线加速器中的速调管、加速管要求细而长的电子束,其长度和直径的比值可达100。电子束在渡越过程中由于空间电荷的排斥力,其直径会变大。试验表明,如果没有外加的聚焦措施,大约经过5倍电子束直径的距离,电子束就变得完全不能通过后续的传输机构。要保证速调管、加速管的性能,就必须外加一个稳定的磁场对电子束聚焦，进而需要建立聚焦磁场所需的聚焦磁场电源。要实现恒定的磁场分布，就要求聚焦磁场电源具有电流稳定性高、低纹波等性能。而聚焦线圈是感性和阻性组合性负载，负载阻抗又受温度变化影响，因而现在的聚焦磁场电源都是向聚焦线圈提供高稳定的直流恒流。

现有的聚焦磁场电源技术包括三种常见的结构类型。

线性控制方式的稳流直流电源:它是利用串联在电源输出回路中的大功率晶体管放大特性来进行工作的，该晶体管起可变电阻的作用。这种电源稳定特性好，响应速度快，但是由于在输出回路中串入了大功率晶体管，所以该类型电源的效率比较低，特别是作为低电压大电流使用时效率更低。

开关控制方式的稳流直流电源：参见文章“一种高稳定度速调管聚焦磁场电源的研制.雷达与对抗,2006年01期”。它是利用了IGBT或MOSFET等大功率开关管高速通断的特性，通过控制电源的通断而实现电流或电压的稳定。这类电源具有效率高、体积小的优点，但是电路复杂、纹波大、电磁干扰大。

采用开关控制和线性控制相结合的稳流直流电源：解决了开关控制方式纹波大的问题，但是未能消减线性控制方式的低效率，而且电路更加复杂。

以上三种方式，都可对聚焦线圈提供连续稳定的直流。但是在直线电子加速器中高能量的电子束一般采用脉冲输出的方式，其加速管和速调管同样工作在脉冲输出的状态，并且真正工作的时间也很短，其占空比都比较小，以CPI-8262系列速调管为例，其工作最大占空比为0.014，同理，配套的加速管也如此。也就是说，至少98%的大部分时间里加速管或速调管内并没有电子输出，此时聚焦磁场的存在并没有起作用。因此在聚束系统的聚焦聚焦线圈中一直加上恒定的电流，产生一直恒定的磁场作用于加速管或速调管，将造成很大的电能浪费，也使系统产生大量的无用热量，加大了散热系统的负担，甚至影响部件和系统的工作热稳定性及寿命。而如果给加速管和速调管的聚焦线圈采用脉冲式恒流电源供电，也即只在电子脉冲输出的时刻同步地提供聚焦电源和聚焦磁场，就可以避免上述这些问题产生。

对比发明专利“超高速大电流脉冲式恒流源”（专利申请号201610908411X，公开日2016.10.13）利用电容脉冲控制深度负反馈法实现脉冲恒流，通过与电源并联大电容，使负载工作初期主要由电容储存的能量提供，给负载提供一个微秒级别上升沿的脉冲；同时，与负载串联一个大功率达林顿管，保证负载通过数百安培的脉冲电流。该方法虽然实现了脉冲恒流，也提高了效率，但它仅适应负载变化较小的电阻、LED等，当负载变化较大时需要提高电源电压，由于功率达林顿管工作在线型区，VCE电压加大会造成管子发热严重，容易损坏；聚焦线圈是带有感性的负载，上升时间变长，深度负反馈比较容易自激导致电路不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电子直线加速器专用电子束聚焦磁场电源，具有节省能耗、延长聚焦线圈使用寿命的特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种节能的可同步输出的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其特征在于：聚焦磁场电源由恒流限压模块（A）、储能电路（B）、放电电路（C）、脉冲调制控制单元（D）、脉冲电流差值电路（E）和充电限制电压调整电路（F）等组成，其负载为聚焦线圈（N）；恒流限压模块（A）接收市电并输出到储能电路（B），储能电路（B）存储的能量经放电电路（C）对聚焦线圈（N）放电，形成串联放电回路，脉冲调制控制单元（D）输出的前沿提升脉冲信号（P2）、脉冲放电信号（P3）输出到放电电路（C），采样脉冲（P4）输出到脉冲电流差值电路（E）；脉冲电流差值电路（E）接收采样脉冲（P4）和放电电路（C）的脉冲电流峰值（I1）,处理后，形成脉冲电流差值（I4）输出到充电限制电压调整电路（F），处理后输出充电限制电压（V3）；放电电路（C）在前次脉冲放电时，采集脉冲电流峰值（I1）送入脉冲电流差值电路（E）计算出与设定放电峰值电流(I3)的脉冲电流差值（I4），充电限制电压调整电路（F）根据脉冲电流差值（I4）调整充电电压，实现脉冲恒流调节；放电电流与放电电压是线性关系，调节迅速，基本可以一次到位。

所述恒流限压模块（A）接收市电输入，两路输出为储能输入（V1）和前沿储能输入（V2），储能输入（V1）采用恒流限压充电方式。

所述储能电路(B)接收储能输入（V1），直接连接充电电感（L1）左端，充电电感（L1）右端连接到储能电容（C1）的上端，实现对储能电容（C1）充电；前沿储能输入（V2）直接连接前沿充电电感（L2）左端，前沿充电电感（L2）右端连接到脉冲前沿提升电容（C2）上端，实现对脉冲前沿提升电容（C2）充电，从而实现电容储能。

所述放电电路(C)由脉冲前沿放电电路和脉冲放电电路组成，分两阶段放电；第一阶段为脉冲前沿放电，其电路由脉冲前沿提升电容（C2）、前沿提升放电开关管（K2）、聚焦线圈（N）和采样电阻（R1）依次串联；第二阶段为脉冲放电，其电路由储能电容（C1）、放电开关管（K1）、聚焦线圈（N）和采样电阻（R1）依次串联；二极管（D1）与聚焦线圈（N）并联；储能电容（C1）的充电电压上升到设定电压后，脉冲调制控制单元（D）输出的前沿提升脉冲信号（P2），去控制前沿提升放电开关管（K2）导通，脉冲前沿提升电容（C2）向聚焦线圈（N）放电，在关断时，二极管（D1）起电压钳位作用。接着脉冲调制控制单元（D）输出的脉冲放电信号（P3）控制放电开关管（K1）导通，储能电容（C1）对聚焦线圈（N）放电，同时通过采样电阻（R1）采集脉冲电流峰值（I1）；脉冲前沿提升电容(C2)的电压远大于储能电容（C1）电压，脉冲前沿提升电容(C2)又远小于储能电容（C1），这就可以在第一阶段放电电流刚高于聚焦线圈设定电流就进行第二阶段放电，实现脉冲前沿快速提升的效果；放电开关管（K1）、前沿提升放电开关管（K2）都工作在饱和导通状态，导通电阻极小，VCE小，开关管功耗小；采用脉冲输出，输出占空比降低到10%，使整体功耗变小。

所述脉冲调制控制单元(D)，接收外部输入的系统同步信号（P1），输出三路分别为脉冲放电信号（P3）、前沿提升脉冲信号（P2）和采样脉冲（P4）；脉冲放电信号（P3）控制放电开关管（K1）导通和关断，前沿提升脉冲信号（P2）控制前沿提升放电开关管（K2）导通和关断，采样脉冲（P4）控制采样保持（SH1）获取脉冲电流峰值（I1）。

所述充电限制电压调整电路（F），由电阻（R9）和电位器（R10）串联，分压得到设定充电电压(V4)连接于运放（LM3）的同相端；运放（LM3）的反相端与其输出端并接后，连接于电阻（R11）左端；脉冲电流差值（I4）连接电阻（R16）右端，其左端与电阻（R11）右端和电阻（R12）左端并联于运放（LM4）的反相端，运放（LM4）的同相端接地；运放（LM4）的输出端、电阻（R12）右端、电阻（R13）上端并联于电阻（R14）左端，电阻（R13）下端接地；电阻（R14）右端与电阻（R15）左端并联于运放（LM5）的反相端，其同相端接地，电阻（R15）右端与运放（LM5）的输出端并联，输出充电限制电压（V3）。设定充电电压(V4)通过电位器（R10）调节大小，经由运放（LM3）组成的射极跟随器,经电阻（R11）进入运放（LM4）的反相端；脉冲电流差值（I4）经电阻（R16）进入运放（LM4）的反相端电阻；电阻（R11）、电阻（R16）、电阻（R12）和运放（LM4）组成反相加法器；电阻（R14）、电阻（R15）和运放（LM5）组成反相放大电路；运放（LM5）输出充电限制电压（V3），控制充电电压；从而实现根据脉冲电流差值（I4）调整充电限制电压（V3）。

所述脉冲电流差值电路（E），由电阻（R2）和电位器（R3）串联，分压得到设定放电峰值电流(I3)，连接于运放（LM1）的同相端，运放（LM1）的反相端与其输出端并接后，连接于电阻（R4）左端，电阻（R4）右端、电阻（R5）上端并联于运放（LM2）的同相端，电阻（R5）下端接地；脉冲电流峰值（I1）连接采样保持（SH1）输入端，采样脉冲（P4）连接采样保持（SH1）控制端，采样保持（SH1）输出端连接电阻（R7）左端、电阻（R8）上端，电阻（R7）右端、电阻（R6）左端并联于运放（LM2）的反相端，运放（LM2）的输出端与电阻（R6）右端相连接，输出脉冲电流差值（I4）。设定放电峰值电流(I3)可以通过电位器（R3）调节大小，经由运放（LM1）组成的射极跟随器，在放电期间由采样脉冲（P4）控制采样保持（SH1）获取脉冲电流峰值（I1）；由电阻（R4）、电阻（R5）、电阻（R6）、电阻（R7）和运放（LM2）组成减法器；电阻（R8）初始值为零；得到脉冲电流差值（I4）；从而实现设定放电峰值电流(I3)的调节，计算出脉冲电流峰值（I1）与设定放电峰值电流(I3)的脉冲电流差值（I4）。

本发明使电子束聚焦磁场电源实现脉冲输出，只在电子束发射时提供恒流输出进行聚焦，可以显著降低聚焦磁场电源输出功率，同时也大幅度降低了聚焦线圈通过的平均电流，降低聚焦线圈的发热功率，延长聚焦线圈的使用寿命，也因此降低电子直线加速器冷却系统的功率，电子直线加速器整机在多个方面达到节能效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。

图1 为聚焦电源整体结构图。

图2 为储能电路原理图。

图3 为放电电路原理图。

图4 为充电限制电压调整电路原理图。

图5 为脉冲电流差值电路原理图。

图6 为时序图。

图中：A、恒流限压模块；B、储能电路；C、放电电路；D、脉冲调制控制单元；E、脉冲电流差值电路；F、充电限制电压调整电路；N、聚焦线圈；V1、储能输入；V2、前沿储能输入；V3、充电限制电压；V4、设定充电电压；I1、脉冲电流峰值；I2、采样充电电流；I3、设定放电峰值电流；I4、脉冲电流差值；P1、系统同步信号；P2、前沿提升脉冲信号；P3、脉冲放电信号；P4、采样脉冲；D1、二极管；C1、储能电容；C2、脉冲前沿提升电容；L1、充电电感；L2、前沿充电电感；K1、放电开关管；K2、前沿提升放电开关管；SH1、采样保持；LM1-LM5、运放；R1、采样电阻；R2、R4-R9、R11-R16、电阻；R3、R10、电位器。

具体实施方式

电子束聚焦磁场电源接入市电，开机，调节充电电流为10A,通过电位器（R10）调节设定充电电压(V4)为2.0V，其对应充电电压90V左右,通过电位器（R3）调节设定放电峰值电流(I3)为1.75V,其对应电流为35A；恒流限压模块（A）对储能电容（C1）、脉冲前沿提升电容（C2）充电；储能电容（C1）充电到91.3V不再充电，脉冲前沿提升电容（C2）为663V。

输入一个系统同步信号（P1），脉冲调制控制单元（D）先输出前沿提升脉冲信号（P2），其脉宽4.0uS，于系统同步信号（P1）延时0.4uS，使前沿提升放电开关管（K2）导通，对聚焦线圈（N）放电，脉冲电流峰值（I1）快速上升到1.76V,上升时间为4.1uS后开始下降；随后脉冲调制控制单元（D）先输出脉冲放电信号（P3），其脉宽120uS，于系统同步信号（P1）延时4.9uS，使放电开关管（K1）导通，对聚焦线圈（N）放电，脉冲电流峰值（I1）有振荡，时间0.4uS左右，脉冲电流峰值（I1）为1.71V附近的平顶,大约120uS，然后开始下降，下降时间大约50uS；脉冲调制控制单元（D）输出采样脉冲（P3），其脉宽,2.0uS，于系统同步信号（P1）延时6.0uS，使采样保持（SH1）进行采样。储能电容（C1）的电压下降到90.2V,随后开始上升,充电到93.2V不再充电，脉冲前沿提升电容（C2）为663V。

再一个系统同步信号（P1）脉冲放电，脉冲电流峰值（I1）为1.745V，储能电容（C1）的电压下降到92.2V,随后开始上升,充电到93.9V不再充电，脉冲前沿提升电容（C2）为663V。第三个系统同步信号（P1）脉冲放电，脉冲电流峰值（I1）为1.749V，储能电容（C1）的电压下降到93.0V,随后开始上升,充电到94.1V不再充电，脉冲前沿提升电容（C2）为664V。

以后多次放电，每秒进行100次，连续30分钟；脉冲电流峰值（I1）稳定在1.749--1.750V。充电限制电压慢慢上升，达95.2V稳定，聚焦线圈（N）自然散热测表面温度为29℃，室内温度为26℃。测量放电开关管（K1）表面温度为33℃，前沿提升放电开关管（K2）表面温度为31℃。

本发明使电子束聚焦电源提供脉冲恒流，使得其工作占空比显著降低，触发次数450次时占空比降低到10%；在低触发次数时，降低更显著，触发次数300次时降低到6%。使电源的功率降低，降低了聚焦线圈的散热要求，又能满足电子束聚焦性能要求，达到节能效果。

以山东蓝孚高能物理技术股份有限公司制造的VF-PROACC-10/20高能电子直线加速器1年工作7000小时进行测算：设备有一个速调管聚焦线圈、三个加速管聚焦线圈，所需功率接近10KW。聚焦磁场电源可以节省10×（1-10%）×7000=63000度电，还降低制冷功耗，二者相加大约节省16万度电。

以上具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，包括输入电路、输出电路、恒流控制，其特征在于：所述电源由恒流限压模块（A）、储能电路（B）、放电电路（C）、脉冲调制控制单元（D）、脉冲电流差值电路（E）和充电限制电压调整电路（F）组成，其负载为聚焦线圈（N）；恒流限压模块（A）接收市电并输出到储能电路（B），经放电电路（C）对聚焦线圈（N）放电，形成串联放电回路，脉冲调制控制单元（D）输出的前沿提升脉冲信号（P2）、脉冲放电信号（P3）输出到放电电路（C），采样脉冲（P4）输出到脉冲电流差值电路（E）；脉冲电流差值电路（E）接收采样脉冲（P4）和放电电路（C）的脉冲电流峰值（I1）,处理后，形成脉冲电流差值（I4）输出到充电限制电压调整电路（F），处理后输出充电限制电压（V3）。

2.如权利要求1所述的一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其特征在于：所述储能电路(B)接收储能输入（V1），连接充电电感（L1）左端，该电感右端连接到储能电容（C1）的上端对其充电；前沿储能输入（V2）连接前沿充电电感（L2）左端，该电感右端连接到脉冲前沿提升电容（C2）上端。

3.如权利要求1所述的一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其特征在于：所述放电电路(C)由脉冲前沿放电电路和脉冲放电电路组成，分两阶段放电；第一阶段为脉冲前沿放电，其电路由脉冲前沿提升电容（C2）、前沿提升放电开关管（K2）、聚焦线圈（N）和采样电阻（R1）依次串联；第二阶段为脉冲放电，其电路由储能电容（C1）、放电开关管（K1）、聚焦线圈（N）和采样电阻（R1）依次串联；二极管（D1）与聚焦线圈（N）并联。

4.如权利要求1所述的一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其特征在于：所述充电限制电压调整电路（F），由电阻（R9）和电位器（R10）串联，分压得到设定充电电压(V4)连接于运放（LM3）的同相端；运放（LM3）的反相端与其输出端并接后，连接于电阻（R11）左端；脉冲电流差值（I4）连接电阻（R16）右端，其左端与电阻（R11）右端和电阻（R12）左端并联于运放（LM4）的反相端，运放（LM4）的同相端接地；运放（LM4）的输出端、电阻（R12）右端、电阻（R13）上端并联于电阻（R14）左端，电阻（R13）下端接地；电阻（R14）右端与电阻（R15）左端并联于运放（LM5）的反相端，其同相端接地，电阻（R15）右端与运放（LM5）的输出端并联，输出充电限制电压（V3）。

5.如权利要求1所述的一种节能的电子直线加速器专用电子束聚焦磁场脉冲电源，其特征在于：所述脉冲电流差值电路（E），由电阻（R2）和电位器（R3）串联，分压得到设定放电峰值电流(I3)，连接于运放（LM1）的同相端，运放（LM1）的反相端与其输出端并接后，连接于电阻（R4）左端，电阻（R4）右端、电阻（R5）上端并联于运放（LM2）的同相端，电阻（R5）下端接地；脉冲电流峰值（I1）连接采样保持（SH1）输入端，采样脉冲（P4）连接采样保持（SH1）控制端，采样保持（SH1）输出端连接电阻（R7）左端、电阻（R8）上端，电阻（R7）右端、电阻（R6）左端并联于运放（LM2）的反相端，运放（LM2）的输出端与电阻（R6）右端相连接，输出脉冲电流差值（I4）。