CN114051308B - 用于中子发生器的高压电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于中子发生器的高压电源系统，包括：升压变压器，用于对第一中频电压进行升压；高压倍加器，用于将交流电压转换为直流高压，并通过保护电阻输出直流高压；离子源隔离变压器，用于对第二中频电压进行电位转换，得到隔离电压；任一电源由隔离电压直接供电或间接供电；多级均压环，用于均衡环氧玻璃筒内的电场；高压倍加器、升压变压器、保护电阻、测量电阻、离子源隔离变压器以及均压环安装于一环氧玻璃筒内，筒内填充变压器油；电源全部集成于一个电源机箱，电源机箱载置于环氧玻璃筒的顶盖上方并与顶盖固定连接。本发明可以减小中子发生器的电源系统的体积，使得中子发生器的电源系统结构紧凑。
Description
技术领域
本发明属于中子发生器技术领域，具体涉及一种用于中子发生器的高压电源系统。
背景技术
中子发生器通常工作在100kV以上的高压下。其中，中子发生器中的离子源和加速管需要单独供电，且离子源内的灯丝、钯管以及振荡器等部件的供电需求又各有不同，这使得现有的中子发生器的电源系统普遍结构复杂，体积庞大。
发明内容
为了减小中子发生器的电源系统的体积，使得中子发生器的电源系统结构紧凑，本发明提供了一种用于中子发生器的高压电源系统。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种用于中子发生器的高压电源系统，包括：高压倍加器、升压变压器、保护电阻、测量电阻、离子源隔离变压器、多级均压环，以及离子源的各部件供电所需的多个电源；其中，
所述升压变压器，外接第一中频电压，用于对所述第一中频电压进行升压，得到交流高压；所述高压倍加器用于将所述交流高压转换为直流高压，并通过所述保护电阻输出所述直流高压；所述测量电阻用于对所述直流高压进行分压检测；所述中子发生器的加速管由所述直流高压供电；
所述离子源隔离变压器，外接第二中频电压，用于对所述第二中频电压进行电位转换，得到隔离电压；任一所述电源由所述隔离电压直接供电或间接供电；
所述多级均压环，从上到下逐级环绕于所述环氧玻璃筒的内壁，并与所述保护电阻、所述测量电阻以及所述离子源隔离变压器电连接；每两级所述均压环之间连接有一个均压电阻，以通过所述均压电阻的分压均衡所述环氧玻璃筒内的电场；
所述高压倍加器、所述升压变压器、所述保护电阻、所述测量电阻、所述离子源隔离变压器以及所述均压环全部安装于一个密封的环氧玻璃筒内；所述环氧玻璃筒内填充变压器油；
所述多个电源全部集成于一个电源机箱内，所述电源机箱载置于一个底板上，所述底板位于所述环氧玻璃筒的顶盖上方并与所述顶盖固定连接；所述直流高压和所述隔离电压均被穿过所述顶盖和所述底板的引线接入所述电源机箱中。
可选地，所述升压变压器位于所述环氧玻璃筒内的底部；
所述高压倍加器位于所述升压变压器上方，且位于所述环氧玻璃筒内的中间位置；
所述保护电阻由数百个金属陶瓷阻尼电阻组成，所述数百个金属陶瓷阻尼电阻均载置于一个电阻安装骨架上；所述电阻安装骨架位于所述高压倍加器上方；
所述离子源隔离变压器由多个隔离变压器串联而成，所述多个隔离变压器依次叠放于所述高压倍加器旁边；所述测量电阻位于所述高压倍加器旁边；
所述高压倍加器、所述电阻安装骨架以及所述离子源隔离变压器均位于所述多级均压环的环绕范围内。
可选地，所述高压倍加器中的整流器对，均不串接过流保护电阻。
可选地，所述多个电源，至少包括：工频逆变器、板压电源模块、灯丝电源模块、聚焦电源模块、引出电源模块、磁场电源模块、钯管电源模块、第一帘栅压模块以及第二帘栅压模块；
其中，所述工频逆变器由所述隔离电压经AC-DC转换后的48V直流电压供电；所述工频逆变器用于输出220V、50Hz的工频交流电压；
所述聚焦电源模块、所述引出电源模块、所述磁场电源模块、所述钯管电源模块、所述第一帘栅压模块以及所述第二帘栅压模块，均由所述工频交流电压供电；
所述板压电源模块和所述灯丝电源模块均由所述离子源隔离变压器直接供电。
可选地，所述高压倍加器和所述电阻安装骨架的四周包覆有预设厚度的聚四氟乙烯板。
可选地，所述顶盖上方设有多个接头，包括：连接所述直流高压的第一输出接头、连接所述隔离电压的第二输出接头以及用于向所述环氧玻璃筒内真空注油的抽气接头；
其中，所述第一输出接头和所述第二输出接头均用于连接所述引线。
可选地，所述环氧玻璃筒的底部设有阀门，所述阀门用于充放所述变压器油。
本发明提供的用于中子发生器的高压电源系统中，将给离子源供电线路中的隔离变压器和给加速管供电线路中的高压倍加器、升压变压器、保护电阻以及测量电阻统一安装于一个密封的环氧玻璃筒内，且在环氧玻璃筒内填充变压器油，这一结构不仅紧凑，且筒内各模块之间的绝缘强度也能够保证。并且，本发明将离子源的各部件供电所需的多个电源集成于一个电源机箱内，使用环氧玻璃筒支撑该电源机箱，进一步紧凑化了中子发生器的电源系统。另外，本发明提供的中子发生器的电源系统，为整个中子发生器的小型化提供了便利。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于中子发生器的高压电源系统中，高压电源的正向剖面示意图；
图2是本发明实施例提供的用于中子发生器的高压电源系统中，高压电源的侧向剖面示意图；
图3是高压电源和隔离变压器的电路原理图；
图4是示例性示出的板压电源模块和灯丝电源模块的电路原理图；
图5是示例性示出的第一帘栅压模块、第二帘栅压模块以及聚焦电源模块的电路原理图；
图6是示例性示出的引出电源模块、磁场电源模块以及钯管电源模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了减小中子发生器的电源系统的体积，使得中子发生器的电源系统结构紧凑，本发明实施例提供了一种用于中子发生器的高压电源系统。该供电电源系统包括：升压变压器、高压倍加器、保护电阻、离子源隔离变压器、多级均压环、测量电阻，以及离子源的各部件供电所需的多个电源。其中，参见图1和图2所示，升压变压器10、高压倍加器20、保护电阻30、离子源隔离变压器以及各级均压环50全部安装于一个密封的环氧玻璃筒内；该环氧玻璃筒内填充变压器油。可以理解的是，该环氧玻璃筒内填充变压器油，可以提高环氧玻璃筒内的各模块之间的绝缘强度，从而避免环氧玻璃筒内各模块之间因距离较近而导致的绝缘强度不够的问题。图1中，测量电阻被高压倍加器20遮挡故而并未示出，离子源隔离变压器由多个隔离变压器40串联而成。
该升压变压器10，外接第一中频电压，用于对第一中频电压进行升压，得到交流电压。其中，第一中频电压由外接的一个中频电源提供，该中频电源称为第一中频电源。
该高压倍加器20，用于将交流电压转换为直流高压，并通过保护电阻30输出直流高压；中子发生器的加速管即是由保护电阻输出的直流高压所供电的。测量电阻用于对该直流高压进行分压检测。
本发明实施例中，高压倍加器20具体可以是一个多级对称倍压电路，如Cockcroft-Waltan电路。该多级对称倍压电路由多个整流器对和多个油浸复合介质电容组成一个倍压塔。
需要说明的是，现有的中子发生器的电源系统中，高压倍加器中的每个整流器对通常都串接有过流保护电阻，这是因为长期以来的观点认为高压倍加器的整流器上会出现过电流。本发明的发明人经过理论分析和实验验证发现，高压倍加器上几乎不会出现过流，故而本发明实施例中，高压倍加器20中的所有整流器对，均不串接过流保护电阻。由此，进一步地精简了中子发生器的供电电源系统的组成，且降低了供电电源系统的成本。
离子源隔离变压器，外接第二中频电压，用于对第二中频电压进行电位转换，得到隔离电压；上述的任一电源由该隔离电压直接供电或间接供电。其中，第二中频电压由另一个外接的中频电源提供，该中频电源称为第二中频电源。方便起见，后续将离子源的各部件供电所需的多个电源统称为离子源供电电源。
由于离子源及离子源供电电源均处于高电位，故而需要通过离子源隔离变压器将电力从地电位输送到高电位。离子源隔离变压器的尺寸随着供电频率的提高而减小，故本发明实施例为了减小电源系统的体积，采用中频隔离变压器外接第二中频电源，实现对离子源的供电。
多级均压环50，从上到下逐级环绕于环氧玻璃筒的内壁，并与保护电阻30、测量电阻以及离子源隔离变压器电连接，每两级均压环50之间连接有一个均压电阻，从而通过均压电阻的分压均衡环氧玻璃筒内的电场。
其中，每两级均压环50之间连接的均压电阻，用于对上述的直流高压进行均匀的分压；这样，多级均压环50逐级环绕于环氧玻璃筒的内壁中，便可以均衡环氧玻璃筒内的电场。可以理解的是，保护电阻30、测量电阻以及离子源隔离变压器与均压环50电连接，具体是他们各自与竖直方向上距离最近的一个均压环50电连接，即他们各自的电位在竖直方向上与距离最近的一个均压环50是一致的。
上述的离子源供电电源中的多个电源全部集成于一个电源机箱内，该电源机箱载置于一个底板上，该底板位于环氧玻璃筒的顶盖上方并与环氧玻璃筒的顶盖固定连接；上述的直流高压和隔离电压均被穿过这个顶盖和这个底板的引线接入电源机箱中。
这里，离子源供电电源中包含的多个电源包括但不限于：工频逆变器、板压电源模块、灯丝电源模块、聚焦电源模块、引出电源模块、磁场电源模块、钯管电源模块、第一帘栅压模块以及第二帘栅压模块。这些电源可以是根据离子源供电电源的供电需求所设置的。
其中，工频逆变器由隔离电压经AC-DC转换后的48V直流电压供电；该工频逆变器用于输出220V、50Hz的工频交流电压。由此可以理解的是，离子源供电电源中还包括一个AC-DC电压转换模块。
板压电源模块、灯丝电源模块、第一帘栅压模块以及第二帘栅压模块，主要用于给离子源的振荡器供电。该振荡器的振荡方式为LC振荡，主要包含两只FU-13电子管。其中，板压电源模块和灯丝电源模块均由离子源隔离变压器直接供电，也就是说，板压电源模块和灯丝电源模块两者的供电电压均为离子源隔离变压器所输出的隔离电压；第一帘栅压模块和第二帘栅压模块均可以由工频逆变器输出的工频交流电压供电。
聚焦电源模块、引出电源模块、磁场电源模块以及钯管电源模块同样可以由工频交流电压供电。
关于离子源供电电源中包含的多个电源在电源机箱内的具体布局，本发明实施例不做限定。
在实际应用中，参见图1或图2所示，环氧玻璃筒内的顶盖上方设有多个接头，这些接头包括：连接直流高压的第一输出接头、连接隔离电压的第二输出接头以及用于向环氧玻璃筒内真空注油的抽气接头；其中，第一输出接头和第二输出接头均用于连接穿过环氧玻璃筒内的顶盖和上述的底板的引线。
下面，参照图1和图2对环氧玻璃筒内的各部件的安装排布情况进行详细的说明。
其中，升压变压器10可以位于环氧玻璃筒内的底部；高压倍加器20可以位于升压变压器10上方，且位于环氧玻璃筒内的中间位置。保护电阻30由数百个金属陶瓷阻尼电阻组成，这数百个金属陶瓷阻尼电阻均载置于一个电阻安装骨架上；该电阻安装骨架位于高压倍加器20上方。离子源隔离变压器由多个隔离变压器40串联而成，这些串联的隔离变压器40依次叠放于高压倍加器旁边；测量电阻占据空间较小，可以放在环氧玻璃筒内，除高压倍加器20所形成的倍压塔、电阻安装骨架以及离子源隔离变压器以外的任何间隙中，例如，可以放在高压倍加器20旁边。
为了进一步提升环氧玻璃筒的顶盖与上方的底板的连接稳固性，可以在顶盖的上端增设一个不锈钢环，该不锈钢环上刻有多个螺孔，其中一部分螺孔与螺丝配合从环氧玻璃筒内部将不锈钢环与环氧玻璃筒的顶盖紧固，剩余的螺孔与螺丝配合将一个凹形金属环固定到环氧玻璃筒的顶盖上，该凹形金属环与底板紧固在一起，使整个环氧玻璃筒成为上方的电源机箱的固定支柱。在实际应用中，环氧玻璃筒上方的底板还可以承载离子源。
可以理解的是，在环氧玻璃筒中，高压倍加器20、电阻安装骨架以及离子源隔离变压器均位于多级均压环50的环绕范围内。
另外，为了防止瞬时径向电场致使环氧玻璃筒内的器件损坏，在高压倍加器20和电阻安装骨架的四周可以包覆聚四氟乙烯板，从而将二者与隔离变压器40、测量电阻和均压环50隔开。优选地，聚四氟乙烯板的厚度为10毫米。
在一种可选实现方式中，环氧玻璃筒的底部可以设有阀门，该阀门用于充放变压器油。
另外，本发明实施例提供的供电电源系统还可以包括一个控制电路，该控制电路提供有远程控制接口；通过该远程控制接口，电源系统可以与计算机通信，从而接收计算机下发的电压调节信号和电压开关信号，以及向计算机上报各种测量信号以及故障信号等等。这里说的测量信号包括但不限于高压倍加器输出的直流高压、负载电流、第一中频电压、第一中频电压对应的第一中频电流、第二中频电压以及第二中频电压对应的第二中频电流等等。在实际应用中，供电电源系统的控制电路可以采用下位控制微控制器设计实现，具体实现方案非本发明实施例的发明点，故不再赘述。
为了方案更为清楚，下面对本发明实施例提供的中子发生器的供电电源系统内的电路结构进行举例说明。
图3示例性的示出了环氧玻璃筒内的电路结构图；其中，电容C1、电容C2、电容C3以及电容C4构成滤波柱；电容C11、电容C22、电容C33以及电容C44构成电荷传输柱。滤波柱、电荷传输柱以及多个整流器对，构成高压倍加器，即构成倍压塔。测量电阻用RH表示、保护电阻用R1表示；T1和T2分别为升压变压器的两级线圈；C5为一个滤波电容。T3和T4为构成离子源隔离变压器的两个串联的隔离变压器40。
基于图3所示的电路结构，在一个实施例中，环氧玻璃筒的筒体可以采用外径360mm、壁厚10mm的环氧玻璃筒，环氧玻璃筒的顶盖和底面均用厚度50mm的环氧玻璃布板制成；然后，用环氧树脂将顶盖、底面分别与环氧玻璃筒的筒体进行粘接。为了增强强度，还可以在筒体和顶盖中增加6个环氧玻璃楔子。
电阻安装骨架可以采用厚度120mm的裙边式电阻安装骨架；保护电阻由约200只5W的金属陶瓷阻尼电阻器组成，保护电阻的阻值为600kΩ。
测量电阻的阻值取1000MΩ，均压环设置12级，升压变压器10选用截面为25cm2的铁芯。
高压倍加器20中，电容采用油浸复合介质电容，每只电容器芯子的电容量为0.048μF，耐压14kV。整流器选用耐压18kV，最大输出电流200mA的高压二极管。
离子源隔离变压器采用二级变压器串联结构，该隔离变压器可输出功率3kW，耐压200kV，两只串联可耐压400kV。
图4示例性的示出了板压电源模块和灯丝电源模块的电路结构；如图4所示：
板压电源模块，输入为隔离电压，输出为1.2kV、1.4kV、1.6kV、1.8kV以及2kV共5档的直流电压，档位的调节通过S1A、S1B、S1C、S1D、S1E五个波段开关控制。V1为0～10V的电流监测输出，VS1为0～10V的电压监测输出。
灯丝电源模块，输入为隔离电压，为两个灯丝供电后，经过整流、滤波，输出V2A和V2B两路24V的状态监控信号。
24VDC这一电源中，隔离电压被转换为48V的直流电压后，输入至工频逆变器TS-1000，工频逆变器输出220V、50Hz的交流电压；经过SP-500-24这一AC-DC转换器后，输出24V的直流电压，该24V的直流电压用于给第二帘栅压模块、第一帘栅压模块、聚焦电源模块、引出电源模块、磁场电源模块以及钯管电源模块供电。
图5示例性的示出了第一帘栅压模块、第二帘栅压模块以及聚焦电源模块的电路结构图；如图5所示：
第二帘栅压模块，输入为24V的直流电压，输出为0-400V可调的直流电压，最大提供2mA的电流输出；V4为通过并联分压的方法，从采样电阻获得的输出电压的测量信号。
第一帘栅压模块，输入为24V的直流电压，输出为0-100V可调的直流电压，最大提供2mA的电流输出；V5为通过并联分压的方法，从采样电阻获得的输出电压的测量信号；VC5为外部输入的0-10V的电压调节信号，VS5为第一帘栅压模块输出的0～10V的电压监测信号。
聚焦电源模块，输入为24V的直流电压，输出为0～-30kV可调的直流电压，最大提供2mA的电流输出。VC6为外部输入的0～10V的电压调节信号。VS5为聚焦电源模块输出的0～10V的电压监测信号。
图6示例性的示出了引出电源模块、磁场电源模块以及钯管电源模块的电路结构图；如图6所示：
引出电源模块，输入为24V的直流电压，输出为0～5kV可调的直流电压，最大提供10mA的电流输出。VC7为外部输入的0～10V的电压调节信号。VS7为引出电源模块输出的0～10V的电压监测信号。
磁场电源模块，输入为24V的直流电压，输出为0～30V可调的直流电压，最大提供2A的电流输出。VC8为外部输入的0～10V的电压调节信号。VS8为引出电源模块输出的0～10V的电压监测信号。
钯管电源模块，输入为24V的直流电压，输出为0-1V的直流电压，最大提供50A的电流输出。VC9为外部输入的0～10V的电压调节信号。利用电流检测模块LTC6102检测串接在负载回路中的采样电阻上的电压，得到电流监测信号V9。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于中子发生器的高压电源系统，其特征在于，包括：高压倍加器、升压变压器、保护电阻、测量电阻、离子源隔离变压器、多级均压环，以及离子源的各部件供电所需的多个电源；其中，
所述升压变压器，外接第一中频电压，用于对所述第一中频电压进行升压，得到交流电压；所述高压倍加器用于将所述交流电压转换为直流高压，并通过所述保护电阻输出所述直流高压；所述测量电阻用于对所述直流高压进行分压检测；所述中子发生器的加速管由所述直流高压供电；
所述离子源隔离变压器，外接第二中频电压，用于对所述第二中频电压进行隔离转换，得到隔离电压；任一所述多个电源由所述隔离电压直接供电或间接供电；所述多级均压环，从上到下逐级环绕于环氧玻璃筒的内壁，并与所述保护电阻、所述测量电阻以及所述离子源隔离变压器电连接；每两级所述均压环之间连接有一个均压电阻，以通过所述均压电阻的分压均衡所述环氧玻璃筒内的电场；
所述高压倍加器、所述升压变压器、所述保护电阻、所述测量电阻、所述离子源隔离变压器以及所述均压环全部安装于一个密封的环氧玻璃筒内；所述环氧玻璃筒内填充变压器油；
所述多个电源全部集成于一个电源机箱内，所述电源机箱载置于一个底板上，所述底板位于所述环氧玻璃筒的顶盖上方并与所述顶盖固定连接；所述直流高压和所述隔离电压均被穿过所述顶盖和所述底板的引线接入所述电源机箱中；
所述多个电源，至少包括：工频逆变器、板压电源模块、灯丝电源模块、聚焦电源模块、引出电源模块、磁场电源模块、钯管电源模块、第一帘栅压模块以及第二帘栅压模块；
其中，所述工频逆变器由所述隔离电压经AC-DC转换后的48V直流电压供电；所述工频逆变器用于输出220V、50Hz的工频交流电压；
所述聚焦电源模块、所述引出电源模块、所述磁场电源模块、所述钯管电源模块、所述第一帘栅压模块以及所述第二帘栅压模块，均由所述工频交流电压供电；
所述板压电源模块和所述灯丝电源模块均由所述离子源隔离变压器直接供电；
所述升压变压器位于所述环氧玻璃筒内的底部；
所述高压倍加器位于所述升压变压器上方，且位于所述环氧玻璃筒内的中间位置；
所述保护电阻由数百个金属陶瓷阻尼电阻组成，所述数百个金属陶瓷阻尼电阻均载置于一个电阻安装骨架上；所述电阻安装骨架位于所述高压倍加器上方；
所述离子源隔离变压器由多个隔离变压器串联而成，所述多个隔离变压器依次叠放于所述高压倍加器旁边；所述测量电阻位于所述高压倍加器旁边；
所述高压倍加器、所述电阻安装骨架以及所述离子源隔离变压器均位于所述多级均压环的环绕范围内；
所述电阻安装骨架采用厚度120mm的裙边式电阻安装骨架；所述保护电阻由200只5W的金属陶瓷阻尼电阻器组成；所述测量电阻的阻值为1000MΩ；所述升压变压器为截面为25cm2的铁芯；所述高压倍加器中的电容采用油浸复合介质电容，每只电容的电容量为0.048μF，耐压14kV；所述高压倍加器的整流器为耐压18kV、最大输出电流200mA的高压二极管；所述离子源隔离变压器的耐压值为400kV。
2.根据权利要求1所述的用于中子发生器的高压电源系统，其特征在于，所述高压倍加器中的整流器对，均不串接过流保护电阻。
3.根据权利要求1所述的用于中子发生器的高压电源系统，其特征在于，所述高压倍加器和所述电阻安装骨架的四周包覆有预设厚度的聚四氟乙烯板。
4.根据权利要求1所述的用于中子发生器的高压电源系统，其特征在于，所述顶盖上方设有多个接头，包括：连接所述直流高压的第一输出接头、连接所述隔离电压的第二输出接头以及用于向所述环氧玻璃筒内真空注油的抽气接头；
其中，所述第一输出接头和所述第二输出接头均用于连接所述引线。
5.根据权利要求4所述的用于中子发生器的高压电源系统，其特征在于，所述环氧玻璃筒的底部设有阀门，所述阀门用于充放所述变压器油。
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