CN116073678B - 一种耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法，包括：电子内靶阴极高压源，其高压输出端经可控开关与电子内靶负载相连；调制脉冲放大器，其脉冲输出端经脉冲耦合器与电子内靶负载相连；可控开关和调制脉冲放大器分别由第一驱动控制器和第二驱动控制器控制；还包括分压器，设置在所述可控开关与所述调制脉冲放大器之间；在第一驱动控制器和第二驱动控制器控制下，电子内靶阴极高压源和调制脉冲放大器的输出共同耦合到电子内靶负载，实现无反馈型或反馈型的电源调制。本发明可以广泛应用于离子电子温度冷却的核技术领域。

Description

一种耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法
技术领域
本发明涉及一种耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法，具体涉及一种用于强流重离子加速器的耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法，属于离子电子温度冷却的核技术领域。
背景技术
离子共振复合谱测量的双电子复合实验的关键技术就是电子内靶高压调制电源装置。目前，电子内靶高压调制电源装置的调制方式均采用高压交直流串联的方式实现，然而，此类调制方式常受到隔离电源绝缘以及纹波控制的限制，导致电子内靶高压调制电源装置体积庞大，结构复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种耦合型电子内靶高压调制电源装置及调制方法，该装置可以实现无隔离供电和非串联模式下的精确高压调制波形输出。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，包括：
电子内靶阴极高压源、可控开关、脉冲耦合器、调制脉冲放大器以及电子内靶负载；
所述电子内靶阴极高压源的高压输出端经所述可控开关与所述电子内靶负载相连，所述调制脉冲放大器的脉冲输出端经所述脉冲耦合器与所述电子内靶负载相连，且所述电子内靶阴极高压源和调制脉冲放大器共地；
所述可控开关和调制脉冲放大器分别与第一驱动控制器和第二驱动控制器相连，在所述第一驱动控制器和第二驱动控制器控制下，所述电子内靶阴极高压源和调制脉冲放大器的输出耦合到所述电子内靶负载，实现无反馈型的电源调制。
进一步，所述电源装置还包括一分压器，所述分压器设置在所述可控开关与所述调制脉冲放大器之间，用于对所述电子内靶阴极高压源的电压进行采样，采样电压输出到所述调制脉冲放大器，由所述调制脉冲放大器根据采样电压进行比较控制，实现反馈型的电源调制。
进一步，所述分压器采用比例为1：1000或者1：10000的分压器。
进一步，所述可控开关采用适用于10kV至2MV的高压等级范围的高压场效应管、高压晶闸管或高压绝缘栅双极型晶体管。
进一步，所述脉冲耦合器采用适用于10kV至2MV的高压等级范围的高压脉冲耦合电容或高压脉冲耦合变压器。
进一步，所述第一驱动控制器和第二驱动控制器采用具有时序控制能力的驱动控制器。
第二方面，本发明提供一种耦合型电子内靶高压调制电源装置的调制方法，包括以下步骤：
（1）当需要进行无反馈型的电源调制时，则进入步骤（2），当需要进行反馈型的电源调制时，则进入步骤（3）；
（2）将电子内靶阴极高压源经可控开关与电子内靶负载相连，同时将调制脉冲放大器经脉冲耦合器与电子内靶负载相连，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现无反馈型的电源调制；
（3）将电子内靶阴极高压源经可控开关与电子内靶负载相连，将调制脉冲放大器经脉冲耦合器与电子内靶负载相连，并在可控开关与调制脉冲放大器之间连接分压器，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现反馈型的电源调制。
进一步，所述步骤（2）中，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现无反馈型的电源调制，包括：
在预设第一时刻，第一驱动控制器发出第一驱动信号以闭合可控开关，使电子内靶阴极高压源为电子内靶负载阴极提供高压电场；此期间内，第二驱动控制器不发出驱动信号；
在预设第二时刻，当可控开关完全有效截止，切断电子内靶阴极高压源与电子内靶负载之间的通路时，第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器输出调制波形至电子内靶负载；
在预设第三时刻，当调制脉冲放大器完全关闭输出时，第一驱动控制器发出第一驱动信号继续驱动闭合可控开关，维持电子内靶负载上的电荷平衡。
进一步，所述步骤（3）中，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现反馈型的电源调制，包括：
在预设第一时刻,第一驱动控制器发出第一驱动信号闭合可控开关，使得电子内靶阴极高压源为电子内靶负载阴极提供高压电场；
在预设第二时刻，第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器输出调制波形，并通过脉冲耦合器耦合到电子内靶负载上以及可控开关和电子内靶阴极高压源组合的回路上；同时，分压器对电子内靶负载上的电压进行分压，并将采样到的分压电压送入到调制脉冲放大器中进行反馈控制，用于调制脉冲放大器补偿失真的波形；
在预设第三时刻，当调制脉冲放大器完全关闭输出时，第一驱动控制器继续驱动闭合可控开关，维持电子内靶负载上的电荷平衡。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明首先将电子内靶阴极高压源经可控开关与电子内靶负载相连，同时利用脉冲耦合器将调制脉冲放大器的输出与电子内靶负载相连，通过合理选择分压器，实现无反馈和有反馈型的调制方式，这两种方式的调制电源不再需要复杂的隔离供电和串联浮置处理，可以极大简化电子内靶高压调制电源装置的结构，减小电源的绝缘部件的同时还能够避免隔离供电的纹波干扰。提高电源的稳定性。
因此，本发明可以广泛应用于离子电子温度冷却的核技术领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的耦合型电子内靶高压调制电源装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的反馈型的耦合型电子内靶高压调制电源装置结构示意图；
图3是本发明实施例提供的无反馈型调制模式的第一驱动信号和第二驱动信号的工作时序及波形示意图；
图4是本发明实施例提供的反馈型调制模式下的第一驱动信号和第二驱动信号的工作时序及波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一些实施例中，提供了一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，一方面通过可控开关将电子内靶阴极高压源与电子内靶负载相连，另一方面通过脉冲耦合器将调制脉冲放大器与电子内靶负载相连，通过对可控开关和调制脉冲放大器的控制，得到调制电源。同时，还可以根据需要在电子内靶阴极高压源与调制脉冲放大器之间设置分压器，形成无反馈型或反馈型的精确调制，极大的简化了电子内靶高压调制电源装置的结构。
与之相对应地，本发明的另一些实施例中提供一种电子内靶高压调制电源装置的调制方法。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其包括：电子内靶阴极高压源1、可控开关2、脉冲耦合器3、调制脉冲放大器4以及电子内靶负载5。其中，电子内靶阴极高压源1的高压输出端经可控开关2与电子内靶负载5相连，调制脉冲放大器4的脉冲输出端经脉冲耦合器3与电子内靶负载5相连，且电子内靶阴极高压源1和调制脉冲放大器4共地；可控开关2和调制脉冲放大器4分别与第一驱动控制器和第二驱动控制器相连，在第一驱动控制器和第二驱动控制器控制下，电子内靶阴极高压源1和调制脉冲放大器4的输出共同耦合到电子内靶负载5，以实现无反馈型的精确电源调制。
进一步，如图2所示，该电源装置还包括一分压器6，该分压器6设置在可控开关2与调制脉冲放大器4之间，用于对电子内靶阴极高压源1的输出电压进行采样，采样电压输出到调制脉冲放大器4，由调制脉冲放大器4根据采样电压进行比较控制，同时通过对第一驱动控制器和第二驱动控制器输出信号进行调整，实现反馈型的精确电源调制。
更进一步，调制脉冲放大器4根据采样电压进行比较控制时，可以采用比例-微分控制，或者其他经典以及现代控制方式，本发明对此不做限制。
进一步，在反馈型调制模式下，还可以将可控开关2省略，直接将电子内靶阴极高压源1与电子内靶负载5相连，相对应地，分压器6设置在电子内靶阴极高压源1与调制脉冲放大器4之间，本发明对此不做限制。
进一步，分压器6采用高压高精度分压器，例如可以采用比例为1：1000或者1：10000的分压器，从而减小反馈过程的调节压力。特别地，在大功率阴极情况下，例如功率为100kV/1mA以上时，还可以采用具有温度控制的高压分压器确保分压的精准，保证输出的稳定。
进一步，可控开关2可以采用高压快速晶体管，例如可以采用高压场效应管或者高压晶闸管，在大功率场合还可以采用高压绝缘栅双极型晶体管。根据不同电子内靶阴极冷却能量的量级，采用单管、多管串联或者多管并联的形式去适用不同的场合。如果调制的重复频率低于50Hz，还可以采用高压继电器直接控制环路通断。本领域技术人员可以根据实际需要对可控开关2的具体型号进行选择。
进一步，脉冲耦合器3可以采用高压脉冲耦合电容或高压脉冲耦合变压器。
进一步，该电源装置不仅适用于强流重离子加速器电子内靶，还可以用于各类调制叠加型的高压交直流波形输出的装置。
进一步，调制脉冲放大器4作为耦合源同样适用于其他类型的交流源，尤其适用于各类高频源的耦合，但此类交流源对于电子内靶负载5必须具备四象限工作能力。
进一步，第一驱动控制器和第二驱动控制器采用具有时序控制能力的驱动控制器。
需要说明的是，本发明中各类器件中的高压，指的是适用于10kV至2MV的高压等级范围。
实施例2
基于上述实施例1提供的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，本实施例提供一种耦合型电子内靶高压调制电源装置的调制方法，包括以下步骤：
（1）根据实际需要，当需要进行无反馈型的电源调制时，则进入步骤（2），当需要进行反馈型的电源调制时，则进入步骤（3）；
（2）将电子内靶阴极高压源1经可控开关2与电子内靶负载5相连，将调制脉冲放大器4经脉冲耦合器3与电子内靶负载5相连，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关2和调制脉冲放大器4的控制信号，实现无反馈型的调制；
（3）将电子内靶阴极高压源1经可控开关2与电子内靶负载5相连，将调制脉冲放大器4经脉冲耦合器3与电子内靶负载5相连，并在可控开关2与调制脉冲放大器4之间连接分压器6，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关2与调制脉冲放大器4的控制信号，实现反馈型的电源调制。特别地，当省略可控开关2时，则在电子内靶阴极高压源1与调制脉冲放大器4之间连接分压器6。
进一步，上述步骤（2）中，如图3所示，无反馈型的电源调制过程为：分别对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节，使得：
在t1时刻，第一驱动控制器发出第一驱动信号以闭合可控开关2，使电子内靶阴极高压源1为电子内靶负载5阴极提供高压电场，等待阴极高压稳定后，即可开始脉冲耦合调制；此期间内，第二驱动控制器不发出驱动信号。
在t2时刻，第一驱动控制器发出的第一驱动信号已关闭了一段时间，使得可控开关2完全有效截止，切断电子内靶阴极高压源1冷却能量的通路，此时第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器4输出调制波形，且其不会通过脉冲耦合器3与可控开关2以及电子内靶阴极高压源1形成回路导致调制波形畸变，所有的调制信号都能够有效输出到电子内靶负载5上。由于电子内靶负载5处于真空状态，只要调制脉冲的电压在绝缘范围内都能将调制信号有效传输到电子内靶负载5。
在t3时刻，第二驱动控制器发出的第二驱动信号已关闭一段时间，使调制脉冲放大器4完全关闭输出，此时第一驱动控制器发出的第一驱动信号继续驱动闭合可控开关2，维持电子内靶负载5上的电荷平衡。此模式要求调制脉冲放大器4输出标准波形就能够满足要求，不需要特意做反馈处理，极大简化电源结构。
其中，t1、t2和t3时刻的具体确定，是本领域技术人员公知技术，本发明对此不做赘述。
进一步，上述步骤（3）中，如图4所示，反馈型的电源调制过程为：分别对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节，使得：
在t1时刻,第一驱动控制器发出第一驱动信号闭合可控开关2，使得电子内靶阴极高压源1为电子内靶负载5阴极提供高压电场，等待阴极高压稳定后，开始脉冲耦合调制；
在t2时刻，第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器4输出调制波形，并通过脉冲耦合器3耦合到电子内靶负载5上以及可控开关2和电子内靶阴极高压源1组合的回路上。为了避免可控开关2和电子内靶阴极高压源1组合的回路使脉冲发生畸变，必须采用反馈的方式解决。采用高压高精度分压器6对电子内靶负载5上的电压进行分压，并将采样到的分压电压送入到调制脉冲放大器4中进行反馈控制，迫使调制脉冲放大器4补偿失真的波形。
在t3时刻，第二驱动控制器发出的第二驱动信号同样已关闭一段时间，使调制脉冲放大器4完全关闭输出，此时第一驱动控制器继续驱动闭合可控开关2，维持电子内靶负载5上的电荷平衡。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，包括：
电子内靶阴极高压源、可控开关、脉冲耦合器、调制脉冲放大器以及电子内靶负载；
所述电子内靶阴极高压源的高压输出端经所述可控开关与所述电子内靶负载相连，所述调制脉冲放大器的脉冲输出端经所述脉冲耦合器与所述电子内靶负载相连，且所述电子内靶阴极高压源和调制脉冲放大器共地；
所述可控开关和调制脉冲放大器分别与第一驱动控制器和第二驱动控制器相连，在所述第一驱动控制器和第二驱动控制器控制下，所述电子内靶阴极高压源和调制脉冲放大器的输出耦合到所述电子内靶负载，实现无反馈型的电源调制。
2.如权利要求1所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，所述电源装置还包括一分压器，所述分压器设置在所述可控开关与所述调制脉冲放大器之间，用于对所述电子内靶阴极高压源的电压进行采样，采样电压输出到所述调制脉冲放大器，由所述调制脉冲放大器根据采样电压进行比较控制，实现反馈型的电源调制。
3.如权利要求2所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，所述分压器采用比例为1：1000或1：10000的分压器。
4.如权利要求1所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，所述可控开关采用适用于10kV至2MV的高压等级范围的高压场效应管、高压晶闸管或高压绝缘栅双极型晶体管。
5.如权利要求1所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，所述脉冲耦合器采用适用于10kV至2MV的高压等级范围的高压脉冲耦合电容或高压脉冲耦合变压器。
6.如权利要求1所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置，其特征在于，所述第一驱动控制器和第二驱动控制器采用具有时序控制能力的驱动控制器。
7.一种耦合型电子内靶高压调制电源装置的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）当需要进行无反馈型的电源调制时，则进入步骤（2），当需要进行反馈型的电源调制时，则进入步骤（3）；
（2）将电子内靶阴极高压源经可控开关与电子内靶负载相连，同时将调制脉冲放大器经脉冲耦合器与电子内靶负载相连，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现无反馈型的电源调制；
（3）将电子内靶阴极高压源经可控开关与电子内靶负载相连，将调制脉冲放大器经脉冲耦合器与电子内靶负载相连，并在可控开关与调制脉冲放大器之间连接分压器，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现反馈型的电源调制。
8.如权利要求7所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置的调制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现无反馈型的电源调制，包括：
在预设第一时刻，第一驱动控制器发出第一驱动信号以闭合可控开关，使电子内靶阴极高压源为电子内靶负载阴极提供高压电场；此期间内，第二驱动控制器不发出驱动信号；
在预设第二时刻，当可控开关完全有效截止，切断电子内靶阴极高压源与电子内靶负载之间的通路时，第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器输出调制波形至电子内靶负载；
在预设第三时刻，当调制脉冲放大器完全关闭输出时，第一驱动控制器发出第一驱动信号继续驱动闭合可控开关，维持电子内靶负载上的电荷平衡。
9.如权利要求7所述的一种耦合型电子内靶高压调制电源装置的调制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，对第一驱动控制器和第二驱动控制器进行调节后，分别作为可控开关和调制脉冲放大器的控制信号，实现反馈型的电源调制，包括：
在预设第一时刻,第一驱动控制器发出第一驱动信号闭合可控开关，使得电子内靶阴极高压源为电子内靶负载阴极提供高压电场；
在预设第二时刻，第二驱动控制器发出第二驱动信号驱动调制脉冲放大器输出调制波形，并通过脉冲耦合器耦合到电子内靶负载上以及可控开关和电子内靶阴极高压源组合的回路上；同时，分压器对电子内靶负载上的电压进行分压，并将采样到的分压电压送入到调制脉冲放大器中进行反馈控制，用于调制脉冲放大器补偿失真的波形；
在预设第三时刻，当调制脉冲放大器完全关闭输出时，第一驱动控制器继续驱动闭合可控开关，维持电子内靶负载上的电荷平衡。
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