CN207530723U - 一种气体中子探测器用高低压脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种气体中子探测器用高低压脉冲电源,由外部同步脉冲信号控制高低压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源和直流低压电源之间接入一个半桥式控制电路，通过半桥式高压MOS管的上桥臂和下桥臂交替导通的方式来实现脉冲高压低输出。当同步脉冲为高电平时，直流高压电源为气体中子探测器供电；当同步脉冲为低电平时，直流低压电源为气体中子探测器供电，此时可防止因中子通量过大导致气体探测器饱和。输出高压脉冲占空比在0%~90%之间连续可调、输出高压脉冲频率可以在1Hz~2KHz连续可调、输出高压脉冲上升/下降沿宽度小于1μs，非常适合利用气体中子探测器进行脉冲中子测井领域的中子探测。

Description

一种气体中子探测器用高低压脉冲电源

技术领域

本实用新型属于电源设计技术领域，具体涉及一种高低压脉冲电源，特别适用于利用气体中子探测器进行脉冲中子测井领域的中子探测。

背景技术

脉冲中子测井是指脉冲中子源每隔一定时间发射一定宽度的快中子，照射地层，通过研究中子与地层的相互作用来研究地层。目前该方法主要应用于石油和铀矿勘探与开采行业。中子探测是脉冲中子测井领域的一个重要组成部分，由于中子不带电，不能直接引起物质的“电离”与“激发”，对中子的探测主要通过对它与物质作用产生的次级带电粒子的探测而实现，目前应用较为广泛的中子探测器为³He正比计数管。³He正比计数管通过³He气体与中子进行核反应产生带电粒子——质子与氚核，质子与氚核与³He气体发生电离碰撞，使³He气体分子电离，形成大量的离子对（电子和正离子）。在外加电场的作用下，这些电子和正离子分别向正电极（中心阳极丝）和负电极（金属管壳）漂移。电子愈接近阳极，电场强度越强，电子获得的能量足以与气体原子发生电离碰撞，形成新的离子对。同样新的电子再次被加速并发生新的电离碰撞，越接近阳极，碰撞几率越大，进而产生雪崩效应，雪崩后的离子对数目大量增多，形成信号的放大，得到与入射中子能量对应的脉冲信号。然而因为雪崩只发生在阳极丝周围狭小的范围内，当输入中子通量过大，导致阳极丝周围的气体全部处于电离状态，进而导致探测器饱和，无法输出脉冲信号。

气体正比计数管的雪崩效应与探测器内部的气体压强、工作电压、电极（阳极丝、金属管壳）半径有关，在仪器系统的工作过程中，中子探测器的气体压强、电极半径参数基本无法改变，为了避免因中子通量过大而导致的探测器饱和，可通过降低其工作电压来实现。比如在脉冲中子测井过程中，当发射源中子的时间段内，将³He中子探测器的工作电压降低到工作坪区以下，避免因过度的雪崩效应导致探测器饱和，而引起的探测器短暂失效现象；当源中子脉冲时间段过后，再将探测器的工作电压回升到正常的工作坪区。能够适用于这种情况的工作电源目前尚未见报道，本实用新型所述的气体中子探测用高低压脉冲电源即可完成该功能，能够很好地适用于脉冲中子通量较大情况下的中子测井系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种气体中子探测器用高低脉冲电源，可由外部同步脉冲信号控制高低压脉冲的频率和占空比，可防止因中子通量过大导致气体探测器饱和，适用于脉冲中子通量较大情况下的中子测井领域。

本实用新型的技术方案是：一种气体中子探测器用高低压脉冲电源，包括CPLD控制芯片、上桥臂隔离驱动、下桥臂隔离驱动；同步脉冲信号控制高压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源和直流低压电源之间分别接入上下桥臂隔离驱动，通过上桥臂和下桥臂高压MOS管交替导通的方式来实现高低压脉冲输出，其中：CPLD控制芯片根据同步脉冲信号控制CPLD输出合适的时序，分别控制上桥臂隔离驱动和下桥臂隔离驱动，所述上桥臂隔离驱动包括DC-DC隔离电源、隔离光耦和上桥臂高压MOS管，所述下桥臂隔离驱动包括DC-DC隔离电源、隔离光耦和下桥臂高压MOS管；+5V供电电源与CPLD控制芯片、上桥臂DC-DC隔离电源、下桥臂DC-DC隔离电源、直流高压电源、直流低压电源连接，上桥臂隔离光耦与CPLD控制芯片、上桥臂DC-DC隔离电源、上桥臂高压MOS管连接，下桥臂隔离光耦与CPLD控制芯片、下桥臂DC-DC隔离电源、下桥臂高压MOS管连接，直流高压电源与上桥臂高压MOS管连接，同步脉冲信号与CPLD控制芯片连接，高压脉冲电源输出与上桥臂高压MOS管、下桥臂高压MOS管连接，直流高压电源和直流电低电源的输出接气体中子探测器的工作电极。

所述CPLD控制芯片的型号为XC9536，根据输入到CPLD接口的同步脉冲信号实现具体的时序切换，包括上下桥臂的导通、截止、死区时间控制；上桥臂隔离驱动和下桥臂隔离驱动均包括DC-DC隔离电源、隔离光耦和高压MOS管。

所述直流高压电源和直流电低电源的型号为CC228P-13Y，输入工作电压为+12V，输出电压0~+1500V可调，直流高压电源工作于气体中子探测器的坪区电压，直流低压电源工作于气体中子探测器的坪区以下电压。

所述气体中子探测器的类型为³He正比计数管、涂硼正比计数管。

本实用新型的优点：结构简单、使用方便，由外部同步脉冲信号控制高低压脉冲的频率和占空比，输出高压脉冲占空比在0%~90%之间连续可调、输出高压脉冲频率可以在1Hz~2KHz连续可调、输出高压脉冲上升/下降沿宽度小于1μs，非常适合利用气体中子探测器进行脉冲中子测井领域的中子探测。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的CPLD控制芯片及其外围接口原理图；

图3为本实用新型的上桥臂隔离驱动和下桥臂隔离驱动原理图。

图中：+5V供电电源(1)，CPLD控制芯片(2)，上桥臂隔离驱动(3)，上桥臂DC-DC隔离电源(4)，上桥臂隔离光耦(5)，上桥臂高压MOS管(6)，下桥臂隔离驱动(7)，下桥臂DC-DC隔离电源(8)，下桥臂隔离光耦(9)，下桥臂高压MOS管(10)，直流高压电源(11)，直流高压电源(12)，同步脉冲信号(14)，气体中子探测器 (13)。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本实用新型作更为详细的描述。

如图1所示，包括CPLD控制芯片2、上桥臂隔离驱动3、下桥臂隔离驱动7，由同步脉冲信号14控制高压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源11和直流低压电源12之间接入一个半桥式控制电路，通过半桥式高压MOS管的上桥臂和下桥臂交替导通的方式来实现高低压脉冲输出，其中：CPLD控制芯片2根据同步脉冲信号14控制CPLD输出合适的时序，分别控制上桥臂隔离驱动3和下桥臂隔离驱动7，所述上桥臂隔离驱动3包括DC-DC隔离电源4、隔离光耦5和上桥臂高压MOS管6，所述下桥臂隔离驱动7包括DC-DC隔离电源8、隔离光耦9和下桥臂高压MOS管10；+5V供电电源1与CPLD控制芯片2、上桥臂DC-DC隔离电源4、下桥臂DC-DC隔离电源8、直流高压电源11、直流低压电源12连接，上桥臂隔离光耦5与CPLD控制芯片2、上桥臂DC-DC隔离电源4、上桥臂高压MOS管6 连接，下桥臂隔离光耦9 与CPLD控制芯片2、下桥臂DC-DC隔离电源8、下桥臂高压MOS管10 连接，直流高压电源11与上桥臂高压MOS管6 连接，同步脉冲信号14与CPLD控制芯片2 连接，高压脉冲电源输出与上桥臂高压MOS管6、下桥臂高压MOS管10 连接，直流高压电源11和直流电低电源12的输出接气体中子探测器13的工作电极。

所述CPLD控制芯片2的型号为XC9536，外部输入到CPLD接口的同步信号的频率范围为1Hz~2KHz连续可调、占空比范围为0%~90%之间连续可调，根据输入信号实现具体的时序切换，包括上桥臂驱动接口和下桥臂驱动接口的导通、截止、死区时间控制等，原理电路如图2所示。

所述上桥臂隔离驱动3和下桥臂隔离驱动7的原理电路如图3所示，上下桥臂隔离驱动均包括DC-DC隔离电源、隔离光耦和高压MOS管，因为上、下桥臂的地线悬浮，利用高压隔离光耦和高压隔离电源实现高低压电源隔离，即采用隔离电源驱动隔离光耦的形式实现高压MOS管的驱动。在CPLD输出和隔离光耦控制输入之间接了一个三极管8050用于增强驱动电流。

所述DC-DC隔离电源的型号为DCH010512DN7，包括上桥臂隔离电源4和下桥臂隔离电源8，其输入电源为+5V，输出±12V，隔离电压3KV，输出通过隔离光耦接到高压MOS的电压控制端。

所述隔离光耦的型号为ACPL-W340，包括上桥臂隔离光耦5和下桥臂隔离光耦9，隔离电压为3.5KV，光耦输入端电源接+5V，上桥臂隔离光耦的输入端控制接口连接CPLD输出的上桥臂驱动输出接口，下桥臂隔离光耦的输入端控制接口连接CPLD输出的下桥臂驱动输出接口，隔离光耦输出端供电电源连接DC-DC隔离电源输出的±12V，隔离光耦输出端连接高压MOS的电压控制端。

所述上桥臂高压MOS管6和下桥臂高压MOS管10的型号为IXTH1N250，2500V/1A，上下桥臂高压MOS管的死区时间为1μs。在上桥臂高压MOS管6和下桥臂MOS管10之间串联一个高压限流电阻。

所述直流高压电源11和直流电低电源12的型号为CC228P-13Y，输入工作电压为+12V，输出电压0~+1500V可调，直流高压电源11工作于气体中子探测器13的坪区电压（对应³He正比计数管为+1300V左右），直流低压电源12工作于气体中子探测器13的坪区以下电压（对应³He正比计数管为+900V左右）。

所述气体中子探测器13的类型可为³He正比计数管、涂硼正比计数管等。

未详细描述内容均为现有技术。

以上所述仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非因此限定本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种气体中子探测器用高低压脉冲电源，包括CPLD控制芯片（2）、上桥臂隔离驱动（3）、下桥臂隔离驱动（7），其特征在于：同步脉冲信号（14）控制高压脉冲的频率和占空比，在直流高压电源（11）和直流低压电源（12）之间分别接入上下桥臂隔离驱动，通过上桥臂和下桥臂高压MOS管交替导通的方式来实现高低压脉冲输出，其中：CPLD控制芯片（2）根据同步脉冲信号（14）控制CPLD输出合适的时序，分别控制上桥臂隔离驱动（3）和下桥臂隔离驱动（7），所述上桥臂隔离驱动（3）包括DC-DC隔离电源（4）、隔离光耦（5）和上桥臂高压MOS管（6），所述下桥臂隔离驱动（7）包括DC-DC隔离电源（8）、隔离光耦（9）和下桥臂高压MOS管（10）；+5V供电电源（1）与CPLD控制芯片（2）、上桥臂DC-DC隔离电源（4）、下桥臂DC-DC隔离电源（8）、直流高压电源（11）、直流低压电源（12）连接，上桥臂隔离光耦（5）与CPLD控制芯片（2）、上桥臂DC-DC隔离电源（4）、上桥臂高压MOS管（6）连接，下桥臂隔离光耦（9）与CPLD控制芯片（2）、下桥臂DC-DC隔离电源（8）、下桥臂高压MOS管（10）连接，直流高压电源（11）与上桥臂高压MOS管（6）连接，同步脉冲信号（14）与CPLD控制芯片（2）连接，高压脉冲电源输出与上桥臂高压MOS管（6）、下桥臂高压MOS管（10）连接，直流高压电源（11）和直流电低电源（12）的输出接气体中子探测器（13）的工作电极。

2.根据权利要求1 所述的气体中子探测器用高低压脉冲电源，其特征在于：所述CPLD控制芯片（2）的型号为XC9536，根据输入到CPLD接口的同步脉冲信号实现具体的时序切换，包括上下桥臂的导通、截止、死区时间控制；上桥臂隔离驱动（3）和下桥臂隔离驱动（7）均包括DC-DC隔离电源、隔离光耦和高压MOS管。

3.根据权利要求1 所述的气体中子探测器用高低压脉冲电源，其特征在于：所述直流高压电源（11）和直流电低电源（12）的型号为CC228P-13Y，输入工作电压为+12V，输出电压0~+1500V可调，直流高压电源（11）工作于气体中子探测器（13）的坪区电压，直流低压电源（12）工作于气体中子探测器（13）的坪区以下电压。

4.根据权利要求1 所述的气体中子探测器用高低压脉冲电源，其特征在于：所述气体中子探测器（13）的类型为³He正比计数管、涂硼正比计数管。