太陽磁場望遠鏡KD*P高壓脈沖電源設計

2013-03-29 02:11:22林佳本胡柯良鄧元勇

現代電子技術 2013年2期

林佳本　胡柯良　鄧元勇

摘要：為了提高太陽磁場的測量精度，采用新的電路設計方法實現了一套可以應用于懷柔太陽磁場望遠鏡KD*P電光調制器的高精度高壓控制系統。系統中使用新技術制造的高壓模塊配合新的高壓調制電路產生高精度的高壓脈沖信號，系統輸出的30 Hz高壓方波時其上升沿和下降沿時間小于2 μs，輸出1 000 V高壓時上升沿結束2 μs后紋波小于2 V，提高了觀測磁場數據的精度；同時，電路中加入了直流保護、放電保護等措施確保系統工作安全；所有控制邏輯、高壓輸出接口與原有系統兼容，保證系統可以快速切換，高效運轉。

關鍵詞：KD*P；高壓脈沖信號；調制電路；太陽磁場觀測

中圖分類號：TN911?34 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0154?04

0 引言

（1）懷柔太陽觀測基地35 cm真空折射望遠鏡情況簡介[1]

懷柔觀測基地的太陽磁場望遠鏡是世界上最先進的磁場觀測設備之一，自投入使用的20多年來，取得了大量國際一流的觀測數據，依托這些先進的設備和數據，培養了一批有影響力的天文工作者，并以此為基礎形成了一個具有國際競爭力的太陽物理研究群體。太陽磁場望遠鏡可以在太陽光球FeI 5 324.19 ? 和色球H 4 861.34? 兩條譜線上工作，測量太陽大氣中兩個層次上的磁場、縱向速度場、亮度場等物理參量，是一臺多功能的綜合性太陽觀測設備，可用于太陽磁場和磁活動的觀測研究、日地空間災害天氣的監測和預報等多種用途。

太陽磁場望遠鏡的基本參數如下：

根據塞曼效應，縱向磁場使譜線分裂成左旋和右旋圓偏振光，它們的位相差為ΔλH。當KD*P上的電壓為正時，只有左旋光波通過。CCD接收的光強度為I?；當KD*P上的電壓為負時，只有右旋光通過，CCD接收的光強度為I+。此時產生光強差，它正比于磁場強度H。因此，可以建立起于磁場強度間的對應關系。這樣就得到縱向場V。在磁場測量過程中，KD*P的正負極性交替出現，并被要求與CCD采樣嚴格同步，但由于KD*P有響應時間（即有上升沿和下降沿），這一過程中KD*P不是所要求的1/4λ波片，因此會帶來測量誤差[3]。故此對KD*P的控制器提出了較高要求。從上述的測量原理中可以看出，加到KD*P晶體兩端的高壓須為理想的矩形高壓脈沖序列才能保證測量結果的準確。而實際的電路系統中能夠做到的就是采用合理的器件和電路，實現矩形波的延遲和上升沿時間滿足測量精度要求。

原有的高壓調制系統已經連續服役十多年，部分電子器件可能已經達到或超過使用期限，一方面高壓波形的精度下降影響觀測數據精度，而且成為故障隱患，維護代價逐年增加；另一方面新技術的發展使得可以實現波形更精確、操作更簡單的高壓控制系統，從而提高太陽磁場觀測的精度。因此開發一套新的高壓調制系統勢在必行。另外，在我國正在推進的大型太陽空間科學衛星―空間太陽望遠鏡（SST）中，對磁分析器精度提出了更高需求[4]，也促使我們要提高現有的磁分析器精度。本文所討論的磁分析器高壓控制系統，采用了新型高壓模塊和新的調制電路實現高精度高壓脈沖序列，并加入了直流、放電等保護電路；而在邏輯控制、高壓輸出等接口方面，新系統完全兼容原有系統，新舊系統可以實現無縫切換。觀測者根據磁場觀測的要求，通過計算機向KD*P電光調制器高壓電源發出各種控制信號，完成磁場觀測。

1 高壓調制及保護電路設計實現方法

KD*P電光調制器是用來測量太陽磁場的一種必要的物理光學器件，它需要饋入交變高壓，以實現其光學滯后量的調制。懷柔太陽觀測基地的磁場望遠鏡系統中的KD*P電光調制器要求高壓電源能夠輸出頻率0.1～100 Hz和幅值±（500～1 400 V）的可調矩形波信號。具體指標如下：

（1）電壓紋波，要求矩形波頂部不規則起伏小于幅度的1/200；

（2）要求矩形波上升、下降時間小于矩形波周期的1/100；

（3）直流保護，因為長時間饋入直流高壓會損壞KD*P，所以這種故障必須避免；

（4）放電保護，1 000 V以上的高壓很容易造成人身和設備危害，為了操作和維護的安全性，適時放電非常必要。具體設計方案如下所述。

1.1 高壓模塊

采用天津某公司生產的DW?P112?15D型高壓模塊，該模塊可以提供1 200 V，15 mA的高壓。該模塊采用電壓控制方式——控制端輸入0～5 V的低電壓，在輸出端輸出0～1 200 V的高壓，系統中采用電位器控制輸出的電壓值。工作過程中該模塊保持高壓輸出狀態，通過繼電器得通斷來控制系統輸出端高壓的輸送與否。

1.2 高壓調制電路

由柵極驅動器[5]、場效應管等構成高壓調制電路，TTL電平的同步脈沖序列，通過與CCD數據采集軟件的配合實現KD*P晶體光軸的反轉與CCD曝光的同步。

1.3 直流保護電路

通過可再觸發單穩態觸發器（74HC123），脈沖邊沿觸發形成正常工作狀態；若沒有脈沖則單穩態觸發器處于無觸發的穩態Q端為低電平，高壓輸出電路被禁止。在沒有控制脈沖的時候，例如：CCD相機突然斷電或其他故障而不能正常工作時，保證不會將直流的高壓加到KD*P晶體上，從而保護晶體[6]。

1.4 放電電路

系統中為了穩壓而加入了三個47 mF 400 V的大電容，如果沒有合適的放電電路這些電容中儲存的電能將長時間存在。而這樣的高壓很容易危及操作人員和設備的安全，因此在系統中加入放電電路，保證高電壓在系統斷電后快速衰減非常必要。這一部分電路充分利用了系統中的單刀雙擲繼電器的雙擲：工作狀態，繼電器吸合，高壓輸出電路正常接通工作；工作狀態結束，繼電器高壓輸出電路斷開，同時連接到放電電路快速放電，從而形成有效的保護[7]。目前，系統放電電路能夠在10 s之內將三個電容器中貯存的1 000 V的高壓放電至30 V以下。

2 高壓組合選擇、輸出電路設計實現方法

懷柔太陽磁場望遠鏡可以觀測不同波長（5 324 ?，4 861 ?）的觀測目標，而不同的觀測波長又有不同的觀測內容（I，Q，U，V），觀測波長和觀測內容的組合決定所需的高壓。觀測計算機根據觀測波長和觀測內容的組合發送高壓選擇邏輯到高壓調制系統，系統中通過可編程邏輯器件的邏輯判別確定高壓組合電路繼電器的接通與斷開。

2.1 邏輯判別與輸出控制繼電器電路

主控計算機根據觀測波長和觀測內容確定控制信號，通過數字I/O卡將組合邏輯信號發送給高壓調制系統[8]。系統中通過可編程邏輯器件（GAL 16V8），根據輸入邏輯選擇工作繼電器的接通與斷開，實現觀測內容和所需高壓的對應[9]。

2.2 光耦隔離保護電路

由于系統中存在1 000 V的高壓成分，為了對主控計算機進行保護，邏輯控制側的TTL控制信號通過光耦控制現場側的高壓脈沖信號，形成從邏輯側到現場側的不可“逆”電路，從而保護主控計算機及其他重要的觀測設備。

2.3 數據采集與KD*P同步反轉電路設計

要實現磁場測量需要進行積分計算，而且要保證左旋光和右旋光的分別進行積分，然后才能根據Stokes公式計算獲得太陽磁場[3]，通常情況下要實現10 G的測量精度，積分的數據幀數需要達到256幀以上。磁場計算公式經簡化后如下：

圖4為磁場數據等高線圖，磁場數據按照磁場強度為20，40，80，160，320，640，960，1 280，1 600，1 920，2 240，2 560，2 880（單位：G）繪制對應于圖3磁場數據的等高線圖，以此對比新舊高壓系統在磁場測量靈敏度方面的差異。從圖3磁場灰度顯示中（兩幅圖的顯示參數設置完全一致）可以看出（b）中的黑子磁場的輪廓、邊沿、內部結構等都比（a）中的對應部分要清晰。在圖4磁場數據等高線圖中（等高線間隔設置完全一致），圖（b）中等高線的層次明顯要多于圖（a），在遠離黑子的一些區域中，圖（b）中有梯度線出現，圖（a）中則根本沒有。另外，取矩形框中的部分做簡單對比：圖（a）的等高線層次總共是4級，而圖（b）中的層次則有7級。計算了兩幅磁圖中的最大值和最小值：原有高壓調制系統測的磁場最大值450.160，最小值為-448.709；新系統的最大值為660.610，最小值為-710.741。后者的數據范圍明顯要大于前者。

從高壓脈沖波形指標的對比中可以看出，新舊兩套高壓調制系統都充分滿足望遠鏡磁場測量的要求，而新系統在波形精度指標方面比原有系統有很大提高；從實測磁場數據的比較中可以看出無論從磁場灰度圖直觀顯示，還是從等高線圖分析、數據范圍[11]分析，新的高壓系統測得的磁場數據都要優于原有系統。

圖4 磁場數據等高線圖

4 結語

該調制器電源性能穩定、工作良好、與原有系統接口完全兼容、維護方便，滿足觀測要求。目前已經投入使用并已取得大量良好的磁場觀測數據。另外，在這套系統研制過程中積累的技術和經驗，為其他望遠鏡中電光調制器高壓控制系統的研制、調試等提供了大量的資源，提高了這些系統的研制、調試效率。

感謝懷柔太陽觀測基地觀測員汪國平在系統調試過程中給予的大力協助。

參考文獻

[1] 艾國祥.太陽磁場望遠鏡的提出和工作原理[J].北京天文臺臺刊，1986（8）：1?10.

[2] 艾國祥.太陽磁場望遠鏡中的KD*P電光調制器[J].北京天文臺臺刊，1986（8）：86?96.

[3] 林元章.太陽物理[M].北京：科學出版社，2000.

[4] 王東光.空間太陽望遠境偏振分析器的設計與研制[D].北京：中國科學院，2003.

[5] IRF公司.IR2213數據手冊[M].出版地不詳：IRF公司，2007.

[6] 胡柯良.面陣CCD導行和嵌入式系統在高時空分辨率太陽磁場觀測中的應用研究[D].北京：中國科學院，2004.