一種電子管高頻功率源定功率燈絲電源改造

殷治國

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

1 概 述

某型醫(yī)用回旋加速器的高頻發(fā)射機為整機進口美國ASI公司產(chǎn)品，型號為CE－20000。該功率源為四級放大線路，其中后兩級為電子管功率放大器，中間級采用的是EIMAC公司的三級電子管YC－229對高頻信號進行預(yù)防大，達到1 kW功率水平。末級功率放大使用的是EIMAC的水冷三極管3CX20 000A。該級輸出功率可達20 kW功率量級。

電子管作為功率放大裝置，在高頻功率源中是很重要的部件。電子管壽命的終結(jié)，主要有以下幾個原因：（1）電子管陰極電子發(fā)射能力低于門限值，甚至喪失熱電子發(fā)射能力。（2）電子管各個電極之間發(fā)生碰極。（3）燈絲斷裂。（4）真空壞，漏氣。其中，正常使用的電子管壽命終結(jié)往往和（1）、（3）關(guān)系更為密切。導(dǎo)致燈絲壽命縮短的原因無外乎過流驅(qū)動等原因，其中關(guān)系最為密切的是電子管啟動過程中燈絲電流的大小，這是因為燈絲材料在冷狀態(tài)的電阻率較低，會導(dǎo)致冷機啟動大電流沖擊的問題。ASI公司的CE－20000型發(fā)射機工作頻率為73 MHz，具有線路精煉、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。隨機所帶中間級電子管和末級電子管，雖然在回旋加速器調(diào)試中連續(xù)使用了很長時間，但在技術(shù)人員的精心維護下，仍然能夠穩(wěn)定的工作。其中，對其兩級電子管進行的燈絲電源改造效果明顯，整個改造過程經(jīng)濟投入很低，取得的效益很高，有效地延長了電子管的壽命，減少了發(fā)射機的維護量。

2 具體改造方法

CE－2000型功率源后兩級電子管的燈絲電源均采用50 Hz交流供電，直接連接電網(wǎng)，無任何軟起動裝置或措施。經(jīng)觀察每次功率源開機時，燈絲電流會有瞬間過流沖擊，其幅度經(jīng)測量為正常運行值的7.7～8.2倍。為解決此問題，專門設(shè)計了一種針對電子管高頻功率源燈絲回路的定功率線路，僅需更換原有燈絲變壓器，并在原邊串聯(lián)一個確定大小電感即可，其等效電路如圖1所示。該電路設(shè)計計算有2個關(guān)鍵點，一是確定串聯(lián)電感的大小，二是確定變壓器的匝數(shù)比。

圖1 恒定功率燈絲驅(qū)動線路

恒定功率燈絲線路的設(shè)計目標是解決電子管燈絲冷、熱狀態(tài)電阻率差別顯著而引起的瞬間過流問題，設(shè)計的原理是在原邊加入感性電抗對燈絲變壓器輸出功率進行限制，從而適應(yīng)副邊電阻變化的情況。假定U0為電網(wǎng)電壓，UL和UR則分別表示電感器L1上的電壓以及變壓器T1源邊的電壓，由電路可得電子管燈絲功率為：

式中，R為燈絲在源邊等效電阻；L為串聯(lián)電感量。對式（1）取導(dǎo)數(shù)可得極值條件：ωL＝R。因此，設(shè)計的關(guān)鍵在于，只有當(dāng)電感上的電壓矢量與變壓器原邊電壓矢量大小相等、方向正交時，傳輸?shù)阶儔浩鞲边叺墓β什攀亲畲笾担纯蓪錉顟B(tài)燈絲過流的情況加以限制。針對YC－229的具體情況，取電網(wǎng)電壓U0＝400 V。

依據(jù)功率傳輸最大條件，由式（2）可得變壓器源邊電壓為282 V。YC－229的燈絲工作電壓為6.3 V。由此可得變壓器設(shè)計變比為45∶1。根據(jù)YC－229的燈絲工作電阻，可折算原邊電阻大小，計算可得串聯(lián)電感量為1.17 H。同理可得，末級電子管3CW20000燈絲變壓器變比為37∶1，串聯(lián)電感設(shè)計值為0.34 H。

取燈絲電阻R為自變量，通過式（1）可計算得到不同電子管燈絲功率P。圖2為前級YC－229電子管燈絲電阻由0～120%變化時對應(yīng)的燈絲電流及燈絲功率變化趨勢圖，其中X軸為自變量與熱狀態(tài)燈絲電阻的比率，左Y軸為不同電阻時的燈絲功率與正常運行燈絲功率的比值，右Y軸為驅(qū)動電流的大小。由圖可見，在燈絲的冷狀態(tài)下，即便燈絲電阻很小，燈絲電流瞬間也只會到達35 A，過流被限制為正常工作的1.4倍。考慮到此時燈絲的電阻值很小，因此加熱功率不大，不會對電子管造成沖擊，有效地保護了電子管燈絲。因此，本設(shè)計在不增加線路復(fù)雜性的同時，具有良好的限流作用。

依據(jù)圖2，不難發(fā)現(xiàn)本設(shè)計的另一個優(yōu)點是能夠適應(yīng)電子管燈絲老化的變化。考慮到電子管放大器在整個壽命周期內(nèi)，隨著電子熱發(fā)射，燈絲直徑會逐漸變細，對應(yīng)電子管熱狀態(tài)的燈絲電阻值會逐漸升高。線路對于這種情況，會降低驅(qū)動功率，而不會像原線路一樣增加驅(qū)動功率。這樣做的優(yōu)點：一是可以增長電子管的使用壽命，二是可以提高線路對不同電子管個體的適應(yīng)性。

圖2 燈絲電阻變化時的電流及功率

3 結(jié)束語

綜上所述，本文設(shè)計了一種適用于醫(yī)用回旋加速器電子管發(fā)射機燈絲電源的定功率驅(qū)動線路，具有自適應(yīng)負載電阻變化的優(yōu)點，對于延長電子管的使用壽命有一定的好處。該電路已投入實際使用，值得注意的是，在實際調(diào)試工作中發(fā)現(xiàn)，若串聯(lián)電感以1%為步進設(shè)置若干抽頭，對調(diào)試工作會帶來很大的方便。隨后兩年多的運行經(jīng)驗表明，該電路工作正常，穩(wěn)定可靠。該電路可進一步推廣到通訊、廣電行業(yè)，用于FM發(fā)射機燈絲電源的設(shè)計和制造。