中子管脈沖高壓電源設計研究

國家罡

摘 ? 要：脈沖高壓電源在電場殺菌、等離子發生器、激光技術等領域有著十分廣泛的應用作用，特別是在應用到測井技術中還需要使用特定的脈沖和測量時序。基于這種要求，本文設計出一種中子管脈沖高壓電源，即通過單向反激逆變電路、半臂逆對稱倍壓整流電路來增強電壓的穩定性能，實現高壓電源狀態下的斬波功能，并通過實驗驗證中子管脈沖高壓電源設計的可行性。

關鍵詞：中子管 ?脈沖高壓電源 ?中子測井

中圖分類號：TN7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0075-02

離子源一般有兩種模式，分別是直流工作方式和脈沖工作方式。其中，脈沖模式是中子管的一個重要應用。在使用中，要求離子源電壓為1.5～2.5kV，同時，供電電壓在規定的區間范圍內可以被調節。中子管內部的氣體在離子源高壓下就會被電離，之后經過加速轟擊靶核，釋放出14.1MeV的中子，文章就中子管脈沖高壓電源的設計進行探究。

1 ?中子管脈沖高壓電源系統結構設計分析

脈沖高壓是將直流高壓通過斬波電路得到的，將得到的脈沖高壓應用在中子管離子源中，從而滿足不同的應用場合需求。

考慮到整個離子源供電需求，為了確保電壓達到一定數值之后系統能夠持續性運轉，需要利用高頻變壓器替代低頻變壓器，即選擇故障少、輸出功率少的反激式變換器，同時采用脈沖頻率調制方式（PFM）產生脈沖高壓。其基本的操作特點是通過改變開關頻率來調節占空比例，有效調節整個系統的輸出電壓，確保整個中子管脈沖高壓電源系統的穩定運行。

在應用這個系統的時候為了獲得理想狀態的電壓和電流，文章以MOSFET作為基本開關的器件來設計出一種可以被調節的高壓脈沖電源，在整個中子管脈沖高壓電源系統運行的時候首先設計了一個直流電壓，之后通過控制系統的斬波來將高壓直流電通過斬的形式輸出，從而滿足中子管的工作需求。

2 ?中子管脈沖高壓電源系統高壓直流電源設計

中子管脈沖高壓電源系統的高壓直流電源一般由逆變電路和倍壓電路共同組成， 具體結構如圖1所示。整個逆變電路采用的是TL494基本型號的給電路脈沖形式，在設計時候以MOS管和20N60S5作為主要開關零部件，在整個系統的協同下能夠輸出單向或者雙向的方波脈沖信號。整個逆變電路采用的是簡單高效的單端反激電路模式，TL494構成的脈沖振蕩電路的觸發性脈沖在運作的時候能夠控制整個開關管的通路和運行，在處于高電平脈沖狀態的時候，電流在經過變壓器、開關管的時候會產生上正下負的電壓，而如果處于低電平狀態的時候，TL494構成的脈沖振蕩電路的觸發性脈沖會停止工作。

3 ?中子管脈沖高壓電源斬波電路基本設計

3.1 觸發電路的基本設計

為了能夠得到良好的脈沖波形，觸發電路的設計應用了SG3525脈沖頻率調制控制器，SG3525脈沖頻率調制控制器工作電壓在8～35V之間，其中包含了5.1V的基準電源，振蕩器的工作頻率范圍一般在100～400Hz之間，所有的頻率都可以雙路輸出，是一種性能良好的脈沖頻率控制器。SG3525脈沖頻率調制控制器使用了推挽輸出接通方法，13腳和15腳和VCC進行連接，完成持續性的供電，5腳和7腳共同通過控制6腳電位器RW1阻值和5腳電容C1來改變SG3525脈沖頻率調制控制器兩路的輸出脈沖頻率。

3.2 開關管的選擇

開關管的質量決定脈沖電路的基本工作特性和高壓脈沖電源輸出性能，為此，需要操作人員盡可能的應用性能良好的全控制開關器件，借助其較強的抗干擾性能和導通率來實現對信號開斷的控制。符合以上要求的開關管是耐壓數值2000V以上的MOSFET，這個開關管會以串聯的方式來滿足系統的耐壓需求。

3.3 過流保護

過流保護主要包含平均電流門限檢測、逐周過流保護等多個方式，從實際操作上來看經常應用的方式是最大輸出平均電流來進行門限的檢測，從而將電流信號放大。在檢測到輸出電流趨近于之前設定數值的時候就會立即啟動 設備限制電流。但是在出現短路的時候就無法保護功率開關，最終破壞功率開關管，因此以上方法不可取。

通過逐周過流保護方式能夠確保功率開關工作被限定在安全電流的范圍內，通過在功率開關管上串聯一個電流檢測設備來及時把控開關管的瞬時電流，在出現實時電流超過限定數值的時候 及時關閉整個功率開關管，實現對中子管脈沖高壓電源過流的保護。

4 ?中子管脈沖高壓電源設計結果分析

對所研制的中子管脈沖高壓電源系統進行了負載測試，將斬波電路輸出連接在高阻值的阻性負載上，整個負載支路的取樣電阻滿足最小脈寬和規定頻率范圍內的方波需要。根據不同測井方式所需要中子脈沖頻率和 脈寬要求的不同，需要測試 多組典型的中子管脈沖高壓電源脈寬、頻率、輸出波形，繪制出負載支路上的電阻波形圖。根據實驗測試分析發現，本文所研究的中子管脈沖高壓電源帶入中子管時能夠為陽極離子源提供重復頻率的脈沖高壓供電，確保中子管按照所需要頻率的脈沖形式來適當足夠數量的中子。

5 ?結語

綜上所述，伴隨脈沖測井技術的深化發展，不管是在穩定性、安全性還是在設備的外觀上都對中子發生器的使用提出了更高的要求，由此就要求提供電力支持的高壓脈沖電源具備良好的性能。中子測井操作時會借助高壓脈沖電源來為離子源陽極供電，通過供電來使中子管釋放出中子，中子和地層元素相互作用最終達到測井的目的。文章設計出一種中子管脈沖高壓電源，并就其設計結果展開實驗分析，最終發現所研究的中子管脈沖高壓電源帶入中子管時能夠為陽極離子源提供重復頻率的脈沖高壓供電，并確保中子管按照規定的要求來適當中子。

參考文獻

[1] 付榮耀，孫鷂鴻，高迎慧，等.一種高壓脈沖電源設計與實驗[J].火力與指揮控制，2014（6）：170-173.

[2] 彭享，葉兵，朱旗，等.一種高壓脈沖電源設計[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2017，40（11）：1511-1514.

[3] 吳麗娟，侯博鋒，孟德川，等.中子管離子源2kV高壓脈沖電源的研制[J].沈陽師范大學學報自然科學版，2017（3）：339-343.