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一种脉冲调制器
申请号	CN201910375231.3	申请日	2019-05-07	公开(公告)号	CN110149106B	公开(公告)日	2024-04-26
申请人	中国科学院上海应用物理研究所;			发明人	刘永芳; 谷鸣; 吴勇华; 袁启兵;
摘要	本发明提供了一种脉冲调制器，包括一油缸箱体，所述油缸箱体外设有一电容充电电源，所述油缸箱体内设有通过一主电缆与该电容充电电源依次相连的脉冲成型网络和脉冲变压器的初级线圈，所述电容充电电源和脉冲成型网络之间的主电缆与一位于所述油缸箱体内部的一触发电路相连，该脉冲变压器的次级线圈与一负载速调管相连，所述油缸箱体上插设有一对外接口盒，该对外接口盒插入油缸箱体的部分与所述触发电路相连。本发明的脉冲调制器将脉冲成型网络，脉冲变压器，速调管等都安装在一个密闭的装有绝缘油的油缸内，使其体积紧凑；且采用集成化的油缸设计，仅仅通过对外接口盒与外界信号进行交换，因此EMI性能好。
权利要求	1.一种脉冲调制器，其特征在于，包括一油缸箱体（101），所述油缸箱体（101）外设有一电容充电电源（1），所述油缸箱体（101）内设有通过一主电缆（L）与该电容充电电源（1）依次相连的脉冲成型网络（2）和脉冲变压器（3）的初级线圈（31），所述电容充电电源（1）和脉冲成型网络（2）之间的主电缆（L）与一位于所述油缸箱体（101）内部的一触发电路（6）相连，该脉冲变压器（3）的次级线圈（32）与一负载速调管（4）相连，所述油缸箱体（101）上插设有一对外接口盒（104），该对外接口盒（104）插入油缸箱体（101）的部分与所述触发电路（6）相连；所述脉冲成型网络（2）由多级的脉冲电容依次并联组成，每一级脉冲电容的其中一个电极与下一级脉冲电容的对应电极之间分别连接一个电感，最后一级电容的两端并联有一截尾电路（21），所述对外接口盒（104）插入油缸箱体（101）的部分与所述截尾电路（21）相连；所述脉冲变压器（3）的初级线圈（31）接地，并与一阻尼及匹配网络（7）并联，所述对外接口盒（104）插入油缸箱体（101）的部分与所述阻尼及匹配网络（7）相连；所述油缸箱体（101）仅仅通过对外接口盒（104）与外界信号进行交换，且所述对外接口盒（104）采用N型连接器或者SMA连接器作为其外部连接孔。 2.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述电容充电电源（1）和脉冲成型网络（2）之间的主电缆上设有位于所述油缸箱体（101）内部的一电源保护电路（5），所述对外接口盒（104）插入油缸箱体（101）的部分与所述电源保护电路（5）相连。 3.根据权利要求2所述的脉冲调制器，其特征在于，所述电源保护电路（5）包括依次设于主电缆（L）上的第一二极管（51）、第一电阻（52）以及与主电缆相连且一端接地的一第二二极管（53），所述第二二极管（53）上并联有一第一电容（54）和一第一RC滤波器（55）；所述截尾电路（21）包括彼此串联的第三二极管（211）和第二电阻（212）；且所述阻尼及匹配网络（7）包括RC滤波器（71），该RC滤波器（71）的两端并联有彼此串联的第四二极管（72）和第三电阻（73）。 4.根据权利要求2所述的脉冲调制器，其特征在于，所述电源保护电路（5）、截尾电路（21）和阻尼及匹配网络（7）均采用保护板模块（700）或多个保护板模块（700）串联而成，每个保护板模块（700）均由集成在同一电路板上多个二极管（701）串联而成，且每个二极管（701）上各并联一均压电容（702）和一均压电阻（703）。 5.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述触发电路（6）包括一高压开关闸流管（61）。 6.根据权利要求1所述的脉冲调制器，其特征在于，所述油缸箱体（101）内填充有绝缘油，所述油缸箱体（101）的侧壁上安装有水冷板（102）和观察窗（103），所述水冷板（102）与所述脉冲成型网络（2）和脉冲变压器（3）的距离至少为绝缘油环境下的电气绝缘距离。 7.根据权利要求6所述的脉冲调制器，其特征在于，所述水冷板（102）由一外层不锈钢板（1021），多个固定在外层不锈钢板（1021）的内表面上的内层铜板（1022）、一贴合固定于所述外层不锈钢板（1021）和多个内层铜板（1022）之间的冷却水管（1023）及固定于所述内层铜板（1022）上的散热片组成。
说明书全文	一种脉冲调制器技术领域 [0001] 本发明涉及直线加速器脉冲功率技术领域，具体涉及一种脉冲调制器。背景技术 [0002] 直线加速器的微波功率源系统是由速调管及脉冲调制器组成。微波功率源系统是将50Hz连续低功率的工业用电转换为脉冲高功率的微波电磁场。图1是现有的直线加速器微波功率源系统的功能框图，速调管将脉冲调制器输出的高压脉冲信号调制为微波电磁场，然后通过波导与耦合装置馈入加速结构加速带电粒子。 [0003] 图2是现有的电子直线加速器微波功率源系统的结构示意图。主要由脉冲调制器201，速调管202，能量倍增器203及加速管204组成。脉冲调制器201通过一位于油缸内的脉冲变压器205向速调管202提供一个高压脉冲信号作为其输入注电压。速调管202将低功率微波调制成高功率微波。速调管输出的高功率微波进一步通过能量倍增器203倍增之后馈入加速管给加速管204中的电子提供功率。 [0004] 其中，直线加速器加速粒子是通过高功率微波实现的，直线加速器的微波功率源是由脉冲调制器201及速调管202组成的。因此，脉冲调制器201输出脉冲电压的稳定性直接影响到微波功率的稳定性，进而影响到加速粒子的束流品质。 [0005] 现有技术中的脉冲调制器201与脉冲变压器205所在的油缸是分离的两个部分，两者需要通过高压传输电缆Y连接，如图2所示。这种将脉冲调制器分成两部分的设计方案增加了各部分之间的电气连接接口，这样就降低了系统的EMI性能。而且这种设计方案使得脉冲调制器的体积很大，不宜用于地下隧道等体积紧凑的场所。此外，对直线加速器来说，能量稳定性是一个重要的技术指标。脉冲调制器输出高压的重复稳定性直接影响微波功率源的稳定性进而影响直线加速器电子束的能量稳定性。高压脉冲调制器变压器次级高压达到数百千伏，这对脉冲调制器的工艺设计提出了高要求。而脉冲调制器的高电压同时会产生强烈的电磁干扰，这些电磁干扰会影响到电源系统，低电平系统等低压系统，进而影响能量稳定性。随着加速器技术的发展，对脉冲调制器高稳定性，小体积，低EMI泄露的要求越来越高。国产现有的调制器都采用空气中工作及风冷open‑air的设计方式[张建华，尚雷等，130MW大功率线型脉冲调制器的设计与研究，雷达科学与技术]，其在稳定性、体积和EMI性能等方面依然存在缺陷。发明内容 [0006] 本发明的目的在于提供一种紧凑型油缸内的脉冲调制器，以进一步减小脉冲调制器的体积，提高脉冲调制器的稳定性和EMI性能。 [0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种脉冲调制器，包括一油缸箱体，所述油缸箱体外设有一电容充电电源，所述油缸箱体内设有通过一主电缆与该电容充电电源依次相连的脉冲成型网络和脉冲变压器的初级线圈，所述电容充电电源和脉冲成型网络之间的主电缆与一位于所述油缸箱体内部的一触发电路相连，该脉冲变压器的次级线圈与一负载速调管相连，所述油缸箱体上插设有一对外接口盒，该对外接口盒插入油缸箱体的部分与所述触发电路相连。 [0008] 所述脉冲成型网络由多级的脉冲电容依次并联组成，每一级脉冲电容的其中一个电极与下一级脉冲电容的对应电极之间分别连接一个电感，最后一级电容的两端并联有一截尾电路，所述对外接口盒插入油缸箱体的部分与所述截尾电路相连。 [0009] 所述脉冲变压器的初级线圈接地，并与一阻尼及匹配网络并联，所述对外接口盒插入油缸箱体的部分与所述阻尼及匹配网络相连。 [0010] 所述电容充电电源和脉冲成型网络之间的主电缆上设有位于所述油缸箱体内部的一电源保护电路，所述对外接口盒插入油缸箱体的部分与所述电源保护电路相连。 [0011] 所述电源保护电路包括依次设于主电缆上的第一二极管、第一电阻以及与主电缆相连且一端接地的一第二二极管，所述第二二极管上并联有一第一电容和一第一RC滤波器；所述截尾电路包括彼此串联的第三二极管和第二电阻；且所述阻尼及匹配网络包括RC滤波器，该RC滤波器的两端并联有彼此串联的第四二极管和第三电阻。 [0012] 所述电源保护电路、ELOC电路和阻尼及匹配网络均采用保护板模块或多个保护板模块串联而成，每个保护板模块均由集成在同一电路板上多个二极管串联而成，且每个二极管上各并联一均压电容和一均压电阻。 [0013] 所述对外接口盒采用N型连接器或者SMA连接器作为其外部连接孔。 [0014] 所述触发电路包括一高压开关闸流管。 [0015] 所述油缸箱体内填充有绝缘油，所述油缸箱体的侧壁上安装有水冷板和观察窗，所述水冷板与所述脉冲成型网络和脉冲变压器的距离至少为绝缘油环境下的电气绝缘距离。 [0016] 所述水冷板由一外层不锈钢板多个固定在外层不锈钢板的内表面上的内层铜板、一贴合固定于所述外层不锈钢板和所述多个内层铜板之间的冷却水管及固定于所述内层铜板上的散热片组成。 [0017] 本发明的脉冲调制器将脉冲成型网络，脉冲变压器，速调管等都安装在一个密闭的装有绝缘油的油缸内，从而将脉冲调制器的体积可以做到现有脉冲调制器体积的一半以下，体积紧凑；且采用集成化的油缸设计，减少了高压机柜向外部泄露电磁干扰的机会，其仅仅通过对外接口盒与外界信号进行交换，且该对外接口盒采用外部连接孔和N型连接器或者SMA连接器作为其外部连接孔，因此EMI性能好。此外，本发明的脉冲调制器的冷却方式由传统的风扇冷却改为恒温冷却水冷的方式可以有效的改善温漂对脉冲调制器稳定性的影响，因此可以显著提高脉冲调制器的输出高压重复稳定性。附图说明 [0018] 图1是现有的直线加速器微波功率源系统的功能框图。 [0019] 图2是现有的电子直线加速器微波功率源系统的结构示意图。 [0020] 图3为根据本发明的一个实施例的脉冲调制器的原理图。 [0021] 图4为本发明的脉冲调制器的脉冲成型网络的充电波形图。 [0022] 图5为如图3所示的脉冲调制器的保护板模块的结构示意图。 [0023] 图6为如图5所示的保护板模块的电路原理图。 [0024] 图7是如图3所示的脉冲调制器的立体结构图。 [0025] 图8为如图3所示的脉冲调制器的水冷板的结构图。具体实施方式 [0026] 如图3所示为根据本发明的一个实施例的脉冲调制器，其适用于美国CPI公司的VKX‑8311，日本东芝公司的E37202，日本三菱公司的E3730A等大功率脉冲速调管，其包括一油缸箱体101，所述油缸箱体101外设有一电容充电电源1(CCPS，Capacitor charging power supply)，所述油缸箱体101内填充有绝缘油，且设有通过一主电缆L与该电容充电电源1依次相连的脉冲成型网络2(PFN，Pulse Forming Network)和脉冲变压器3的初级线圈31，该脉冲变压器3的次级线圈32则与一负载速调管4相连，该负载速调管4的热阴极电子枪部分置于油缸箱体101内，其余部分置于油缸箱体101外。所述电容充电电源1和脉冲成型网络2之间的主电缆L上设有位于油缸箱体101内部的一电源保护电路5，并与一位于油缸箱体 101内部的触发电路6相连。 [0027] 由此，电容充电电源1首先对脉冲成型网络2充电，脉冲成型网络2的充电电压达到设定值之后停止充电，等待放电。一外界的触发信号触发所述触发电路6导通，进而控制该脉冲成型网络2放电。脉冲成型网络2的放电过程在脉冲变压器3的初级线圈31上形成一个由脉冲成型网络2及负载速调管4所决定的高压脉冲信号，该高压脉冲信号经过脉冲变压器升压后作为负载速调管的阴极注电压。 [0028] 其中，所述脉冲变压器3的初级线圈31接地，并与一阻尼及匹配网络7并联，用于泄放脉冲过后变压器中的剩磁，实现脉冲成型网络2的特征阻抗与脉冲变压器3的初级阻抗匹配。由于脉冲变压器初级的电压只有前端充电电压的一半。所以阻尼及匹配网络7的耐压要求为电容充电电源1的充电电压的一半。为了使脉冲变压器3在满足基本电压电流参数的条件下具有尽量小的分布参数以得到更好的脉冲波形，脉冲变压器3的变比为1:10‑1:20之间，在本实施例中为1：19，并且脉冲变压器3的漏感及分布电容设置为尽量小。 [0029] 所述触发电路6包括一高压开关闸流管61及闸流管辅助电路62。为了满足油冷环境下使用的问题，同时为满足5ns的RMS开关抖动的要求，该高压开关闸流管61采用氢闸流管，具有脉冲电流大，点火迅速，可靠性好等优点，其型号为E2V公司的油冷式CX1836。闸流管辅助电路62一方面将触发信号转换成高压开关闸流管61能接受的触发电平信号，另一方面这部分电路起到保护闸流管的作用。 [0030] 所述脉冲成型网络(PFN)2由多级的脉冲电容C1、C2、…、CN依次并联组成，每一级脉冲电容Cn的其中一个电极与下一级脉冲电容Cn+1的对应电极之间分别连接一个电感L2、L3、…、LN，在本实施例中，脉冲电容的级数N为10，n＝1，2，…，9。此外，最后一级电容的两端还并联有一截尾(ELOC)电路21。 [0031] 本发明的脉冲调制器的具体的性能指标总结如下。其中，RMS是指均方根(Root Mean Square)。 [0032] 脉冲电压 420KV 脉冲电流 340A脉冲功率 142MW 脉冲前沿抖动RMS 5ns 最高重复频率 10Hz 脉冲幅度稳定度RMS 300ppm 脉冲半高宽 3us 脉冲顶宽@99％ 1us [0033] 为了实现上述性能指标，本发明的脉冲调制器的脉冲成型网络2采用集总LC参数模拟传输线的方法来设计其参数，脉冲成型网络2的参数包括脉冲成型网络2的特性阻抗、脉冲成型网络2的电容级数、脉冲成型网络2的充电电压等。 [0034] 1)脉冲成型网络2的特性阻抗一般设置为与负载(即负载速调管4)等效到脉冲变压器3的初级线圈上的阻抗相匹配，因此脉冲成型网络2的特性阻抗ZPFN为： [0035] [0036] 式中，Vkly为负载速调管4的脉冲电压,单位为V，Ikly为负载速调管4的脉冲电流，单位为A，Tpulse为脉冲半高宽，单位为s，N为脉冲变压器的变比。 [0037] 脉冲成型网络2的每个电感的电感值L和每个脉冲电容3的电容值C则可以根据PFN特性阻抗ZPFN来确定，脉冲成型网络2的电感值L和脉冲电容的电容值C满足： [0038] [0039] 式中，PFN为PFN特性阻抗，单位为Ω，L为脉冲成型网络2的每个电感的电感值，单位为H，C为脉冲成型网络2的每个脉冲电容的电容值，单位为F。 [0040] 在本实施例中，负载速调管4的脉冲电压Vkly为420KV，负载速调管4的脉冲电流Ikly为340A,脉冲变压器3变比为1：19，N为19，由此可通过公式(1)求出脉冲成型网络2的特性阻抗ZPFN为3.4Ω。再由公式(2)可确定一组可选的LC参数：脉冲成型网络2的每个电感的电感值L＝520nH，且脉冲成型网络2的每个脉冲电容的电容值C＝45nF。此外，在其他实施例中，该电感值L的可取值范围为50nH‑2uH，该电容值C的可取值范围为20nF‑1uF。本发明的电感电容参数的选择，尤其是电容的选择，结合了市场上能找到的电感电容参数。 [0041] 2)脉冲成型网络2的充电电压VPFN由速调管脉冲电压Vkly及脉冲变压器变比N决定。脉冲成型网络2的充电电压为： [0042] [0043] 其中，Vkly为负载速调管4的脉冲电压,单位为V，N为脉冲变压器的变比。 [0044] 在本实施例中，负载速调管4的脉冲电压为420KV，变压器变比为1：19，计算得到的脉冲成型网络2的充电电压VPFN为44.2KV，从而根据此计算结果，选择输出电压0‑50KV的充电电源。 [0045] 3)脉冲成型网络2的电容级数由其总储能电容决定，脉冲成型网络2的总储能电容由脉冲半高宽决定。理论上讲，总储能电容为： [0046] [0047] 其中，Vkly为负载速调管4的脉冲电压,单位为V，Ikly为负载速调管4的脉冲电流，单位为A，Tpulse为脉冲半高宽，单位为s，VPFN为脉冲成型网络2的充电电压,单位为V。 [0048] 在本实施例中，脉冲半高宽Tpulse为3us，VPFN为脉冲成型网络2的充电电压VPFN为44.2KV，由此可根据公式(4)得到Ctotal＝555nF。实际情况下，由于脉冲波形的上升沿及下降沿都比较快，经spice仿真工具计算可知555nF的电容值可得到2.5us的脉冲评定宽度。根据设计要求的1us平顶宽度最终优化为总电容值选择450nF，即脉冲成型网络2的电容级数为 10，每一节由45nF的电容及520nH的电感组成。此外，在其他实施例中，脉冲形成网络2的电容级数的取值范围可以为5‑25节。 [0049] 4)所得到的电容充电电源1的充电电流I为： [0050] [0051] 其中，Ctotal为总储能电容，单位为F，VPFN为脉冲成型网络2的充电电压，单位为V，TC为充电时间，单位为s。 [0052] 由于电容充电电源1的充电电压范围为0‑50KV，脉冲调制器的重复频率设计为50Hz，且一般还要流出5ms的等待及放电时间，因此电容充电电源1的充电时间TC最长为 15ms，由公式(5)计算可得充电电流I为1.54A，即需要脉冲成型网络2满足充电电流不小于 1.33A。根据计算得到的电容充电电源1的充电电压的波形图如图4所示。 [0053] 再请参见图3，上文所述的电源保护电路5、ELOC电路21和阻尼及匹配网络7均为本发明的脉冲调制器的保护电路。在一个实施例中，电源保护电路5包括依次设于主电缆L上的第一二极管51、第一电阻52以及与主电缆相连且一端接地的一第二二极管53，所述第二二极管53上并联有一第一电容54和一第一RC滤波器55，其用于电容充电电源1，其耐压要求至少为50kV；该截尾电路21包括彼此串联的第三二极管211和第二电阻212，其耐压要求至少为50kV；且阻尼及匹配网络7包括RC滤波器71，该RC滤波器71的两端并联有彼此串联的第四二极管72和第三电阻73，其耐压要求至少为25kV。 [0054] 如图5和图6所示，在另一个实施例中，本发明的脉冲调制器的其余各个部件的结构均相同，只是为了设计的统一性与更换的方便，其电源保护电路5，ELOC电路21和阻尼及匹配网络7分别采用一个保护板模块700或多个保护板模块700串联而成。每个保护板模块700均由集成在同一电路板上多个二极管701串联而成，且每个二极管上各并联一均压电容 702和一均压电阻703以实现均压保护。其中，二极管701的数量为30个，且二极管701的耐压为1700V，型号为DSA17‑18A，从而使得保护板模块700具有50kV的耐压；均压电容702的电容值为0.33uF；且均压电阻703的阻值为5MΩ。考虑到保护电路的冗余，耐压要求至少为50kV的电源保护电路5和ELOC电路21采用两个具有50kV的耐压的保护板模块700串联而成，耐压要求至少为25kV的阻尼及匹配网络7采用一个50kV的保护板模块700。 [0055] 图7是如图3所示的脉冲调制器的立体结构图。所述油缸箱体101的侧壁上安装有水冷板102和观察窗103，观察窗103用于观察该脉冲调制器运行过程中有可能出现的内部故障，例如打火，器件损坏等。其中，水冷板102位于油缸箱体101的左右两侧，分别用于本发明的脉冲调制器的脉冲成型网络2和脉冲变压器3的散热。水冷板102与上文所述的脉冲成型网络2和脉冲变压器3的距离至少为绝缘油环境下的电气绝缘距离。此外，水冷板102还保证了油缸箱体101内绝缘油及各个部件的温度变化不会太大，这有利于本发明脉冲调制器性能的改善，尤其能改善由于温度引起的稳定性差的问题。此外，油缸箱体101上插设有一采用N型连接器或者SMA连接器作为其外部连接孔的对外接口盒104，用于油缸箱体101内外的信号交换。该对外接口盒104插入油缸箱体101的部分与上文所述的电源保护电路5、截尾电路21、阻尼及匹配网络7、触发电路6和脉冲变压器3的次级分别相连。其接收电源保护电路5中(在一个实施例中，流过二极管53)的电流监测信号，截尾电路21的电流监测信号，阻尼及匹配网络7中(在一个实施例中，流过二极管72)的电流监测信号，通过上述三个电流监测信号用于连锁保护，同时其向触发电路6发出输入触发信号，用于触发闸流管导通放电，并接收脉冲变压器3的次级的电流电压监测信号，用于外部观测脉冲电压及电流。 [0056] 水冷板102的具体结构如图8所示，水冷板102由一外层不锈钢板1021，多个通过螺栓固定在外层不锈钢板1021的内表面上的内层铜板1022、一贴合固定于所述外层不锈钢板1021和所述多个内层铜板1022之间的冷却水管1023及固定于内层铜板1022上的用于增加散热面积的散热片(图未示)组成。其中，冷却水管1023和散热片均通过钎焊与该内层铜板 1022固定连接。此外，外层不锈钢板1021的内表面的周缘处还设有密封圈1024。 [0057] 因此，本发明的脉冲调制器解决了高压脉冲调制器体积大，重复稳定度不高，EMI噪声大的问题。具体来讲就是体积不到现有设计的一半，重复稳定性优于300ppm。这种新型脉冲调制器体积紧凑的特点可以减小设备所占空间，从而节省成本。稳定性好的特点特别适用于对束流品质要求高的场合，比如自由电子激光装置，同步辐射光源装置以及医用电子直线加速器装置。 [0058] 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

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