殷治國(guó)

（中國(guó)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(jī)為整機(jī)進(jìn)口美國(guó)ASI公司產(chǎn)品，型號(hào)為CE－20000。該功率源為四級(jí)放大線路，其中后兩級(jí)為電子管功率放大器，中間級(jí)采用的是EIMAC公司的三級(jí)電子管YC－229對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)防大，達(dá)到1 kW功率水平。末級(jí)功率放大使用的是EIMAC的水冷三極管3CX20 000A。該級(jí)輸出功率可達(dá)20 kW功率量級(jí)。

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(gè)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(gè)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(wú)外乎過(guò)流驅(qū)動(dòng)等原因，其中關(guān)系最為密切的是電子管啟動(dòng)過(guò)程中燈絲電流的大小，這是因?yàn)闊艚z材料在冷狀態(tài)的電阻率較低，會(huì)導(dǎo)致冷機(jī)啟動(dòng)大電流沖擊的問(wèn)題。ASI公司的CE－20000型發(fā)射機(jī)工作頻率為73 MHz，具有線路精煉、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。隨機(jī)所帶中間級(jí)電子管和末級(jí)電子管，雖然在回旋加速器調(diào)試中連續(xù)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，但在技術(shù)人員的精心維護(hù)下，仍然能夠穩(wěn)定的工作。其中，對(duì)其兩級(jí)電子管進(jìn)行的燈絲電源改造效果明顯，整個(gè)改造過(guò)程經(jīng)濟(jì)投入很低，取得的效益很高，有效地延長(zhǎng)了電子管的壽命，減少了發(fā)射機(jī)的維護(hù)量。

2 具體改造方法

CE－2000型功率源后兩級(jí)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(wú)任何軟起動(dòng)裝置或措施。經(jīng)觀察每次功率源開機(jī)時(shí)，燈絲電流會(huì)有瞬間過(guò)流沖擊，其幅度經(jīng)測(cè)量為正常運(yùn)行值的7.7～8.2倍。為解決此問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了一種針對(duì)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(gè)確定大小電感即可，其等效電路如圖1所示。該電路設(shè)計(jì)計(jì)算有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，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(dòng)線路

恒定功率燈絲線路的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(guò)流問(wèn)題，設(shè)計(jì)的原理是在原邊加入感性電抗對(duì)燈絲變壓器輸出功率進(jìn)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(duì)式（1）取導(dǎo)數(shù)可得極值條件：ωL＝R。因此，設(shè)計(jì)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(shí)，傳輸?shù)阶儔浩鞲边叺墓β什攀亲畲笾?，即可?duì)冷狀態(tài)燈絲過(guò)流的情況加以限制。針對(duì)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(jì)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(jì)算可得串聯(lián)電感量為1.17 H。同理可得，末級(jí)電子管3CW20000燈絲變壓器變比為37∶1，串聯(lián)電感設(shè)計(jì)值為0.34 H。

取燈絲電阻R為自變量，通過(guò)式（1）可計(jì)算得到不同電子管燈絲功率P。圖2為前級(jí)YC－229電子管燈絲電阻由0～120%變化時(shí)對(duì)應(yīng)的燈絲電流及燈絲功率變化趨勢(shì)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(shí)的燈絲功率與正常運(yùn)行燈絲功率的比值，右Y軸為驅(qū)動(dòng)電流的大小。由圖可見(jiàn)，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(huì)到達(dá)35 A，過(guò)流被限制為正常工作的1.4倍?？紤]到此時(shí)燈絲的電阻值很小，因此加熱功率不大，不會(huì)對(duì)電子管造成沖擊，有效地保護(hù)了電子管燈絲。因此，本設(shè)計(jì)在不增加線路復(fù)雜性的同時(shí)，具有良好的限流作用。

依據(jù)圖2，不難發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠適應(yīng)電子管燈絲老化的變化?？紤]到電子管放大器在整個(gè)壽命周期內(nèi)，隨著電子熱發(fā)射，燈絲直徑會(huì)逐漸變細(xì)，對(duì)應(yīng)電子管熱狀態(tài)的燈絲電阻值會(huì)逐漸升高。線路對(duì)于這種情況，會(huì)降低驅(qū)動(dòng)功率，而不會(huì)像原線路一樣增加驅(qū)動(dòng)功率。這樣做的優(yōu)點(diǎn)：一是可以增長(zhǎng)電子管的使用壽命，二是可以提高線路對(duì)不同電子管個(gè)體的適應(yīng)性。

圖2 燈絲電阻變化時(shí)的電流及功率

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種適用于醫(yī)用回旋加速器電子管發(fā)射機(jī)燈絲電源的定功率驅(qū)動(dòng)線路，具有自適應(yīng)負(fù)載電阻變化的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于延長(zhǎng)電子管的使用壽命有一定的好處。該電路已投入實(shí)際使用，值得注意的是，在實(shí)際調(diào)試工作中發(fā)現(xiàn)，若串聯(lián)電感以1%為步進(jìn)設(shè)置若干抽頭，對(duì)調(diào)試工作會(huì)帶來(lái)很大的方便。隨后兩年多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該電路工作正常，穩(wěn)定可靠。該電路可進(jìn)一步推廣到通訊、廣電行業(yè)，用于FM發(fā)射機(jī)燈絲電源的設(shè)計(jì)和制造。