國家罡

摘 ? 要：脈沖高壓電源在電場殺菌、等離子發(fā)生器、激光技術(shù)等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用作用，特別是在應(yīng)用到測井技術(shù)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(shè)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(wěn)定性能，實現(xiàn)高壓電源狀態(tài)下的斬波功能，并通過實驗驗證中子管脈沖高壓電源設(shè)計的可行性。

關(guān)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(yīng)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(guī)定的區(qū)間范圍內(nèi)可以被調(diào)節(jié)。中子管內(nèi)部的氣體在離子源高壓下就會被電離，之后經(jīng)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(shè)計進行探究。

1 ?中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用在中子管離子源中，從而滿足不同的應(yīng)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(shù)值之后系統(tǒng)能夠持續(xù)性運轉(zhuǎn)，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(diào)制方式（PFM）產(chǎn)生脈沖高壓。其基本的操作特點是通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比例，有效調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的輸出電壓，確保整個中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在應(yīng)用這個系統(tǒng)的時候為了獲得理想狀態(tài)的電壓和電流，文章以MOSFET作為基本開關(guān)的器件來設(shè)計出一種可以被調(diào)節(jié)的高壓脈沖電源，在整個中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)運行的時候首先設(shè)計了一個直流電壓，之后通過控制系統(tǒng)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(tǒng)高壓直流電源設(shè)計

中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shè)計時候以MOS管和20N60S5作為主要開關(guān)零部件，在整個系統(tǒng)的協(xié)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(gòu)成的脈沖振蕩電路的觸發(fā)性脈沖在運作的時候能夠控制整個開關(guān)管的通路和運行，在處于高電平脈沖狀態(tài)的時候，電流在經(jīng)過變壓器、開關(guān)管的時候會產(chǎn)生上正下負的電壓，而如果處于低電平狀態(tài)的時候，TL494構(gòu)成的脈沖振蕩電路的觸發(fā)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(shè)計

3.1 觸發(fā)電路的基本設(shè)計

為了能夠得到良好的脈沖波形，觸發(fā)電路的設(shè)計應(yīng)用了SG3525脈沖頻率調(diào)制控制器，SG3525脈沖頻率調(diào)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(diào)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(xù)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(diào)制控制器兩路的輸出脈沖頻率。

3.2 開關(guān)管的選擇

開關(guān)管的質(zhì)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(yīng)用性能良好的全控制開關(guān)器件，借助其較強的抗干擾性能和導(dǎo)通率來實現(xiàn)對信號開斷的控制。符合以上要求的開關(guān)管是耐壓數(shù)值2000V以上的MOSFET，這個開關(guān)管會以串聯(lián)的方式來滿足系統(tǒng)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(jīng)常應(yīng)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(shè)定數(shù)值的時候就會立即啟動 設(shè)備限制電流。但是在出現(xiàn)短路的時候就無法保護功率開關(guān)，最終破壞功率開關(guān)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(guān)工作被限定在安全電流的范圍內(nèi)，通過在功率開關(guān)管上串聯(lián)一個電流檢測設(shè)備來及時把控開關(guān)管的瞬時電流，在出現(xiàn)實時電流超過限定數(shù)值的時候 及時關(guān)閉整個功率開關(guān)管，實現(xiàn)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(shè)計結(jié)果分析

對所研制的中子管脈沖高壓電源系統(tǒng)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(guī)定頻率范圍內(nèi)的方波需要。根據(jù)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(jù)實驗測試分析發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(shù)量的中子。

5 ?結(jié)語

綜上所述，伴隨脈沖測井技術(shù)的深化發(fā)展，不管是在穩(wěn)定性、安全性還是在設(shè)備的外觀上都對中子發(fā)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(shè)計出一種中子管脈沖高壓電源，并就其設(shè)計結(jié)果展開實驗分析，最終發(fā)現(xiàn)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(fù)頻率的脈沖高壓供電，并確保中子管按照規(guī)定的要求來適當中子。

參考文獻

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