用于脉冲中子发生器离子源电源的研制

发布时间：2020-09-18 13:15

　　中子发生器是一种能够产生中子射线的仪器设备,由中子管、储存器电源、离子源电源、加速级电源和控制系统组成,它具有轻便、可移动、单色性好、无γ本底、使用安全、无辐射危害等诸多优点,其在物质元素分析、石油测井等领域有着广泛的应用。传统中子发生器只能工作于直流工作模式下,且其中的离子源电源为恒博高压电源,该电源具有体积大、成本高、维修困难等缺点。随着中子技术的不断发展,脉冲中子的应用需求越来越多,相对于直流中子,通过用脉冲中子对物质照射可以获得更多的中子核反应信息,应用领域更广泛。脉冲中子发生器产生的中子与物质可以进行多种核反应,产生非弹、俘获、缓发等特征伽马射线。在脉冲中子应用中,研究人员希望脉冲中子能够快速产生和快速消失,从而使中子伽马能谱进行谱分离,获得更多的中子核反应信息进行分析。针对这些问题,本文设计了新型脉冲中子发生器控制台用离子源电源,可以工作在直流和脉冲两种工作模式下,满足使用者的需求。高压直流离子源电源采用Buck与推挽级联的拓扑结构,利用高频高压变压器与Cockroft-Walton倍压整流电路的方式实现了0~3000V高压直流输出。Buck电路基于降压稳压芯片TPS54360进行设计,针对其内部结构和工作原理,设计了电压反馈网络,使该芯片构成的稳压电源具备从零起调的功能。推挽电路利用SG3525产生互补的PWM信号,经IR4427增强驱动能力后,驱动MOSFET。高频高压变压器采用TDK公司生产的P22137310磁芯进行绕制,其初级输入电压为0~48V,次级最高输出电压500V,工作频率100kHz。Cockroft-Walton倍压整流电路由高压电容和快速恢复二极管构成,文中采用三阶六倍压的方式进行设计。此外,本文采用电阻分压法和电阻采样法设计电压、电流采样电路,经实验验证,采样电路可以精确的对输出电压、电流进行采样。本文设计了一款以2SD315A为驱动模块的小型小功率斩波电路。驱动模块2SD315A可以同时驱动上下桥臂的两个开关管,在高压直流状态下实现半桥斩波,得到高压脉冲。该模块具有丰富的外围接口,可以很好地与控制芯片进行信号传输,得到斩波电路的工作状态和故障信息。斩波电路包括:输入保护电路、欠压保护电路、状态指示电路和驱动保护电路等。本文研制的离子源电源测试结果如下:直流模式下,输出电压0~3000V连续可调,最大输出电流2mA,纹波系数为0.85%,效率最高可达89.20%,电压调整精度为0.67%;脉冲模式下,输出高压脉冲频率0~20kHz连续可调,最小脉冲宽度为10μs,上升沿时间和下降沿时间都在2μs以内,满足了脉冲中子进行元素分析的需求,性能良好。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O571.5
【部分图文】：

寄生参数

图 2.2 寄生参数量GSQ ，指的是为了使 MOSFET 导通，栅源件下，越小的栅极电量，开关速度越快[27]。OSSC ，指 MOSFET 器件的漏源极电容DSC 与( JC)θ ，表示器件散热能力，定义式为JRθ( 度，CT 为环境温度，CP 为器件耗散功率。阻越小的器件[27]。作结温JT ，过高的结温将会导致 PN 结损坏件都有最高工作温度的限制[27]。率CP ，器件在工作时，一定有功率损耗的

曲线,曲线,最大输出功率,延迟时间

图 2.3 MOSFET 的特性曲线（2）安全工作区，指正常工作下 MOSFET 器件所在的工作区域[28]。（3）最大输出功率OMP ，MOSFET 器件最大输出功率OMP 可根据如下公式-1)进行计算[28]。()OMDMAXDMAXDMINP = I×V V(2-1)式中DMAXI ——漏极最大输出电流；DMAXV ——最大电压；DMINV ——饱和电压。（4）开关特性，如图 2.4 所示，MOSFET 管作为开关使用时，一般存在dt 、、st 、ft 四段延迟时间，这是由于栅极电容的充放电造成了这些延迟时间[29]。

输出波形,开关特性

图 2.4 MOSFET 开关特性.4 功率 MOSFET 的驱动类型高压脉冲离子源电源对输出波形要求较高，需要较陡的上升沿和下降沿，在设计驱动 MOSFET 管的斩波电路则是设计中的重点难点[37]。下面介绍了常见的驱动方式：（1）直接驱动如图 2.5 所示，PWM 驱动信号的输出信号功率比较大，需要的驱动功率小以直接由控制电路产生 PWM 信号驱动。

【参考文献】