大功率微波管工作時(shí)，維持波源內(nèi)部的高真空度是重要的靜態(tài)條件。本文從鈦泵的原理出發(fā)，使用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)、倍壓整流、光纖隔離技術(shù)及微處理器設(shè)計(jì)了一種高電壓直流電源系統(tǒng)，電源主要參數(shù)為5kV/10mA。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)鈦泵濺射電流，了解波源內(nèi)部真空度的變化情況，可以對(duì)波源的運(yùn)行狀況作出正確調(diào)整。該電源系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于中國(guó)環(huán)流器2A裝置中的電子回旋及低雜波加熱系統(tǒng)。

　　在受控核聚變裝置實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)向等離子體注入高功率微波可以有效地對(duì)等離子體進(jìn)行加熱和電流驅(qū)動(dòng)，微波系統(tǒng)所用波源通常為電真空微波管、真空管使用高壓大電流供電。為了保證管內(nèi)承受足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度，波源內(nèi)部通常設(shè)置有鈦離子抽氣泵。當(dāng)波源內(nèi)部受電子轟擊，放出雜質(zhì)氣體時(shí)，真空度降低，鈦的吸附作用可以使波源內(nèi)部的氣體得到抽除，從而保證波源器件的高真空性；根據(jù)鈦泵工作電流的大小，可以判斷其波源內(nèi)部的真空狀況并進(jìn)行運(yùn)行診斷；真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為設(shè)計(jì)合理的鈦泵電源能夠使微波系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

1、鈦泵及電源系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1、鈦泵工作原理

　　鈦泵的陽(yáng)極被分割成若干筒狀小室，陰極采用鈦板制成。一旦波源內(nèi)部真空度降低，稀薄氣體在正交的電場(chǎng)及磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生潘寧放電現(xiàn)象，放電產(chǎn)生的氣體陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極，與鈦形成鈦化合物而被固定抽除。同時(shí)，氣體離子在陰極板上會(huì)引起濺射，濺射出的活性金屬鈦在陽(yáng)極筒及泵壁上形成新鮮鈦膜，活潑氣體分子在新鮮鈦膜吸附中被抽除。鈦泵的工作范圍一般為10^-8～10^-4 Pa，它具有清潔、高真空度、無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。鈦泵電流與真空度有關(guān)，所以檢測(cè)鈦泵電流就能診斷波源內(nèi)部的真空狀況。

　　1.2、鈦泵電源系統(tǒng)的構(gòu)成

　　微波源鈦泵電源系統(tǒng)主要由鈦泵電源、電壓頻率變換(VFC/FVC)電路和邏輯控制器、測(cè)量采集以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等部分組成。鈦泵電源是整個(gè)電源系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部分。電源由交流調(diào)壓電路、隔離升壓變壓器、二倍壓整流電路、電壓電流取樣放大、VFC/FVC變換和電源保護(hù)電路等組成。

圖1　鈦泵電源系統(tǒng)框圖

　　電源系統(tǒng)連接如圖1所示。根據(jù)大功率微波真空管的實(shí)際使用工況，采用本地和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合。考慮到等離子體微波加熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，有電子回旋共振加熱和低混雜波加熱兩種不同系統(tǒng)，每種系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)多個(gè)大功率微波真空管，微波真空管運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)承受不同高壓、大電流沖擊。為了防止不同系統(tǒng)間的相互沖擊和干擾，在不同系統(tǒng)的鈦泵電源分別加入一個(gè)隔離電壓為5kV的隔離升壓變壓器，使不同的系統(tǒng)獨(dú)立供電，維護(hù)整個(gè)加熱系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過(guò)交流調(diào)壓電路，改變交流電壓有效值送至升壓變壓器，經(jīng)倍壓整流濾波后輸出5kV內(nèi)可調(diào)的直流高壓。同時(shí)由于真空管正常工作時(shí)，內(nèi)部真空度范圍為10-8～10-4　Pa，對(duì)應(yīng)的鈦泵電源電流是在幾微安至幾個(gè)毫安之間。這個(gè)寬范圍變化的電流不能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，所以需經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃鞯姆糯蟛⒉捎梅謸躏@示，轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)量程電壓為10V的信號(hào)。放大的采樣電流信號(hào)經(jīng)電壓-頻率轉(zhuǎn)換器后，經(jīng)光纖發(fā)射，送給遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　鈦泵電源電流檢測(cè)、顯示和過(guò)流保護(hù)采用分擋設(shè)計(jì)，對(duì)大功率微波真空管可以在0～10mA 寬范圍內(nèi)對(duì)管子內(nèi)部真空狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最高精度為1μA。分擋電流每擋最大值即為電源當(dāng)前的過(guò)流保護(hù)值。合理選擇電源器件，使用高性能絕緣材料等，使鈦泵電源能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求并穩(wěn)定工作，電源本底電流顯示接近為零。控制器對(duì)電壓/電流采樣，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控、報(bào)警參數(shù)設(shè)置等。

　　1.3、部分單元電路設(shè)計(jì)

　　鈦泵電源功率不大，對(duì)電壓精度要求不是太高。輸出電壓調(diào)整可以采用交流調(diào)壓器或使用晶閘管交流調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)。圖2為晶閘管交流調(diào)壓主電路圖，使用封裝好的交流調(diào)壓模塊，內(nèi)部含有同步信號(hào)取樣變壓器、觸發(fā)電路、晶閘管等電路或器件。只需要5V工作電源及控制信號(hào)(Vcontrol)，其有效控制電壓范圍為0.75～4.8V，對(duì)應(yīng)的移相角度為150°～0°，改變控制電壓就能改變隔離升壓壓器T1的有效值范圍。D1、D2、C1及C2為二倍壓整流電路。電容C1與C2影響紋波，可以根據(jù)要求確定。該電源輸出為正，R1為電流取樣電阻，R2和R3為電壓取樣電阻。

圖2　鈦泵電源主電路圖

　　核聚變裝置等離子體加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，大功率微波源工作在高壓、大電流脈沖狀態(tài)，多個(gè)波源協(xié)同工作，各種共模信號(hào)擾動(dòng)嚴(yán)重。圖3為電壓電流信號(hào)的流向圖。電壓電流取樣信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀表放大器INA128放大，輸出滿(mǎn)流程10V 的電壓給VFC320電路，轉(zhuǎn)化成脈沖頻率信號(hào)，頻率范圍在40～400kHz之間，經(jīng)光纖隔離，一路發(fā)給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，另一路給本地的FVC電路，轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號(hào)，經(jīng)濾波器電路輸入至控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端。

　　儀表放大器INA128的最大輸入失調(diào)電壓為60μV，檢測(cè)范圍50μA～10mA，滿(mǎn)流程輸出為10V，整個(gè)放大器放大倍數(shù)為100，取樣電阻為10Ω～10kΩ。電流的測(cè)量采用分擋顯示，換擋過(guò)程通過(guò)單片機(jī)控制繼電器切換完成，根據(jù)擋位識(shí)別信號(hào)可自動(dòng)調(diào)整測(cè)量范圍并顯示。

圖3　鈦泵電壓電流信號(hào)流向示意圖

　　控制使用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，主要功能是實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓設(shè)置、電壓和電流采樣、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制等功能，其中電壓的閉環(huán)控制使用如圖4的電路實(shí)現(xiàn)。電壓設(shè)置參數(shù)由MSP430的PWM 端口輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)2 級(jí)低通濾波器得到，改變PWM 信號(hào)的占空比就可以改變輸出電壓的大小。電源過(guò)流保護(hù)分擋設(shè)置為50μA，250μA，500μA，5mA 和10mA五擋。

　　鈦泵電源系統(tǒng)首次開(kāi)機(jī)高壓?jiǎn)��?dòng)后，電源給出一靜態(tài)完成接點(diǎn)信號(hào)，將電源輸出電壓調(diào)整至所需電壓，電源正常工作。當(dāng)電源在相應(yīng)擋位過(guò)流保護(hù)后，給出保護(hù)信號(hào)，但此時(shí)靜態(tài)信號(hào)仍然保持；通過(guò)復(fù)位和高壓?jiǎn)��?dòng)后，電源恢復(fù)正常工作。復(fù)位和高壓?jiǎn)��?dòng)可由本地或遠(yuǎn)程獨(dú)立進(jìn)行控制，這樣既避免了對(duì)微波管燈絲的沖擊，又節(jié)省了重升燈絲電源的時(shí)間(重升燈絲需要20min以上)。

圖4　鈦泵電壓閉環(huán)控制示意圖

2、鈦泵電源實(shí)驗(yàn)運(yùn)行測(cè)試

　　鈦泵電源測(cè)試分為假載實(shí)驗(yàn)與真載實(shí)驗(yàn)。假載實(shí)驗(yàn)主要是檢測(cè)電源本身是否工作正常，方法是接入相應(yīng)玻璃釉高壓電阻負(fù)載，對(duì)電源進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)檢測(cè)，鈦泵電源各項(xiàng)功能和參數(shù)都符合設(shè)計(jì)要求。真載實(shí)驗(yàn)是直接將微波管中的鈦泵作為負(fù)載，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈦泵電流和電源功能。圖5為核聚變微波輔助加熱系統(tǒng)速調(diào)管工作時(shí)，實(shí)時(shí)采集的鈦泵電流波形圖。從圖中可以看出靜態(tài)時(shí)鈦泵電流基本為零，速調(diào)管放電后鈦泵電流增加，采集顯示最大約為9.4V(47μA)，5s后電流下降很多。通常在1min內(nèi)鈦泵電流可以完全恢復(fù)到小于2.5μA 的正常值，在微波系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行中，通過(guò)鈦泵電流波形，可以很方便地知道微波源內(nèi)部的真空狀態(tài)。

　　大功率微波真空管鈦泵電源系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，在遠(yuǎn)程終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同系統(tǒng)所有正在運(yùn)行波源的真空狀態(tài)，運(yùn)行中，一旦有鈦泵電源出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，界面給出該電源對(duì)應(yīng)報(bào)警提示，此時(shí)，程序?qū)⒎怄i系統(tǒng)不能放電；點(diǎn)擊界面中已保護(hù)鈦泵電源“復(fù)位”、“啟動(dòng)”按鈕后，系統(tǒng)解封鎖恢復(fù)正常放電狀態(tài)。

3、結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的鈦泵電源系統(tǒng)，應(yīng)用于中國(guó)環(huán)流HL-2A裝置微波輔助加熱系統(tǒng)中，對(duì)大功率速調(diào)管、電子回旋管等波源真空系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)控，發(fā)揮了很好的作用。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作、使用方便。電源使用晶閘管交流調(diào)壓、光纖隔離、電壓-頻率-電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)及微處理器技術(shù)，可以方便地提供給不同環(huán)境、狀況下各種大功率微波源進(jìn)行使用，用以維持和監(jiān)測(cè)其內(nèi)部真空，控制電源的工作狀態(tài)。通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈦泵電源電流，判斷波源內(nèi)部真空變化，有助于分析大功率微波真空管工作狀況，為大功率微波真空管選擇正確工作點(diǎn)和正常提供重要的參考依據(jù)。