一种大功率微波源真空钛泵电源系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:康自华

  大功率微波管工作时,维持波源内部的高真空度是重要的静态条件。本文从钛泵的原理出发,使用晶闸管交流调压技术、倍压整流、光纤隔离技术及微处理器设计了一种高电压直流电源系统,电源主要参数为5kV/10mA。通过远程监测钛泵溅射电流,了解波源内部真空度的变化情况,可以对波源的运行状况作出正确调整。该电源系统已经成功应用于中国环流器2A装置中的电子回旋及低杂波加热系统。

  在受控核聚变装置实验中,通过向等离子体注入高功率微波可以有效地对等离子体进行加热和电流驱动,微波系统所用波源通常为电真空微波管、真空管使用高压大电流供电。为了保证管内承受足够高的电场强度,波源内部通常设置有钛离子抽气泵。当波源内部受电子轰击,放出杂质气体时,真空度降低,钛的吸附作用可以使波源内部的气体得到抽除,从而保证波源器件的高真空性;根据钛泵工作电流的大小,可以判断其波源内部的真空状况并进行运行诊断;真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为设计合理的钛泵电源能够使微波系统的运行更加稳定可靠。

1、钛泵及电源系统构成

  1.1、钛泵工作原理

  钛泵的阳极被分割成若干筒状小室,阴极采用钛板制成。一旦波源内部真空度降低,稀薄气体在正交的电场及磁场作用下会产生潘宁放电现象,放电产生的气体阳离子在电场作用下加速飞向阴极,与钛形成钛化合物而被固定抽除。同时,气体离子在阴极板上会引起溅射,溅射出的活性金属钛在阳极筒及泵壁上形成新鲜钛膜,活泼气体分子在新鲜钛膜吸附中被抽除。钛泵的工作范围一般为10-8~10-4 Pa,它具有清洁、高真空度、无噪声、无振动等优点。钛泵电流与真空度有关,所以检测钛泵电流就能诊断波源内部的真空状况。

  1.2、钛泵电源系统的构成

  微波源钛泵电源系统主要由钛泵电源、电压频率变换(VFC/FVC)电路和逻辑控制器、测量采集以及远程监控等部分组成。钛泵电源是整个电源系统中最重要的一个部分。电源由交流调压电路、隔离升压变压器、二倍压整流电路、电压电流取样放大、VFC/FVC变换和电源保护电路等组成。

一种大功率微波源真空钛泵电源系统

图1 钛泵电源系统框图

  电源系统连接如图1所示。根据大功率微波真空管的实际使用工况,采用本地和远程控制相结合。考虑到等离子体微波加热系统实验运行中,有电子回旋共振加热和低混杂波加热两种不同系统,每种系统需要监测多个大功率微波真空管,微波真空管运行系统会承受不同高压、大电流冲击。为了防止不同系统间的相互冲击和干扰,在不同系统的钛泵电源分别加入一个隔离电压为5kV的隔离升压变压器,使不同的系统独立供电,维护整个加热系统工作的稳定性。通过交流调压电路,改变交流电压有效值送至升压变压器,经倍压整流滤波后输出5kV内可调的直流高压。同时由于真空管正常工作时,内部真空度范围为10-8~10-4 Pa,对应的钛泵电源电流是在几微安至几个毫安之间。这个宽范围变化的电流不能满足数据采集系统的要求,所以需经过可变增益放大器的放大并采用分挡显示,转换成满量程电压为10V的信号。放大的采样电流信号经电压-频率转换器后,经光纤发射,送给远程监控数据采集系统。

  钛泵电源电流检测、显示和过流保护采用分挡设计,对大功率微波真空管可以在0~10mA 宽范围内对管子内部真空状况进行实时监测,最高精度为1μA。分挡电流每挡最大值即为电源当前的过流保护值。合理选择电源器件,使用高性能绝缘材料等,使钛泵电源能够达到设计要求并稳定工作,电源本底电流显示接近为零。控制器对电压/电流采样,实现运行参数监控、报警参数设置等。

  1.3、部分单元电路设计

  钛泵电源功率不大,对电压精度要求不是太高。输出电压调整可以采用交流调压器或使用晶闸管交流调压电路实现。图2为晶闸管交流调压主电路图,使用封装好的交流调压模块,内部含有同步信号取样变压器、触发电路、晶闸管等电路或器件。只需要5V工作电源及控制信号(Vcontrol),其有效控制电压范围为0.75~4.8V,对应的移相角度为150°~0°,改变控制电压就能改变隔离升压压器T1的有效值范围。D1、D2、C1及C2为二倍压整流电路。电容C1与C2影响纹波,可以根据要求确定。该电源输出为正,R1为电流取样电阻,R2和R3为电压取样电阻。

一种大功率微波源真空钛泵电源系统

图2 钛泵电源主电路图

  核聚变装置等离子体加热系统运行时,大功率微波源工作在高压、大电流脉冲状态,多个波源协同工作,各种共模信号扰动严重。图3为电压电流信号的流向图。电压电流取样信号实验仪表放大器INA128放大,输出满流程10V 的电压给VFC320电路,转化成脉冲频率信号,频率范围在40~400kHz之间,经光纤隔离,一路发给远程监测,另一路给本地的FVC电路,转换成0~5V的电压信号,经滤波器电路输入至控制器的模数转换端。

  仪表放大器INA128的最大输入失调电压为60μV,检测范围50μA~10mA,满流程输出为10V,整个放大器放大倍数为100,取样电阻为10Ω~10kΩ。电流的测量采用分挡显示,换挡过程通过单片机控制继电器切换完成,根据挡位识别信号可自动调整测量范围并显示。

一种大功率微波源真空钛泵电源系统

图3 钛泵电压电流信号流向示意图

  控制使用MSP430单片机实现,主要功能是实现电源输出电压设置、电压和电流采样、远程监测和控制等功能,其中电压的闭环控制使用如图4的电路实现。电压设置参数由MSP430的PWM 端口输出的控制信号经过2 级低通滤波器得到,改变PWM 信号的占空比就可以改变输出电压的大小。电源过流保护分挡设置为50μA,250μA,500μA,5mA 和10mA五挡。

  钛泵电源系统首次开机高压启动后,电源给出一静态完成接点信号,将电源输出电压调整至所需电压,电源正常工作。当电源在相应挡位过流保护后,给出保护信号,但此时静态信号仍然保持;通过复位和高压启动后,电源恢复正常工作。复位和高压启动可由本地或远程独立进行控制,这样既避免了对微波管灯丝的冲击,又节省了重升灯丝电源的时间(重升灯丝需要20min以上)。

一种大功率微波源真空钛泵电源系统

图4 钛泵电压闭环控制示意图

2、钛泵电源实验运行测试

  钛泵电源测试分为假载实验与真载实验。假载实验主要是检测电源本身是否工作正常,方法是接入相应玻璃釉高压电阻负载,对电源进行测量。通过检测,钛泵电源各项功能和参数都符合设计要求。真载实验是直接将微波管中的钛泵作为负载,实时监测钛泵电流和电源功能。图5为核聚变微波辅助加热系统速调管工作时,实时采集的钛泵电流波形图。从图中可以看出静态时钛泵电流基本为零,速调管放电后钛泵电流增加,采集显示最大约为9.4V(47μA),5s后电流下降很多。通常在1min内钛泵电流可以完全恢复到小于2.5μA 的正常值,在微波系统的调试和运行中,通过钛泵电流波形,可以很方便地知道微波源内部的真空状态。

  大功率微波真空管钛泵电源系统设有远程监控界面,在远程终端可以实时监测不同系统所有正在运行波源的真空状态,运行中,一旦有钛泵电源出现过流保护,界面给出该电源对应报警提示,此时,程序将封锁系统不能放电;点击界面中已保护钛泵电源“复位”、“启动”按钮后,系统解封锁恢复正常放电状态。

3、结语

  本文介绍的钛泵电源系统,应用于中国环流HL-2A装置微波辅助加热系统中,对大功率速调管、电子回旋管等波源真空系统的维护和监控,发挥了很好的作用。该系统稳定可靠,操作、使用方便。电源使用晶闸管交流调压、光纤隔离、电压-频率-电压转换技术及微处理器技术,可以方便地提供给不同环境、状况下各种大功率微波源进行使用,用以维持和监测其内部真空,控制电源的工作状态。通过远程实时监测钛泵电源电流,判断波源内部真空变化,有助于分析大功率微波真空管工作状况,为大功率微波真空管选择正确工作点和正常提供重要的参考依据。

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