【摘要】：中子管是一種電可控的中子源,與其他中子源相比較,它成本低,重量輕,操作維護(hù)簡單,防護(hù)容易,適于現(xiàn)場流動式檢測。中子管可以運(yùn)行在直流、快脈沖、快-慢脈沖狀態(tài)。通過中子管離子源數(shù)控高壓脈沖電源可以控制脈沖發(fā)射的頻率、寬度和中子產(chǎn)額,以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。中子管離子源高壓直流電源采用反激拓?fù)渑cCockroft-Walton倍壓整流電路級聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)離子源電源輸出電壓穩(wěn)定以及可調(diào),利用ICM7555芯片產(chǎn)生開關(guān)管驅(qū)動信號和高頻運(yùn)放HA17358設(shè)計(jì)TYPEI型電壓反饋網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)0~2.5V外部輸入電壓對應(yīng)0~2000V電源輸出電壓。設(shè)計(jì)MOSFET柵源兩端電容參數(shù),降低MOSFET漏源兩端開通和關(guān)斷電壓尖峰,解決2kV直流電源從零起調(diào)階段變壓器發(fā)出異響的問題。采用PC40材質(zhì)EI33型號磁芯繞制反激式高頻高壓變壓器,其初級輸入電壓為24V,次級最高輸出電壓600V,工作頻率40kHz。采用2階4倍壓整流結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2kV直流電壓輸出,為進(jìn)一步減小電源紋波,對2kV直流電壓進(jìn)行一階RC低通濾波,降低電源輸出電壓的交流成分,提高中子產(chǎn)額穩(wěn)定性。同時設(shè)計(jì)負(fù)載電流檢測電路與基準(zhǔn)電壓源電路,實(shí)現(xiàn)電源的過流保護(hù)。為實(shí)現(xiàn)中子管工作在脈沖模式,采用多管串聯(lián)IGBT推挽結(jié)構(gòu)對2kV直流電壓進(jìn)行斬波。與傳統(tǒng)上下橋臂單管斬波方案相比,多管串聯(lián)結(jié)構(gòu)降低了單管IGBT的電壓應(yīng)力和成本。利用MAX4428芯片將一路PWM轉(zhuǎn)換成兩路不帶死區(qū)時間的互補(bǔ)PWM,設(shè)計(jì)RCD硬件延遲電路改變互補(bǔ)PWM下降沿時間,經(jīng)過74HC14反相施密特觸發(fā)器高低閾值比較后,可輸出3路死區(qū)時間可調(diào)的互補(bǔ)PWM波,避免上下橋臂開關(guān)管直通。應(yīng)用高速數(shù)字電路使得上下三路PWM驅(qū)動信號上升沿延遲時間在100ns以內(nèi),減小上下橋臂串聯(lián)IGBT開通和關(guān)斷的延遲時間差,降低IGBT漏源兩端承受過電壓的時間,提高電路運(yùn)行的可靠性。由于IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的特性不同,上下橋臂IGBT漏極和源極之間的電壓在串聯(lián)工作時分配不均衡,設(shè)計(jì)由阻容和瞬態(tài)抑制二極管組成的靜態(tài)和動態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò),解決IGBT靜態(tài)和動態(tài)開關(guān)過程中耐壓不足的問題,并給出電壓均衡網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇和計(jì)算方法。通過Saber開關(guān)電源軟件仿真,分析引線分布電感參數(shù)對脈沖尖峰電壓的影響以及均壓網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)和阻尼電阻對脈沖尖峰電壓的抑制作用,并通過實(shí)際電路測試,驗(yàn)證原理分析的正確性。在滿足2kV脈沖電壓上升沿時間小于2μs的情況下,通過設(shè)計(jì)上橋臂阻尼電阻參數(shù)和負(fù)載端脈沖尖峰電壓阻容吸收網(wǎng)絡(luò),將2kV脈沖尖峰電壓過沖百分比從33.1%降低到14%以下。使用STM32F103ZET6芯片和軌至軌運(yùn)放TLV2374設(shè)計(jì)核心控制板和驅(qū)動板電路完成高壓直流電源的電壓電流采集和調(diào)節(jié)。為提高離子源直流電源調(diào)節(jié)精度,設(shè)計(jì)二階無源低通濾波器完成PWM波到直流信號的轉(zhuǎn)換,用來調(diào)節(jié)離子源直流電源電壓輸出。利用LABVIEW開發(fā)平臺設(shè)計(jì)上位機(jī)界面,完成對直流電源電壓電流參數(shù)的監(jiān)控功能以及對脈沖電源觸發(fā)信號頻率、脈寬的調(diào)節(jié)功能。為確保通信的可靠性,在上位機(jī)中加入自定義通信協(xié)議,利用LABVIEW字符串匹配控件設(shè)計(jì)通信協(xié)議數(shù)據(jù)頭診斷程序,防止通信數(shù)據(jù)包解析錯誤。本文開發(fā)的中子管數(shù)控高壓脈沖電源測試結(jié)果如下:在直流工作模式下,直流電源輸出電壓可在0~2000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),最大輸出功率為40W,輸出電壓穩(wěn)定性小于等于0.2%,整體紋波電壓比小于0.01%,效率最高可達(dá)78.96%;控制板電壓和電流采集精度分別為1V和5μA;在脈沖模式下,脈沖電源工作頻率可在0~20kHz范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),最小脈寬為10μs,2kV脈沖電壓上升沿時間和下降沿時間小于2μs,脈沖尖峰電壓過沖百分比為13.1%,滿足脈沖中子發(fā)生器進(jìn)行元素分析的需求,性能良好。該設(shè)備目前運(yùn)用于中國原子能科學(xué)研究院防水型脈沖中子發(fā)生器項(xiàng)目中,運(yùn)行良好,滿足項(xiàng)目總體要求。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN86;O571.53
【圖文】：

第一章 引 言管結(jié)構(gòu)原理中子發(fā)生器是一種人工可控的中子源，其核心是中子管，中子核反應(yīng)產(chǎn)生，這個核反應(yīng)是通過被加速的氘氚離子去轟擊靶實(shí)管本質(zhì)上是一種便攜式的加速器，它將離子源、離子加速系統(tǒng)統(tǒng)密封在一支真空陶瓷管內(nèi)，具有簡單緊湊的結(jié)構(gòu)，是一種使件[2]。中子管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。

圖 1.3 開關(guān)電源實(shí)物6 年，美國 DTI 公司基于 IGBT 串并聯(lián)技術(shù)開發(fā)出用于粒統(tǒng)、脈沖雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率源。其采用的 IGBT 上經(jīng)過串并聯(lián)高壓調(diào)制后實(shí)現(xiàn)脈沖上升沿大約 1μs、后期經(jīng)間為 25~100ns、最大電壓 10kV、最大電流 200A、重該脈沖功率電源單層實(shí)物板如圖 1.4 所示。圖 1.4 脈沖功率電源單層實(shí)物板

3圖 1.4 脈沖功率電源單層實(shí)物板狀沖電源也在很多方面得到了大量的應(yīng)用。中國科科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院電子工程研等單位在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的科研水平處于領(lǐng)工程物理研究院完成了“閃光 I 號”裝置的建設(shè)；術(shù)所相繼完成了“閃光 II 號”裝置的建設(shè)；2000向泵浦準(zhǔn)分子激光的激光系統(tǒng)“天光 II-A”；華中

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2743388