大功率微波管工作時，維持波源內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)，使用晶閘管交流調壓技術、倍壓整流、光纖隔離技術及微處理器設計了一種高電壓直流電源系統(tǒng)，電源主要參數(shù)為5kV/10mA。通過遠程監(jiān)測鈦泵濺射電流，了解波源內部真空度的變化情況，可以對波源的運行狀況作出正確調整。該電源系統(tǒng)已經成功應用于中國環(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驗中，通過向等離子體注入高功率微波可以有效地對等離子體進行加熱和電流驅動，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。為了保證管內承受足夠高的電場強度，波源內部通常設置有鈦離子抽氣泵。當波源內部受電子轟擊，放出雜質氣體時，真空度降低，鈦的吸附作用可以使波源內部的氣體得到抽除，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，可以判斷其波源內部的真空狀況并進行運行診斷；真空技術網(http://www.mp99x.cn/)認為設計合理的鈦泵電源能夠使微波系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定可靠。

1、鈦泵及電源系統(tǒng)構成

　　1.1、鈦泵工作原理

　　鈦泵的陽極被分割成若干筒狀小室，陰極采用鈦板制成。一旦波源內部真空度降低，稀薄氣體在正交的電場及磁場作用下會產生潘寧放電現(xiàn)象，放電產生的氣體陽離子在電場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，氣體離子在陰極板上會引起濺射，濺射出的活性金屬鈦在陽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、無噪聲、無振動等優(yōu)點。鈦泵電流與真空度有關，所以檢測鈦泵電流就能診斷波源內部的真空狀況。

　　1.2、鈦泵電源系統(tǒng)的構成

　　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、測量采集以及遠程監(jiān)控等部分組成。鈦泵電源是整個電源系統(tǒng)中最重要的一個部分。電源由交流調壓電路、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際使用工況，采用本地和遠程控制相結合。考慮到等離子體微波加熱系統(tǒng)實驗運行中，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)測多個大功率微波真空管，微波真空管運行系統(tǒng)會承受不同高壓、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隔離電壓為5kV的隔離升壓變壓器，使不同的系統(tǒng)獨立供電，維護整個加熱系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過交流調壓電路，改變交流電壓有效值送至升壓變壓器，經倍壓整流濾波后輸出5kV內可調的直流高壓。同時由于真空管正常工作時，內部真空度范圍為10-8～10-4　Pa，對應的鈦泵電源電流是在幾微安至幾個毫安之間。這個寬范圍變化的電流不能滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，所以需經過可變增益放大器的放大并采用分擋顯示，轉換成滿量程電壓為10V的信號。放大的采樣電流信號經電壓-頻率轉換器后，經光纖發(fā)射，送給遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　鈦泵電源電流檢測、顯示和過流保護采用分擋設計，對大功率微波真空管可以在0～10mA 寬范圍內對管子內部真空狀況進行實時監(jiān)測，最高精度為1μA。分擋電流每擋最大值即為電源當前的過流保護值。合理選擇電源器件，使用高性能絕緣材料等，使鈦泵電源能夠達到設計要求并穩(wěn)定工作，電源本底電流顯示接近為零。控制器對電壓/電流采樣，實現(xiàn)運行參數(shù)監(jiān)控、報警參數(shù)設置等。

　　1.3、部分單元電路設計

　　鈦泵電源功率不大，對電壓精度要求不是太高。輸出電壓調整可以采用交流調壓器或使用晶閘管交流調壓電路實現(xiàn)。圖2為晶閘管交流調壓主電路圖，使用封裝好的交流調壓模塊，內部含有同步信號取樣變壓器、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(Vcontrol)，其有效控制電壓范圍為0.75～4.8V，對應的移相角度為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)運行時，大功率微波源工作在高壓、大電流脈沖狀態(tài)，多個波源協(xié)同工作，各種共模信號擾動嚴重。圖3為電壓電流信號的流向圖。電壓電流取樣信號實驗儀表放大器INA128放大，輸出滿流程10V 的電壓給VFC320電路，轉化成脈沖頻率信號，頻率范圍在40～400kHz之間，經光纖隔離，一路發(fā)給遠程監(jiān)測，另一路給本地的FVC電路，轉換成0～5V的電壓信號，經濾波器電路輸入至控制器的模數(shù)轉換端。

　　儀表放大器INA128的最大輸入失調電壓為60μV，檢測范圍50μA～10mA，滿流程輸出為10V，整個放大器放大倍數(shù)為100，取樣電阻為10Ω～10kΩ。電流的測量采用分擋顯示，換擋過程通過單片機控制繼電器切換完成，根據(jù)擋位識別信號可自動調整測量范圍并顯示。

圖3　鈦泵電壓電流信號流向示意圖

　　控制使用MSP430單片機實現(xiàn)，主要功能是實現(xiàn)電源輸出電壓設置、電壓和電流采樣、遠程監(jiān)測和控制等功能，其中電壓的閉環(huán)控制使用如圖4的電路實現(xiàn)。電壓設置參數(shù)由MSP430的PWM 端口輸出的控制信號經過2 級低通濾波器得到，改變PWM 信號的占空比就可以改變輸出電壓的大小。電源過流保護分擋設置為50μA，250μA，500μA，5mA 和10mA五擋。

　　鈦泵電源系統(tǒng)首次開機高壓啟動后，電源給出一靜態(tài)完成接點信號，將電源輸出電壓調整至所需電壓，電源正常工作。當電源在相應擋位過流保護后，給出保護信號，但此時靜態(tài)信號仍然保持；通過復位和高壓啟動后，電源恢復正常工作。復位和高壓啟動可由本地或遠程獨立進行控制，這樣既避免了對微波管燈絲的沖擊，又節(jié)省了重升燈絲電源的時間(重升燈絲需要20min以上)。

圖4　鈦泵電壓閉環(huán)控制示意圖

2、鈦泵電源實驗運行測試

　　鈦泵電源測試分為假載實驗與真載實驗。假載實驗主要是檢測電源本身是否工作正常，方法是接入相應玻璃釉高壓電阻負載，對電源進行測量。通過檢測，鈦泵電源各項功能和參數(shù)都符合設計要求。真載實驗是直接將微波管中的鈦泵作為負載，實時監(jiān)測鈦泵電流和電源功能。圖5為核聚變微波輔助加熱系統(tǒng)速調管工作時，實時采集的鈦泵電流波形圖。從圖中可以看出靜態(tài)時鈦泵電流基本為零，速調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內鈦泵電流可以完全恢復到小于2.5μA 的正常值，在微波系統(tǒng)的調試和運行中，通過鈦泵電流波形，可以很方便地知道微波源內部的真空狀態(tài)。

　　大功率微波真空管鈦泵電源系統(tǒng)設有遠程監(jiān)控界面，在遠程終端可以實時監(jiān)測不同系統(tǒng)所有正在運行波源的真空狀態(tài)，運行中，一旦有鈦泵電源出現(xiàn)過流保護，界面給出該電源對應報警提示，此時，程序將封鎖系統(tǒng)不能放電；點擊界面中已保護鈦泵電源“復位”、“啟動”按鈕后，系統(tǒng)解封鎖恢復正常放電狀態(tài)。

3、結語

　　本文介紹的鈦泵電源系統(tǒng)，應用于中國環(huán)流HL-2A裝置微波輔助加熱系統(tǒng)中，對大功率速調管、電子回旋管等波源真空系統(tǒng)的維護和監(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壓、光纖隔離、電壓-頻率-電壓轉換技術及微處理器技術，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行使用，用以維持和監(jiān)測其內部真空，控制電源的工作狀態(tài)。通過遠程實時監(jiān)測鈦泵電源電流，判斷波源內部真空變化，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和正常提供重要的參考依據(jù)。