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450kV高功率速调管调制器的研制 蔡政平，徐旭哲，武志勇 中国科学院电子学研究所，中国科学院高功率微波源与技术重点实验室， 北京100190 摘要：为了对新型高功率速调管进行测试，研制了450kV高压脉冲调制器。对调制器的充电电路、 脉冲变压器、人工线和控制系统等主要组成部分的设计和计算方法作了介绍。测试结果表明，系统输出 特性达到设计要求。该设备达到国内同类仪器最高指标。 关键词：高功率；线型调制器；速调管 1．引言 高功率速调管是高能粒子加速器上的重要部件，为高速运动的粒子提供能量。随着加速器向着更高 能量的目标发展，也要求速调管输出更高的功纠¨。目前，中科院电子所正在开展100MW高功率速调 管的研制工作，其中的一项重要内容就是对速调管在设计工作点的增益、效率等指标进行测试，这对于 改进和完善速调管的设计具有重要作用。为了满足该型速调管的测试需要，我们与鑫轩公司合作研制了 一套270MW高功率脉冲调制器。 2．系统设计 这套调制器主要用于对速调管进行高压脉冲和高频老炼。与加速器上使用的调制器相比，由于速调 管负载经常发生不同程度的打火短路，其对系统的可靠性有较高要求。另一方面，为了便于试验速调管 的不同工作状态，调制器的主要部件应具有一定的调节范围。此外，为了简化测试工作，需要方便友好 的控制界面和快速稳定的保护功能。调制器主要技术指标如下t 脉冲电压：450KV 脉冲电流：600A S(100％) 脉冲平顶宽度：2．5la 重复频率： 10—50Hz 该指标的速调管和调制器在国内均无先例，指标已接近国际先进水平。为了降低风险，我们选择线 型调制器的拓扑结构，并把设计重点放在脉冲形成电路部分，其它部分尽量选用简单可靠的电路。系统 电路原理拓扑如图1所示： 图1系统电路原理图 392 2．1脉冲变压器与人工线 脉冲变压器是系统中最重要的部件之一，它的特性直接关系到调制器的输出特性。在变压器变比选 择上，主要考虑降低脉冲变压器原边的工作电压同时尽量控制变压器的漏感和分布电容：此外，闸流管 的工作电压、电流也是需要兼顾的指标。在设计中，考虑到人工线电容的耐压等问题，我们把变比定为． 19。对应设计参数如下： 变比N 人工线总阻抗 变压器原变电流 人工线充电电压 Q 19 2．13 11400A 47．4kV 同时，采用两根高压电缆并联连接变压器原边与人工线。脉变油箱尽量靠近调制器机柜以减小传输 损耗。为了便于准确测量速调管灯丝电流，灯丝变压器安装在变压器副边低压端，通过副边双绕组为灯 丝供电。脉冲变压器油箱中还安装有变压器铁心偏磁电源以及一部分测量装置。 变压器采用锥形绕组结构以有效控制分布参数， 考虑到加工的难度，变压器和高压电缆委托美国 STANGENESS公司生产。 由于人工线总阻抗较低，为了便于加工和调试，选择四线并联的电路方案，每条人工线共11节， 阻抗为8．5Q，四条人工线并联后的总阻抗是2．13Q。人工线电容采用专用脉冲电容，电感采用聚四氟 乙烯骨架并内配短路环以便细调电感量。 2．2闸流管 由于调制器工作在高电压、窄脉冲条件下，为了获得理想的波形，需要能够快速、稳定通过高峰值 以下的阳极电压为80kV，脉冲电流可达15kA。为了获得较小的抖动时间和更快的开关速度，该管在控 制栅以外又增加了一个预电离栅极。该电极的触发时序提前于主触发波形0．5微秒左右。研究表明，该 电极通过脉冲大电流(几十安培)比通过直流小电流(几百毫安)时的预电离效果好。此外，通过在间 隙外接RC均压网络，可以使闸流管工作更加稳定。其外围电路如图2。 图2CXl937闸流管工作原理图 2．3充电回路 充电电路的设计主要考虑高压电源和充电电感的参数。其中，因为脉冲变压器变比为19，其原边电 压Ul为23．7kV。高压电源电压‰由(1)式可得： ‰：阜 (1) qr／