电子束流稳定性控制探讨

【摘要】电子加速器是一种工业化设备已经在各个领域得到了广泛的应用，它内部控制电路工作在超高电压的环境中，在高电压端存在的各种干扰；对控制的稳定性有很大影响，使得高压端的控制困难，造成原高压端的控制方案在运行时常常发生损坏。对大功率谐振式电子加速器的用途、工作原理以及总体结构作以简要的介绍，主要从电子加速器电子枪注入控制系统的原理、总体结构方面；对原控制回路在高压端工作时存在的问题进行讨论。

【关键词】磁场；耦合；电子束；稳定性

1.引言

加速器辐照应用非常广泛，在烟道净化、工业废水处理、谷物杀虫灭菌、轮胎制造等领域都有很高的推广价值，大功率强束流电子加速器的研发与应用；是实现绿色环境保护产业化的必备条件。但是；加速器束流系统控制的稳定性[1]是阻遏着大功率加速器普及应用与发展，电子加速器密封容器束流控制电路，运行在超高电压（UHV）静电电场[2]的电磁耦合环境，在电场作用下对束流能量控制模块形成磁场耦合[3]，严重影响系统运行的稳定性，电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）[4]磁波在UHV电场中被激发造成控制组件损坏。因此就加速器容器中的电磁耦合现状进行分析，主要从UHV电场环境中，电磁传导耦合与辐射耦合所形成的弧光、电晕放电现象，解析UHV电场中电磁噪音现象，且提升辐照型大功率电子加速器束流系统运行的稳定性。

2.加速器束流控制及电磁耦合

辐照型电子加速器采用高压谐振式直流静电技术，电子束的UHV电场是经过并激倍压整流所生成。谐振式变压器的初级绕组在磁介质中生成磁通（），交变的在次级绕组中感应出交变电压，且每个绕组都有各自的整流电路，然后将整流后的电压逐级链接并在末端得到直流UHV。电子束流系统基于计算机控制信号，由稳压及光路传输模块进行信号处理[5]，并且控制电子束能量束流，由于电子枪位于直流UHV端，电流控制模块首先考虑与UHV的隔离问题，在450KW加速器的研制试验中，系统控制的稳定性较低，在电子束流能量较高时电晕、弧光放电现象严重，放电打火所形成的脉冲电压致使模块回路芯片击穿，其原因是：系统模块瞬间大电流所激发的电磁耦合；在UHV电场的EMI形成弧光所引发电晕放电。

2.1 加速器电子束流控制

加速器系统控制由谐振变压方式供电，电子枪电源由稳压模块提供，灯丝直流电压：0～10伏特（V）；电流：0～20安培（A），电流值是根据束流能量变化而改变，加速器电子束结构如图2所示。

电子枪注入系统模块对接收和回测信号进行处理，实现红外光电（F-V）、电光（V-F）转换，F-V转换作为电子枪束流的输入控制信号，通过调节灯丝电压来实现电子束流能量的控制，整流模块将信号反馈到移相单元，同时通过F-V红外光信号获取计算机的指令信息，并且转换调节晶闸管（SCR）的导通角。V-F转换是从整流单元获取回测信号，通过红外光传送至容器外部的信息采集系统。当短路保护模块监测到瞬间过电流信号时，F-V模块将输出控制脉冲波拉低，移相调节信号停止输入，此时将终止SCR的触发导通，以达到电子束流的稳定性控制。

2.2 电压变化的原因

稳压模块的输出电压只是相对稳定并非恒定不变，只是变化且可在允许的范围，而形成电压变化有以下原因；电网电压时段峰值所至：电网荷载存在着高峰或低谷时段，模块端的峰值电压不可能呈现不变。电源模块荷载所至：当荷载回路趋向于短路时，电流趋向于无限大，且稳压模块输出电压大幅度降低或趋向于零，且导致容器内UHV电场瞬间拉电流而模块过载。如果回路荷载趋向于开路，则没有或很少电流流过负载，那么稳压模块的端电压就会上升。即使模块不处于以上的极端状态，荷载回路电流若有改变，也将会引起控制模块端电压的变化。模块器件的物理特征所至：高度集成组芯片及电子器件易受温度、湿度及强电场、EMI环境中而改变其性能，这将直接影响系统控制的稳定性。在UHV静电场、电磁耦合环境中运行的控制模块抗干扰特性，将是稳定性分析重点考虑的问题。

2.3 电磁耦合干扰

加速器密封容器内的电磁传播方式分为两种：传导耦合和辐射耦合。传导耦合干扰是通过导电介质将该回路的干扰信号；直接传导到另一模块回路中。辐射耦合干扰是电磁波通过空间介质，将其电磁信号耦合到其它电子回路中。电磁辐射存在于各回路，这就形成了模块间的耦合，当某模块回路中电流瞬间改变时，就会产生电磁峰值磁波，该电磁波被辐射耦合到临近的导体；经传导耦合且干扰模块回路中的其它电信号。这种辐射传导EMI易在加速器容器的UHV静电场中呈现，容器内分布着纵、横向变化的磁场且在电场中被激发，耦合磁场与强电场相互依存而形成加速器容器内的EMI，这种交变电磁耦合在UHV静电场离子的作用下形成弧光打火、电晕放电现象。电磁传导耦合是可以通过减少共同阻抗[6]来削减，但是；在电源模块内阻恒定的情况下，执行模块电流是随荷载变化而改变其内阻，而执行模块在电晕放电瞬间，执行模块内阻与电源模块阻抗发生较大差异，当峰值电位突变时将降低模/数转换、微运算等低电平器件的性能。加速器的电磁耦合易在容器内尖端处发生闪络打火，连续的电闪络且形成弧光，在静电场的作用下演变为电晕放电。如果在大束流的瞬间发生电晕放电现象，造成荷载增大且电子束流随之增加，然而能量会自动下降，这将引发聚焦电场减弱而形成束流散焦，散焦的束流射向真空管壁引发真空度下降，造成真空管内UHV放电，则对电源及控制模块形成不同程度的损坏。UHV控制模块与接地端之间的放电，类似空间雷电闪络并傍随着电磁噪音，放电噪音类别如表所示。

通常可采用金属屏蔽板达到屏蔽设计要求，但是；加速器容器内磁路复杂，应设置双层金属屏蔽板达到磁场屏蔽效果，且会影响各模块的散热效果，这里所指的双层屏蔽是金属板（屏蔽传导耦合）与金属丝网（降低辐射耦合）组合电磁屏蔽层，或者针对辐射耦合的双金属丝网结构来降低辐射EMI。实施双层电磁耦合屏蔽时，特别要注意闭合层、间点接地的电物理现象，否则；屏蔽层间的电容效应会影响电磁场的屏蔽效果。

3.试验

稳定性运行试验：辐照型加速器模块电路采用双层（金属板、网）组合屏蔽，并且改善屏蔽层物理接地结构，控制模块回路实施浪涌吸收及峰值电流抑制，输入端接入电子滤波和压敏控制电路。在耦合电磁波测试中；当磁场峰值频率达500MHz时，弧光、电晕放电现象降低，模块抗传导、辐射耦合的EMI能力明显提升，且加速器电子束流在1.6兆电子伏特（MeV）稳定出束。

4.结语

辐照型加速器电子束注入控制系统的EMI现象，是大功率加速器束流能量稳定控制的瓶颈。鉴于静电场环境的电磁耦合问题，系统控制的稳定性须侧重考虑，不但从原理方面进行设计分析，且实施具体的抗EMI及保护措施。建议：运行在高静电场、电磁耦合环境的电路，选用承受电冲击性能的分立电子器件，并且设计稳定可靠的保护电路。需要注意的是：在加速器电磁耦合的测试中，不同支路模块电流的相位不同，电磁耦合源传播到测量点存在着迟滞效应，该效应所引发的相位滞后是高频EMI作用结果。另外；某些电子器件本身特性也会导致相位不同，在磁场测试与计算中应引以重视。加速器的研制趋向于国际粒子束标准化，需要对系统控制的稳定性作深入解析，使高压控制中的束流能量更加稳定、可靠。

参考文献

[1]佟强，张冬来，徐殿国.分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析[J].中国电机工程学报，2011， 31（12）：57-64.

[2]刘进，陈永光，谭志良.静电放电电磁场的特性及分布规律[J].高电压技术，2012，38（2）：435-443.

[3]陈晨，陈恒林，应群民.变流器的磁场耦合对差模干扰影响的实验研究[J].电力电子技术，2011，45（11）：12-14.

[4]何宏，张宝峰，张大建.电磁兼容与电磁干扰[M].北京：国防工业出版社，2007.

[5]焦喜香，敬岚，马云海.重离子加速器注入器电源控制器的设计[J].强激光与粒子束，2010，22（9）：2155-2159.

[6]王磊，刘小宁，王灿.稳态强磁场中直流有源滤波器连接电感的计算[J].电力电子技术，2011，45（3）：13-16.

基金项目：中国同位素与辐射行业协会（编号：2002BA406B01）。

作者简介：于考勤（1958—），男，山东肥城人，大学本科，现供职于甘肃建筑职业技术学院，研究方向：电源数字化控制。