一种用于强流负氢离子源的安全保护装置的制作方法

本发明涉及加速器领域，具体涉及一种用于强流负氢离子源的安全保护装置

背景技术：

任何加速器的束流来源都需要离子源提供，因此离子源产生所需束流品质的优劣和稳定性的高低直接影响加速器整机的工作效率。灯丝驱动多峰磁场离子源工作原理是：通过加热灯丝，使灯丝材料发射出一次电子与氢分子在多峰磁场中碰撞，受到多峰磁场约束，氢分子经过复杂的离解复合过程，形成等离子体，经过会切磁场过滤快电子后增加所需负氢离子的比列，再通过偏转磁场过滤其中的电子，最终经由几个引出电极进行束流光学的匹配，引出负氢离子束。

离子源工作时包括离子源本体、水冷部分、供气部分和电源部分。其中电气电源部分要为离子源不同机械结构加上不同电压的电位，目的一是提高离子源中等离子体的密度和电子温度，目的二是优化负氢离子的光学匹配，最终得到高束流强度负氢离子。

在实际运行过程中发现几点影响离子源正常工作的问题，这些问题往往是影响离子源安全的非常致命的问题。如图1a所示，第一个问题是气体高低阻抗问题，由于常规技术采用将高纯气体发生器位于地电位，离子源位于高压电位，同时高纯气体发生器与调节阀中间气体为高阻抗状态，气体流量调节阀与离子源之间气体为低真空状态，若将气体流量调节阀处于地电位或悬浮电位，则气体流量调节阀与离子源之间易产生气体击穿现象，将会导致气体流量调节阀与离子源之间气体管路击穿漏气，离子源放电，其腔内无法满足正常工作的真空状态，此时离子源无法工作。第二个问题，通过地电位的损害影响离子源的正常进行：虽然离子源与等势体同电位均为30千伏(或更高)，但离子源主绝缘下游为地电位，离子源的地电位和电源系统和是同一个大地。由于离子源电位悬浮于30千伏(或更高)高压侧，离子源中有些电子很容易积累电势，并且其中离子情况复杂，离子源机械结构之间耐压等级低者易通过地电位打火。由于电源系统和离子源的地电位是同一个大地，当离子源放电打火时就会损害电源，造成电源部分pcb板或者等势体部分电路(如整流桥等)的击穿等；第三个问题，通过离子源和等势体的同电位损害电源。由于离子源和等势体为同电位均为30千伏(或更高)，如果由水冷电导率不满足，气体纯度不足等因素导致离子源内部等离子体状态不好，则很容易积累电势，累积的电压会对等势体产生冲击；或者新组装的离子源，在锻炼过程中由于机械材料的微观毛刺也易发生打火，发生打火最直接的损害就电源部分；第四个问题，如何解决离子源阳极高压导电击穿低压电源的问题。为离子源供电的电源具有四路低压电源和一路高压电源，其中一路高压电源用于离子源在高压电场下产生负氢束流。由于一路低压电源和一路高压电源同时给离子源的阳极供电(如图3b所示，弧压电源和高压电源的地电位不同，作用不同)，由于阳极导电的作用，会将-30kv电压施加到其中的一路低压电源上，从而击穿该低压电源，第五个问题，离子源中的等离子体阻抗为动态变化值，因此离子源电源额定电压电流伴随等离子体阻抗变化而变化，这增加了电源工作稳定度的难度。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于强流负氢离子源的安全保护装置，目的在于解决离子源和高纯气体发生器之间的高低电位差易产生气体击穿的问题；解决离子源和电源同一个大地电位，当离子源积累电荷放电打火损害电源的问题；解决离子源和等势体相同高电位，当离子源离子源积累电荷放电打火损害等势体的问题；当给离子源施加高压、离子源高压导电从而击穿低压电源的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

一种用于强流负氢离子源的安全保护装置，包括用于产生负氢离子的离子源、用于给负氢离子源供气的高纯气体发生器、用于给负氢离子源供电的电源，其特征在于：在所述电源和负氢离子源之间还设有用于隔离电源高压的高压等势体、所述电源通过高压等势体向负氢离子源供电；在所述电源和负氢离子源之间还设有防负载放电装置；在所述高纯气体发生器和负氢离子源之间还设有用于防气体击穿的高电位气体流量调节阀；所述电源为单电源共享pcb板电源；所述高压等势体为避免高压打火的抽屉式等势体；所述电源端和负氢离子源端的地电位为同一个大地电位，所述高压等势体端的高电位和负氢离子源端的高电位为同一个-30kv以上的高电位。

所述电源包括四路低压电源和一路高压电源，该四路低压电源包括吸极电源、等离子体电源、弧压电源、灯丝电源，它们分别通过高压等势体给负氢离子源的灯丝、阳极、吸极电极、等离子体电极供电，该一路高压电源通过高压等势体给负氢离子源的阳极施加-30kv以上高压。

所述单电源共享pcb板电源即是将单电源的多个pcb板合并到一个pcb板上，具体将单电源的多个pcb板之间的飞线改进为同一个pcb电路板上的印刷电路线，由此，在满足技术指标需求的条件下去掉冗余的设计、整合功能、减小pcb板的数量，减小外部引线之间对电路的干扰。

所述电源和负氢离子源之间设有防负载放电装置，该装置设有布设在高压电源输出端和高压等势体弧压输出端之间的电感、该电感用于防止来自等势体的高电压尖刺对于电源的损害；该装置还设有分别布设在吸极电源和等势体吸极输出端之间、等离子体电源和等势体等离子体输出端之间、弧压电源和等势体弧压电源输出端之间、灯丝电源和等势体灯丝输出1和灯丝输出2之间的钳位电路，该钳位电路用于削减感性负载带来的尖峰电压。

所述抽屉式等势体包括上下两层抽屉，该上下两层抽屉布设在等势体绝缘支架上；该上下两层抽屉之间间隔一定距离、且每层抽屉内部前后设有两个区域、且前后两个区域之间也间隔一定距离，该上下之间和前后之间的距离为满足等势体内部的高压器件之间不打火的距离。

所述每层抽屉包括前面板和后面板，上下两层抽屉前面板上分别设有与四路低压电源相对应的逆变与采样端子，上下两层抽屉的后面板上设有与四路低压电源相对应的额定电压或额定电流输出端；上下两层抽屉前、后面板之间设有与每个电源相对应的一路高压等势体器件，该一路高压等势体器件按照执行顺序包括逆变与采样端子、高频功率变换器、高频变压器、高频整流器、高压电流检测器、额定电压或电流输出端；所述逆变与采样端子用于电源侧额定输出与额定输出信号的反馈，所述高频功率变换器用于将直流信号变成高频的脉冲信号、从而满足高频变压器的需要；所述高频变压器用于将电压耐受值从低压增加到高压范围，并且将高频变压器的初次极绕组之间进行高压隔离；所述高频整流器用于将交流变为直流，从而满足额定电压或额定电流输出端的需求。

所述灯丝电源、弧压电源、等离子体电源、吸极电源、高压电源和抽屉式等势体布设在一19英寸42u标准机柜内。

所述每一路高压等势体器件的电压电流检测器内分别布设有基于霍尔dcct测量方法的器件，该器件用于测量负氢离子源端接收的额定电压和额定电流，该输入为电源输出给负氢离子源的电压和电流。

所述四路低压电源每个电源分别包括逆变驱动控制电路控制单元、pwm谐振控制单元、输出电压回采电路控制单元，它们用于实现电源端和高压等势体端之间的闭环控制，具体为高压等势体与每个电源对应的电压电流检测器内的基于霍尔dcct测量方法的器件将检测数据反馈给电源端的输出电压回采电路控制单元，该输出电压回采电路控制单元再将数据通过电源端的pwm谐振控制器处理后，发送给电源端的逆变驱动控制电路控制单元，电源端的逆变驱动控制电路控制单元处理后的数据控制高压等势体端的高频功率变换器，该高压等势体端的高频功率变换器再通过高频变压器、高频整流桥将数据发送给电压电流检测器，电压电流检测器重新将测量数据反馈给电源端的输出电压回采电路控制单元，从而完成电源端和等势体端的闭环控制。

本发明的优点效果

本发明将高电位的气体流量调节阀、单电源共享pcb板电源、抽屉式等势体、防负载放电装置这几个部分进行有机组合，组合以后各个部分相互支持和相互依赖，解决了强流负氢离子源的整体安全保护问题：高电位的气体流量调节阀解决了低真空下气体被击穿问题，进而使得离子源能够得到正常供气；单电源共享pcb板电源解决了电源受到离子源冲击而被损害的问题，进而保证了离子源得到电源的正常供电；抽屉式等势体解决了等势体被离子源打火高压冲击问题，进而堵住了因等势体被损害进而波及电源被损害的漏洞，进一步保证了电源正常给离子源供电；防负载放电装置解决了电压尖刺对高压电源和低压电源的损害，从而进一步增加了电源的安全性，也就进一步增加了离子源的安全性。本发明各个部分缺一不可、相互依赖和相互支持，解决了负氢离子源的高安全性的新问题，填补了国内空白。

附图说明

图1a为现有技术负氢离子源应用中存在问题示意图；

图1b为本发明用于强流负氢离子源的安全保护装置示意图；

图2为本发明单电源共享pcb板示意图；

图3a为本发明高压等势体给离子源供电示意图；

图3b为电源逻辑关系示意图；

图3c为负氢离子源机械结构示意图；

图4为本发明高电位气体流量调节阀示意图；

图5为本发明防负载放电损坏电源装置示意图；

图6a为本发明抽屉式等实体主视图；

图6b为本发明抽屉式等实体侧视图.；

图6c为本发明抽屉式等实体俯视图.；

图7为本发明电源和等势体之间闭环控制示意图；

具体实施方式

本发明设计原理

一、本发明的设计难点

难点一、离子源和电源相同地电位、电源容易被损害。由于离子源主绝缘下游为地电位，该地电位和电源系统是同一个大地，还由于离子源中有些电子很容易积累电势，并且离子情况复杂，离子源机械结构之间耐压等级低者很容易通过地电位打火从而损害电源。

难点二：离子源和等势体相同高电位、等势体容易被冲击。由于离子源与等势体连接，且离子源与等势体电位均为-30千伏(或更高)，还由于离子源中有些电子很容易积累电势，并且离子情况复杂，离子源机械结构之间耐压等级低者很容易通过高压线路向等势体打火从而冲击等势体。

难点三：如果电源高压直接加到离子源的阳极将损坏弧压电源。如图3所示，假如不设等势体，图3电源端左侧的的弧压电源和图3电源端右侧的高压电源均给离子源的阳极供电，由于阳极是金属导电体，来自右侧-30kv高压就会通过阳极筒向左传给弧压电源输出端，从而导致图3左侧的弧压电源被击穿。

二、单电源共享pcb板的设计原理____解决难点一的问题

当离子源积累电荷通过地电位向电源冲击时，如果电源内部的线路很多、空间拥挤，将造成散热慢，进一步形成打火。本发明改进前，每个电源设有3个pcb板，4个电源总计需要12个pcb板，每个电源的3个pcb板之间的线路较多，当电源受到离子源高压打火冲击时，由于电源内部线路较多,信号干扰较大，并且散热速度慢，电路芯片及开源器件工况不佳导致打火。改进以后将每个电源的3块pcb板的9个模块集成在一个pcb板上，9个模块之间的连线改进为pcb板上的印刷线路，由于飞线改为印刷线路，不仅有效缩减了每个电源3个pcb板之间飞线连接的空间占用，也进一步降低了因电源空间拥挤而产生打火的风险。

三、抽屉式等势体的设计原理____解决难点二的问题

本发明等势体有两个作用，第一个作用是隔离外部高压电源的高压，第二个作用是防止内部元器件之间打火。将等势体结构设计为抽屉式等势体的目的就是解决当离子源积累电荷向等势体冲击时造成等势体内部元器件之间打火的问题。抽屉式等势体上下分层解决了元器件之间上下间隙加大的问题，抽屉式等势体前后分区解决了元器件之间前后间隙加大的问题，从而实现散热快、通风好的目的；防止内部元器件之间打火的另一手段是通过给元器件扩容增加元器件抗高压的能力，而元器件扩容就必然增加元器件的体积，增加体积必然要求扩大空间。例如电容扩容后耐高压的程度提高，随之而来的是电容占用空间加大，因此等势体元器件之间的间隙也需要加大。本发明采用的抽屉式等势体，如图6a致6c所示，元器件之间的距离适当，在满足不打火要求的前提下，达到最小空间占用。灯丝电源、弧压电源、等离子体电源、吸极电源、高压电源和抽屉式等势体布设在一19英寸42u标准机柜内。

四、等势体隔离高压-30kv的原理___解决难点三的问题

1、离子源的组成以及离子源哪些地方需要供电

如图3b所示，离子源从上到下包括灯丝、包围灯丝的阳极、阳极底部的第一层绝缘法兰、第一层绝缘法兰下的等离子体电极、等离子体电极下方的第二层绝缘法兰、第二层绝缘法兰下的吸极电极、吸极电极下的第三层绝缘法兰。离子源工作时，需要给灯丝、阳极筒、等离子体电极、吸极电极供电，其中灯丝包括灯丝1和灯丝2，因此，图1的电源一共需要分5路给离子源供电。

2、电源为什么不能直接给离子源供电

其一，5路电源输出均为低压电源。其中，灯丝电源输出为几百安培额定电流、弧压电源输出为几十安培额定电流、吸极电源输出为几千伏特额定电压、等离子体电源输出为几十伏特特额定电压。

其二、强流负氢离子产生条件是30kv以上高压。现有5路低压输出远远不能满足负氢离子产生的条件，必须额外增加30kv以上的高压才能产生所需要高流强负氢离子束。由于负氢离子向下飘移，需要在离子源引出方向施加一个能够让负氢离子沿着引出孔道获得能量的电场，第一个方案：将一正电势加在离子源的底部(离子源底部接地为地电位)，但是由于离子源底部空间窄小，且会带来引出束流中负氢离子束占比低的问题，因此不适合；第二个方案是给离子源施加一个悬浮-30kv电压(-30kv产生于高压电源，高压电源输入端为交流220v，输出为直流-30kv)，所述悬浮电压就是该电压并非加在地电极上，而是加在地电极以上的某个位置。施加-30kv电压的原理是：根据相对电位原理，如果给离子源施加一个-30kv的悬浮电压，就会使得离子源地电极产生正电势，这样在负氢粒子引出的方向就会产生一个较高的负电场，由于负氢离子所带电荷为负，因此可以顺利引出。

其三、-30kv以上高压加在什么地方才安全。如果高压电源将-30kv电压加在离子源的阳极上，而弧压电源也给离子源阳极供电(-30kv高压是相对大地而言，弧压电源是相对其它电源而言的相对电位)，由于阳极导电，就会通过阳极将-30kv施加到电源端的弧压输出端而烧毁电源。所以，高压电源的-30kv不能直接施加在离子源的弧压电源输出端，而必须用其他方式。

3、采用等势体隔离高压的原理

本发明解决方案如图7所示，在电源和离子源之间增加等势体，等势体隔离高压的原理如图6a、图6b、图6c、图7所示：四路逆变与采样端子进入等势体以后，通过等势体的高频变压器，将高频变压器的初次极绕组高压隔离，使得变压器次级的高压不会影响到初级的低压。并采用高饱和磁通密度的超微晶(也称作纳米晶)铁芯材料，减小高频变压器体积，增加绝缘强度。具体步骤为：从电源输出的直流信号在经过高频变压器之前，需要将直流信号变成高频的脉冲信号，高频的脉冲信号经过变压器之后将低压变成高压，变成高压之后，高频变压器只是将耐受的幅值增加到-30kv，但并非将实际的幅值增加，然后再经过高频整流桥又变成直流信号(额定电压或电流输出)。在高频变压器把耐受的幅值增加到-30kv的同时，由于高频变压器已经把低压和高压隔开，当离子源的阳极受到-30kv电压、-30kv电压沿着导电回路进入等势体时，其-30kv电压只能经过高频整流桥到达高频变压器的高压端后被截止。总之，由于等势体在逆变与采样端子和额定电压和电流输出端之间增加了高频功率变换器、高频变压器、高频整流桥这三个模块才实现了等势体隔离高压的作用。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于强流负氢离子源的安全保护装置。

一种用于强流负氢离子源的安全保护装置如图1b所示，包括用于产生负氢离子的离子源、用于给负氢离子源供气的高纯气体发生器、用于给负氢离子源供电的电源，其特征在于：在所述电源和负氢离子源之间还设有用于隔离电源高压的高压等势体、所述电源通过高压等势体向负氢离子源供电；在所述电源和负氢离子源之间还设有防负载放电损坏电源的装置；在所述高纯气体发生器和负氢离子源之间还设有用于防气体击穿的高电位气体流量调节阀；所述电源为单电源共享pcb板电源；所述高压等势体为避免高压打火的抽屉式等势体；所述电源端和负氢离子源端的地电位为同一个大地电位，所述高压等势体端的高电位和负氢离子源端的高电位为同一个-30kv以上的高电位。

如图5所示，所述电源包括四路低压电源和一路高压电源，该四路低压电源包括吸极电源(额定电压输出)、等离子体电源(额定电压输出)、弧压电源(额定电流输出)、灯丝电源(额定电流输出)，它们分别通过高压等势体给负氢离子源的灯丝、阳极、吸极电极、等离子体电极供电，该一路高压电源通过高压等势体给负氢离子源的弧压输出端施加-30kv以上高压。

如图2所示，所述单电源共享pcb板电源即是将单电源的多个pcb板合并到一个pcb板上，具体将单电源的多个pcb板之间的飞线改进为同一个pcb电路板上的印刷电路线，由此，在满足技术指标需求的条件下去掉冗余的设计、整合功能、减小pcb板的数量，减小外部引线之间对电路的干扰。

如图5所示，所述电源和负氢离子源之间设有防负载放电装置，该装置设有布设在高压电源输出端和高压等势体弧压输出端之间的电感、该电感用于防止来自等势体的高电压尖刺对于电源的损害；该装置还设有分别布设在吸极电源和等势体吸极输出端之间、等离子体电源和等势体等离子体输出端之间、弧压电源和等势体弧压电源输出端之间、灯丝电源和等势体灯丝输出1和灯丝输出2之间的钳位电路，该钳位电路用于削减感性负载带来的尖峰电压。

如图6a、6b所示，所述抽屉式等势体包括上下两层抽屉，该上下两层抽屉布设在等势体绝缘支架上；该上下两层抽屉之间间隔一定距离如图6a，且每层抽屉内部前后设有两个区域、且前后两个区域之间也间隔一定距离如图6b，该上下之间和前后之间的距离为满足等势体内部的高压器件之间不打火的距离。

如图6a、图6c所示，所述每层抽屉包括前面板和后面板，上下两层抽屉前面板上分别设有与四路低压电源相对应的逆变与采样端子，上下两层抽屉的后面板上设有与四路低压电源相对应的额定电压或额定电流输出端；上下两层抽屉前、后面板之间设有与每个电源相对应的一路高压等势体器件，该一路高压等势体器件按照执行顺序包括逆变与采样端子、高频功率变换器、高频变压器、高频整流器、高压电流检测器、额定电压或电流输出端；所述逆变与采样端子用于电源侧额定输出与额定输出信号的反馈，所述高频功率变换器用于将直流信号变成高频的脉冲信号、从而满足高频变压器的需要；所述高频变压器用于将电压耐受值从低压增加到高压范围，并且将高频变压器的初次极绕组之间进行高压隔离；所述高频整流器用于将交流变为直流，从而满足额定电压或额定电流输出端的需求。

所述灯丝电源、弧压电源、等离子体电源、吸极电源、高压电源和抽屉式等势体布设在一19英寸42u标准机柜内。

如图6b、图6c所示，所述每一路高压等势体器件的电压电流检测器内分别布设有基于霍尔dcct测量方法的器件，该器件用于测量负氢离子源端接收的额定电压和额定电流，该输入为电源输出给负氢离子源的电压和电流。

如图7所示，所述四路低压电源每个电源分别包括逆变驱动控制电路控制单元、pwm谐振控制单元、输出电压回采电路控制单元，它们用于实现电源端和高压等势体端之间的闭环控制，具体为高压等势体与每个电源对应的电压电流检测器内的基于霍尔dcct测量方法的器件将检测数据反馈给电源端的输出电压回采电路控制单元，该输出电压回采电路控制单元再将数据通过电源端的pwm谐振控制器处理后，发送给电源端的逆变驱动控制电路控制单元，电源端的逆变驱动控制电路控制单元处理后的数据控制高压等势体端的高频功率变换器，该高压等势体端的高频功率变换器再通过高频变压器、高频整流桥将数据发送给电压电流检测器，电压电流检测器重新将测量数据反馈给电源端的输出电压回采电路控制单元，从而完成电源端和等势体端的闭环控制。

实施例一：电源和等势体在机柜中的的安装方法

电源和等势体在机柜中的安装位置参见图5，5个电源在上、等势体在下。机柜采用19英寸42u标准机箱，机箱高度为u的整数倍。机柜后面板设计为合页侧开门。机柜各电源之间以及机柜顶部盖板考虑散热设计。自下而上电源依次为高压电源、等离子体电源、吸极电源、弧压电源，灯丝电源。五台电源根据需求合理排布空间。其中高压电源接入220v交流电源，等离子体电源、吸极电源、弧压电源，灯丝电源四台电源分别接入交流380v电源。

电源下方为高压等势体支撑架、高压等势体支撑架下方为高压等势体模块绝缘支架，等势体安装在高压等势体支撑架上。如图6a所示，高压等势体模块绝缘支架固定在19英寸42u标准机箱上，高压等势体模块绝缘支架上(图6b)方固定一高压等势体支撑架(图6b)，两组抽屉式等势体安装在高压等势体支撑架上，安装到位后将图6a所示前侧面板通过螺钉固定。然后分别对应将等势体侧电源的采样与逆变端子同电源侧采样与逆变端子对应连接。如图5，同时高压电源输出端与弧压电源输出端接一电感器件。高压等势体通过钳位电路连接等离子体电源、吸极电源、弧压电源，灯丝电源四台电源。线路连接完毕后，可将四个电源输出端等离子体电源输出、吸极电源输出、弧压电源输出，灯丝电源输出1，灯丝电源输出2连接至离子源上。同时高纯气体发生器管路连接至气体流量调节阀(设置在高压电位上)一端，气体流量调节阀另一端连接至离子源。检修时，每层抽屉式等势体可以分别从高压等势体支撑架上移出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。