基于 MARX 自激監(jiān)測控制的閃光照相試驗可靠性提高技術(shù)研究

　　摘 要 ： 強流直線感應(yīng)加速器(LIA)主要應(yīng)用于閃光照相試驗，對其工作可靠性的要求很高。但 LIA 中包含了龐大的高電壓脈沖功率系統(tǒng)，在充電及等待時期，存在發(fā)生自激的可能性，從而導(dǎo)致試驗失敗，并造成重大經(jīng)濟損失及嚴(yán)重影響。從對 Marx 等裝置發(fā)生自激后進行立即監(jiān)測控制的角度，提出了一種提高閃光照相試驗可靠性的方法，并研制了可靠性高、適應(yīng)各種高壓放電裝置的無源放電檢測探頭，采用大規(guī)�？删幊碳�成電路作為系統(tǒng)中的邏輯處理單元，提高了系統(tǒng)集成度，降低了線路的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)調(diào)試的難度，研制的監(jiān)測控制器可方便地進行監(jiān)測路數(shù)的擴充，適應(yīng)多達幾十路放電裝置的檢測與監(jiān)控。功率系統(tǒng)裝置自激后，自激監(jiān)測控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，最快可以達到百納秒級，且系統(tǒng)抗干擾能力強，滿足在閃光試驗環(huán)境工作的要求，達到了在一定程度上提高閃光照相試驗可靠性的目的。

　　關(guān)鍵詞： 直線感應(yīng)加速器;脈沖功率系統(tǒng);閃光照相;自激;可靠性

　　強流脈沖直線感應(yīng)加速器[1-2](LIA)是進行閃光照相試驗的重要關(guān)鍵設(shè)備，但由于工作于較高的脈沖電壓下，不管采用何種開關(guān)結(jié)構(gòu)[3-6]，功率系統(tǒng)在充電過程中、充滿電后的等待過程中均存在一定幾率的各種可能的自激[7-8]，如果控制不成功則會導(dǎo)致試驗失敗，產(chǎn)生重大的影響和經(jīng)濟損失，因此其可靠性一直是 LIA 研制中的一個重要方面。

　　為了提高 LIA 工作的可靠性，需要在兩個方面開展研究工作：一方面在功率系統(tǒng)本身的工作原理、部件材料及開關(guān)結(jié)構(gòu)上進行性能提升的研究，為可靠性提升奠定最根本的基礎(chǔ);另一方面，則是研究當(dāng)自激發(fā)生后的快速補救措施，以便可以及時地終止試驗的進行，確保不產(chǎn)生嚴(yán)重后果，從而相當(dāng)于提高了試驗的可靠性。在目前用于閃光試驗的加速器中，功率系統(tǒng)包括了增強器、小 Marx、大 Marx 等高壓充放電裝置，均工作在一定的高電壓下，存在非正常觸發(fā)的情況(自激);雖然發(fā)生的概率較低，但確實存在。

　　在以往的工作中，由于測試與控制的分離，導(dǎo)致自激被測試到后需要人工進行試驗流程中斷的操作，可以有效地進行中斷的過程需要耗費 s 級的時間，且存在人員壓力大、操作失誤的可能，因此靠人工進行控制的方式具有極大的風(fēng)險，能否成功進行及時的中斷具有很大的不確定性。本文針對自激發(fā)生后缺失一種自動快速的中斷方法的狀況，提出了一種基于功率系統(tǒng)放電檢測、快速監(jiān)控的自動控制方法，并采用大規(guī)�？删幊碳�成電路構(gòu)建中央控制器提高集成度與系統(tǒng)的抗干擾能力，并便于調(diào)試與監(jiān)控能力的擴充。

　　在原精密光纖同步觸發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上[9]，開展了相應(yīng)的擴展研究工作，成功研制了無源式的觸發(fā)閾值更低但仍然可靠的放電檢測探頭，能夠及時準(zhǔn)確地檢測到功率系統(tǒng)的自激放電狀態(tài)，通過改進觸發(fā)判斷的標(biāo)準(zhǔn)，可以更快速地對功率系統(tǒng)的自激放電作出反應(yīng)，達到了以較可靠的自動控制方式代替人工操作控制方式的目的，且可以將響應(yīng)時間從原來的秒級大幅度地降低到約百 ns 量級的水平;基于 Marx 自激監(jiān)測的控制系統(tǒng)具有一定的擴充能力，可以根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)的情況進行控制功能的擴充，從而擴大其得到應(yīng)用的范圍。

　　1 閃光試驗時序簡要分析及監(jiān)控基本要求

　　當(dāng)全系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，計算機會給出一個系統(tǒng)零時同步脈沖信號，該信號作為系統(tǒng)各部分工作的零時刻信號，起到時間基準(zhǔn)的作用。對于試驗裝置而言，在零時刻信號 τ0 后發(fā)出點火起爆命令，裝置起爆，隨后的爆轟過程需要持續(xù)一段時間;對于閃光照相試驗而言，則需要記錄其后的某一個時刻 τ1 的瞬態(tài)圖像。

　　明顯地，起爆點火信號是一個分界限，起爆前如果系統(tǒng)中存在問題(如功率系統(tǒng)自激、恒流源加載失敗等)，可以采取措施中斷起爆，但起爆后的爆轟過程將不再受控。因此，當(dāng)閃光試驗系統(tǒng)不正常時(包括功率系統(tǒng)自激)，希望在起爆命令發(fā)出前能夠進行起爆點火的中斷，這就是自動監(jiān)控的基本要求和目的。

　　在實際系統(tǒng)中，基于簡化起爆鏈路控制的考慮，中斷控制信號采用了繼電器觸點信號的形式給出。因此，繼電器觸點開啟的響應(yīng)時間就是中斷信號產(chǎn)生作用的時間，由于觸點開啟是機械動作，其動作過程一般達到數(shù) ms 級。但監(jiān)測控制系統(tǒng)本身可以產(chǎn)生的控制信號的響應(yīng)時間一般在百 ns 左右。

　　2 自激的判斷條件及監(jiān)控滯后的風(fēng)險

　　針對 LIA 功率系統(tǒng)本身而言的，自激的簡單判斷標(biāo)準(zhǔn)是裝置觸發(fā)放電是否在觸發(fā)指令發(fā)出之后發(fā)生。如果是，則是正常的;否則，則是自激。只能在其觸發(fā)完全完成后才能獲得觸發(fā)放電的檢測信號，相對于觸發(fā)時刻仍然具有約數(shù) μs(充電過程)的滯后性，并且由于采用了繼電器觸點輸出中斷信號的形式而導(dǎo)致響應(yīng)時間達到 ms 級，這些滯后實際上也存在一定的風(fēng)險。這種風(fēng)險就是在起爆命令發(fā)出的前后一段時間內(nèi)(橫跨充放電過程)，如果功率系統(tǒng)裝置發(fā)生自激，基于上述檢測原理的監(jiān)控系統(tǒng)由于需要等候一個完整的充放電過程后才能獲得檢測信號，可能無法對起爆進行有效的阻止。

　　在通常情況下，如果等待放電完成后進行自激判斷，則至少需要一個完整的充放電的時間，一般有約幾 μs。由于加速器正常出光(也相當(dāng)于功率系統(tǒng)裝置放電)均在裝置起爆后，所以如果對其進行常態(tài)監(jiān)控，由于中斷控制的滯后性，也不會對正常時序產(chǎn)生影響。

　　基于這個認(rèn)識，取消了采用微分型探頭進行完整放電過程的檢測再監(jiān)控的思路，而是直接采用基于線性轉(zhuǎn)換原理的放電檢測探頭對放電的有效波形進行檢測，相當(dāng)于功率系統(tǒng)裝置剛開始放電就進行檢測并監(jiān)控，從而可以將響應(yīng)極限時間進一步提高一個充電脈沖的時間(約數(shù) μs)，將檢測滯后的風(fēng)險降到最低。

　　對于系統(tǒng)觸發(fā)幾乎與自激同時發(fā)生的情況，也具有相應(yīng)的檢測能力，如果起爆系統(tǒng)可以處理這個監(jiān)控信號，則系統(tǒng)也具有一種極限的監(jiān)控處理能力了，充分體現(xiàn)了不進行自激判斷與監(jiān)控策略改變后的監(jiān)控能力的提升程度;對于自激監(jiān)控比觸發(fā)指令晚的情況，雖然可以獲得檢測結(jié)果，但已無法進行有效監(jiān)控。

　　3 無源的放電檢測探頭技術(shù)

　　無源的放電檢測探頭技術(shù)是基于已有的精密光纖同步觸發(fā)技術(shù)[9] 發(fā)展而來的。在功率系統(tǒng)中的自激實際上就是充放電裝置發(fā)生的各種非正常的放電(觸發(fā)型、自發(fā)型)。觸發(fā)型以放電回路存在突變的時間常數(shù)為標(biāo)志，通常是回路中的某一個元件導(dǎo)通(如開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通)形成的，故其放電回路時間常數(shù)遠(yuǎn)小于其充電回路的時間常數(shù)，放電波形中往往存在一個跳變的放電沿(20～30 ns);而自發(fā)型是在沒有元件導(dǎo)通的情況下發(fā)生的，是一種泄放型的放電，不存在突變的時間常數(shù)，充放電回路具有同樣的時間常數(shù)，故其放電波形中不存在陡峭的放電沿，其波形往往是對稱的、形狀如“饅頭”一樣，故而俗稱饅頭波。

　　為了更好地滿足快速響應(yīng)時間的要求，放電檢測探頭原理經(jīng)歷了從微分型到一定線性型的轉(zhuǎn)變。基于完整放電脈沖的檢測，早期采用了微分型的檢測原理：針對陡峭的放電后沿，獲取檢測信號，以示放電完成，再進行是否是自激的判斷從而給出監(jiān)控要求。

　　對閃光試驗時序的分析表明：如果檢測到放電就進行監(jiān)控、不進行上述判斷的話，既不影響正常工作時序，又可以將響應(yīng)時間再縮短一個充電脈沖的時間、進一步降低自激帶來的風(fēng)險。因此，結(jié)合無源工作的要求，最終的放電檢測探頭采用了具有一定線性度的檢測探頭，獲取放電波形的有效特征用于檢測信號產(chǎn)生。

　　為了適應(yīng)寬泛的放電電壓范圍，內(nèi)部線路采用了一定的變換驅(qū)動原理，使得探頭可以安全地工作于數(shù) kV 到 250 kV 而不損壞，不僅可以獲得非常靈敏的檢測閾值，而且能夠獲得足夠充分的檢測范圍，確保檢測的高可靠性。

　　為了驗證無源探頭的抗干擾能力，將探頭懸空直接放置在 Marx 輸出端處的外殼上，Marx 放電時，探頭均無檢測信號輸出，說明在 Marx 工作電壓下產(chǎn)生的電磁干擾環(huán)境里探頭也能正常工作，因此無源工作方式大幅度地提高了檢測探頭的抗干擾能力，進而提高了系統(tǒng)工作的可靠性，更好地滿足了閃光試驗對可靠性的要求。

　　4 監(jiān)測控制系統(tǒng)研制

　　包括適用于大 Marx、小 Marx、增強器等脈沖功率裝置的觸發(fā)放電波形的無源檢測探頭、長距離的傳輸光纖、監(jiān)測控制器、輸出光電隔離電路、自激裝置指示等部分，其中監(jiān)測控制器包含了光脈沖接收及轉(zhuǎn)換電路、波形整形電路及可編程的大規(guī)模集成電路芯片(LSI)，而 LSI 實現(xiàn)監(jiān)控中的最重要的邏輯電路的功能并輸出監(jiān)控信號，監(jiān)控信號分為兩種：驅(qū)動繼電器進行起爆系統(tǒng)剎車的觸點信號(ms 級延遲時間)、由緩沖器輸出的可直接被使用的標(biāo)準(zhǔn) TTL 電信號(約百 ns 延遲時間)。

　　由于點火裝置需要產(chǎn)生高電壓、大電流的信號進行裝置起爆，這個過程會產(chǎn)生極大的干擾，并且可能從繼電器輸出觸點的連線串入監(jiān)控系統(tǒng)，故而在輸出級增加一級光電隔離線路以進一步抑制干擾信號的影響，驗證實驗表明該措施起到了非常重要的干擾隔離作用。

　　采用可編程的大規(guī)模集成電路芯片作為中心邏輯處理器，利用硬件電路的高速工作速度達到了快速的響應(yīng)，同時具有調(diào)試便捷、能力擴充方便的特點，目前的監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋了全部需要監(jiān)測的功率裝置，滿足了閃光照相試驗的監(jiān)控范圍要求。

　　對于某加速器的增強器而言，由于其觸發(fā)放電輸出波形是一個多周期的振蕩波形，其輸出波形中出現(xiàn)的第一個負(fù)向跳變信號表示了觸發(fā)放電(包括自激)的有效狀態(tài)，因此監(jiān)控系統(tǒng)針對出現(xiàn)的第一個有效信號進行監(jiān)控并產(chǎn)生監(jiān)控輸出信號，其中上邊波形為檢測信號的有效部分波形，電壓幅度為數(shù)伏的水平，并轉(zhuǎn)換為光信號，中間為增強器的放電輸出波形，幅度可以達到數(shù)十 kV 的水平，而最下面的波形為提供給檢測電路進行處理的數(shù)字信號波形。

　　大、小 Marx 觸發(fā)放電的波形極為相似，只是在幅度上有一點差異，其中紅色波形為小 Marx 放電輸出波形，幅度可以達到數(shù)十 kV 的水平，藍色曲線為小 Marx 的放電輸出波形的光信號檢測波形，電壓幅度為數(shù)伏的水平，而綠色波形為提供給檢測電路進行處理的數(shù)字信號波形。檢測輸出信號為光脈沖信號(具有放電波形中的有效信號特征)，整形信號為監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部用于處理產(chǎn)生監(jiān)控輸出的中間信號，其響應(yīng)速度可以通過比較閾值的調(diào)節(jié)而使得其前沿盡量與放電前沿早期同步，即在觸發(fā)放電的早期即可對(自激)觸發(fā)放電進行響應(yīng)，從而具有了對放電過程的檢測能力。

　　對于用于起爆鏈路中斷的信號輸出，由于采用了繼電器觸點輸出，其響應(yīng)時間(一級繼電器)具體在 1.5 ms 左右，藍色和紅色兩個波形為兩個 Marx 放電的模擬波形，綠色波形為檢測到 Marx 等裝置自激后產(chǎn)生的中斷控制信號波形(TTL 信號)，最下面的波形為繼電器觸點開啟(斷開)信號波形，測試時外接+5 V 電源，故其幅度為 5 V。

　　5 討　論

　　在閃光照相試驗中，由于各系統(tǒng)工作方式的原因，需要滿足一定的時序要求。而系統(tǒng)工作的特點(系統(tǒng)干擾強、裝置起爆后不可控)，使得系統(tǒng)研制需要分別對待。根據(jù)這些情況，本文確定采用線性轉(zhuǎn)換的無源檢測探頭提高檢測的可靠性及滿足盡量快速的響應(yīng)要求，制定的監(jiān)控策略同樣盡量滿足及時中斷的響應(yīng)要求，爭取將一切不可控的因素影響降低到最低限度。而監(jiān)控盲區(qū)的存在，使得在起爆后、正常觸發(fā)前的一段時間內(nèi)發(fā)生的自激即使可以進行檢測，但已無法對爆轟流程進行有效監(jiān)控，仍有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果，雖然屬于極限狀態(tài)，但也是可能存在的。

　　這種情況需要依靠功率系統(tǒng)裝置自身的性能可靠性提高來解決，使用外部監(jiān)控技術(shù)手段則無法解決這個問題。本文雖然是針對提高閃光照相試驗可靠性、對起爆系統(tǒng)進行中斷控制而進行的研究工作，但完全適用于加速器的各種保護要求，除了脈沖功率系統(tǒng)，還可以包括真空系統(tǒng)、磁鐵、恒流源等各部分[10]，只要將這些系統(tǒng)失效或發(fā)生錯誤的信息接入本控制系統(tǒng)進行擴充，就可以在加速器發(fā)生故障時及時地終止實驗或工作進程。

　　如果要將加速器工作時的所有參數(shù)或主要參數(shù)納入監(jiān)控，由于數(shù)量龐大，為了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維護的方便性，則應(yīng)該采用具有一定總線功能的組合式的模塊化儀器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的每一模塊功能完全相同，完成對需要進行監(jiān)控的相關(guān)工作參數(shù)的監(jiān)控，通過總線控制技術(shù)獲取加速器工作狀態(tài)并發(fā)出是否繼續(xù)流程的指令，而總線同時擔(dān)負(fù)各模塊的組合功能，采用總線技術(shù)使得模塊的增加、減少、更換或損壞均不影響控制系統(tǒng)工作，進而提高控制系統(tǒng)本身的可靠性。

　　6 結(jié)　論

　　本文針對直線感應(yīng)加速器中功率系統(tǒng)的自激監(jiān)控問題，在時間關(guān)系上分析了監(jiān)控的要求，研制了可靠性較高的具有一定線性轉(zhuǎn)換關(guān)系的無源觸發(fā)放電檢測探頭，采用光纖進行檢測信號的傳輸，提高了在強電磁干擾環(huán)境里進行自激檢測的可靠性，采用可編程的大規(guī)模集成電路實現(xiàn)了功率系統(tǒng)中幾十路裝置觸發(fā)信號的異步檢測及快速的集中處理，最終采用的監(jiān)控策略進一步將閃光照相試驗中因功率系統(tǒng)自激形成的不可控影響降低到了最低限度，實現(xiàn)了對功率系統(tǒng)自激的快速自動監(jiān)控功能[11]。

　　基于 Marx 自激監(jiān)測進行控制的起爆中斷系統(tǒng)已經(jīng)過較長時間的實際應(yīng)用，工作穩(wěn)定，具有較高的可靠性，解決了人工控制存在的各種問題，在閃光照相試驗中獲得了成功的應(yīng)用，等效地提高了閃光照相試驗系統(tǒng)工作的可靠性。如果起爆系統(tǒng)的中斷控制進行適應(yīng)性改進的話，可以將監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間降低到百納秒級，最大限度地減輕操作人員的工作壓力，也最大限度地提高進行閃光試驗的可靠性。

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　　作者：江孝國， 楊興林， 蔣　薇， 荊曉兵， 陳　楠， 李　勁， 李　遠(yuǎn)， 王　遠(yuǎn)， 劉邦亮， 臧宗旸， 陳　茂， 王永偉

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