本文摘要：摘 要 ： 強(qiáng)流直線感應(yīng)加速器(LIA)主要應(yīng)用于閃光照相試驗(yàn)，對(duì)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(shí)期，存在發(fā)生自激的可能性，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重影響。從對(duì) Marx 等裝置發(fā)生自激后進(jìn)行立即監(jiān)測(cè)
摘 要 ： 強(qiáng)流直線感應(yīng)加速器(LIA)主要應(yīng)用于閃光照相試驗(yàn)，對(duì)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(shí)期，存在發(fā)生自激的可能性，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重影響。從對(duì) Marx 等裝置發(fā)生自激后進(jìn)行立即監(jiān)測(cè)控制的角度，提出了一種提高閃光照相試驗(yàn)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(cè)探頭，采用大規(guī)�？删幊碳呻娐纷鳛橄到y(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(cè)控制器可方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)路數(shù)的擴(kuò)充，適應(yīng)多達(dá)幾十路放電裝置的檢測(cè)與監(jiān)控。功率系統(tǒng)裝置自激后，自激監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，最快可以達(dá)到百納秒級(jí)，且系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，滿足在閃光試驗(yàn)環(huán)境工作的要求，達(dá)到了在一定程度上提高閃光照相試驗(yàn)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(qiáng)流脈沖直線感應(yīng)加速器[1-2](LIA)是進(jìn)行閃光照相試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，產(chǎn)生重大的影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此其可靠性一直是 LIA 研制中的一個(gè)重要方面。
為了提高 LIA 工作的可靠性，需要在兩個(gè)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(jìn)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(bǔ)救措施，以便可以及時(shí)地終止試驗(yàn)的進(jìn)行，確保不產(chǎn)生嚴(yán)重后果，從而相當(dāng)于提高了試驗(yàn)的可靠性。在目前用于閃光試驗(yàn)的加速器中，功率系統(tǒng)包括了增強(qiáng)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(shí)存在。
在以往的工作中，由于測(cè)試與控制的分離，導(dǎo)致自激被測(cè)試到后需要人工進(jìn)行試驗(yàn)流程中斷的操作，可以有效地進(jìn)行中斷的過程需要耗費(fèi) s 級(jí)的時(shí)間，且存在人員壓力大、操作失誤的可能，因此靠人工進(jìn)行控制的方式具有極大的風(fēng)險(xiǎn)，能否成功進(jìn)行及時(shí)的中斷具有很大的不確定性。本文針對(duì)自激發(fā)生后缺失一種自動(dòng)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(cè)、快速監(jiān)控的自動(dòng)控制方法，并采用大規(guī)�？删幊碳呻娐窐�(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(kuò)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(kuò)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(cè)探頭，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到功率系統(tǒng)的自激放電狀態(tài)，通過改進(jìn)觸發(fā)判斷的標(biāo)準(zhǔn)，可以更快速地對(duì)功率系統(tǒng)的自激放電作出反應(yīng)，達(dá)到了以較可靠的自動(dòng)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(shí)間從原來的秒級(jí)大幅度地降低到約百 ns 量級(jí)的水平;基于 Marx 自激監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)充能力，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的情況進(jìn)行控制功能的擴(kuò)充，從而擴(kuò)大其得到應(yīng)用的范圍。
1 閃光試驗(yàn)時(shí)序簡(jiǎn)要分析及監(jiān)控基本要求
當(dāng)全系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后，計(jì)算機(jī)會(huì)給出一個(gè)系統(tǒng)零時(shí)同步脈沖信號(hào)，該信號(hào)作為系統(tǒng)各部分工作的零時(shí)刻信號(hào)，起到時(shí)間基準(zhǔn)的作用。對(duì)于試驗(yàn)裝置而言，在零時(shí)刻信號(hào) τ0 后發(fā)出點(diǎn)火起爆命令，裝置起爆，隨后的爆轟過程需要持續(xù)一段時(shí)間;對(duì)于閃光照相試驗(yàn)而言，則需要記錄其后的某一個(gè)時(shí)刻 τ1 的瞬態(tài)圖像。
明顯地，起爆點(diǎn)火信號(hào)是一個(gè)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(yàn)系統(tǒng)不正常時(shí)(包括功率系統(tǒng)自激)，希望在起爆命令發(fā)出前能夠進(jìn)行起爆點(diǎn)火的中斷，這就是自動(dòng)監(jiān)控的基本要求和目的。
在實(shí)際系統(tǒng)中，基于簡(jiǎn)化起爆鏈路控制的考慮，中斷控制信號(hào)采用了繼電器觸點(diǎn)信號(hào)的形式給出。因此，繼電器觸點(diǎn)開啟的響應(yīng)時(shí)間就是中斷信號(hào)產(chǎn)生作用的時(shí)間，由于觸點(diǎn)開啟是機(jī)械動(dòng)作，其動(dòng)作過程一般達(dá)到數(shù) ms 級(jí)。但監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)本身可以產(chǎn)生的控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)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(xiǎn)
針對(duì) LIA 功率系統(tǒng)本身而言的，自激的簡(jiǎn)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(cè)信號(hào)，相對(duì)于觸發(fā)時(shí)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(diǎn)輸出中斷信號(hào)的形式而導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間達(dá)到 ms 級(jí)，這些滯后實(shí)際上也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)就是在起爆命令發(fā)出的前后一段時(shí)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(cè)原理的監(jiān)控系統(tǒng)由于需要等候一個(gè)完整的充放電過程后才能獲得檢測(cè)信號(hào)，可能無法對(duì)起爆進(jìn)行有效的阻止。
在通常情況下，如果等待放電完成后進(jìn)行自激判斷，則至少需要一個(gè)完整的充放電的時(shí)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(duì)其進(jìn)行常態(tài)監(jiān)控，由于中斷控制的滯后性，也不會(huì)對(duì)正常時(shí)序產(chǎn)生影響。
基于這個(gè)認(rèn)識(shí)，取消了采用微分型探頭進(jìn)行完整放電過程的檢測(cè)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(cè)探頭對(duì)放電的有效波形進(jìn)行檢測(cè)，相當(dāng)于功率系統(tǒng)裝置剛開始放電就進(jìn)行檢測(cè)并監(jiān)控，從而可以將響應(yīng)極限時(shí)間進(jìn)一步提高一個(gè)充電脈沖的時(shí)間(約數(shù) μs)，將檢測(cè)滯后的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
對(duì)于系統(tǒng)觸發(fā)幾乎與自激同時(shí)發(fā)生的情況，也具有相應(yīng)的檢測(cè)能力，如果起爆系統(tǒng)可以處理這個(gè)監(jiān)控信號(hào)，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(jìn)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(duì)于自激監(jiān)控比觸發(fā)指令晚的情況，雖然可以獲得檢測(cè)結(jié)果，但已無法進(jìn)行有效監(jiān)控。
3 無源的放電檢測(cè)探頭技術(shù)
無源的放電檢測(cè)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(shí)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(shí)間常數(shù)為標(biāo)志，通常是回路中的某一個(gè)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(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于其充電回路的時(shí)間常數(shù)，放電波形中往往存在一個(gè)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(shí)間常數(shù)，充放電回路具有同樣的時(shí)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(duì)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(shí)間的要求，放電檢測(cè)探頭原理經(jīng)歷了從微分型到一定線性型的轉(zhuǎn)變�；谕暾烹娒}沖的檢測(cè)，早期采用了微分型的檢測(cè)原理：針對(duì)陡峭的放電后沿，獲取檢測(cè)信號(hào)，以示放電完成，再進(jìn)行是否是自激的判斷從而給出監(jiān)控要求。
對(duì)閃光試驗(yàn)時(shí)序的分析表明：如果檢測(cè)到放電就進(jìn)行監(jiān)控、不進(jìn)行上述判斷的話，既不影響正常工作時(shí)序，又可以將響應(yīng)時(shí)間再縮短一個(gè)充電脈沖的時(shí)間、進(jìn)一步降低自激帶來的風(fēng)險(xiǎn)。因此，結(jié)合無源工作的要求，最終的放電檢測(cè)探頭采用了具有一定線性度的檢測(cè)探頭，獲取放電波形的有效特征用于檢測(cè)信號(hào)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(dòng)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(cè)閾值，而且能夠獲得足夠充分的檢測(cè)范圍，確保檢測(cè)的高可靠性。
為了驗(yàn)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(shí)，探頭均無檢測(cè)信號(hào)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(cè)探頭的抗干擾能力，進(jìn)而提高了系統(tǒng)工作的可靠性，更好地滿足了閃光試驗(yàn)對(duì)可靠性的要求。
4 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研制
包括適用于大 Marx、小 Marx、增強(qiáng)器等脈沖功率裝置的觸發(fā)放電波形的無源檢測(cè)探頭、長(zhǎng)距離的傳輸光纖、監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)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(hào)，監(jiān)控信號(hào)分為兩種：驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行起爆系統(tǒng)剎車的觸點(diǎn)信號(hào)(ms 級(jí)延遲時(shí)間)、由緩沖器輸出的可直接被使用的標(biāo)準(zhǔn) TTL 電信號(hào)(約百 ns 延遲時(shí)間)。
由于點(diǎn)火裝置需要產(chǎn)生高電壓、大電流的信號(hào)進(jìn)行裝置起爆，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生極大的干擾，并且可能從繼電器輸出觸點(diǎn)的連線串入監(jiān)控系統(tǒng)，故而在輸出級(jí)增加一級(jí)光電隔離線路以進(jìn)一步抑制干擾信號(hào)的影響，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(dá)到了快速的響應(yīng)，同時(shí)具有調(diào)試便捷、能力擴(kuò)充方便的特點(diǎn)，目前的監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋了全部需要監(jiān)測(cè)的功率裝置，滿足了閃光照相試驗(yàn)的監(jiān)控范圍要求。
對(duì)于某加速器的增強(qiáng)器而言，由于其觸發(fā)放電輸出波形是一個(gè)多周期的振蕩波形，其輸出波形中出現(xiàn)的第一個(gè)負(fù)向跳變信號(hào)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(duì)出現(xiàn)的第一個(gè)有效信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控并產(chǎn)生監(jiān)控輸出信號(hào)，其中上邊波形為檢測(cè)信號(hào)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(hào)，中間為增強(qiáng)器的放電輸出波形，幅度可以達(dá)到數(shù)十 kV 的水平，而最下面的波形為提供給檢測(cè)電路進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)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(diǎn)差異，其中紅色波形為小 Marx 放電輸出波形，幅度可以達(dá)到數(shù)十 kV 的水平，藍(lán)色曲線為小 Marx 的放電輸出波形的光信號(hào)檢測(cè)波形，電壓幅度為數(shù)伏的水平，而綠色波形為提供給檢測(cè)電路進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)波形。檢測(cè)輸出信號(hào)為光脈沖信號(hào)(具有放電波形中的有效信號(hào)特征)，整形信號(hào)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(hào)，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(duì)(自激)觸發(fā)放電進(jìn)行響應(yīng)，從而具有了對(duì)放電過程的檢測(cè)能力。
對(duì)于用于起爆鏈路中斷的信號(hào)輸出，由于采用了繼電器觸點(diǎn)輸出，其響應(yīng)時(shí)間(一級(jí)繼電器)具體在 1.5 ms 左右，藍(lán)色和紅色兩個(gè)波形為兩個(gè) Marx 放電的模擬波形，綠色波形為檢測(cè)到 Marx 等裝置自激后產(chǎn)生的中斷控制信號(hào)波形(TTL 信號(hào))，最下面的波形為繼電器觸點(diǎn)開啟(斷開)信號(hào)波形，測(cè)試時(shí)外接+5 V 電源，故其幅度為 5 V。
5 討 論
在閃光照相試驗(yàn)中，由于各系統(tǒng)工作方式的原因，需要滿足一定的時(shí)序要求。而系統(tǒng)工作的特點(diǎn)(系統(tǒng)干擾強(qiáng)、裝置起爆后不可控)，使得系統(tǒng)研制需要分別對(duì)待。根據(jù)這些情況，本文確定采用線性轉(zhuǎn)換的無源檢測(cè)探頭提高檢測(cè)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(shí)中斷的響應(yīng)要求，爭(zhēng)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(shí)間內(nèi)發(fā)生的自激即使可以進(jìn)行檢測(cè)，但已無法對(duì)爆轟流程進(jìn)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(gè)問題。本文雖然是針對(duì)提高閃光照相試驗(yàn)可靠性、對(duì)起爆系統(tǒng)進(jìn)行中斷控制而進(jìn)行的研究工作，但完全適用于加速器的各種保護(hù)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(cuò)誤的信息接入本控制系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，就可以在加速器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)地終止實(shí)驗(yàn)或工作進(jìn)程。
如果要將加速器工作時(shí)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(hù)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(duì)需要進(jìn)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(shí)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(jìn)而提高控制系統(tǒng)本身的可靠性。
6 結(jié) 論
本文針對(duì)直線感應(yīng)加速器中功率系統(tǒng)的自激監(jiān)控問題，在時(shí)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(cè)探頭，采用光纖進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的傳輸，提高了在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境里進(jìn)行自激檢測(cè)的可靠性，采用可編程的大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)了功率系統(tǒng)中幾十路裝置觸發(fā)信號(hào)的異步檢測(cè)及快速的集中處理，最終采用的監(jiān)控策略進(jìn)一步將閃光照相試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)功率系統(tǒng)自激的快速自動(dòng)監(jiān)控功能[11]。
基于 Marx 自激監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制的起爆中斷系統(tǒng)已經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)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(yàn)中獲得了成功的應(yīng)用，等效地提高了閃光照相試驗(yàn)系統(tǒng)工作的可靠性。如果起爆系統(tǒng)的中斷控制進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)的話，可以將監(jiān)控系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間降低到百納秒級(jí)，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(jìn)行閃光試驗(yàn)的可靠性。
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作者：江孝國(guó)， 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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