微波功率源连锁保护装置研制

    此微波功率源系统用于中国科学院上海应用物理研究所深紫外自由电子激光项目，由一个PLC(Programmable Logical Controller)控制器、一个连锁保护模块、一个 80 MW 的脉冲调制器和一个微波系统组成。PLC 任务是整个微波功率源系统的软件控制，连锁保护模块任务是微波功率源系统的硬件连锁保护控制，脉冲调制器任务是为微波系统提供 80 MW 的脉冲功率，微波系统的任务是输出频率 2856 MHz、重复频率 1–10 Hz、脉冲宽度 3.0μs、功率 22 MW 的超高频振荡微波功率^[1]。为使微波功率连续稳定地提供光阴极注入器所需的微波功率，除须确保脉冲调制器的高压脉冲指标外，还要保证调制器和微波系统的可靠性、连续运行的高稳定性、人身和设备的安全性。因此，对调制器和微波系统的连锁保护信号的监测和控制十分重要。

    1 微波功率源的组成和原理

    1.1 微波功率源的组成

    此微波功率源主要由两部分构成：80 MW 的脉冲调制器和微波系统。具体的实物图为如图 1 所示。

    1.2 微波功率源的原理

    1.2.1 脉冲调制器原理

    目前，国内外直线加速器用脉冲调制器研究一直在进行和发展。研究和实验各种原理电路和器件应用，以提高调制器的输出功率、提高波形指标和稳定性、提高效率、减小体积等。调制器电路采用的技术有：谐振充电和直接充电、氢闸流管电流开关和 IGBT 阵列电流开关、单初级变压器升压和多组初级组合升压、PFN 成形和直接开关成形等。国际上最成熟、应用最多的是第二代脉冲调制器，其工作原理是谐振充电，De-Q 稳幅，传输线电容充电储能，电流开关瞬时放电，仿真传输线脉冲成形网络(PFN)成形脉冲，最后由脉冲变压器升压输出。然而，目前研制技术较为先进和成功的调制器是在上述电路中该由高压恒流电容充电电源直接充电取代谐振充电和 De-Q 稳幅电路，提高设备的可靠性、效率、简化控制和减小体积。正在进行的研究和实验还有采用固态开关(IGBT)取代氢闸流管电流开关和 PFN、多初级组合升压等技术^[2]。

    调制器分为：关机状态、低压状态、高压状态、输出状态四种状态。每一种状态具备一个连锁信号输出，判断是否满足正常工作条件。状态具体的调制器运行连锁流程如图 2 所示。

    1.2.2 微波系统原理

    微波系统主要是由微波激励源,速调管和波导组成，速调管完成由调制器提供的脉冲功率倍频，从而实现超高频率的脉冲输出。速调管是靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波电子管。在速调管中，输入腔隙缝的信号电场对电子进行速度调制，经过漂移后在电子注内形成密度调制；密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量变换，电子把动能交给微波场，完成放大或振荡的功能。