多路程控高压电源的研制及其在核探测技术中的应用

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1 多路程控高压电源的研制及其在核探测技术中的应用
天津市森特尔新技术有限公司

2 6、程控电源在大阵列中子闪烁探测器中的应用 7、展望
目录 1、引言 2、高压电源柜系统组成 3、高压输出 4、高压测量 5、电气指标 6、程控电源在大阵列中子闪烁探测器中的应用 7、展望

3 引言 惯性约束聚变（ICF）的最终目标是实现高温高密度热核点火。因此，研究聚变燃料高压缩状态下的燃料面密度是极其重要的。大阵列中子闪烁探测器系统目前几乎是国际上使用的唯一探测手段，已成为诊断压缩密度的标准技术。大面积闪烁探测器阵列由1000个独立的闪烁体－光电倍增管组成，同时需要1000路高压电源。这样一套庞大的探测系统不仅对电源的技术指标要求苛刻，而且对如何方便地使用和控制也提出了高的要求。

4 引言 近年来我国核技术探测领域所用的高压电源大多为国外进口，所带来的问题是价格昂贵、维修周期长、相关核物理探测的实验和应用也受到国外相关厂家的牵制，带来诸多不便。在高压电源的国产化已是势在必行的情况下，我们首先针对中国工程物理研究院激光聚变研究中心的迫切需求，成功研制出了高集成度、高可靠性、高输出精度的千路程控高压电源，并在在神光III原型激光装置上进行的大型实验中获得了可靠的实验数据。

5 多路程控高压电源是一种组合式电源，包括机箱、供电电源、高压输出插件、及与PC的通迅插件,系统结构如图1所示：
系统组成 多路程控高压电源是一种组合式电源，包括机箱、供电电源、高压输出插件、及与PC的通迅插件,系统结构如图1所示：

6 系统组成 图1 系统结构图

7 压值的插件，每个输出通道都可单独进行参数设 置，如输出电压值、上限电流值、上限温度值、 上电斜率、下电斜率等。机箱内总线采用工业
系统组成 机箱内可插多个不同输出电压极性及最高电 压值的插件，每个输出通道都可单独进行参数设 置，如输出电压值、上限电流值、上限温度值、 上电斜率、下电斜率等。机箱内总线采用工业 RS485总线，其特点是稳定可靠、易布线，机箱 外部总线采用以太网，其特点是传输速率高、距 离远、通过广域网可达到不受地域空间的限 制且稳定可靠。

8 也是我们公司经过十几年潜心研制的产品，在产 品设计、器件选型、生产工艺上都有其独特性。 比如，我们所选用的器件都为工业级产品，是高
高压输出 高压电源柜的核心部件即为高压输出模块， 也是我们公司经过十几年潜心研制的产品，在产 品设计、器件选型、生产工艺上都有其独特性。 比如，我们所选用的器件都为工业级产品，是高 压输出模块能得到高性能参数的基本保障。

9 全铜外壳使模块能工作在潮湿、震动、电磁干扰 严重的恶劣环境下，每块模块在出厂前都经过整 套的老化测试，使模块的整体性能参数也要达到
高压输出 模块整体采用导热树脂密闭灌封，采用全铝或 全铜外壳使模块能工作在潮湿、震动、电磁干扰 严重的恶劣环境下，每块模块在出厂前都经过整 套的老化测试，使模块的整体性能参数也要达到 工业级。各路高压输出相对独立，没有相互干 扰，当一路出现故障时不会影响到其它路高压输 出的正常工作，这对于超大规模阵列的应用提供 了安全保障。

10 高压输出 下图是高压输出示意图： 图2 高压输出示意图

11 高压输出模块性能参数 输入直流工作电压：24V 输出直流高压 ：0至+3000V、0至-3000V、 0至+4000V或0至-4000V
输出电流 ：100uA - 1mA 输出电压时漂 ：≤0.02% 输出电压温度系数 ：≤0.02%/℃ 输出纹波电压 ：＜30mV 使用极限温度 ：-20至+70℃

12 高压测量 测量方法采用高压电阻分压网络，再用高分辨率ADC进行采样测量的方法进行计算，如下图： 图3 高压测量示意图

13 高压测量 上图中的R2、R3和R4、R5为两组高压分压电阻，把3000或4000伏高压分压降至ADC可以测量的电压范围内，R3为125K/2W的过流电阻。V1＝V1T(R2+R3)/R3; V2＝V2T(R4+R5)/R5; I= (V1-V2)/R1

14 高压测量 测量方法原理是一目了然，比较简单，但在实现工艺上却有一定难度，因为一般的高压电阻在施加上千伏的高压后，电阻阻值会随着电压的变化而变化，此变化值对于我们用分压法来测量计算高压值所造成的误差已是非常严重,根本不能实现设计参数指标。 我们采用特 别定制的分压电阻网络对高压进行分压，达到了在施加不同高压下的精确分压比，再配合相应的补偿得到预先设计的各项参数指标。分压电阻网络如图4：

15 高压测量 输入高压 地 分压测试点 100MΩ 电阻部分 100KΩ 图4 分压电阻网络图

16 头做为两个电阻的公共端，即分压测试点。其制 做工艺和材料不同于金属模电阻，其电阻层物质 采用金属“釕”和“玻璃釉”的混合物经过高温后采
高压测量 把分压的两个电阻封装在一起，中间引出抽 头做为两个电阻的公共端，即分压测试点。其制 做工艺和材料不同于金属模电阻，其电阻层物质 采用金属“釕”和“玻璃釉”的混合物经过高温后采 用丝印工艺印刷到绝缘体上，这样可以精确控制 电阻层的厚度、宽度，保证电阻层的均匀一至 性，再利用这两种物质良好的稳定性。

17 系数在50PPM/℃，而一般的金属膜电阻只能达 到200-300PPM/℃，保证了电阻网络内各部分电
高压测量 可使生产出的电阻稳定性达到很高，其温漂 系数在50PPM/℃，而一般的金属膜电阻只能达 到 PPM/℃，保证了电阻网络内各部分电 阻特性的一至，使分压比在不同高压值下尽量保 持一至，在高压的测量计算过程中再加上适当的 计算补偿，可使测量计算的电压及电流值达到设 计指标。

18 整体电气参数 电气参数 （1）输入电压：220V/50Hz （2）输出路数：1~多路
（3）单路输出直流电压：每个插件可定制为多个通道输出都为+3000V、-3000V、+4000V或-4000V。 （4）单路输出直流电流： mA （5）输出电压时漂：≤0.02% （6）输出电压温度系数：≤0.02%/℃ （7）输出电压纹波：<30mV （8）使用极限温度：-20℃~70℃ （7）整机功耗：360W

19 程控电源在大阵列中子闪烁探 测器中的应用 在国内目前最大的激光装置神光III原型上进 行的大型实验中，大阵列中子闪烁探测器系统成
成功应用 程控电源在大阵列中子闪烁探 测器中的应用 在国内目前最大的激光装置神光III原型上进 行的大型实验中，大阵列中子闪烁探测器系统成 功地获得了中子信号。图5是实验中实测的中子 波形。实验结果表明，电源的性能和功能已经可 以与进口产品相媲美。由于程控高压电源稳定性 好等优点，所获取的中子信号精度高，为实现 ICF物理实验精密化的目标打下了基础。

20 成功应用 图5 大阵列中子闪烁探测器实测的中子波形

21 需求也是越来越多，而且对高压电源的各种参数 也提出了更高的要求，如提高单位体积的通道数、 提高输出电压、输出电流等。目前我们已研制出
展望 随着我国核物理的发展，对高压电源的应用 需求也是越来越多，而且对高压电源的各种参数 也提出了更高的要求，如提高单位体积的通道数、 提高输出电压、输出电流等。目前我们已研制出 单个机箱输出通道数为192路，输出电压+3000 或-3000的高压电源柜。我们仍在继续努力把高 压电源做的更好。该电源不仅已经成功用于惯性 约束聚变，还可以广泛用于其它的核探测领域。

22 谢谢 Thanks! 谢谢！